CN108027960B - 用于磁共振图像的环形伪影修复的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测和修复多光谱磁共振图像中的环形伪影的设备，包括图像处理器，所述图像处理器被配置成获得偏共振的磁场图和去模糊的合成图像；基于所述磁场图计算所述图像的空间梯度；对所述空间梯度进行核心搜寻；基于所述核心搜寻遮蔽所述图像以便识别被环形伪影影响的体素；以及施加滤波器以便平滑化由所述图像掩模识别的所述体素的强度。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年6月30日提交的美国申请第14/755793号的优先权，所述申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明的实施例大体上涉及磁共振成像。特定实施例涉及用于在存在金属的情况下使用的三维多光谱成像(3D MSI)。
背景技术
在磁共振成像(MRI)中，当人类或其它动物组织经受均匀的磁场，即偏振场B0时，组织中的粒子自旋的个别磁矩尝试与偏振场对准，但以随机次序按其特性拉莫尔频率绕磁场进动。如果组织经受界定x-y平面且按靠近选定粒子的拉莫尔频率的频率变化的RF磁场，即激励场B1，那么那些选定粒子的净对准磁矩或“纵向磁化”可旋转或“倾斜”到x-y平面中以产生净横向磁矩。在B1终止之后，倾斜自旋“松弛”回到由B0界定的进动中，且结果产生RF信号。可对RF信号进行接收和处理以形成图像。为了形成用于人类解读的像素化图像，应用梯度磁场Gx、Gy、Gz以将组织响应定位到B1。
举例来说，例如关节植入物或骨螺钉的顺磁材料可在偏振场B0中产生失真区域，这会减损将组织响应定位到激励场的准确性。作为一个解决方案，已使用质子密度(PD)与短时反转恢复(STIR)对照来展现3D多光谱MRI协议，且已证实其能有效地移除金属植入物周围的块状失真。已展现出3D多光谱MRI中的光谱分量的重频率重叠可帮助减少残余图像伪影。特定来说，例如SEMAC、MAVRIC和MAVRIC SL的3D MSI技术可基本上减少在存在金属的情况下应用的常规共同建立方法的块状磁化系数伪影。然而，3D MSI技术中的常见剩余伪影为在靠近植入物的具有强局部磁感应场梯度的区域中发现的环形伪影。环形伪影限于3DMSI图像的频率编码维度。在接近植入物界面时，环形伪影随局部磁感应场梯度一起发展。特定来说，因为这些为感应偶极子主导型场分布的区域中的较强导数，相对于植入物构造的罗盘方向和魔角倾向于产生最严重的梯度。
鉴于上文，期望提供用于修复环形伪影的设备和方法。此类设备和方法也可有助于修复定向图像伪影，一般来说例如消除可见光摄影中的镜头光晕。
发明内容
本发明的实施例实施一种用于检测和修复多光谱磁共振图像中的环形伪影的方法。所述方法包括计算磁感应场的空间梯度；对空间梯度进行核心搜寻；基于核心搜寻(kemel search)遮蔽图像以识别被环形伪影影响的体素(voxels)；以及施加滤波器以平滑化由图像掩模识别的体素的强度(intensities of the voxels)。
其它实施例实施一种用于检测和修复图像内的径向定向伪影的方法。所述方法包括计算磁感应场的空间梯度；对梯度进行核心搜寻；基于核心搜寻遮蔽图像以识别被径向定向伪影影响的像素；以及施加滤波器以平滑化由图像掩模识别的像素的强度。
其它实施例提供一种用于检测和修复多光谱磁共振图像中的环形伪影的设备。所述设备包括图像处理器，其被配置成获得偏共振的磁场图和去模糊的合成图像；基于磁场图计算图像的磁感应梯度；对磁感应梯度进行核心搜寻；基于核心搜寻遮蔽图像以便识别被环形伪影影响的体素；以及施加滤波器以便平滑化由图像掩模识别的体素的强度。
附图说明
通过参考附图阅读非限制性实施例的以下描述，将更好地理解本发明，在附图中：
图1示意性地描绘并入本发明的实施例的示范性磁共振成像系统。
图2示意性地示出根据本发明的实施例的由图1的MRI系统实施的环形伪影修复方法。
具体实施方式
下文将详细参考本发明的示范性实施例，其实例在附图中加以说明。在任何可能的情况下，贯穿各图使用的相同参考标记指代相同或类似的部分，而不再进行重复描述。尽管关于多光谱MRI成像设备和方法来描述本发明的示范性实施例，但本发明的实施例一般来说也可适用于检测和修复径向定向的图像缺陷。
如本文中所使用，术语“基本上”、“大体上”和“约”指示相对于适合实现部件或组合件的功能目的的理想所需条件，在可合理地实现的制造和组装公差内的条件。
