CN112334786A - 用于螺旋采集的mr体模 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MR成像的方法。本发明的目的是提供一种生产成本较低并且实现对图像锐度的简单、实际且快速的评估(特别是用于检查利用螺旋采集的MR成像的图像质量)的体模。本发明的方法包括以下步骤：使体模(19)经受成像序列，所述体模包括填充有由液体围绕的大量固体材料颗粒的体积，从所述体模(19)采集MR信号，根据所采集的MR信号来重建MR图像，并且根据所述MR图像来导出两个或更多个不同图像区域中的局部图像锐度的度量，其中，每个图像区域是所述体模的体积的部分的表示。此外，本发明涉及一种MR设备(1)和一种用于MR成像的体模。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振(MR)成像的领域。其涉及一种对对象的MR成像的方法。本发明还涉及一种MR设备和一种要在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便形成二维或三维图像的图像形成MR方法现在广泛地被使用，尤其是在医学诊断的领域中，因为对于软组织的成像，它们在许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。
通常根据MR方法，对象(例如，待检查的患者的身体)被布置在强均匀磁场中，其方向同时定义测量结果所基于的坐标系的轴(通常是z轴)。取决于可以通过施加定义的频率(所谓的拉莫尔频率或MR频率)的电磁交变场(RF场)而激发(自旋共振)的磁场强度，磁场产生针对单独核自旋的不同能量级别。从宏观视角，单独的核自旋的分布产生可以通过施加适当的频率的电磁脉冲(RF脉冲)而从平衡状态当中偏转出来的总体磁化，使得磁化执行关于z轴的旋进运动。旋进运动描述了锥形的表面，其孔径角被称为翻转角。翻转角的幅度取决于施加的电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓的90°脉冲的情况下，自旋从z轴被偏转到横向平面(翻转角90°)。
在RF脉冲的终止之后，磁化弛豫回到原始平衡状态，其中，在z方向上的磁化再次利用第一时间常数T1建立(自旋点阵或纵向弛豫时间)，并且在垂直于z轴的方向上的磁化利用第二时间常数T2(自旋-自旋或横向弛豫时间)弛豫。磁化的变化可以借助于接收RF线圈来检测，该接收RF线圈以这样的方式布置并且取向在MR设备的检查体积内：磁化的变化在垂直于z轴的方向上被测量。在施加例如90°脉冲之后，横向磁化的衰减伴随有将(由局部磁场不均匀性引起的)核自旋从具有相同相位的有序状态转变到所有相位角均匀分布(失相)的状态。失相可以例如借助于再聚焦脉冲(例如180°脉冲)来补偿。这产生接收线圈中的回波信号(自旋回波)。
为了实现身体中的空间分辨率，沿着三个主轴延伸的恒定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相关性。在接收线圈中拾取的信号然后包含可以与身体中的不同位置相关联的不同频率的分量。经由接收线圈获得的信号数据对应于空间频率域并且被称为k空间数据。一组k空间数据借助于图像重建算法被转变为MR图像。
螺旋MR成像是用于k空间中的数据的采集的最高效的采样模式之一。此外，螺旋方案已经被示出为由于其固有的第一梯度力矩零值特性而针对流动效应是鲁棒的。因此，对于临床应用，诸如大脑、腹部和心脏的诊断成像，螺旋方案具有增加的兴趣。此外，实时应用具有兴趣，其尤其受益于具有每个新螺旋插页的k空间的中心部分的频繁更新。这允许动态研究中的快速对比度变化的跟踪。
然而，螺旋成像是硬件要求非常高的，并且要求的图像重建算法比通常用于在笛卡尔网格上采样的数据的图像重建的简单傅里叶变换更复杂。尽管螺旋方案比其他技术更高效地使用所使用的MR设备的可用磁场梯度系统，但是其对梯度系统缺陷和由主磁场不均匀性引起的非共振(其引起模糊并且在锐度方面显著地降低图像质量)敏感。如果螺旋图像将以可相当于由鲁棒的标准MR序列提供的高质量的质量获得，则图像退化的这些可能源必须考虑。
针对特定MR硬件环境中的螺旋MR成像序列的设计的操作性的验证以及临床实践中的图像质量的控制二者，存在实现对不同图像区域中的所得到的MR图像的锐度的评估的需求。
用于测量和校正由所使用的MR设备引起的不同类型的图像缺陷的已知方法是根据体模来采集和重建MR图像，该体模包括以预定图案被布置的适合的特征，使得建立MR图像中的相应特征的位置与其体模中的实际位置之间的对应关系。
