CN113661404B - 使用模拟磁共振图像对磁共振图像的校正 - Google Patents

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Abstract

所公开的是一种医学成像系统(100、300)。机器可执行指令(120)的运行使处理器(104)：接收(200)描述对象(318)的第一感兴趣区域(307)的测量出的磁共振成像数据(122)；接收(202)B0图(124)、T1图(126)、T2图(128)以及磁化图(130)，每个都描述所述对象的第二感兴趣区域(309)；接收(204)脉冲序列命令(132)；使用至少B0图、T1图、T2图、磁化图、以及脉冲序列命令作为Bloch方程模型(134)的输入来计算模拟磁共振图像(136)；并且通过求解逆问题，根据用于重叠的感兴趣区域的所述测量出的磁共振成像数据来重建(208)经校正的磁共振图像。所述逆问题包括成本函数和由所述模拟磁共振图像形成的正则化项的优化。

Description

使用模拟磁共振图像对磁共振图像的校正
技术领域
本发明涉及磁共振成像，具体地涉及用于磁共振成像的图像重建。
背景技术
通过磁共振成像(MRI)扫描器使用大的静态磁场来对齐原子的核自旋，作为用于产生患者身体内的图像的过程的一部分。这个大的静态磁场被称为B0场或主磁场。通过应用时间相关的磁场梯度和射频(RF)脉冲，能够使用MRI在空间上测量对象的各种量或属性。然而，根据具体的成像协议，在重建后的图像中可能存在各种失真或伪影。
美国专利申请公开US20050270024A1公开了一种并行磁共振成像重建中的并行成像重建方法。通过单独的RF接收器线圈的阵列来并行采集磁共振数据。提出一种基于Tikhonov正则化的重建方法，以减少由于来自阵列线圈元件的空间信息中的几何相关性而引起的SNR损失。为了减少重建所谓的“g因子”的噪声放大，利用参考扫描作为最终重建图像的先验信息，以为使用L-曲线技术的重建提供正则化估计。
发明内容
本发明在独立权利要求中提供了医学成像系统、计算机程序产品和方法。在从属权利要求中给出了实施例。
当磁共振图像中存在失真或伪影时，存在能够用于消除或减少失真或伪影的多种方法。实施例通过将用于测量出的磁共振成像数据的图像重建或图像校正公式化为逆问题(优化问题)来解决该问题。逆问题具有取决于从模拟磁共振图像中获取的值的成本函数。
使用B0图、以及横向弛豫图和纵向弛豫图中的至少一种(优选使用T1图、T2图二者和/或T2*图)、磁化图和脉冲序列命令作为Bloch方程模型或求解器的输入来计算模拟磁共振图像。看来能够使用B0图和横向或纵向弛豫图之一导出模拟磁共振图像。横向弛豫图可以包括T2图和/或T2*图。纵向弛豫图包括T1图。在图像信息由短回波时间上的磁共振成像数据支配的情况下，横向弛豫则可以被忽略。另一方面，当图像信息由非常长的重复时间的贡献支配时，则纵向恢复以及因此的纵向松弛可以被忽略。脉冲序列命令可以是与用于采集测量出的磁共振成像数据的相同脉冲序列命令。这意味着针对模拟磁共振图像和从测量出的磁共振成像数据重建的图像的对比度应该大致相同。本发明的见解是，能够基于B0图以及纵向弛豫图和横向弛豫图中的至少一个来计算在优化问题中用作参考的模拟磁共振图像。模拟磁共振图像也可以没有在测量出的磁共振成像数据中存在的伪影或失真。模拟磁共振图像的使用因此可以提供改进的图像重建或校正。B0图、T1图、T2图和磁化图可以来自各种来源，然而，提供这些值的一种便捷的方式是经由使用磁共振成像指纹识别的扫描。
在一个方面中，本发明提供一种医学成像系统。所述医学成像系统包括用于存储机器可执行指令的存储器和用于控制医学成像系统的处理器。机器可执行指令的执行使处理器接收描述对象的第一感兴趣区域的测量出的磁共振成像数据。测量出的磁共振成像数据可以例如在图像或k空间中。机器可执行指令的执行还使处理器接收B0图、T1图、T2图和磁化图，其均描述对象的第二感兴趣区域。对象的第一感兴趣区域和对象的第二感兴趣区域二者包括重叠的感兴趣区域。
机器可执行指令的执行还使处理器接收脉冲序列命令，所述脉冲序列命令被配置用于控制磁共振成像系统采集测量出的磁共振成像数据。机器可执行指令的执行还使处理器使用至少B0图、T1图、T2图、磁化图和脉冲序列命令作为对Bloch方程模型的输入来计算重叠的感兴趣区域的模拟磁共振图像。Bloch方程模型可以例如用于模拟磁共振成像数据的采集。
机器可执行指令的执行还使处理器通过求解逆问题根据针对重叠的感兴趣区域的测量出的磁共振成像数据来重建经校正的磁共振图像。逆问题包括对由模拟磁共振图像形成的成本函数和正则化项的优化。在某些情况下，成本函数和正则化项将在图像空间中公式化。在其他范例中，成本函数和正则化项是在k空间中公式化的。
本文中所使用的医学成像系统包括用于执行图像处理和各种数学计算的计算机或处理系统。医学成像系统还可以包括用于采集测量出的磁共振成像数据的其他组件。
在一些范例中，第一感兴趣区域和第二感兴趣区域可能是相同的。
在另一实施例中，横向弛豫图包括T2图和/或T2*图。
在另一实施例中，正则化项是Tikhonov正则化，Tikhonov正则化包括针对重叠的感兴趣区域的每个体素，根据经校正的磁共振成像数据计算的第一图像幅度除以根据模拟磁共振图像计算的第二图像幅度的估计。这种实施例可以是有益的，因为它可以提供在各种情况下构造经校正的磁共振图像的通用手段。
