CN1245047A - 用于三维磁共振成象的分段k－空间方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供用于对诸如受检体的发生周期运动的心脏区域之类的结构进行三维磁共振成象的一种方法。该方法包括检测多个连续运动周期中每一个的开始点,和在每个运动周期期间获取该区域的一组磁共振视图。每个视图与一个两维K－空间中心之间具有已知的径向距离,并且每一组包括具有最低空间频率的一个视图,该视图位于所说K－空间中心附近。选择获取各组视图的次序,使得各组的最低频率视图分别在与其相应的运动周期开始点之后的相同特定时间获取。每一组的视图共同限定K－空间中的一个分段,各个分段按照彼此交错的螺旋线或椭圆排列方式定位。

Description

用于三维磁共振成象的分段K-空间方法

一般来说，本申请公开和要求保护的发明涉及用于三维(3D)磁共振成象的一种分段k-空间方法。具体地说，本发明涉及用于获取体内发生周期性或基本周期性运动的病人或其它受检体的磁共振图象的一种上述方法。更具体地说，本发明涉及在所说运动周期的任何时间可以获取较低空间频率的磁共振数据的一种上述方法。

众所周知，受检体内的周期性或基本周期性运动，例如呼吸或心脏运动会引起磁共振图象的严重虚影或其它畸变。为了在获取心脏的三维图象时减少这类虚影，已经开发出两种不同的获取心动选通三维图象的技术。按照其中一种技术，以相位编码方向作为外循环方向，而以片层编码方向作为内循环方向。在每个心动周期，获取一个相位编码梯级的所有片层编码。因此，总扫描时间为相位编码梯级总数与心动周期时间长度的乘积。按照第二种技术，为了实现缩短扫描时间的目的，以相位编码作为内循环方向，而以片层编码作为外循环方向。在每个心动周期，获取片层编码之一的所有相位编码。因此，总扫描时间为片层数与心动周期持续时间的乘积。对于这种技术，获取一个片层编码的所有相位编码的时间量必须小于在每个心动周期中可以用于成象的时间。因此，可以看出上述技术是有局限性的，或者受到相位编码总数的限制，或者受到片层总数的限制。可以相信，仍然需要一种更加全面的三维心脏成象技术，这种技术通过允许在周期性运动中获得任何数量的相位/片层编码，而可以更加灵活地选择扫描时间。

分段k-空间方法是用于获取其体内发生周期性运动的受检体的磁共振图象的另一种方法。按照分段k-空间方法，图象获取分为多个段，每一段在一个不同的运动周期内获得。对于每一段获得的视图或取样的数目的唯一限制是这个数目与脉冲序列重复时间相乘的结果必须不大于每个心动周期可以用于成象的时间。按照常规的两维(2D)分段k-空间成象方法，给每个段指定一个数目。在一定的脉冲序列重复期间获取给定段的各个视图，其出现在给定段相应的运动周期的特定时间间隔。可取的是，提供一个查阅表，其将一个特定段数及其重复时间变换或排序到与一个特定视图相关的一个特定的相位编码值。相位编码次序的一个例子是分段交错，其中每一段中的对应视图数目都由等于段总数的多个梯级分隔开来。视图数逐段交错。在Edelman等人所写的文章“Segmented TurboFLASH：Method forBreath-Hold MR Imaging of the Liver with Flexible Contrast”(Radiology 177：515-521(1990))中介绍了现有技术中的各种分段k-空间技术。

在磁共振图象构成过程中，最有用的视图或数据采样值是在k-空间中心或原点附近获得的那些数据，就是与低空间频率相关的那些数据。例如，对于重构图象有贡献的磁共振信号的80％可以由从以原点为中心的k-空间的10％中获得的视图提供。在上述类型的分段k-空间技术中，仅仅在每个运动周期开始时获取具有低阶k-空间值的磁共振采样信号。结果，如果使用这种技术在心动周期的其它时间获取心脏图象，可能会受到极大的限制。如本领域技术人员所熟知的，心脏构造，例如冠状动脉的运动在一个心动周期内具有两个阶段或运动分量，即在心脏收缩期(心脏的机械收缩)内的运动和在心脏舒张期(心脏的机械舒张)内的运动。例如可能希望在收缩运动周期的近似中点获取心脏结构的磁共振图象。在这个时间，心脏是相当稳定的。但是，如果使用现有技术的分段k-空间技术，则必须主要利用具有较高空间频率的k-空间采样值，而不是利用位于k-空间中心附近的更有用的低频采样值来构成该图象。

