CN1116078A - 一种磁共振成像图象重构的技术 - Google Patents

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一种用一阶相移校正及子图像处理进行低阶和高阶相移校正的磁共振成像图像重构的技术。采用原始磁共振复数图像的平方进行自相关处理对一阶相移进行校正，将图像用网格分割为若干个子图像并对各子图像进行初相位调整和快速拼接。此方法可以校正与空间位置有关的低阶和高阶相移，无需在自相关处理中确定和剔除图像中的间断边界点，减少运算处理时间、快速重建图像。可用于磁共振成像重构技术，例如反转恢复对比度确定或Dixon化学位移成象法。

Description

一种磁共振成象图象重构的技术
本发明涉及了磁共振成象图象重构方法中的相位误差校正处理技术，这种处理方法可应用于例如反转恢复对比度的确定或Dixon化学位移成象法的磁共振成象图象重构方法中的相位误差校正。
某些原子核，如氢原子核，具有一种称之为自旋的特性，运动的电荷在核周围有一个磁场，从而可把它看成为一个很小很小的磁偶极矩，称为核磁矩。人体内有大量水，因而含大量氢原子，如果把一组氢原子放在一个外加的恒定磁场中，则其核磁矩的极性顺着外磁场方向排列的氢原子核的数目会稍多于逆着外磁场方向排列的氢原子核数目，这一差异形成了一个净磁场，用磁化矢量为表征，它既有幅度又有方向，并以一定的频率围绕外加磁场(象陀螺那样)进动，这个运动频率称为拉莫尔频率，它与外磁场的强度成正比。在目前人们能得到的强磁场范围内，拉莫尔频率都在射频波段。
如果用外加的一个频率等于拉莫尔频率的电磁波作用于置于外磁场中的人体，则其中的氢原子核将会吸收此电磁波的能量从而改变磁化矢量的方向(偏离其平衡状态)，假定在很短的时间间隔内，外加的电磁波的能量足够使上述磁化矢量的方向偏离其原来方向α角，则称此电磁脉冲为α脉冲，外加的电磁脉冲在磁共振成象中又称为射频脉冲。
射频脉冲结束之后，在一段时间之内，磁化矢量将逐渐恢复到其平衡状态，同时氢原子核释放出吸收的外加电磁场能量，辐射电磁波，这就是所谓磁共振信号。磁化矢量从非平衡状态朝其平衡状态的恢复是一个渐变过程，称之为弛豫，它由物质内部结构及其所处的状态所决定。弛豫可分成平行与垂直于外磁埸两个方向的弛豫，并用T1和T2两个特征弛豫时间来分别表征。
磁共振成象(MRI)需要用一个射频线圈接收磁共振信号，通过外加射频脉冲，使磁化矢量发生偏转，磁化矢量在与磁场垂直的横向平面内的进动，使穿过线圈的磁通量发生变化，磁通的变化在线圈中感应出电流，线圈内流动的电流的大小或者说信号强度，正比于磁化矢量横向分量的大小，与氢原子密度有关，同时也与T1和T2两个弛豫时间有关。
磁共振图象的空间信息是用梯度磁场形成的，人为地使磁场强度在空间形成有规律的分布。处于磁场强度较低位置的氢原子核的共振频率比处于磁场强度高的位置氢原子核的共振频率低，利用频率上的这一差别进行空间编码，以确定氢原子核的一维空间位置，这一维对应的梯度磁场称为频率编码梯度。另一维空间编码是通过相位差别建立的，它使用的梯度方向与频率编码梯度相垂直，称之为相位编码梯度。第三个梯度与频率编码梯度和相位编梯度构成的平面相垂直，其作用是选片，即选定人体上要成象的截面位置，称为选片梯度。只要在不同的方向上、不同的时间间隔内分别加上上述三种梯度磁场，便可得到表示横断面、矢状面、冠状面乃至任何方向截面的磁共振信号。射频脉冲与三个梯度波形之间的时间、幅度关系称之为脉冲序列。
磁共振成象系统采集经过上述编码的磁共振信号，对采集到的信号进行解码，即图象重构，便得到任何方向截面的磁共振图象。因为磁共振信号为复数信号，得到的磁共振图象也为复数，其幅度、相位由氢原子密度、弛豫时间T1、T2及扫描参数确定。
