DE69934044T2

DE69934044T2 - System und Verfahren zur verbesserten Trennung von Wasser und Fett mittels eines Satzes von Magnetresonazbildern mit niedriger Auflösung

Info

Publication number: DE69934044T2
Application number: DE69934044T
Authority: DE
Inventors: Jingfei Waukesha Ma
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2019-04-17
Also published as: EP0950902A2; EP0950902A3; EP0950902B1; JP4301349B2; JP2000051179A; DE69934044D1; US6016057A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen Magnetresonanz-Bildgebung (MRI), und insbesondere ein System und ein Verfahren für verbesserte Trennung von Wasser und Fett unter Verwendung eines Satzes von MR-Bildern mit niedriger Auflösung, um Phasenfehler mit einer insgesamt reduzierten Scanzeit und Verarbeitungszeit und verbesserter Zuverlässigkeit zu korrigieren.
Fett-Unterdrückung in der MR-Bildgebung ist für verbesserten Bildkontrast in Bereichen, welche adipöse Gewebe enthalten, nützlich. Anwendungsgebiete der Fett-Unterdrückung umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, die Bildgebung von Knorpeln, Sehnerven, der Brust, Leber- und Nierengeweben. Zusätzlich kann eine quantitative Bestimmung der relativen Anteile von Wasser und Fett, welche sowohl Wasser- als auch Fett-Bilder erfordert, für die Diagnose von Knochenmarkserkrankungen und für die Charakterisierung von atherosklerotischen Beschwerden wertvoll sein.
In einer klinischen Umgebung wird die Fett-Unterdrückung derzeit hauptsächlich mittels zwei Techniken, nämlich "Chemical Saturation" (ChemSat) und "Short TI Inversion Recovery" (STIR) durchgeführt. Beide erfordern jedoch die Anwendung eines zusätzlichen HF-Impulses vor der regulären Bildgebungssequenz und jedes hat grundsätzliche Einschränkungen. In der ChemSat wird die Fett-Unterdrückung durch Anwenden eines Erregungsimpulses mit schmaler Frequenzbandbreite gefolgt von "Spoiling-Gradienten" erreicht. Als solches ist dieses Verfahren intrinsisch gegenüber einer Inhomogenität des Magnetfeldes B₀ empfindlich. In der STIR ist der zusätzlich angewendete HF-Impuls ein 180° Inversionsimpuls, mit der auf die Fett-Nullungszeit (TI = T₁ln2 TI, wobei T₁ die longitudinale Relaxationszeit für Fett ist) eingestellten Inversionsperiode ist. Obwohl die STIR weniger empfindlich gegen einer Inhomogenität des Magnetfeldes B₀ ist, verändert sie den normalen Bildkontrast, verringert sie das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) des gesamten Bildes und wird manchmal nutzlos, da sie auch die Signale aus Wasser mit einer ähnlich kurzen longitudinalen Relaxationszeit unterdrückt.
Ein weiterer Ansatz zur Fett-Unterdrückung wird üblicherweise als "Dixon-Technik" bezeichnet und beinhaltet das Erhalten eines ersten Bildes, für welches Magnetisierungsvektoren von Wasser und Fett parallel sind, und eines zweiten Bildes, für welches die zwei Vektoren anti-parallel sind. Eine Summierung dieser zwei Bilder in der komplexen Form ergibt ein Nur-Wasser-Bild, und die Subtraktion dieser zwei Bilder ergibt ein Nur-Fett-Bild. Leider versagt eine derartig einfache Behandlung ebenfalls bei dem Vorhandensein von Feldinhomogenitäten. Die grundsätzliche Herausforderung für die Dixon-Technik liegt in der Korrektur der verschiedenen Phasenfehler der komplexen Bilder. Es wurde später erkannt, dass die durch Feldinhomogenität induzierten Fehler wenigstens im Prinzip durch modifizierte Datenerfassungen und Bildrekonstruktionsalgorithmen korrigiert werden können. Aufgrund der viel versprechenden Aussicht dieser Technik wurden verschiedene Varianten der ursprünglichen Dixon-Technik ermittelt. Typischerweise werden mehr Datenerfassung und verfeinertere Rekonstruktionsalgorithmen vor der Bildsummierung und Subtraktion eingesetzt. Trotz dieser Bemühungen haben die so genannten Dixon-Techniken keine breit gestreute kommerzielle Akzeptanz gefunden. Die Hauptnachteile dieser Techniken sind, dass sie im Allgemeinen eine lange Bildgebungszeit aufgrund der mehrfachen Datenerfassungen, und weil die für die Korrektur der Phasenfehler verwendeten Algorithmen für eine Online-Implementation zu zeitaufwändig sind, erfordern. Ferner fehlt diesen Algorithmen die Robustheit für den allgemeinen klinischen Einsatz und sie benötigen manchmal eine manuelle Intervention.
Es wäre daher wünschenswert, über ein System und ein Verfahren zur Trennung von Wasser und Fett in einer MRI zu verfügen, die in einer klinischen Umgebung mit kürzeren Gesamt-Scanzeit und verbesserter Zuverlässigkeit erreicht werden kann.
Die Erfindung versucht ein System und ein Verfahren zu schaffen, das eine zuverlässige Trennung von Wasser und Fett in signifikant reduzierten Bildgebungs- und Rekonstruktionszeiten ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird ein MR-Bildgebungsverfahren gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 10 geschaffen.
Die Erfindung schafft auch ein System zum Verbessern der Trennung von Wasser und Fett in einem MR-Bild, wobei das System einen Prozessor aufweist, der dafür programmiert ist:
wenigstens drei MR-Bild-Datensätze zu erhalten, wobei zwei von den MR-Bild-Datensätzen bei einer ersten Bildauflösung erhalten werden und ein dritter bei einer anderen Bildauflösung erhalten wird, wobei wenigstens ein MR-Bild-Datensatz bei einer höheren Bildauflösung als der Bildauf lösung wenigstens eines weiteren Bild-Datensatzes erfasst wird und ein Bild mit regulärer Matrixgröße liefert;
drei Bilder mit niedriger Auflösung aus den drei MR-Bild-Datensätzen aufzubauen, und eine Phasenfaktordarstellung mit niedriger Auflösung aus den drei Bildern mit niedriger Auflösung zu erzeugen, um Phasenfehler in dem Bild mit regulärer Matrix zu korrigieren, das durch den bei der höheren Bildauflösung erhaltenen MR-Bild-Datensatz erzeugt wird.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung basiert auf der Tatsache, dass, obwohl Phasenfehler in realen MR-Bildern über das gesamte Bildsichtfeld (FOV) groß sein können, diese sich im Wesentlichen nur langsam und sanft auf der Bildpixelskala verändern. Daher kann eine Phasenfehlerkorrektur mit Bildern mit niedriger Auflösung erreicht werden, welche ein höheres Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) aufweisen und welche mit einer reduzierten Bildgebungszeit gesammelt werden können. Asymmetrische Abtastschemata können für eine allgemeine Verkürzung der Bildverarbeitungszeit verwendet werden, während gleichzeitig die Robustheit der erforderlichen Phasenkorrekturprozeduren erhöht wird. Dieses ist wegen der reduzierten Matrixgröße, des höheren SNR und der mehreren Pixel möglich, welche sowohl Wasser als auch Fett enthalten, für welche die Trennung von Wasser und Fett direkt auf einer Pixelbasis in diesem asymmetrischen Abtastschema erzielt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde an einer Reihe von Ganzkörper-Scannern getestet und führte zu einer sauberen in vivo Trennung von Wasser und Fett unter Verwendung von Daten, die mit einer Bildgebungszeit fast so kurz wie der für ein reguläres Eins NEX (NEX = Erregungsanzahl) Bild gesammelt wurden. Wie die herkömmlichen Dixon-Techniken ist die vorliegende Erfindung praktisch mit allen Impulssequenzschemata einschließlich "Spin Echo", "Gradient-Recalled Echo" und "Fast Spin Echo" kompatibel.
Da die vorliegende Erfindung eine Verbesserung gegenüber der so genannten Dixon-Technik ist, ist eine weitere Erläuterung dieses herkömmlichen Verfahrens detaillierter in dem an Schneider erteilten US Pat. Nr. 5,321,359 und in dem an Glover, et. al. erteilten US Pat. Nr. 5,144,255 beschrieben, die beide demselben Rechtsnachfolger wie der vorliegenden Anwendung übertragen sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden ein System und Verfahren zur MR-Bildgebung zur Verbesserung der Trennung von Wasser und Fett offenbart, welche die Schritte des Erhalts von wenigstens drei MR-Bild-Datensätzen umfassen, für welche die Echozeiten geeignet so verschoben sind, dass die Magnetisierungsvektoren von Wasser und Fett eine relative Phase von 0, α, 2α aufweisen, wobei α 180° ist. Die drei Datensätze enthalten jeder zentrale Anteile des k-Raums, welche für Phasenfehlerkorrekturen verwendet werden. Mindestens einer der Datensätze sollte auch den äußeren Teil des k-Raums enthalten, so dass ein reguläres Bild rekonstruiert werden kann. Die äußeren k-Raumdaten für einen weiteren oder zwei Datensätze können auch für ein erhöhtes Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) in dem Endbild gesammelt werden.
