CN103961097A - 一种磁共振扫描短te成像方法及磁共振扫描系统 - Google Patents

一种磁共振扫描短te成像方法及磁共振扫描系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁共振扫描短TE成像方法及磁共振扫描系统，通过以下方法实现短TE成像：使用短TE采集磁共振信号，使K空间中相位编码方向的第奇数条和第偶数条数据线由于短TE而缺失的数据点分布于K空间读出方向的不同端；利用并行采集重建的方法对K空间中缺失的数据点进行填补；将填补完整的K空间数据通过傅里叶变换转换成图像。本发明提出的磁共振扫描短TE成像方法与现有的短TE成像方法相比，能够避免产生吉布斯伪影或牺牲分辨率对图像质量造成的影响。

Description

一种磁共振扫描短TE成像方法及磁共振扫描系统
【技术领域】
本发明涉及磁共振成像(MRI，Magneti c Resonance Imaging)技术领域，尤其涉及一种磁共振扫描短TE成像方法及磁共振扫描系统。
【背景技术】
磁共振成像的基本原理为：人体组织内的氢原子具有自旋运动，产生磁矩，可以看为一些小磁体，正常状态下，这些小磁体的自旋方向排列无规律，但在固定电磁场作用下会产生定向排列；此时，当外加一个射频脉冲时，这些氢原子吸收一定能量而产生共振，自旋方向在射频脉冲作用下发生偏转，呈规律排列，即发生了磁共振现象；射频脉冲消失后，这些氢原子都将恢复到原来的状态，在恢复过程中，释放能量及改变自旋方向，对这些氢原子产生的磁共振信号进行采样，然后把这些采样获得的信号填入到K空间中，再把K空间通过傅里叶变换进行图像重建，就可以得到人体组织的磁共振图像。
磁共振扫描和成像时将扫描协议生成相应脉冲序列并将其转变成射频脉冲信号及梯度场脉冲信号，射频脉冲信号被发射出去作用于成像对象，产生磁共振信号，梯度场脉冲信号经放大用于控制梯度线圈进行成像的空间编码以定位信号产生的空间位置，将射频接收模块(射频接收线圈)采集到的磁共振信号填充到K空间，再将K空间数据经过傅里叶变换重建成图像。所述脉冲序列包括射频脉冲信号；沿Z轴方向的层面选择梯度场脉冲信号，用于对成像对象进行Z轴方向的选层；沿Y轴方向的相位编码梯度场脉冲信号，用于对成像对象用于对成像区域根据相位编码(PE，即Y轴)进行定位；沿X轴方向的读出(频率编码)梯度场脉冲信号，用于对成像区域根据频率编码(R0，即X轴)进行定位，产生K空间的数据线，根据以上脉冲序列产生回波信号(磁共振信号)。重复上述一组脉冲序列需要的时间称为重复时间(TR)，即相邻两个射频脉冲中心之间的时间差；同一组脉冲序列内，从射频脉冲到回波信号中心的时间差为回波时间(TE)。进行上述一组脉冲序列产生一条K空间内的数据线，不断重复上述脉冲序列产生所有的数据线填充K空间即完成扫描。
在磁共振临床应用中，很多情况下希望可以实现短TE成像，短TE带来的好处是：可以缩短扫描时间；可以增强T1加权；可以增强回波信号幅度等等。
目前实现短TE的方法主要是在读出(频率编码)方向上采用部分回波技术，部分回波技术的原理如图1所示。图1(a)为部分回波的k空间轨迹，图中PE表示相位编码方向，R0表示读出方向(即频率编码方向)，虚线表示由于部分回波而缺失的数据，实线表示实际采集的数据；图1(b)为对应采集的读出梯度场(GR0)脉冲信号波形示意图，回波中心偏移可以一定程度缩短TE，图中忽略层选梯度，相位编码梯度，射频脉冲等细节。
对于图1(a)所示的K空间的欠采样数据，由于缺失数据分布于数据线读出方向上的同一端，一般情况下只能利用K空间的对称性补全这些缺失数据，但是这种方法重建的图像可能会带有吉布斯伪影；为了抑制吉布斯伪影，可以采用加窗滤波的办法，但是对于分辨率会有一定的牺牲。总之，现有的实现短TE成像的方法会对图像质量造成影响。
因此，需要提出一种改进的磁共振成像部分回波脉冲序列及图像重建方法，与现有技术相比能够避免产生吉布斯伪影或牺牲分辨率对图像质量造成的影响。
【发明内容】
本发明解决的问题是提出一种新的磁共振扫描脉冲序列和图像重建方法，在缩短TE的同时能够避免产生吉布斯伪影或牺牲分辨率对图像质量造成的影响。
