CN104067137A - 具有对流动伪影的抑制的mr成像 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对放置在MR设备(1)的检查体积中的身体(10)进行MR成像的方法。本发明的目的是提供一种使得能够对流动伪影进行高效补偿的方法，尤其针对结合狄克逊水/脂分离的造影增强MR血管造影术。本发明的方法包括以下步骤：a)通过使身体(10)的部分经受RF脉冲的成像序列和切换的磁场梯度而至少在两个不同的回波时间生成两个梯度回波信号，其中，读出磁场梯度的第零矩在第一梯度回波的时间基本消失，读出梯度的第一矩在第一梯度回波的时间是非零的，而所述读出磁场梯度的第零矩和第一矩两者在第二梯度回波的时间基本消失；b)采集所述梯度回波信号；c)针对多个相位编码步骤重复步骤a)和b)。此外，本发明涉及用于执行本发明的方法的MR设备和要在MR设备上运行的计算机程序；d)从所述第一梯度回波的梯度回波信号重建第一MR图像并且从所述第二梯度回波的梯度回波信号重建第二MR图像；并且e)通过比较所述第一MR图像和所述第二MR图像来识别所述第一MR图像和/或所述第二MR图像的重影伪影。

Description

具有对流动伪影的抑制的MR成像
技术领域
本发明涉及磁共振(MR)成像的领域。其涉及对放置在MR设备的检查体积中的身体的部分进行MR成像的方法。本发明还涉及MR设备以及要在MR设备上运行的计算机程序。
利用磁场与核自旋之间的相互作用以便形成二维或者三维图像的成像MR方法现今被广泛地使用，尤其在医学诊断领域中，因为针对软组织的成像它们在许多方面中优于其它成像方法，不要求电离辐射并且通常不是侵入性的。
背景技术
根据一般的MR方法，要被检查的患者的身体被布置在强的均匀磁场B0中，其方向同时限定测量所基于的坐标系的轴(通常z轴)。磁场B0根据可以通过应用限定的频率(所谓的拉莫尔频率或者MR频率)的交变电磁场(RF场)所激发(自旋共振)的磁场强度而针对个体核自旋产生不同的能级。从宏观角度而言，个体核自旋的分布产生总体磁化，所述总体磁化可以通过应用适当频率的电磁脉冲(RF脉冲)而偏离平衡态，而磁场B0垂直于z轴延伸，使得磁化关于z轴进行进动。该进动描给圆锥体的表面，所述圆锥体的孔径角称为翻转角。翻转角的大小依赖于所施加的电磁脉冲的强度和持续时间。就所谓的90°脉冲而言，自旋从z轴偏转到横向平面(翻转角90°)。
在RF脉冲的终止之后，磁化弛豫回到初始的平衡状态，其中，z方向上的磁化以第一时间常量T1(自旋点阵或者纵向弛豫时间)再次建立，并且垂直于z方向的方向上的磁化以第二时间常量T2(自旋-自旋或者横向弛豫时间)弛豫。磁化的变化可以借助于接收RF线圈来探测，所述RF线圈以如下的方式在MR设备的检查体积内布置和取向：使得在垂直于z轴的方向上测量磁化的变化。在例如施加90°脉冲之后，横向磁化的衰减伴随有，核自旋(由局部磁场不均匀性所诱发)从具有相同相位的有序状态到其中所有相位角均匀地分布(失相)的状态。失相可以借助于再聚焦脉冲(180°脉冲)来补偿。这产生接收线圈中的回波信号(自旋回波)。
为了实现身体中的空间分辨，沿着三个主轴延伸的恒定磁场梯度被叠加在均匀磁场B0上，这导致自旋共振频率的线性空间依赖性。接收线圈中拾取的信号然后包含可以与身体中的不同位置相关联的不同频率的分量。经由接收线圈所获取的信号数据对应于空间频率域并且被叫做k空间数据。k空间数据通常包括利用不同的相位编码所获得的多个线。每个线通过采集若干样本来数字化。一组k空间数据借助于傅里叶变换被转换为MR图像。
发明内容