反转恢复(Inversion Recovery简写IR)扫描技术，详见G.M.Bydder and I.R.Young，1985年JCAT9，659-675＂MR Imaging：Clinical use of the Inversion RecoverySequence＂，是磁共振成象中常用的一种技术，用来增强磁共振图象的T1对比度。这种技术将生物组织内的自旋区分为＂正＂自旋与“负”自旋。通过适当选择磁共振序列的反转恢复时间TI，如附图2所示，来增强磁共振图象的某些组织的T1对比度，即具有不同T1的生物组织在磁共振图象上可以有正或负灰度信号，因此，这种图象相对磁共振常规扫描技术获得图象的T1的对比度能得到极大的增强。可是，反转恢复图象上的T1对比度有赖于正确地确定图象各象元的相位值。由于种种原因，在图象扫描过程中会引入与空间位置相关的附加相移(相位误差)，不仅包括与空间位置成线性关系的一阶相移(线性相位误差)，也包括其它的高阶相移。
附加相移Φ6(X，Y)可表示为Φ6(X，Y)＝Φ0＋α1X＋β1Y＋α2X2＋β2Y2＋γ11XY＋…其中Φ0为零阶相移，X，Y为空间正交的二个方向，α1X，β1Y为一阶相移，α2X2，β2Y2，γ11XY为二阶相移，二阶和二阶以上的相移称为高阶相移。这些相移会严重地影响T1对比度。
Dixon化学位移成象法，详见W.T.Dixon，1984年Radiology，153，189-194＂simple proton spectroscopicImaging＂，是利用不同化学成份(如水与脂肪)中氢原子核共振频率的微小差异，通过调整数据采集的时间，形成水与脂肪的同相图象与反相图象，经加减运算将二者分离获得各自的空间分布图。此法的有效应用有赖于成功的反相图象的相移校正。
Ahn和Cho在1987年IEEE Trans.MI-6，P32-36＂ANew Phase Correction Method in NMR Imaging Basedon Autocorrec ation and Histogram Analysis＂一文中提出了用复数图象的自相关运算来提取一阶附加相移，即用复数图象与其相邻象元的复共轭之积的平均来提取一阶附加相移，并用它们来校正各象元点相位值的方法。这种方法需要判定图象中不同生物组织间的相位突变，如“正”、“负”自旋之间相位跃变“π”而产生的相位间断点，并需给予剔除，因此增加了运算处理的复杂性和运算处理的时间。而且Ahn和Cho的方法仅能校正零阶和一阶相移，对高阶相移无能为力。
本发明的目的是提出一种能简单校正磁共振复数图象中与空间位置有关的低阶和高阶相移的方法。
为实现上述目的，本发明提出了一种用一阶相移校正、子图象初相位调整和快速图象拼接校正磁共振图象中低阶和高阶相位误差的方法。主要的技术方案是用原始复数图象平方的自相关运算来提取与空间位置有关的一阶附加相移，并用于整幅图象的一阶相移校正；再用网格把整幅图象分割成为若干个子图象，对每一个子图象进行初相位调整；对每个子图象进行的初相位调整是通过在子图象范围内选取一个参考矢量，将子图象范围内所有象元沿参考矢量投影后的符号与相应象元的模作为输出；然后利用相邻网格复数子图象边界连续性条件，即相邻网格复数子图象边界象元之差的平方和取最小，来确定各子图象的正负符号，这样可以避免在初相位调整中子图象可能出现的相位倒置；用分组迭代方式，先将每个上下左右相邻的4幅2×2的子图象分为一组，在每组中以子图象边界连续性条件来确定各子图象的正负符号；按此对整幅图象作子图象边界连续的处理后，再把每个上下左右相邻的4幅2×2子图象拼接成为一个更大的子图象，依次逐级对所有网格子图象进行拼接，直到形成整幅图象为止。这样可以实现快速图象拼接，较快地得到一幅完整的、有正确对比度的图象。
