DE69933911T2

DE69933911T2 - Phasenempfindliches Inversions-Rückstellungsverfahren der Magnetresonanzbildgebung

Info

Publication number: DE69933911T2
Application number: DE69933911T
Authority: DE
Inventors: Jingfei Waukesha Ma
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-09-01
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2019-08-27
Also published as: US6192263B1; EP0984294A3; EP0984294B1; JP4433344B2; DE69933911D1; EP0984294A2; JP2000083926A

Description

Die hier beschriebene und beanspruchte Erfindung betrifft ein verbessertes Inversion-Recovery(IR)-Verfahren (Inversionswiederherstellungsverfahren) zur Magnetresonanzbildgebung (MR-Bildgebung). Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren der obigen Art, das die intrinsische Phaseninformation aus den ursprünglich akquirierten Daten bei der Rekonstruktion eines Bildes aufrechterhält. Noch genauer gesagt, betrifft das Verfahren ein Verfahren der obigen Art, das die Richtungsinformation der Magnetisierungsvektoren aufrechterhält, während es in effektiver Weise Rauschen und Artefakte reduziert.
EP-A-0 257 673 beschreibt ein Magnetresonanzbildgebungsverfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung von Phasenfehlern in Pixeln eines komplexen Bildes einer Verteilung der Kernmagnetisierung gemäß dem Oberbegriff der beigefügten Ansprüche 1 bzw. 12.
MRM 14 (1999) 56-57 und US 4 902 974 beschreiben jeweils eine ähnliche regionale Phasenkorrektur von Inversion-Recovery-MR-Bildern.
US 4 902 974 beschreibt ein Phasenkorrekturverfahren in einem Magnetresonanzbildgebungssystem sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben.
MRI 9 (1991) 903-908 beschreibt eine optimierte Mehrschicht-Akquisitionssequenz zur Inversion-Recovery-MR-Bildgebung, wobei Daten in einem verteilten Interleave (Verschachtelungs)-Modus akquiriert werden.
Wie für mit der Technik vertraute Fachleute allgemein bekannt ist, enthält eine durch Inversion-Recovery (Inversionswiederherstellung) vorbereitete MR-Impulssequenz einen 180°-HF-Inversionsimpuls, dem nach einer Inversion-Recovery-Zeit (TI) ein 90°-HF-Anregungsimpuls folgt. Es ist vor langem erkannt worden, dass derartige Sequenzen einen gegebenenfalls besseren T1-Kontrast bieten, weil der Bereich der Längsmagnetisierung durch den 180°-Inversionsimpuls verdoppelt wird. Jedoch ist die erfolgreichste Anwendung der IR-Sequenzen bisher auf die Unterdrückung von Spezien mit bestimmter T1-Relaxationszeit beschränkt. Die verhältnismäßig seltene Verwendung der IR-Sequenz zur T1-Kontrastverstärkung ist hauptsächlich auf zwei wesentliche Nachteile zurückzuführen. Erstens ist die IR-Sequenzzeit aufgrund der langen Inversionswiederherstellungszeitdauer deutlich länger als die anderer Bildgebungssequenzen, und die gesamte Bildgebungszeit kann für eine Mehrschichtenbildgebung unzulässig lang werden. Zweitens können IR-Bilder, die mit bestimmten Inversionszeiten akquiriert werden, einen umgekehrten Kontrast anzeigen, so dass Gewebe mit längeren T1-Zeiten heller als Gewebe mit kürzeren T1-Zeiten erscheinen können. Es ist bekannt, dass dieses ungewöhnliche Phänomen von der weit verwendeten Amplitudenrekonstruktion bei herkömmlichen MR-Bildgebungsscannern herrührt, und es ist berichtet worden, dass es zu einer Verwirrung und Schwierigkeit bei der Bildinterpretation führt.
Die 2D-Fouriertransformation der Zeitbereichsdaten, die in einer Spin-Echo- oder Fast-Spin-Echo-Inversion-Recovery-Sequenz akquiriert werden, kann allgemein ausgedrückt werden als: S(x, y) = I(x, y)ej(ϕi(x,y)+ϕe(x,y)) Gl.(1)
In Gleichung (1) ist Φ_i(x, y) die intrinsische Phase, die durch das Vorzeichen der Spinmagnetisierung zur Zeit der Anregung bestimmt ist. Φ_i(x, y) kann folglich lediglich einen Wert von entweder 0 oder π einnehmen. Φ_e(x, y) ist ein allgegenwärtiger Phasenfehlerterm, der von der Zeit unabhängig ist, jedoch im Allgemeinen mit räumlichen Orten variiert. Mögliche Quellen, die zu Φ_e(x, y) beitragen, umfassen komplexe HF-Empfänger-Bandpassfilter, Fehlzentrierung der Datenakquisitionsfenster, schlechte Gradientenkompensation, B₀-Feldinhomogenität und auf die HF-Empfängerspulen zurückzuführende Phasenverschiebungen. In einer herkömmlichen Rekonstruktion wird jedoch gewöhnlich lediglich die Amplitude verwendet. Infolgedessen sind in der Vergangenheit im Allgemeinen sowohl die intrinsische Phase Φ_i(x, y) als auch der Phasenfehlerterm Φ_e(x, y) verworfen bzw. übergangen worden. I(x, y) ist die Amplitude des Bildvektors, wie sie in einer herkömmlichen Amplitudenrekonstruktion erhalten wird. I(x, y) ist im Allgemeinen eine Funktion der Anfangsmagnetisierung M₀(x, y) sowie einiger Bildgebungs- und Gewebeparameter und kann in der folgenden Weise ausgedrückt werden: I(x, y) = |M0(x, y)[1 – 2e(–TI/T1) – e(–TR/T1) + 2e((–TR–TE/2)/T1)] Gl.(2).