在MR成像中，经常期望获取关于不同的化学种类(chemical species)(诸如水和脂肪)对总体信号的相对贡献的信息，以要么抑制它们中的一些的贡献要么分开或者共同地分析它们全部的贡献。如果组合在不同的回波时间所获得的两个或两个以上的相对应回波的信息，那么可以计算这些贡献。这可以被认为化学位移编码，其中附加的维度，化学位移维度，通过在稍微不同的回波时间获得一对图像来限定和编码。尤其针对水脂分离，这些类型的实验经常被称为狄克逊(Dixon)类型的测量结果。借助于狄克逊成像或者狄克逊水/脂肪成像，水脂分离可以通过计算来自在不同的回波时间所获得的两个或两个以上的相对应回波的水和脂肪的贡献来达到。一般而言，因为在脂肪和水中存在氢的已知进动频率差异，所以这样的分离是可能的。在它的最简单形式中，水和脂肪图像通过“同相”和“异相”数据集的要么相加要么相减来生成。然而，这样的基于化学位移编码的不同组分的分离不仅限于水/脂肪组分。还可以考虑具有其它化学位移的其它组分。
己知在从发生流动现象(例如动脉血流)的检查的身体的区域所获得的MR图像中可能出现若干伪影。流动的两个最引人注目的作用是：作为给定图像元素(像素/体素)中的单独自旋的相位的不相干叠加的结果的MR信号强度的降低，以及作为心搏周期期间的脉动血流的结果的若干重影伪影的形成。由于这两个所提到的作用表现为与所使用的切换的磁场梯度的第一时间矩成比例，因而相对应的伪影可以借助于流动补偿通过控制梯度切换使得第一矩基本上等于0来降低。该类流动补偿在文献中有时被称为梯度矩相位重聚、梯度矩再聚焦或者梯度矩相消。
虽然前述技术允许大部分地抑制MR图像中的流动的不利作用，但是它们导致其它问题。最显著地，所提到的梯度矩相位重聚技术往往要求较长的回波时间和重复时间。其中，这基本上禁止了它们在第一遍造影增强血管造影术。
从前述容易领会到，存在对于经改进的MR成像技术的需要。因此，本发明的目标是提供一种使能流动伪影的高效补偿的方法，尤其针对结合狄克逊水/脂肪分离的第一遍造影增强MR血管造影术。
根据本发明，公开了一种放置在MR设备的检查体积中的身体的MR成像的方法。所述方法包括以下各项的步骤：
a)通过使身体的部分经受RF脉冲的成像序列和切换的磁场梯度而至少在两个不同的回波时间处生成两个梯度回波信号，其中，读出磁场梯度的第零矩在第一梯度回波的时间基本消失，读出梯度的第一矩在第一梯度回波的时间是非零的，而所述读出磁场梯度的第零矩和第一矩两者在第二梯度回波的时间基本消失；
b)采集所述梯度回波信号；
c)针对多个相位编码步骤重复步骤a)和b)；
d)从所述第一梯度回波的梯度回波信号重建第一MR图像并且从所述第二梯度回波的梯度回波信号重建第二MR图像；并且
e)通过比较所述第一MR图像和所述第二MR图像来识别所述第一MR图像和/或所述第二MR图像中的重影伪影。
根据本发明，获得至少两个独立的信号数据集，其中，第一信号数据集包括第一梯度回波的梯度回波信号，并且第二信号数据集包括第二梯度回波的梯度回波信号。本发明利用固有地抑制与第二信号数据集中的流动相关的伪影中的大部分的梯度矩相位重聚作用。因此，第一信号数据集与第二信号数据集之间的差异允许识别归因于流动的第一信号数据集中的重影伪影并且因此校正这些伪影。这样，本发明准许重影伪影的消除而不延长MR图像采集中的回波时间和重复时间。
例如，从第一梯度回波的梯度回波信号重建第一MR图像，而从第二梯度回波的梯度回波信号重建第二MR图像。然后，可以通过将第一MR图像与第二MR图像进行比较来在第一MR图像和/或第二MR图像中识别重影伪影。例如，可以基于与第二MR图像相比较的第一MR图像中的局部强度损失和/或增益来识别重影伪影。一旦重影伪影在MR图像中被识别，那么在第一MR图像中将它们消除是直接的，例如通过在第一MR图像中重新存储损失的局部强度或者通过裁剪局部的额外局部强度。
