CN1769921A - 在磁共振断层造影中避免皱褶伪影的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁共振断层造影方法，其利用在感兴趣的待显示第一图像区域的至少一个相位编码方向上的过扫描，该方法具有以下步骤：在一个选择出的断层中对整个待检查对象拍摄概貌截面图像，在该概貌截面图像中采集待测量的感兴趣第一图像区域的标记输入，根据第一图像区域的几何特性、该概貌截面图像以及两个图像区域相互之间的相对位置，在至少一个相位编码方向上扩展该第一图像区域，使得产生完全包含该第一图像区域并在该第一图像区域中没有皱褶的被扩大的过扫描的第二图像区域。

Description

在磁共振断层造影中避免皱褶伪影的优化方法

技术领域

本发明总地涉及如在医学中用于检查患者的核自旋断层造影(同义词：磁共振断层造影MRT)。本发明尤其涉及一种在待显示的图像区域的至少一个相位编码方向上进行过扫描的MRT方法。

背景技术

MRT以核自旋共振的物理现象为基础，并作为成像方法成功地用于医学和生物物理领域已超过15年。在这种检查方法中，对象被施以强恒定磁场。由此使对象体内原本无规则取向的原子的核自旋定向。高频波现在可以将该“定向”的核自旋激励为特定的振荡。该振荡在MRT中产生可以由合适的接收线圈接收的实际测量信号。通过采用由梯度线圈产生的不均匀的磁场，可以在所有3个空间方向上对测量对象进行空间编码，这一般称为“位置编码”。

在MRT中接收数据在所谓的k域(同义词：频域)中进行。在所谓的图像域中可以借助傅立叶变换将MRT图像与k域中的MRT数据相关联。在k域上对对象的位置编码是借助梯度在所有3个空间方向上进行的。在此要区别层选择(确定对象内的拍摄层，通常为Z轴)、频率编码(确定层中的方向，通常为x轴)和相位编码(确定层中的第二维，通常为y轴)。此外，还可以通过沿z轴的另一个第二相位编码将所选择的层分为更多的层。

因此，首先选择性地例如在z方向上激励一个断层，必要时在z方向上进行相位编码。该断层中的位置信息的编码通过组合的相位编码和频率编码借助已经提到的与这两个编码正交的梯度场来进行，在z方向上激励的断层的例子中，该梯度场通过同样已经提到的梯度线圈在x和y方向上产生。

在图2A和2B中示出在MRT实验中拍摄数据的可能形式。所采用的序列是自旋回波序列。在这种序列中，通过90°激励脉冲在x-y平面中实现自旋的磁化。在一段时间之后(1/2T_E；T_E是回波时间)，共同形成x-y平面M_xy中的横向磁化的磁化部分发生相移(Dephasierung)。经过特定时间(例如1/2T_E)之后在x-y平面中这样射入180°脉冲，使得相移的磁化部分被反射而不会改变各个磁化分量的进动方向和进动速度。再经过一段时间1/2T_E之后，磁化分量又显示为相同的方向，也就是说形成称为“重相化(Rephasierung)”的横向磁化的再生。横向磁化的整个再生称为自旋回波。

为了测量待检查对象的整个断层，针对诸如G^y的相位编码梯度的不同的值重复N次成像序列。在此各个被激励的HF脉冲之间的时间距离称为重复时间TR。在每个序列过程中通过以Δt为节拍的ADC(模拟数字转换器)，同样以等间隔的时间步长Δt在存在读取梯度G^x的条件下对核共振信号(自旋回波信号)扫描N次。通过这种方式，根据图2B获得逐行产生的具有N×N个数据点的数字矩阵(k域中的矩阵或者说k矩阵)。从该数据组中可以通过傅立叶变换直接再现出被观察断层的MR图像，其具有N×N个像素的分辨率(具有N×N个点的对称矩阵只是个例子，还可以产生非对称矩阵)。

各个测量的MRT信号各定义k矩阵的一个值，并且通过振幅、频率和相位来描述。在MR断层造影中，振幅包含关于自旋密度的信息，而信号频率和相位用于对相应的空间方向进行位置编码。