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur phasenempfindlichen IR-Bildrekonstruktion vorgesehen, um den intrinsischen Phasenfaktor e^jΦ _i wieder herzustellen, der bei der herkömmlichen MR-Bildgebung, die lediglich eine Amplitudenrekonstruktion verwendet, gemeinsam mit dem unerwünschten Phasenfehlerterm verloren geht. Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass drei Unbekannte, d.h. I(x, y), Φ_i(x, y) und Φ_e(x, y), einbezogen sind. Jedoch ist festgestellt worden, dass Φ_e(x, y) im Allgemeinen eine langsam sich verändernde Funktion ist und Φ_i(x, y) einen binären Wert von entweder 0 oder π aufweist. Demgemäß ist eine Technik entwickelt worden, um alle drei der unbekannten Parameter mit einer einzelnen Datenakquisition zu bestimmen.
Gemäß einem ersten Aspekt ergibt die vorliegende Erfindung ein phasenempfindliches Verfahren zur auf ein vorgegebenes Objekt gerichteten MR-Bildgebung, wie es in dem beigefügten Anspruch 1 definiert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ergibt die vorliegende Erfindung eine MR-Bildgebungsvorrichtung, wie sie in dem beigefügten Patentanspruch 12 definiert ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung enthält den Schritt der Anwendung einer Inversion-Recovery(Inversionswiederherstellungs)-MR-Sequenz auf ein Bildgebungsobjekt, um einen Satz MR-Daten für ein Anfangsbild zu akquirieren, das eine Pixelmatrix einer spezifizierten Größe, beispielsweise eine 256×256-Matrix, aufweist. Jedes der Pixel weist ein zugehöriges MR-Signal und einen Phasenvektor auf. Das Verfahren enthält ferner eine Erzeugung eines Phasenvektorbildes aus Informationen, die durch die Pixel des Anfangsbildes geliefert werden, wobei das Phasenvektorbild wesentlich kleiner als das Anfangsbild ist, beispielsweise eine Matrixgröße von 64×64 aufweist. Es wird eine Regionenwachstumsprozedur (Region-Growing Procedure) auf das Phasenvektorbild angewandt, um Phasenfehler aus diesem zu entfernen. Das Phasenvektorbild wird anschließend zu einer Matrix der spezifizierten Größe vergrößert oder erweitert.
Das Phasenvektorbild wird erzeugt, indem ein erstes und ein zweites Zwischenbild konstruiert werden, die Matrizen von ersten bzw. zweiten Pixeln aufweisen. Jedes der Pixel aus dem ersten Bild weist eine Signalstärke auf, die durch komplexe Mittelung der Signale einer Gruppe von Anfangsbildpixeln nach einer Inversion aller Phasenvektoren von diesen, die eine negative reele Komponente aufweisen, abgeleitet wird. In ähnlicher Weise weist jedes der Pixel aus dem zweiten Bild eine Signalstärke auf, die durch komplexe Mittelung der Signale einer zugehörigen Gruppe von Anfangsbildpixeln nach einer Inversion aller Phasenvektoren von diesen, die eine negative imaginäre Komponente aufweisen, abgeleitet wird. Danach werden das erste und das zweite Zwischenbild gezielt verarbeitet, um das Phasenvektorbild zu erzeugen. Ein derartiger Verarbeitungsschritt weist einen Vergleich zugehöriger Pixel des ersten und des zweiten Zwischenbildes und eine Auswahl des dem Vergleich unterworfenen Pixels, das eine größere Amplitude aufweist, als ein Pixel für das Phasenvektorbild auf.
Angesichts des Vorstehenden sind es wichtige Ziele der Erfindung, ein Verfahren zur Inversion-Recovery-MR-Bildgebung zu schaffen, das den intrinsischen Kontrastbereich aufrechterhält und auch das Kontrastumkehrphänomen eliminiert; das den intrinsischen Phasenfaktor, d.h. die intrinsische Phaseninformation ursprünglich akquirierter Daten, aufrechterhält oder wiederherstellt und eine derartige Information von einem unerwünschten Phasenfehler separiert; das die Bildgebungszeitdauer optimiert und in dem alle erforderlichen Daten in einer einzelnen Datenakquisition erhalten werden können; und das die Zuverlässigkeit verbessert und keine manuelle oder vom Benutzer vorzunehmende Intervention erfordert. Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung erschließen sich mehr aus der folgenden Beschreibung, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen ist:
1 zeigt ein schematisiertes Schaltbild unter Veranschaulichung von Grundkomponenten eines MR-Systems zur Verwendung bei der Ausführung einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine graphische Darstellung unter Veranschaulichung eines Problems, auf das die Erfindung gerichtet ist.
3 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Konstruktion eines Phasenvektorbildes für eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
4 zeigt eine schematisierte Darstellung, die einen Regionenwachstumsprozess für eine Ausführungsform der Erfindung betrifft.
5 zeigt ein Flussdiagramm unter Veranschaulichung der jeweiligen Schritte eines Verfahrens, das eine Ausführungsform der Erfindung aufweist.
6-7 zeigen graphische Darstellungen unter Veranschaulichung jeweiliger Interleavemodi (Verschachtelungsmodi) für eine Mehrschichten-IR-Bildgebung zur Verwendung in Verbindung mit einer Ausführungsform der Erfindung.
