DE69821998T2

DE69821998T2 - Reduzierung von Geisterbildfehlern

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Publication number: DE69821998T2
Application number: DE69821998T
Authority: DE
Inventors: Leonard Barry Beeston CHAPMAN
Original assignee: BTG International Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: EP1053484B1; IL135608A0; WO1999030180A1; GB9726143D0; IL135608A; JP2001526068A; US6697507B1; EP1053484A1; DE69821998D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von Geisterbildfehlern in Bilddaten. Die Erfindung wird insbesondere bei abbildenden Verfahren auf dem Gebiet der Magnetresonanz (MRI Magnetic Resonance Imaging) angewendet, die anfällig sind für kohärente Geisterbildfehler.
Bei herkömmlichen zweidimensionalen Fourier-Transformationsverfahren (2DFT) wird eine „Zeile" von Daten im Probenraum (auch k-Raum genannt) für jede Anwendung eines HF-Impulses (rf) erfasst. Um jede Zeile erfassen zu können, werden die daraus resultierenden Echosignale während des Aufbaus der magnetischen Gradienten in „Leserichtung" bei verschiedenen Punkten abgetastet. Ein inkrementelles Ansteigen des magnetischen Gradienten findet in „Phasencodierrichtung" statt, um aufeinander folgende Zeilen durch die Probe zu lesen. Die abgetasteten Daten werden einer zweidimensionalen Fourier-Transformation ausgesetzt, um die Bilddaten zu erhalten.
Unter bestimmten Umständen kann es zu einer periodische Variation in den abgetasteten Daten kommen, was zu dem Auftreten eines Geisterbildfehlers in den Bilddaten führt. Die periodische Variation kann in jedem der Parameter der abgetasteten Daten auftreten, z. B. in der Amplitude oder der Abtastzeit. Jedes Phänomen, das eine periodische Variation in den abgetasteten Daten hervorruft, kann zu einem Geisterbild führen. Typische Beispiele sind periodische Bewegungen in der Probe, wie sie z. B. auftreten können, wenn Bilder vom Herzen bzw. der Lunge erstellt werden, oder periodische Variationen bei den Betriebsbedingungen des abbildenden Geräts, die durch interne oder externe Einflüsse entstehen können. Bei der periodischen Bewegung des Herzens tritt ein kohärentes Geisterbild auf, wenn der Herzschlag in Relation zu der Abtastrate steht.
Bei einigen MRI-Verfahren kann eine periodische Variation in den abgetasteten Daten aufgrund der Art und Weise auftreten, wie die Daten erfasst worden sind. Beispiele für derartige Verfahren sind die Echo-Planar-Bildgebung (EPI – Echo Planar Imaging), die segmentierte EPI und die Echo-Volumar-Bildgebung (EVI).
Die Echo-Planar-Bildgebung unterscheidet sich von 2DFT dahingehend, dass ein ganzes Bild von einem einzigen HF-Anregungsimpuls erfasst worden ist. Um das Bild zu erfassen, werden Inkremente des magnetischen Gradienten in Phasencodierrichtung angelegt, während das Magnetfeld in der Leserichtung zwischen positiv und negativ hin- und herschaltet. Die Echosignale werden an verschiedenen Punkten während des Aufbaus der magnetischen Gradienten abgetastet, um abgetastete Echodaten zu erhalten. Dann werden die abgetasteten Daten einer zweidimensionalen Fourier-Transformation ausgesetzt, um die Bilddaten erhalten zu können.
EPI an sich umfasst eine periodische Variation in den abgetasteten Daten als Ergebnis des alternierenden Umschaltens des Magnetfeldes in Leserichtung zwischen positiv und negativ. Ein derartiges Umschalten des Magnetfeldes führt zu alternierenden Zeilen in den abgetasteten Daten, was eine Zeitumkehr vor der Fourier-Transformation erforderlich macht. Jegliche Falschausrichtung zwischen den zeitlich umgekehrten Zeilen führt in dem Bild zum Erscheinen eines kohärenten Geisterbildes, das mit dem tatsächlichen Bild überlappt.
Segmentierte EPI wird durch Anlegen einer Anzahl von Anregungsimpulsen durchgeführt und durch Erfassen eines Teils der Daten, mit Segment bezeichnet, nach jedem Impuls. Veränderungen der Arbeitsbedingungen zwischen den unterschiedlichen Segmenten zusammen mit dem Umschalten des Magnetfeldes innerhalb eines jeden Segments können zu periodischen Variationen in den abgetasteten Daten führen, wobei die Periodizität die doppelte Anzahl von Segmenten beträgt. Dadurch entstehen Mehrfachgeisterbildfehler in der Bilddomäne.
Aus Gründen der Vereinfachung richtet sich ein Großteil der folgenden Beschreibung auf die EPI, die stark anfällig ist für einen einzigen kohärenten Geisterbildfehler bei +Np/2 in sich ergebenden Bildern, wobei Np die Anzahl von Punkten in Phasenco dierrichtung ist. Allerdings kann die vorliegende Erfindung auf jedes Bildgebungsverfahren angewendet werden, bei dem ein kohärentes bzw. pseudo-kohärentes Geisterbild auftritt, ungeachtet des Ursprungs des Geisterbildes.
Es sind verschiedene Verfahren zur Verringerung bzw. Löschung von Geisterbildfehlern bei der EPI verwendet worden. Das einfachste Verfahren ist vielleicht ein manuelles Verfahren, wobei relative Zeitverschiebungen in den Abtastpunkten zwischen zeitlich umgekehrten Zeilen manuell eingestellt werden, bis das Geisterbild verschwindet. Dies hat den Nachteil, dass ein erfahrener Operator eingreifen muss. Ferner ist es erforderlich, dass das System Einrichtungen zur Echtzeit-Datenerfassung, zur Rekonstruktion und zur Bildanzeige umfasst.
Es ist ein alternatives Verfahren zur Eliminierung von Geisterbildfehlern vorgeschlagen worden, bei dem zunächst eine Kalibrierungsabtastung durchgeführt wird, um die Zeitverschiebung zwischen den zeitlich umgekehrten Datenzeilen zu bestimmen. Diese Zeitverschiebung wird dann verwendet, um die Fehler in nachfolgenden Bildabtastvorgängen zu korrigieren. Dies hat den Nachteil, komplex zu sein und die für die Bildgebung erforderliche Zeit zu erhöhen. Darüber hinaus kann es zu Veränderungen in der Zeitverschiebung zwischen der Kalibrierungsabtastung und der Bildgebungs-Abtastung kommen, wodurch die Effizienz der Geisterbildeliminierung reduziert wird.
Es sind Verfahren vorgeschlagen worden, die zusätzliche, redundante Bezugsabtastzeilen innerhalb der Bildsequenzen anwenden (Jesmanowicz et al SMRM Zusammenfassung, 1993, S. 1239 und EO 0644 437A, Philips Electronics NV, 1995). Da sie ein zusätzliches Abtastung der Daten erfordern, verlängert sich durch diese Verfahren die Datenerfassung und somit auch die Bildgebungszeiten, was bei Hochgeschwindigkeits-Abbildungsverfahren kritisch ist.
Ein Nachverarbeitungsverfahren zum Verringern von Geisterbildfehlern ist durch Bruder et al in Magnetic Resonance in Medicine, Band 23, S. 311–323 (1992) vorgeschlagen worden. Bruder et al schlugen vor, die Daten in der Bilddomäne automatisch einzustellen, bis das Geisterbild im wesentlichen verschwunden ist. Dieses Verfahren bezieht sich auf das Originalbild und das Geisterbild, das im Abstand davon angeordnet ist, d. h. im Bildfeld nicht überlappt. Das Verfahren kann daher nicht angewendet werden, wenn über dem gesamten Bildfeld ein Originalbild steht. Bei der EPI ist dies ein bedeutender Nachteil, da die Größe des Bildfeldes durch die Fähigkeit des abbildenden Geräts, große und schnell variierende Magnetfelder zu erzeugen, begrenzt ist. Folglich ist es wenig wünschenswert, den dem Originalbild zugeordneten Bereich weiter zu reduzieren, indem ein Bereich zur Verringerung von Geisterbildfehlern reserviert wird.
Ein dem Verfahren von Bruder et al ähnliches Verfahren ist von Buonocore et al in Magnetic Resonance in Medicine, Band 38, S. 89–100 (1997) vorgeschlagen worden. Das Verfahren von Buonocore et al bezieht sich ebenfalls auf das getrennte Analysieren des Geisterbildfehlers und kann daher nur angewendet werden, wenn es einen Bereich ohne Überlappung zwischen dem Originalbild und dem Geisterbild gibt. Somit weist dieses Verfahren die gleichen Nachteile auf, wie das von Bruder et al.