本发明的优点在于：与现有技术相比，本发明提出了用复数图象的平方进行求相关的运算，提取一阶相移因子，避免了以往常用的复数图象求相关，如Ahn和Cho提出的方法中存在的相位间断点的确定及剔除的问题；本发明提出了用子图象初相位调整和以子图象边界连续性条件进行的子图象拼接的相位校正；本发明还提出了用分组迭代的方式实现图象的快速拼接。本发明利用整幅图象的空间一阶相移校正和子图象的初相位调整及子图象快速拼接可以有效地校正图象上存在的空间低阶和高阶相移，可快速处理，减少运算时间。
下面结合附图对本发明的实施例作详细描述。
图1.表示可应用本发明的MRI系统框图
图2.表示反转恢复脉冲序列示意图
图3.表示图象处理过程的流程图
图4.表示图象网格分割和快速拼接过程示意图
本实施例是MRI系统对由反转恢复序列扫描得到的磁共振信号在图象重构时进行的图象上的误差相位校正。可实施本发明的MRI系统框图如图1所示，图中主磁体120提供一个均匀的恒定磁场，被扫描者123，处于病床121上送入主磁体120腔内，整个MRI系统的操作是通过操作台100控制主计算机101进行，开始扫描时，主计算机101会将相应的指令和参数装入序列控制器102，序列控制器102便控制其内部的梯度波形产生器、射频产生单元和射频接收单元工作。102内部梯度波形产生器驱动X，Y，Z三路梯度放大器103为X，Y，Z三路梯度线圈104提供足够大的脉冲电流以形成三个方向的梯度磁场。102内部射频产生单元激励射频功放105为磁场中的射频发射线圈106提供足够大的脉冲功率，产生瞬间的射频频率的电磁场，激发人体中的氢原子核偏离热平衡态。射频脉冲结束后，这些受激的氢原子核便向热平衡态恢复，产生磁共振信号。射频接收线圈107检测这个微弱的磁共振信号，并经射频前置放大器108放大后送至序列控制器102的内部射频接收器。
序列控制器102的内部接收器完成对磁共振信号的检波与A/D变换后将数据传输到主计算机101的内存中，存储在主计算机的硬盘上，从而完成数据采集。
在扫描过程中，三路梯度分别起着选择片层、频率编码与相位编码的作用，它们与射频发射、射频接收都按一定的时间关系先后或同时工作，决定于所设计的脉冲序列。
在本发明实施方案中，反转恢复脉冲序列的设计如图2所示。第一个180°射频脉冲使自旋的磁化矢量由顺主磁场方向转到与主磁场反方向，经过TI的弛豫后，因不同的组织有不同的T1，故有些自旋顺主磁场方向，为＂正＂自旋，有些自旋与主磁场反方向，为＂负＂自旋。其后部分的脉冲波形构成磁共振成象中常用的自旋回波序列。90°射频脉冲再次激发这些＂正＂、＂负＂自旋，通过第二个180°射频脉冲在TE处形成自旋回波。片选梯度GZ1与90°，180°射频脉冲用来选择物体空间一定片厚的片层，GZ2用来补偿因片选梯度造成的自旋相位的相位分散。频率编码梯度GX1，GX2完成相位分散和相位回聚的作用。相位编码梯度GY在每个TR后改变幅度一次，完成空间的相位编码。对在TE周围形成的回波信号进行采集，如图2数据采样窗所示。
主计算机101将采集过程得到的原始数据送到阵列处理机109中进行图象重构运算包括进行二维付氏变换和如下过程的相位误差校正，得到有正确的、T1对比度大的反转恢复磁共振图象。重构后的图象送到主计算机101的硬盘上存贮，并又送到图象子系统110的屏幕上供显示、分析、诊断使用。
设经二维付氏变换得到的原始复数图象为I(X，Y)，相位误差校正过程如图3处理流程所示。步骤1：
定义复数图象的平方图象为S(X，Y)
S(X，Y)＝I(X，Y)·I(X，Y)            <1>或S(X，Y)＝I(X，Y)·I(X，Y)/|I(X，Y)|    <2>其中|·|是取模运算，|I(X，Y)|是原始复图象的模，在<2>的定义中S(X，Y)模值与I(X，Y)的模值相同。步骤2：
用平方复数图象的自相关运算来提取一阶附加相移。取平方复数图象的自相关运算所得平均相位的一半作为每个象元图象一阶附加相移的估计，例如对于X方向：ΔPx(y)＝1/2Arg〔∑(S(x，y)·S(x-1，y)*)〕<3>