Bezugnehmend auf 1 sind dort die Grundkomponenten eines MR-Systems 10 veranschaulicht, das betrieben werden kann, um MR-Daten zu akquirieren, wie hierin beschrieben. Das System 10 enthält eine HF-Sendespule 12 sowie einen Magneten 14 zur Erzeugung eines Haupt- oder statischen Magnetfeldes B₀ in der Bohrung eines zylindrischen Magneten. Die HF-Spule 12 wird betrieben, um HF-Anregungssignale in einen Bereich 36 eines Patienten oder sonstigen Bildgebungsobjektes 16, der bzw. das in der Magnetbohrung untergebracht ist, hinein zu senden, um MR-Signale zu er zeugen. Das System 10 enthält ferner Gradientenspulen 18, 20 und 22 zur Erzeugung von G_x-, G_y- und G_z-Magnetfeldgradienten in Bezug auf die orthogonalen X-, Y- bzw. Z-Referenzachsen. 1 veranschaulicht, wie jede der Gradientenspulen 18, 20 und 22 jeweils durch Gradientenverstärker 24, 26 bzw. 28 angesteuert ist und die HF-Spule 12 durch einen Sendeverstärker 30 angesteuert ist.
Weiterhin bezugnehmend auf 1 ist dort das System 10 veranschaulicht, wie es mit einer HF-Spule 40 versehen ist, die in Verbindung mit einem Empfangsverstärker 38 betrieben wird, um MR-Signale von dem Bereich 36 des Patienten 16 zu akquirieren. Das System 10 ist ferner mit einer Pulssequenzssteuerung 32 versehen, die betrieben wird, um die HF- und Gradientenverstärker zu steuern und um dadurch Impulssequenzen zu generieren, um Sätze von MR-Signalen zu erzeugen und zu akquirieren. Das System 10 enthält ferner eine Berechnungs- und Verarbeitungselektronik 34, die leicht betrieben werden kann, um akquirierte Daten entsprechend der Erfindung zu verarbeiten. Die Konstruktion, Funktionen und Zusammenhänge der bzw. zwischen den jeweiligen Komponenten des MR-Systems 10 sind allgemein bekannt und im Stand der Technik, beispielsweise der US-Patentschrift Nr. 5 672 969, veröffentlicht am 30. September 1997, von Zhou et al., beschrieben.
In einer nützlichen Ausführungsform der Erfindung wird das MR-System 10 entsprechend einer herkömmlichen Inversion-Recovery(Inversionswiederherstellungs)-MR-Pulssequenz betrieben, um Daten beispielsweise aus dem Bereich 36 des Objektes 16 oder dergleichen zu akquirieren. Das System 10 wird ferner betrieben, um die akquirierten Daten mittels einer schnellen Fouriertransformation (FFT, Fast Fourier Transform) zu wandeln und um diese in sonstiger Weise zu verarbeiten, um ein anfängliches oder ursprüngliches MR-Bild zu schaffen. Gewöhnlich weist das Anfangs bild eine Matrixanordnung aus 256×256 Pixeln auf. Wie vorstehend beschrieben, weist ein IR-Bild eine zugehörige intrinsische Phase Φ_i(x, y) auf.
Bezugnehmend auf 2 ist dort eine Kurve 42 veranschaulicht, die eine Aufzeichnung der intrinsischen Phase Φ_i(x, y) in Bezug auf eine räumliche Dimension, beispielsweise die X-Achse, aufweist. Wie oben erwähnt, kann die intrinsische Phase Φ_i lediglich die Werte 0 und π aufweisen, die eine Umkehrung oder Inversion der intrinsischen Phase, beispielsweise in x₁, x₂ und x₃, anzeigen. Wie jedoch durch die Gleichung (1) angegeben, ist die gesamte Phase tatsächlich durch die Summe aus der intrinsischen Phase Φ_i und einem externen Phasenausdruck Φ_e(x, y) gebildet. Die externe Phase ist in 2 durch Phasenkomponenten 44a, 44b und 44c dargestellt, die der intrinsischen Phasenkurve 42 überlagert sind. Die externen Phasenkomponenten 44a und 44b sind im Vergleich zu den Amplituden, die mit der intrinsischen Phase verbunden sind, klein. Demgemäß ist es unwahrscheinlich, dass derartige Komponenten fälschlicherweise als Umkehrungen der intrinsischen Phase aufgefasst werden. Jedoch zeigt die externe Phasenkomponente 44c eine Signalstärke, die im Vergleich zu der intrinsischen Phase signifikant groß ist und deshalb derart aufgefasst oder interpretiert werden könnte, als ob sie eine oder mehrere Umkehrungen der intrinsischen Phase, beispielsweise bei x₄, anzeigt.
Gemäß der Erfindung ist erkannt worden, dass durch Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR, Signal-to-Noise Ratio) der akquirierten Daten die Stärke des MR-Signals, das der intrinsischen Phase zugeordnet ist, in Bezug auf die externen Phasenfehler deutlich vergrößert werden kann. Demgemäß wird es viel einfacher, zwischen der intrinsischen Phaseninformation, die zur Konstruktion eines IR-Bildes nützlich ist, und den verzerrenden externen Phasenthermen Φ_e(x, y) zu unterscheiden. Außerdem ist erkannt worden, dass das SNR erhöht werden kann, indem die Matrixgröße des ursprünglichen oder anfänglich akquirierten Bildes reduziert wird, wodurch die Auflösung ebenfalls reduziert wird, jedoch die Pixelgröße erhöht wird. Somit wird das 256×256-Anfangsbild auf eine Bildmatrix kleinerer Größe, beispielsweise ein 64×64-Bild, reduziert. Eine derartige Reduktion wird ausgeführt, indem der Signalwert jedes Pixels des 64×64-Bildes aus jeweiligen Signalwerten einer zugehörigen 4×4-Pixelgruppe bzw. eines 4×4-Pixelarrays, die bzw. das dem Anfangsbild entnommen wird, berechnet wird. Jedes Pixel der reduzierten Bildmatrix weist einen zugehörigen Phasenvektor auf, der durch die Magnetisierungsverteilung seines zugehörigen 4×4-Pixelarrays bestimmt ist.