在另一实施例中，逆问题是回波平面成像几何结构重建。
在另一实施例中，成本函数包括失真算子乘以经校正的磁共振成像数据与测量出的磁共振图像之间的差的欧几里得范数。该实施例能够改述为：在另一实施例中，成本函数包括失真算子乘以经校正的磁共振成像数据减去测量出的磁共振图像的欧几里得范数。该实施例还能够改述为：在另一实施例中，成本函数包括测量出的磁共振图像减去失真算子乘以经校正的磁共振成像数据的欧几里得范数。
在另一实施例中，成本函数包括失真算子乘以经校正的磁共振成像数据与测量出的磁共振图像之间的差的欧几里得范数。该实施例能够改述为：在另一实施例中，成本函数包括失真算子乘以经校正的磁共振成像数据减去测量出的磁共振图像的欧几里得范数。该实施例能够改述为：在另一实施例中，成本函数包括测量出的磁共振图像减去失真算子乘以经校正的磁共振成像数据的欧几里得范数。该操作可以在每个体素的基础上执行。
在另一实施例中，逆问题是并行成像展开。该实施例可以是有益的，因为它可以提供并行图像磁共振图像的展开的通用手段。在一个范例中，并行图像展开是SENSE展开。
在另一实施例中，成本函数包括折叠算子乘以线圈灵敏度图乘以经校正的磁共振图像与测量出的磁共振图像之间的差的欧几里得范数。该实施例能够改述为：在另一实施例中，成本函数包括折叠算子乘以线圈灵敏度图乘以经校正的磁共振图像减去测量出的磁共振图像的欧几里得范数。该实施例能够改述为：在另一实施例中，成本函数包括折叠算子乘以线圈灵敏度图乘以经校正的磁共振图像减去测量出的磁共振图像的欧几里得范数。这可以例如使用基于每个体素的值来执行。这可以提供进行并行图像展开的通用手段。
在另一实施例中，逆问题是与基于并行成像的重建相结合的压缩感测。
在另一实施例中，成本函数包括欠采样傅立叶变换x线圈灵敏度图x经校正的磁共振图像－测量出的磁共振图像的欧几里得范数。该实施例可以是有益的，因为它可以提供一种公式化用于压缩感测和基于并行成像的重建的逆问题的手段。
在另一实施例中，B0图、T1图、T2图和磁化图具有第一分辨率。磁共振成像具有第二分辨率。第一分辨率低于第二分辨率。该实施例可以是有益的，因为B0图、T1图、T2图和磁化图的非常粗略的值在公式化成本函数中可以是有用的。
在另一实施例中，机器可执行指令的执行还使处理器执行B0图、T1图、T2图和磁化图的多平面重新格式化，以在计算模拟磁共振图像之前与测量出的磁共振成像数据进行几何匹配。在图像空间中，这可以是对体素的各种值进行插值。在k空间中，这可以包括将其重新采样为与测量出的磁共振成像数据中的相同的采样模式。
在另一实施例中，机器可执行指令的执行还使处理器接收根据磁共振指纹识别协议采集的磁共振指纹数据。磁共振指纹数据描述第二感兴趣区域。机器可执行指令的执行还使处理器根据磁共振成像协议使用磁共振指纹识别字典根据磁共振指纹识别磁共振成像数据来重建B0图、T1图、T2图和磁化图中的至少一个。
该实施例可以是有益的，由于B0图、T1图、T2图和磁化图都可以使用磁共振指纹识别相对快速地计算。所有的各种图都可以使用磁共振指纹识别来重建，但是某些图可以从其他来源或成像协议获得。
在另一实施例中，机器可执行指令的执行还使处理器根据磁共振成像协议接收磁共振成像数据。磁共振成像数据描述第一感兴趣区域。机器可执行指令的执行还使处理器根据磁共振成像数据重建磁共振图像。在某些情况下，测量出的磁共振成像数据直接用于成本函数。在其他范例中，替代地使用测量出的磁共振图像。
在另一实施例中，所述医学成像系统还包括磁共振成像系统。所述存储器还包含被配置用于采集磁共振成像数据的磁共振成像脉冲序列命令。所述存储器还包含磁共振指纹识别脉冲序列命令，其被配置用于根据磁共振指纹识别协议采集磁共振指纹数据。机器可执行指令的运行使处理器利用磁共振指纹识别脉冲序列命令控制磁共振成像系统采集磁共振指纹数据。机器可执行指令的运行使处理器利用磁共振成像脉冲序列命令控制磁共振成像系统采集测量出的磁共振成像数据。
在另一方面中，本发明提供一种计算机程序产品，其包括由控制医学成像系统的处理器运行的机器可执行指令。机器可执行指令的运行使处理器接收描述对象的第一感兴趣区域的测量出的磁共振成像数据。机器可执行指令的运行还使处理器接收均描述对象的第二感兴趣区域B0图、T1图、T2图和磁化图。对象的第一感兴趣区域和对象的第二感兴趣区域二者包括重叠的感兴趣区域。机器可执行指令的运行还使处理器接收被配置用于控制磁共振成像系统采集磁共振成像数据的脉冲序列命令。
机器可执行指令的运行还使处理器至少使用B0图、T1图、T2图、磁化图和脉冲序列命令作为到Bloch方程模型的输入来计算重叠的感兴趣区域的模拟磁共振图像。机器可执行指令的运行还使处理器通过求解逆问题针对重叠的感兴趣区域根据测量出的磁共振成像数据来重建经校正的磁共振图像。逆问题包括对由模拟磁共振图像形成的成本函数和正则化项的优化。前面已经讨论了这样做的优点。
在另一方面中，本发明还提供一种操作医学成像系统的方法。所述方法包括接收描述对象的第一感兴趣区域的测量出的磁共振成像数据。方法还包括接收均描述对象的第二感兴趣区域的B0图、T1图、T2图和磁化图，。对象的第一感兴趣区域和对象的第二感兴趣区域二者包括重叠的感兴趣区域。所述方法还包括接收被配置用于控制磁共振成像系统采集磁共振成像数据的脉冲序列命令。
