CN114096867A - 增强型3d径向mr成像 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对被定位在MR设备(1)的检查体积中的对象(10)进行MR成像的方法。本发明的目的是提供对用于3D径向成像的径向k空间辐条的布置和排序以实现高效且均匀的k空间覆盖。本发明的方法包括以下步骤：指定径向k空间辐条的集合以覆盖球形k空间体积，所述集合被细分成多个子集，其中，每个子集的所述辐条的终点是利用沿着在k空间中形成球形螺旋的轨迹进行欠采样而沿着所述轨迹分布的，并且其中，不同子集的所述轨迹相对于彼此绕通过k空间原点的轴线旋转；通过使所述对象(10)经受成像序列来生成MR信号，其中，所述MR信号被采集为对所述子集中的一个子集的所述辐条进行采样；针对所述子集中的每个子集执行步骤b)，直到对辐条的完整集合都进行了采样为止；以及根据所采集的MR信号来重建MR图像。此外，本发明还涉及一种MR设备和一种用于MR设备的计算机程序。

Description

增强型3D径向MR成像
技术领域
本发明涉及磁共振(MR)成像领域。本发明涉及关于对k空间的三维(3D)径向采样的MR成像方法。本发明还涉及MR设备以及在MR设备上运行的计算机程序。
背景技术
如今，利用磁场与核自旋之间的相互作用来形成二维或三维图像的图像形成MR方法已经得到广泛使用，在医学诊断领域中尤其如此，因为它们与其他成像方法相比对于软组织成像在许多方面都具有优越性，它们不需要电离辐射并且通常是无创的。
通常，根据MR方法，将被检查的患者的身体布置在强且均匀的磁场(B0场)中，该磁场(B0场)的方向同时定义了测量所基于的坐标系的轴(通常为z轴)。该磁场针对个体核磁自旋产生取决于磁场强度的不同能级，该磁场强度能够通过施加定义频率(拉莫尔频率或MR频率)的交变电磁场(RF场，也被称为B1场)而被激励(磁共振)。从宏观的角度看，个体核磁自旋的分布会产生整体磁化，能够通过施加适当频率的电磁脉冲(RF脉冲)使该整体磁化偏离平衡状态，而该磁场垂直于z轴延伸，使得该磁化绕z轴进行进动运动。进动运动描述了圆锥的表面，其锥角被称为翻转角。翻转角的幅值取决于所施加的RF脉冲的强度和持续时间。在90°的翻转角的情况下，该核磁自旋从z轴偏转到横向平面。
在RF脉冲终止之后，该磁化弛豫回原始的平衡状态，在该状态下，以第一时间常数T1(自旋晶格或纵向弛豫时间)再次建立z方向上的磁化，并且在垂直于z方向的方向上的磁化以第二时间常数T2(自旋-自旋或横向弛豫时间)弛豫。能够借助于一个或多个接收RF线圈来检测磁化的变化，这一个或多个接收RF线圈以在垂直于z轴的方向上测量磁化变化的方式被布置和定向在MR设备的检查空间内。在施加了例如具有90°的翻转角的RF脉冲之后，横向磁化的衰减伴随着(由局部磁场不均匀性引起的)核磁自旋的转变，这种核磁自旋的转变是从具有相同相位的有序状态转变到所有相位角都均匀分布(失相)的状态。能够借助于重新聚焦RF脉冲(例如，具有180°的翻转角的RF脉冲)来补偿失相。这会在接收线圈中产生回波信号(自旋回波)。
为了在患者体内实现空间分辨率，将沿着三个主轴延伸的线性磁场梯度叠加在均匀磁场上，从而使核磁自旋的共振频率具有线性空间依赖性。然后，在接收线圈中拾取的信号包含不同频率的分量，这些分量能够与患者体内的不同位置相关联。经由RF线圈接收到的MR信号对应于空间频域(其被称为k空间)。通常在k空间中沿着利用不同的相位编码采集的多条线来收集该数据。通过收集大量样本将每条线数字化。借助于傅立叶变换或其他适当的重建算法将k空间数据集转换为MR图像。