为了解决上述问题，本发明提出一种磁共振扫描短TE成像方法，包括以下步骤：
使用短TE采集磁共振信号，使K空间中相位编码方向的第奇数条和第偶数条数据线由于短TE而缺失的数据点分布于K空间读出方向的不同端；
将K空间数据重建成图像。
可选地，使K空间中相位编码方向的第奇数条和第偶数条数据线缺失的数据点分布于K空间读出方向的不同端的方法是使用两种不同的读出梯度场分别读出K空间中相位编码方向的第奇数条数据线线和第偶数条数据线的回波信号，所述两种不同的读出梯度场的方向正负相反。
可选地，所述将K空间数据重建成图像的步骤包括：
对K空间中由于短TE而缺失的数据进行填补；
将填补完整的K空间数据转换到图像域。
可选地，利用并行采集重建的方法对K空间中缺失的数据点进行填补。
可选地，所述并行采集重建的方法为GRAPPA算法或SMASH算法或SPIRIT算法。
可选地，使用傅里叶逆变换将填补完整的K空间数据转换到图像域。
可选地，实现短TE采集磁共振信号的方法是使用部分回波采集，所述读出梯度场包括预散像梯度模块和读出梯度模块，通过调整预散相梯度来实现部分回波采集。
可选地，所述回波信号为梯度回波信号或自旋回波信号。
本发明还提出一种磁共振扫描系统，包括：
梯度系统，用于发射梯度场脉冲信号对成像对象进行选层和空间编码，；
射频线圈，包括射频接收模块，用于接收磁共振回波信号并填入K空间；
图像处理器模组，用于将K空间数据重建成图像；
所述梯度系统至少包括读出梯度场单元，用于发射两种方向正负相反的读出梯度场使得K空间中第奇数条数据线和第偶数条数据线缺失的数据位于读出方向的不同端。
可选地，还包括存储模组，用于存储K空间数据。
可选地，所述射频线圈还包括射频发射模块，用于发射射频信号使成像对象产生磁共振。
可选地，布置至少2个射频线圈用于接收回波信号填入各自的K空间中。
可选地，所述存储模组中的K空间数据在读出方向上对应一个全采样区域和两个欠采样区域，全采样区域位于两个欠采样区域之间，且两个欠采样区域大小相同。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：
缩短磁共振成像扫描的TE(回波时间)，从而增强T1加权，增强回波信号幅度，缩短扫描时间等；在缩短TE的同时能够避免产生吉布斯伪影或分辨率降低对图像质量造成的影响。
【附图说明】
图1是现有的短TE成像的K空间示意图和读出梯度场示意图；
图2是本发明的一个实施例的K空间示意图和读出梯度场示意图；
图3是本发明的一个实施例的K空间示意图；
图4是本发明的一个实施例的GRAPPA算法的示意图；
图5是本发明的一个实施例的磁共振扫描系统示意图；
图6是本发明的一个实施例的脉冲序列示意图；
图7是本发明的一个实施例的流程图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图2(a)为本实施例的脉冲序列采集的K空间数据示意图，其中，K空间中实际采集的数据用实线表示，缺失的数据用虚线表示；图2(b)为对应的读出梯度场(GR0)脉冲信号波形示意图，由于本发明与现有的短TE脉冲序列的变化主要在于读出梯度场的变化，以及读出梯度场变化造成K空间采集轨迹的变化，因此在图2中忽略层面选择梯度场，相位编码梯度场，射频脉冲等其他脉冲信号。
K空间分为读出方向(R0)和相位编码方向(PE)，读出方向即频率编码方向，发射一组脉冲序列可以获得一个成像对象的回波信号，采集回波信号填入K空间内可以获得K空间中一条数据线。
在本实施例中，使用部分回波技术实现短TE成像，即减小读出梯度场中预散相梯度模块效果的实现，使回波中心偏移，由于使用部分回波技术，K空间的数据线中的部分数据缺失，但是不同于现有的部分回波，对于相邻的数据线，由于部分回波而缺失的数据分布在读出方向的不同端，使得可以采用并行采集重建的方向对K空间中由于短TE成像而缺失的数据进行填补并重建成图像，从而避免现有的短TE成像技术只能利用K空间的对称性填补缺失数据而造成的图像质量问题。
