CN105934683A - 具有对主磁场变化的估计的dixon型水/脂肪分离的mri - Google Patents

具有对主磁场变化的估计的dixon型水/脂肪分离的mri Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种对具有不同的MR谱的至少两种化学物类进行MR成像的方法。本发明的目标是提供一种Dixon水/脂肪分离技术，该技术避免了因主磁场B0的大梯度导致的在重建MR图像中的水信号和脂肪信号的交换。本发明的方法包括以下步骤：a)通过使被定位在主磁场中的目标(10)经受RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列来生成在不同的回波时间处的回波信号；b)采集所述回波信号；c)通过虚拟匀场来校正所采集的回波信号，所述虚拟匀场包括：‑根据所述回波信号来重建单一回波图像；‑选择多个体素位置；‑将给定的数学函数拟合到所选择的体素位置处的单一回波图像值的回波时间依赖性相位演变，所述数学函数重现所述主磁场的空间变化；‑根据由所述数学函数重现的所述主磁场的所述空间变化来解调所述单一回波图像；并且d)重建MR图像，其中，基于所解调的单一回波图像来分离所述至少两种化学物类的信号贡献。此外，本发明涉及一种MR设备和要在MR设备上运行的计算机程序。

Description

具有对主磁场变化的估计的DIXON型水/脂肪分离的MRI
技术领域
本发明涉及磁共振(MR)成像的领域。本发明关注一种对被放置在MR设备的检查体积中的身体的部分进行MR成像的方法。本发明也涉及一种MR设备和要在MR设备上运行的计算机程序。
背景技术
利用磁场与核自旋之间的相互作用以形成二维或三维图像的图像形成MR方法现今已经被广泛使用，特别在医学诊断的领域中，这是因为对于软组织成像其在很多方面优于其他成像方法，不要求电离辐射并且通常是无创的。
根据通常的MR方法，要被检查病人的身体被布置在强的、均匀磁场B0中，该磁场的方向同时定义测量所基于的坐标系的轴(通常是z轴)。取决于应用定义的频率(所谓的拉莫频率，或者MR频率)的电磁交变场(RF场)所激励(自旋共振)的磁场强度，磁场B0针对个体核自旋产生不同的能量水平。从宏观视角来看，个体核自旋的分布产生总体磁化，所述总体磁化能够通过施加适当频率的电磁脉冲(RF脉冲)被偏转出平衡状态，使得磁化关于z轴执行旋进运动。所述旋进运动描述了一个圆锥形表面，其孔径角称为翻转角。所述翻转角的幅值取决于施加的电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓90°脉冲的情况下，所述自旋从z轴偏转到横切面(翻转角90°)。
RF脉冲终止之后，磁化弛豫回到初始平衡状态，在所述初始平衡状态中，z方向上的磁化以第一时间常数T1(自旋点阵或者纵向弛豫时间)被重新建立，并且垂直于z方向的方向上的磁化以第二时间常数T2(自旋-自旋或者横向弛豫时间)进行弛豫。磁化的变化能够借助于接收RF线圈来检测，所述接收RF线圈以能够在垂直于z轴的方向上测量磁化的变化的方式被布置并定位在MR设备的检查体积内。在施加了例如90°脉冲之后，横向磁化的衰减伴随着核自旋(由局部磁场的非均质性引发的)从具有相同相位的有序状态到所有相位角均匀分布(失相)的状态的转变。能够借助于重新聚焦脉冲(例如，180°脉冲)来补偿该失相。这在接收线圈中产生了回波信号(自旋回波)。
为了实现身体中的空间分辨率，在均匀磁场B0上叠加沿着三个主轴延伸的恒定磁场梯度，这导致对自旋共振频率的线性空间依赖性。在接收线圈中拾取的信号则包含不同频率的分量，所述不同频率的分量能够与身体中的不同位置相关联。经由接收线圈获得的信号数据对应于空间频域并且被称为k空间数据。所述k空间数据通常包括利用不同相位编码采集的多条线。通过收集多个样本来将每条线数字化。一组k空间数据借助于傅立叶变换被转换为MR图像。