所述方法还包括至少使用B0图、T1图、T2图、磁化图和脉冲序列命令作为到Bloch方程模型的输入来计算重叠的感兴趣区域的模拟磁共振图像。所述方法还包括通过求解逆问题针对重叠的感兴趣区域根据测量出的磁共振成像数据来重建经校正的磁共振图像。逆问题包括对由模拟磁共振图像形成的成本函数和正则化项的优化。前面已经讨论了这样做的优点。
应当理解，本发明的前述实施例中的一个或多个可以组合，只要组合的实施例不相互排斥。
如本领域技术人员将理解的，本发明的各方面可以体现为装置、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各方面可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式，这些方面通常在本文中都可以被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明的各方面可以采用实施在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，所述计算机可读介质具有实施在其上的计算机可执行代码。
可以利用一种或多种计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。本文所使用的“计算机可读存储介质”包括可以存储可由计算设备的处理器执行的指令的任何有形存储介质。计算机可读存储介质可以被称为计算机可读非暂时性存储介质。计算机可读存储介质也可以称为有形计算机可读介质。在一些实施例中，计算机可读存储介质还能够存储能够被计算设备的处理器访问的数据。计算机可读存储介质的范例包括但不限于：软盘、磁性硬盘驱动器、固态硬盘、闪存、USB拇指驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、磁光盘和处理器的寄存器文件。光盘的范例包括压缩盘(CD)和数字多功能盘(DVD)(例如CD-ROM、CD-RW、CD-R、DVD-ROM、DVD-RW)或DVD-R盘。术语计算机可读存储介质还指能够由计算机设备经由网络或通信链路访问的各种类型的记录介质。例如，可以通过调制解调器、互联网或局域网检索数据。实施在计算机可读介质上的计算机可执行代码可以使用任何合适的介质来传输，包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等，或者前述的任何合适的组合。
计算机可读信号介质可以包括传播的数据信号，其具体实施在其中的计算机可执行代码，例如，在基带中或作为载波的一部分。这种传播的信号可以采用多种形式中的任何一种，包括但不限于电磁的、光学的或其任何合适的组合。计算机可读信号介质可以是并非计算机可读存储介质但是能够通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的任何计算机可读介质。
“计算机内存”或“内存”是计算机可读存储介质的一个范例。计算机内存是处理器可直接访问的任何存储器。“计算机存储器”或“存储器”是计算机可读存储介质的其他范例。计算机存储器是任何非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，计算机存储器也可以是计算机内存，反之亦然。
本文中所使用的“处理器”包括能够执行程序或机器可执行指令或计算机可执行代码的电子组件。对包括“处理器”的计算设备的引用应该被解释为可能包含一个以上的处理器或处理核心。处理器可以例如是多核处理器。处理器还可以指单个计算机系统内或分布在多个计算机系统中的处理器的集合。术语计算设备还应当被解释为可能是每个都设备包括一个或多个处理器的计算设备的集合或网络。计算机可执行代码可以由多个处理器执行，所述多个处理器可以在同一计算设备内或者甚至可以分布在多个计算设备上。
计算机可执行代码可以包括使处理器执行本发明的方面的机器可执行指令或程序。用于执行本发明各方面操作的计算机可执行代码可以用一种或多种编程语言的任意组合编写并编译成机器可执行指令，所述编程语言包括面向对象的编程语言(如Java、Smalltalk、C++等)和传统的过程编程语言(如“C”编程语言或类似的编程语言)。在一些情况下，计算机可执行代码可以是高级语言的形式或预编译的形式，并且与即时生成机器可执行指令的解释器结合使用。
计算机可执行代码可以完全在用户计算机上、部分在用户计算机上、作为独立软件包、部分在用户计算机上部分在远程计算机上或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机(例如，通过使用因特网服务提供商的因特网)。
参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或框图描述了本发明的方面。应当理解，流程图、图示和/或框图的每个块或块的一部分在适用时能够以计算机可执行代码的形式由计算机程序指令来实施。还应当理解，当不相互排斥时，可以组合不同流程图、图示和/或框图中的块的组合。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，以生产机器，使得经由计算机的处理器或其他可编程数据处理装置执行的指令创建用于实施流程图和/或框图的块中指定的功能/动作的手段。