Bei Anwendung von Bildgebungsverfahren wie z. B. segmentierte EPI, bei denen Mehrfachgeisterbildfehler auftreten, würden die Verfahren von Bruder et al und Buonocore et al die Erfassung von entsprechend mehr Zeilen erforderlich machen, die für die Entfernung von Geisterbildern reserviert sind, und ohne Originalbild wären sie sogar weniger praktikabel.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung von Geisterbildfehlern zu schaffen, um die Probleme des Standes der Technik zu beseitigen bzw. zu reduzieren.
Eine Aspekt der Erfindung besteht darin, dass eine Vorrichtung zur Verringerung von Geisterbildfehlern in Bilddaten geschaffen ist, wobei die Vorrichtung für den Einsatz mit einer Bildgebungsvorrichtung gedacht ist, die abgetastete Rohbilddaten erzeugt, die eine periodische Variation erfahren können, so dass die genannten Geisterbild fehler entstehen können, wobei die Vorrichtung Bildrekonstruktionsmittel zum Konvertieren der abgetasteten Rohbilddaten in die Bilddaten zum Rekonstruieren eines Bildes umfasst, gekennzeichnet durch Mittel zum Analysieren nur der abgetasteten Rohbilddaten, um eine Korrektur zum Reduzieren der Geisterbildfehler zu ermitteln, ohne dass zusätzliche abgetastete Daten über die von dem genannten Bildrekonstruktionsmittel benötigten hinaus notwendig sind.
Das Analysieren von abgetasteten Daten (anstelle der Bilddaten) zum Ermitteln einer Korrektur, kann den Vorteil bieten, dass eine Korrektur zum Reduzieren von Geisterbildfehlern berechnet werden kann, ohne dass weitere Daten erfasst werden müssen. Gleichzeitig kann die vorliegende Erfindung einfach in bestehende Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren implementiert werden, da keinerlei Änderungen der Datenabtastverfahren erforderlich sind. Das erforderliche Eingreifen eines Operators bei der Verringerung von Geisterbildfehlern kann vermieden werden. Das Analysieren von abgetasteten Daten hat den Vorteil, dass anstelle des Einstellens der Betriebsbedingungen Geisterbildfehler ungeachtet ihres Ursprungs reduziert werden können.
Es ist erfindungsgemäß realisiert worden, dass kohärente Geisterbildfehler von einem Versatz tatsächlicher Abtastpunkte von gewünschten Abtastpunkten herrühren können, d. h. jenen, die für eine Fourier-Transformation erforderlich sind, um eine korrekte, geisterbildfreie Bildrekonstruktion zu erhalten. Daher kann das Analysemittel Mittel zum Ermitteln eines Versatzes eines tatsächlichen Abtastpunktes in den abgetasteten Daten von einem gewünschten Abtastpunkt umfassen, um so die Korrektur zu ermitteln.
Das Ermittlungsmittel kann so gestaltet sein, dass es den Versatz eines tatsächlichen Abtastpunktes vom Punkt des maximalen Signals in den abgetasteten Daten ermittelt, da dadurch eine effiziente und bequeme Möglichkeit zum Ermitteln des Versatzes gegeben ist. Der Punkt des maximalen Signals befindet sich typischerweise dort, wo alle HF-Komponenten kohärent sind. Der Einfachheit halber kann das Ermitt lungsmittel so gestaltet sein, dass es eine Angleichprozedur an den abgetasteten Daten durchführt, um den Punkt des maximalen Signals zu schätzen.
Die Vorrichtung kann ferner ein Mittel zum Aufteilen der abgetasteten Daten in zwei oder mehrere Datensätze umfassen, und das Analysemittel kann so ausgerichtet sein, dass es eine Korrektur für wenigstens einen solchen Datensatz ermittelt; in diesem Fall kann die Korrektur ein Versatz eines tatsächlichen Abtastpunktes von einem gewünschten Abtastpunkt in dem Datensatz sein. Jeder der Datensätze kann Daten enthalten, die bei entsprechenden Punkten in unterschiedlichen Zyklen der periodischen Variation erfasst worden sind.
Bei der EPI (Echo-Planar-Imaging) tritt z. B. eine periodische Variation in den abgetasteten Daten aufgrund des alternierenden Umschaltens des Magnetfeldes in Leserichtung zwischen positiv und negativ auf. Daher können die abgetasteten Daten in zwei Datensätze aufgeteilt werden, wobei der eine die im positiven Feld erfassten Daten und der andere die im negativen Feld erfassten Daten enthält. Bei der segmentierten EPI können die abgetasteten Daten in mehrere Datensätze aufgeteilt werden, die der doppelten Anzahl der Segmente äquivalent sind und wobei jeder die im positiven bzw. negativen Feld erfassten Daten in einem Segment enthält. Im Allgemeinen entspricht die Anzahl der Datensätze der Anzahl von Bildern (Originale und Geisterbilder).
Das Analysemittel kann so gestaltet sein, dass es eine Korrektur für einen Datensatz relativ zu einem anderen ermittelt. Dadurch wird eine Korrektur eines Datensatzes relativ zu einem anderen ermöglicht, anstatt jeden Datensatz individuell korrigieren zu müssen; folglich kann der Verarbeitungsumfang reduziert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, dass eine Korrektur der Datensätze vorzugsweise nach der Transformation durchgeführt wird, da dadurch eine einfache Phasenkorrektur auf transformierte Daten ermöglicht wird. Die Vorrichtung kann daher ferner Mittel zum separaten Transformieren der Daten in jedem Daten satz umfassen und in diesem Fall können Mittel zum Umwandeln der Korrektur in eine Korrektur, die auf transformierte Daten angewendet werden soll, und Mittel zum Anwenden der konvertierten Korrektur auf transformierte Daten vorgesehen sein.
Das Analysemittel kann so gestaltet sein, dass es eine Korrektur für im wesentlichen alle Daten in jedem Datensatz ermittelt, und das Korrekturanwendungsmittel kann so gestaltet sein, dass es die konvertierte Korrektur auf im wesentlichen alle transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze anwendet. Dadurch kann der Verarbeitungsumfang reduziert werden, da die gleiche Korrektur auf alle Daten in einem Datensatz angewendet wird.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform kann das Transformationsmittel so eingestellt sein, dass es eine erste eindimensionale Fourier-Transformation durchführt, das Korrekturanwendungsmittel kann so gestaltet sein, dass es die konvertierte Korrektur auf die transformierten Daten in einem oder mehreren Datensätzen anwendet, und die Vorrichtung kann ferner Mittel zum Durchführen einer zweiten eindimensionalen Fourier-Transformation an den transformierten Daten umfassen. Die zweite eindimensionale Fourier-Transformation kann zur ersten orthogonal sein.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform kann das Transformationsmittel so gestaltet sein, dass es eine zweidimensionale Fourier-Transformation durchführt. In diesem Fall wird die Korrektur auf im wesentlichen alle Daten in einem oder mehreren Datensätzen angewendet, die einer zweidimensionalen Fourier-Transformation folgen. Eine zweidimensionale Fourier-Transformation kann effizienter sein als zwei orthogonale eindimensionale Fourier-Transformationen.
Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform kann das Analysemittel so ausgebildet sein, dass es anstelle einer Korrektur aller Daten in einem Datensatz eine Korrektur für einen Teil der Daten in jedem Datensatz ermittelt, und das Korrekturanwendungsmittel kann so gestaltet sein, dass es die konvertierte Korrektur auf einen Teil der transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze anwendet. Somit kann jeder Datensatz in eine Vielzahl von Teilen aufgeteilt werden und jeder Teil kann einer Zeile in jedem der Datensätze, oder einer Gruppe von Zeilen, oder irgend einer anderen Teilmenge entsprechen. In diesem Fall kann eine Korrektur individuell für jeden Teil berechnet und eine konvertierte Korrektur auf jeden der entsprechenden Teile angewendet werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die durchzuführende Korrektur innerhalb des Datensatzes variiert. Eine derartige Situation kann aufgrund von mangelhaften Gradienten und Feldinhomogenitäten auftreten.
Das Transformationsmittel kann so gestaltet sein, dass es eine erste eindimensionale Fourier-Transformation durchführt, das Korrekturanwendungsmittel kann so gestaltet sein, dass es die konvertierte Korrektur auf einen Teil der transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze anwendet, und das Transformationsmittel kann ferner so gestaltet sein, dass es eine zweite eindimensionale Fourier-Transformation an den transformierten Daten durchführt. Die zweite eindimensionale Fourier-Transformation kann zur ersten orthogonal sein.