在3D径向MR成像中，采集了多条k空间线，这多条k空间线构成以不同取向通过被成像对象的投影，这些投影被变换到空间频域。这些特定的k空间线也被称为辐条。在这种情况下，频率编码涉及沿着所有三个坐标轴以变化的幅度同时施加线性磁场梯度，以在k空间中产生所要求的旋转图案，从而根据所期望的视场(FOV)和空间分辨率来完全覆盖k空间中的球形体积。通过在采集期间独立增大的极轴和方位角旋转角度来定义辐条。辐条的终点被分布在球形k空间体积的表面上，由于k空间中的辐条的布置与对应的儿童玩具在视觉上相似，因此3D径向MR成像有时也被称为Koosh球成像。
在实践中，需要被采样以完全覆盖球形k空间体积的辐条的集合能够被细分成在所使用的成像序列的对应数量的重复(“拍摄”)中顺序采集的多个子集(“交织”)。
所采集的k空间数据通常不是使用滤波反投影来重建的，而是被网格化到笛卡尔k空间网格上，然后被转换到图像空间。
已经提出了不同的技术来对k空间中的辐条进行布置和排序，以实现对球形k空间体积的高效且均匀的覆盖。在理想情况下，满足以下三个要求：
1、在球形k空间体积的表面上均匀分布辐条的终点，
2、在球形k空间体积的表面上均匀分布每个子集的辐条的终点，
3、随后采样的辐条的终点之间的距离是最小的。
第一个要求确保了最小采集时间和最大信噪比(SNR)。第二个要求降低了对欠采样的易感性，提供了高运动鲁棒性并且使得能够进行运动补偿。第三个要求减少了涡流，从而减少了图像伪影以及在采集期间的声学噪声。
通常，对轨迹进行指定，该轨迹确定辐条的终点在球体表面上的位置和对辐条进行采样的时间顺序。在过去几年中，已经提出了用于3D径向MR成像的各种轨迹以尝试满足上述三个要求。
通过沿着从一个极点到赤道或另一极点横穿球体表面的球形螺旋轨迹放置终点来实现辐条的终点在球体表面上的近乎均匀的分布以及相继的终点之间的距离最小(参见Wong等人的文章，Magn.Reson.Med.，1994年，第32卷，第778-784页)。
在另一方法中，通过根据黄金角度比率增加辐条的极性和方位角旋转角度来获得多个子集的辐条的终点在球体表面上的近乎均匀的分布(参见Doneva等人的文章，Proc.ISMRM2008，第336页)。
另外的方法被称为“螺旋叶序”(参见Piccini等人的文章，Magn.Reson.Med.，2011年，第66卷，第1049-1056页)。它基于在植物学中已知的螺旋叶序，螺旋叶序是叶子在茎干上的一种特定布置。要求保护的是将辐条的终点在球体表面上的均匀分布与随后采样的辐条的终点之间的距离最小进行组合。
然而，所有这些已知的用于3D径向MR成像的方法都无法满足上述三个要求中的至少一个。球形螺旋轨迹不提供每个子集的辐条的终点在球形k空间体积的表面上的均匀分布。黄金角度方法引起相继采样的辐条的终点之间的距离较大，并且与欠采样结合的球形螺旋轨迹也是如此。螺旋叶序轨迹也无法实现每个子集的辐条的终点在球形k空间体积的表面上的均匀分布。
发明内容
根据上述内容很容易意识到，需要改进的3D径向MR成像方法。本发明的目的是提供对径向k空间辐条的布置和排序以实现高效且均匀的k空间覆盖并满足上述所有三个要求。
根据本发明，公开了一种对被定位在MR设备的检查体积中的对象进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
指定径向k空间辐条的集合以覆盖球形k空间体积，所述集合被细分成多个子集，其中，
每个子集的所述辐条的终点是利用沿着在k空间中形成球形螺旋的轨迹进行欠采样而沿着所述轨迹分布的，并且
不同子集的所述轨迹相对于彼此绕通过k空间原点的轴线旋转；
通过使所述对象(10)经受成像序列来生成MR信号，其中，所述MR信号被采集为对所述子集中的一个子集的所述辐条进行采样；
针对所述子集中的每个子集执行步骤b)，直到对辐条的完整集合都进行了采样为止；以及
根据所采集的MR信号来重建MR图像。