然而，由于将要求评估给定螺旋成像序列的可操作性，因而在MR成像中常规使用的已知体模不能实现对不同图像区域中的图像锐度的评估。已知体模的体积是基本上非结构化的，使得除了其特定特征的边缘之外，不存在可用于评估图像锐度的区域。
美国专利US 5 336 999 D2公开了图像分辨率对横向自旋反转(TSI)EPI采集序列中的局部磁场不均匀性的敏感性的敏感性的评估的结果。
发明内容
从前述内容，容易认识到，需要一种改进的MR成像技术。本发明的目的是解决上文所提到的限制并且提供一种生产成本较低并且实现对图像锐度的简单、实际且快速的评估(特别是用于检查利用螺旋采集的MR成像中的图像质量)的体模。
根据本发明，提供一种MR成像的方法。所述方法包括以下步骤：
使体模经受成像序列，所述体模包括填充有由液体围绕的大量固体材料颗粒的体积，
从所述体模采集MR信号，
根据所采集的MR信号来重建MR图像，并且
根据所述MR图像来导出两个或更多个不同图像区域中的局部图像锐度的度量，其中，每个图像区域是所述体模体积的部分的表示。
根据本发明，采用被设计为在所有其体积中具有“结构”的体模。这使得能够评估体模体积内的每个位置处的图像锐度。从所述体模采集MR信号，并且从来自MR图像的(位于体模的体积内的)至少两个空间上不同的区域导出锐度度量。
所述体模通过利用由液体围绕的大量固体材料颗粒填充体积来实现。优选地，采集来自液体的MR信号，液体可以是在MR体模中常规使用的液体。所述颗粒优选地由不发射或仅发射非常低MR信号的材料形成。从K.W.Moser和J.G.Georgiadis的文章“Extractionand validation of correlation lengths from interstitial velocity fields usingdiffusion-weighted MRI”(MRI 22(2004)257-268(D1))，本身已知使用包括随机封装球体的水饱和床的封装床体模来调查扩散测量结果。
本发明的方法包括使所述体模经受根据所述体模来生成磁共振信号的(MR)成像序列。磁共振图像根据所采集的磁共振信号来重建。所述磁共振图像表示所述体模的内容，即，所述颗粒的组成的分布、大小和MR响应方面。由于所述颗粒的组成、大小和分布是预定的，所以所述磁共振图像可以被用于衡量与所述(MR)成像序列相关联的图像锐度和所述磁共振检查系统的空间(梯度)磁场分布。
而且，应注意到，任何(MR)成像序列或多或少对由于主磁场不均匀性的非共振效应和梯度磁场的偏差(诸如梯度非线性和梯度延迟)敏感。这样的非共振和梯度偏差使得沿着其采样k空间数据的实际轨迹不能精确地与放出所述(MR)成像序列并且根据其重建所述磁共振图像的指令一致。这些偏差原则上适用于任何类型的(MR)成像序列。应注意到，实际上沿着k空间的螺旋轨迹的采样对这些偏差特别敏感。因此，本发明特别地可用于评估用于这些螺旋类型(MR)成像序列的图像锐度。
在本发明的优选实施例中，所述颗粒的直径比所述MR图像的体素大小大两至五倍，优选地大三至四倍。所述体模的颗粒的优选大小涉及其锐度需要被检查的MR图像的分辨率。实际上，所述颗粒的直径应当比测试中的MR图像的体素大小大大约三至四倍，即，通常为3至4mm。然而，所述颗粒的确切大小不是非常关键的参数。
所述颗粒的大小也不是非常关键的。优选地，所述颗粒具有略圆的不规则形状(不完美球形)，使得所述颗粒不会倾向于形成堆叠(或晶体状)结构。在备选实施例中，也可以使用具有相等的大小或具有直径的窄分布的大量球形颗粒。具有被随机地封装在体模的体积内的颗粒是优选的。
在优选实施例中，所述颗粒的材料不包含对所述MR信号做出贡献的原子核，使得仅从所述颗粒周围的液体采集MR信号。基本上，如果来自所述颗粒的材料的对所述MR信号的贡献的横向弛豫时间显著地短于(优选地<1ms)来自周围液体的贡献的横向弛豫时间(优选地>100ms)。在这种情况下，可以抑制来自所述颗粒的MR信号贡献，例如，通过采集所述MR信号作为足够长回波时间处的回波信号。然而，来自所述颗粒的对所述MR信号的贡献对于根据本发明的评估局部图像锐度不是关键的，只要确保来自所述颗粒的对总体MR信号的相对贡献不是主导的(小于50％)。
所述颗粒的材料的顺磁磁化率应当基本上等于周围液体的顺磁磁化率以便避免所述颗粒与所述周围液体之间的边界处的磁场失真。这样的场失真可能损坏图像锐度的评估。如果所述周围液体是水，则所述颗粒的材料的磁化率因此应当接近于χ＝9·10-6。此外，所述周围液体应当没有溶解的气体以便防止气泡的形成，其还可能引起局部场失真。因此，排气流程在其使用在体模中之前应当理想地被应用于周围液体。
