CN106574954A - 针对epi的具有奈奎斯特伪影校正的并行mr成像 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种并行MR成像的方法。所述方法包括如下步骤：a)使身体(10)的部分经受至少一个RF脉冲的成像序列以及多个切变的磁场梯度，其中，MR信号经由在检查体积之内的具有不同空间灵敏度曲线的多个RF线圈(11、12、13)并行地采集，b)根据所采集的MR信号并且根据RF线圈(11、12、13)的空间灵敏度图来导出估计的伪影水平图，c)根据所采集的MR信号、所述空间灵敏度图、以及所估计的伪影水平图来重建MR图像。此外，本发明涉及MR设备(1)并且涉及针对MR设备(1)的计算机程序。

Description

针对EPI的具有奈奎斯特伪影校正的并行MR成像
技术领域
本发明涉及磁共振(MR)成像的领域。本发明涉及对身体的至少一部分进行MR成像的方法。本发明还涉及MR设备并且涉及要在MR设备上运行的计算机程序。
背景技术
当今特别是在医学诊断的领域中广泛使用图像形成MR方法，其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，因为对于软组织的成像而言它们在许多方面优于其他成像方法，不需要电离辐射并且通常是无创的。
根据一般的MR方法，要被检查的患者的身体被布置在强的、均匀的磁场(B0场)中，与此同时，所述磁场的方向定义测量所基于的坐标系的轴(通常为z轴)。所述磁场根据磁场强度和特定自旋性质分裂针对个体核自旋的不同的能级。自旋系统能够通过施加定义的频率(也称为拉莫尔频率，或MR频率)的交变磁场(RF场，也称为B1场)而被激励。从宏观的视角，个体核自旋的分布产生总体磁化，所述能够通过施加合适射频的电磁脉冲(RF脉冲)而被偏离出平衡的状态，而对应的B1磁场垂直于z-轴延伸，使得所述磁化执行关于z轴的进动运动。所述进动运动描绘锥形的表面，其孔径角被称为翻转角。翻转角的幅度依赖于所施加的电磁RF脉冲的强度和持续时间。在所谓的90°脉冲的情况下，所述自旋被从z轴偏转到横向平面(翻转角90°)。
在RF脉冲结束之后，所述磁化弛豫返回初始的平衡状态，其中，在z方向上的磁化以第一时间常量T1(自旋晶格或纵向弛豫时间)再次被建立，并且在垂直于z方向上的磁化以第二时间常量T2(自旋-自旋或横向弛豫时间)弛豫。所述磁化的变化能够借助一个或多个接收RF线圈来检测，所述一个或多个接收RF线圈以这样的方式被布置和取向在MR设备的检查体积之内，使得磁化的变化在垂直于z轴的方向上被测量。横向磁化的衰减在施加例如90°RF脉冲之后伴随有核自旋(由局部磁场不均匀性感生的)从具有相同相位的有序状态到其中所有相位均匀分布的状态(失相)的转变。所述失相能够借助重新聚焦脉冲(例如，180°脉冲)来补偿。这在接收线圈中产生回波信号(自旋回波)。
为了实现在身体中的空间分辨，沿着三个主轴延伸的线性磁场梯度被叠加在均匀磁场上，导致自旋共振频率的线性空间依赖性。在所述接收线圈中拾取的信号则包含不同频率的分量，所述分量能够与所述身体中的不同位置相关联。经由所述RF线圈获得的MR信号数据对应于空间频率域，并且被称作k空间数据。所述k空间数据一般以不同的相位编码值沿着多条线采集以实现充分的覆盖。每条线通过收集若干样本在读出期间而被数字化。k空间数据的集合借助傅里叶变换被转换成MR图像。
回波平面成像(EPI)是一种己知的快速MR成像技术，其被用于以高采集速率产生MR图像，通常是每秒若干幅图像。其已经被发现在弥散成像中、针对功能磁共振成像(fMRI)、在动态成像等中特别有用。EPI的基本思想是在一个T2衰减期间在单个重复(单激发EPI)中、或者在多激发(多激发EPI)中对k空间进行完整采样。在单激发EPI中，在单RF激励脉冲之后的单个采集中(即，在单个测量或“激发”中)在多个磁场梯度反转期间采集所有k空间线，产生多个梯度回波信号。在多激发EPI中，MR信号的采集被分成多个激发。在这种情况下，k空间被多个采集所分割。多激发EPI也称为分割EPI。