Bezugnehmend auf 3 sind dort Phasenvektoren veranschaulicht, die jeweils durch verschiedene mögliche Magnetisierungsverteilungen in zugehörigen Bereichen mit 4×4-Pixeln erzeugt werden. Es sind ferner unterschiedliche Ansätze zur Berechnung des Phasenvektors für ein Pixel des reduzierten 64×64-Bildes veranschaulicht. Insbesondere zeigt jede der Spalten (a)-(d) aus 3 eine andere Magnetisierungsverteilung, und jede der Zeilen (1)-(4) veranschaulicht eine andere Phasenvektorberechnungstechnik, wie dies nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben ist.
Die Zeile (1) aus 3 ist auf eine Prozedur gerichtet, bei der das MR-Signal eines Pixels des 64×64-Bildes unmittelbar durch komplexe Mittelung der Signalwerte ihrer zugehörigen Pixel des 4×4-Arrays berechnet wird. Dies funktioniert ziemlich gut, wenn jedes der Pixel des 4×4-Arrays die gleiche intrinsische Phase Φ_i(x, y) aufweist. Dies ist die Situation für beispielsweise die Magnetisierungsverteilung 46 gemäß der Spalte (a), in der die Signale der jeweiligen Arraypixel lediglich positive reelle und imaginäre Komponenten aufweisen. Für eine derartige Situation bringt eine direkte Mittelung der 4×4-Pixel einen Phasenvektor 48a hervor, der die Phaseninformation aus dem ursprünglichen Bild genau aufrechterhält. Jedoch zeigen die Spalten (b)-(d) jeweils Magnetisierungsverteilungen 50-54. Jede dieser Verteilungen leitet sich von einem Bereich mit 4×4-Pixeln ab, der eine Gruppe von Pixeln einer bestimmten intrinsischen Phase enthält, jedoch ferner eine weitere Gruppe von Pixeln mit der entgegengesetzten intrinsischen Phase enthält. Eine derartige Situation trifft in der IR-Bildgebung in den Grenzregionen zwischen zwei Geweben mit unterschiedlichen T1-Zeiten auf. Wenn die Mittelungstechnik gemäß der Zeile (1) auf derartige Pixelregionen angewandt wird, heben sich die Effekte der intrinsischen Phase im Wesentlichen auf, was vernachlässigbare Phasenvektoren, beispielsweise 48b-48d, zur Folge hat. Somit führt eine derartige direkte Mittelungstechnik zu ungewisser oder verlorener Phaseninformation, wenn sie auf 4×4-Pixelregionen, die Pixel mit entgegengesetzter Phase enthalten, angewandt wird.
Bezugnehmend auf Zeile (2) aus 3 ist dort eine Technik zur Aufrechterhaltung bzw. Sicherung der Phaseninformation der Magnetisierungsverteilungen 50 und 52 der Spalten (b) bzw. (c) veranschaulicht. Bei derartigen Verteilungen enthalten die 4×4-Bereiche Pixel, die entgegengesetzte imaginäre Komponenten aufweisen. Gemäß der Technik nach Zeile (2) werden zunächst alle negativen imaginären Komponenten von Pixeln des 4×4-Bereiches invertiert. Anschließend wird auf das resultierende Array eine komplexe Mittelung angewandt, um Phasenvektoren für das entsprechende reduzierte 64×64-Bild zu erhalten. Eine derartige Technik bringt Phasenvektoren 56b und 56c hervor, die die Phaseninformation der Pixelarrays, die den Spalten (b) bzw. (c) zugeordnet sind, aufrecht erhalten. Jedoch ist die Magnetisierungsvertei lung 54 und sind die dieser zugeordneten Phasenvektoren um die reelle Achse dicht zusammengedrängt. Demgemäß kann die Phaseninformation, die durch den Phasenvektor 56d geliefert wird, der durch das Verfahren gemäß Zeile (2) erzeugt wird, ungewiss sein.
Um ein derartiges Defizit auszugleichen, veranschaulicht Zeile (3) aus 3 eine Technik, die der Technik nach Zeile (2) sehr ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass negative reelle Komponenten eines 4×4-Pixelarrays und nicht imaginäre Komponenten invertiert werden, bevor eine komplexe Mittelung stattfindet. Die Technik nach Zeile (3) liefert Phasenvektoren 58a, 58b und 58d, die die intrinsische Phaseninformation der Magnetisierungsverteilungen 46, 50 bzw. 54 aufrechterhält. Der Phasenvektor 58c behält nicht die Phaseninformation der Verteilung 52 bei, die um die imaginäre Achse herum dicht zusammengedrängt ist.
Es ist ohne weiteres offensichtlich, dass, wenn zwei 64×64-Matrixbilder aus dem Anfangsbild erzeugt werden, eines gemäß der Prozedur nach Zeile (2) aus 3 und das andere gemäß der Prozedur nach Zeile (3), die beiden Bilder gemeinsam im Wesentlichen die gesamte Phaseninformation des ursprünglichen 256×256-Bildes enthalten. Demgemäß werden, als ein Zwischenschritt, zwei derartige 64×64-Bilder erzeugt. Sie werden anschließend dazu verwendet, ein hybrides 64×64-Phasenvektorbild zu konstruieren, wie dies durch Zeile (4) der 3 veranschaulicht ist. Insbesondere werden zugehörige Pixelwerte der beiden Zwischenbilder miteinander verglichen, wobei die Pixel mit Werten größerer Amplitude für das zugehörige Pixel des Hybridbildes ausgewählt werden. Somit veranschaulicht Zeile (4) der 3 den Phasenvektor 56c, der ausgewählt ist, um Phaseneffekte der Magnetisierungsverteilung 52 darzustellen, und den Phasenvektor 58d, der zur Darstellung von Phaseneffekten der Verteilung 54 ausgewählt ist.