在消除第一MR图像中的重影伪影之后，在本发明的优选实施例中，可以通过组合第一MR图像和第二MR图像来计算至少一个MR图像，例如根据上文所提到的狄克逊技术。
必须注意到，术语“第一梯度回波”和“第二梯度回波”必须在本发明的含义之内的最宽广的可能的意义中来解释，每个术语指代由成像序列所生成的两个或两个以上的梯度回波的序列中的任何一个。具体而言，术语“第一梯度回波”和“第二梯度回波”不一定隐含两个相应的梯度回波以特定的时间顺序来生成。“第一梯度回波”也不一定是数个梯度回波的序列中的初始回波。“第一梯度回波”和“第二梯度回波”还不一定是连续的回波。
根据本发明获得的梯度回波信号可以包括来自具有不同的MR谱的至少两种化学种类的贡献，其中，选择回波时间使得来自至少两种化学种类的信号贡献在第二梯度回波的时间比在第一梯度回波的时间更为同相。可以应用狄克逊类型的成像来分离至少两种化学种类(例如水和脂肪)的信号贡献，使得至少一个最终MR图像包括来自仅化学种类之一的贡献。这样的狄克逊方法已经被应用在MR血管造影术中以便消除来自脂肪的信号贡献并且因此增强脉管系统与背景组织之间的对比。狄克逊方法是替换相减法的有前景的候选者，因为它们迄今为止已经出于相同的目的而被采用。如上文所解释，狄克逊方法依赖于在不同的回波时间处的至少两个回波信号的采集，其中，来自水和脂肪的信号贡献在回波中的一个时比在另一个回波时更为同相。可以有利地结合本发明的流动补偿方法来使用狄克逊方法，其还依赖于不同的回波时间处的(至少)两个回波信号的采集。狄克逊方法一般不要求来自两种化学种类的信号贡献在第二梯度回波的时间比在第一梯度回波的时间更为同相。它们能够独立于该条件而将水和脂肪分离。然而，本发明所提出的流动伪影抑制利用该条件。这是因为两种化学种类的信号向第二梯度时间的时间相位重聚，即复合信号的量级要么保持恒定(如果仅化学种类之一存在于相应的像素/体素中)要么它增加(如果这两种化学种类存在于相应的像素/体素中)。然而，如果复合信号的量级下降，那么这可以按照根据本发明的流动伪影的指示来解释。
然而，必须注意到，还可以独立于狄克逊方法来应用本发明的方法，即在与流动相关的伪影必须被消除的所有情况中。
本发明的方法还可以被推广为超过两个回波。在这种情况中，从偶数梯度回波的MR信号所重建的MR图像被假定为由于梯度矩相位重聚而免受重影伪影。重影伪影将存在于从奇数回波的MR信号所重建的MR图像中。该差异可以转换为用于作为用于迭代一致性强制增强的基础的一致性评价的计算权重。这样，可以以特别有效的方式来抑制重影伪影。
此外，可以针对本发明的方法来应用用于消除在奇数回波与偶数回波之间交替的MR信号相位的涡电流补偿的已知程序来消除奇数梯度回波与偶数梯度回波之间的MR信号幅度中的偏移。
本发明的上文所描述的方法尚未解决第一MR图像中的流动的位置处的减小的总体图像强度。该减小的强度在根据狄克逊方法将第一MR图像与第二MR图像组合时可能导致信号泄漏入脂肪图像中。然而，如果必要的话，发生流动的血管可以在水图像中被探测，并且脂肪图像中的信号强度可以被存储到所有受影响的像素或者体素中的水图像中。
必须注意到，术语“化学种类”必须在本发明的上下文中被宽广地解释为任何种类的化学物质或者任何种类的具有MR性质的原子核。在简单的范例中，获得两种化学种类的MR信号，其中，化学种类是“化学成分”水和脂肪中的质子。在更复杂的范例中，多峰谱模型实际上描述了以已知的相对量发生的一组不同的化学成分中的原子核。