以上要求通过选择用于颗粒的塑性材料来实现，所述塑性材料优选地是(高密度)聚乙烯(PE)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，而周围液体是具有溶解在其中的离子(优选地是铜、镍或锰离子)的水。这样的液体通常被使用在体模中。所述离子浓度可以被改变以最佳地调谐横向弛豫时间和纵向弛豫时间。碳水化合物(优选地是矿物油)也可以被用作周围液体。作为颗粒的材料的PMMA尤其非常适合与水组合，而PE非常适合与作为周围液体的矿物油组合。
根据本发明的又一优选实施例，所述体模体积具有球形形状。所述体模的球形形状使体模体积内的主磁场的失真最小化。在实际实施例中，使用适合材料(例如，塑料)的球形容器，其封闭密集封装的大量颗粒并且其填充有周围液体。
在本发明的优选实施例中，所述成像序列包括至少一个RF激发脉冲和调制磁场梯度，其中，所述MR信号沿着至少一个螺旋k空间轨迹而被采集。本发明的方法尤其非常适合于结合螺旋采集方案评估图像锐度。图像分辨率应当是基本上各向同性的。
根据本发明的备选实施例，所述成像序列包括许多RF激发脉冲和在不同方向上施加的许多磁场梯度，其中，所述MR信号沿着许多径向k空间轨迹而被采集。本发明的方法还非常适合于结合径向采集方案评估图像锐度。螺旋采集方案和径向采集方案具有的共同之处在于径向k空间位置随着时间单调增加(或减小)。通常，本发明的方法可以结合具有长读出时间(>10ms)的任何成像序列而被有用地应用。
优选地，幅值MR图像(在没有相位信息的情况下)根据所采集的MR信号来重建，其中，所述局部图像锐度的度量通过计算针对所述图像区域中的每个图像区域的像素值的平均像素值和标准偏差并且通过计算针对所述图像区域中的每个图像区域的标准偏差与平均像素值的比率来导出。相应图像区域的大小应当被选择为使得其包含优选地超过100、最优选地超过1000个体素以便具有足够的统计准确度。所述标准偏差与所述平均体素值的比率然后被认为是针对相应图像区域的中心处的局部图像锐度的度量。
迄今所描述的本发明的方法可以借助于一种MR设备来执行，所述MR设备被布置为执行以下步骤：
使体模(19)经受成像序列，
从所述体模(19)采集MR信号，
根据所采集的MR信号来重建MR图像，并且
根据所述MR图像来导出两个或更多个不同图像区域中的局部图像锐度的度量，其中，每个图像区域是所述体模体积的部分的表示。为了在所述MR设备中实施本发明，使MR设备被配置为采集磁共振信号并且(具有)根据所述磁共振信号重建的磁共振图像是足够的。所述重建可以被并入MR设备中或者可以被远程地(例如，在云中)完成。在当前实践中这样的MR设备包括：至少一个主磁体线圈，其用于生成检查体积内的均匀静态磁场；许多梯度线圈，其用于在所述检查体积内生成在不同空间方向上的切换的磁场梯度；至少一个RF线圈，其用于生成所述检查体积内的RF脉冲和/或用于接收来自体模的MR信号，所述体模包括填充有由位于所述检查体积中的液体围绕的大量固体材料颗粒的体积；控制单元，其用于控制时间连续的RF脉冲和切换的磁场梯度；以及重建单元，其用于根据接收到的MR信号来重建MR图像。本发明的方法可以通过MR设备的重建单元和/或控制单元的对应的编程来实施。
本发明的方法可以有利地在目前临床使用中的大多数MR设备上执行。为此目的，仅需要提供上文描述的类型的体模并且利用MR设备被控制使得其执行本发明的上文解释的方法步骤的计算机程序。所述计算机程序可以存在于数据载体上或存在于数据网络中以便被下载以用于安装在所述MR设备的控制单元中。
本发明的另一主题是一种用于MR成像的体模。如上文所解释的，所述体模包括填充有由液体围绕的大量固体材料颗粒的体积。根据本发明，所述体模实现来自以下列表的特性中的一个或(如果技术上可行)多个：
所述颗粒被随机地密集地封装在所述体模的体积中，
所述颗粒具有略圆的不规则形状，
所述颗粒是球形的并且具有相等的大小，
所述颗粒的材料被选择为使得其不包含产生在给定磁场强度处的MR信号的原子核，
所述颗粒的材料被选择为使得由所述颗粒的材料产生的MR信号的横向弛豫时间显著地短于由周围液体产生的MR信号的横向弛豫时间，
所述体模的体积具有球形形状，
所述颗粒的材料是塑料，优选地是聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，
所述周围液体是具有溶解在其中的离子的水、或碳水化合物，所述离子优选地是铜、镍或锰离子，所述碳水化合物优选地是矿物油，
所述颗粒的材料的顺磁磁化率基本上等于所述周围液体的顺磁磁化率，
所述周围液体没有溶解的气体。
附图说明
所公开的附图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，附图仅被设计用于图示的目的而非作为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示意性地图示了使用在本发明的方法中的体模的设计。