根据本发明，径向k空间辐条的集合最初被指定为覆盖球形k空间体积(步骤a)。球形k空间体积通过所期望的视场(FOV)来确定。径向k空间辐条从k空间原点开始并在球体的表面上结束，或者径向k空间辐条在球体的表面上开始和结束并通过k空间原点。辐条在球体表面上的最小密度通过要最终重建的MR图像的所期望的空间分辨率来确定。在期望各向异性空间分辨率的情况下，球形k空间体积被推广到椭圆形k空间体积。
本发明描述了经修改的球形螺旋轨迹，其满足上述所有三个要求。根据本发明，将同时细分分成子集，由此每个子集的辐条的终点是利用沿着球形螺旋轨迹进行欠采样而沿着球形螺旋轨迹分布的，这种欠采样被施加以具体达到每个子集的辐条的终点在球形k空间体积的表面上的均匀分布的效果。因此，本发明有助于最大程度地减小采集时间，最大程度地增大SNR，降低对欠采样的易感性，提高对运动的鲁棒性和/或减少涡流和声学噪声。也就是说，本发明实现了同时提供终点的整个集合和相继终点的子集的均匀分布，以及相继终点之间的距离最小。以这种方式，最大程度地减小了扫描时间，最大程度地增大了信噪比，降低了对欠采样的易感性，提高了对运动的鲁棒性，使得能够进行运动补偿并且/或者减少了涡流和声学噪声。
不同子集的所述轨迹相对于彼此绕通过k空间原点的轴线旋转。子集和旋转角度的数量原则上被选择为完全覆盖球形k空间体积。
优选地，每条轨迹从所述球形k空间体积的一个极点到达所述球形k空间体积的另一极点，并且每条轨迹在前一轨迹结束处的极点处开始。替代地，每条轨迹可以从一个极点仅到达赤道。
在下一步骤(步骤b和c)中，一个接一个地采集子集，直到对辐条的完整集合都进行了采样为止，其中，所述辐条是在其中所述辐条沿着每条轨迹被对齐的序列中被采样的。
最后(步骤d)，以常规方式根据辐条的完整集合来重建MR图像。
在优选实施例中，辐条的终点沿着每条轨迹等距分布，其中，沿着每条轨迹的所述辐条的相邻终点之间的距离等于或近似于所述螺旋的绕组之间的距离，使得每个子集的所述辐条被均匀分布在所述球形k空间体积上。
本发明使得能够通过选取沿着轨迹的辐条的相邻终点之间的距离来调节欠采样。特别地，该距离能够与绕组的距离相匹配，使得获得每个子集的终点在球体表面上的总体均匀分布。
随后采样的子集的所述轨迹相对于彼此优选旋转了黄金角度。以这种方式，随后采样的子集始终添加了补充信息，同时填充了在先前采样的k空间辐条的集合内的最大间隙。替代地，可以使用小黄金角度、任一微小黄金角度或其分数。
在另一优选实施例中，所述成像序列是零回波时间(ZTE)成像序列，其中，在利用高带宽并因此利用短的硬RF脉冲进行的磁共振激励之前设定读出磁场梯度。以这种方式，在磁共振激励时瞬时开始频率编码。在RF脉冲之后立即开始沿着径向k空间辐条对自由感应衰减(FID)信号的采集，从而产生零的有效回波时间(TE)。在采集之后，在能够应用下一RF脉冲之前，仅要求最小时间来设定下一读出磁场梯度，由此实现非常短的重复时间(TR)。读出磁场梯度的方向随着重复的增加而递增变化，直到k空间中的球形体积被采样到所要求的程度为止，其中，所采集的辐条中的每个辐条从k空间原点开始。无需关闭TR之间的读出磁场梯度，能够几乎静默地执行ZTE成像。类似地，可以使用超短回波时间(UTE)成像序列来采集FID信号。
在又一优选实施例中，所述成像序列是扰相或重新聚焦(平衡)梯度回波成像序列，其中，子集中的每个子集被采样为梯度回波信号的序列。
在又一优选实施例中，所述成像序列是ZTE或UTE成像序列与扰相或重新聚焦(平衡)梯度回波成像序列的组合，其中，所述子集中的每个子集被采样为FID和梯度回波信号的序列。
本发明能够有利地与多回波采集相结合，其中，重建MR图像所要求的辐条的完整集合被分成多次“拍摄”，即，RF激励，然后是多个重新聚焦磁场梯度或重新聚焦RF脉冲，以生成梯度回波的队列，其中，每个回波对应于一个辐条，并且每次拍摄对应于一个子集。