图1示出并入本发明的实施例的示范性磁共振成像(MRI)系统10的主要部件。系统的操作由操作员控制台12控制，操作员控制台包括键盘或其它输入装置13、控制面板14和显示屏16。输入装置13可包括鼠标、操纵杆、键盘、轨迹球、触摸激活屏、光棒、语音控制或任何类似或等效的输入装置，并且可用于交互式几何指令。控制台12通过链路18与单独的计算机系统20通信，计算机系统使操作员能够在显示屏16上控制图像的产生和显示。计算机系统20包括通过底板20a彼此通信的数个模块。计算机系统20的模块包括图像处理器模块22、CPU模块24和存储器模块26，存储器模块可包括用于存储图像数据阵列的帧缓冲器。计算机系统20链接到档案媒体装置、永久性或备用存储器存储装置或用于存储图像数据和程序的网络，并通过高速信号链路34与单独的MRI系统控制32通信。计算机系统20和MRI系统控制32共同形成“MRI控制器”33。
MRI系统控制32包括由底板32a连接在一起的一组模块。这些模块包括CPU模块36以及脉冲发生器模块38。CPU模块36通过数据链路40连接到操作员控制台12。MRI系统控制32通过链路40从操作员接收指示要执行的扫描序列的命令。CPU模块36操作系统部件以进行所需扫描序列，并产生指示所产生的RF脉冲的定时、强度和形状以及数据采集窗口的定时和长度的数据。CPU模块36连接到由MRI控制器33操作的若干部件，包括脉冲发生器模块38(其控制梯度放大器42，下文进一步论述)、生理采集控制器(“PAC”)44和扫描室接口电路46。
CPU模块36从生理采集控制器44接收患者数据，生理采集控制器从连接到患者的数个不同传感器接收信号，例如来自附接到患者的电极的ECG信号。且最后，CPU模块36从扫描室接口电路46接收来自与患者和磁体系统的状况相关联的各种传感器的信号。MRI控制器33还通过扫描室接口电路46命令患者定位系统48将患者或客户端C移动到用于扫描的所需位置。
脉冲发生器模块38操作梯度放大器42，以实现在扫描期间产生的梯度脉冲的所需定时和形状。由脉冲发生器模块38产生的梯度波形被施加到具有Gx、Gy和Gz放大器的梯度放大器系统42。每个梯度放大器激发通常标示为50的梯度线圈组合件中的对应物理梯度线圈，以产生用于对采集的信号在空间上编码的磁场梯度。梯度线圈组合件50形成磁体组合件52的部分，磁体组合件还包括偏振磁体54(其在操作中提供由磁体组合件52封闭的贯穿目标体55的均匀纵向磁场B0)和全身(发射和接收)RF线圈56(其在操作中提供贯穿目标体55的大体上垂直于B0的横向磁场B1)。在本发明的实施例中，RF线圈56为多通道线圈。MRI设备10还包括可为单通道或多通道的表面(接收)线圈57。
MRI系统控制32中的收发器模块58产生由RF放大器60放大并由发射/接收开关62连接到RF线圈56的脉冲。由患者体内激发的核发射的所得信号可由同一RF线圈56以及由专用接收线圈57感测，并通过发射/接收开关62连接到前置放大器64。放大的MR信号在收发器58的接收器区段中被解调、滤波和数字化。发射/接收开关62由来自脉冲发生器模块32的信号控制，以在发射模式期间将RF放大器60电连接到线圈56，并在接收模式期间将前置放大器64连接到线圈56。发射/接收开关62还可使得表面RF线圈57能够在发射模式或接收模式下使用。通常，处于接收模式的表面线圈57将连接到体线圈56(其以相同频率谐振)，以便最好地接收在发射模式期间发射的RF脉冲的回波。然而，在表面RF线圈57并不用于发射的情况下，在体线圈56发射RF脉冲时从体线圈56断开表面线圈57将是必需的。
通常，将使用二极管来启动以可操作方式与表面线圈57连接的解谐电路来实现断开。二极管启动式解谐电路已知为慢速且有损耗的。相反地，本发明的实施例提供用于更快速且以较小损耗断开表面线圈57的设备和方法。
在多通道RF线圈56和/或表面线圈57拾取从目标激发产生的RF信号之后，收发器模块58数字化这些信号。MRI控制器33接着通过傅里叶变换处理数字化信号以产生k空间数据，接着经由MRI系统控制32将所述数据转移到存储器模块66或其它计算机可读媒体。“计算机可读媒体”可包括例如配置成使得电子、光学或磁性状态可以可由常规计算机感知并再现的方式固定的结构：例如印刷到纸上或显示在屏幕、光盘或其它光学存储媒体上的文本或图像；“快闪”存储器、EEPROM、SDRAM或其它电子存储媒体；软盘或其它磁盘、磁带或其它磁性存储媒体。
