CN104395772B - 具有在对中心和外周k空间区的采样期间的呼吸运动检测的磁共振图像重建方法 - Google Patents
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Abstract
一种生成对象的磁共振图像的方法，包括通过对k空间的椭圆中心区进行采样以及对k空间的椭圆外周区进行部分采样来采集k空间样本，其中，所述k空间具有多个点，每个点表示一潜在样本，其中，所述外周区围绕所述中心区。所述方法还包括：检测所述对象的呼吸运动，以及使用在检测到呼吸运动之前采集的所述k空间样本来重建所述对象的所述磁共振图像。
Description
技术领域
本发明涉及对象的磁共振成像领域。
背景技术
磁共振成像(MRI)方法利用磁场与核自旋之间的相互作用，目的是形成二维或三维图像。这些方法目前得到广泛使用，尤其是在医学诊断领域。MR方法的优点在于，它们不需要电离辐射并且它们通常是无创的。MRI例如被用作成像技术，以使身体的结构性异常(例如肿瘤发展)可视化。
MRI装置使用强大的磁场(以对齐身体里的一些原子核的磁化)和射频场(以系统性地更改该磁化的对齐)。这引起原子核产生可由扫描器检测的旋转磁场。该信息被记录以构建所述身体中被采样区的图像。磁场梯度引起不同位置的原子核以不同的速度旋转。通过使用不同方向的梯度，可以在任意取向获得2D图像或3D体积。
根据一般的MR方法，患者(或者一般为待检查目标)的身体被布置在强的均匀磁场B0中，磁场B0的方向同时限定一轴，一般为测量所基于的坐标系的z轴。
可以借助于接收RF天线来检测所述磁化的任意时变，所述接收RF天线被以这样的方式在所述MR设备的检查体积内配置并取向，使得在垂直于所述z轴的方向测量所述磁化的所述时变。
可以通过切换磁场梯度，来实现在身体中的空间分辨。所述磁场梯度沿三个主轴延伸，并且被叠加在所述均匀磁场上，得到自旋共振频率的线性空间相依性。在所述接收天线中拾取的信号则包括不同频率的分量，所述分量可以被链接到所述身体/对象中的不同位置。
由所述接收天线获得的所述信号数据与空间频域相匹配，并且被称作k空间数据。所述k空间数据一般包括以不同的相位编码采集的多条线。通过收集若干样本来将每条线数字化。例如通过逆傅里叶变换，将一套k空间数据的样本变换为MR图像。
此外，D.S.Weller等人的文献“Combined compressed sensing and parallelMRI compared for uniform and random cartesian undersampling of k-space”(2011年IEEE Int.Conf.on Acuostics,Speech,and Signal Processing，捷克共和国，布拉格，2011年5月，553-6页)公开了压缩感测与可变密度随机k空间采样的组合。组合这两种方法使得能够以比先前实现的更大的欠采样进行成像。
美国专利US 2009/0274356 A1描述一种用于生成对象的磁共振图像的方法。所公开的发明涉及使用压缩感测的磁共振成像，其允许稀疏信号(或可以通过变换而使其稀疏的信号)从高度不完整的样本的集的恢复，并且因此具有显著减少MRI扫描时间的潜力。
发明内容
本发明提供在独立权利要求中要求保护的方法、医学装置和计算机程序产品。在从属权利要求中给出了实施例。
根据本发明的实施例，提供一种采样策略，用于具有不完整屏气的磁共振成像，所述策略支持从直到任意时间点采集的数据来重建图像。本发明提出将具有全局采样密度变化的分割采集与局部泊松圆盘采样组合。所述采样策略因此与用于加速扫描的压缩传感和平行成像兼容，并且能适应空间分辨率随时间的目标函数。或者用外部或内部传感器来检测呼吸运动的开始，或者所述呼吸运动的开始基于被应用于从连续的更多的数据产生的一系列图像的度量。