这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，所述计算机可读介质能够指导计算机、其他可编程数据处理装置其他设备以具体的方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实施流程图和/或框图的块中指定的功能/动作的指令的制品。
计算机程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的一系列操作步骤产生计算机实现的过程，从而使在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框图的块中指定的功能/动作的过程。
本文中所使用的“用户接口”是允许用户或操作者与计算机或计算机系统交互的接口。“用户接口”也可以称为“人机接口设备”。用户接口可以向操作者提供信息或数据和/或从操作者接收信息或数据。用户接口可以使来自操作者的输入能够被计算机接收并且可以从计算机向用户提供输出。换言之，用户接口可以允许操作者控制或操纵计算机，并且该接口可以允许计算机指示操作者的控制或操纵的效果。在显示器或图形用户接口上显示数据或信息是向操作者提供信息的范例。通过键盘、鼠标、轨迹球、触摸板、指点杆、图形输入板、操纵杆、游戏手柄、网络摄像头、耳机、踏板、有线手套、遥控器和加速度计接收数据都是能够从操作者接收信息或数据的用户接口组件的范例。
本文中所使用的“硬件接口”包括使计算机系统的处理器能够与外部计算设备和/或装置交互和/或控制外部计算设备和/或装置的接口。硬件接口可以允许处理器向外部计算设备和/或装置发送控制信号或指令。硬件接口还可以使处理器能够与外部计算设备和/或装置交换数据。硬件接口的范例包括但不限于：通用串行总线、IEEE 1394端口、并行端口、IEEE 1284端口、串行端口、RS-232端口、IEEE-488端口、蓝牙连接、无线局域网连接、TCP/IP连接、以太网连接、控制电压接口、MIDI接口、模拟输入接口和数字输入接口。
本文中所使用的“显示器”或“显示设备”包括适用于显示图像或数据的输出设备或用户接口。显示器可以输出视觉的、音频的和/或触觉的数据。显示器的范例包括但不限于：计算机显示器、电视屏幕、触摸屏、触觉电子显示器、盲文屏幕、阴极射线管(CRT)、存储管、双稳态显示器、电子纸、矢量显示器、平板显示器、真空荧光显示器(VF)、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子显示面板(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)、投影仪和头戴式显示器。
磁共振(MR)数据或磁共振成像数据在本文中被定义为在磁共振成像扫描期间使用磁共振装置的天线通过原子自旋发射的射频信号的记录测量值。磁共振指纹(MRF)数据是磁共振数据的范例。磁共振数据是医学图像数据的范例。磁共振成像(MRI)图像或MR图像在本文中被定义为包含在磁共振成像数据内的解剖数据的重建后的二维或三维可视化。这种可视化能够使用计算机来执行。
附图说明
在下文中，将仅通过范例的方式并参考附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出了医学成像系统的范例；
图2示出了说明使用图1的医学成像系统的方法的流程图；
图3说明了医学成像系统的另一个范例；
图4示出了说明使用图3的医学成像系统的方法的流程图；
图5示出了失真的EPI磁共振图像；
图6示出了图5的经校正的版本；
图7示出了另一个图5的经校正的版本；
图8示出了另一个图5的经校正的版本；
图9示出了用于图7的重建的正则化图像；以及
图10示出了用于图8的重建的正则化图像。
具体实施方式
这些图中相同编号的元件是等效元件或执行相同功能。如果功能是等效的，则先前已经讨论过的元件将不必在后面的图中讨论。
图1示出了医学成像系统100的范例。图1中描述的医学成像系统100包括计算机102。计算机包括处理器104。处理器104旨在代表一个或多个处理器或处理核心。处理器104也可以分布在多个计算机系统102之间。存在被连接到处理器104的硬件接口106。硬件接口106可以例如用于形成与其他计算机系统的网络连接、控制医学成像系统100的其他部件、或与其他设备通过接口连接。还存在也被连接到处理器104的用户接口108。还存在被连接到处理器104的存储器110。存储器110可以是处理器104可访问的存储器的任何组合。这可以包括如主存储器、高速缓存存储器以及诸如闪存RAM、硬盘驱动器或其他存储设备之类的非易失性存储器之类的东西。在一些范例中，存储器110可以被认为是非暂时性计算机可读介质。
存储器110被示出为包含机器可执行指令120。机器可执行指令120使处理器能够经由硬件接口106控制医学成像系统100的其他组件。另外，机器可执行指令120可允许处理器104执行各种数据处理及图像处理计算和技术。存储器110还被示出为包含测量出的磁共振成像数据122。存储器110还被示出为包含B0图124、T1图126、T2图128和磁化图130。这些不同的图124、126、128、130可以来自磁共振指纹识别采集。
存储器110还被示出为包含Bloch方程模型134。Bloch方程模型134实现磁共振成像数据的模拟采集。存储器110被示出为包含模拟磁共振图像136。Bloch方程模型134可以例如用于计算未描述的模拟磁共振成像数据。