根据EPI采集重建的MR图像往往易于遭受所谓的“奈奎斯特伪影”。在单激发EPI的情况下，伪影图像在相位编码方向被偏移视场的一半。在多激发EPI中，伪影模式会更加复杂。奈奎斯特伪影伪迹主要由感生的涡流以及关于正和负磁场梯度支的系统定时误差引起。这些误差与MR扫描器硬件相关联。
本领域己知用于校正奈奎斯特伪影伪迹的若干种方法，例如，基于从参考扫描获取的信息或者与图像数据一起采集的导航器回波。可以采用参考扫描来确定由磁场梯度切变的不完美所感生的MR信号的系统性相位误差。所述成像数据然后能够被相应地校正。能够优选在动态EPI扫描中使用导航器回波，以跟踪磁场梯度切变的变化延迟。
这些己知技术的不足在于，所应用的校正一般不能够完全去除奈奎斯特伪影。这是由如下引起的：磁场梯度切变延迟随时间变化(没有被正确地重新估计)，应用仅一维相位校正(在相位编码方向)，缺少对更高阶项的补偿等。
存在其他纯粹“数据驱动”的方法，其不需要参考扫描或导航器(例如参见Clare在Proc.Intl.Soc.Mag.Reson.Med.11，2003上的“Iterative Nyquist Ghost Correctionfor Single and Multi-shot EPI using an Entropy Measure”)。这样的技术的缺点在于，它们往往需要过于长的重建时间。ISMRM摘要ISMRM2007-987(D3)关注在单激发EPI中的奈奎斯特伪影的问题并且提供在由基于线圈一致性的度量所驱动的图像域中的伪影去除。
发明内容
根据以上内容，容易意识到，存在对提供对奈奎斯特伪影伪迹的改进的校正的有效的MR成像技术的需要。
根据本发明，公开了一种用于对置于MR设备的检查体积中的身体的至少部分进行并行MR成像的方法。所述方法包括如下步骤：
a)使身体的部分经受至少一个RF脉冲的成像序列以及多个切变的磁场梯度(优选地，单激发或多激发EPI)，其中，MR信号经由在检查体积之内的具有不同空间灵敏度曲线(profile)的多个RF线圈来并行地采集。
b)根据所采集的MR信号并且根据RF线圈的空间灵敏度图来导出估计的伪影水平图，
c)根据所采集的MR信号、所述空间灵敏度图、以及所估计的伪影水平图来重建MR图像。
并行成像技术在加速MR信号采集的领域中是己知的。在该类别中的一种方法是SENSE(灵敏度编码)。SENSE和其他并行成像技术使用并行地从多个RF接收线圈获得的欠采样的k空间数据采集。在这些方法中，来自多个RF接收线圈的(复)信号数据以复权重通过如下方式被组合：从而抑制最终重建的MR图像中的欠采样伪影(混叠)。这种类型的复RF线圈阵列信号组合有时被称为空间滤波并且包括k空间域或者在图像域(在SENSE中)中的组合，以及混合的方法。在SENSE成像中，RF线圈的空间灵敏度图通常是根据通过SENSE参考扫描获得的低分辨率参数数据来估计的。该线圈灵敏度信息然后被用于使用直接逆向算法来对图像空间中混叠的像素进行“解缠绕”。
根据本发明，使用并行采集和重建技术(例如，如SENSE)(其采用RF线圈图的空间灵敏度图以组合经由RF线圈的阵列所接收的MR信号)来抑制奈奎斯特伪影。
本发明的要点在于，应用并行重建算法的两个或更多个迭代，其中，在第一迭代中根据所采集的MR信号数据和RF线圈的空间灵敏度图来导出指示每个图像位置的伪影的水平的伪影水平图(步骤b)。所估计的伪影水平图然后在并行重建算法的随后的步骤中被应用以重建MR图像，其中，所估计的伪影水平图然后被用在步骤c)中以消除在重建的MR图像中的伪影伪迹。
优选地，本发明的方法还包括在步骤c)中在重建MR图像之前对所估计的伪影水平图进行空间地平滑的步骤。在该实施例中，本发明基于假设空间地平滑变化的伪影水平并且因此能够处理导致这样的平滑地变化的伪影水平的所有系统不完美。根据本发明，不进行在相位编码方向上的恒定伪影水平的假设。所述技术是完全n维的，其中，n是MR信号数据的维度的数目。因此，该技术优于常规一维相位校正方法。这也意味着，本发明的技术能够去除在多激发EPI中的奈奎斯特伪影伪迹，其中，标准EPI伪影校正技术通常会失败。