与频率编码相反，相位编码梯度(例如G^y)在确定的时间段内只在激励和采集之间来回切换。在接通相位编码梯度之后，虽然所有自旋又以相同的共振频率进动，但只具有一个与位置相关的相位。如图2A所示，相位编码梯度的持续时间保持恒定，从而该相位只取决于待编码的空间方向(例如y方向)以及相应的梯度强度G^y。在此，信号的相位随着空间方向(y方向)线性改变。由此针对每个梯度强度都对核共振信号进行限定的相位调制。

为了使相位调制对每个相位编码步骤以及由此与所有相位编码步骤的对应关系是唯一的，不允许待检查对象的感兴趣的待测量区域在相位编码方向上越过一个有限的范围。信号可以在其中唯一对应于一个位置的该范围被称为视场(FOV)。如果感兴趣区域或者说对象本身位于该FOV内，则可以通过多个相位编码步骤的相位调制来唯一确定所有对象位置。如果感兴趣区域部分地位于FOV外，则产生多意性。在图像中由皱褶来表明该多意性，皱褶也称为“卷积伪影”。

因此，皱褶出现在这样的对象结构中，其在测量层中但在相位编码方向上位于一般由用户在测量层中以矩形标出的图像场(FOV)之外。这是因为，相位编码梯度具有周期性，并且只从0°到360°是唯一的。这个现象可借助图3A和3B解释：MRT设备不能区分370°和10°，因此在相位编码方向中在370°时从图像区域(FOV)31右侧突出的对象32的部分33，在再现后的图像31’的左侧33又卷积到10°的图像区域中。反过来，在相位编码方向在-5°时从图像区域31左侧突出的对象32的部分34，在再现后的图像31’的右侧34又卷积到图像区域31(355°)中。

但是，完全位于FOV中的对象结构32’在再现后的图像中被唯一地成像。

避免皱褶的最简单方法是这样设置相位编码方向，使得在该相位编码方向上对象结构不会再从图像区域中突出。但这在图像区域(FOV)由对象结构的所有边包围的最一般的情况下(参见图4A)是不可能的。

在这种情况下根据现有技术是如下解决的：

在由开始的“侦察图像”方法于感兴趣测量平面中采集整个对象的概貌截面图像并在该图像中由用户绘制出宽度在相位编码方向中为a的感兴趣图像区域FOV^a之后，将最初的FOV^a的两条边从其中心这样扩展，使得出现完全包含对象的FOV^b旧。

从计算角度看，在相位编码方向b_旧上的扩展由对象在相位编码方向s上的整体宽度以及输出图像区域FOV^a的中心与对象中心之间在相位编码方向上的距离d根据以下公式得出：

b_旧＝s/2+s/2+2|d|＝s+2|d|。

为了不固定在特定的相位编码方向上，目前根据相同的方法在频率编码方向(在图4A、4B的垂直方向)扩大图像，从而最终扩大了图像区域，使得没有对象区域再从新的FOV^b旧中突出。这导致在平行于或垂直于输出图像区域FOV^a中的a来扫描加宽的FOV^b旧时不会再出现皱褶。

该方法的最大缺点是要对实际感兴趣图像区域FOV^a(图4)的过扫描，该过扫描不仅导致延长数倍的扫描持续时间，而且需要数倍的存储空间。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题是提供一种方法，通过在相位编码方向上优化对图像区域(FOV)的过扫描而避免皱褶，同时减少测量数据和缩短测量持续时间。

根据本发明提供了一种磁共振断层造影方法，其利用在感兴趣的待显示第一图像区域的至少一个相位编码方向上的过扫描，该方法具有以下步骤：

-在一个选择出的断层中对整个待检查对象拍摄概貌截面图像，

-在该概貌截面图像中采集待测量的感兴趣第一图像区域的标记输入，

-根据第一图像区域的几何特性、该概貌截面图像以及两个图像区域之间的相对位置，在至少一个相位编码方向上扩大第一图像区域，使得产生完全包含第一图像区域并在该第一图像区域中没有皱褶的被扩大了的过扫描的第二图像区域。