存储器110还被示出为包含根据测量出的磁共振成像数据122重建的经校正的磁共振图像138。这使用模拟磁共振图像136来执行，以形成在成本函数中使用的正则化项。然后使用优化来重建经校正的磁共振图像138。
图2示出了说明操作图1的医学成像系统100的方法的流程图。首先在步骤200中，接收测量出的磁共振成像数据122。测量出的磁共振成像数据描述对象的第一感兴趣区域。接下来在步骤202中，接收B0图124、T1图126、T2图128和磁化图130。这些图每个都描述对象的第二个感兴趣区域。第一感兴趣区域和第二感兴趣区域包括存在于第一感兴趣区域和第二感兴趣区域两者中的重叠的感兴趣区域。
然后在步骤204中，接收脉冲序列命令132。脉冲序列命令132可以是用于控制磁共振成像系统采集测量出的磁共振成像数据122的脉冲序列命令132。接下来在步骤206中，使用Bloch方程模型134来计算模拟磁共振图像136。B0图124、T1图126、T2图128、磁化图130和脉冲序列命令132用作Bloch方程模型134的输入。最后，在步骤208中，通过求解逆问题，根据针对重叠的感兴趣区域的测量出的磁共振成像数据122来重建经校正的磁共振图像138。逆问题包括对由模拟磁共振图像形成的成本函数和正则化项的优化。成本函数和正则化项二者都可以在图像空间或k空间中公式化。
图3示出了医学成像系统300的另一范例。医学成像系统300类似于图1中的医学成像系统100，不同之处在于该系统另外包括磁共振成像系统302。
磁体304是具有穿过它的膛306的超导圆柱形磁体。也可以使用不同类型的磁体；例如，也能够使用分离式圆柱形磁体和所谓的开放式磁体二者。分离式圆柱形磁体类似于标准圆柱形磁体，不同之处在于低温恒温器被分成两个部分以允许接近磁体的等平面，这样的磁体可以例如与带电粒子束疗法结合使用。开放式磁体具有两个磁体部分，一个在另一个上面，中间有足够大的空间来接收对象：这两个部分区域的布置类似于Helmholtz线圈。开放式磁体很受欢迎，因为对象受限制较少。在圆柱形磁体的低温恒温器内部，存在一组超导线圈。在圆柱形磁体304的膛306内，存在磁场足够强且均匀以执行磁共振成像的成像区308。第一感兴趣区域308和第二感兴趣区域309示出在成像区308内。两者之间的重叠的感兴趣区域被标记为311。在这种情况下，感兴趣区域307和311是相同的。对象318被示为由对象支架320支撑，使得对象318的至少一部分在成像区308和感兴趣区域309内。
在磁体的膛306内还存在一组磁场梯度线圈310，其用于采集初步磁共振数据，以对磁体304的成像区308内的磁自旋进行空间编码。磁场梯度线圈310连接到磁场梯度线圈电源312。磁场梯度线圈310旨在具有代表性。通常，磁场梯度线圈310包含三个独立的线圈集合，用于在三个正交空间方向上进行空间编码。磁场梯度电源向磁场梯度线圈提供电流。提供给磁场梯度线圈310的电流作为时间的函数进行控制并且可以是斜坡或脉冲的。
与成像区308相邻的是射频线圈314，其用于操纵成像区308内的磁自旋的取向并且用于接收来自也在成像区308内的自旋的无线电传输。射频天线可以包含多个线圈元件。射频天线也可以称为信道或天线。射频线圈314被连接到射频收发器316。射频线圈314和射频收发器316可以由单独的发射和接收线圈以及单独的发射器和接收器代替。应当理解，射频线圈314和射频收发器316是代表性的。射频线圈314旨在还代表专用发射天线和专用接收天线。同样，收发器316也可以代表单独的发射器和接收器。射频线圈314还可以具有多个接收/发射元件，并且射频收发器316可以具有多个接收/发射信道。例如，如果执行诸如SENSE的并行成像技术，则射频罐314将具有多个线圈元件。
收发器316和梯度控制器312被示出为被连接到计算机系统102的硬件接口106。存储器110还被示出为包含磁共振成像脉冲序列命令330。利用磁共振成像脉冲序列命令330控制磁共振成像系统302使处理器104能够采集针对第一感兴趣区域307的测量出的磁共振成像数据122。存储器110还被示出为包含磁共振指纹脉冲序列命令332。磁共振指纹脉冲序列命令332可以用于控制磁共振成像系统302，以从第二感兴趣区域309采集磁共振指纹数据334。磁共振指纹数据334被示出为也存储在存储器110中。
存储器110还被示出为包含磁共振指纹识别词典336。磁共振指纹数据334能够用于重建一系列磁共振图像。用于具体体素的值或幅度包括可以与磁共振指纹识别词典336进行比较的向量。这使得能够根据磁共振指纹数据334确定B0图124、T1图126、T2图128和磁化图130。
图4示出了说明操作图3的医学成像系统300的方法的流程图。方法以步骤400开始。在步骤400中，利用磁共振指纹识别脉冲序列命令332控制磁共振成像系统302采集磁共振指纹数据334。接下来在步骤402中，利用磁共振成像脉冲序列命令330控制磁共振成像系统302采集测量出的磁共振成像数据122。步骤402和400可以互换。接下来在步骤404中，接收磁共振指纹数据。应当注意，测量出的磁共振成像数据能够使用不同的脉冲序列多次采集。每次都能够重新使用来自MRF扫描的B0图124、T1图126、T2图128和磁化图130。
磁共振指纹数据描述第二感兴趣区域309。然后在步骤406中，使用磁共振指纹识别词典336根据磁共振指纹数据334来重建B0图124、T1图126、T2图128和磁化图130。在执行步骤406之后，方法随后进行到步骤200-208，如图2所示。