具体实施方式
参考图1，示意性地示出了MR设备1。设备包括超导或电阻主磁体线圈2，使得基本上均匀的时间恒定主磁场沿着通过检查体积的z轴产生。
磁共振生成和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发核磁自旋，诱发磁共振，使磁共振重新聚焦，操纵磁共振，空间上并且以其他方式对磁共振进行编码、使自旋饱和等以执行MR成像。
更特别地，梯度脉冲放大器3沿着检查体积的x、y和z轴将电流脉冲应用到全身梯度线圈4、5和6的所选择的全身梯度线圈。数字RF频率发射器7经由发送/接收开关8将RF脉冲或脉冲分组发射到全身体积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脉冲分段的分组，其连同彼此和任何施加的磁场梯度一起实现核磁共振的所选择的操纵。RF脉冲被用于使共振饱和、激发共振、使磁化反转、使共振重新聚集、或操纵共振并且选择位于检查体积中的身体10的部分。MR信号还由全身体积RF线圈9采集。
对于身体10的有限区域的MR图像的生成，一组局部阵列RF线圈11、12、13邻近被选择用于成像的区域放置。阵列线圈11、12、13可以被用于接收由身体线圈RF发射诱发的MR信号。
所得到的MR信号由全身体积RF线圈9和/或由阵列RF线圈11、12、13拾取并且由优选地包括前置放大器(未示出)的接收器14解调。接收器14经由发送/接收开关8连接到RF线圈9、11、12和13。
主计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射器7以生成多个MR成像序列中的任一个，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(TSE)成像等，以根据本发明采集MR信号。对于所选择的序列，接收器14在每个RF激发脉冲之后快速连续地接收沿着相应k空间轨迹的单个或多个MR数据。数据采集系统16执行对接收到的信号的模拟数字转换并且将每个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是专用于原始图像数据的采集的单独的计算机。
最终，数字原始图像数据通过应用傅里叶变换或其他适当的重建算法的重建处理器17而被重建为图像表示。MR图像可以表示通过患者的平面切片、平行平面切片的阵列、三维体积等。图像然后被存储在图像存储器中，其中，该图像可以被访问用于将图像表示的切片、投影或其他部分转变为适当的格式以用于例如经由提供所得到的MR图像的人类可读的显示器的视频监视器18可视化。
在本发明的方法中，患者的身体10由如下文更详细地描述的体模19替换。例如，通过主计算机15和重建处理器17的适当的编程，MR设备1被布置为执行如上文中和下文中所描述的本发明的成像方法。
继续参考图1并且进一步参考图2，解释本发明的成像方法的实施例。
图2以剖视图示意性地示出了在本发明的方法中使用的体模19的设计。体模19具有球形形状。体模19包括填充有大量球形固体材料颗粒的体积。颗粒中的一些由图2中的附图标记20指定。包含颗粒的体积填充有液体。体积由适合材料(诸如，例如，塑料)的液密容器21封闭。容器21的壁厚度必须足以给出体模19稳定性。每当其对于分析图像锐度来说有必要时，体模19可以被放置在MR设备1的检查体积中。
由颗粒20提供的结构使得能够评估体模体积内的每个位置处的图像锐度。颗粒20的直径比其锐度将被评估的MR图像的体素大小大三至四倍。颗粒20具有球形形状并且基本上被随机地封装在体模体积内。
颗粒20的材料是PMMA。该材料的横向弛豫时间小于1ms。因此，来自颗粒20的对从体模19采集的总体MR信号的MR信号贡献将是可以忽略的。
围绕颗粒20的液体是具有溶解在其中的铜离子的水。这样的液体通常被使用在体模中。离子浓度被选取以为相应成像序列提供最佳横向和纵向弛豫时间值。PMMA的顺磁磁化率非常类似于水的顺磁磁化率，使得避免颗粒20的边界处的磁化率伪影。
根据本发明，体模19经受成像序列，所述成像序列包括至少一个RF激发脉冲和调制磁场梯度，其中，MR信号沿着来自体模19的至少一个螺旋k空间轨迹而被采集。
为了结合螺旋采集评估图像锐度，幅值MR图像根据所采集的MR信号来重建，其中，局部图像锐度的度量通过计算针对许多不同图像区域(其中的每个被完全包含在体模体积内)中的每个图像区域中的体素的体素值的平均体素值和标准偏差来导出。标准偏差与平均像素值的比率提供针对相应图像区域的中心的图像锐度的度量。