其中Arg[·]是取相角运算。
在反转恢复图象上，＂正、＂负＂自旋在复数图象I(X，Y)上会形成相位间断点，而在平方后复数图象S(X，Y)上就自动变成了连续，避免了常用的一阶相移校正方法中(如Ahn和Cho提出的方法)用复数图象直接求相关运算需要确定和剔除相位间断点的问题，大大地简化了运算过程，加快了运算速度。由<3>所求相位ΔPx(y)即为原始复数图象I(X，Y)沿空间X方向的一阶附加相移。经一阶相移校正的复数图象Ic(x，y)为：
Ic(x，y)＝I(x，y)·exp(-i·x·ΔPx(y))    <4>
对于Y方向，可以用同样方法进行一阶相移校正，实现二维平面图象X和Y两个方向的一阶相移校正。步骤3：
为了能更好地校正与空间位置有关的相移将图象用网格分割为若干个子图象，以2n×2n的网格划分所需要的整幅图象为佳，如8×8的网格，对每个子图象进行初相位调整。具体做法可取一表征该子图象复数象元分布取向的参考矢量n，例如：
n＝exp{i(1/2)Arg[∑Ic(x，y)·Ic(x，y)]}    <5>
将子图象内所有复象元沿n方向投影(求内积)后的符号与该象元的模作为输出，完成子图象的初相位调整。经此初相位调整后可能产生子图象的对比度倒置，可利用图象在子图象边界处应有的连续性进行子图象的快速拼接。步骤4：
子图象的快速拼接包括对相邻子图象边界不连续性的处理与子图象拼接的迭代。图4中(1)是网格分割的8×8子图象，(2)是经过1次拼接后的子图象网格，此时子图象的面积扩大了4倍，(3)是经过2次拼接后的子图象网格，(4)是形成的整幅图象。即把每个上下左右相邻的4幅(2×2)子图象分为一组，在每组中，以相邻网格子图象边界象元之差的平方和取最小作为相邻网格子图象拼接的边界连续性条件，来确定各子图象的正负符号，这样可以校正经子图象初相位调整后可能出现的对比度倒置。把这组四幅子图象拼接成一个较大的子图象，依次对其余的子图象作同样处理和拼接，对所有子图象作处理后变成4×4子图象网格，如图4(2)示；再逐级重复这一处理过程，变成2×2子图象网格，如图4(3)示；最后再作一次处理拼接成整幅图象，如图4(4)示。这种处理方法可以快速实现图象拼接，较快地得到一幅完整的，可校正低阶和高阶相移的，有正确对比度的图象。

Claims (4)

1.本发明涉及磁共振成象图象重构方法中的一种相位误差校正处理方法，其特征在于：用二维付氏变换得到的原始磁共振复数图象的平方进行自相关运算，校正图象上与空间位置有关的—阶相移；再将图象用网格分割为若干个子图象，对每个子图象在子图象范围内进行初相位调整，并用子图象边界的连续性条件进行子图象拼接，实现对整幅图象的低阶和高阶相移的校正。
2.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于：对每个子图象进行的初相位调整是通过在子图象范围内选取一个参考矢量，将子图象范围内所有象元沿参考矢量投影后的符号与相应象元的模作为输出。
3.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于：相邻网格子图象边界象元之差的平方和取最小作为子图象拼接的边界连续性条件。
4.如权利要求1、2、3所述的处理方法，其特征在于，先将每个上下左右相邻的4幅(2×2)子图象分为一组，在每组中由相邻网格子图象边界连续性条件来确定各子图象的正负符号，按此对整幅图象作子图象边界连续的处理后，再把上述每个上下左右相邻的4幅(2×2)子图象拼接成为一个更大的子图象，依次逐级对所有网格子图象进行拼接，直到形成整幅图象。
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