Wie oben angegeben, weist die intrinsische Phase Φ_i(x, y) in einem IR-Bild lediglich einen binären Wert auf, der entweder 0 oder π beträgt, während der externe Phasenfehler eher eine langsam variierende Funktion darstellt. Demgemäß sollten die Richtung eines gegebenen Bildpixels, wie durch die Gleichung (1) gekennzeichnet, und die Richtung des Phasenvektors eines benachbarten oder daneben liegenden Pixels eingeschränkt sein, um in Abhängigkeit von den T1-Zeiten des Gewebes in den beiden Pixeln entweder innerhalb eines kleinen Winkelbereiches in ihrer Umgebung oder innerhalb eines kleinen Winkelbereiches in der entgegengesetzten Richtung zu liegen. Basierend darauf wird als ein weiterer Schritt für eine Ausführungsform der Erfindung ein 2D-Regionenwachstumsprozess (Region-Growing Process) auf das hybride 64×64-Phasenvektorbild angewandt, das in der in Verbindung mit 3 vorstehend beschriebenen Weise konstruiert worden ist. Der Regionenwachstumsprozess zielt darauf ab, externe Phasenfehler Φ_e(x, y) zu identifizieren und von der intrinsischen Phase Φ_i(x, y) zu separieren und stellt ferner einen sanften Regionenwachstum, d.h. einen sanften Übergang zwischen benachbarten Pixeln sicher.
Bezugnehmend auf 4 ist ein Teil 60 eines hybriden 64×64-Phasenvektorbildes, wie oben beschrieben, veranschaulicht. Entsprechend dem Regionenwachstumsprozess wird anfangs eines der Pixel des Phasenvektorbildes 60, beispielsweise das Pixel 62, willkürlich als ein „Keim"-Pixel ausgewählt. Es wird eine Bestimmung von θ₁, dem Winkel zwischen dem Phasenvektor 64 des Pixels 62 und dem Phasenvektor 66 eines benachbarten Pixels 68, vorgenommen. θ₁ wird anschließend mit jedem der beiden Winkelbereiche, 0°±θ₀ und π±θ₀, verglichen, um festzustellen, ob der Wert von θ₁ innerhalb eines der beiden Bereiche liegt. θ₀ wird verhältnismäßig klein, z.B. in der Größenordnung von 15°-25°, gewählt. 4 veranschaulicht den Phasenvektor 66 des Pixels 68, wie er eine Richtung aufweist, so dass θ₁ innerhalb des Bereiches von 0°±θ₀ liegt. Dies zeigt einen feinen minimalen externen Phasenfehler und einen sanften Übergang zwischen benachbarten Pixeln 62 und 68 an. Demgemäß wird das Pixel 68 als das Keimpixel ausgewählt, um den Winkel zwischen seinem Phasenvektor 66 und den Phasenvektoren von einem oder mehreren benachbarten Pixeln zu bestimmen, auf die die Regionenwachstumsprozedur noch nicht angewandt worden ist.
Weiterhin bezugnehmend auf 4, ist dort der Winkel θ₂ zwischen dem Phasenvektor 66 des neuen Keimpixels 68 und dem Phasenvektor 70 des danebenliegenden Pixels 72 veranschaulicht. Es wird festgestellt, dass θ₂ innerhalb des Winkelbereichs von n±θ₀ liegt. Demgemäß wird nun das Pixel 72 als das Keimpixel ausgewählt. Jedoch wird auch erkannt, dass die intrinsische Phase des Pixels 72 in Bezug auf die intrinsische Phase des Pixels 68 invertiert ist.
4 veranschaulicht ferner θ₃ als den Winkel zwischen dem Phasenvektor 70 des Pixels 72 und einem Phasenvektor 74 eines benachbarten Pixels 76. Es wird festgestellt, dass θ₃ außerhalb beider Winkelbereiche von 0°±θ₀ und π±θ₀ liegt. Demgemäß wird das Pixel 76 nicht zu dem Keimpixel. Stattdessen wird weiterhin das Pixel 72 als das Keimpixel verwendet, und die Richtung seines Phasenvektors 70 wird in der vorstehend beschriebenen Weise mit einem Phasenvektor 78 eines weiteren benachbarten Pixels 80 verglichen, um festzustellen, ob das Pixel 72 oder 80 anschließend als das Keimpixel verwendet werden sollte.
Wenn in dem vorstehend beschriebenen Regionenwachstumsprozess die Winkeldifferenz zwischen den Richtungen des Winkels für das Keimpixel und desjenigen für das Pixel, das mit diesem ver glichen wird, innerhalb der Winkelschwelle von 0°±θ₀ liegt, würde sich der Wert von e^jΦ _i(x, y) für das dem Vergleich unterworfene Pixel nicht verändern, so dass e^jΦ _e(x, y) seinen Wert behalten würde, wie dies in der obigen Gleichung (1) angegeben ist. Ansonsten würden, wenn die Winkeldifferenz innerhalb von n±θ₀ liegt, sowohl e^jΦ _i(x, y) als auch e^jΦ _e(x, y) ihre Vorzeichen ändern. Der Wert von θ₀ ist theoretisch von dem Ausmaß der räumlichen Schwankungen der Phasenfehler abhängig. In der Praxis scheint jedoch ein Wert für θ₀ zwischen 15% und 25%, wie oben angegeben, einen sanften Regionenwachstum ohne unnötige Unterbrechungen sicherzustellen. Der verwendete genaue Wert von θ₀ ist unkritisch, solange er viel kleiner als 90° ist (so dass kein künstliches Kippen bzw. Umdrehen erzeugt wird) und oberhalb des Rauschpegels liegt (so dass der Regionenwachstum in sanfter Weise fortgeführt werden kann).