Die Erfindung beinhaltet die Schritte des Erhaltens von wenigstens drei MR-Bild-Datensätzen, wobei zwei von den MR-Bild-Datensätzen bei einer ersten Bildauflösung erhalten werden, und ein dritter MR-Bild-Datensatz bei einer weiteren Bildauflösung erhalten wird. Wenigstens einer von den MRI-Datensätzen wird bei einer Bildauflösung erfasst, die höher als die Bildauflösung wenigstens eines anderen MRI-Datensatzes ist. Der Datensatz mit der höheren Bildauflösung stellt ein Bild mit regulärer Matrixgröße bereit. Beispielsweise kann ein reguläres Bild 256 × 256 Pixel aufweisen. Die drei MRI-Datensätze werden dazu verwendet, drei Bilder mit niedriger Auflösung aufzubauen, welche wiederum dazu verwendet werden, eine Phasenfaktordarstellung mit niedriger Auflösung zu erzeugen, um Phasenfehler in dem Bild mit regulärer Matrixgröße zu korrigieren, das durch den bei der höheren Bildauflösung erhaltenen MRI-Datensatz erzeugt wird.
Die vorstehende allgemeine Beschreibung beinhaltet wenigstens drei Ausführungsformen der Erfindung, durch welche eine zuverlässige Trennung von Wasser und Fett in angenähert der Zeit einer regulären 1 NEX, Zwei NEX oder 3 NEX Bildgebung erhalten wird. In einer ersten Ausführungsform wird nur ein regulärer Bild-Datensatz erfasst, für welchen die Wasser- und Fett-Vektoren um 90° phasenverschoben sind. Zwei weitere Bild-Datensätze werden erfasst, aber mit geringerer Auflösung, und für welche die Vektoren für Wasser und Fett um 0° bzw. 180° verschoben sind. In der weiteren Ausführungsform werden zwei reguläre Bild-Datensätze mit voller Auflösung erfasst, in welcher die Wasser- und Fett-Vektoren um 0° bzw. 180° phasenverschoben sind, und nur ein Bild-Datensatz mit niedriger Auflösung wird erfasst, in welchem die Vektoren für Wasser und Fett um 90° phasenverschoben sind. In noch einer weiteren Ausführungsform werden alle drei Datensätze bei voller Auflösung gesammelt. In jeder von den Ausführungsformen werden drei Bilder mit niedriger Auflösung in der Nachverarbeitung rekonstruiert und die Phasenfaktoren für die Pixel mit merklichen Anteilen sowohl von Wasser als auch Fett direkt auf einer Pixel-für-Pixel-Basis ermittelt. Für Pixel mit nur einer Spektralkomponente oder niedrigem SNR werden Phasenfaktoren in einem Bereichswachstumsprozess erzielt, der insbesondere für die Sicherstellung einer räumlichen Phasenkontinuität ausgelegt ist. Sobald die Phasenfaktoren mit niedriger Auflösung verfügbar sind, werden sie entweder zum Korrigieren der Phasenfehler in dem nur einen regulären Hild mit voller Auflösung verwendet, oder werden zur Führung einer binären Auswahl zwischen zwei möglichen Lösungen aus den zwei oder drei regulären Bildausführungsformen mit voller Auflösung verwendet.
Neben der Reduzierung in den Scanzeiten in bestimmten Ausführungsformen wird in der vorliegenden Erfindung auch die Bildverarbeitungszeit aufgrund der Verwendung von Bildern mit reduzierter Matrixgröße, erhöhtem SNR und weniger Pixeln mit nur einer Spektralkomponente verringert. Ferner wird die Verarbeitung robuster und zuverlässiger, da Störungseffekte in großem Umfang durch die Verwendung von Bildern mit niedriger Auflösung und hohem SNR vermieden werden.
Demzufolge versucht die Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Verbessern der Trennung von Wasser und Fett bereitzustellen, während gleichzeitig sowohl die Gesamt- Scanzeit als auch die Nachverarbeitungszeit reduziert werden.
Die Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Blockdarstellung eines NMR-Bildgebungssystems ist, das mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
2 ein Flussdiagramm der Verarbeitungsschritte in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Trennung von Wasser und Fett ist;
3 ein Flussdiagramm ist, das eine Ausführungsform der Nachverarbeitungsschritte für Phasenfehlerermittlungen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ein Flussdiagramm der Verarbeitungsschritte in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für die Trennung von Wasser und Fett ist.
Gemäß 1 enthält ein NMR-Bildgebungssystem eines für die praktische Ausführung der Erfindung geeigneten Typs einen Computer 10, welcher Gradientenspulen-Leistungsverstärker 14 über ein Impulssteuermodul 12 steuert. Das Impulssteuermodul 12 und die Gradientenverstärker 14 erzeugen zusammen die geeigneten Gradientenwellenformen Gx, Gy und Gz entweder für ein "Spin Echo"-, eine "Gradienten Recalled Echo"-Impulssequenz, eine "Fast Spin Echo- oder andere Arten von Impulssequenzen. Die Gradientenwellenformen sind mit Gradientenspulen 16 verbunden, welche um die Bohrung des Magneten 34 so angeordnet sind, dass Gradienten Gx, Gy und Gz entlang ihrer entsprechenden Achsen auf dem Polarisierungsmagnetfeld B₀ aus dem Magneten 34 eingeprägt werden.
Das Impulssteuermodul 12 steuert auch einen HF-Synthesizer 28, welcher Teil eines HF-Sender/Empfänger-Systems ist, wovon Teile durch einen Block 36 mit gestrichelten Linien eingeschlossen sind. Das Impulssteuermodul 12 steuert auch einen HF-Modulator 20, welcher den Ausgang des HF-Synthesizers 18 moduliert. Die durch den Leistungsverstärker 22 verstärkten und an die HF-Spule 26 über den Sende/Empfangs-Umschalter 24 angelegten, sich ergebenden HF-Signale werden zum Erregen der Kernspins des (nicht dargestellten) abgebildeten Objektes verwendet.
Die NMR-Signale auf den erregten Kernen des abgebildeten Objektes werden von der HF-Spule 26 aufgenommen und einem Vorverstärker 28 über den Sende/Empfangs-Schalter 24 präsentiert, um verstärkt und dann durch einen Quadraturphasendetektor 30 verarbeitet zu werden. Die detektierten Signale werden durch einen schnellen A/D-Wandler 32 digitalisiert und an den Computer 10 zur Verarbeitung angelegt, um NMR-Bilder des Objektes zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren und ein System zur Verwendung mit dem vorstehend angegebenen NMR-System oder einem beliebigen ähnlichen System zum Erzielen von MR-Bildern für verbesserte Trennung von Wasser und Fett in der MR-Bildgebung. Das System und das Verfahren beinhalten im Wesentlichen zuerst das Erhalten von wenigstens drei MR-Bild-Datensätzen gemäß Darstellung und werden im Detail unter Bezugnahme die 2 – 4 beschrieben. Die drei Datensätze werden zum Rekonstruieren einer Reihe von Bildern mit regulärer Auflösung und niedriger Auflösung verwendet, um die endgültigen Wasser- und Fett-Bilder zu erzeugen. Für Veranschaulichungszwecke bezieht sich die reguläre Auflösung auf eine Matrixgröße von 256 × 256, und die niedrige Auflösung auf eine Matrixgröße von 64 × 64. In der Praxis hängen die genauen Matrixgrößen von den Anwendungen und Hardwareeinschränkungen ab.
In einer Ausführungsform werden zwei von den drei MR-Bild-Datensätzen als ein Bild mit erster Auflösung erhalten und das dritte wird als ein Bild mit anderer Auflösung er halten. Wenigstens einer von den MR-Bild-Datensätzen wird mit einer höheren Bildauflösung als der Bildauflösung wenigstens eines anderen MR-Bild-Datensatzes erhalten, und das Bild mit höherer Auflösung ist in der Lage, ein Bild mit regulärer Matrixgröße bereitzustellen. Beispielsweise wird bei dem derzeitigen Stand der Technik ein Bild mit regulärer Matrixgröße als eines mit 256 × 256 Pixel angenommen. Jedoch wird ein Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres erkennen, dass die gewählte Auflösung eine Auslegungssache ist, und dass die Pixelparameter eines Bildes mit regulärer Matrix wahrscheinlich mit weiteren Fortschritten in der Technologie zunehmen. Die vorliegende Erfindung ist diesbezüglich nicht eingeschränkt. Das Verfahren und das System beinhaltet außerdem den Aufbau von drei Bildern mit niedriger Auflösung aus den drei MR-Bild-Datensätzen und dann die Erzeugung einer Phasenfaktordarstellung mit niedriger Auflösung aus den drei Bildern mit niedriger Auflösung, um Phasenfehler in dem Bild mit regulärer Matrixgröße, das bei der höheren Bildauflösung erhalten wurde, zu korrigieren
In einer Ausführungsform der Erfindung wird beispielsweise der bei der höheren Bildauflösung erhaltene MR-Bild-Datensatz dort erfasst, wo die Wasser- und Fett-Vektoren angenähert um 90° phasenverschoben sind. Die anderen zwei MR-Bild-Datensätze werden mit der niedrigeren Auflösung erfasst. Einer von den MR-Bild-Datensätzen mit der niedrigeren Auflösung wird dort erfasst, wo die Wasser- und Fett-Vektoren ausgerichtet sind, und der andere wird dort erhalten, wo die Wasser- und Fett-Vektoren angenähert um 180° phasenverschoben sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zwei von den drei MR-Bild-Datensätzen bei der höheren Bildauflösung erhalten. Einer von den MR-Bild-Datensätzen bei der höheren Auflösung wird dort erfasst, wo die Wasser- und Fett-Vektoren ausgerichtet sind, und der andere wird dort erhalten, wo die Wasser- und Fett-Vektoren angenähert um 180° phasenverschoben sind. Der dritte MR-Bild-Datensatz wird bei der niedrigeren Auflösung und dort erfasst, wo die Wasser- und Fett-Vektoren angenähert um 90° phasenverschoben sind.