Das Analysemittel kann so gestaltet sein, dass es eine Korrektur für einen Teil der Daten in einem Datensatz von der Korrektur für einen anderen Teil der Daten in einem Datensatz ermittelt. Dies erlaubt Korrekturen, die für Teile ermittelt werden, die Datenwerte mit geringem Störabstand (SNR) aufweisen, was andernfalls zu schlechten Schätzungen der Korrekturen führen würde.
Bei jeder der ersten drei bevorzugten Ausführungsformen kann die Vorrichtung Mittel zum Transformieren der abgetasteten Daten, Mittel zum Konvertieren der Korrektur in eine auf die transformierten Daten anzuwendende Korrektur und Mittel zum Anwenden der konvertierten Korrektur auf die transformierten Daten umfassen.
Bei einer vierten bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung ferner Mittel zum Anwenden der Korrektur auf die abgetasteten Daten vor der Konvertierung in Bilddaten umfassen. Dies kann zum Beispiel dann bevorzugt werden, wenn die Daten vor der Transformation einer anderen Verarbeitung ausgesetzt werden müssen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Bildgebungsvorrichtung zu schaffen, die so gestaltet ist, dass sie Daten abtastet, wobei sie die vorgenannte Vorrichtung umfasst. Die Bildgebungsvorrichtung kann passender Weise Mittel zum Anregen kernmagnetischer Resonanz sowie Mittel zum Erfassen der Resonanzantwortsignale umfassen. Ferner kann die Bildgebungsvorrichtung so gestaltet sein, dass sie Daten in Zeilen abtastet, von denen einige in Bezug auf andere zeitlich umgekehrt sind. Die Bildgebungsvorrichtung kann zum Beispiel so gestaltet sein, dass sie Echo-Planar-Bildgebung oder segmentierte Echo-Planar-Bildgebung durchführt. Alternativ dazu kann die Bildgebungsvorrichtung so gestaltet sein, dass sie drei oder mehr Magnetresonanzdimensionen durchführt, wie z. B. bei der Echo-Volumar-Bildgebung oder bei der gleichzeitigen Erfassung von zwei räumlichen Bilddimensionen und einer chemischen Änderungsdimension.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Verringern von Geisterbildfehlern in Bilddaten zu schaffen, wobei das Verfahren zur Anwendung mit einer Bildrekonstruktionstechnik gedacht ist, in der abgetastete Rohbilddaten erzeugt und in die Bilddaten konvertiert werden, wobei die Geisterbildfehler auf eine periodische Variation in den abgetasteten Rohbilddaten zurückzuführen sind, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Analysieren nur der abgetasteten Rohbilddaten, um eine Korrektur zu ermitteln, um die Geisterbildfehler zu reduzieren, ohne dass zusätzliche abgetastete Daten über die für eine Bildrekonstruktion notwendigen hinaus erforderlich sind.
Der Schritt des Analysierens der abgetasteten Daten kann das Ermitteln eines Versatzes eines tatsächlichen Abtastpunktes in den abgetasteten Daten von einem gewünschten Abtastpunkt umfassen, um so die Korrektur zu ermitteln. Der Schritt des Ermittelns des Versatzes kann das Ermitteln des Versatzes eines tatsächlichen Abtastpunktes von dem Punkt des maximalen Signals in den abgetasteten Daten umfassen. Der Schritt des Ermittelns des Versatzes kann das Durchführen einer Angleichprozedur an den abgetasteten Daten umfassen, um den Punkt des maximalen Signals zu schätzen.
Das Verfahren kann ferner das Unterteilen der abgetasteten Daten in zwei oder mehr Datensätze und das Ermitteln einer Korrektur für wenigstens einen solchen Datensatz umfassen. Der Schritt des Analysierens kann das Ermitteln einer Korrektur für einen Datensatz relativ zu einem anderen umfassen.
Das Verfahren kann ferner das separate Transformieren der Daten in jedem Datensatz umfassen. Das Verfahren kann ferner das Konvertieren der Korrektur in eine auf transformierte Daten anzuwendende Korrektur und das Anwenden der konvertierten Korrektur auf transformierte Daten umfassen.
Der Schritt des Analysierens kann das Ermitteln einer Korrektur für im wesentlichen alle Daten in jedem Datensatz und der Schritt des Anwendens der konvertierten Korrektur kann das Anwenden der konvertierten Korrektur auf im wesentlichen alle transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze umfassen.
Der Schritt des Transformierens kann das Durchführen einer ersten eindimensionalen Fourier-Transformation, der Schritt des Anwendens der konvertierten Korrektur kann das Anwenden der konvertierten Korrektur auf die transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze umfassen, und das Verfahren kann ferner das Durchführen einer zweiten eindimensionalen Fourier-Transformation, die eine orthogonale eindimensionale Fourier-Transformation sein kann, an den transformierten Daten umfassen.
Alternativ dazu kann der Schritt des Transformierens das Durchführen einer zweidimensionalen Fourier-Transformation umfassen.
Der Schritt des Analysierens kann das Ermitteln einer Korrektur für einen Teil der Daten in jedem Datensatz und der Schritt des Anwendens der konvertierten Korrek tur kann das Anwenden der konvertierten Korrektur auf einen Teil der transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze umfassen.
Der Schritt des Transformierens kann das Durchführen einer ersten eindimensionalen Fourier-Transformation, der Schritt des Anwendens der konvertierten Korrektur kann das Anwenden der konvertierten Korrektur auf einen Teil der transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze und der Schritt des Transformierens kann das Durchführen einer zweiten eindimensionalen Fourier-Transformation, die eine orthogonale eindimensionale Fourier-Transformation sein kann, an den transformierten Daten umfassen.
Der Schritt des Analysierens kann das Ermitteln einer Korrektur für einen Teil der Daten in einem Datensatz von der Korrektur für einen anderen Teil der Daten in einem Datensatz umfassen.
Das Verfahren kann das Transformieren der Daten, das Konvertieren einer Korrektur auf eine auf die transformierten Daten anzuwendende Korrektur und das Anwenden der konvertierten Korrektur auf die transformierten Daten umfassen.
Das Verfahren kann ferner das Anwenden der Korrektur auf die abgetasteten Daten vor dem Konvertieren in Bilddaten umfassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass ein Bildgebungsverfahren gegeben ist, bei dem Daten gemäß dem vorgenannten Verfahren abgetastet werden. Das Bildgebungsverfahren kann Daten in Zeilen abtasten, von denen einige in Bezug auf andere zeitlich umgekehrt sind. So kann das Bildgebungsverfahren beispielsweise Echo-Planar-Bildgebung oder segmentierte Echo-Planar-Bildgebung sein. Alternativ dazu kann das Bildgebungsverfahren zum Abbilden von drei oder mehr Magnetresonanzdimensionen wie z. B. bei der Echo-Volumar-Bildgebung oder beim gleichzeitigen Erfassen von zwei räumlichen Bilddimensionen und einer chemischen Änderungsdimension gedacht sein.
Bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ausschließlich anhand von Beispielen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei
1 ein Diagramm eines markierten Standardgradienten mit EPI-Sequenz ist;
2 eine Darstellung des charakteristischen, alternierenden vor- und zurück schwingenden Abtastens von k-Raum-Trajektorie der markierten EPI-Standardsequenz ist;
3 die EPI-Abtastpunkte zeigen, die relativ zur wahren Phasencodierachse verschoben sind, die durch den Mittelpunkt des k-Raumes verläuft, wo alle Spins ausgerichtet sind;
4 die Auswirkungen verschiedener Magnetfeldstörungen auf die Position der Phasencodierachse relativ zu den Abtastpunkten nach der zeitlichen Umkehr von alternierenden, ungeraden Zeilen zeigen;
5 die Bilder zeigt, die sich aus der separaten Rekonstruktion von geraden und ungeraden Echos ergeben;
6 die Bilder zeigt, die sich aus der separaten Rekonstruktion von geraden und ungeraden Echos ergeben, wenn eine zeitliche Verschiebung der geraden Echos gegeben ist;
7 die Situation zeigt, in der sich das Bild fast über das gesamte Bildgebungsfeld in Phasencodierrichtung erstreckt;
8 die Intensität des maximalen Signals in jeder Lesezeile der abgetasteten Daten relativ zu den abgetasteten Punkten zeigt;
9 Rekonstruktionen eines 64 × 128 EPI-Bildes eines Schnitts durch den Stängel eines Pfefferstrauches zeigen;
10 die Reihenfolge zeigt, in der Daten gesammelt werden, wenn segmentierte k-Raumverfahren mit überlappten Zeilen angewendet werden;
11 die Reihenfolge zeigt, in der Daten gesammelt werden, wenn segmentierte k-Raumverfahren mit aneinandergrenzenden Zeilen angewendet werden; und wobei
12 eine Vorrichtung zur Verwendung mit einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
1 zeigt eine zweidimensionale markierte („blipped") Standard-Gradienten-EPI-Sequenz, die für die Erfassung von Bilddaten verwendet werden kann. Ein HF-Anfangsimpuls bei Vorhandensein eines schichtwählenden Gradienten (A) dreht Spins in der gewählten Schicht in die Bildgebungsebene. Diese werden dann in die Schichtauswahlrichtung durch die Gradientenwellenform B erneut fokussiert. Die Gradientenwellenformen C und D bringen die Spins in Phasencodier- und Leserichtung jeweils aus der Phase. Danach werden die Spins durch Phasencodier-Blips (E) und Lese-Gradientenwellenformen (F) in den jeweiligen Richtungen in Phase gebracht, dann zu einem gewissen Grad aus der Phase gebracht, wodurch ein Signal entsteht, das aus einer Reihe von Gradientenechos (G) besteht, und die gesamte Abtastdomäne (allgemein als k-Raum bekannt) des geforderten Bildes bedeckt.