一般来说，本发明涉及用于对受检体的一个区域进行三维磁共振成象的一种方法，其中所说区域发生周期性或基本周期性运动，例如心动。本发明还可以应用于呼吸运动或类似运动。该方法包括检测一系列运动周期中每一个周期的开始时间点，和在每个运动周期获取成象区域的一组磁共振视图或采样值。每个视图都是在距一个两维k-空间的中心已知径向距离内获得的，并且每一组视图都包括一个具有最低空间频率的视图，其位于所说k-空间中心附近。该方法还包括选择获取各组视图的次序，从而在各自对应的运动周期的开始点之后，分别在相同的特定时间获取所说的最低频率视图。

在本发明的一个优选实施例中，所说的一组视图共同限定两维k-空间中的一段，其中每一段具有与之相关的多个连续的磁共振信号序列重复，其出现在相应的一个所说运动周期中的选定时间间隔。限定给定段的给定组视图是以与给定段的重复之一一致的关系分另获取的。给定组的最低频率视图在一个指定重复中获取的，其出现在相应运动周期开始之后的特定时间。在一个实施例中，借助于心动选通方法检测每个运动周期的开始，其中在每个周期的开始时间检测ECG脉冲。在另一个实施例中，运动周期的开始是借助于呼吸选通检测的。

在一个优选实施例中，每组视图都存储在一个查阅表中，并且各个视图都按照从最小径向k-空间距离到最大径向k-空间距离的顺序存储在所说查阅表中的。该方法的顺序选择步骤包括将一个特定段的一个特定重复映射到每个保存的视图。可取的是，为保存在查阅表中的每个视图使用一个指定的索引来实现上述映射。

本发明的一个目的是提供一种改进的心动选通三维磁共振成象方法。

本发明的另一个目的是提供也可应用于呼吸和其它类型周期运动的一种上述类型的成象方法。

本发明的再一个目的是提供应用分段k-空间方法的一种上述类型的方法。

本发明的又一个目的是提供允许在每个心搏或心动周期获取分别相应于一个相位/片层编码对的任意数量视图的一种上述类型的方法。

本发明的再另一个目的是一种上述类型的方法，其中具有低空间频率的视图，即位于k-空间中心附近的那些视图，分别在多个连续的各自对应的心动周期的每一个周期中的、相同的任意选定时间点获取。

本发明的再又一个目的是提供一种上述类型的方法，其中每个视图包括在读出方向获取的磁共振数据。

根据以下结合附图进行的描述，可以更加清楚地了解本发明的这些和其它目的和优点。

图1为表示用于实施本发明的一个实施例的一个磁共振系统的主要组成部分的示意图。

图2为表示分段和重复排列，以说明在多个连续运动周期中获取磁共振数据方式的示意图。

图3为表现根据本发明的一个优选实施例在两维k-空间中交错段的排列方式的示意图。

图4表示磁共振数据在查阅表中的排列方式。

图5-7为表示在本发明的几个改进实施例中在一个运动周期中的视图顺序的示意图。

参见图1，其中表示了一个磁共振系统10的主要组成部分，如在本说明书中所述，该系统可以用于获取磁共振数据。系统10包括一个射频发射线圈12，以及用于在一个圆柱体形磁体芯中产生一个主磁场或静磁场B₀的一个磁体。射频线圈12用于向驻留在所说磁体芯中的病人或其它受检体16的一个三维区域36发射射频激励信号。可取的是，区域36以所说磁体的等角点为中心。系统10还包括用于分别相对于正交的X-、Y-和Z-基准轴产生G_x、G_y、和G_z磁场梯度的多个梯度线圈18、20和22。图1表示各个梯度线圈18、20和22分别由梯度放大器24、26和28驱动，而射频线圈12由发射放大器30驱动。

进一步参见图1，其中表示出系统10包括一个射频线圈40，这个射频线圈40用于与一个接收放大器38结合以从病人16身体上的区域36获取三维磁共振信号，所说的区域可能包括心脏区域，或贯穿病人16心脏的部分。因此，区域36受到周期性心动的影响。系统10还包括一个脉冲序列控制部分32，这个控制部分用于控制所说的射频和梯度放大器，进而产生脉冲序列，或周期序列重复，以产生和获取多组磁共振信号。系统10还包括计算和处理电路34，该电路根据本发明选择获取数据的顺序。磁共振系统10的各个部分的构造、功能和相互关系是众所周知的，并且在现有技术中，例如在美国专利US-5672969(1997年授予Zhou等人)中有记载。