另外的优点在于，本发明的方法不需要采集参考数据以去除奈奎斯特伪影伪迹。因此，本发明的方法通过对所采集的MR信号数据的纯后处理而提供了完全的奈奎斯特伪迹去除，亦即，无需延长扫描时间。此外，因为不需要参考数据，本发明的技术能够有利地与快速动态成像技术组合使用，诸如PROPELLER-DWI等。然而，必须指出，例如，在最短可能扫描时间不是必须的情况下，本发明的方法可以与使用参考数据的常规相位校正技术相组合，以便进一步改进伪影伪迹去除的水平。
在本发明的优选实施例中，步骤b)和c)中的每个包括使用线性反转方法对MR图像和MR伪影图像的同时计算。线性反转方法常规地被应用在己知的并行图像重建技术(诸如SENSE)中，例如，采用最小平方优化方案(如常规的吉洪诺夫正则化技术)。根据本发明，所述反转的未知项的数量通过不仅计算MR图像而且还计算MR伪影图像而被增加。伪影水平图然后能够在步骤b)中通过计算重建的MR伪影图像和重建的“真实”MR图像而被估计。
优选地，步骤c)中的MR图像重建涉及使用从经平滑的估计的伪影水平图导出的(额外的)正则化限制的正则化(如在常规并行重建技术中)。确定在线性反转中的正则化限制的权重的正则化参数(拉格朗日因子)然后能够依赖于在步骤c)中重建的MR图的信噪比(SNR)而被调谐。换言之，所述重建方法在该实施例中基于受限的优化，其对经受去除奈奎斯特伪影伪迹的限制的SNR进行优化，其中，伪影伪迹去除的水平可以由用户交互地限定。
本发明的方法的步骤b)和c)可以被迭代的重复以便连续地增加伪影水平图的准确性。可以从迭代到迭代地改变正则化参数以增加正则化限制的权重。如果反转问题最初条件是有问题的，则可以在第一迭代中使用伪影水平图(例如从参考测量获得的)的初步估计，其中，迭代方案然后在一个或多个进一步的迭代之后收敛到真实伪影水平图。
如在常规并行成像(诸如SENSE)中，本发明的方法可以与对k空间中的欠采样相组合，以便增加采集速度。本发明的方法能够同时解开欠采样(混叠)伪影和奈奎斯特伪影伪迹两者。
本发明的方法与己知的压缩感测(CS)技术相兼容，其可以有利地被应用在步骤b)和/或c)中。在CS理论中，在变换域中具有稀疏表示的信号数据集能够通过应用合适的正则化算法而从欠采样测量结果中恢复。欠采样的可能性造成显著降低的采集时间。作为针对信号采样和重建的数学架构，CS规定了信号数据集能够即使在其中k空间采样密度远低于奈奎斯特准则的情况下被准确地或者至少以高图像质量被重建的情况，并且其也提供了针对这样的重建的方法。例如，M.Lustig等人己经提出了应用CS以用于快速MR成像(M.Lustig等人在Magnetic Resonance in Medicine，58，1182-1195，2007上的“Sparse MRI:TheApplication of Compressed Sensing for Rapid MR Imaging”)。根据本发明计算的所估计的伪影水平图可以作为先验信息被并入到CS重建中。
目前为止，所描述的本发明的方法因此能够借助MR设备来执行，所述MR设备包括：至少一个主磁体线圈，其用于在检查体积之内生成均匀稳定的磁场；若干梯度线圈，其用于在所述检查体积之内的不同空间方向上生成切变的磁场梯度；若干RF线圈，其用于在检查体积之内生成RF脉冲和/或用于从被定位在检查体积中的患者的身体接收MR信号；控制单元，其用于控制RF脉冲和切变的磁场梯度的时间演替；以及重建单元，其用于从所接收到的MR信号重建MR图像。本发明的方法优选通过对MR设备的重建单元和/或控制单元的对应的编程来实现。
当前本发明的方法能够有利地在临床使用中的大多数MR设备中执行。为此，仅需要使用通过其控制MR设备的计算机程序，使得其执行本发明的上文所解释的方法。所述计算机程序可以存在于数据载体上或者可以存在于数据网络上，使得能够被下载以安装在MR设备的控制单元中。