Bezugnehmend auf 5 ist dort ein Flussdiagramm veranschaulicht, der die Schritte für eine Ausführungsform der Erfindung allgemein zusammenfasst. Zunächst wird ein Satz von MR-Daten mittels einer IR-Sequenz akquiriert, um ein Bild einer vorgegebenen Matrixgröße, beispielsweise 256×256, zu liefern, wie dies durch den Prozessblock 82 beschrieben ist. Die Daten des Anfangsbildes werden anschließend dazu verwendet, zwei 64×64-Zwischenbilder zu konstruieren. Diese Prozeduren sind in den Prozessblöcken 84 und 86 der 5 angegeben und vorstehend in Verbindung mit Zeile (2) bzw. (3) der 3 beschrieben. Daten aus den beiden Zwischenbildern werden anschließend dazu verwendet, ein 64×64-Hybridphasenvektorbild zu erzeugen, wie dies durch den Prozessblock 88 der 5 veranschaulicht ist und in gleicher Weise vorstehend in Verbindung mit Zeile (4) aus 3 beschrieben ist. Das Phasenvektorbild, das zu einer Matrixgröße von 64×64 reduziert ist, weist ein wesentlich größeres SNR als das ursprüngliche 256×256-Bild auf. Gleichzeitig speichert bzw. erhält das Phasenvektorbild gemäß dem Prozessblock 88 die intrinsische Phaseninformation des Ursprungsbildes aufrecht.
Weiterhin bezugnehmend auf 5 veranschaulicht ein Prozessblock 90 die vorstehend in Verbindung mit 4 beschriebene Regionenwachstumsprozedur, die auf das hybride Phasenvektorbild angewandt wird. Die Regionenwachstumsprozedur ermittelt und separiert den externen Phasenfehler Φ_e(x, y) aus der intrinsischen Phase Φ_i(x, y) für die jeweiligen Pixel und stellt eine sanfte Winkelkontinuität zwischen benachbarten Pixels sicher.
Um das gesamte Vorzeichen nach dem Regionenwachstum zu bestimmen, erfordert ein Prozessblock 92, dass die Gesamtmagnetisierung entweder positiv oder negativ ist, abhängig von der ausgewählten TI. Dieser Schritt ist erforderlich, um sicherzustellen, dass das Phasenvektorbild den richtigen Kontrast zeigen wird. Dies bedeutet, dass es wichtig ist, sicher zu sein, dass helle und dunkle Bereiche des Bildes nicht versehentlich, infolge einer unbeabsichtigen Inversion zugehöriger Phasenvektoren des Phasenvektorbildes umgekehrt werden. Ein derartiger Schritt wird teilweise mittels des Prozessblocks 94 ausgeführt. Entsprechend diesem Schritt wird ein 64×64-Bild konstruiert, in dem jeweilige 4×4-Pixelarrays des ursprünglichen 256×256-Bildes in der in Verbindung mit Zeile (1) aus 3 vorstehend beschriebenen weise einfach gemittelt werden. Die durch ein derartiges Bild gelieferten Informationen werden anschließend entsprechend dem Prozessblock 92 dazu verwendet festzustellen, ob die Phasenvektoren der jeweiligen Pixel des Phasenvektorbildes invertiert oder in Ruhe gelassen werden sollten, um den richtigen Kontrast sicherzustellen.
Nach Beendigung der Prozedur gemäß Prozessblock 92 wird das Phasenvektorbild zu der Größe der ursprünglichen Bildmatrix, d.h. 256×256, erweitert oder vergrößert, wie dies durch einen Prozessblock 96 angezeigt ist. Anschließend wird eine Tiefpassfilteroperation auf das erweiterte Bild angewandt, wie dies durch einen Prozessblock 98 angegeben ist. In diesem Stadium werden externe Phasenfehler e^jΦ _e(x, y) bestimmt, indem eine sanfte räumliche winkelmäßige Kontinuität für alle Pixel, die während der Regionenwachstumsprozedur nicht besichtigt werden, gefordert wird. Die endgültige Ausgabe, d.h. ein IR-Bild, das phasenempfindlich bzw. -abhängig ist, wird erzeugt, indem der reelle Teil des ursprünglichen Bildes genommen wird, nachdem dieses mit der komplex Konjugierten des gefilterten Phasenvektorbildes multipliziert wird. Diese Prozedur ist durch einen Prozessblock 100 angezeigt. Es sollte erwähnt werden, dass das gesamte Datenverarbeitungsverfahren, wie es in 5 angegeben ist, voll automatisch abläuft und keine manuelle Intervention erfordert.
Wie oben erwähnt, ist einer der Nachteile der herkömmlichen IR-Sequenz die beträchtliche Länge der gesamten Bildgebungszeitdauer gewesen, die für eine Mehrschichtenbildgebung unzulässig lang werden kann. In der herkömmlichen IR-Sequenz werden sowohl Inversions- als auch Bildgebungsimpulse für eine gegebene Schicht gemeinsam ausgegeben oder erzeugt, bevor die Impulse für eine weitere Schicht ausgegeben werden. Wenn TI lang ist, kann während der TI-Zeitdauer eine beträchtliche Zeitmenge verschwendet werden.
Bezugnehmend auf 6 ist dort ein Verschachtelungs- bzw. Interleavemodus für eine IR-Bildgebung veranschaulicht, die von der langen TI-Zeit Gebrauch macht. Ein derartiger Akquisitionsmodus kann als „verteiltes Interleave" bezeichnet werden und ist im Vergleich zu der herkömmlichen IR-Sequenz zeiteffizienter. 6 veranschaulicht einen Inversionsimpuls 102, der der Abbildung einer ersten Schicht (Schicht Nr. 1) zugeordnet ist, dem nach einer Inversionszeit (TI)₁ Akquisitionsimpulse 104 für die erste Schicht folgen. Während der Inversionszeit (TI)₁ werden die Inversionsimpulse 106 und 108 erzeugt, die der Schicht Nr. 2 bzw. der Schicht Nr. 3 zugeordnet sind. Bildgebungsakquisitionsimpulse 110 für die Schicht Nr. 2 treten nach dem Inversionsimpuls 106 nach einer Zeit (TI)₂ auf, während Bildgebungsakquisitionsimpulse 112 nach einer Zeitdauer (TI)₃ nach dem Inversionsimpuls 108 auftreten.