根据本发明的实施例，提供一种生成对象的磁共振图像的方法，包括通过以下方式来采集k空间样本：对k空间的椭圆中心区进行采样，其中，所述k空间具有多个点，每个点表示一潜在样本；以及对k空间的椭圆外周区进行部分采样，其中，所述外周区围绕所述中心区。所述方法还包括：检测所述对象的呼吸运动；以及使用在检测到呼吸运动之前采集的所述k空间样本来重建所述对象的所述磁共振图像。
本发明的实施例是尤其有利的，因为它们提供从在具有先验未知长度的屏气期间采集的数据来重建图像。该重建避免了伪影，并且因此避免了在呼吸运动的早发的情况中因先前方法造成的图像质量的降低。其依赖于这样的特定概况命令，所述概况命令使得有可能将在呼吸运动的开始之后采集的数据从所述重建排除。
根据本发明的一个实施例，所述中心区被完全采样。
大体上，如果呼吸运动发生在对k空间的外周(而不是k空间的中心)的采样期间，则因不完整屏气造成的伪影较不严重。因此，本发明的实施例是尤其有利的，因为它们完整地并且在早期采样所述中心k空间，因此降低了更严重的运动伪影的风险。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括在所述采集期间随时间增大所述外周区的半轴，用于随时间提高空间分辨率。
本发明的实施例是尤其有利的，因为它们提供了这样的程序，所述采样密度随时间增大，对应于随时间减小的平均减小因子，得到更高的图像质量。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括通过对所述多个点中位于所述外周区的子集的随机或伪随机选择，执行所述部分采样。
根据本发明的一个实施例，选择所述多个点中先前尚未被选择的一个的似然性由k空间和时变目标采样密度限定。
本发明的实施例是尤其有利的，因为它们提供了这样的程序，所述采样密度变得局部接近均匀，有助于平行成像重建，得到更高质量的所重建图像。术语采样密度在这里意指被采样点的密度。
根据本发明的一个实施例，对所述多个点中先前尚未被选择的一个的所述选择基于k空间和到已被选择的所有点的时变最小距离。
本发明的实施例是尤其有利的，因为它们提供了这样的程序，所重建的图像的质量因上述在局部接近均匀的采样密度，而变得更好。
根据本发明的一个实施例，所选择的点的序列被分组为子序列，其中，每个子序列中的所述所选择的点被排列(permute)以使由于系统与采集缺陷的伪影最小化。
根据本发明的一个实施例，每个子序列中的所述点被排列以使k空间中紧接连续采集的点之间的距离最小化。
本发明的实施例是尤其有利的，因为它们提供了这样的程序，可以使所述采集中的涡流效应最小化，得到减少的源自涡流的伪影。
根据本发明的一个实施例，用目标最大平均减小因子来限定每个子序列中所选择的点的数目。
本发明的实施例是尤其有利的，因为它们提供了这样的程序，减小因子连续减小，这也提供更好的图像重建。
根据本发明的一个实施例，所述采样密度向着所述k空间的外周减小。
本发明的实施例是尤其有利的，因为它们提供了这样的程序，被完整采样的中心区随时间增大，得到最佳可得图像。
根据本发明的一个实施例，使用磁共振导航器来检测所述呼吸运动，其中，检测所述对象的隔膜或腹部的移动，其中，与所述成像同时或交错地执行所述检测，并且其中，在检测到所述对象的呼吸运动时自动停止所述采集。
个体患者实际上能屏住呼吸的持续时间是未知的并且一般是不可预测的。本发明的实施例是尤其有利的，因为它们将操作者从以下情况中解放出来：即在所述检查之前猜测该持续时间，以及在高估的情况中重复所述检查。