根据本发明，所述几何特性涉及

-第一图像区域在相位编码方向上的宽度a，

-由a限定的第一图像区域的平行投影在投影方向上穿过所述概貌截面图像的最大对象宽度s，

-相位编码方向上作为第一图像区域的中心与通过a和s限定的投影的中心之间的距离的距离d。

在此，优选根据以下公式将第一图像区域的宽度a扩大为宽度b：

b＝(a+s)/2+|d|。

此外优选还沿着第二相位编码方向来应用所述方法。

根据本发明这样进行扩展，使第二图像区域的中心尽可能接近基本磁场的均匀空间M的中心。

此外，还提出一种用于实施根据本发明方法的装置。

此外还提出用于实施根据本发明方法的计算机软件产品，该软件产品在与根据本发明的磁共振断层造影设备连接的计算装置上运行。

附图说明

下面借助附图所示实施例详细解释本发明的其它优点、特征和特性：

图1示意性示出核自旋断层造影设备，

图2A示意性示出自旋回波序列的梯度脉冲流函数的时间变化过程，

图2B示意性示出在图2A的自旋回波序列中对k矩阵的时间扫描，

图3A示意性示出待扫描区域相对于待检查对象的输出情况，该情况会在待扫描区域中产生皱褶，

图3B示意性示出在再现后的图像中的皱褶伪影，该伪影由图3A的情况引起，

图4A示意性示出根据现有技术对FOV的扩展，以避免在再现图像中的皱褶，

图4B示意性示出根据图4A扩展的FOV相对于实际的感兴趣FOV，

图5A示意性示出为了避免再现图像中的皱褶而根据本发明对FOV^a的扩展，

图5B示意性示出相对于实际感兴趣FOV^a的图5A中根据本发明扩展的FOV^b新，

图6A示意性示出在对象几何特性的特殊情况下沿着第二相位编码方向按照本发明对FOV^aa’的扩展，

图6B示意性示出相对于实际感兴趣的无皱褶的待成像FOV^aa’的图6A中根据本发明扩展的FOV^bb’。

具体实施方式

图1示出核自旋断层造影设备的示意图，用于根据本发明在由用户标记(扩展的最小过扫描的)区域中进行MRT测量。核自旋断层造影设备的结构在此对应于传统断层造影设备的结构。基本磁场磁铁1产生时间上恒定的强磁场来极化或定向对象检查区域内的核自旋，该检查区域例如是人体的待检查器官。核自旋共振测量所需的基本磁场的高度均匀性在球状测量空间M中限定，人体的待检查部分将被置于该测量空间中。为了支持均匀性要求并尤其是消除不随时间变化的影响，在合适的位置设置由铁磁材料制成的所谓填隙铁片。随时间改变的影响通过由补偿供电装置15控制的补偿线圈2消除。

在基本磁场磁铁1中采用圆柱形的梯度线圈系统3，该线圈系统由3个部分绕组构成。每个部分绕组由放大器14供电，以便在笛卡尔坐标系的各方向上产生线性梯度场。梯度场系统3的第一部分绕组产生x方向上的梯度Gx，第二部分绕组产生y方向上的梯度Gy，第三部分绕组产生z方向上的梯度Gz。每个放大器14都包括一个数字模拟转换器，后者由序列控制装置18控制以便及时产生梯度脉冲。

在梯度场系统3内设有高频天线4，该天线将由高频功率放大器30输出的高频脉冲转换为交变磁场，以激励原子核并定向待检查对象或者说对象的待检查区域的核自旋。通过高频天线4将由进动的核自旋发出的交变场、也就是一般由一个或多个高频脉冲和一个或多个梯度脉冲组成的脉冲序列引起的核自旋回波信号转换为电压，通过放大器7将该电压输入高频系统22的高频接收信道8。此外，高频系统22还包括发送信道9，其中产生用于激励磁核共振的高频脉冲。在此，相应的高频脉冲基于设备计算机20预先给定的脉冲序列而在序列控制装置18中被数字化地显示为复数序列。该数列作为实部和虚部分别通过输入端12输入高频系统22的数字模拟转换器，并由该转换器送至发送信道9。在发送信道9中将该脉冲序列调制为高频载波信号，其基本频率等于测量空间中的核自旋的共振频率。