在MR成像中，常常期望获得关于诸如水和脂肪的不同的化学物类对总体信号的相对贡献的信息，或者为了抑制它们中的一些的贡献或者为了分别或联合分析它们所有的贡献。如果组合来自两个或更多个在不同回波时间处采集的对应回波的信息，则能够计算这些贡献。这可以被视为化学位移编码，其中通过在略微不同的回波时间处采集一对图像来定义和编码额外的维度，化学位移维度。尤其是针对水/脂肪分离，这些类型的实验常常被称作Dixon型测量。借助于Dixon成像或Dixon水/脂肪成像，能够通过计算来自在两个或更多个在不同回波时间处采集的对应回波的水和脂肪的贡献来实现水/脂肪分离。通常这样的分离是可能的，这是因为脂肪和水中的氢具有已知的旋进频率差。在最简单的形式中，水图像和脂肪图像通过在所谓的2点Dixon技术中的“同相”数据集和“异相”数据集的相加或相减来生成。
来自要采集的不同的化学物类的贡献的既往分离，在Dixon型MR成像中的复合MR信号通常依赖于主磁场B0的平滑空间变化。典型地，在检查体积内的大磁化率梯度附近以及还在远离所使用的MR设备的主磁体线圈的等中心的位置处违反该通用假设。此外，主磁场B0的实际的或明显的大梯度可以源自于较差匀场以及源自于特定图像位置处的低信号幅值或无信号幅值。主磁场B0的这样的不完美可能导致既往分离中来自不同的化学物类的信号贡献的“交换”，带来来自脂肪的信号贡献错误地出现在水图像中的后果并且反之亦然。
欧洲专利申请EP 1380257公开了一种MRI装置，在所述MRI装置中，静态磁场的非均质性是根据在各个回波时间采集的数据的解开的相位值导出的。
发明内容
从前文已经意识到需要一种改进的MR成像技术。本发明的目标是提供一种Dixon水/脂肪分离技术，该技术避免了因主磁场B0的大梯度导致的在重建MR图像中的水和脂肪信号的交换。
根据本发明，公开了一种对至少两种具有不同MR谱的化学物类进行MR成像的方法。本发明的方法包括以下步骤：
a)通过使被定位在主磁场中的目标经受RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列来生成在不同的回波时间处的回波信号；
b)采集所述回波信号；
c)通过虚拟匀场来校正所采集的回波信号，所述虚拟匀场包括：
-根据所述回波信号来重建单一回波图像；
-选择多个体素位置；
-将给定的数学函数拟合到所选择的体素位置处的单一回波图像值的回波时间依赖性相位演变，所述数学函数重现所述主磁场的空间变化；
-根据由所述数学函数重现的所述主磁场的所述空间变化来解调所述单一回波图像；并且
d)重建MR图像，其中，基于所解调的单一回波图像来分离所述至少两种化学物类的信号贡献。
本发明解决了以上描述的常规Dixon型MR技术的局限。本发明的目的在于消除水信号和脂肪信号的交换。本发明提出了自动虚拟匀场步骤，所述自动虚拟匀场步骤在分离来自不同的化学物类的信号贡献之前去除主磁场B0中的大梯度。
不同于主磁场的真实物理匀场，本发明的虚拟匀场仅仅作为后处理步骤被执行并且既不要求额外的扫描时间也不要求所使用的MR装置的额外的硬件部件。
虚拟匀场的步骤依赖于根据(在下面详细讨论的)特定规则对体素的子集的选择并且依赖于预定义的数学函数到所选择的体素位置处的(复杂)单一回波图像值的回波时间依赖性相位演变的拟合，使得所拟合的数学函数近似于所述检查体积内的主磁场的空间变化。所述体素被优选地选择，使得在各自的体素位置处的回波时间上的相位演变能够被预期为基本反映所述主磁场的空间变化。由所拟合的数学函数模拟的所述主磁场的空间变化然后被用于解调所述单一回波图像以便消除所述主磁场的非均质性对在所有体素位置处的回波时间依赖性相位演变的大部分影响。换言之，本发明使用被拟合到所选择的体素位置处的单一回波图像的数学函数来预测也在其他体素位置处的信号的非均质性引发的相位演变。
最后，根据本发明执行来自不同的化学物类的贡献从所解调的单一回波图像(或对应的k空间数据)的分离，其中，所解调的信号的回波时间依赖性相位演变归因于(先验已知的)所述化学物类的频率差以及在适用的情况下所述主磁场的残余的非均质性。
在本发明的优选实施例中，所述数学函数是空间坐标中的多项式，例如，沿着三个正交坐标轴中的任一个的线性函数或抛物线函数。这样的数学函数非常适合于模拟主磁场的空间变化，这是因为它通常是通过所使用的MR装置的额外的硬件部件来解决局部或全局的，线性或更高阶的匀场。
根据本发明的另外的优选实施例，对用于虚拟匀场的所述体素位置的选择的规则是在各自的体素位置处的单一回波图像仅包含来自所述化学物类中的一种(例如，水质子)的信号贡献。以此方式，能够确保在各自的体素位置处的回波时间上的相位演变反映所述主磁场的空间变化并且不被影响所述信号定相的其他效应所干扰。因此，所拟合的数学函数将可靠地近似于在所述检查体积内的所述主磁场的真实空间变化。