(可能的低分辨率的)磁共振指纹识别(MRF)预扫描的输出能够用于确定各种空间相关值，如B0图、T1图、T2图和磁化图。反过来，这些值能够用于模拟磁共振成像数据的采集。
这实现了合成数据(136)模拟磁共振图像的生成在对比度方面匹配随后的临床扫描(根据测量出的磁共振成像数据122重建的图像)。这种合成数据能够用作先验知识的来源，以改进临床数据重建中的正则化(例如，SENSE重建中或用于SENSE展开问题的正则化)。
通过解决逆问题的MR重建正变得越来越受欢迎。一些相关范例是针对SENSE重建和压缩的SENSE重建的。在某些情况下，逆问题是不适定的和/或病态的。这些不适定的问题可以通过使用作为正则化的一种形式包括在逆问题中的先验知识来解决。
在某些情况下，如果先验知识的来源在图像对比度方面与临床扫描相匹配，这将是有帮助的。这将进一步使图像重建朝向最佳结果。
例如，这里考虑了EPI失真校正中重叠区域的问题。这是一个不适定的问题，正则化能够帮助找到最好的可能的结果。这在以下的图5到10中说明。
图5-10用于示出校正EPI或回波平面成像图像内的失真的不同范例。图5示出了包含失真的EPI图像500。
图6示出了具有不使用先验知识的失真校正的EPI图像600。在图6中，系统处于不适定状态，并且在正面区域生成组织分裂。
图7示出了具有使用基于来自预扫描或替代扫描的水图像的正则化的失真校正的EPI图像700。在图700中，仍然能够看到有一个区域具有非常明显的失真。在该图中，通过使用预期水信号将会存在的位置的先验知识，减少了正面区域的分裂。
图8示出了具有使用基于具有与原始EPI图像500相似的对比度的T2加权图像的正则化的失真校正的另一EPI图像800。EPI图像800是根据如本文公开的范例。
图9示出了用于图7所示的范例的正则化图像900。图10示出了用于图像800的图8中的校正的另一正则化图像1000。在图10中，对来自皮肤的信号的抑制能够更好地约束EPI失真问题的求解，如图8中所看到的。在图9中，使用对比度类似于原始图像的T2加权图像。
比较图7和图8，能够容易地看出图800中的失真比图700中的失真小。图800是使用本文公开的方法和技术的益处的范例。很明显，在最后一种情况下，先验知识能够更多地约束EPI失真问题的求解，EPI失真问题这是一个不适定的逆问题。
即使该范例对于EPI失真校正是明确的，这也是基于逆问题的解的每个重建的共同特征(无论重建是经压缩SENSE、压缩SENSE还是其他)。
然而，针对要在相应逆问题上使用的每个可能的对比度采集图像是不切实际的，因为它需要大量的采集。
所公开的是一种通过避免针对每个可能的对比度采集图像而获得与临床扫描对比度匹配的先验知识的来源的方法。
一些范例可以使用对同一解剖结构上的(可能是低分辨率的)图像的磁共振指纹识别(MRF)采集来生成先验知识的来源。
这种采集能够是以预扫描的形式，在检查开始时使用的快速3D采集。以此方式，能够提取关于T1、T2、磁化值和B0图空间分布的预扫描信息。
稍后能够使用这些值来生成与后续扫描中采集的图像的对比度相似的合成图像。
这种合成图像能够用作第二次扫描的重建中的先验知识的来源。
一些范例可以分为两个主要部分：
1.MRF预扫描采集和重建。推导T1、T2*和磁化值，然后将此信息存储在数据库中。
这与传统的MRF重建没有什么不同。
2.对于随后的每次临床扫描：
a)从数据库中获取B0、T1、T2和磁化值；
b)执行多平面重新格式化(MPR)操作，以对临床扫描几何形状上的预扫描数据重新采样；
c)使用在b)点检索到的信息，与扫描采集参数(例如回波时间、重复时间、翻转角和其他序列参数)一起，使用Bloch方程生成合成图像；
d)将该图像用作用于临床数据重建的先验知识的来源。这总体上被认为是一个逆问题。给出了图像x和数据y之间关系的通用模型f：
y＝f(x)
逆问题试图从数据y开始产生对x的估计。这通常是通过使由数据一致性函数C和一些正则化项Ri组成的成本函数最小化来实现的：
在这个框架中，关于信号定位的先验知识信息能够作为正则化项包括在内：
这里，xp是包含先验信息的图像(在点2c处生成的合成图像)，并且α是总体缩放因子。在此等式中，保留了正则化项的一般总和，因为可能存在不同的先验知识来源。
提供以下三个范例来详细说明步骤2d的三种不同实施方式(和目标)：
1.EPI几何校正：
在这种情况下，问题被建模为线性系统，将失真图像y与未失真图像x相关联。如果我们用D表示失真算子，则模型如下：
y＝Dx
利用所提出的方法进行失真校正将通过以下公式实现:
这里，xp是如前所述获得的图像，其试图模仿目标EPI扫描(无论是fMRI、灌注还是扩散图像)的对比度。
2.并行成像(即SENSE)展开：
在这种情况下，问题被建模为线性系统，将折叠后的信道图像y与原始图像x相关联。如果我们用F表示折叠算子，用S表示线圈灵敏度图加权，则模型如下：
y＝FSx
利用所提出的方法进行并行成像展开将通过解决以下公式来实现：
这里，xp是如前所述获得的图像，其试图模仿目标临床扫描(可能应用的当前并行成像的任何扫描)的对比度。
3.经压缩的并行成像(即，经压缩SENSE)：
同样，在这种情况下，线性模型表示数据采集：
y＝ASx
这里，A代表欠采样傅里叶变换。如下获得所述重建：
其中，Ψ表示稀疏域中的变换(例如小波变换)。