到目前为止所描述的本发明的方法能够借助于一种MR设备来执行，所述MR设备包括：至少一个主磁体线圈，其用于在检查体积内生成均匀稳定的磁场；多个梯度线圈，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，其用于在所述检查体积内生成RF脉冲和/或接收来自被定位在所述检查体积中的对象的身体的MR信号；控制单元，其用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时间演替；以及重建单元。本发明的方法优选通过对MR设备的控制单元和/或重建单元进行对应的编程来实施。
本发明的方法能够有利地通过目前在临床上使用的大多数MR设备来执行。为此，仅需要利用计算机程序来控制MR设备而使得MR设备执行本发明的上述方法步骤。该计算机程序可以存在于数据载体上或者存在于数据网络中，以便被下载而安装在MR设备的控制单元中。
附图说明
附图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，附图仅被设计用于说明的目的，而不是对本发明进行限制。在附图中：
图1示意性地示出了用于执行本发明的方法的MR设备；
图2图示了一个子集的辐条的终点在球形螺旋轨迹上的常规布置；
图3图示了一个子集的辐条的终点在螺旋叶序轨迹上的常规布置；
图4图示了根据本发明的一个子集的辐条的终点的布置。
具体实施方式
参考图1，示出了能够用于执行本发明的方法的MR设备1。该设备包括超导或电阻式主磁体线圈2，使得沿着穿过检查体积的z轴创建基本上均匀的、在时间上恒定的主磁场B0。该设备还包括(1阶、2阶和(在适用时)3阶)匀场线圈的集合2’，其中，流过集合2’的个体匀场线圈的电流是可控制的，从而最大程度地减少检查体积内的B0偏差。
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来激励、反转或饱和核磁自旋，引起、重新聚焦和操纵磁共振，在空间上和以其他方式编码磁共振等以执行MR成像。
更具体地，梯度脉冲放大器3沿着检查体积的x轴、y轴和z轴将电流脉冲施加到全身梯度线圈4、5和6中的选定的一个。数字RF发射器7经由发送/接收开关8将RF脉冲发射到身体RF线圈9，以将RF脉冲发射到检查体积中。典型的MR成像序列包括与任何施加的磁场梯度一起取用的短持续时间的RF脉冲，这种典型的MR成像序列实现对磁共振的选定操纵，包括对被定位在检查体积中的身体10的部分的选择。MR信号也被身体RF线圈9拾取。
为了借助于并行成像来生成身体10的有限区域的MR图像，将局部阵列RF线圈11、12、13的集合与要被成像的区域邻接放置。阵列线圈11、12、13能够用于接收通过利用身体RF线圈进行的RF发射所引起的MR信号。
结果得到的MR信号由身体RF线圈9和/或阵列RF线圈11、12、13拾取，并由优选由包括前置放大器(未示出)的接收器14解调。接收器14经由发送/接收开关8被连接到RF线圈9、11、12和13。
主机计算机15控制通过匀场线圈2’的电流以及梯度脉冲放大器3和RF发射器7以生成例如根据本发明的ZTE或重新聚焦的梯度回波成像序列。接收器14在RF激励脉冲之后快速演替地接收来自个体径向k空间辐条的MR信号。数据采集系统16对接收到的MR信号执行模数转换并且将该MR信号转换为适合用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是专门用于采集原始图像数据的单独的计算机。
最终，数字原始数据由重建处理器17应用适当的重建算法而重建成图像表示。MR图像表示三维体积。然后该图像被存储在图像存储器中，在图像存储器中可以访问该图像以例如经由视频监视器18将投影或图像表示的其他部分转换成用于可视化的适当格式，视频监视器18提供结果得到的MR图像的人类可读显示。