根据另外的优选实施例，在所述虚拟匀场步骤中对体素位置的选择涉及消除具有大于给定的最大值和/或小于给定的最小值的信号幅值的体素。以此方式，具有太小信号幅值的体素由于不足的信噪比被认为可能不可靠而被排除。具有太大信号幅值的体素能够被预期为主要包含来自脂肪的信号贡献并且因此也应当被排除。该选择能够通过对所述单一回波图像的直方图分析来快速且简单地执行。
根据又另外的优选实施例，对所述体素位置的选择涉及除去示出根据回波时间的信号幅值的变化大于给定的最大阈值的体素。这意味着，换言之，在回波时间上具有太强的信号幅值变化的体素被排除，这是因为这些体素被视为包含来自水和脂肪两者的显著信号贡献。
通过组合对具有要么太小信号幅值要么太大信号幅值的体素的排除与对在回波时间上的信号幅值变化太强的体素的排除，绝大部分剩余的体素(其是根据本发明来选择的，用于拟合流程)应当仅包含来自水中的氢的信号贡献。这些体素能够被有利地用于可靠确定检查体积内的主磁场的空间变化。
在根据本发明的信号分离步骤期间，可以采用针对不同的化学物类的谱模型。这样的模型可以通过单一的主峰来近似脂肪谱。然而，这种简单模型可能无法提供有效的脂肪抑制。这是因为已经知道脂肪中的氢原子包括多个谱峰值。根据本发明，例如通过多峰谱模型来对化学物类中的一种化学物类的谱进行建模而可以通过单峰谱对其它化学物类(例如，水质子)进行简单地建模是可能的。
应当注意，术语“化学物类”在本发明的背景中应当被广泛解读为具有MR属性的任何类型的化学物质或任何类型的原子核。在简单的范例中，采集两种化学物类的MR信号，其中，所述化学物类是在“化学组分”水和脂肪中的质子。在更加复杂的范例中，多峰谱模型实际上描述了以已知相对量发生的一组不同化学组分中的原子核。
至此所描述的本发明的方法能够借助于MR设备来执行，所述MR设备包括用于在检查体积内生成均匀、稳定的磁场B0的至少一个主磁体线圈、用于在所述检查体积内生成在不同的空间方向上的切换的磁场梯度的多个梯度线圈、用于在所述检查体积内生成RF脉冲和/或用于接收来自被定位在所述检查体积中的患者的身体的MR信号的至少一个身体RF线圈、用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时间演替的控制单元，以及用于根据所接收的MR信号来重建MR图像的重建单元。本发明的方法能够通过对所述MR设备的所述重建单元和/或所述控制单元的对应编程来实施。
本发明的方法能够在目前的临床使用中的大部分MR设备上被有利地执行。为了这个目的，本发明的方法仅仅需要利用计算机程序，通过所述计算机程序来控制所述MR设备使得所述MR设备执行上文解释的本发明的方法的步骤。所述计算机程序可以存在于数据载体上或者存在于数据网络中，以便被下载用于安装在所述MR设备的所述控制单元中。
附图说明
所附附图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，附图被设计为仅仅是为了说明的目的而不是作为对本发明的限制的定义。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示出了根据本发明重建的单一回波图像的切片；
图3示出了图2中的单一回波图像的所选择的体素的幅值(左)和相位(右)；
图4示出了根据本发明的在虚拟匀场之后的单一回波图像的所选择的体素的相位；
图5示出了根据本发明的未使用(左)和使用(右)虚拟匀场所重建的水图像的最大密度投影。
具体实施方式
参考图1，示出了MR设备1。所述设备包括超导或电阻性主磁体线圈2，使得沿着穿过检查体积的z轴创建基本均匀的、在时间上恒定的主磁场B0。所述设备还包括一组(第一，第二，以及在适用时第三阶)匀场线圈2’，其中，流过所述一组2’的个体匀场线圈的电流是可控，以达到使在检查体积内的B0的偏差最小化的目的。
磁共振生成以及操纵系统应用一系列RF脉冲和切换的磁场梯度以反转或激励核自转、引发磁共振、重新聚焦磁共振、操纵磁共振、在空间上和以其他方式编码磁共振、饱和自旋等来执行MR成像。