Durch Anwenden von Phasenmodulationsschritten während des schnellen Umschaltens der Lesecodierung tastet sich die Abtastung durch k-Raum vorwärts und rück wärts, wie in 2 dargestellt. Daraus folgt, dass der Signalaufbau in einem entgegengesetzten zeitlichen Sinn in abwechselnden k-Raumzeilen durchgeführt wird, was zu abwechselnden Zeilen in den zeitlich umgekehrten abgetasteten Daten führt. Diese vorwärts gerichteten und zeitlich umgekehrten Zeilen werden im Folgenden als ungerade und gerade Zeilen bezeichnet. Bei der EPI tritt daher eine periodische Variation in den abgetasteten Daten aufgrund der Art der Datenerfassung auf.
Vor der Fourier-Transformation sind sämtliche ungeraden bzw. sämtliche geraden Zeilen zeitlich umzukehren. Durch eine Fourier-Transformation der sich ergebenden Daten wird das erforderliche Magnetresonanzbild (MR) erzeugt. Eine erfolgreiche Bildrekonstruktion hängt davon ab, ob den Fourier-Abtastbedingungen Genüge getan wurde. Für N × M Bildpunkte sind N × M linear unabhängige Messungen (Abtastvorgänge) erforderlich. Die Abtastpunkte müssen den Mittelpunkt des k-Raumes enthalten, wobei der Mittelpunkt des k-Raumes der Punkt ist, bei dem alle Signale, bei allen Frequenzen, kohärent (in Phase) sind. Die Fourier-Transformation ist eine äußerst effiziente Art, die mit den N × M Abtastungen verbundenen N × M gekoppelten simultanen Gleichungen zu lösen. Das daraus resultierende Bild ist eher real als komplex.
Mängel beim MR-Verfahren werden durch Mängel im Bild widergespiegelt. Derartige Mängel umfassen kleine Abtaststeuerfehler, die zu einer Verschiebung der Abtastpunkte vom Ursprung, zu Variationen im Gradientenverlauf während der Erfassung von Datenpunkten und zu Magnetfeldinhomogenitäten führen. Bei der herkömmlichen Bildgebung werden komplexe N × M Datenpunkte erfasst, was 2 × N × M linear unabhängigen Abtastprozessen entspricht. Eine darauf folgende Fourier-Transformation erzeugt ein komplexes Bild, bei dem die vorstehend genannten Mängel zu Phasendifferenzen zwischen Punkten in dem Bild führen. Daraus folgt, dass diese Fehler korrigiert werden, indem der Modulwert bei jedem Punkt genommen wird, das heißt, die doppelte Redundanz wird für die Korrektur der Versuchsfehler verwendet. Wenn die Fehler im wesentlichen räumlich global sind, ist eine doppelte Redundanz nicht erforderlich und es können verschiedene k-Raumrekonstruktionsverfahren angewendet werden, durch welche die erforderliche Menge erfasster Daten reduziert wird. All diese herkömmlichen Rekonstruktionsverfahren verlassen sich darauf, dass die Fehler global konsistent sind.
Bei der EPI werden durch die zeitliche Umkehrung der abwechselnden Zeilen weitere Fehler eingeführt, die durch das Aufnehmen weiterer Datenpunkte und Bestimmen des Modulbildes nicht korrigiert werden. Wenn die Daten ideal sind, das heißt, wenn allen Fourier-Abtastbedingungen entsprochen worden ist, wird durch die zeitliche Umkehrung kein Geisterbild eingeführt. In der Praxis ist dies kaum möglich, da hierfür eine perfekte Ausrichtung der Abtastvorgänge mit dem Mittelpunkt des k-Raumes, perfekte Gradienten und perfekte Homogenität erforderlich sind. Ein Taktfehler eines Abtastpunktes (typischerweise 10 Mikrosekunden für EPI) erzeugt einen linearen Phasenfehler von 360° durch die Breite des sich ergebenden Bildes. Eine vorübergehende Verschiebung der Abtastpunkte vom Mittelpunkt des k-Raumes führt zu einer periodischen Verschiebung der Phasencodierachse, wenn abwechselnde Zeilen zeitlich umgekehrt sind. Diese Situation ist in den 3 dargestellt.
Die 3 zeigen die EPI-Abtastpunkte, die relativ zu dem tatsächlichen Mittelpunkt des k-Raumes verschoben sind, bei dem sich alle Spins ausrichten, das heißt, bei dem alle Spins in Phase sind. Die durchgezogene senkrechte Linie ist die Phasencodierachse, entlang der alle Spins nur durch den Codiergradienten beeinflusst werden. 3a zeigt die Abtastpunkte, wie sie erfasst worden sind. 3b zeigt die gleichen Abtastpunkte nach zeitlicher Umkehrung der abwechselnden, ungeraden Zeilen und die daraus resultierende Zickzackführung der Phasencodierachse relativ zu den Abtastpunkten. Die Abtastpunkte werden als Referenz verwendet, da sie es sind, die gemessen werden und die dann für die Fourier-Transformation als dessen Referenz für die Rekonstruktion verwendet werden, da der Ort des tatsächlichen Mittelpunkts des k-Raumes unbekannt ist.
Mangelhafte Gradienten und Feldinhomogenitäten können zusätzliche Verschiebungen der Phasencodierachse relativ zu den Abtastpunkten erzeugen. Die 4 zeigen die Auswirkungen verschiedener Magnetfeldstörungen auf die Position der Phasencodierachse relativ zu den Abtastpunkten nach der zeitlichen Umkehr abwechselnder ungleicher Zeilen. 4a zeigt die Idealsituation, bei der die Abtastpunkte perfekt mit der Phasencodierachse ausgerichtet sind; hier ist keine Korrektur erforderlich. 4b zeigt die Auswirkung einer Verschiebung der Abtastpunkte relativ zu der Phasencodierachse ähnlich wie bei 3b. 4c zeigt die Auswirkung einer Verschiebung der Abtastpunkte relativ zu der Phasencodierachse, wenn eine lineare Feldinhomogenität oder eine gleichbleibende Differenz zwischen den Bereichen unterhalb der positiven und negativen Nasen der Phasencodiergradienten gegeben ist. 4d zeigt die Auswirkung einer Verschiebung der Abtastpunkte relativ zu der Phasencodierachse, wenn eine nichtlineare Feldinhomogenität bzw. variable Differenzen zwischen den Bereichen unterhalb der positiven und negativen Nasen der Phasencodiergradienten gegeben sind, zum Beispiel, wenn eine gewisse Spannungsänderung bei der Stromzufuhr gegeben ist. Diese periodischen Differenzen zwischen den gleichen und den ungleichen Zeilen führen zu einem kohärenten Geisterbild, das als „Zwilling" um genau eine Hälfte der Bildgebungslänge in Phasencodierrichtung positioniert ist.
5 stellt die Bilder dar, die sich aus dem separaten Transformieren der geraden und der ungeraden Zeilen idealerweise in die Bilddomäne ergeben, bei der die Abtastpunkte perfekt mit der Phasencodierachse ausgerichtet sind. Hier ergeben die geraden Zeilen ein positives Bild und ein positives Geisterbild. Demgegenüber ergeben die ungeraden Zeilen ein positives Bild und ein negatives Geisterbild mit einer Phasenverschiebung von 180° relativ zu dem positiven Bild. Werden diese hinzugefügt, wird dadurch die Struktur des tatsächlichen Bildes verstärkt, während das Geisterbild gelöscht wird. Festzustellen ist, dass aus Gründen der Klarheit Bild und Geisterbild räumlich voneinander dargestellt worden sind, wohingegen dies in der Praxis nicht erwünscht wäre, da dies einen zusätzlichen Gradientenverlauf bzw. zusätzliche Abtastzeit erfordern würde.