Diese asymmetrische Abtasttechnik, bei der die Magnetisierungsvektoren von Wasser und Fett von wenigstens einem der drei Abtastpunkte weder parallel noch anti-parallel sind, ermöglicht eine direkte Selektion und Identifikation von Wasser und Fett ohne die Notwendigkeit der als "Unwrapping" (Abwicklung) bekannten Phasenkorrekturtechnik, solange die relativen Phasen der zwei Komponenten gut definiert sind. Das Problem bei der herkömmlichen Phasenabwicklung besteht darin, dass es bei Vorliegen von Bildrauschen und Artefakten unzuverlässig und fehleranfällig ist. Ferner ermöglicht es höchstens eine korrekte Trennung der Wasser- und Fett-Vektoren, kann jedoch nicht identifizieren, welcher Vektor Wasser und welcher Vektor Fett nach deren Trennung ist.
Unter Bezugnahme auf 2 werden die in einer Eins NEX Implementation an der Trennung von Wasser und Fett beteiligten Datenverarbeitungsschritte beschrieben. Zuerst werden die k-Raum-Daten erfasst, 50, 52 und 54. Zwei von den Datenerfassungen finden bei niedriger Auflösung, 50, 54, und die andere bei der höheren Auflösung statt, 52. Eine weitere Datenabtastung mit niedriger Auflösung erfolgt dort, wo die Vektoren von Fett und Wasser in Phase sind, 50. Eine weitere Datenabtastung mit niedriger Auflösung erfolgt dort, wo die Wasser- und Fett-Vektoren um 180° phasenverschoben sind, 54, und die weitere Datenerfassung, welche bei höherer Auflösung vorgenommen wird, erfolgt dort, wo die Vektoren von Fett und Wasser um 90° phasenverschoben sind. Jede von den Datenerfassungen 50, 52 und 54 wird zum Aufbau von drei Bildern mit niedriger Auflösung verwendet, 56, 58 und 60. In diesem Falle weisen die Bilder mit niedriger Auflösung 64 × 64 Pixel auf. Diese drei Bilder werden durch S₀, S₁ und S₂ in Gleichungen [9 – 11] dargestellt, welche hierin nachstehend in dem Theorie-Kapitel beschrieben werden. Ein 256 × 256 Bild mit voller Auflösung wird bei 62 aus den Daten mit niedriger Auflösung bei 50 nach einer Nullen-Auffüllung konstruiert. Dieses mit Nullen aufgefüllte Bild voller Auflösung wird zum Entfernen des konstanten Phasenfehlers P₀ bei 66 aus dem bei 64 aus den Rohdaten bei 52 rekonstruierten regulären Bild voller Auflösung verwendet. Der zeitabhängige Phasenfaktor H₁ wird bei 68 mit einer Bereichswachstumstechnik und einer Boxcar-Mittelungs-(Tiefpassfilterung)-Technik unter Verwendung der bei 56, 58 und 60 rekonstruierten drei Bilder niedriger Auflösung erzeugt. Das Bild von H₁ wird dann auf eine Matrixgröße von 256 × 256 umgeformt und unter Verwendung einer weiteren Boxcar-Mittelung bei 68 geglättet. Das geglättete H₁-Bild wird dann bei 66 auf das Bild angewendet und die endgültigen Wasser- und Fett-Bilder werden als die Größen der Real- und Imaginär-Anteile des phasenkorrigierten Bildes bei 70 erhalten.
Unter Bezugnahme auf 3 wird der Bereichswachstumsprozess zum Ermitteln des der Feldinhomogenität zugeordneten Phasenfaktors H₁ beschrieben. Aus den vorher bei 72, 74 und 76 erfassten drei komplexen Bildern wird der Phasenfaktor P₀ entfernt und zwei Sätze komplexer Lösungen werden gemäß später beschriebenen Gleichungen [14) und [15] bei 78 berechnet. Dann erfolgt eine binäre Entscheidung bezüglich der Phasenbeziehungen, und wenn nur eine einzige Komponente existiert, wird sie Wasser zugewiesen, danach werden zwei Orientierungsvektoren gemäß den Gleichungen [16] ebenfalls im Schritt 78 definiert. Wie es später beschrieben wird, ist, wenn die korrekte Wasser- und Fett-Zuordnung ausgeführt wird, der Orientierungsvektor gleich (F + W) P₀H₁, und dieser ist parallel zu H₁, da (F + W) ein Skalar ist und P₀ entfernt worden ist. Wenn eine falsche Zuweisung erfolgt, wäre der Orientierungsvektor gleich i (F – W) P₀H₁, und würde somit von H₁ entweder um 90° oder –90° abweichen. Um mögliche falsche Wasser- und Fett-Zuweisungen bei 78 zu korrigieren, kann ein Bereichswachstumsprozess so ausgelegt werden, dass er die Phasenkontinuität der Orientierungsvektoren bewahrt. Ein derartiger Bereichswachstumsprozess beginnt durch die Erzeugung eines Zufallskeims bei 80, und ein Pixel-für-Pixel-Vergleich wird bei 82 unternommen. In dem Pixel-für-Pixel-Vergleich wird die Winkeldifferenz zwischen dem Orientierungsvektor des Keims und den zwei mögli chen Orientierungsvektoren jedes einzelnen seiner vier nächsten Nachbarpixel verglichen. Während dieser Prozedur werden die Fett/Wasser-Zuweisung und somit die Orientierungsvektoren auf der Basis des Nachbarpixels, wo erforderlich, umgekehrt. Die größeren Pixel werden dann als neue Keime auf einer first-in/first-out-Basis verwendet. Die Zunahme im Hintergrundrauschen wird durch Einschränken der Winkel zwischen den Orientierungsvektoren der zwei Nachbarpixel auf einen voreingestellten Schwellenwert (typischerweise ± 15°–20°) beschränkt. Die Möglichkeit eines Beginns mit einem Keim mit einer falschen Wasser/Fett-Zuordnung wird verhindert, indem ein Vergrößerungsprozess verworfen wird, der mehr Umkehrungen als Nicht-Umkehrungen erzeugt.
Eine Vektororientierungsumkehr wird durch eine schrittweise Funktion entschieden. Zu diesem Zweck wird die Winkeldifferenz zwischen dem Orientierungsvektor des Keims und der zwei möglichen Orientierungsvektoren des nächst benachbarten Pixels berechnet. Von den zwei möglichen Orientierungsvektoren des nächst benachbarten Pixels wird der eine mit der kleineren Winkeldifferenz als der korrekte Orientierungsvektor für dieses Pixel zugeordnet. Wenn dieses eine Vertauschung gegenüber der ursprünglichen Zuordnung ist, wird das Pixel als "umgekehrt" für den Wachstumsprozess markiert, ansonsten wird das Pixel als "nicht-umgekehrt" markiert. Anschließend wird die kleinere Winkeldifferenz mit einem voreingestellten Schwellenwert von ±15° bis ±20° geprüft. Wenn sie innerhalb dieses Bereichs liegt, wird das Pixel in einem Stapel neuer Keime gespeichert. Wenn sie außerhalb dieses Bereichs liegt, wird das Pixel nicht als neuer Keim verwendet. Der Prüfschritt endet, wenn sich keine weiteren Keimpixel mehr in dem Keimstapel befinden, oder er wird abgebrochen, wenn während des Prozesses mehr Pixel als "umgekehrt" als "nicht-umgekehrt" zugeordnet werden.
Dieser Bereichswachstumsprozess wird bei 84 wiederholt, bis alle Pixel bei 86 geprüft sind, worauf ein Bemittelter Orientierungsvektor berechnet und mit dem Orientierungsvektor vor der Mittelung verglichen wird, die Pixelzuordnung dort wo erforderlich umgekehrt wird, und der neue Orientierungsvektor gemittelt und normiert wird, um den Phasenfaktor H₁ bei 88 zu erzeugen.