结合所描述的成像方法和特定锐度度量的计算的所提出的体模实现对整个视场上的图像锐度的非常容易、鲁棒且快速的评估(取决于体模体积的大小)。
Claims (16)
1.一种MR成像的方法，具有以下步骤：
使体模(19)经受成像序列，所述体模包括填充有由液体围绕的大量固体材料颗粒(20)的体积，
从所述体模(19)采集MR信号，
根据所采集的MR信号来重建MR图像，并且
根据所述MR图像来导出两个或更多个不同图像区域中的局部图像锐度的度量，其中，每个图像区域是所述体模体积的部分的表示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒(20)的直径比所述MR图像的体素大小大两至五倍，优选地大三至四倍。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述颗粒(20)是球形的并且具有基本上相等的大小。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述颗粒(20)被随机地封装在所述体模体积中。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述颗粒(20)的材料不包含对所述MR信号做出贡献的原子核。
6.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，来自所述颗粒(20)的材料的对所述MR信号的贡献的横向弛豫时间显著地短于来自周围液体的对所述MR信号的贡献的横向弛豫时间。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中，所述颗粒(20)的材料的顺磁磁化率基本上等于周围液体的顺磁磁化率。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其中，所述体模体积具有球形形状。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的方法，其中，周围液体没有溶解的气体。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的方法，其中，所述颗粒的材料是塑料，优选地是聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的方法，其中，周围液体是以下项中的任一项：
具有溶解在其中的离子的水，所述离子优选地是铜、镍或锰离子，
碳水化合物，优选地是矿物油。
12.根据权利要求1-11中的任一项所述的方法，其中，所述成像序列包括至少一个RF激发脉冲和调制磁场梯度，其中，所述MR信号沿着至少一个螺旋k空间轨迹而被采集。
13.根据权利要求1-11中的任一项所述的方法，其中，所述成像序列包括许多RF激发脉冲和在不同方向上施加的许多磁场梯度，其中，所述MR信号沿着许多径向k空间轨迹而被采集。
14.根据权利要求1-13中的任一项所述的方法，其中，所述局部图像锐度的所述度量通过计算针对所述图像区域中的每个图像区域的体素值的平均体素值和标准偏差并且通过计算针对所述图像区域中的每个图像区域的所述标准偏差与所述平均体素值的比率来导出。
15.一种MR设备，被布置为执行以下步骤：
使体模(19)经受成像序列，
从所述体模(19)采集MR信号，
根据所采集的MR信号来重建MR图像，并且
根据所述MR图像来导出两个或更多个不同图像区域中的局部图像锐度的度量，其中，每个图像区域是所述体模体积的部分的表示。
16.一种用于MR成像的体模，包括填充有由液体围绕的大量固体材料颗粒的体积，其中，所述体模(19)实现来自以下列表的特性中的一个或多个：
所述颗粒被随机地密集地封装在所述体模的体积中，
所述颗粒具有略圆的不规则形状，
所述颗粒是球形的并且具有相等的大小，
所述颗粒的材料被选择为使得其不包含产生在给定磁场强度处的MR信号的原子核，
所述颗粒的材料被选择为使得由所述颗粒的材料产生的所述MR信号的横向弛豫时间显著地短于由周围液体产生的MR信号的横向弛豫时间，
所述体模的体积具有球形形状，
所述颗粒的材料是塑料，优选地是聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，
所述周围液体是具有溶解在其中的离子的水、或碳水化合物，所述离子优选地是铜、镍或锰离子，所述碳水化合物优选地是矿物油，
所述颗粒的材料的顺磁磁化率基本上等于所述周围液体的顺磁磁化率，
所述周围液体没有溶解的气体。
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