更具体地，梯度脉冲放大器3施加电流脉冲至沿着检查体积的x轴、y轴和z轴的整个身体梯度线圈4、5和6中的所选择的一个。数字RF频率发射器7经过发送/接收开关8发射RF脉冲或脉冲包至身体RF线圈9以将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脉冲段的包，其与任何施加的磁场梯度一起实现对核磁共振的所选择的操纵。所述RF脉冲用于饱和共振、激励共振、反转磁化、重新聚焦共振，或者操纵共振并且选择被定位在检查体积中的身体10的部分。所述MR信号也由身体RF线圈9来拾取。
为了生成身体10的限制区域的MR图像，例如，借助于并行成像，一组局部阵列RF线圈11、12、13被邻近于用于成像的所选择的区域而放置。阵列线圈11、12、13能够被用于接收由身体线圈RF发射所引发的MR信号。
结果得到的MR信号由身体RF线圈9和/或由阵列RF线圈11、12、13拾取并由接收器14解调，所述接收器14优选包括前置放大器(未示出)。接收器14经由发送/接收开关8被连接到RF线圈9、11、12和13。
主计算机15控制匀场线圈2’以及梯度脉冲放大器3和发射器7以生成多个MR成像序列中的任一个，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。针对所选择的序列，接收器14在每个RF激励脉冲后快速连续地接收单个或多个MR数据线。数据采集系统16执行对接收到的信号的模数转换并将每个MR数据线转换为适合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是专用于采集原始图像数据的单独的计算机。
最终，所述数字原始图像数据由重建处理器17重建为图像表示，所述重建处理器17应用傅立叶变换或其它适当的重建算法，例如，SENSE或者SMASH。所述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。所述图像然后被保存在图像存储器中，在所述图像存储器中，所述图像可以被访问以将图像表示的切片、投影或其他部分转换成用于可视化的适当格式，例如，经由视频监视器18，其提供了结果得到的MR图像的人类可读显示。
在本发明的实施例中，借助于多梯度回波成像序列生成在不同回波时间处的回波信号。取决于各自的回波时间，水和脂肪的自旋对回波信号的贡献更加异相或者更加同相。以通用方式利用适当的相位编码来生成和采集多个回波信号，以便能够重建期望的视场的完整MR图像。
下一步，根据所述回波信号重建单一回波图像，其中，每个单一回波图像归属于一个回波时间。图2示出了一个这样的单一回波图像。
图3示出了在图2中示出的单一回波图像的幅值和相位图像。
针对根据本发明的虚拟匀场，使用基于在不同回波时间处的绝对信号幅值和相对信号幅值的规则来选择所述单一回波图像的多个体素。基于直方图分析来排除要么具有太小信号幅值(其由于不足的信噪比而被视为不可靠)要么具有太大信号幅值(其被视为主要包含来自脂肪的信号贡献)的体素。此外，排除具有在回波时间上信号幅值变化太强的体素(其被视为包含来自水和脂肪两者的信号贡献)。以此方式，所剩余的绝大部分体素仅包含来自水的信号贡献。图3中仅示出了以这种方式选择的体素。
针对所选择的体素，计算(并且任选地解开)单一回波图像之间的相位差。给定的数学函数，例如沿着三个正交空间方向的任一个的线性函数或二次函数，被拟合到这些回波时间依赖性相位差。选取该数学函数以重现所述主磁场B0的空间变化，这是因为它通常是通过所使用的MR装置的额外的硬件部件来解决局部或全局的，线性或更高阶的B0匀场。
拟合流程的结果是B0图，所述B0图然后被用于解调所述单一回波图像，以便消除主磁场的非均质性对在所有体素处的回波时间依赖性相位演变的大部分影响。因此，本发明使用被拟合到在所选择的体素位置处的单一回波图像的数学函数来预测也在其他体素位置处的信号的非均质性引发的相位演变。
图4示出了在解调步骤之后图3中的在所选择的体素位置处的信号相位。
最后，根据所解调的单一回波图像计算水图像，其中，所解调的信号的回波时间依赖性相位演变归因于水氢原子与脂肪氢原子之间的频率差以及残余非均质性(其可能尚未通过虚拟匀场流程被充分补偿)。图5的右侧图像是根据本发明利用虚拟匀场重建的水图像的最大密度投影。图5的左侧图像是未使用虚拟匀场重建的。左侧图像示出了不期望的水/脂肪交换(由白色箭头指示)。这些伪影在根据本发明重建的右侧图像中不再可见。

Claims (7)

1.一种对具有不同的MR谱的至少两种化学物类进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