Unter Bezugnahme auf 4 werden nun die Datenverarbeitungsschritte für eine Zwei NEX Ausführungsform für das MR-Bildgebungsverfahren und System der vorliegenden Erfindung für verbesserte Trennung von Wasser und Fett dargestellt. Zuerst werden zwei MR-Bild-Datensätze mit voller Auflösung erfasst, einer mit ausgerichteten Wasser- und Fett-Vektoren, 90, und ein anderer mit entgegengesetzten Wasser- und Fett-Vektoren, 92. Ein weiterer Datensatz mit niedriger Auflösung, in welchem die Wasser- und Fett- Vektoren um 90° phasenverschoben sind, wird bei 94 erfasst. Ein 256 × 256 Bild wird bei 96 und 98 für jede Datenerfassung mit voller Auflösung, 90, 92, konstruiert. Im Schritt 96 wird der Phasenfaktor P₀ berechnet und geglättet und nach der Verwendung zum Korrigieren der Phasenfaktoren aus den zwei Bildern voller Auflösung werden dann zwei Sätze möglicher Lösungen für den Phasenfaktor H₁ erzeugt, 100. Drei Bilder mit niedriger Auflösung werden für jede Datenerfassung, 90, 94 und 92, unter Verwendung nur eines entsprechenden Datenelementes zentralen k-Raums aufgebaut, 100, 104 und 106. Die drei Bilder mit niedriger Auflösung werden dann zum Erzeugen des Phasenfaktors H₁ gemäß den in 3 detailliert dargestellten Prozeduren verwendet, wel cher dann wieder auf die volle Auflösung umgewandelt und bei 108 geglättet wird. Zum Schluss kann dieses geglättete H₁-Bild bei 108 entweder direkt auf Bilder aus 98 angewendet werden, oder als eine Führung bei der Auswahl der zwei möglichen Lösungssätze für H₁ aus 100 verwendet werden. Wenn der letztere Ansatz übernommen wird, wird ein neuer H₁ erzeugt und zur Verwendung bei der Korrektur von S₂ bei 98 geglättet. In beiden Fällen werden die Bilder von Wasser und Fett als die Real- und Imaginäranteile der Summe und Differenz der komplexen Bilder S₀ und S₂ nach der P₀- und H₁-Korrektur exportiert.
Noch eine weitere Ausführungsform ist eine Erweiterung der in den 2 und 4 dargestellten, in welchen ein 3 NEX Bildgebungszeitsystem und Verfahren zur verbesserten Trennung von Wasser und Fett unter Verwendung eines Satzes von MR-Bildern mit niedriger Auflösung offenbart wird. In diesem Falle wird ein kompletter Satz von drei MRI-Echos mit regulärer Auflösung gesammelt. In ähnlicher Weise wird jedoch auch eine Phasenfehlerermittlung aus der Rekonstruktion von drei Bildern mit niedriger Auflösung erzielt. Wie vorstehend beschrieben, werden die drei Bilder mit niedriger Auflösung rekonstruiert, indem nur der Anteil der Rohdaten des zentralen k-Raums genutzt wird. Die somit erhaltenen Phasenfehler mit niedriger Auflösung können dann entweder für eine direkte Phasenfehlerkorrektur verwendet werden, oder für die Führung einer binären Wahl, die aus Bildern mit regulärer Auflösung möglich ist.
DETAILLIERTE THEORIE
Im Wesentlichen kann das Frequenzspektrum von Wasser und Fett in einem gegebenen Pixel durch zwei δ-Funktionen mit Amplituden W bzw. F dargestellt werden. Wenn die Querrelaxation während eines kurzen Zeitintervalls von wenigen Millisekunden ignoriert wird, kann das komplexe MR-Signal S_n nach der Fouriertransformation (FT) für das Pixel für die n-te Abtastung an einem Zeitpunkt t_n wie folgt ausgedrückt werden (7):
In den Gleichungen [1] und [2] ist

und t_n ist die Verschiebung des Mittelpunktes des Datenerfassungsfensters von dem Zeitpunkt, wenn die Wasser- und Fett-Magnetisierungsvektoren in der Phase ausgerichtet sind. Ferner ist ω eine chemische Verschiebungsdifferenz zwischen Wasser und Fett, ω₀ die der Feldinhomogenität zugeordnete Frequenzverschiebung, und ϕ₀ die zeitunabhängige Phasenverschiebung.
Eine erfolgreiche Bildgebung für Wasser und Fett ist äquivalent dem Erzielen der korrekten Auflösung von F und W für alle Bildgebungspixel aus den in den Gleichungen [1] und [2] ausgedrückten Signalen. Mathematisch ist C_n eine bekannte Größe, da ω a priori bekannt ist (ca. 3,5 ppm) und t_n durch die Datenerfassungszeit gesteuert wird. Die Phasenfaktoren P₀ und insbesondere H_n sind jedoch im Allgemeinen nicht bekannt und sind die Hauptquelle einer Herausforderung, wobei die letztere nicht nur eine Variable der räumlichen Lage sondern auch des Datenerfassungszeitpunktes ist. Aufgrund der nicht linearen Operation in Verbindung mit der Bildung der Größe einer komplexen Variablen werden die Phasenfaktoren P₀ und H_n in der herkömmlichen Größenrekonstruktion eliminiert, und demzufolge ist keine eindeutige Lösung für F und W möglich. Die Situation kann in einem Falle einer Zweipunktabtastung dargestellt werden, in welcher C_n als 1 bzw. –1 gewählt wird, und die Intensität der entsprechenden Größenbilder wie folgt ist: |S0| = W + F [3] |S1| = W – F [4]
Wegen des Absolut-Zeichens in der Gleichung [4] sind zwei unterschiedliche Lösungen abhängig davon, ob Wasser oder Fett vorherrschend ist (W > F oder umgekehrt) möglich. Um die Zweideutigkeit zu umgehen und eine physikalische Auswahl durchzuführen, ist es wesentlich, auf die Gleichung [2] zurückzugehen und die Phasenfaktoren P₀ und H_n zu ermitteln.
In der ursprünglichen Dixon-Technik werden Daten, für welche die Magnetisierungen von Wasser und Fett parallel (ωt₀ = 0, C₀ = 1) und anti-parallel (ωt₁ = π, C₁ = –1) sind, gesammelt. Wenn das Feld perfekt homogen ist (ω₀ = 0) können die zwei komplexen Bilder nach der FT in den nachstehenden Gleichungen ausgedrückt werden:
Statt der Erzeugung der Größe werden die zwei komplexen Bilder direkt addiert und subtrahiert, um getrennte Bilder von Wasser und Fett zu erzeugen. Es sei angemerkt, dass die konstante Phasenverschiebung ϕ₀ räumlich variieren kann, aber in diesem Falle die Trennung von Wasser und Fett nicht beeinflusst. Natürlich ist, wenn das Feld nicht homogen ist (ω₀'0) die Zerlegung nicht korrekt, was zu der Beimischung der zwei Spezies in dem Endbildern führt.
Die Ermittlung von ω₀ oder H_n erfordert im Allgemeinen eine zusätzliche Sammlung von Daten zu unterschiedlichen Zeiten t_n. Mehrere Schemata wurden bereits vorgestellt und die meisten zielen auf die Ermittlung der Phasenwerte Ψ_n = (ω₀t_n, n = 0, 1, 2, ...) ab. In einem Ansatz werden drei Datensätze S₀, S₁ und S₂ mit (ωt_n = 0, π, 2π) gesammelt. Die zusätzliche Messung bei (ωt₂ = 2π) wird hauptsächlich für die Ermittlung der Phasenfehler wie folgt verwendet:
Obwohl sie im Allgemeinen weniger robust ist, kann dieselbe Phaseninformation auch direkt aus nur zwei Datensätzen erhalten werden. Beispielsweise ermöglichen, solange W'F gilt, die Zweipunktmessungen bei ωt₀ = 0 und ωt₁ = π eine Phasenermittlung aus der nachstehenden Phasenbeziehung.
In den Gleichungen [7] und [8] stellt die Operation eine Entnahme der Phase aus ihrer komplexen Komponente dar. Leider sind die durch die Gleichungen [7] und [8] gegebenen Phasenwerte nur innerhalb des Bereichs von –π bis π bestimmt. Eine mögliche Phasenüberfaltung, führt, wenn sie unkorrigiert, zu Bildartefakten mit umgekehrter Wasser-Fett-Identifikation. Obwohl sie scheinbar trivial ist, ist die Korrektur der Phasenüberfaltung (Phasenabwicklung) ein sehr herausforderndes Problem. Bis heute fehlt eine allgemeine und zuverlässige Lösung und es wird oft ein Fehler durch das Vorhandensein von Pixeln mit niedrigem SNR oder durch Bildartefakte, wie z.B. aus einer Bewegung) und durch die Möglichkeit nicht verbundener Gewebe in dem Bild verursacht.