从发送运行到接收运行的切换通过发送-接收转换器6进行。高频天线4将用于激励核自旋的高频脉冲入射到测量空间M中，并扫描所产生的回波信号。相应获得的核共振信号在高频系统22的接收信道8中被相敏解调，并通过相应的模拟数字转换器转换为测量信号的实部和虚部。通过图像计算机17从这样获得的测量数据中再现出图像。对测量数据、图像数据和控制程序的管理通过设备计算机20进行。基于用控制程序预先输入的参数，序列控制装置18控制各期望的脉冲序列的产生和对k域的相应扫描。尤其是，序列控制装置18控制对梯度的及时接通，对具有限定相位和振幅的高频脉冲的发送和对核共振信号的接收。高频系统22和序列控制装置18的时间基础由合成器19提供。通过包括键盘和一个或多个显示器的终端21来选择用于产生核自旋图像的相应控制程序以及显示所产生的核自旋图像。

根据本发明，所描述的MRT设备应当具有计算单元或者说图像处理单元(例如在设备计算机20中)，用于按照本发明的方法在作为基础的概貌截面图像(侦察图像)以及其中绘制的没有皱褶的感兴趣的输出图像区域(FOV^a)中识别出相应的几何特性，并基于该认识在测量之前将输出图像区域扩展为所谓的扩大的图像区域(FOV^b)。

下面借助图5A和5B解释沿着一维的本发明方法。一维的意思是，只进行一次相位编码，所述扩展也只在该一个相位编码方向上进行。

在图5A中可以看见椭圆形的对象结构32，其示出待检查对象在相位编码-频率编码平面中的概貌截面图像。所示出的是一个矩形的图像区域(FOV^a)，其具有相位编码方向上的宽度a和频率编码方向上的宽度a’。为清楚起见，将FOV^a的中心选择在对象中心的高度上。两个中心之间的距离是d。

如果只在FOV^a中进行一次MRT测量，则整个对象结构在FOV^a两侧的高度为a’的水平条纹上被卷积到FOV^a中。

避免这种现象的方法是向右将FOV^a水平扩展到对象结构的右边界。通过这种方式可以正确地一起测量FOV^a右边的整个相关区域，并且不会再卷积到FOV^a中。虽然FOV^a左边直到对象结构左边界的区域会卷积到向右扩展的图像区域中，但该卷积会限制在FOV^a右边的扩大了的区域中，FOV^a本身还是没有皱褶。

更为普遍的解决方法是向两侧扩展FOV^a。在此要考虑，通过向左扩展例如数量y(图5A)，可以将向右的扩展减小数量y，因为右边减小的区域的对象结构只会卷积到左边扩展了y的区域中。这种考虑在数学上导致本发明的扩大的FOV宽度为：

b_新＝a+x+y                                             (1)

其中x表示向一侧(图5A中是向右)减小了y的扩展。虽相互依赖但可变的长度x和y可以通过对象特性中的参数d和s按照下式表示出来：

a/2+x+y＝s/2+|d|                                       (2)

最后，代入x与y之和((1)减去(2))产生根据下式的总扩展宽度b_新：

b_新＝(a+s)/2+|d|                                       (3)

其中d的数值是FOV^a的相应边与对象中心的距离。

上面的等式(3)表示，也可以允许扩大的图像区域FOV^b新在相位编码方向上相对于输出图像区域FOV^a任意移动，只要FOV^a完全保留在FOV^b新中。这在直观上也是清楚的，因为在一侧的越来越大的不足扫描要通过在另一侧的越来越大的过扫描来补偿。