根据本发明，执行3D径向MR成像，其中，采集多个径向k空间辐条以覆盖k空间中的球形体积。径向k空间辐条由极性和方位角旋转角度来定义，所述极性和方位角旋转角度在采集期间独立递增，其中，径向k空间辐条的终点分布在球形k空间体积的表面上。所采集的MR信号最终被网格化到笛卡尔k空间网格上，然后经由傅里叶变换被重建成MR图像。
对轨迹进行指定，该轨迹确定辐条的终点在球体上的位置和对辐条进行采样的时间顺序。
必须对k空间中的辐条和时间进行适当布置和排序，以实现均匀且高效的k空间覆盖。
通过沿着从一个极点到另一极点横穿球体表面的球形螺旋轨迹将终点对齐来实现辐条的终点在球体表面上的近乎均匀的分布以及相继采样的终点之间的距离最小。图2中图示了这种情况。两个k空间图示出了一个子集的辐条的终点，每个子集均沿循球形螺旋轨迹，其中，相继采样的辐条的终点通过直线互连。在所描绘的实施例中，覆盖球形k空间体积的辐条的完整集合被细分成36个子集。左图中所示的子集包括36条轨迹中的1条轨迹的所有辐条。为了完全覆盖球形k空间，所示的轨迹绕kz轴线旋转。这种细分成子集的细分明显不提供终点在球体表面上的均匀分布。沿着轨迹的终点之间的距离远小于螺旋的绕组的距离。右图中所示的子集包括1条轨迹中的1条轨迹的每一个第36个辐条。为了完全覆盖球形k空间体积，所示的轨迹基本上被保留，对每一个第36个辐条的选择就是这种情况，但是对第一辐条的选择改变了。这种沿着轨迹的欠采样导致沿着轨迹的终点之间的距离较大。
另一种指定辐条的终点在球体表面上的分布的方法基于螺旋叶序。如图3所示，螺旋叶序轨迹实现了更好的效果，但仍远远无法达到辐条的终点在球体表面上的均匀分布。在左图中，标绘了34条轨迹中的1条轨迹中的辐条的终点。选取斐波那契数列(例如，34)以用于子集的数量，引起辐条的终点在球体表面上的分布比图2中的情况更加均匀。然而，对于其他数列(例如，36)，相继采样的辐条的终点之间的距离会再次非常大，如右图所示。
为了获得对于整个集合和每个子集来说辐条的终点的均匀分布以及相继采样的辐条的终点之间的距离最小，本发明提出了修改的球形螺旋轨迹。除了被细分成子集(其中轨迹相对于彼此旋转)之外，还引入了沿着轨迹的匹配欠采样。因此对于每个子集实现了辐条的终点的均匀分布，从图4中可以明显看出这一点。虽然左图示出了34个子集中的1个子集的辐条的终点，但是右图示出了36个子集中的1个子集的终点。通过选取等于沿着轨迹的欠采样因子的子集的数量，沿着轨迹的相继采样的辐条的终点之间的距离近似于螺旋的相邻绕组之间的距离。值得注意的是，总体减少因子不一定是整数。因此，与利用上述螺旋叶序轨迹的情况相比，利用所提出的轨迹的情况下总体加速的选择灵活得多。
与球形螺旋轨迹和螺旋叶序轨迹一样，在本发明的方法中，不同子集的螺旋轨迹之间的旋转角度的选择是不受限制的，因为终点之间的距离在球体的极点处消失。因此，特别是根据黄金角度的旋转仍然是可能的。

Claims (10)

1.一种对被定位在MR设备(1)的检查体积中的对象(10)进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
指定径向k空间辐条的集合以覆盖球形k空间体积，所述集合被细分成多个子集，其中，
每个子集的所述辐条的终点是利用沿着在k空间中形成球形螺旋的轨迹进行欠采样而沿着所述轨迹分布的，并且
不同子集的所述轨迹相对于彼此绕通过k空间原点的轴线旋转，使得沿着每条轨迹的所述辐条的相邻终点之间的距离等于或近似于所述螺旋的绕组之间的距离，使得每个子集的所述辐条被均匀分布在所述球形k空间体积上；
通过使所述对象(10)经受成像序列来生成MR信号，其中，所述MR信号被采集为对所述子集中的一个子集的所述辐条进行采样；
针对所述子集中的每个子集执行步骤b)，直到对辐条的完整集合都进行了采样为止；以及