In einem asymmetrischen Dreipunkt-Abtastschema für die Trennung von Wasser und Fett werden drei Datensätze mit einem so gewählten Datenerfassungszeitpunkt gesammelt, dass ωt_n in der Gleichung [1] gleich 0, α und 2α ist. Hier ist α so gewählt, dass es ein allgemeiner Winkel ist, welcher ungleich einem Vielfachen von π ist: So = (W + F)P0 [9] S1 = (W + C1F)P0H1 [10]
In den Gleichungen [9-11] ist
Es werden zwei neue komplexe Variablen W' und F', deren Größen gleich denen von W bzw. F sind definiert: W' = WP0H1 [12] F' = FC1P0H1 [13]
Durch Einsetzen der Gleichungen [12 – 13] in die Gleichungen [9 – 11] können die nachstehenden zwei Sätze komplexer Lösungen in Form von drei komplexen Bildern S₀, S₁ und S₂ abgeleitet werden:
Obwohl wiederum zwei Lösungssätze in den Gleichungen [14] und [15] möglich sind, kann eine physikalische Auswahl getroffen werden, da die Lösungen in komplexer Form mit unterschiedlichen Phasenbeziehungen vorliegen und nur eine von diesen die Gleichungen [12] und [13] erfüllt. Wenn α mit π(C₁ = –1) wie bei der asymmetrischen Abtastung gewählt wird, ist die relative Phaseninformation für immer verloren. Durch Aufbrechen der Abtastsymmetrie ist es möglich, nicht nur den physikalischen Lösungssatz auszuwählen, sondern auch zu identifizieren, welcher Vektor zu Wasser und welcher Vektor zu Fett gehört – eine Aufgabe, die für die symmetrische Abtastung selbst dann nicht möglich ist, wenn die Phasenwerte wie in den Gleichungen [7] oder [8] definiert bestimmt sind, und eine mögliche Phasenüberfaltung erfolgreich korrigiert ist.
Um Wasser und Fett mit der asymmetrischen Abtastung zu trennen, ist es daher nur erforderlich, über eine gut definierte relative Phase zwischen den zwei Vektoren zu verfügen. Eine derartige Information ist üblicherweise für einen großen Anteil der Bildpixel verfügbar. Jedoch kann eine relative Phase kaum für Pixel mit niedrigem SNR definiert werden, oder sogar für Pixel undefiniert werden, die nur eine einzige Spektralkomponente enthalten. Unter diesen Umständen muss Information von anderen benachbarten Pixeln eingeführt werden. Dieses kann durch Ermitteln der Phasenwerte Ψ_n = ω₀t_nl erfolgen, welche eine mögliche Phasenabwicklung erfordern würden. Alternativ ist es nur erforderlich, und zuverlässiger
zu ermitteln, da H_n auf einem Einheitskreis liegt und unempfindlich gegenüber Pha senabwicklung ist. Eine einfache Möglichkeit zum Ermitteln von H_n ist über den Orientierungsvektor O gemäß nachstehender Definition: Ô = W's + C1 –1F's [16]in welcher W'_s und F'_s einen Satz der zwei möglichen Lösungen wie er in den Gleichungen [14] und [15] gegeben ist, repräsentieren. Wenn die korrekte Auswahl bezüglich der einen signifikanten Anteils sowohl von Wasser als auch Fett enthaltenden Pixel ausgeführt wird, ist der Orientierungsvektor gleich (F+W)P₀H₁ gemäß den Gleichungen [12 – 13] und somit parallel zu P₀H₁. Mit einer falschen Zuordnung wäre der Orientierungsvektor gleich (FC₁ + WC_i ^–1)P₀H₁ und würde somit von P₀H₁ um einen Winkel abweichen, der durch (FC₁ + WC₁ ^–1) bestimmt ist, welcher gleich entweder π/2 oder –π/2 in dem Falle von α = π/2 (C₁ = i) wäre. Da Wasser und Fett korrekt für die Pixel mit merklichen Anteilen sowohl von Wasser als auch Fett getrennt worden sind, kann daher die binäre Auswahl für die restlichen Pixel ausgeführt werden, indem die Winkeldifferenz gemäß nachstehender Definition der zwei möglichen Orientierungsvektoren mit dem der benachbarten Pixel in einem Bereichswachstumsprozess verglichen wird: γ = arctan-1(Ô(i)·Ô(j)) [17]
Hier sind i und j in den Klammern der räumliche Index für die Pixel der entsprechenden Vektoren.
Der Bereichswachstumsprozess durch Vergleichen der Winkeldifferenzen gemäß Definition in den Gleichungen [17] kann effizient jede Fehlzuordnung von Wasser und Fett für Pixel mit schlecht definierten Phasenbeziehungen korrigieren. Aufgrund von Rauschen oder Artefakten, beispielsweise, aufgrund einer Bewegung, ist es erforderlich, denselben Prozess wiederholt auszuführen, indem von unterschiedlichen Zufallskeimen aus begonnen wird, um deutliche Bilder zu erzeugen. Die endgültige Auswahl bezüglich der Wasser- und Fett-Identifizierung wird dann auf einer statistischen Basis getroffen. Da der Bereichswachstumsprozess geschichtsabhängig ist und die Bildmatrix ziemlich groß (typischerweise 256 × 256) ist, kann die Leistungsfähigkeit eines Arrayprozesses nicht vollständig genutzt werden und die Gesamtbildrekonstruktionszeit ist ziemlich lang. Dieses Problem wird in einem ähnlichen asymmetrischen Zweipunkteabtastschema noch verstärkt, mittels welchem die Gesamtbildgebungszeit um ein Drittel verkürzt werden kann.
Diese Übersicht über die existierenden Verfahren zeigt, dass der Hauptgrund für Fehler in der Trennung von Wasser und Fett das Vorhandensein von Pixeln mit niedrigem SNR oder Artefakten ist. Außerdem ist es leichter und robuster, Phasenfehler über H_n statt ψ_n zu korrigieren, da ersterer auf einem Einheitskreis liegt, und somit nicht empfindlich gegen Phasenüberfaltung ist. Schließlich hat die asymmetrische Abtastung einen Vorteil gegenüber der symmetrischen Abtastung, da sie eine direkte Trennung aller Pixel mit merklichen Anteilen sowohl von Wasser als auch Fett auf einer Pixelbasis ohne die Notwendigkeit einer Phasenkorrektur ermöglicht. Dieses ist dem (0, α, 2α)-Verfahren gemäß vorstehender Beschreibung dargestellt. Ein weiteres mögliches Verfahren ist die Abtastung bei (0, π/2, 2π) mit den nachstehenden drei Datensätzen durchzuführen:
Während der konstante Phasenfaktor P₀ = e^i4ϕ direkt aus der Gleichung [18] bestimmt werden kann, bestimmen die Gleichungen [19] und [20] nur den Wert von
Da 4ϕ wahrscheinlich überfaltet ist (±2nπ, wobei n = 1, 2, ...) hat ϕ eine Unsicherheit von ±nπ/2 vor der Phasenabwicklung. Die Unsicherheit verändert jedoch nicht die Phasenbeziehung der zwei Komponenten und demzufolge kann eine korrekte Trennung von Wasser und Fett direkt aus den Gleichungen [19] und [20] erhalten werden.
Obwohl das (0, π/2, 2π)-Verfahren eine längere Zeitspanne als das (0, α, 2α)-Verfahren benötigt, hat es den Vorteil, dass die aus den Gleichungen [19] und [20] ermittelten Phasenwerte von den Relaxationseffekten unabhängig sind. In beiden Fällen ist eine gute Definition der relativen Phase der zwei Komponenten erforderlich. Für Pixel mit niedrigem SNR oder Pixel mit nur einer einzigen Komponente kann eine Phasenfaktorkorrektur durch einen ähnlichen Bereichswachstumsprozess gemäß vorstehender Beschreibung ausgeführt werden.
In jedem Falle führt die Verwendung einer asymmetrischen Abtastung (wie z.B. (0, α, 2α) oder (0, π/2, 2π) und die Korrektur der Phasenfaktoren H_n anstelle von Ψ_n zu einer höheren Zuverlässigkeit in der Trennung von Wasser und Fett als die herkömmliche symmetrische Abtastung und Phasenabwicklung. Derartige Ansätze behandeln jedoch nicht das Problem von langen Bildgebungs- und Rekonstruktionszeiten im Vergleich zu der regulären Bildgebung.
Die vorliegende Erfindung verwendet einen Satz von Bildern niedriger Auflösung, die mit asymmetrischer Abtastung zum Korrigieren von Phasenschwankungen P₀ und H₁ in dem regulären Bild in Gleichung [1] gesammelt werden. Eine derartige Korrektur ist ausführbar, da in tatsächlichen MR-Bildern die Phasenfaktoren P₀ und H_n, obwohl sie für den Erfolg einer Trennung von Wasser und Fett kritisch sind und über das gesamte FOV des Bildes groß sein können, beide sich sanft ändernde Funktionen auf der Skala der Bildpixel sind. Da Bilder mit niedriger Auflösung in einer verkürzten Bildgebungszeit erfasst werden und sie ein höheres SNR aufweisen, sind Artefakte, wie z.B. aus einer Bewegung, weniger schwerwiegend und die schädlichen Effekte von Rauschen in dem regulären Bild werden größtenteils vermieden. Beides trägt zu einer größeren Robustheit in der Trennung von Wasser und Fett und zu kürzeren Gesamtbildrekonstruktionszeit bei.