根据本发明的一个实施例，通过使用在某个时间点之前采集的所述k空间样本来重建所述磁共振图像，其中，该时间点依次增加，并且取没有显著伪影的最后图像作为结果，其中，采用压缩感测或平行成像重建，或两者的组合，用于生成所述磁共振图像。
本发明的实施例是尤其有利的，因为它们提供了这样的程序，所述程序实现了使用压缩感测和平行成像两者，从稀疏、不完整的数据对图像的有效重建。
根据本发明的一个实施例，使用磁共振梯度回波、自旋回波、回波平面成像或弥散加权成像序列来采集所述k空间样本。
本发明的实施例是尤其有利的，因为它们提供了这样的程序，所述程序使得用户能够使用针对特定应用的最佳技术。梯度回波技术的优点主要是更快的采集，而自旋回波序列提供更强的信号和对抗伪影的更大的稳健性。回波平面成像比常规的梯度回波技术甚至更快，代价是甚至更大的伪影。弥散加权成像提供组织之间的独特对比以及对单元结构在毫米尺度的察看，这在肿瘤学领域是尤其感兴趣的。
本发明提供一种用于生成对象的磁共振图像的医学装置，包括通过以下方式来采集k空间样本：对k空间的椭圆中心区进行采样，其中，所述k空间具有多个点，每个点表示一潜在样本；以及对k空间的椭圆外周区进行部分采样，其中，所述外周区围绕所述中心区。所述医学装置还包括这样的能力：检测所述对象的呼吸运动，以及使用在检测到呼吸运动之前采集的所述k空间样本来重建所述对象的所述磁共振图像。
本发明提供一种用于生成对象的磁共振图像的计算机程序产品，包括通过以下方式来采集k空间样本：对k中间的椭圆中心区进行采样，其中，所述k空间具有多个点，每个点表示一潜在样本；以及对k空间的椭圆外周区进行部分采样，其中，所述外周区围绕所述中心区。所述计算机程序产品还包括这样的能力：检测所述对象的呼吸运动，以及使用在检测到呼吸运动之前采集的所述k空间样本来重建所述对象的所述磁共振图像。
附图说明
下面将仅以举例的方式，并参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1为磁共振成像装置的方框图。
图2为图示通过对MR信号进行采样来创建k空间数据的方案。
图3示出依赖于迭代的空间分辨率。
图4示出依赖于迭代的折减系数。
图5示出在1、2和3次迭代之后，采样点的密度及相应的采样模式。
图6示出在5、10和15次迭代之后，采样点的密度及相应的采样模式。
图7为图示用于具有不完整屏气的加速磁共振成像的采样策略的流程图。
附图标记
100 主磁体线圈
102 梯度线圈
104 患者/对象
106 线圈
108 主线圈电源
110 电源控制
112 接收器
114 发射线圈放大器
116 梯度线圈控制单元
118 模数转换器
120 数字下变频器
122 编码器和/或压缩器
124 基于元件的合并单元
126 接口
128 网络
130 RF链从子系统
132 接口
134 基于系统的合并单元
136 RF扫描控制单元
138 数据处理系统
140 屏幕
142 输入设备
144 存储器
146 接口
148 处理器
150 计算机程序产品
152 重建模块
700-714 步骤
具体实施方式
图1为磁共振成像装置的方框图。所述磁共振成像装置包括主磁体线圈100，其适合产生磁共振成像所要求的静态磁场。所述装置还包括梯度线圈102。这些梯度线圈102使得能够选择性地成像对象的不同体素(体积图片元素)。患者(或者更一般地为对象)104位于主磁线圈100的典型为圆柱形的芯内。使用线圈106成像患者104的身体的部分。这样的线圈可以包括发射线圈和接收器线圈，或者可选地可以额外地提供与接收器线圈分开的发射线圈。