在本发明的一个实施例中，系统10的梯度线圈分别用于按照三维磁共振成象的任意常规技术对心脏区域36的数据进行空间编码。这些技术包括三维自旋扭曲和自旋回波方法，尽管并不局限于此。这些技术都是本领域熟知的，所以这里不再详细介绍。按照从区域36或类似区域获取磁共振数据的一种通用方案，G_y和G_z梯度场分别提供相位编码和片层编码，而G_x梯度场用作读梯度。按照这种约定，在特定量值的G_y和G_z梯度下获取的三维磁共振信号在一个两维k-空间中可以分别根据其沿k_y和k_z轴的位置唯一地识别。这种信号在这里指的是通过心脏区域36获取的视图，并且包括从在沿与k_y和k_z轴正交的k_x轴的一组数据点得到的一个值。

由于在下文中更加详细指出的原因，在三维图象重构时需要的所有视图中的一部分是在多个连续心动周期的每一个中获取的。在一个特定周期中获取的视图分别沿包括k_y和k_z轴的两维k-空间中的一个相应段排列并且共同限定这个相应段。据此，图2表示出j个连续编号的分段，每个分段对应于一个心动周期或心搏(HB)。图2还表示了与每个分段相关的一组重复出现的磁共振序列，或重复(k₁-k_n)。这些重复连续地在一个心动周期中以一个间隔TR出现，如图2中时标所指示的。因此，第j段中的第k重复由在对应于所说第j段的心动周期中的一个特定时间点标识。可取的是，借助于心动选通检测每个运动周期的开始点。

进一步参见图2，其中表示了视图38a-38f，作为共同限定心动周期的第1分段或第1次心搏的视图的代表。这些视图中每一个都是在这类周期的一个重复过程中获取的。因此，第一个视图38a是在重复k₁过程中获取的，而最后一个视图38f是在最后一个重复k_n过程中获取的。类似地，视图40a-f和44a-f是分别在与第2、3和4分段相关的重复过程中或以与之一致的关系获取的。应当理解，尽管为了便于说明，图2只表示出四个分段和相应的心动周期，但是实际的数据采集通常可以需要更多的周期。

图2还表示在每个连续的心动周期中的一个时间T_spec出现的一个重复k_spes。每个重复k_spec之前为一个重复k_spec-1，其后为一个重复k_spec+1。可以理解，时间T_spec可以选择为在连续的心动周期开始点之后的任意时间mTR，其中m是一个整数。例如，可以选择T_spec为连续的心动周期的中点。应当强调的是，根据本发明，可以很容易地选择在每个心动周期获取视图的顺序，从而分别在第1-4分段的重复k_spec期间获取预定的视图38d-44d。按照同样的方式，在各个周期的重复k_spec-1期间获取视图38c-44c，和在各个周期的重复k_spec+1期间获取视图38e-44e。

参见图3，其中表示出由在一个中心点或原点48相交的k_y和k_z轴限定的一个两维k-空间46。图中还表示了在第一心动周期获取的视图38a-38f，它们在k-空间46中具有唯一的位置，如由它们各自的k_y和k_z坐标确定的位置。如上所述，38a-f沿k-空间中的第1分段排列，而视图40a-f、42a-f和44a-f分别沿第2-4分段排列。所有分段的各个视图共同构成一个螺旋或椭圆图案，从k-空间中心48向外延伸。为了表示这种图案，用线段52连接所有获取的视图，以形成一条螺旋线50。可以看到，各个分段的视图是交错的，亦即，螺旋线50上的每四个点与第1-4分段中一个不同的分段相关。虽然可以画出线段以唯一地连接不同分段的视图，但是在图3中没有这样做，以避免与由所有分段的视图共同形成的螺旋图案50混淆。应当理解，根据本发明，分段数量和每段的视图数量都是任意的。特别是，各个分段无需象在某些现有技术的分段成象方法中那样对称排列。

通过将各个分段的所有视图以交错排列方式沿螺旋线设置，这些视图各自的径向距离彼此全都不同。对于k-空间中的一个位置(k_y，k_z)处的一个视图，其径向距离r_d，即，从中心48起的视图距离由√k_y ²+k_z ²给出。此外，各个分段的视图沿所说螺旋线50定位，以连续地增加径向距离。因此，较低空间频率的视图与k-空间中心48接近，而较高空间频率的视图与所说中心最远。