Obwohl Wasser und Fett im Prinzip in einer einzigen Eins NEX Bildgebung unter Nutzung der quadratischen Natur der MR-Abtastung getrennt werden könnten, ist es in der Praxis nur möglich, wenn alle Phasenfehler korrigiert worden sind. Früher wurde die Phasenfehlerkorrektur unter Ver wendung einer Polynomanpassung niedriger Ordnung ausgeführt. Ein derartiger Ansatz ist jedoch Modell-abhängig und erfordert entweder Daten aus getrennten Experimenten oder Daten aus Mehrfach-Erfassungen. Mit der vorliegenden Erfindung werden Phasenfehler auf einer Bildbasis ermittelt, und als Ergebnis kann eine zuverlässigere Trennung von Wasser und Fett mit nur einer geringen Zunahme in der Bildgebungszeit in Bezug auf die reguläre Bildgebung erzielt werden.
Nachstehendes ist eine Beschreibung von zwei möglichen Implementationen: Eine, die fast eine NEX der Bildgebungszeit erfordert und eine, die fast zwei NEX der regulären Bildgebungszeit erfordert. Obwohl mehrere Abtastschemata, wie z. B. (0, π/2, 2π) möglich sind, wurde das (0, α, 2α)-Schema mit α = π/2 aufgrund seiner leichten Implementation und aufgrund seiner etwas kürzeren Gesamtzeitverschiebung in der Echozentrierung ausgewählt.
Eins NEX Implementation
In der Eins NEX Implementation werden Daten mit einer regulären Matrixgröße (beispielsweise 256 × 160) bei ωt₁= π/2 zusammen mit denjenigen für zwei Bilder mit niedriger Auflösung (typisch 256 × 32, wobei die kleinere Zahl die Phasencodierungsschritte anzeigt) bei ωt₀ = 0 bzw. ωt₂ = π erhalten. Wie vorstehend beschrieben, sind die Bildverarbeitungsschritte in dem Flussdiagramm von 2 dargestellt. Um P₀ zu ermitteln, wird ein 256 × 256-Bild aus den Daten bei ωt₀ = 0 nach der Nullen-Auffüllung und Fermi-Fensterzuordnung rekonstruiert. Dieses Bild wird zur Annäherung von P₀ nach einer Glättung mit einer Boxcar-Mittelung (z.B. 7 × 7 Fenster) und einer anschließenden Normierung auf die Größe geglättet. Um H₁ zu ermitteln werden drei Bilder mit niedriger Auflösung (typisch 64 × 64) aus den drei (64 × 32)-Datensätzen rekonstruiert, die nach einer Nullen-Auffüllung und Fermi-Fensterzuordnung verfügbar sind. Die Rohdaten in dem hohen Frequenzbereich für alle drei Datensätze sowie Daten in einem hohen Phasencodierungsbereich bei ωt₁ = π/2 werden verworfen, um das SNR zu verbessern.
Aus dem Bild mit niedriger Auflösung bei ωt₀ = 0 wird zuerst ein P₀ mit niedriger Auflösung berechnet, und dann für alle drei Bilder mit niedriger Auflösung korrigiert. Anschließend wird eine anfängliche Auswahl der zwei möglichen Lösungen für Wasser und Fett auf der Basis der Phasenbeziehung der Wasser- und Fett-Vektoren gemäß Definition in den Gleichungen [14] und [15] durchgeführt. In dem zweiten Schritt wird ein Bereichswachstumsalgorithmus für die Korrektur einer möglichen Fehlzuordnung von Wasser und Fett nach dem ersten Schritt verwendet.
Das Flussdiagramm für den gesamten Bereichswachstumsprozess ist in 3 dargestellt. Insbesondere wird zuerst ein Pixel zufällig als ein Keim gewählt und die vier benachbarten Pixel werden eines pro Zeitpunkt durch Vergleich der Winkeldifferenzen, gemäß Definition in der Gleichung [17] der zwei möglichen Orientierungsvektoren des Pixels mit diesem Keim geprüft. Die binäre Auswahl zwischen den zwei möglichen Lösungen basiert darauf, welche Winkeldifferenz kleiner ist, da bei der korrekten Zuordnung von Wasser und Fett für zwei benachbarte Pixel ihre Orientierungsvektoren nahezu ausgerichtet sind. Anschließend an die Prüfung wird das besuchte Pixel üblicherweise als neuer Keim für die nächste Wachstumsrunde auf einer FIFO (first-in, first- out) Basis verwendet. Um eine Zunahme im Rauschen zu verhindern, ist ein Schwellenwert von ±15° für den relativen Winkel der Orientierungsvektoren zwischen beliebigen benachbarten Pixeln festgelegt. Die Möglichkeit einer Wahl eines Keims mit einer nicht korrekten Wasser- und Fett-Zuordnung am Beginn des Prozesses wird durch einen Umkehrzähler überwacht, welche als die Differenz zwischen der Gesamtanzahl von Nicht-Umkehrungen und die Gesamtanzahl von Umkehrungen aus den Auswahlen definiert ist, die vor dem Bereichswachstumsprozess getroffen wurden. Wenn der einem gegebenen Prozess zugeordnete Umkehrzähler negativ wird, wird das Wachstum abgebrochen und ein neuer Keim zufällig für den nächsten Prozess gewählt.
Nachdem alle Pixel in dem Bild besucht sind, wird das Orientierungsvektorfeld mit niedriger Auflösung in die reguläre Matrix (256 × 256) für eine weitere Boxcar-Mittelung (7 × 7-Fenster) umgewandelt. Möglicherweise verbleibende fehlerhafte Zuordnungen werden umgekehrt, indem die Punktprodukte des Orientierungsvektors mit dem gemittelten Orientierungsvektor für dasselbe Pixel verglichen werden. Der endgültige Phasenfaktor H₁ wird dann durch Normierung des neuen Orientierungsvektors nach einer weiteren Runde einer Boxcar-Mittelung (7 × 7-Fenster) erhalten.
Sobald P₀ und H₁ verfügbar sind, werden sie zum Korrigieren des komplexen Bildes bei ωt₁ = π/2 verwendet. Die Real- und Imaginär-Anteile des regulären Bildes nach der Phasenkorrektur werden dann als die gewünschten Wasser- und Fett-Bilder exportiert.
Zwei NEX Implementation
In einer Zwei NEX Implementation werden Daten für zwei Bilder mit regulärer Matrixgröße (z.B. 256 × 160) bei ωt₀ = 0 und ωt₂ = π zusammen mit dem für ein Bild niedriger Auflösung (256 × 32) bei ωt₁ = π/2 gesammelt. Wie vorstehend beschrieben, sind die Bildverarbeitungsschritte in dem Flussdiagramm von 4 dargestellt. Insbesondere wird P₀ durch Glättung des aus den Daten bei ωt₀ = 0 nach einer Fermi-Fensterzuordnung rekonstruierten Bild erhalten. Dieselbe Strategie einer Verwendung von drei Bildern mit niedriger Auflösung wie in der Eins NEX Implementation wird auch zum Erzeugen eines angenäherten H₁ verwendet, welches dann direkt zum Korrigieren des Bildes bei ωt₁ = π/2 verwendet werden kann, oder als eine Hilfe bei der Auswahl zwischen zwei möglichen Lösungen von H₁ aus den zwei regulären Bildern bei ωt₀ = 0 und ωt₂ = π/2. Wenn man der letzten Option folgt, wird das H₁ zugeordnete Vektorfeld gemittelt, um ein glattes H₁ zu erzeugen. Als ein abschließender Schritt werden die Wasser- und Fett-Bilder als die Real-Anteile der Summe und der Differenz der zwei komplexen Bilder bei ωt₀ = 0 und ωt₂ = π/2 nach einer Phasenkorrektur genommen.
Drei NEX Implementation
In einer Drei NEX Implementation werden Daten für drei Bilder mit regulärer Matrixgröße (z.B. 256 × 256) bei ωt₀ = 0, ωt₁ = π/2 und ωt₂ = π gesammelt . Wieder werden drei Bilder bei niedriger Auflösung bei ωt₀ = 0, ωt₁ = π/2 und ωt₂ = π unter nur der entsprechenden Daten des zentralen k-Raums zur Phasenfehlerdetektion, wie vorstehend beschrieben, rekonstruiert. Der einzige wesentliche Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Zwei NEX Implementation ist der Abschlussschritt, in welcher in einer Drei NEX Implementation drei Bilder mit voller Auflösung bei ωt₀ = 0, ωt₁ = π/2 und ωt₂ = π rekonstruiert werden. P₀ wird aus allen drei Bildern entfernt und nach der Ausbildung von zwei möglichen Sätzen von Orientierungsvektoren unter Verwendung der Gleichungen [14 – 16] wird ein Vergleich der Winkel der Orientierungsvektoren mit dem von H₁ durchgeführt und der eine, der gewählt wird, ist der eine mit der engeren Winkelnähe zu dem von H₁. Der Orientierungsvektor wird unter Verwendung einer Boxcar-Mittelung geglättet und H₁ wird aus allen drei Bildern entfernt, worauf die Skalar-Komponenten für die Wasser- und Fett-Vektoren unter Verwendung der Gleichungen [9 – 11] gelöst werden. Schließlich kann eine optimale Mittelung für das beste SNR durchgeführt werden. Es sei angemerkt, dass obwohl die Verwendung eines Drei NEX Ansatzes zu einer längeren Scanzeit als bei einem Zwei NEX oder einem Eins NEX führt, jede zusätzliche NEX zu Bildern mit größerer SNR-Qualiltät führt. Welche von diesen Anwendungen genutzt wird, dürfte verständlicherweise eine Anwendungsentscheidung sein.