a)通过使被定位在主磁场中的目标(10)经受RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列来生成在不同的回波时间处的回波信号；
b)采集所述回波信号；
c)通过虚拟匀场来校正所采集的回波信号，所述虚拟匀场包括：
-根据所述回波信号来重建单一回波图像；
-选择多个体素位置，其中，用于对所述体素位置的所述选择的规则是在各自的体素位置处的所述单一回波图像仅包含来自所述化学物类中的一种的信号贡献；
-将给定的数学函数拟合到所选择的体素位置处的单一回波图像值的回波时间依赖性相位演变，所述数学函数重现所述主磁场的空间变化；
-根据由所述数学函数重现的所述主磁场的所述空间变化来解调所述单一回波图像；并且
d)重建MR图像，其中，基于所解调的单一回波图像来分离所述至少两种化学物类的信号贡献。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数学函数是在空间坐标中的多项式。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其中，对所述体素位置的所述选择涉及消除具有大于给定的最大值和/或小于给定的最小值的信号幅值的体素。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，对所述体素位置的所述选择涉及消除示出根据回波时间的信号幅值的变化大于给定的最大值的体素。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，在分离不同的化学物类的贡献的步骤中采用针对所述不同的化学物类的谱模型。
6.一种用于执行根据权利要求1至5所述的方法的MR设备，所述MR设备(1)包括用于在检查体积内生成均匀、稳定的主磁场B0的至少一个主磁体线圈(2)、用于在所述检查体积内在不同的空间方向上生成切换的磁场梯度的多个梯度线圈(4、5、6)、用于在所述检查体积内生成RF脉冲和/或用于接收来自被定位在所述检查体积中的目标的MR信号的至少一个RF线圈(9)、用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时间演替的控制单元(15)，以及用于根据接收到的MR信号来重建MR图像的重建单元(17)，其中，所述MR设备(1)被布置为执行下述的步骤：
a)通过使被定位在主磁场中的目标(10)经受RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列来生成在不同的回波时间处的回波信号；
b)采集所述回波信号；
c)通过虚拟匀场来校正所采集的回波信号，所述虚拟匀场包括：
-根据所述回波信号来重建单一回波图像；
-选择多个体素位置，其中，用于对所述体素位置的所述选择的规则是在各自的体素位置处的所述单一回波图像仅包含来自所述化学物类中的一种的信号贡献；
-将给定的数学函数拟合到所选择的体素位置处的单一回波图像值的回波时间依赖性相位演变，所述数学函数重现所述主磁场的空间变化；
-根据由所述数学函数重现的所述主磁场的所述空间变化来解调所述单一回波图像；并且
d)重建MR图像，其中，基于所解调的单一回波图像来分离所述至少两种化学物类的信号贡献。
7.一种要在MR设备上运行的计算机程序，所述计算机程序包括用于以下动作的指令：
a)通过运行RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列来生成在不同的回波时间处的回波信号；
b)采集所述回波信号；
c)通过虚拟匀场来校正所采集的回波信号，所述虚拟匀场包括：
-根据所述回波信号来重建单一回波图像；
-选择多个体素位置，其中，用于对所述体素位置的所述选择的规则是在各自的体素位置处的所述单一回波图像仅包含来自所述化学物类中的一种的信号贡献；
-将给定的数学函数拟合到所选择的体素位置处的单一回波图像值的回波时间依赖性相位演变，所述数学函数重现所述主磁场的空间变化；
-根据由所述数学函数重现的所述主磁场的所述空间变化来解调所述单一回波图像；并且
d)重建MR图像，其中，基于所解调的单一回波图像来分离所述至少两种化学物类的信号贡献。
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