6 stellt die Bilder dar, die sich aus dem separaten Transformieren der geraden und der ungeraden Zeilen ergeben, wenn die geraden Zeilen vorübergehend ver schoben sind, wodurch sich eine lineare Phasenänderung quer durch das gesamte Bildgebungsfeld (bestehend aus sowohl tatsächlichen als auch Geistkomponenten) ergibt. Werden diese hinzugefügt, wird dadurch die Struktur des tatsächlichen Bildes unvollständig verstärkt und das Geisterbild wird unvollständig gelöscht. Daher ergibt jegliche relative vorübergehende Verschiebung zwischen den geraden und den ungeraden Zeilen ein Geisterbild. Aus Gründen der Klarheit sind Bild und Geisterbild wiederum räumlich voneinander getrennt dargestellt.
7 zeigt die gewöhnliche Situation, bei der sich das Bild über so gut wie das gesamte Bildgebungsfeld in Phasencodierrichtung erstreckt. Dies wird wegen der begrenzten Anzahl von Zeilen vorgezogen, die in Phasencodierrichtung innerhalb der Grenzen der zur Verfügung stehenden Magnetfeldstärke und der erlaubten Abtastzeit abgetastet werden können.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform werden die abgetasteten Daten vor der Transformation analysiert, um so eine globale Korrektur zu ermitteln, die für die Zwischenergebnisse erforderlich ist, die sich aus einer eindimensionalen Fourier-Transformation in Leserichtung ergeben. Die abgetasteten Daten werden in zwei Datensätze aufgespaltet, die jeweils aus den geraden und den ungeraden Zeilen bestehen, und die fehlenden Zeilen werden in beiden jeweils durch Nullen ersetzt. Die Zeilen in einem Datensatz werden dann in Leserichtung umgekehrt. Die Daten in den Datensätzen mit geraden und ungeraden Zeilen werden dann analysiert, um eine Korrektur zu ermitteln, die durchgeführt werden muss. Dies geschieht durch Schätzen der vorübergehenden Verschiebungen der geraden Daten (t_e) und der ungeraden Daten (t_o) von der Phasencodierachse. Aus diesen Schätzungen kann eine auf die Zwischenergebnisse anzuwendende Phasenkorrektur ermittelt werden.
Die Lehre der Fourier-Transformation besagt, dass es ein lineares Verhältnis zwischen einer vorübergehenden Verschiebung in den Daten einer Domäne und einer Phasenverschiebung erster Ordnung in der anderen gibt, wobei eine Verschiebung um einen Datenpunkt in einer Domäne zu einer Phasenverschiebung von 2Π (360°) in der anderen Domäne äquivalent ist. Daher kann die auf einen der Datensätze der Zwischenergebnisse anzuwendende relative Phasenkorrektur Φ aus den Werten von (t_e) und (t_o) gemäß folgender Formel ermittelt werden:
wobei T die Zeit zwischen aufeinander folgenden Abtastpunkten ist.
Die beiden Sätze in Leserichtung einer Fourier-Transformation ausgesetzt, und die lineare Phasenkorrektur wird über die Breite eines der Datensätze angewendet. Dann werden die beiden Datensätze zusammengefügt und der sich daraus ergebende einzelne Datensatz wird in Phasencodierrichtung zur Erzeugung des endgültigen Bildes einer Fourier-Transformation ausgesetzt.
Da der Mittelpunkt des k-Raumes der Punkt ist, bei dem alle Spins in Phase sind, entspricht er der Position des Höchstsignals. Folglich können die Werte für t_e und t_o durch Berechnung des vorübergehenden Versatzes zwischen der Position des Höchstsignals und der Größe des Höchstwertes in dem betreffenden Datensatz ermittelt werden. Nimmt man die Größe des Höchstwertes anstelle des Wertes, der der Position des Höchstsignals am nächsten ist, wird dadurch sichergestellt, dass kein Phasenzwilling auftritt, wenn der Versatz mehr als die Hälfte der Zeit zwischen Abtastpunkten beträgt.
Ein Verfahren zum Ermitteln der Position des Höchstsignals besteht darin, die beiden Datenpunkte des Höchstsignals in den ursprünglich geraden (s_e'(i_e, j_e)) und ungeraden (s_o'(i_o, j_o)) Datensätzen anzuordnen, wobei i und j jeweils die Ganzzahlstellen in der Lese- und der Phasencodierrichtung sind, und die Position des Höchstsignals zwischen diesen beiden Punkten zu schätzen. Dies kann geschehen, indem die Höchstposition t des Polynomfits zweiter Ordnung zur Größe der drei Datenpunkte s_e(i_e – 1), s_e(i_e) und s_e(i_e + i) gefunden wird, wobei s_e(i_e) der Punkt des Höchstsignals ist und alle Punkte entlang der gleichen Lesezeile je verlaufen, und in gleicher Weise für die ungeraden Daten (s_o), gemäß folgender Formel:
wobei s = entweder s_e oder s_o ist. Der Phasenversatz θ erster Ordnung ist dann gegeben durch:
wobei N_r die Anzahl der Abtastpunkte in Leserichtung ist. Die Differenz zwischen den Phasenversätzen der ungeraden und geraden Datensätze wird dann ermittelt, um eine einzelne relative Phasenkorrektur erster Ordnung zu erzeugen.
Dieser Prozess entspricht der „Anpassung mit Hilfe der Fehlerquadratmethode" einer linearen Phase in Leserichtung an das entsprechende Phasenbild, weist jedoch den Vorteil auf, vollkommen immun gegen Phasenzwillingsbildung zu sein.
Die 8 zeigen die Intensität des Höchstsignals in jeder Lesezeile der Abtastdaten relativ zu den Abtastpunkten für die geraden Echos (8a) und die ungeraden Echos (8b).
Da die Datensätze mit geraden und ungeraden Daten Daten aus benachbarten Zeilen im k-Raum enthalten, stimmen ihre Höchstwerte nicht überein. Das Ausfüllen abwechselnder Zeilen in den Datensätzen mit Nullen bedeutet, dass eine Zeile mit Werten in einem Datensatz in dem anderen mit Nullen aufgefüllt wird. Die Verschiebungen in benachbarten Zeilen können für eine Schätzung der relativen Verschiebungen der Abtastpunkte vom tatsächlichen Mittelpunkt des k-Raumes verwendet werden. Bessere Schätzungen sind jedoch möglich, indem der Mittelwert der Verschiebungen in Zeilen auf jeder Seite einer Zeile, die in einem der Datensätze mit Nullen aufgefüllt worden ist, genommen wird und der durchschnittliche Wert der Verschiebung mit der Verschiebung in der entsprechenden Zeile im anderen Datensatz kombiniert wird. In der Praxis ist die Differenz zwischen den Verschiebungen zweier nebeneinander liegender, nicht mit Nullen aufgefüllter Zeilen sowohl im Datensatz mit geraden als auch in dem mit ungeraden Daten gering.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform werden die Phasenkorrekturen in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt. Allerdings wird die sich ergebende globale Phasenkorrektur auf einen Datensatz angewendet, der einer vollständigen zweidimensionalen Fourier-Transformation in die Bilddomäne folgt. Bei dieser Ausführungsform werden die geraden und ungeraden Datensätze separat in die Bilddomäne transformiert, und die Phasenkorrektur erster Ordnung wird direkt auf eines der sich ergebenden Bilder angewendet. Dies ist möglich, solange jegliche Phasenänderung in Phasencodierrichtung vernachlässigbar ist. Diese Ausführungsform ist zum Eliminieren der in den 6 und 7 dargestellten Geisterbildfehlern geeignet.
Bei der zweiten Ausführungsform ist es nicht erforderlich, die Zwischendaten zu verarbeiten, so dass eine schnelle zweidimensionale Fourier-Transformation durchgeführt werden kann, um die beiden Datensätze direkt in die Bilddomäne zu transformieren. Eine einzelne schnelle zweidimensionale Fourier-Transformation ist rechnerisch wesentlich effizienter als die separate Anwendung von zwei orthogonalen eindimensionalen Fourier-Transformationen.
Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform wird in jedem Datensatz nur eine Zeile verwendet, um eine globale Phasenkorrektur zu ermitteln. Diese Zeilen sind typischerweise jene, die dem Mittelpunkt des k-Raumes am nächsten sind, da diese die größten Werte und folglich den größten Störabstand (SNR), aufweisen und ergeben somit die besten Schätzungen für die erforderliche Phasenkorrektur erster Ordnung. Die Verfahren der ersten und der zweiten Ausführungsform stellen sicher, dass alle Zeilen eines Datensatzes den gleichen Sprung in der Phasencodierachse aufweisen. In Wirklichkeit ist dies vielleicht nicht so, wie mit Bezug auf die 4c und 4d erörtert.
Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform kann die Phasenkorrektur erster Ordnung individuell auf jede Zeile der Daten in Leserichtung angewendet werden, um verschiedene Sprünge der Abtastpunkte in jeder Zeile in der Phasencodierachse zu ermöglichen. Eine Möglichkeit dies zu erreichen besteht darin, die vorstehend mit Bezug auf die Gleichungen (2) und (3) beschriebenen Algorithmen auf jede Zeile der k-Raum-Datensätze anzuwenden. Der sich daraus ergebende Satz linearer Phasenkorrekturen wird dann auf die geraden bzw. ungeraden Daten angewendet, die der Fourier-Transformation der k-Raumdaten allein in Leserichtung folgen. Dies ist möglich, da nach der ersten Fourier-Transformation immer noch eine eins-zu-eins Entsprechung zwischen den Zeilen im k-Raum und den Zeilen der Zwischenergebnisse in Leserichtung gegeben ist. Die korrigierten Datensätze werden dann Punkt für Punkt zusammengefügt und der kombinierte Datensatz wird in Phasencodierrichtung einer Fourier-Transformation ausgesetzt, um so das Endbild zu erzeugen. Wiederum ist es einfach, diese automatische Phasenkorrektur in die standardmäßige Bildrekonstruktion einzufügen.
Typischerweise nehmen bei MRI-Daten die Höchstwerte in jeder Datenzeile mit Abstand von der Leseachse rapide ab und daher kann der Störabstand (SNR) in den Peripheriezeilen zu niedrig sein, um gute Schätzungen der erforderlichen Korrekturen zu ergeben. Bei der dritten bevorzugten Ausführungsform kann dies verhindert werden, indem die für die Ermittlung der Korrekturen verwendeten Zeilen auf Zeilen innerhalb eines bestimmten Abstandes des Mittelpunkts des k-Raumes von den Korrekturen begrenzt sind, die auf die übrigen Zeilen extrapoliert worden sind, z. B. durch Phasenfilterung zweiter und höherer Ordnung. Bei diesem Verfahren werden die mittleren Zeilen der k-Raumdaten extrahiert und mit Nullen aufgefüllt, so dass sie den gesamten Umfang der ursprünglichen Daten erreichen. Die geraden und ungeraden Zeilen werden dann wie gewöhnlich getrennt und separat einer Fourier- Transformation ausgesetzt. Die sich daraus ergebenden vollständigen Phasendaten werden dann zur Phasenkorrektur aller ungeraden und geraden Daten wie vorstehend beschrieben, je nach einer, zwei oder mehr geeigneten Fourier-Transformationen, verwendet. Die Daten für die Phasenkorrektur können weiter auf einen mittleren Bereich des k-Raums eingeschränkt werden, wodurch sowohl die Anzahl der Zeilen als auch die Anzahl der Datenpunkte in diesen Zeilen begrenzt wird.
Alternativ dazu könnten Schwellenkriterien angewendet werden; zum Beispiel könnten nur jene Zeilen für die Ermittlung relativer Phasenkorrekturen erster Ordnung verwendet werden, deren Höchstwerte über einer bestimmten Schwelle liegen. Die übrigen könnten dann extrapoliert werden, zum Beispiel indem, wie vorstehend beschrieben, mit Nullen aufgefüllt wird. In gleicher Weise könnten Schwellen auf individuelle Datenpunkte angewendet und nur jene Datenpunkte verwendet werden, die über der Schwelle liegen.
Bei einer vierten bevorzugten Ausführungsform wird das Problem der Geisterbildfehler gelöst, indem die Daten analysiert werden, die in der Abtastdomäne erfasst sind und die Daten in der Abtastdomäne korrigiert werden, bevor die k-Raumdaten in die Bilddomäne transformiert werden. Das gleiche vorstehend mit Bezug auf die Gleichung (2) beschriebene Verfahren wird zur Ermittlung des vorübergehenden Versatzes der ungeraden und geraden Datensätze vom tatsächlichen Mittelpunkt des k-Raums verwendet. Die Differenz zwischen den beiden Versätzen ergibt einen relativen Versatz. Anstelle der Ermittlung eines Phasensprungs, der auf alle oder Teile der transformierten Daten anzuwenden ist, werden die abgetasteten Datenwerte in einem Datensatz extrapoliert bzw. interpoliert, um die Datenwerte zu ermitteln, die aufgetreten wären, wenn die Abtastpunkte mit den Abtastpunkten des anderen Datensatzes übereingestimmt hätten. Dieses Verfahren könnte dort bevorzugt werden, wo zum Beispiel die Daten vor der Transformation einer weiteren Verarbeitung ausgesetzt werden müssen.
9 zeigt Rekonstruktionen eines 64 × 128 EPI-Bildes eines Schnitts durch den Stängel eines Pfefferstrauches. 9a zeigt das Bild ohne jegliche Korrektur alternierender Echos, wobei das Vorhandensein eines starken Geisterbildes eindeutig zu erkennen ist. 9b zeigt die Auswirkung der manuellen Einstellung einer globalen Phasenkorrektur erster Ordnung (in diesem Fall –500°) in Leserichtung. Der Vorgang beinhaltet die Änderung der Phase erster Ordnung um eine willkürliche Größe und die Beobachtung der Auswirkung und entsprechende Modifikation der Phasenkorrektur erster Ordnung. Für das gezeigte Ergebnis waren sechs Iterationen durch einen erfahrenen Operator und erhebliche Zeit erforderlich. 9c zeigt die Auswirkung des Anwendens der globalen Phasenkorrektur erster Ordnung (–473°), die sich durch Differenzen in der geraden und ungeraden Phase ergeben, von denen jede durch Gleichung 2 ermittelt wurde. 9d zeigt die Auswirkung des Anwendens individueller Phasenkorrekturen erster Ordnung auf jede Lesezeile eines Bildes.
Die vorliegenden Verfahren können auch Geisterbildfehler bei segmentierter EPI reduzieren. Segmentierte Echo-Planar-Bildgebung (EPI), die auch als hybride EPI/2DFT bekannt ist, wurde versuchsweise entwickelt, um den eingeschränkten Abtastbereich der EPI zu überwinden. Bei der EPI wird das Ebenenvolumen, das von einem einzelnen Impuls abgetastet werden kann, durch mehrere Faktoren eingeschränkt. Die Abtastung muss erfolgen, bevor sich die Spins von dem HF-Erregerimpuls erholen. Dies bedeutet typischerweise eine zeitliche Einschränkung für das Abtasten in der Ordnung von 100 ms. Für jede zu lesende Zeile müssen die Magnetfelder in Leserichtung zwischen sehr großen Werten mit hoher Genauigkeit umgeschaltet werden. Die Fähigkeit der Spulenanordnungen, diese Felder zu erzeugen, schränkt die Geschwindigkeit und den Umschaltbereich ein. Schließlich werden die Schaltfolgen durch Sicherungsmaßnahmen hinsichtlich der Toleranz der Bilder eingeschränkt. Aus diesem Grund kann nur eine begrenzte Anzahl von Zeilen in Phasencodierrichtung innerhalb der Einschränkungen der verfügbaren Magnetfeldstärke und der erlaubten Abtastzeit abgetastet werden.
Segmentierte EPI funktioniert, indem mehrere HF-Erregerimpulse angelegt und mit jeder HF-Erregung ein Teil der Daten erfasst wird, wobei jeder Teil ein Segment bildet. Somit bestehen die erfassten Daten aus einer Vielzahl von Segmenten, von denen jedes aus zwei Datensätzen besteht (ein Satz mit geraden Zeilen und ein Satz mit ungeraden Zeilen).
10 zeigt die Reihenfolge, in der Daten erfasst werden, wenn Daten in überlappenden Zeilen abgetastet werden. Es sind acht Zeilen dargestellt, wobei die erste und die fünfte Zeile (mit 1 benannte Datenpunkte) nach der ersten HF-Erregung erfasst worden sind, die zweite und die sechste Zeile (mit 2 benannte Datenpunkte) nach der zweiten HF-Erregung erfasst worden sind, und so weiter. 11 zeigt die Reihenfolge der Datenerfassung, wenn Daten in aneinanderstoßenden Reihen abgetastet werden. Es sind acht Zeilen dargestellt, wobei die erste und die zweite Zeile (mit 1 benannte Datenpunkte) nach der ersten HF-Erregung erfasst worden sind, die dritte und vierte Zeile (mit 2 benannte Datenpunkte) nach der zweiten HF-Erregung erfasst worden sind, und so weiter.