迄今为止所描述的本发明的方法可以借助于MR设备来执行，所述MR设备包括：用于生成检查体积内的均匀、稳定的磁场B0的至少一个主磁体线圈；用于在检查体积内的不同空间方向上生成切换的磁场梯度的若干梯度线圈；用于在检查体积内生成RF脉冲和/或用于从定位在检查体积中的患者的身体接收MR信号的至少一个身体RF线圈；用于控制RF脉冲的时间连续性和切换的磁场梯度的控制单元；以及用于从所接收的MR信号重建MR图像的重建单元。本发明的方法可以通过对MR设备的重建单元和/或控制单元进行相对应的编程来实现。
可以有利地在目前的临床用途中的大部分MR设备上执行本发明的方法。为此，仅需要利用控制MR设备的计算机程序而使得所述计算机程序执行上文所解释的本发明的方法步骤。该计算机程序可以要么存在于数据载体上要么存在于数据网络中以便被下载以用于MR设备的控制单元中的安装。
附图说明
附图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，附图仅出于说明的目的而设计并且不作为对本发明的范围的限定。在附图中：
图1示出了用于执行本发明的方法的MR设备；
图2图示了根据本发明的、用于生成梯度回波信号的读出梯度的切换；
图3示出了根据本发明所重建的第一MR图像和第二MR图像，连同第一MR图像和第二MR图像的差异图像；
图4示出了以常规方式从图3中所示的第一MR图像和第二MR图像导出的水和脂肪图像；
图5示出了根据本发明的、消除了重影伪影的利用从图3中所示的第一MR图像和第二MR图像导出的水和脂肪图像。
具体实施方式
参考图1，示出了MR设备1。该设备包括超导或者常导主磁体线圈2，使得沿着穿过检查体积的z轴创建大体均匀的、在时间上恒定的主磁场B0。该设备还包括一组(一阶、二阶-适用的地方-三阶)匀场线圈2’，其中，流过该组2’的单独匀场线圈的电流出于最小化检查体积之内的B0偏差的目的而是可控制的。
磁共振生成和操纵系统应用一系列RF脉冲和切换的磁场梯度来反转或者激发磁自旋、诱发磁共振、再聚焦磁共振、操纵磁共振、空间地和以其他方式编码磁共振、饱和自旋等等以执行MR成像。
更具体地，梯度脉冲放大器3沿着检查体积的x、y和z轴将电流脉冲应用到全身梯度线圈4、5和6中的选定的一个或多个。数字RF频率发射器7经由发射-/接收开关8将RF脉冲或者脉冲包传送到身体RF线圈9来将RF脉冲发射到检查体积中。典型的MR成像序列包括短持续时间的RF脉冲分段的包，其连同任何所应用的磁场梯度达到核磁共振的选定操纵。该RF脉冲被用于饱和、激发共振、反转磁化、再聚焦共振或者操纵共振并且选择定位在检查体积中的身体10的一部分。MR信号还通过身体RF线圈9来拾取。
为借助于并行成像来生成身体10的有限区域的MR图像，邻近针对成像所选择的区域来放置一组本地阵列RF线圈11、12、13。该阵列线圈11、12、13可以被用于接收由身体线圈RF传输所诱发的MR信号。
得到的MR信号由身体RF线圈9和/或通过阵列RF线圈11、12、13来拾取并且通过优选地包括预放大器(未示出)的接收器14来解调。该接收器14经由发送-/接收开关8连接到RF线圈9、11、12和13。
主计算机14控制匀场线圈2’以及梯度脉冲放大器3和发射器7来生成多个MR成像序列中的任何一个，例如回波平面成像(EPI)、回波体积成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等等。针对选定的序列，接收器14每个RF激发脉冲之后快速连续地接收单个或多个MR数据线。数据采集系统16执行所接收信号的模数转换并且将每个MR数据线转换为适于进一步处理的数字格式。在现代MR设备中，数据采集系统16是独立的计算机，其专用于采集原始图像数据的。