在本实施例中，沿相位编码方向的第奇数条数据线211的缺失数据位于K空间的上端，第偶数条数据线212的缺失数据位于K空间的下端。发射两种正负相反的读出梯度场分别对K空间中第奇数条数据线211和第偶数条数据线212进行采集，就可以使第奇数条数据线211和第偶数条数据线212的读出方向相反，从而使得第奇数条数据线211和第偶数条数据线212由于短TE成像而缺失的数据分布于读出方向的不同端。图2中，K空间中的第奇数条数据线211对应第一种读出梯度场脉冲221，K空间中的第偶数条数据线212对应第二种读出梯度场脉冲222，第一种读出梯度场脉冲221和第二种读出梯度场脉冲222的关系为正负相反。
当K空间数据按照图2中的方式采集完K空间数据后，将图2(a)中的K空间分离成三部分，如图3所示，一个全采样区域302和两个欠采样区域301、303，全采样区域302对应于图2(a)中点划线框内全采样数据，欠采样区域301、303对应于图2(a)中读出方向两端的数据，然后利用并行采集重建的方法对虚线缺失的数据进行恢复。需要注意的是，由于需要使用并行采集重建的方法对缺失数据进行填补，因此必须采用多个射频接收线圈并行采集K空间数据，一个射频接收线圈对应一个K空间(图中只画出了一个K空间作为示意图)。由于K空间中相邻数据线的缺失数据位于读出方向的不同端，因此可以使用并行采集重建的方法填补出缺失数据，将填补完整的K空间数据通过傅里叶变换重建成图像，这样就可以避免像现有的短TE成像中那样产生吉布斯伪影或牺牲分辨率对图像质量造成影响。
一种基于K空间的并行采集重建的方法是GRAPPA(Gene RalizedAutocal ibrating Partially Parallel Acquisitions，广义自校准并行采集)算法，全采样区域302可以视为校准数据，利用全采样区域302的全采样校准数据，可以计算出GRAPPA算法中对应的填补合并系数，利用这个填补合并系数，以及欠采样区域303、301实际采样的数据，可以填补出欠采样区域301、303中虚线部分缺失的数据。
GRAPPA方法的具体原理如图4所示，黑色实点代表为实际采集的K空间数据；白色空点为欠采样需要填补的数据；灰色实点表示为了计算合并参数，而适量全采样的数据。GRAPPA方法认为，图中任意一个空心点可以表示为周围黑色实点的线性叠加，相当于对多个线圈的数据进行了合并。而合并系数nij(第i个线圈，第j个位置)可以通过黑色实点拟合获得的灰色点来确定。系数确定后其他白色空点即可根据求得的合并参数将线圈合并填补空白数据。
在本实施例中，虽然使用了GRAPPA算法填补K空间中的缺失数据并重建图像，但在本发明的范围内，可以使用包括GRAPPA算法在内的任何一种并行采集重建的方法来重建图像，例如SMASH算法、SPIRIT算法等等，本领域的技术人员应当熟悉这些算法。
本实施例的磁共振扫描系统如图5所示，磁共振系统10是通过操作员控制台12进行控制，控制台12包括键盘和/或其他输入设备13、控制面板14以及显示屏16。控制台12通过连接部件18与一台独立的电脑系统20相连，电脑系统20可以使操作员能在显示屏16上控制图像的生成和显示。该电脑系统20包括通过背板20a进行互相沟通的若干模组，这些模组包括有图像处理器模组22、CPU模组24及内存模组26，内存模组26可以是业界熟知的用于存储图像数据组的帧缓冲器。电脑系统20与硬盘28和磁碟30连接，存储图像数据和程序，而且通过高速串行连接34与一独立控制系统32相连。
控制系统32包括通过一背板32a相互连接在一起的一组模组，所述模组包括CPU模组36、通过串行连接(serial link)40与控制台12连接的脉冲发生器模组38。控制系统32通过串行连接40接收来自操作员的需要执行的扫描序列(scan sequence)的指令。脉冲发生器模组38运行系统组件，执行指定的扫描序列，输出数据，例如：射频发射的射频脉冲的计时、强度、形状，射频接收的计时和数据采集窗口的长度。脉冲发生器模组38连接到一系列梯度放大器系统42，用于控制(indi cate)扫描过程中产生的梯度脉冲的时长和形状。脉冲发生器模组38能够从生理采集控制器44接收病人信息，所述生理采集控制器44通过连接到病人的若干不同的传感器采集信号，例如通过安装在病人身上的电极获取心电图信号。脉冲发生器模组38最终连接到扫描室接口电路46，扫描室接口电路46接收与病情和磁共振成像系统相关的传感器产生的信号。通过扫描室接口电路46，病人定位系统48接收指令，移动病人到指定位置进行扫描。