由此也包含了开始描述的特殊情况，其中两个图像区域(FOV^a，FOV^b新)的两条边界重合，从而扩大的图像区域FOV^b新的相对的那条边与对象边界齐平。

根据本发明，可以利用扩大的图像区域(FOV^b新)可以相对于输出图像区域(FOV^a)移动的可能性，其中这样移动FOV^b新，使得其中心尽可能接近均匀空间M(图1)的中心。由此保证不会再由于磁场的非均匀性而从FOV^b新的外部区域中产生皱褶。

如已经在说明书导言部分提及的，在一些情况下可以在两个(相互正交的)方向上进行相位编码。然后，一般垂直于由第一和第二相位编码方向限定的平面来进行频率编码。为了在这种由图6A示出的情况中避免皱褶伪影，需要根据本发明在两个相位编码方向上扩展输出图像区域FOV^aa’。

在此，在图6A中示出对象几何特性的特殊形式以及输出图像区域在该几何特性下的特殊位置。

根据图6A所示的对象的概貌截面图像，对象在该拍摄平面中向下变细。宽度为a高度为a’的输出图像区域FOV^aa’位于变细的一段中，使得在第一相位编码方向上扩展FOV^aa’时不必考虑在该方向上的整个对象宽度，而是在等式(3)中只采用在宽度为a’的平行投影内的变细的那一段的最大宽度s。

与此相反，在扩展FOV^aa’时沿着第二相位编码方向考虑整个对象宽度s’。

为清楚起见在图6A的例子中分别这样选择相应的片段y和y’，使得a，x和2y以及a’，x’和2y’的和分别构成所观察的对象宽度s和s’。

总之，输出图像区域FOV^aa’沿着两个相位编码方向的扩展产生了图6B中示出的扩大的图像区域FOV^bb’。在此，扩大的图像区域FOV^bb’(如在一维的情况下，图5B)可以相对于输出图像区域FOV^aa’任意移动，只要区域FOV^aa’完全保留在FOV^bb’中。如在一维情况下解释的，优选FOV^bb’相对于FOV^aa’这样移动，使得FOV^bb’的中心尽可能靠近系统中心M。

已提到过两个区域(FOV^aa’，FOV^bb’)以像素排列一致的像素矩阵为基础，也就是像素矩阵的水平和垂直像素距离是相等的。这使得在扩展或移动图像区域时必须考虑重叠区域的所有像素的一致性(也就是重叠)，但在像素排列密度很大的情况下会导致近乎连续的扩展或移动。

Claims (7)

1.一种磁共振断层造影方法，其利用在感兴趣的待显示第一图像区域的至少一个相位编码方向上的过扫描，该方法具有以下步骤：

-在一个选择出的断层上对整个待检查对象拍摄概貌截面图像，

-在该概貌截面图像中采集该待测量的感兴趣第一图像区域的标记输入，

-根据该第一图像区域的几何特性、该概貌截面图像以及两个图像区域相互之间的相对位置，在至少一个相位编码方向上这样扩展该第一图像区域，使得产生完全包含该第一图像区域并在该第一图像区域中没有皱褶的被扩大的过扫描的第二图像区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述几何特性包括

-所述第一图像区域在相位编码方向上的宽度a，

-由a限定的第一图像区域的平行投影在投影方向上穿过所述概貌截面图像的最大对象宽度s，

-在相位编码方向上作为所述第一图像区域的中心与通过值a和s限定的投影的中心之间的距离的距离d。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据以下公式将所述第一图像区域的宽度a扩大为宽度b：

b＝(a+s)/2+|d|。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对所述第一图像区域的扩展还沿着第二相位编码方向进行。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，这样进行所述扩展，使得所述第二图像区域的中心尽可能接近基本磁场的均匀空间M的中心。

6.一种磁共振断层造影设备，用于实施根据权利要求1至5中任一项所述方法。

7.一种计算机软件产品，其特征在于，当该软件产品在与根据权利要求4所述的磁共振断层造影设备连接的计算装置上运行时实施根据权利要求1至3中任一项所述的方法。

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