附图说明
随附的附图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，所述附图仅被设计用于图示和说明的目的，而不应当作为对本公开的限度的限定。在附图中：
图1示意性示出了用于执行本发明的方法的MR设备；
图2示出了根据本发明的方法常规地重建的体模的EPI图像；
图3示出了根据本发明的方法的针对所应用的正则化限制的不同加权的噪声放大图；
图4示出了根据本发明计算的伪影水平图。
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式主磁体线圈2，使得沿着通过检查体积的z轴创建基本上均匀的、空间上恒定的主磁场B0。所述设备还包括一组(第1、第2、以及在适用时第3级)匀场线圈2'，其中，流动通过组2'的个体匀场线圈的电流出于使检查体积之内的B0偏差的目的而是能控制的。
磁共振生成和操纵系统应用一系列RF脉冲和切变的磁场梯度(也称为“梯度脉冲”)以反转或激励核磁自旋、感生磁共振、重新聚焦磁共振、操纵磁共振、空间地或者以其他方式对磁共振进行编码、使自旋饱和，等等，以执行MR成像。
更具体地，梯度脉冲放大器3向沿着检查体积的x、y和z轴的全身梯度线圈4、5和6中的选定的线圈应用电流脉冲。数字RF频率发射器7经由发送/接收开关8来将RF脉冲或脉冲包发送到身体RF线圈9，以将RF脉冲发送到检查体积中。典型的MR成像序列包括短持续时间的RF脉冲分段的包，其与彼此以及任何所应用的磁场梯度一起来实现对核磁共振的选定操纵。该RF脉冲被用于使磁共振饱和、激励磁共振、反转磁化、重新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的部分。
为了借助并行成像来生成身体10的区域的MR图像，邻近选定进行成像的区域来放置具有不同空间灵敏度曲线的一组局部阵列RF线圈11、12、13。该阵列RF线圈11、12、13被用于接收由身体线圈RF发射所感生的MR信号。
所得到的MR信号由身体RF线圈9和/或由阵列RF线圈11、12、13来拾取并且通过优选包括前置放大器(未示出)的接收器14来解调。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控制流动通过匀场线圈2’以及梯度脉冲放大器3和发射器7的电流，以生成多个MR成像序列中的任意MR成像序列，诸如回波平面成像(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。针对选定的序列，接收器14跟随每个RF激励脉冲快速连续地接收单个或多个MR数据线。数据采集系统16执行对所接收到的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是分立的计算机，其专用于采集原始图像数据的采集。
最后，数字原始图像数据被应用诸如SENSE的适当重建算法的重建处理器17重建为图像表示。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。所述图像然后被存储在图像存储器中，其中，其可以被访问以用于例如经由提供所得到的MR图像的人类可读显示的视频监视器18来将所述图像表示的切片、投影或其他部分转换为用于可视化的适当格式。
根据本发明，身体10经受单激发或多激发EPI序列，其中，MR信号经由检查体积之内的具有不同空间灵敏度曲线的RF线圈11、12、13的阵列而被并行地采集。如在常规在SENSE成像中，RF线圈的空间灵敏度图根据通过SENSE参考扫描获得的低分辨率参数数据而被确定。基于如下方程系通过第一SENSE展开步骤根据所采集的MR信号并且根据所述RF线圈11、12、13的空间灵敏度图来导出指示针对每个图像位置的伪影的水平的估计的伪影水平图：
mj(x)＝∑iSj(xi)p对象(xi)+Sj(xi+FOV/2)p伪影(xi)，