In dem Akquisitionsmodus nach 6 wird das Zeitintervall zwischen den Inversionsimpulsen von zwei verschiedenen Schichten nicht verwendet. Für Situationen, in denen diese Zeitdauer lang ist, wie beispielsweise in einem Fast-Spin-Echo-Scan, kann eine modifizierte Interleave-Akquisition angewandt werden, die in
7 veranschaulicht ist und als „verteiltes Interleave" bezeichnet wird. In einer derartigen Einrichtung bzw. Ausgestaltung wird der Inversionsimpuls für eine spezielle Schicht zwischen den Bildgebungsimpulsen von zwei anderen Schichten platziert. Somit veranschaulicht 7 einen einer Schicht π zugeordneten Inversionsimpuls 114, dem eine Inversionszeit (TI)₁ folgt. Während (TI)₁ werden Inversionsimpulse 116 und 118 in Verbindung mit den Schichten n + 1 bzw. n + 2 erzeugt. 7 veranschaulicht ferner, dass Bildakquisitionsimpulse 120 ebenfalls während der Inversionszeit (TI)₁, und zwar verschachtelt oder eingefügt zwischen den Inversionsimpulsen 114 und 116, auftreten, während Bildakquisitionsimpulse 120 veranschaulicht sind, wie sie zwischen den Inversionsimpulsen 116 und 118 auftreten. Die Bildakquisitionsimpulse 120 und 122 sind Schichten n – 2 bzw. n – 1 und (nicht veranschaulichten) Inversionsimpulsen zugeordnet, die vor dem Inversionsimpuls 114 auftreten.
In dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird die Bildintensität in der phasenempfindlichen Inversionswiederherstellung bzw. Inversion-Recovery zu der physikalischen Magnetisierung proportional gemacht (es ist keine nichtlineare Operation einbezogen). Somit kann ersehen werden, dass Gewebe mit einem gesamten Bereich von T1-Zeiten und nicht nur einer speziellen T1 effektiv unterdrückt werden kann, indem eine geeignete Inversionszeit TI gewählt wird und indem eine einfache Schwellenfilterung auf die phasenempfindlichen IR-Bilder angewandt wird. Dies bedeutet, dass jedes Gewebe, das eine T1 aufweist, die kleiner ist als ein Schwellenwert oder alternativ größer ist als der Schwellenwert, wobei der Schwellenwert durch Auswahl von TI bestimmt ist, eine Magnetisierung mit einer vorgegebenen (beispielsweise negativen) Polarität aufweisen wird. Jedes Gewebe in einem derartigen T1-Bereich kann anschließend in der Bildkonstruktion leicht unterdrückt oder ausgelassen werden.

Claims

Phasenempfindliches Verfahren zur auf ein vorgegebenes Objekt (16) gerichteten MR-Bildgebung, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anwendung einer Inversion-Recovery-MR-Sequenz auf das Objekt (16), um einen Satz MR-Daten für ein Anfangsbild zu akquirieren, das eine Pixelmatrix vorgegebener Größe aufweist, wobei jedes Pixel der Anfangsbildpixeln ein zugehöriges MR-Signal und einen Phasenvektor (48-58) aufweist; Erzeugung eines Phasenvektorbildes (60) aus durch die Anfangsbildpixel bereitgestellten Informationen, wobei das Phasenvektorbild (60) eine Matrix einer Größe aufweist, die wesentlich kleiner ist als die vorgegebene Größe; Anwendung einer Regionenwachstumsprozedur auf das Phasenvektorbild (60), um Phasenfehler (44c) aus diesem zu entfernen; und Erweiterung des Phasenvektorbildes zu einer Matrix der vorgegebenen Größe sowie gezielte Kombination der Anfangsbildmatrix mit dem erweiterten Phasenvektorbild, um ein phasenkorrigiertes, phasenabhängiges Inversion-Recovery-Bild zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, dass: der ein Phasenvektorbild erzeugende Schritt aufweist: Konstruktion eines ersten Zwischenbildes, das eine Matrix von ersten Pixeln aufweist, wobei jedes der ersten Pixel ein Signal aufweist, das durch komplexe Mittelung der Signale einer Gruppe der Anfangsbildpixel nach einer Inversion aller Phasenvektoren (58a-58d) von dieser, die eine negative reale Komponente aufweisen, abgeleitet wird; Konstruktion eines zweiten Zwischenbildes, das eine Matrix von zweiten Pixeln aufweist, wobei jedes der zweiten Pixel ein Sig nal aufweist, das durch komplexe Mittelung der Signale einer zugehörigen Gruppe der Anfangsbildpixel nach einer Inversion aller Phasenvektoren (56a-56d) von dieser, die eine negative imaginäre Komponente aufweisen, abgeleitet wird; und gezielte Verarbeitung des ersten und des zweiten Zwischenbildes, um das Phasenvektorbild zu erzeugen, wobei der Verarbeitungsschritt einen Vergleich zugehöriger Pixel aus dem ersten und dem zweiten Zwischenbild und eine Auswahl des verglichenen Pixels, das eine größere Amplitude aufweist, als ein Pixel für das Phasenvektorbild aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Regionenwachstumsprozedur aufweist: Auswahl eines zufälligen Pixels (62) des Phasenvektorbildes (60) als ein Keimpixel; Bestimmung, ob der Winkel zwischen den Phasenvektoren des Keimpixels und eines benachbarten Pixels (68) in dem Phasenvektorbild innerhalb eines ersten oder zweiten Winkelbereichs liegt; Auswahl des benachbarten Pixels (68) für eine nachfolgende Verwendung als das Keimpixel, wenn der Winkel innerhalb des ersten Winkelbereichs liegt; Inversion des Phasenvektors (66) des Nachbarpixels (68) und anschließende Auswahl desselben für eine nachfolgende Verwendung als das