虽然已经在附图和前述说明中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或范例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他要素或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的几个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施这一事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质，但也可以以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
附图标记列表
100 医学影像系统
102 计算机
104 处理器
106 硬件接口
108 用户接口
110 存储器
120 机器可执行指令
122 测量出的磁共振成像数据
124 B0图
126 T1图
128 T2图
130 磁化图
132 脉冲序列命令
134 Bloch方程模型
136 模拟磁共振图像
138 经校正的磁共振图像
200 接收描述对象的第一感兴趣区域的测量出的磁共振成像数据
202 接收每个图都描述对象的第二感兴趣区域的B0图、T1图、T2图和磁化图
204 接收脉冲序列命令，其被配置用于控制磁共振成像系统采集测量出的磁共振成像数据
206 至少使用B0图、T1图、T2图、磁化图和脉冲序列命令作为Bloch方程模型的输入来计算重叠的感兴趣区域的模拟磁共振图像
208 通过求解逆问题，从用于重叠的感兴趣区域的测量出的磁共振成像数据重建经校正的磁共振图像
300 医学影像系统
302 磁共振成像系统
304 磁体
306 磁体的膛
307 第一感兴趣区域
308 成像区
309 第二感兴趣区域
310 磁场梯度线圈
311 重叠的感兴趣区域
312 磁场梯度线圈电源
314 射频线圈
316 收发器
318 对象
320 对象支架
330 磁共振成像脉冲序列指令
332 磁共振指纹脉冲序列指令
334 磁共振指纹数据
336 磁共振指纹识别词典
400 利用磁共振指纹脉冲识别序列命令控制磁共振成像系统采集磁共振指纹数据
402 利用磁共振成像脉冲序列命令控制磁共振成像系统采集磁共振成像数据
404 接收根据磁共振指纹识别协议采集的磁共振指纹数据，其中，磁共振指纹数据描述了第二感兴趣区域
406 根据磁共振成像协议，使用磁共振指纹识别字典从磁共振指纹数据中重建B0图、T1图、T2图和磁化图中的至少一个
500 包含失真的EPI图像
600 具有失真校正的EPI图像——无先验知识
700 具有使用基于来自DIXON预扫描的水图像的正则化进行失真校正的EPI图像
800 具有使用基于对比度类似于EPI扫描的T2加权图像的正则化进行失真校正的EPI图像
900 用于图像700的正则化图像
1000 用于图像800的正则化图像

Claims (17)

1.一种医学成像系统(100、300)，其中，所述医学成像系统包括：
-存储器(110)，其存储机器可执行指令(120)；以及
-处理器(104)，其用于控制所述医学成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行使所述处理器：
-接收描述对象(318)的第一感兴趣区域(307)的测量出的磁共振成像数据(122)；
-接收B0图(124)、以及横向弛豫图和纵向弛豫图中的至少一个、以及磁化图(130)；B0图(124)、横向弛豫图和纵向弛豫图中的至少一个、以及磁化图(130)中的每个均描述所述对象的第二感兴趣区域(309)，其中，所述对象的所述第一感兴趣区域和所述对象的所述第二感兴趣区域二者包括重叠的感兴趣区域(311)；
-接收脉冲序列命令(132)，所述脉冲序列命令被配置用于控制磁共振成像系统(302)采集所述测量出的磁共振成像数据；
-使用至少所述B0图、以及横向弛豫图和纵向弛豫图中的至少一个、所述磁化图、以及所述脉冲序列命令作为Bloch方程模型(134)的输入来计算(206)所述重叠的感兴趣区域的模拟磁共振图像(136)；并且
-通过求解逆问题，根据针对所述重叠的感兴趣区域的所述测量出的磁共振成像数据来重建(208)经校正的磁共振图像(138)，其中，所述逆问题包括对由所述模拟磁共振图像形成的成本函数和正则化项的优化。
2.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，所述纵向弛豫图包括T1图，并且所述横向弛豫图包括T2图和/或T2*图。
3.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，所述正则化项是Tikhonov正则化，其中，所述Tikhonov正则化包括针对所述重叠的感兴趣区域的每个体素，对根据所述经校正的磁共振成像数据计算的第一图像幅度除以根据所述模拟磁共振图像计算的第二图像幅度的估计。
4.根据权利要求1或2或3所述的医学成像系统，其中，所述逆问题是回波平面成像几何结构校正问题。
5.根据权利要求4所述的医学成像系统，其中，所述成本函数包括失真算子乘以所述经校正的磁共振成像数据与所述测量出的磁共振图像之间的差的Euclidian范数。