其中，mj(x)是根据经由RF线圈11、12、13中的一个所采集的MR信号重建的MR图像(在展开之前)，其中，j指示各RF线圈。Sj(x)是RF线圈j的空间灵敏度图，p对象(x)是来自对象(身体10)的信号贡献，并且p伪影(x)是来自伪影图像的信号贡献。FOV是视场的尺寸(即，“展开的”视场等于规划的FOV除以并行成像技术的加速因子)。该公式考虑来自奈奎斯特伪影的信号贡献通过移位了半个视场的空间灵敏度图进行加权。吉洪诺夫正则化可以被用在该展开步骤中，如在常规SENSE中。这种正则化提供了关于每图像位置的输出信号的预期的水平的信息。这包括关于对象被定位于其中的图像区域以及背景的信息。使用该信息改善了SNR。标准吉洪诺夫正则化也应用于伪影图像p伪影(xi)。其基于相同的数据，仅有的区别是伪影图像被移位半个FOV以考虑伪影图像的不同空间位置。所估计的伪影水平图g(x)然后被计算为：
g(x)＝p伪影(x)/p对象(x)
作为下一步骤，对g(x)应用空间平滑以便获得关于伪影水平的低频率信息。以这种方式，伪影水平空间平滑的变化的假设被引入到重建方法中。然后，基于以上方程系并且使用如下正则化限制来执行另外的SENSE展开步骤：
g(x)p对象(x)-p伪影(x)＝0，
其中，g(x)是经平滑的估计的伪影水平图。最终重建的MR图像(没有奈奎斯特伪影伪迹)然后对应于p对象(x)。确定在第二展开步骤中的正则化限制的权重的正则化参数(拉格朗日因子)依赖于MR图像的信噪比(SNR)而被调谐。如果限制被强地加权，这导致p伪影(x)＝g(x)p对象(x)并且重建的MR图像的噪声水平的增加是最小的。如果权重是低的，相反，奈奎斯特伪影的水平被最小化(因为计算g(x)的误差被转移到p伪影(x))。然而，SNR在最终图像中是降低的。
任选地，能够在以上两个SENSE展开步骤上执行进一步的迭代，其中，正则化限制的权重可以从迭代到迭代增加。以这种方式，所估计的伪影水平图能够被越来越准确地确定。如果在第一步骤中反转问题的条件太差，在SENSE加速因子大时可以是这种情况，所述迭代可以开始于预设的伪影水平图，例如，假设固定的伪影水平或者从初始参考测量获得的伪影水平图。
本发明的方法所需要的总重建时间相比于常规SENSE仅最低限度地增加，因为展开流程仅构成总重建的一小部分。此外，本发明的经修改的展开通常仅需要有限数量的迭代。
图2示出了利用SENSE因子2采集的体模的EPI图像。左上图像是在没有奈奎斯特伪影校正的情况下重建的。该图像示出了强的伪影伪迹。在上中图像中应用了基于参考测量的常规一维相位校正。奈奎斯特伪影的水平被显著地降低。上右图像是根据本发明的方法利用低权重的正则化限制来重建的。在左下图像中应用了中等正则化权重，右下图像示出了使用强正则化权重重建的MR图像。根据本发明重建的图像示出了不同水平的奈奎斯特伪影抵制。
图3示出了对应的噪声放大图。该噪声放大图是根据下式计算的：
其中，HSENSE(x,y)是在针对像位置x，y的SENSE展开期间获得的组合因子矩阵(大小1×RF线圈的数量)，并且Hclear(x,y)是在利用SENSE因子1的标准SENSE展开(CLEAR操作)期间获得的组合因子矩阵。NAM(x,y)永远不会小于1并且仅提供被成像的解剖结构内部的有效信息。图3中的左上图像示出了针对常规SENSE重建的NAM(x,y)。上右图像是对应于利用低权重的正则化限制的经修改的SENSE展开。在左下图像中应用了中等正则化权重，右下图像示出了使用强正则化权重的NAM(x,y)。
如根据图2和图3变得显而易见的，奈奎斯特伪影能够通过本发明的方法以极小的/可忽略的噪声水平的增加来成功地去除。与标准SENSE重建相比，SNR仅轻微地降低。
图4示出了根据本发明的方法估计的伪影水平图g(x,y)。图4图示了根据本发明的不假设在相位编码方向上的恒定伪影水平。因此，本技术优于针对奈奎斯特伪影去除而常规地使用的一维相位校正方法，并且因此，一般地提供了经改善的图像质量。