Keimpixel, falls der Winkel innerhalb des zweiten Winkelbereichs liegt; und keine Verwendung des Nachbarpixels (68) als das Keimpixel, falls der Winkel weder innerhalb des ersten noch innerhalb des zweiten Winkelbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: ein Tiefpassfilter auf das erweiterte Phasenvektorbild angewandt wird, um Rauschen aus diesem zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei: das Verfahren auf eine Mehrschichtbildgebung gerichtet ist und die Daten entsprechend einer verteilten Interleave-Akquisition akquiriert werden, um die Bildgebungszeit zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei: die Inversion-Recovery-Sequenz mit einer Inversionszeit versehen ist, die ausgewählt ist, um in dem phasenabhängigen Inversion-Recovery-Bild jedes Gewebe wesentlich zu unterdrücken, das einen TI-Wert aufweist, der in einem festgelegten Bereich liegt, wobei der festgelegte Bereich jedes TI enthält, das wahlweise kleiner oder größer als ein Schwellenwert ist, der durch die ausgewählte Inversionszeit bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: der erste Winkelbereich 0°± θ₀ aufweist und der zweite Winkelbereich Π ± θ₀ aufweist, wobei θ₀ ein Winkel ist, der wesentlich kleiner als 90° gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei: θ₀ aus einem um 20° herum zentrierten Bereich von ungefähr 10° ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: die vorgegebene Größe der Anfangsbildmatrix 256×256 beträgt und die Größe der Phasenvektorbildmatrix 64×64 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei: die Inversion-Recovery-Sequenz für eine gegebene Schicht einen vorgegebenen Inversion-Recovery-Impuls (114) aufweist, dem nach einer vorgegebenen Inversionszeit ein Satz zugehöriger Akquisitionsimpulse (104) folgt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: das Verfahren die Erzeugung einer Anzahl von Inversion-Recovery-Impulsen (116, 118), die jeweils der gegebenen Schicht nachfolgenden Schichten zugeordnet sind, während der vorgegebenen Inversionszeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: das Verfahren ein Interleaving einer Anzahl von Inversion-Recovery-Impulsen (116, 118), die jeweils der gegebenen Schicht nachfolgenden Schichten zugeordnet sind, mit einer Anzahl von Akquisitionsimpulsen (120, 122), die jeweils in Bezug auf die gegebene Schicht vorhergehenden Schichten zugeordnet sind, während der vorgegebenen Inversionszeit aufweist.
MR-Bildgebungsvorrichtung, die aufweist: einen Satz von MR-Komponenten (12, 18-22, 40), die angeordnet sind, um eine Inversion-Recovery-MR-Sequenz auf ein Objekt (16) anzuwenden, um einen Satz MR-Daten für ein Anfangsbild zu akquirieren, das eine Pixelmatrix einer vorgegebenen Größe aufweist; eine Pulssequenzsteuerung (32), die angeordnet ist, um die MR-Komponenten (12, 18-22, 40) zu betreiben, um Daten in einem verteilten Interleave-Modus zu akquirieren, in dem ein Inversionsimpuls für eine bestimmte Schicht zwischen den Bildgebungsimpulsen für zwei andere Schichen platziert wird; und einen Datenprozessor (34), der die MR-Daten entgegennimmt, um ein Phasenvektorbild (60) aus Informationen zu erzeugen, die durch die Anfangsbildpixel bereitgestellt werden, wobei das Phasenvektorbild (60) eine Matrix einer Größe aufweist, die wesentlich kleiner ist als die vorgegebene Größe, wobei der Datenprozessor (34) angeordnet ist, um eine Regionenwachstumsprozedur auf das Phasenvektorbild (60) anzuwenden, um Phasenfehler von diesem zu beseitigen (44c); eine Einrichtung zur Erweiterung des Phasenvektorbildes zu einer Matrix der vorgegebenen Größe; und eine Einrichtung zur gezielten Kombination der Anfangsbildmatrix mit dem erweiterten Phasenvektorbild, um ein phasenkorrigiertes, phasenabhängiges Inversion-Recovery-Bild zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass: der Prozessor (34) dazu eingerichtet ist, ein erstes und ein zweites Zwischenbild zu konstruieren, die Matrizen aus ersten bzw. zweiten Pixeln aufweisen, wobei jedes der ersten Pixel ein Signal aufweist, das durch komplexe Mittelung von Signalen einer Gruppe der Anfangsbildpixel nach einer Inversion aller Phasenvektoren (58a-58d) von dieser, die eine negative reale Komponente aufweisen, abgeleitet ist, während jedes der zweiten Pixel ein Signal aufweist, das durch komplexe Mittelung von Signalen einer zugehörigen Gruppe der Anfangsbildpixel nach einer Inversion alle Phasenvektoren (56a-56d) von dieser, die eine negative imaginäre Komponente aufweisen, abgeleitet ist, und ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (34) dazu eingerichtet ist, das Phasenvektorbild (60) aus dem ersten und dem zweiten Zwischenbild zu erzeugen, indem er zugehörige Pixel des ersten und des zweiten Zwischenbildes miteinander vergleicht und das verglichene Pixel, das eine größere Amplitude aufweist, als das Pixel für das Phasenvektorbild auswählt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei: die Vorrichtung ein Tiefpassfilter enthält, das angeordnet ist, um Rauschen aus dem erweiterten Phasenvektorbild zu entfernen.