Bei der segmentierten EPI treten Mehrfachgeisterbildfehler aufgrund relativer Zeitsprünge zwischen den Zeilen eines jeden Segments sowie auch zwischen ungeraden und geraden Zeilen auf. Die Anzahl der Geisterbildfehler entspricht der Anzahl der Segmente. So würde zum Beispiel eine Segmentierung in vier Gruppen wie in 10 dargestellt bei Änderungen in der Umgebung zwischen jeder Gruppe zu einer Entstehung von sieben Geisterbildfehlern zusätzlich zum ursprünglichen Bild führen.
Um die bei der segmentierten EPI auftretenden Mehrfachbilder reduzieren zu können, werden die abgetasteten Daten zunächst in ungerade und gerade Datensätze für jedes Segment aufgeteilt. Dadurch entsteht eine Anzahl von Datensätzen, die der doppelten Anzahl von Segmenten entspricht. Der vorübergehende Versatz eines jeden Datensatzes zum tatsächlichen Mittelpunkt des k-Raumes wird dann auf die gleiche Weise ermittelt, wie vorstehend beschrieben mit Bezug auf Gleichung (2). Dann kann jedes der mit Bezug auf die erste bis vierte Ausführungsform vorstehend beschriebene Korrekturverfahren angewendet werden.
Zum Beispiel kann eine globale Phasenkorrektur für jeden Datensatz relativ zu einem willkürlichen Bezugsdatensatz unter Verwendung der vorstehenden Gleichung (3) ermittelt werden. Dann wird jeder der Datensätze in Leserichtung einer Fourier-Transformation ausgesetzt, und die Phasenkorrekturen werden auf die sich ergebenden Zwischendatensätze angewendet. Danach werden die korrigierten Datensätze übereinander geschachtelt (der Wert jedes geraden räumlichen Punktes wird dem Wert des entsprechenden ungeraden räumlichen Punktes hinzugefügt) und der sich daraus ergebende Datensatz wird in Phasencodierrichtung transformiert, um das Bild zu erhalten. Dieses Verfahren entspricht der ersten vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Die globale Phasenkorrektur kann ebenfalls auf Datensätze angewendet werden, die direkt in die Bilddomäne transformiert worden sind, wie vorstehend mit Bezug auf die zweite Ausführungsform beschrieben.
Alternativ dazu kann die Phase jeder Zeile separat wie vorstehend mit Bezug auf die dritte Ausführungsform beschrieben ermittelt werden. Dann wird jeder Datensatz in Leserichtung einer Fourier-Transformation ausgesetzt und die Phase wird in jeder Zeile der Zwischenergebnisse korrigiert. Danach werden die korrigierten Datensätze übereinander geschachtelt und der sich ergebende Datensatz in Phasencodierrichtung einer Fourier-Transformation ausgesetzt, um das Bild zu erhalten. Ferner könnten bei der segmentierten EPI auch die Verfahren der Extrapolation von Zeilen weit entfernt vom Mittelpunkt verwendet werden, wie sie mit Bezug auf die dritte Ausführungsform beschrieben worden sind.
Korrekturen der abgetasteten Daten können auch vor der Transformation in gleicher Weise wie vorstehend mit Bezug auf die vierte Ausführungsform beschrieben durchgeführt werden.
Jedes der vorstehend beschriebenen Verfahren kann auch bei drei und mehr Magnetresonanzdimensionen verwendet werden. Dreidimensionale Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren umfassen die Echo-Volumar-Bildgebung (EVI), wie in Mansfield et al, Journal of Computer Assisted Tomography, Bd. 10, S. 847–852 (1995) beschrieben, sowie die gleichzeitige Erfassung von zwei räumlichen Abbildungsdimensionen und einer chemischen Änderungsdimension, wie in Guilfoyle et al, Magnetic Resonance in Medicine, Bdl. 10, S. 282–287 (1989) beschrieben.
Die vorliegenden Verfahren können auch Anwendung finden bei der Entfernung bzw. Reduzierung von Geisterbildern, die von lokalen Effekten innerhalb des Bildfeldes herrühren, wie z. B. Bewegungsgeisterbilder. Bewegungsgeisterbilder ergeben sich aus der Bewegung aller oder Teile der Bilder zwischen aufeinander folgenden Datenabtastvorgängen für ein spezielles Bild. Diese Bewegung führt zu der Fourier-Transformation, welche die Signalenergie in Phasencodierrichtung falsch zuordnet. Dies führt zu einem Verlust der Signalstärke im korrekten Bereich des Endbildes, wobei ein entsprechendes erneutes Auftreten in Phasencodierrichtung verschoben ist. Dieses erneute Auftreten kann in Form einer Verschiebung, eines kohärenten Geisterbildes oder eines zufälligen Nachziehens erscheinen, was vom Grad der Kohärenz zwischen der Bewegung und der Abtastrate abhängt.
Wenn die Bewegung selbst periodisch ist, z. B. wenn ein Herz schlägt oder irgend eine andere damit verbundene Bewegung, und die Herz- und die Abtastraten ein rationales Verhältnis innerhalb der ganzzahligen Bandbreite in Phasencodierrichtung aufweisen, dann treten kohärente Geisterbildfehler auf. Beträgt zum Beispiel der Herzschlag achtzig Schläge pro Minute (in Intervallen von 0,75 Sekunden) und es wird ein herkömmliches 2DFT-Verfahren mit einer Zeilenabtastrate von 0,385 Sekunden angewendet, wird das Herz in zwei Herzphasen auf abwechselnden Zeilen abgetastet. Ähnlich wie bei der Anwendung der EPI führt dies zu einem Geisterbild, wenn auch in diesem Fall nur des Herzens, wobei das Geisterbild um eine Hälfte der Bildfeldlänge in Phasencodierrichtung verschoben ist. Jedes der vorstehend beschriebe nen Verfahren kann für eine Reduzierung derartiger Bewegungsgeisterbilder verwendet werden.
Die vorliegenden Verfahren können auch auf Bildgebungsverfahren angewendet werden, die andere Abtaststrategien anwenden, als die vorstehend beschriebene reguläre Gitterstrategie. Diese alternativen Strategien umfassen die Spiralabtastung, die quadratische Spiralabtastung und die Polarprojektionsrekonstruktion. Letzteres ist das Standardverfahren, das bei der Computertomographie verwendet wird. All diese Verfahren erzeugen mehr oder weniger ein kohärentes Geisterbild.
12 zeigt eine Vorrichtung, mit der die vorliegenden Verfahren durchgeführt werden können. Ein Computer 10 liefert über einen Verstärker 14 Impulse an eine Sendespule 12. Die Sendespule 12 sendet HF-Impulse an ein abzutastendes Objekt 16. Der Computer 10 steuert ferner Gradientenspulen 20, 21, 22 über Gradientenverstärker, allgemein mit 24 bezeichnet. Die Gradientenspulen 20, 21, 22 liefern Magnetgradienten an das abzutastende Objekt 16, was durch den Computer 10 gesteuert wird. Ein Magnet 26 liefert ein konstantes Magnetfeld an das abzutastende Objekt 16. Antwortsignale vom abzutastenden Objekt 16 werden durch eine Empfangsspule 28, welche die gleiche wie die Spule 12 sein kann, erfasst und über den Vorverstärker 30 und den Empfänger 32 zum Computer 10 geleitet. Der Computer 10 ist so programmiert, dass er die empfangenen Daten weiter verarbeitet und die Geisterbildfehler wie vorstehend beschrieben reduziert.
Somit sind die vorliegenden Verfahren, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, nützliche und bequeme Verfahren zum Entfernen von Geisterbildfehlern bei Bildgebungsverfahren wie z. B. EPI, segmentierte EPI und andere Bildgebungsverfahren, bei denen Geisterbildfehler auftreten.
Aufgrund der Einfachheit des vorliegenden Verfahrens sowohl im Hinblick darauf, dass keine zusätzlichen Daten erfasst zu werden brauchen als auch auf seine An wendung während der Nachbearbeitung ist es in hohem Maße wünschenswert und anwendbar.
Die vorliegende Erfindung ist vorstehend anhand von Beispielen beschrieben worden und Änderungen sind im Detail innerhalb des Umfangs der Erfindung möglich.
Die in den Ansprüchen genannten Bezugsziffern dienen nur der Darstellung und sollen den Umfang der Ansprüche nicht eingrenzen.