主磁体线圈100受主线圈电源108与电源控制110控制。梯度线圈102受梯度线圈控制单元116控制。还提供发射线圈放大器114。该发射线圈放大器114被连接到线圈106。线圈106自身可以被改造为包括许多元件线圈的线圈。
电源控制110、发射控制放大器单元114和梯度线圈控制单元116被连接到接收器112。接收器112包括适于将从线圈106接收的射频(RF)信号转换成数字信号的模数转换器118。使用数字下变频器120，可以下转换(down convert)经数字化的MR信号，以将来自模数转换器的数据率降低至50的因数或更小(例如从50MHz至1MHz)。编码器和/或压缩器122可以甚至通过利用MR信号性质，进一步减小带宽。
接收器112还包括基于元件的合并单元124。基于元件的合并单元124服务于这样的目的，即将进入所述接收器的MR数据和状态数据与所采集的MR数据和局部状态进行合并，以及向所述系统提供所述合并的信息用于进一步处理。这在多个线圈被连接到接收器112时或在多个接收器被互连时，是尤其必要的。
接收器112还包括接口126。由此，接口126适于通过通信链路在网络128上将(例如)经下转换的数字信号发射到RF链从子系统130。由此，RF链从子系统140也拥有接口132。这种接口可以为用于无线数据传输的空中接口或光纤。
RF链从子系统130包括RF扫描控制单元136以及基于系统的合并单元134。基于系统的合并单元134服务于以下目的，即合并从多个接收器进入接口132的MR数据和状态信息。其也服务于以下目的，即将控制与状态命令广播到进入到接口132的所述进入光纤。
RF链从子系统130被连接到数据处理系统138。数据处理系统146包括屏幕140、输入设备142、存储器144、接口146和处理器148。处理器148包括计算机程序产品150。计算机程序产品150包括重建模块152，重建模块152通过使用逆2D傅立叶变换重建所述磁共振图像，以将所述k空间数据转换成磁共振图像。
图2为图示通过对所述MR信号的所述采样对k空间数据的创建的图示。图2示出磁共振图像的重建的原理。所述k空间为磁共振图像中的原始数据矩阵的标示(denotation)。使用逆2D或3D傅立叶变换，将这些原始数据转换成MR图像。所测量的信号包括两种信息。第一，频率编码梯度包括在x方向的信号的原点上的数据。第二，所述相位编码梯度包括在y方向(以及任选地另外的方向)的信号的原点上的数据。
本文公开的实施例中的所有的下采样均是沿所述(一个或多个)相位编码方向执行的，而所述相位编码方向通常被完全采样并且单独处理。结果，所描述的采样模式主要应用于3D成像，具有频率编码方向kx，以及相位编码方向ky和kz，其中，所描述的采样模式被应用于ky-kz平面中的点，其中，每个点实际表示被完全采样的沿kx的k空间线。
图3示出作为迭代的函数的空间分辨率。具有预定义半轴的一个采样程序被称作迭代。详细地，这意味着具有第二长度的半轴的第二采样为第二迭代，具有第三长度的半轴的第三采样为第三迭代，等等。所述空间分辨率受以下限制：最大平均减小因子R以及在采样k空间的所述椭圆中心区之后所述采集被分割成的子集的数目。假设每个子集包含N个样本并且花费时间T，则所述空间分辨率如下地增加：
yi∝(iNR+N0)+1/2，并且zi＝yiz0/y0
其中，i为子集的数目，N0为所述中心椭圆区中的样本的数目，并且yi和zi为i子集之后的半轴。所述减小因子为减小k空间样本的数目的系数。在图3中，标绘出针对8和40个子集的最大减小因子，针对具有Ny＝185和Nz＝102的图像，所述空间分辨率的发展。示出了第一相位编码方向(ky)和第二相位编码方向(kz)。