6.根据权利要求1或2或3所述的医学成像系统，其中，所述逆问题是并行成像展开问题。
7.根据权利要求6所述的医学成像系统，其中，所述成本函数包括折叠算子乘以线圈灵敏度图乘以所述经校正的磁共振图像与所述测量出的磁共振图像之间的差的Euclidian范数。
8.根据权利要求1或2或3所述的医学成像系统，其中，所述逆问题是与并行成像展开问题相结合的压缩的感测。
9.根据权利要求8所述的医学成像系统，其中，所述成本函数包括欠采样傅里叶变换乘以线圈灵敏度图乘以所述经校正的磁共振图像与所述测量出的磁共振图像之间的差的Euclidian范数。
10.根据权利要求2所述的医学成像系统，其中，所述B0图、所述T1图、所述T2图和所述磁化图具有第一分辨率，其中，所述磁共振成像具有第二分辨率，其中，所述第一分辨率低于所述第二分辨率。
11.根据权利要求2所述的医学成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器执行对所述B0图、所述T1图、所述T2图和所述磁化图的多平面重新格式化，以在计算所述模拟磁共振图像之前与所述测量出的磁共振图像进行几何匹配。
12.根据权利要求2所述的医学成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器：
-接收(404)根据磁共振指纹识别协议采集的磁共振指纹数据(334)，其中，所述磁共振指纹数据描述所述第二感兴趣区域；并且
-根据所述磁共振成像协议使用磁共振指纹识别词典(336)根据所述磁共振指纹数据来重建(406)所述B0图、所述T1图、所述T2图和所述磁化图中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的医学成像系统，其中，所述医学成像系统(300)还包括所述磁共振成像系统(302)，其中，所述存储器还包含磁共振成像脉冲序列命令(330)，所述磁共振成像脉冲序列命令被配置用于采集所述测量出的磁共振成像数据，其中，所述存储器还包含磁共振指纹识别脉冲序列命令(332)，所述磁共振指纹识别脉冲序列命令被配置用于根据所述磁共振指纹识别协议来采集所述磁共振指纹数据，其中，所述机器可执行指令的运行还使处理器：
-利用所述磁共振指纹识别脉冲序列命令控制(400)所述磁共振成像系统采集所述磁共振指纹数据；并且
-利用所述磁共振成像脉冲序列命令控制(402)所述磁共振成像系统采集所述测量出的磁共振成像数据。
14.一种计算机程序产品，包括用于由控制医学成像系统(100、300)的处理器(104)运行的机器可执行指令(120)，其中，所述机器可执行指令的运行使所述处理器：
-接收描述对象(318)的第一感兴趣区域(307)的测量出的磁共振成像数据(122)；
-接收B0图(124)、以及横向弛豫图和纵向弛豫图中的至少一个、以及磁化图(130)；B0图(124)、横向弛豫图和纵向弛豫图中的至少一个、以及磁化图(130)中的每个均描述所述对象的第二感兴趣区域(309)，其中，所述对象的所述第一感兴趣区域和所述对象的所述第二感兴趣区域二者包括重叠的感兴趣区域(311)；
-接收脉冲序列命令(132)，所述脉冲序列命令被配置用于控制磁共振成像系统(302)采集所述测量出的磁共振成像数据；
-使用至少所述B0图、以及横向弛豫图和纵向弛豫图中的至少一个、所述磁化图、以及所述脉冲序列命令作为Bloch方程模型(134)的输入来计算(206)所述重叠的感兴趣区域的模拟磁共振图像(136)；并且
-通过求解逆问题，根据针对所述重叠的感兴趣区域的所述测量出的磁共振成像数据来重建(208)经校正的磁共振图像(138)，其中，所述逆问题包括对由所述模拟磁共振图像形成的成本函数和正则化项的优化。
15.根据权利要求14所述的计算机程序产品，其中，所述纵向弛豫图包括T1图，并且所述横向弛豫图包括T2图和/或T2*图。
16.一种操作医学成像系统(100、300)的方法，其中，所述方法包括：
-接收描述对象(318)的第一感兴趣区域(307)的测量出的磁共振成像数据(122)；
-接收B0图(124)、以及横向弛豫图和纵向弛豫图中的至少一个、以及磁化图(130)；B0图(124)、横向弛豫图和纵向弛豫图中的至少一个、以及磁化图(130)中的每个均描述所述对象的第二感兴趣区域(309)，其中，所述对象的所述第一感兴趣区域和所述对象的所述第二感兴趣区域二者包括重叠的感兴趣区域(311)；
-接收脉冲序列命令(132)，所述脉冲序列命令被配置用于控制磁共振成像系统(302)采集所述测量出的磁共振成像数据；
-使用至少所述B0图、以及横向弛豫图和纵向弛豫图中的至少一个、所述磁化图、以及所述脉冲序列命令作为Bloch方程模型(134)的输入来计算(206)所述重叠的感兴趣区域的模拟磁共振图像(136)；并且
-通过求解逆问题，根据针对所述重叠的感兴趣区域的所述测量出的磁共振成像数据来重建(208)经校正的磁共振图像(138)，其中，所述逆问题包括对由所述模拟磁共振图像形成的成本函数和正则化项的优化。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述纵向弛豫图包括T1图，并且所述横向弛豫图包括T2图和/或T2*图。
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