根据本发明，可以认识到在相应的心动周期获取一个分段中各个视图的顺序不是固定的。相反，可以预先选择获取视图的顺序，以达到所需的结果。再参见图3，图中表示了第1分段中最接近k-空间48中心的视图38d。同样，图中分别表示了第2-4分段与它们各自分段的k-空间中心最为接近的视图40d-44d。这是非常有意义的，因为，如上所述，与所说k-空间中心最为接近或邻近的那些视图，即具有最低空间频率的那些视图，为磁共振重构提供了大部分有用信息。此外，如以上结合图2所述，在重复k_spec期间获取各个视图38d-44d。结果，由图3所示磁共振数据重构的一个磁共振图象表示或代表了在心动周期的时刻T_spec在区域36内的结构。如上所述，T_spec可以是心动周期中的任意时间mTR。因此，通过仔细地排定在各个分段和序列重复期间进行数据获取的顺序，可以同样在心动周期的任意时刻mTR获取最低量级空间频率。从而具有实质上的灵活性，以使得能够在其运动周期的任意时间点为发生周期运动的结构受检体进行成象。

为了实现这种数据获取，图3还表示了分别排序的第1分段的视图，使得其中在第一个重复k1期间获取的视图38a位于距k-空间中心48的预定距离处，例如位于螺旋形图案50的中点。视图40a-44a、视图38b-44b、和其它其后获取的视图都以从视图38a开始向外向视图38c-44c方向连续增大的径向距离沿螺旋线50定位。分别在一个重复k_spec-1期间获取的视图38c-44c为螺旋线50上最靠外的视图。因此，在下一个重复k_spec期间，视图获取围绕k-空间中心卷绕到视图38d。之后，按照径向距离连续增大的顺序沿螺旋线50获取视图，直到视图38f-44f，每个视图在k_n，即各个分段的最后一个重复期间获取。按照径向距离递增的顺序，这些视图正好位于在第1分段的重复k1期间获取的视图38a之前。

如上所述，分段1-4以彼此交错排列方式定位。通过按照这种分段排列方式获取视图，可以在每个分段中得到一个与k-空间中心最为接近的视图，并且在其相应的运动周期中的时间T_spec获取该视图。

参见图4，图中表示了一个查阅表54，该图可以应用于为按照图3所示交错排列方式获取各个视图排序。由为成象而获取的所有视图组成的视图V₁-V_T按照径向k-空间距离r_d增大的次序存储在查阅表54中。V_T，这些视图的总数，为片层总数与相位编码梯级总数的乘积。为了将一个分段号和重复号与一个特定的视图(k_y，k_z)相映射，为

            该视图使用一个索引i_r，其中：

i_r＝N_seg×(K+r_s)％VPS+j    公式(1)

在公式(1)中，Nseg为交错分段的总数，j为特定视图被分配的分段号，k为获取该视图的重复。VPS为每段的视图数量，r_s表示k-空间中心沿一段的位置。因此，r_s与时间T_spec相关。r_s决定了在所说第一重复k1期间获取的视图沿一个分段的适合位置，使得连续的获取将在时间T_spec回绕到k-空间中心。例如，如果r_s＝VPS/2，k-空间的中心将位于一个分段的中间。回绕函数通过在公式(1)中进行模数运算而实现，在公式中模数运算用“％”符号表示。

如果为查阅表54中的各个视图施加一个索引i_r，将选择视图V₁作为分段1的最低空间频率视图，选择V₂作为分段2的最低空间频率视图，如此类推。

以上结合图3所述的实施例可能满足能够主要由精确地在连续运动周期中的时间T_spec获取的视图构成的图象。但是，一般来说，更需要根据在每个运动周期获取的一组低阶k-空间视图构成一个图象，其中所有的低阶视图，就其获取时间而言，都集聚在T_spec周围。利用图3所述方案不能做到这些。如上所述，在精确的时间T_spec获取的视图38d和在其后获取的下一个视图38e都是低阶视图。但是，视图38c是一个高阶视图，即使它是恰在T_spec之前的一个时刻获取的。

参见图5，图中表示了在本发明的另一个实施例中视图的排序，这种排序方式消除了上述类型的不连续性。图5表示在一个运动周期获取的一组视图N，其中N可取的是一个偶数。为了便于说明，选择各个运动周期的中点为时刻T_spec。图5还表示了分别在时刻mTR获取的一组视图，其中各个视图按照上升次序编号，以表示它们在k-空间中相对于k-空间中心的位置。因此，视图1为最低阶k-空间视图，就是说，是最接近k-空间中心的视图，视图2为次最低阶视图，而视图N为最高阶视图。按照图5所示的方案，视图1在T_spec获取，而视图2为刚好在此之后获取的视图。但是，低阶视图3是刚好在T_spec之前获取的。因此，集聚在T_spec周围的视图，包括刚好在T_spec之前和之后获取的视图，都是给定分段的最低阶k-空间视图。