Claims

Vorrichtung zum Reduzieren von Geisterbildfehlern in Bilddaten, wobei die Vorrichtung für den Einsatz mit einer Bildgebungsvorrichtung gedacht ist, die abgetastete Rohbilddaten erzeugt, die eine periodische Variation erfahren können, so dass die genannten Geisterbildfehler entstehen können, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: Bildrekonstruktionsmittel zum Konvertieren der abgetasteten Rohbilddaten in die Bilddaten zum Rekonstruieren eines Bildes, gekennzeichnet durch Mittel zum Analysieren nur der abgetasteten Rohbilddaten, um eine Korrektur zum Reduzieren der Geisterbildfehler zu ermitteln, ohne dass zusätzliche abgetastete Daten über die von dem genannten Bildrekonstruktionsmittel benötigten hinaus notwendig sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Analysemittel Mittel zum Ermitteln eines Versatzes eines tatsächlichen Abtastpunktes in den abgetasteten Daten von einem gewünschten Abtastpunkt nur in den Rohbilddaten umfasst, um so die Korrektur zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Ermittlungsmittel so gestaltet ist, dass es den Versatz eines tatsächlichen Abtastpunktes vom Punkt des maximalen Signals in den abgetasteten Daten ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Ermittlungsmittel so gestaltet ist, dass es eine Angleichprozedur an den abgetasteten Daten durchführt, um den Punkt des maximalen Signals zu schätzen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein Mittel zum Aufteilen der abgetasteten Daten in zwei oder mehr Datensätze, wobei das Analysemittel so gestaltet ist, dass es eine Korrektur für wenigstens einen solchen Datensatz ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei dem das Analysemittel so gestaltet ist, dass es eine Korrektur für einen Datensatz relativ zu einem anderen ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, ferner umfassend Mittel zum separaten Umwandeln der Daten in jedem Datensatz.
Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner umfassend Mittel zum Umwandeln der Korrektur in eine Korrektur, die auf transformierte Daten angewendet werden soll, und Mittel zum Anwenden der konvertierten Korrektur auf transformierte Daten.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das Analysemittel so gestaltet ist, dass es eine Korrektur für im Wesentlichen alle Daten in jedem Datensatz ermittelt, und das Korrekturanwendungsmittel so gestaltet ist, dass es die konvertierte Korrektur auf im Wesentlichen alle transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze anwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der das Transformationsmittel so gestaltet ist, dass es eine erste eindimensionale Fourier-Transformation durchführt, und das Korrekturanwendungsmittel so gestaltet ist, dass es die konvertierte Korrektur auf die transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze anwendet, wobei die Vorrichtung ferner Mittel zum Durchführen einer zweiten eindimensionalen Fourier-Transformation an den transformierten Daten umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der das Transformationsmittel so gestaltet ist, dass es eine zweidimensionale Fourier-Transformation durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das Analysemittel so gestaltet ist, dass es eine Korrektur für einen Teil der Daten in jedem Datensatz ermittelt, und das Korrekturanwendungsmittel so gestaltet ist, dass es die konvertierte Korrektur auf einen Teil der transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze anwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Transformationsmittel so gestaltet ist, dass es eine erste eindimensionale Fourier-Transformation durchführt, das Korrekturanwendungsmittel so gestaltet ist, dass es die konvertierte Korrektur auf einen Teil der transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze anwendet, und das Transformationsmittel ferner so gestaltet ist, dass es eine zweite eindimensionale Fourier-Transformation an den transformierten Daten durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei der das Analysemittel so gestaltet ist, dass es eine Korrektur für einen Teil der Daten in einem Datensatz von der Korrektur für einen anderen Teil der Daten in einem Datensatz ermittelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend Mittel zum Transformieren der abgetasteten Daten, Mittel zum Konvertieren der Korrektur in eine auf transformierte Daten anzuwendende Korrektur und Mittel zum Anwenden der konvertierten Korrektur auf die transformierten Daten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend Mittel zum Anwenden der Korrektur auf die abgetasteten Daten vor der Konvertierung in Bilddaten.
Bildgebungsvorrichtung, die so gestaltet ist, dass sie Daten abtastet, umfassend die Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Vorrichtung so gestaltet ist, dass sie Daten in Zeilen abtastet, von denen einige in Bezug auf andere zeitlich umgekehrt sind.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Vorrichtung so gestaltet ist, dass sie Echo-Planar-Bildgebung oder segmentierte Echo-Planar-Bildgebung durchführt.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Vorrichtung so gestaltet ist, dass sie drei oder mehr Magnetresonanzdimensionen abbildet.
Verfahren zum Reduzieren von Geisterbildfehlern in Bilddaten, wobei das Verfahren zur Anwendung mit einer Bildrekonstruktionstechnik gedacht ist, in der abgetastete Rohbildaten erzeugt und in die Bilddaten konvertiert werden, wobei die Geisterbildfehler auf eine periodische Variation in den abgetasteten Rohbilddaten zurückzuführen sind, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Analysieren nur der abgetasteten Rohbilddaten, um eine Korrektur zu ermitteln, um die Geisterbildfehler zu reduzieren, ohne dass zusätzliche abgetastete Daten über die für eine Bildrekonstruktion notwendigen hinaus erforderlich sind.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Analysierens der abgetasteten Daten das Ermitteln eines Versatzes eines tatsächlichen Abtastpunktes in den abgetasteten Daten von einem gewünschten Abtastpunkt umfasst, um so die Korrektur zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Schritt des Ermittelns des Versatzes das Ermitteln des Versatzes eines tatsächlichen Abtastpunktes von dem Punkt des maximalen Signals in den abgetasteten Daten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem der Schritt des Ermittelns des Versatzes das Durchführen einer Angleichprozedur an den abgetasteten Daten umfasst, um den Punkt des maximalen Signals zu schätzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, ferner umfassend das Unterteilen der abgetasteten Daten in zwei oder mehr Datensätze und das Ermitteln einer Korrektur für wenigstens einen solchen Datensatz.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem der Schritt des Analysierens das Ermitteln einer Korrektur für einen Datensatz relativ zu einem anderen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, ferner umfassend das separate Transformieren der Daten in jedem Datensatz.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner umfassend das Konvertieren der Korrektur in eine auf transformierte Daten anzuwendende Korrektur und das Anwenden der konvertierten Korrektur auf transformierte Daten.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem der Schritt des Analysierens das Ermitteln einer Korrektur für im Wesentlichen alle Daten in jedem Datensatz umfasst, und der Schritt des Anwendens der konvertierten Korrektur das Anwenden der konvertierten Korrektur auf im Wesentlichen alle transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, bei dem der Schritt des Transformierens das Durchführen einer ersten eindimensionalen Fourier-Transformation umfasst, und der Schritt des Anwendens der konvertierten Korrektur das Anwenden der konvertierten Korrektur auf die transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze umfasst, wobei das Verfahren ferner das Durchführen einer zweiten eindimensionalen Fourier-Transformation an den transformierten Daten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, bei dem der Schritt des Transformierens das Durchführen einer zweidimensionalen Fourier-Transformation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem der Schritt des Analysierens das Ermitteln einer Korrektur für einen Teil der Daten in jedem Datensatz umfasst, und der Schritt des Anwendens der konvertierten Korrektur das Anwenden der konvertierten Korrektur auf einen Teil der transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze umfasst.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem der Schritt des Transformierens das Durchführen einer ersten eindimensionalen Fourier-Transformation umfasst, der Schritt des Anwendens der konvertierten Korrektur das Anwenden der konvertierten Korrektur auf einen Teil der transformierten Daten in einem oder mehreren der Datensätze umfasst, und der Schritt des Transformierens das Durchführen einer zweiten eindimensionalen Fourier-Transformation an den transformierten Daten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, bei dem der Schritt des Analysierens das Ermitteln einer Korrektur für einen Teil der Daten in einem Datensatz von der Korrektur für einen anderen Teil der Daten in einem Datensatz umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, ferner umfassend das Transformieren der abgetasteten Daten, das Konvertieren einer Korrektur auf eine auf die transformierten Daten anzuwendende Korrektur und das Anwenden der konvertierten Korrektur auf die transformierten Daten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, ferner umfassend das Anwenden der Korrektur auf die abgetasteten Daten vor dem Konvertieren in Bilddaten.
Bildgebungsverfahren, bei dem Daten abgetastet werden, umfassend das Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 36.
Bildgebungsverfahren nach Anspruch 37, bei dem Daten in Zeilen abgetastet werden, von denen einige in Bezug auf andere zeitlich umgekehrt sind.
Bildgebungsverfahren nach Anspruch 38 für Echo-Planar Bildgebung oder segmentierte Echo-Planar-Bildgebung.
Bildgebungsverfahren nach Anspruch 37 oder 38 zum Abbilden von drei oder mehr Magnetresonanzdimensionen.
Programm, das auf einem Computer abläuft, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 40 durchzuführen.