Es wird ferner theoretisch in Betracht gezogen, dass das vorstehend beschriebene System und Verfahren äquivalent bei einem Zweipunkt-Abtastschema angewendet werden kann, in welchem Datensätze asymmetrisch wie z.B. bei 0 und 90° gesammelt werden. Die Verwendung von Bildern mit niedriger Auflösung für die Phasenfehlerkorrektur würde in äquivalenter Weise mit zwei Bildern mit niedriger Auflösung implementiert werden.
Es hat sich herausgestellt, dass die vorliegende Erfindung zu einer durchschnittlichen Zeit der tatsächlichen Verarbeitung pro Scheibe, ausschließlich Eingabe und Ausgabe von weniger als 10 Sekunden ohne die Verwendung einer Array-Verarbeitungs- und Programmoptimierung führt. Die Bildverarbeitung selbst ist vollständig automatisch ohne jede Notwendigkeit für manuelle Interventionen.
Eine korrekte Trennung der zwei Spezies wird solange erwartet, wie die Phasenvariation aufgrund der Feldveränderung zwischen benachbarten Pixeln wesentlich kleiner als die aufgrund der chemischen Verschiebungsdifferenz zwischen Wasser und Fett (ca. 3,5 ppm) ist. Eine derartige Anforderung ist üblicherweise aufgrund der im Allgemeinen kleinen Empfindlichkeitsdifferenz zwischen unterschiedlichen Arten von Geweben und der Weitbereichsnatur der zugrunde liegenden magnetischen Kräfte ziemlich konservativ. Ferner beachte man, dass in dem Zwei NEX Ansatz dieses Erfordernis nur zur Sicherstellung eingesetzt wird, dass keine umgekehrte Wasser- und Fett-Identifizierung erfolgt, und dass die tatsächlichen Phasenfaktoren aus den zwei regulären Bildern ermittelt werden. In dem Eins NEX Ansatz führt d0ie Abweichung δΦ (wobei Φ = ϕ₀+ Ψ₁ ist) von den tatsächlichen Phasenwerten zu einer Beimischung (aber keiner Umkehr) der zwei Spezies in den getrennten Bildern, welche durch die nachstehenden zwei Gleichungen quantifizierbar ist: Wα = W cos(δΦ) + F sin(δΦ) [21] Fα = W cos(δΦ) + f sin(δΦ) [22]
In den vorstehenden zwei Gleichungen sind W_α und F_α die offensichtliche Wasser- und Fett-Intensität. Demzufolge führt eine Abweichung von ±5° in δΦ zu einer Kontamination von weniger als 10%, welche in den meisten Anwendungen tolerierbar sein dürfte. Letztlich kann eine optimierte Auflösung für die Bilder mit niedriger Auflösung in Abhängigkeit von den beteiligten Anwendungen, der Bildgebungszeit, der Auflösung und der Schwere der Magnetinhomogenität gewählt werden. Die in den Bildern mit niedriger Auflösung benötigte Auflösung könnte auch davon abhängig sein, auf welcher Sequenz die Technik implementiert wird. Eine "Gradient Echo"-Sequenz ist beispielsweise gegen Phasenfehler empfindlicher als ein "Spin Echo" und würde daher eine höhere Auflösung zu liefern.
Die Verwendung von Bildern mit niedriger Auflösung für die Ermittlung von Phasenschwankungen und für den Export der Real- oder Imaginär-Anteile als Wasser- oder Fett-Bilder weisen einen weiteren Vorteil für die Verbesserung des Rauschverhaltens für Bereiche mit geringem SNR auf. Durch Erzeugen des Größenbildes trägt Rauschen sowohl aus den Real- als auch Imaginär-Kanälen zu dem Endbild bei. Wenn die Phase aus den Bildern mit niedriger Auflösung und somit hohem SNR ermittelt wird, wird ein Teil des Rauschens effektiv unterdrückt. Aus diesem Grunde erwartet man, dass der Eins NEX Ansatz ein besseres tatsächliches SNR-Verhalten in den Wasser- oder Fett-Bildern liefert als ein reguläres Eins NEX Größenbild. Ähnlich erwartet man, dass die Zwei NEX Implementation ein besseres tatsächliches SNR-Verhalten als ein reguläres Zwei NEX Größenbild liefert.
Es sei angemerkt, dass eine zugrunde liegende Annahme aller Dixon-Techniken darin besteht, dass die Spektren sowohl von Wasser als auch Fett mit 2 δ-Funktionen dargestellt werden können. In der Realität verbreitert die Rela xation im Wesentlichen die Spektralspitzen, und für Fett sind aufgrund seiner komplexen chemischen Struktur Mehrfachspitzen vorhanden. Die Abweichung von dem idealen Falle könnte im Prinzip zu Fehlern in der Trennung von Wasser und Fett führen. Wenn die Form der Spektren beider Komponenten genau bekannt ist, können jedoch diese Fehler leicht durch einfache Modifikationen der Gleichungen [9 – 11] korrigiert werden. Derartige Modifikationen können insbesondere in "Echo Gradient"-Implementationen wichtig sein, da Phasendispersionen während der gesamten Echozeit (TE) nicht refokussiert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde in Form der bevorzugten Ausführungsform beschrieben, und man erkennt, dass Äquivalente, Alternativen und Modifikationen neben den ausdrücklich dargestellten möglich sind und innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

MR-Bildgebungsverfahren für verbesserte Trennung von Wasser und Fett mit den Schritten: Erfassen von drei MR-Bild-Datensätzen; wobei zwei von den Datensätzen bei einer ersten Auflösung (50, 52; 90, 92) erfasst werden; und ein dritter MR-Bild-Datensatz bei einer zweiten Auflösung (54, 94) erfasst wird, wobei wenigsten ein MR-Bild-Datensatz bei einer höheren Bildauflösung als der Bildauflösung wenigstens eines anderen MR-Bild-Datensatzes erfasst wird und ein Bild mit regulärer Matrixgrösse bereitstellt; Aufbauen von drei Bildern (56, 60, 58; 102, 104, 106) mit niedriger Auflösung aus den ersten, zweiten und dritten MR-Bildern; und Erzeugen einer Phasenfaktordarstellung (68, 108) mit niedriger Auflösung aus den drei Bildern mit niedriger Auflösung zum Korrigieren von Phasenfehlern in dem Bild mit regulärer Matrixgrösse.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Datensatz für das Bild (52) mit regulärer Matrixgrösse erfasst wird, wo Wasser- und Fett-Vektoren um 90° verschoben sind, während die anderen zwei Datensätze bei einer niedrigeren Auflösung erfasst werden; oder wobei zwei Datensätze die reguläre Matrixgrösse besitzen, und der dritte Datensatz mit niedrigerer Auflösung erfasst wird, wo Wasser- und Fett-Vektoren um 90° phasenverschoben sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwei Datensätze mit derselben Auflösung erfasst werden, wodurch in einem Falle Wasser- und Fett-Vektoren entgegengesetzt (54, 92) sind und in dem anderen Falle Wasser- und Fett-Vektoren ausgerichtet (50, 90) sind.
MR-Bildgebungsverfahren nach Anspruch 1 wobei die Schritte zum Erhalten erster und zweiter MR-Bilder und zum Erhalten des dritten MR-Bildes das Erhalten von k-Raumdaten umfassen, wobei: a. wenn NEX (Anzahl der Anregungen) = Eins ist, eines mit Daten mit voller Auflösung bei Ωt₁ = π/2, eines mit einer niedrigen Auflösung bei Ωt₀ = 0, und eines mit einer niedrigen Auflösung bei Ωt₂ = π erfasst werden, wobei Ω die chemische Verschiebungsdifferenz zwischen Wasser und Fett ist und t₀, t₁, t₂ Abtastzeitpunkte sind; b. wenn NEX (Anzahl der Anregungen) = Zwei ist, eines mit Daten mit voller Auflösung bei Ωt₀ = 0, eines mit einer niedrigen Auflösung bei Ωt₁ = π/2, und eines mit einer vollen Auflösung bei Ωt₂ = π erfasst werden; die drei Bilder mit niedriger Auflösung bei Ωt₀ = 0, Ωt₁ = π/2, Ωt₂ = π unter Verwendung nur der entsprechenden zentralen k-Raumdatenelementen konstruiert werden, wovon jedes als S₀, S₁ und S₂ repräsentiert wird, und die Erzeugung der Phasenfaktordarstellung mit niedriger Auflösung die Schritte aufweist: 1) Ermitteln eines Phasenfaktors P₀ aus S₀ und Entfernen von P₀ aus den drei Bildern mit niedriger Auflösung; 2) Berechnen zweier möglicher Lösungssätze für F' und W' gemäß:
wobei C₁ = e^Jα ist, wobei α als Winkel gewählt ist, welcher ungleich einem Vielfachen von π ist, 3) Berechnen einer relativen Phase der zwei Lösungssätze F' und W' und Wählen einer Lösung, für welche F' eine voreilende Phase besitzt, als eine korrekte Lösung; 4) wenn eine Amplitude von einer der zwei Komponenten (|F'| und |W'|) kleiner als 5% der Anderen ist, Zuweisen dieser Komponente als Wasserkomponente; 5) Erzeugen eines Orientierungsvektors gemäß Definition in: 0 = W_s' + C₁ ^–1F_s' , wobei W_s' und F_s' einen Satz von den zwei möglichen Lösungen wie unter Punkt 2) gegeben, repräsentieren; 6) Berechnen eines Mittelwert-Orientierungsvektors und Vergleichen einer Richtung des Orientierungsvektors mit dem des Mittelwert-Orientierungsvektors; und wenn die Differenz innerhalb angenähert ±90° liegt, a. Beibehalten des Orientierungsvektors, ansonsten, b. Ersetzen des Orientierungsvektors durch einen Ersatzorientierungsvektor durch Austauschen von F' und W'; und 7) Verändern der Grösse des Orientierungsvektors auf ein Bild mit voller Auflösung.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt der Berechnung eines Mittelwert-Orientierungsvektors durch "Boxcar"-Mittelung und Ermitteln eines Zeitmittelwert-Phasenfaktors H₁ aus dem Mittelwert-Orientierungsvektor.