图4示出做作为迭代的函数的减小因子。如在对图3的描述中提及的，针对具有Ny＝185和Nz＝102的图像，所述值基于8和40个子集的最大减小因子。在图4中区分两种情况，具有校准区和没有校准区的，作为迭代的函数的所述减小因子。下方的名义样本数被计算为瞬时空间分辨率。
图5示出在1、2和3次迭代之后，采样点的密度以及相应的采样模式。如也在对图3的描述中所描述的，第一迭代意指在其中执行对具有预定义半轴的外周区的采样的时间间隔(图5A)。在该采样之后，可以增大所述半轴的长度，并且用于对该外周区的采样的时间间隔为第二迭代(图5B)。图5C示出第三迭代，其意指所述半轴得以进一步增大，并且采样这样限定的外周区。图5A、图5B和图5C示出采样点的密度。图5A’、图5B’和图5C’示出在k空间中的采样模式。被采样点的密度的分布源自两个条件：空间分辨率随时间稳定增加，并且所述采样密度向着k空间的外周单调减小。为了生成所述采样模式，本文中使用泊松圆盘采样。泊松圆盘采样是具有额外约束的样本的随机分布，相邻的样本必须不落在预定义距离以下。由于上文提及的，k空间的中心区被完全采样。该区可以随时间增大。所述采样密度在所述外周区的边缘(分别在限定所述外周区的所述半轴的边缘处)处降至零。对位于所述外周区的所述多个点的随机或伪随机选择，产生对所述外周区的接近局部均匀的下采样。
图6示出在5、10和15次迭代之后，采样点的密度以及对应的采样模式。如之前在对图5的描述中所描述的，迭代意指在其中执行对具有预定义半轴的外周区的采样的时间间隔。第五迭代是在第五次增大所述半轴的长度之后对所述外周区的采样(图6A)。第十迭代是在第十次增大所述半轴的长度之后对所述外周区的采样(图6B)。并且最后图6C示出在15次迭代之后，采样点的密度以及相应的采样模式。图6A、图6B和图6C示出所述采样点的密度。图6A’、图6B’和图6C’示出在k空间中的采样模式。被采样点的密度的分布源自两个条件：所述空间分辨率随时间稳定增加，并且所述采样密度向着k空间的外周单调增大。最大空间分辨率分别由用户和所述k空间的半径限定，当已到达该最大空间分辨率时，所述半轴的长度在某个时间点不再增大。为了生成所述采样模式，在本文中使用泊松圆盘采样，如上文描述的。在所述采集的过程中，调整在k空间的所述中心附近的最大采样密度以及朝向k空间的所述外周的延迟率两者，同时连续地减小平均化的减小因子，如在图6中图示的。继续这样，直到患者再次开始呼吸，这可以用(除其他以外)呼吸传感器、导航器，或在从连续更多的数据产生的一系列图像中检测到。如果所述患者能够屏气非常长的时间，则有可能所述外周区也被完全采样。
图7为图示用于具有不完整屏气的加速磁共振成像的采样策略流程图。所述方法始于步骤700，在这里采样702和对呼吸运动的检测710开始。采样702包括对k空间的中心区704的采样，接着是对k空间的外周区706的采样，所述外周区的半轴可以增大708，并且再次采样具有调整的半轴的k空间的外周区706。可以重复该操作，直到到达所述半轴的预定最大长度，并且所围绕的k空间区被完全采样。额外于或代替逐次迭代地增大所述外周区的所述半轴，可以改适k空间变化目标采样密度。在所述采样期间，平行检测所述呼吸运动710。如果没有检测到呼吸运动，则所述采样程序继续，直到检测到呼吸运动。如果呼吸运动发生，则件在步骤712中停止所述采样。在步骤714中，通过使用在呼吸运动发送之前采集的所述k空间样本，重建所述MR图像。
Claims (6)
1.一种生成对象的磁共振图像的方法，所述方法包括：
-检测所述对象的呼吸运动；
-通过以下方式采集k空间样本：
-对k空间中(ky，kz)平面的椭圆中心区进行完全采样，其中，所述k空间具有多个点，每个点表示一潜在样本，并且其中，所述(ky，kz)平面的每个点对应于对k空间中沿kx的线的完全采样；