当已在计算机可读媒体66中采集了原始k空间数据的阵列时，扫描完成。此原始k空间数据被重新排列成用于要重构的每个图像的单独的k空间数据阵列，并且这些数据阵列中的每一个被输入到阵列处理器68，阵列处理器进行操作以将数据傅里叶变换成图像数据的阵列。此图像数据通过数据链路34传送到计算机系统20，在那里此图像数据被存储到存储器中。响应于从操作员控制台12接收的命令，此图像数据可被存档在长期存储装置中，或可由图像处理器22进一步处理并传送到操作员控制台12，并且呈现在显示器16上。
如图2中所示出，在本发明的示范性实施例中，图像处理器22根据方法200产生环形伪影校正的合成图像100。根据方法200，通过常规手段，例如多光谱成像获得去模糊的合成图像202和偏共振的实测原图204。接着，图像处理器22在偏共振图204的频率编码维度中计算206空间磁感应梯度图208或“空间梯度”。梯度图208是以相对高的准确度计算出的，甚至在靠近实测原图204的植入物界面处也如此。通过获得实测原图的一般空间导数来实现高的准确度。
在计算出206梯度图208之后，图像处理器22对梯度图208的每一频率编码线执行核心搜寻220。对于核心匹配梯度图的位置，图像处理器接着遮蔽222去模糊的合成图像202，借此排除不在预期含有环形伪影的3D区域中的像素。有利的是，遮蔽合成图像202能显著减少任何错误修复的可能性，即在实际上并不具有要修复的环形伪影的区域中引入“修复伪影”。因此，在掩模222并不排除像素，即所述像素在并未遮蔽的像素的相邻区域内的情况下，图像处理器22仅在环绕所述像素的相邻区域上施加滤波器228(例如，三角形滤波器；矩形波串滤波器；中值滤波器；模式滤波器；椭圆形滤波器)。根据某些实施例，滤波器228仅替换所述像素而非整个区域的强度。有利的是，此施加滤波器228的模式能防止校正区域中出现任何人为形态。
因此，本发明的实施例实施一种用于在多光谱磁共振图像中检测和修复环形伪影的方法。所述方法包括计算磁感应场的空间梯度；对空间梯度进行核心搜寻；基于核心搜寻遮蔽图像以识别被环形伪影影响的体素；以及施加滤波器以平滑化由图像掩模识别的体素的强度。举例来说，可在频率编码维度中计算空间梯度。可基于偏共振的磁场图计算磁感应梯度。滤波器可为三角形滤波器、矩形波串滤波器、中值滤波器、模式滤波器或椭圆形滤波器中的一个或两个或更多个。
其它实施例实施一种用于检测和修复图像内的径向定向伪影的方法。所述方法包括计算磁感应场的空间梯度；对梯度进行核心搜寻；基于核心搜寻遮蔽图像以识别被径向定向伪影影响的像素；以及施加滤波器以平滑化由图像掩模识别的像素的强度。可通过MRI获得图像，在此情况下梯度可为图像的磁感应梯度。可基于频率编码的磁场图获得此磁感应梯度，所述磁场图可为偏共振的实测原图。滤波器可为三角形滤波器、矩形波串滤波器、中值滤波器、模式滤波器或椭圆形滤波器中的一个或两个或更多个。
其它实施例提供一种用于检测和修复多光谱磁共振图像中的环形伪影的设备。所述设备包括图像处理器，其被配置成获得偏共振的磁场图和去模糊的合成图像；基于磁场图计算图像的磁感应梯度；对磁感应梯度进行核心搜寻；基于核心搜寻遮蔽图像以便识别被环形伪影影响的体素；以及施加滤波器以便平滑化由图像掩模识别的体素的强度。可基于频率编码的磁场图获得磁感应梯度，所述磁场图可为偏共振的实测原图。滤波器可为三角形滤波器、矩形波串滤波器、中值滤波器、模式滤波器或椭圆形滤波器中的一个或两个或更多个。
应理解，上文的描述旨在为说明性而非限制性的。举例来说，上文描述的实施例(和/或其各方面)可彼此组合使用。另外，可作出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导而不脱离其范围。虽然本文中描述的材料的尺寸和类型意图界定本发明的参数，但这些描述决不是限制性的，而只是示范性实施例。所属领域的技术人员在查阅上文描述后将会明白许多其它实施例。因此，本发明的范围应参考所附权利要求书连同此权利要求书所赋予的等效物的全部范围共同确定。在所附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中”用作相应术语“包括(comprising)”和“其中”的简明等效用语。此外，在下面的权利要求书中，例如“第一”、“第二”、“第三”、“上部”、“下部”、“底部”、“顶部”等的术语只用作标记，而非意图对其对象施加数字或位置要求。此外，下文权利要求书的限制并不以装置加功能格式书写，且并不意图根据35U.S.C.§112第六段落来解释，除非此权利要求限制明确地使用短语“用于……的装置(means for)”之后为功能陈述而没有另外的结构。