Verfahren nach Anspruch 4 ferner mit den Schritten für ein Verfahren mit NEX = Eins: a) Rekonstruieren eines Bildes mit voller Auflösung bei Ωt₀ = 0 und eines weiteren Bildes mit voller Auflösung bei Ωt₁ = π/2 unter Verwendung der erfassten Daten; b) Ermitteln von P₀ aus dem Bild Ωt₀ = 0 und Entfernen dieses aus dem Bild bei Ωt₁ = π/2; c) Entfernen von H1 = exp(iω₀t₁) , wobei ω₀ ein einer Magnetfeldinhomogenität zugeordneter Frequenzversatz ist, aus dem Bild bei Ωt₁ = π/2; und d) Zuweisen eines endgültigen Wasser- und Fettbildes, indem ein Absolutwert eines Real- und Imaginär-Anteils des Bildes bei Ωt₁ = π/2 genommen wird, nachdem sowohl P₀ als auch H₁ entfernt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit den Schritten für ein Verfahren mit NEX = Zwei: a) Rekonstruieren eines Bildes mit voller Auflösung bei Ωt₀ = 0 und eines weiteren Bildes mit voller Auflösung bei Ωt₂ = π unter Verwendung erfasster Daten; b) Ermitteln von P₀ aus dem Bild Ωt₀ = 0 und Entfernen dieses sowohl aus dem Bild bei Ωt₀ = 0 als auch dem Bild bei Ωt₂ = π; c) Ermitteln von H₁ ² und Vergleichen einer Richtung von H₁ ² unter Verwendung einer Richtung von H₁ ² gemäß Bestimmung aus dem Schritt 7, und wenn eine Differenz innerhalb ±90° liegt, Beibehalten von H₁ ², wobei H₁ = exp (iω₀t₁) ist, wobei ω₀ ein einer Magnetfeldinhomogenität zugeordneter Frequenzversatz ist, ansonsten Ersetzen dieses durch –H₁ ², d) Glätten von H₁ ² unter Verwendung der "Boxcar"-Mittelung; und e) Entfernen von H₁ ² und Ableiten von Fett- und Wasserdarstellungen.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit den Schritten für ein Verfahren mit NEX = Drei: a) Rekonstruieren von drei Bildern mit voller Auflösung bei Ωt₀ = 0, Ωt₁ = π/2 und Ωt₂ = π; b) Entfernen von P0 aus den drei Bildern mit voller Auflösung; c) Erzeugen von zwei möglichen Sätzen von Orientierungsvektoren; d) Vergleichen der Winkel der Orientierungsvektoren mit dem von wobei H1 = exp(iω₀t₁), wobei ω₀ ein einer Magnetfeldinhomogenität zugeordneter Frequenzversatz ist, gemäß Ermittlung bei dem Schritt 7 und Auswählen des einen mit einem kleinsten Winkelabstand zu dem von H1; e) Glätten des Orientierungsvektors unter Verwendung der "Boxcar"-Mittelung; f) Entfernen von H1 aus den drei Bildern mit voller Auflösung; g) Auflösen nach W und F; h) optimales Mitteln für ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit den Schritten: 1) Herausnehmen eines zufälligen Keimpixels und Vergleichen einer Richtung des Orientierungsvektors des zufälligen Keimpixels mit dem seiner vier am nächsten benachbarten Pixel, und wenn a) eine Richtung des Orientierungsvektors eines benachbarten Pixels innerhalb ±15° von der des zufälligen Keimpixels liegt, Beibehalten des Orientierungsvektors des benachbarten Pixels und Bezeichnen dieses Pixels als nicht-umgekehrt und Speichern dieses in einem Stapel von neuen Keimen für anschliessendes Wachstum; b) eine Richtung des Orientierungsvektors des benachbarten Pixels innerhalb ±15° eines dem zufälligen Keimpixel gegenüberliegenden liegt, Ersetzen des Orientierungsvektors des benachbarten Pixels durch einen durch Vertauschen von F' und W' erzeugten zweiten Orientierungsvektor und Bezeichnen dieses Pixels als umgekehrtes und Speichern dieses in dem Stapel neuer Keime für anschliessendes Wachstum; c) eine Richtung des Orientierungsvektors des benachbarten Pixels ausserhalb des Bereichs der Schritte a) und b) liegt, Beibehalten des Orientierungsvektors des benachbarten Pixels ohne Speichern dieses Pixels in dem Stapel neuer Keime für anschliessendes Wachstum; d) Fortfahren bis sich. keine weiteren Keimpixel mehr in dem Keimstapel befinden und Abbrechen, wenn mehr als umgekehrt bezeichnete Pixel vorhanden sind als Pixel, die als nicht-umgekehrt bezeichnet sind; und 2) Erzeugen neuer zufälliger Keime und Wiederholen des Schrittes 1) bis eine vorbestimmte Gesamtanzahl erreicht ist.
MR-Bildgebungsverfahren für verbesserte Trennung von Wasser und Fett mit den Schritten: Erfassen von drei MR-Bild-Datensätzen mit einer ersten Auflösung, wobei der erste Datensatz bei Ωt₀ = 0 erfasst wird, der zweite Datensatz bei Ωt₁ = π/2 erfasst wird und der dritte Datensatz bei Ωt₂ = π/2 erfasst wird, wobei Ω die chemische Verschiebungsdifferenz zwischen Wasser und Fett ist, und t₀, t₁, t₂ Abtastzeitpunkte sind; Aufbauen von drei Bildern mit einer niedrigeren Auflösung als der ersten Auflösung aus den drei Bilddatensätzen; und Erzeugen einer Phasenfaktordarstellung mit niedriger Auflösung aus den drei Bildern mit niedriger Auflösung zum Korrigieren von Phasenfehlern in drei Bildern mit voller Auflösung zu korrigieren, die aus den entsprechenden Bilddatensätzen mit der ersten Auflösung erzeugt werden.
MR-System zur Verbesserung der Trennung von Wasser und Fett in einem MR-Bild, wobei das System einen Prozessor aufweist, der dafür programmiert ist, um: wenigstens drei MR-Bild-Datensätze zu erhalten, wobei zwei von den MR-Bild-Datensätzen bei einer ersten Bildauflösung (50, 52; 90, 92) erhalten werden und ein dritter bei einer anderen Bildauflösung (54, 94) erhalten wird, wobei wenigstens ein MR-Bild-Datensatz bei einer höheren Bildauflösung als der Bildauflösung wenigstens eines weiteren MR-Bild-Datensatzes erfasst wird und ein Bild mit regulärer Matrixgröße liefert; um drei Bilder (56, 58, 60; 102, 104, 106) aus den drei MR-Bild-Datensätzen aufzubauen; und eine Phasenfaktordarstellung mit niedriger Auflösung aus den drei Bildern mit niedriger Auflösung zu erzeugen, um Phasenfehler in dem Bild mit regulärer Matrixgröße zu korrigieren, das durch den bei der höheren Bildauflösung erhaltenen MR-Bild-Datensatz erzeugt wird.
System nach Anspruch 11, wobei der bei der höheren Bildauflösung erhaltene MR-Bild-Datensatz erfasst wird, wo Wasser- und Fett-Vektoren angenähert um 90° phasenverschoben sind und wobei wenigstens zwei MR-Bild-Datensätze bei einer niedrigen Bildauflösung erfasst werden und in einem MR-Bild-Datensatz mit niedrigerer Auflösung Wasser- und Fett-Vektoren angenähert um 0° phasenverschoben sind und in dem Anderen Wasser- und Fett-Vektor angenähert um 180° phasenverschoben sind.
System nach Anspruch 11, wobei wenigstens zwei MR-Bilddatensätze mit höherer Auflösung erzeugt werden, einer bei dem Wasser- und Fettvektoren angenähert um 0° phasenverschoben sind und ein weiterer, bei dem Wasser- und Fettvektoren wenigstens um 180° phasenverschoben sind und wobei ein dritter Bilddatensatz mit niedrigerer Bildauflösung akquiriert wird, in dem Wasser- und Fettvektoren um ungefähr 90° phasenverschoben sind.