最后，数字原始图像数据被应用傅里叶变换或者其它适当重建算法诸如SENSE或者SMASH的重建处理器17重建到图像表示中。该MR图像可以表示穿过患者的平面切片、平行平面切片的阵列、三维体积等等。图像然后被存储在图像存储器中，其中，它可以被访问以用于例如经由提供结果的MR图像的人类可读的显示的视频监视器18来将切片、投影或者图像表示的其它部分转换为用于可视化的适当格式。
根据本发明，至少在两个不同的回波时间生成两个梯度回波信号，其中，读出磁场梯度的第零矩在第一梯度回波的时间基本消失，读出梯度的第一矩在第一梯度回波的时间是非零的，而读出磁场梯度的第零矩和第一矩在第二梯度回波的时间基本消失。这在图2中示意性地示出。示出了本发明的双回波采集方案的读出磁场梯度G读出和读出磁场梯度的第零矩M0和第一矩M1。第零矩M0在这两个回波时间(由图2中的虚线所指示的)处消失，而第一矩M1仅在第二回波时间处消失。对于根据本发明的多回波采集中的所有奇数回波和偶数回波也是这样。由于梯度矩相位重聚作用而达到第二梯度回波的固有流动补偿。读出磁场梯度的第零矩M0被限定为读出磁场梯度关于时间的积分。M0在第一梯度回波和第二梯度回波的时间等于0。读出磁场梯度的第一矩M1被限定为读出磁场梯度与时间的积关于时间的积分。M1仅在第二梯度回波的时间等于0。这致使第一梯度回波的梯度回波信号比第二梯度回波的梯度回波信号易受流动伪影影响得多。
图3示出了分别从第一梯度回波的梯度回波信号和第二梯度回波的梯度回波信号所重建的第一(左)MR图像和第二(中)MR图像。所描绘的第一MR图像和第二MR图像是三维造影增强MR血管造影术采集的经选择的切片。如从本发明的方法的以上讨论所预期，(由白箭头所指示的)显著的重影存在于第一MR图像(左)中。在第二MR图像(中)不可以看到重影伪影。图3中的右图像是第一(左)MR图像与第二(中)MR图像之间的差异。该差异图像可以被用于识别第一MR图像中的重影伪影，因为该差异图像示出了第一MR图像中归因于伪影的局部强度损失以及局部强度增益。然后，可以通过最小化所识别的强度损失和强度增益而在第一MR图像中消除重影伪影。
所描绘的患者的腹部的MR图像以1.5T的主磁场强度利用三维破坏双梯度回波序列来获得，其中，第一梯度回波和第二梯度回波的回波时间分别是1.8ms和3.0ms。水和脂肪的MR信号在第一回波时间处比在第二回波时间处稍微更为异相。
图4示出了使用两点式狄克逊分离方法(即，在没有重影伪影的消除的情况下)从图2中所示的第一MR图像和第二MR图像导出的水MR图像(左)和脂肪(MR)图像(右)。如在图4中可见，归因于流动的重影伪影传播到这两个图像中(白箭头)。
图5示出了再次从图2中所示的第一MR图像和第二MR图像导出的水MR图像(左)和脂肪MR图像(右)，其中，利用了用于消除重影伪影的本发明的方法。通过探测与第一MR图像相比第二MR图像中的经减小的局部图像强度并且通过消除第一MR图像中的局部图像强度损失，大部分抑制了重影伪影。由于选择回波时间使得来自水和脂肪的信号贡献在第二梯度回波的时间比在第一梯度回波的时间更为同相，因而水和脂肪相位重聚并且因此不能导致向第二回波时间的信号损失。因此，强度损失可以归因于存在于第一MR图像中的重影伪影，而归因于梯度矩相位重聚作用在第二MR图像中被抑制。通过消除所识别的重影伪影，在没有回波时间和重复时间的延长的情况下达到了如与图4中所示的图像相比的显著改进的图像质量。

Claims (8)

1.一种对放置在MR设备(1)的检查体积中的身体(10)进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
a)通过使所述身体(10)的部分经受RF脉冲的成像序列和切换的磁场梯度而至少在两个不同的回波时间生成两个梯度回波信号，其中，读出磁场梯度的零阶矩在第一梯度回波的时间基本消失，所述读出梯度的一阶矩在所述第一梯度回波的时间是非零的，而所述读出磁场梯度的零阶矩和一阶矩两者都在第二梯度回波的时间基本消失；