-对k空间中所述(ky，kz)平面的椭圆外周区进行部分采样，其中，所述外周区围绕所述中心区；
-对所述椭圆外周区的所述部分采样根据：
-以泊松圆盘分布和在k空间中的所述(ky，kz)平面中以预设采样减小因子向外减小的可变密度来进行随机或伪随机采样；
-选择距已采样点的预选最小距离之外的采样位置并且最小化连续采样点之间的距离；
-重复对所述(ky，kz)平面的所述椭圆外周区的所述部分采样，增大所述椭圆外周区，直到
(a)达到所采集的k空间样本的预设最大分辨率，或者
(b)检测到所述对象的呼吸运动；
-使用压缩感测技术，使用在检测到呼吸运动之前采集的所述k空间样本来重建所述对象的所述磁共振图像。
2.如权利要求1所述的方法，其中，当达到所述预设最大分辨率时，以所述部分采样密度的减小的减小因子，继续对所述(ky，kz)平面的所述椭圆外周区进行所述部分采样。
3.如权利要求1所述的方法，还包括在所述采集期间针对所述椭圆外周区的增大而随时间增大所述外周区的半轴，用于随时间提高空间分辨率。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用磁共振导航器来检测所述呼吸运动，其中，检测所述对象的隔膜或腹部的移动，其中，与成像同时或交错地执行所述检测，并且其中，当检测到所述对象的呼吸运动时自动停止所述采集。
5.一种用于生成对象的磁共振图像的医学装置，被配置为：
-检测所述对象的呼吸运动；
-通过以下方式采集k空间样本：
-对k空间中(ky，kz)平面的椭圆中心区进行完全采样，其中，所述k空间具有多个点，每个点表示一潜在样本，并且其中，所述(ky，kz)平面的每个点对应于对k空间中沿kx的线的完全采样；
-对k空间中所述(ky，kz)平面的椭圆外周区进行部分采样，其中，所述外周区围绕所述中心区；
-对所述椭圆外周区的所述部分采样根据：
-以泊松圆盘分布和在k空间中的所述(ky，kz)平面中以预设采样减小因子向外减小的可变密度来进行随机或伪随机采样；
-选择距已采样点的预选最小距离之外的采样位置并且最小化连续采样点之间的距离；
-重复对所述(ky，kz)平面的所述椭圆外周区的所述部分采样，增大所述椭圆外周区，直到
(a)达到所采集的k空间样本的预设最大分辨率，或者
(b)检测到所述对象的呼吸运动；
-使用压缩感测技术，使用在检测到呼吸运动之前采集的所述k空间样本来重建所述对象的所述磁共振图像。
6.一种用于生成对象的磁共振图像的装置，包括
-用于检测所述对象的呼吸运动的模块；
-用于通过以下方式采集k空间样本的模块：
-对k空间中(ky，kz)平面的椭圆中心区进行完全采样，其中，所述k空间具有多个点，每个点表示一潜在样本，并且其中，所述(ky，kz)平面的每个点对应于对k空间中沿kx的线的完全采样；
-对k空间中所述(ky，kz)平面的椭圆外周区进行部分采样，其中，所述外周区围绕所述中心区；
-对所述椭圆外周区的所述部分采样根据：
-以泊松圆盘分布和在k空间中的所述(ky，kz)平面中以预设采样减小因子向外减小的可变密度来进行随机或伪随机采样；
-选择距已采样点的预选最小距离之外的采样位置并且最小化连续采样点之间的距离；
-重复对所述(ky，kz)平面的所述椭圆外周区的所述部分采样，增大所述椭圆外周区，直到
(a)达到所采集的k空间样本的预设最大分辨率，或者
(b)检测到所述对象的呼吸运动；
-用于使用压缩感测技术，使用在检测到呼吸运动之前采集的所述k空间样本来重建所述对象的所述磁共振图像的模块。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170510 |