脉冲发生器模组38产生的梯度波形被运用到具有Gx、Gy、Gz的梯度放大器系统42，每个梯度放大器激发梯度线圈组50中对应的一个梯度线圈，产生用于生成相应空间编码信号的磁场梯度。梯度线圈组50为磁组件52的一部分，磁组件52还包括有极化磁体54和体射频线圈56。控制系统32中的收发器模组58产生的脉冲被射频放大器60放大，通过发送/接收开关62与射频线圈56进行耦合。病人体内被激发的原子核发出的信号被射频线圈56感知到，然后通过发送/接收开关62传输到前置放大器64，放大的磁共振信号经过收发器模组58的接收部进行解调、过滤、数字化处理。发送/接收开关62可以被脉冲发生器模组38的信号控制，从而在发射模式下电性连接射频放大器60和射频线圈56，在接收模式下，电性连接前置放大器64和射频线圈56。发送/接收开关62能够使单独的射频线圈(例如表面线圈)在发射和接收的模式下使用。
射频线圈56收集的磁共振信号经过收发器模组58进行数字化处理，然后传输到控制系统32中的存储模组66。当存储模组66获取一组原始的K-空间数据后，扫描结束。原始的K空间数据被重新整理成与每个将被重建的图像对应的单独的K空间数据组，每个K空间数据组被输入到阵列处理器68，进行图像重建后结合磁共振信号，形成一组图像数据，图像数据通过串行连接34传输到电脑系统20，并保存在存储装置例如硬盘28中。与控制台12发出的指令相对应，所述图像数据可以长期存储起来，例如存储在磁碟30上，或者通过图像处理器22进行进一步处理并传送到控制台12，并在显示屏16上显示。
梯度系统包括脉冲发生器模组38，具有Gx、Gy、Gz(沿X轴，Y轴，Z轴方向变化的梯度场)的梯度放大器系统42以及梯度线圈组50中，产生用于生成相应空间编码信号的磁场梯度。其中，梯度放大器系统42中的Gz(沿Z轴方向变化的梯度场)激发梯度线圈组50中的读出梯度场单元，产生读出梯度场，用于发射两种方向正负相反的读出梯度场使得K空间中第奇数条数据线和第偶数条数据线缺失的数据位于读出方向的不同端。
射频线圈56包括射频发射模块和射频接收模块，射频发射模块用于发射射频信号使成像对象产生磁共振；射频接收模块用于采集磁共振回波信号并填入K空间。在本实施例中，至少需要2个射频线圈56并行采集磁共振回波信号并填入各自的K空间中，使得可以使用并行采集重建的方法对K空间的缺失数据进行填补。
图像处理器模组22，用于将K空间数据重建成图像。
存储模组66，用于存储K空间数据，所述存储模组中的K空间数据在读出方向上对应一个全采样区域302和两个欠采样区域301，303，全采样区域302位于两个欠采样区域301，303之间，且两个欠采样区域301，303大小相同。
图6是本实施例的脉冲序列示意图；图7为本实施例的流程图，如图6和图7所示，本实施例的磁共振扫描短TE成像方法通过以下步骤实现：
执行步骤S01，发射脉冲序列，采集K空间数据。如图6所示，本实施例中使用梯度回波(GRE)序列实现本发明提出的短TE成像。一组脉冲序列包括：射频线圈56的射频发射模块发射的射频脉冲(Rf)信号，此射频脉冲信号的频率为成像对象的H原子的进动频率，使得成像对象的H原子产生磁共振；梯度线圈组50发射的沿Z轴方向磁场变化(Gz)的层面选择梯度场(Gss)脉冲信号，用于对成像对象进行选层；梯度线圈组50发射的沿Y轴方向磁场变化(Gy)的相位编码梯度场(GPE)脉冲信号，用于对成像对象进行相位编码方向的定位。梯度线圈组50发射的沿X轴方向磁场变化(Gx)的读出梯度场(GR0)脉冲信号，对成像对象进行频率编码方向的定位。