b)采集所述梯度回波信号；
c)针对多个相位编码步骤重复步骤a)和b)；
d)从所述第一梯度回波的梯度回波信号重建第一MR图像并且从所述第二梯度回波的梯度回波信号重建第二MR图像；并且
e)通过比较所述第一MR图像和所述第二MR图像来识别所述第一MR图像和/或所述第二MR图像中的重影伪影。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重影伪影基于与所述第二MR图像相比所述第一MR图像中的局部强度损失和/或局部强度增益来识别。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述重影伪影在所述第一MR图像和/或所述第二MR图像中被消除。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，至少一个最终MR图像是通过组合所述第一MR图像和所述第二MR图像来计算得到的。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述梯度回波信号包括来自具有不同的MR谱的至少两种化学种类的贡献，其中，所述回波时间被选择为使得来自所述至少两种化学核素的信号贡献在所述第二梯度回波的时间比在所述第一梯度回波的时间更为同相。
6.根据权利要求4和5所述的方法，其中，所述至少两种化学种类的信号贡献被分离，使得所述至少一个最终MR图像包括来自所述化学种类中的仅一种的贡献。
7.一种用于执行根据权利要求1-6所述的方法的MR设备，所述MR设备(1)包括：至少一个主磁体线圈(2)，用于生成检查体积内的均匀、稳定的磁场B0；若干梯度线圈(4，5，6)，用于在所述检查体积内的不同空间方向上生成切换的磁场梯度；至少一个RF线圈(9)，用于在所述检查体积内生成RF脉冲和/或用于接收来自定位于所述检查体积中的患者的身体(10)的MR信号；控制单元(15)，用于控制RF脉冲的时间顺序和切换的磁场梯度；以及重建单元(17)，用于从所接收的MR信号重建MR图像，其中，所述MR设备(1)被设置为执行以下步骤：
a)通过使所述身体(10)的部分经受RF脉冲的成像序列和切换的磁场梯度而至少在两个不同的回波时间生成两个梯度回波信号，其中，读出磁场梯度的零阶矩在第一梯度回波的时间基本消失，所述读出梯度的一阶矩在所述第一梯度回波的时间是非零的，而所述读出磁场梯度的零阶矩和一阶矩两者在第二梯度回波的时间基本消失；
b)采集所述梯度回波信号；
c)针对多个相位编码步骤重复步骤a)和b)；
d)从所述第一梯度回波的梯度回波信号重建第一MR图像并且从所述第二梯度回波的梯度回波信号重建第二MR图像；并且
e)通过比较所述第一MR图像和所述第二MR图像来识别所述第一MR图像和/或所述第二MR图像中的重影伪影。
8.一种要在MR设备上运行的计算机程序，所述计算机程序包括指令，所述指令用于：
a)生成RF脉冲的成像序列和切换的磁场梯度，其中，读出磁场梯度的零阶矩在第一梯度回波的时间基本消失，所述读出梯度的一阶矩在所述第一梯度回波的时间是非零的，而所述读出磁场梯度的零阶矩和一阶矩两者在第二梯度回波的时间基本消失；
b)采集梯度回波信号；
c)针对多个相位编码步骤重复步骤a)和b)；
d)从所述第一梯度回波的梯度回波信号重建第一MR图像并且从所述第二梯度回波的梯度回波信号重建第二MR图像；并且
e)通过比较所述第一MR图像和所述第二MR图像来识别所述第一MR图像和/或所述第二MR图像中的重影伪影。
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