Claims (9)

1.一种对置于MR设备(1)的检查体积之内的身体(10)的至少部分进行并行MR成像的方法，所述方法包括如下步骤：
a)使所述身体(10)的所述部分经受至少一个RF脉冲的成像序列以及多个切变的磁场梯度，其中，经由所述检查体积之内的具有不同空间灵敏度曲线的多个RF线圈(11、12、13)并行地采集MR信号，
b)根据所采集的MR信号并且根据所述RF线圈(11、12、13)的空间灵敏度图来导出估计的伪影水平图，并且对所估计的伪影水平图进行空间地平滑，
c)根据所采集的MR信号、所述空间灵敏度图、以及所估计的伪影水平图来重建MR图像，并且所述重建包括使用从经平滑的所估计的伪影水平图导出的正则化限制的正则化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，迭代地重复步骤b)和步骤c)以连续地增加所述伪影水平图的准确性。
3.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，步骤b)和步骤c)中的每个步骤包括使用线性反转方法来计算MR图像和MR伪影图像。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定在所述线性反转中的所述正则化限制的权重的正则化参数根据在步骤c)中重建的所述MR图像的信噪比来调谐。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述MR信号在步骤a)中利用对k空间的欠采样来采集。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中，所述成像序列是单激发或多激发EPI序列。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中，所估计的伪影水平图和/或所述MR图像在步骤b)和/或步骤c)中使用压缩感测来重建。
8.一种MR设备，包括：至少一个主磁体线圈(2)，其用于在检查体积之内生成均匀、稳定的磁场；若干梯度线圈(4、5、6)，其用于在所述检查体积之内生成在不同空间方向上的切变的磁场梯度；至少一个RF线圈(9)，其用于在所述检查体积之内生成RF脉冲；在所述检查体积之内的具有不同空间灵敏度曲线的多个RF线圈(11、12、13)，其用于接收来自被定位于所述检查体积中的患者的身体(10)的至少部分的MR信号；控制单元(15)，其用于控制RF脉冲和切变的磁场梯度的时间演替；以及重建单元(17)，其用于根据所接收到的MR信号重建MR图像，其中，所述MR设备(1)被布置为执行如下步骤：
a)使所述身体(10)的所述部分经受至少一个RF脉冲的成像序列以及多个切变的磁场梯度，其中，MR信号是经由所述RF线圈(11、12、13)并行地采集的，
b)根据所采集的MR信号并且根据所述RF线圈(11、12、13)的空间灵敏度图来导出估计的伪影水平图，并且对所估计的伪影水平图进行空间地平滑，
c)根据所采集的MR信号、所述空间灵敏度图、以及所估计的伪影水平图来重建MR图像，并且所述重建包括使用从经平滑的所估计的伪影水平图导出的正则化限制的正则化。
9.一种要在MR设备(1)上运行的计算机程序，所述计算机程序包括用于如下操作的指令：
a)生成至少一个RF脉冲的成像序列以及多个切变的磁场梯度，并且经由具有不同空间灵敏度曲线的多个RF线圈(11、12、13)并行地采集MR信号，
b)根据在步骤a)中采集的所述MR信号并且根据所述RF线圈(11、12、13)的空间灵敏度图来导出估计的伪影水平图，并且对所估计的伪影水平图进行空间地平滑，
c)根据所采集的MR信号、所述空间灵敏度图、以及所估计的伪影水平图来重建MR图像，并且所述重建包括使用从经平滑的所估计的伪影水平图导出的正则化限制的正则化。
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