本书面描述用实例来公开包括最佳模式的本发明的若干实施例，并且还使所属领域的普通技术人员能实施本发明的实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求书界定，并且可包括所属领域的普通技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有与权利要求书的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么此类其它实例意图在权利要求书的范围内。
如本文中所使用，以单数形式叙述且跟在词语“一(a/an)”后的元件或步骤应理解为不排除复数个所述元件或步骤，除非明确陈述此类排除。此外，本发明对“一个实施例”的参考并不意图被解释为排除也并入所叙述特征的额外实施例的存在。此外，除非相反地明确陈述，否则“包括(comprising)”、“包括(including)”或“具有”带特定性质的元件或多个元件的实施例可包括没有那种性质的额外此类元件。
由于可在上文描述的设备和方法中作出某些改变而不脱离本文中所涉及的本发明的精神和范围，因此预期上文描述或附图中示出的所有主题仅应解释为说明本文中的发明概念的实例，而不应被理解为限制本发明。
Claims (12)
1.一种用于检测和修复多光谱磁共振图像中的环形伪影的方法，包括：
计算磁感应场的空间梯度；
对所述空间梯度进行核心搜寻；
基于所述核心搜寻遮蔽所述图像以识别被环形伪影影响的体素；以及
施加滤波器以平滑化由所述遮蔽识别的所述体素的强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述空间梯度是在频率编码维度中计算出的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述空间梯度是基于偏共振的磁场图计算出的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述滤波器为三角形滤波器、矩形波串滤波器、中值滤波器、模式滤波器或椭圆形滤波器中的一个。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述滤波器包括三角形滤波器、矩形波串滤波器、中值滤波器、模式滤波器或椭圆形滤波器中的两个或更多个。
6.一种用于检测和修复图像内的径向定向伪影的方法，包括：
计算磁感应场的空间梯度；
对所述空间梯度进行核心搜寻；
基于所述核心搜寻遮蔽所述图像以识别被所述径向定向伪影影响的像素；以及
施加滤波器以平滑化由所述遮蔽识别的所述像素的强度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述滤波器为三角形滤波器、矩形波串滤波器、中值滤波器、模式滤波器或椭圆形滤波器中的一个。
8.一种用于检测和修复多光谱磁共振图像中的环形伪影的设备，包括：
图像处理器，其被配置成获得磁场图和去模糊的合成图像；基于所述磁场图计算所述图像的磁感应梯度；对所述磁感应梯度进行核心搜寻；基于所述核心搜寻遮蔽所述图像以便识别被环形伪影影响的体素；以及施加滤波器以便平滑化由所述遮蔽识别的所述体素的强度。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：所述磁感应梯度是在频率编码维度中计算出的。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：所述磁感应梯度是基于偏共振的磁场图计算出的。
11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：所述滤波器为三角形滤波器、矩形波串滤波器、中值滤波器、模式滤波器或椭圆形滤波器中的一个。
12.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：所述滤波器包括三角形滤波器、矩形波串滤波器、中值滤波器、模式滤波器或椭圆形滤波器中的两个或更多个。
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