一组脉冲序列可以通过射频线圈56的射频接收模块采集到一个回波信号(ADC)，在本实施例中，调整读出梯度场(GR0)的预散相梯度模块的大小，使得产生部分回波信号，将这个回波信号填入到K空间中即为一条数据线。在本实施例中，使用两种不同的读出梯度场分别读出K空间中第奇数条数据线和第偶数条数据线的回波信号，使得K空间中第奇数条数据线和第偶数条数据线由于部分回波而缺失的数据分布于读出方向的不同端。在本实施例中，脉冲序列的频率脉冲(Rf)，层面选择梯度场(Gss)脉冲信号，相位编码梯度场(GPE)脉冲信号都和常规的GRE序列一样，唯一的区别是使用两种读出梯度场(GR0)脉冲信号对K空间中相邻两条数据线从不同的两个方向读出。
执行步骤S02，按照步骤S01中的方法采集完K空间中所有的数据线的回波信号并将其填入到K空间后，得到K空间数据，K空间数据存储在内存模组26中，通过图像处理器模组22将K空间数据重建成图像。使用GRAPPA算法将K空间中由于部分回波而缺失的数据进行填补。关于GRAPPA算法的原理和应用在前面已经详细说明，这里就不再敷述。
执行步骤S03，通过傅里叶逆变换将填补完整的K空间数据转换到图像域，得到磁共振图像。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (13)

1.一种磁共振扫描短TE成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用短TE采集磁共振信号，使K空间中相位编码方向的第奇数条和第偶数条数据线由于短TE而缺失的数据点分布于K空间读出方向的不同端；
将K空间数据重建成图像。
2.如权利要求1所述的磁共振扫描短TE成像方法，其特征在于，使K空间中相位编码方向的第奇数条和第偶数条数据线缺失的数据点分布于K空间读出方向的不同端的方法是使用两种不同的读出梯度场分别读出K空间中相位编码方向的第奇数条数据线线和第偶数条数据线的回波信号，所述两种不同的读出梯度场的方向正负相反。
3.如权利要求1所述的磁共振扫描短TE成像方法，其特征在于，所述将K空间数据重建成图像的步骤包括：
对K空间中由于短TE而缺失的数据进行填补；
将填补完整的K空间数据转换到图像域。
4.如权利要求3所述的磁共振扫描短TE成像方法，其特征在于，利用并行采集重建的方法对K空间中缺失的数据点进行填补。
5.如权利要求4所述的磁共振扫描短TE成像方法，其特征在于，所述并行采集重建的方法为GRAPPA算法或SMASH算法或SPIRIT算法。
6.如权利要求3所述的磁共振扫描短TE成像方法，其特征在于，使用傅里叶逆变换将填补完整的K空间数据转换到图像域。
7.如权利要求1所述的磁共振扫描短TE成像方法，其特征在于，实现短TE采集磁共振信号的方法是使用部分回波采集，所述读出梯度场包括预散像梯度模块和读出梯度模块，通过调整预散相梯度来实现部分回波采集。
8.如权利要求2所述的磁共振扫描短TE成像方法，其特征在于，所述回波信号为梯度回波信号或自旋回波信号。
9.一种磁共振扫描系统，包括：
梯度系统，用于发射梯度场脉冲信号对成像对象进行选层和空间编码，；
射频线圈，包括射频接收模块，用于接收磁共振回波信号并填入K空间；
图像处理器模组，用于将K空间数据重建成图像；
其特征在于，所述梯度系统至少包括读出梯度场单元，用于发射两种方向正负相反的读出梯度场使得K空间中第奇数条数据线和第偶数条数据线缺失的数据位于读出方向的不同端。
10.如权利要求9所述的磁共振扫描系统，其特征在于，还包括存储模组，用于存储K空间数据。
11.如权利要求9所述的磁共振扫描系统，其特征在于，所述射频线圈还包括射频发射模块，用于发射射频信号使成像对象产生磁共振。
12.如权利要求9所述的磁共振扫描系统，其特征在于，布置至少2个射频线圈用于接收回波信号填入各自的K空间中。
13.如权利要求10所述的磁共振扫描系统，其特征在于，所述存储模组中的K空间数据在读出方向上对应一个全采样区域和两个欠采样区域，全采样区域位于两个欠采样区域之间，且两个欠采样区域大小相同。
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