根据所采集的MR信号来重建MR图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，随后采样的子集的所述轨迹相对于彼此旋转了黄金角度、小黄金角度、任一微小黄金角度或其分数。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中，所述成像序列是零回波时间或超短回波时间成像序列，其中，所述子集中的每个子集被采样为自由感应衰减信号的序列。
4.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中，所述成像序列是扰相或重新聚焦梯度回波成像序列，其中，所述子集中的每个子集被采样为梯度回波信号的序列。
5.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中，所述成像序列是零回波时间或超短回波时间成像序列与扰相或重新聚焦梯度回波成像序列的组合，其中，所述子集中的每个子集被采样为自由感应衰减信号和梯度回波信号的序列。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中，每条轨迹从所述球形k空间体积的一个极点到达所述球形k空间体积的另一极点。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中，每条轨迹在前一轨迹结束处的极点处开始。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其中，所述辐条是在其中所述辐条沿着每条轨迹被对齐的序列中被采样的。
9.一种MR设备，包括：至少一个主磁体线圈(2)，其用于在检查体积内生成均匀的静态磁场；多个梯度线圈(4、5、6)，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(9)，其用于在所述检查体积内生成RF脉冲和/或接收来自被定位在所述检查体积中的对象(10)的MR信号；控制单元(15)，其用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时间演替；以及重建单元(17)，其中，所述MR设备(1)被布置为执行以下步骤：
指定径向k空间辐条的集合以覆盖球形k空间体积，所述集合被细分成多个子集，其中，
每个子集的所述辐条的终点是利用沿着在k空间中形成球形螺旋的轨迹进行欠采样而沿着所述轨迹分布的，并且
不同子集的所述轨迹相对于彼此绕通过k空间原点的轴线旋转，使得沿着每条轨迹的所述辐条的相邻终点之间的距离等于或近似于所述螺旋的绕组之间的距离，使得每个子集的所述辐条被均匀分布在所述球形k空间体积上；
通过使所述对象(10)经受成像序列来生成MR信号，其中，所述MR信号被采集为对所述子集中的一个子集的所述辐条进行采样；
针对所述子集中的每个子集执行步骤b)，直到对辐条的完整集合都进行了采样为止；以及
根据所采集的MR信号来重建MR图像。
10.一种要在MR设备上运行的计算机程序，所述计算机程序包括用于以下操作的指令：
指定径向k空间辐条的集合以覆盖球形k空间体积，所述集合被细分成多个子集，其中，
每个子集的所述辐条的终点是利用沿着在k空间中形成球形螺旋的轨迹进行欠采样而沿着所述轨迹分布的，并且
不同子集的所述轨迹相对于彼此绕通过k空间原点的轴线旋转，使得沿着每条轨迹的所述辐条的相邻终点之间的距离等于或近似于所述螺旋的绕组之间的距离，使得每个子集的所述辐条被均匀分布在所述球形k空间体积上；
生成成像序列并将MR信号采集为对所述子集中的一个子集的所述辐条进行采样；
针对所述子集中的每个子集执行步骤b)，直到对辐条的完整集合都进行了采样为止；以及
根据所采集的MR信号来重建MR图像。
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