作为对说明其余视图有用的，但是不是必需的模式，图5还表示按照上升次序，从T_spec至T_cycle，即运动结束的时间，获取的偶数编号的视图。按照下降次序，即从在周期开始时的视图N-1至在时刻Tspec的视图1获取奇数编号的视图。

参见图6和图7，图中表示了本发明的另外两个实施例。图6表示一种视图排列顺序，其中T_spec是非常接近周期起点的一个时刻，图7表示一种视图排列顺序，其中T_spec是非常接近周期结束点的一个时刻。在各种情况下，低阶k-空间视图的获取时间都集聚在T_spec附近，其余的视图按照逻辑序列获取。

根据上述的教导可以作出本发明的其它实施例和改进。所以，应当理解，在所公开的原理范围内，还可以以与上述特定方式不同的方式实现本发明。

Claims (16)

1、用于对受检体内的一个区域三维磁共振成象的一种方法，其中所说区域发生着周期运动，所说方法包括以下步骤：

检测所说连续的运动周期中每一个的开始点；

在所说连续运动周期的每一个周期内获取所说区域的一组磁共振视图，其中每个所说视图距两维k-空间中心具有已知的径向距离，所说各组视图中的每一组包括位于所说k-空间中心附近的一个最低频率视图；和

选择获取各组视图的次序，使得所说最低频率视图分另在其各自对应的运动周期开始点之后的相同特定时间获取。

2、如权利要求1所述的方法，其中：

一组视图共同限定所说k-空间中的一个分段，所说分段中的每一个都具有与之相关的连续的磁共振序列重复，其以选定时间间隔出现在一个所说运动周期中；

一个给定组的每个视图都是在由所说给定组的各个视图限定的分段的一个重复期间获取的；和

所说给定组的所说最低频率视图是在特定重复期间获取的，所说特定重复出现在与所说给定组对应的运动周期开始点之后的所说特定时间。

3、如权利要求2所述的方法，其中：

每个所说组视图保存在一个查阅表中，各个视图按照从最小的径向k-空间距离向最大的径向k-空间距离的顺序保存在所说查阅表中；和

所说次序选择步骤包括将一个分段的特定重复与所说保存视图相互映射的步骤。

4、如权利要求3所述的方法，其中：

所说映射步骤通过为保存在所说查阅表中的每个视图使用一个特定的索引来实现。

5、如权利要求4所述的方法，其中：

所说索引用于指示在所说k-空间中交错排列的分段。

6、如权利要求5所述的方法，其中：

每个所说视图由沿被所说k-空间限定的一个平面正交的轴获取的磁共振数据构成。

7、如权利要求6所述的方法，其中：

所说受检体的所说区域包括一个选定的心脏区域，所说的周期运动包括心动。

8、如权利要求7所述的方法，其中：

选择所说特定时间以在各个心动周期中选定时间点提供用于构成所说选定心脏区域的磁共振图象的视图。

9、如权利要求8所述的方法，其中：

每个所说运动周期的开始都响应于检测到一个ECG脉冲。

10、如权利要求6所述的方法，其中：

所说受检体的所说区域包括一个选定的呼吸区域，所说周期运动包括呼吸运动。

11、如权利要求2所述的方法，其中：

所说分段数量和与每个所说分段相关的重复数目都是可任意选择的数值。

12、如权利要求2所述的方法，其中：

所说给定组的视图包括一簇分别具有低频的视图，所说的一簇视图包括在所说特定重复期间获取的视图，还包括刚好在所说特定重复之前和之后的重复期间分别获取的视图。

13、用于对受检体内一个区域进行三维磁共振成象的一种方法，其中所说区域发生着周期运动，所说方法包括以下步骤：

检测多个连续的所说运动周期中每一个的开始点；

在所说连续运动周期中每一个期间获取所说区域的一组磁共振视图，这一组视图共同限定了两维k-空间中一个对应的分段；和

选择获取各组视图的次序，使得每组视图中的一簇在所说k-空间中是低阶的，与一个特定运动周期相应的这一簇视图包括分别在刚好在所说特定周期开始之后的一个特定时间之前和之后获取的视图。

14、如权利要求13所述的方法，其中：

所说分段的数目，和限定一个分段的所说视图的数目都是可任意选择的。

15、如权利要求13所述的方法，其中：

所说受检体的区域包括一个选定的心脏区域，所说周期运动包括心动。

16、如权利要求13所述的方法，其中：

所说受检体的所说区域包括一个选定的呼吸区域，所说周期运动包括呼吸运动。

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