CN107209238B - 具有对边带伪迹的抑制的并行多切片mr成像 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对被放置在MR设备(1)的检查体积中的对象(10)进行MR成像的方法。所述方法包括以下步骤：使所述对象(10)经受包括多切片RF脉冲的成像序列，所述多切片RF脉冲用于同时激励两个或更多个空间上分离的图像切片，‑采集MR信号，其中，经由在所述检查体积内具有不同空间灵敏度分布的RF线圈(11、12、13)的集合来并行接收所述MR信号，并且根据所采集的MR信号重建针对每个图像切片的MR图像，其中，基于所述RF线圈(11、12、13)的所述空间灵敏度分布将来自不同图像切片的MR信号贡献分离，并且其中，基于所述RF线圈(11、12、13)的所述空间灵敏度分布在所重建的MR图像中抑制边带伪迹，亦即抑制来自由所述多切片RF脉冲的一个或多个边带激励的区域的MR信号贡献。此外，本发明涉及用于执行该方法的MR设备以及要在MR设备上运行的计算机程序。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振(MR)成像领域。其涉及对象的MR成像的方法。本发明还涉及MR设备和要在MR设备上运行的计算机程序。
背景技术
利用在磁场和核自旋之间的相互作用以便形成二维或三维图像的图像形成MR方法现在被广泛使用，特别是在医学诊断领域中，因为对于软组织的成像，它们在许多方面中优于其他成像方法，不需要电离辐射并且通常不是侵入性的。
根据一般的MR方法，要检查的患者身体被布置在强的、均匀的磁场(B0场)中，所述磁场的方向同时定义测量所基于的坐标系的轴(通常为z轴)。磁场根据磁场强度产生针对个体核自旋的不同的能级。可以通过施加定义的频率(所谓的拉莫尔频率或MR频率)的电磁交变场(RF场，也称为B1场)来激励在这些能级之间的跃迁(自旋共振)。从宏观的角度来看，个体核自旋的分布产生总体磁化，其可以通过施加适当频率的电磁脉冲(RF脉冲)而偏离平衡状态，使得磁化执行关于z轴的进动运动。所述进动运动描述了孔径角被称为翻转角的锥体的表面。翻转角的幅度取决于所施加的电磁脉冲的强度和持续时间。
在RF脉冲终止之后，磁化弛豫回到原始的平衡状态，其中，z方向上的磁化以第一时间常数T1(自旋晶格或纵向弛豫时间)再次建立，并且在垂直于z方向的方向上的磁化以第二时间常数T2(自旋-自旋或横向弛豫时间)弛豫。可以借助于一个或多个接收RF线圈来检测磁化的变化，所述接收RF线圈被以在垂直于z轴的方向上测量磁化变化的方式布置并取向在MR设备的检查体积内。
为了实现身体内的空间分辨率，沿着三个主轴延伸的线性磁场梯度被叠加在均匀磁场上，从而产生自旋共振频率的线性空间依赖性。然后，在接收线圈中拾取的信号包含可以与身体中的不同位置相关联的不同频率的分量。经由RF线圈获得的MR信号数据对应于空间频域，并且被称为k空间数据。借助于傅里叶变换或其他适当的重建算法将k空间数据的集合转换为MR图像。
多年来，本领域已知用于加速MR采集的并行采集技术。该类别中的方法是SENSE(灵敏度编码)、SMASH(空间谐波的同时采集)和GRAPPA(全面自动校准部分并行采集)。SENSE、SMASH和GRAPPA以及其他并行采集技术使用从多个RF接收线圈并行获得的欠采样k空间数据采集。在这些方法中，来自多个线圈的(复)信号数据以关于抑制在最终重建的MR图像中的欠采样伪迹(混叠)的方式与复加权组合。这种类型的复阵列信号组合有时被称为空间滤波，并且包括在k空间域中(如SMASH和GRAPPA中)或在图像域中(如SENSE中)执行的组合以及混合方法。
Larkman等人(Journal of Magnetic Resonance Imaging，13,313-317，2001)提出了在多切片成像的情况下也在切片方向上应用灵敏度编码以增加扫描效率。Breuer等人(Magnetic Resonance in Medicine，53,684-691，2005)改进了这一基本思想，提出了一种称为“以更高加速度在并行成像结果中的受控混叠”(CAIPIRINHA)的方法。该技术在多切片采集期间修改每个个体切片中的混叠伪迹的外观，从而改进随后的并行图像重建流程。因此，CAIPIRINHA是一种并行多切片成像技术，与仅使用纯后处理方法的其他多切片并行成像概念相比效率更高。在CAIPIRINHA中，利用相位调制多切片RF脉冲同时激励任意厚度和距离的多个切片。所采集的MR信号数据被同时采样，从而产生表现为相对于彼此被移位的叠加的切片图像。通过根据傅里叶变换定理的RF脉冲的相位调制方案来控制混叠切片图像的移位。从相位编码步骤到相位编码步骤，多切片RF脉冲将个体相移应用到每个切片的MR信号。通过使用该移位来改进逆重建问题的数值调节，从而分离所涉及的切片的个体信号贡献。CAIPIRINHA在切片彼此相当接近的情况下也有改进叠加的切片图像的分离的潜力，使得所使用的RF接收线圈的线圈灵敏度在要成像的个体切片中没有显著差异。
然而，常规的并行多切片成像方法具有限制。当通过多切片(或多频率)RF脉冲同时激励在多个频率处的MR信号时，在重建图像中会出现所谓的边带伪迹。这些伪迹是由来自通过多切片RF脉冲的一个或多个边带无意激活的区域的MR信号引起的。边带频率可以是相应RF脉冲的基本(主带)频率的较高阶谐波。由于所使用的MR装置的硬件约束(例如，非线性或RF放大器)，实际上多切片RF脉冲的这样的边带是不可避免的。边带伪迹的特性取决于RF线圈布置的个体负载、检查体积内的B1分布、以及在多带激励中涉及的基本频率。
美国专利申请US2014/218026涉及利用沿着相位编码方向欠采样的多带激励采集的针对k空间数据的图像重建。相对相位，常常多带切片可以根据未混叠数据的敏感度加权重建来估计。已知的成像方法还需要表示先验信息的初始核校准。
发明内容
根据上文，容易意识到，需要一种改进的并行多切片MR成像技术。本发明的一个目的是实现有效地抑制边带伪迹的多切片MR成像。
根据本发明，公开了一种对被放置在MR设备的检查体积中的对象进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
-使所述对象经受包括多切片RF脉冲的成像序列，所述多切片RF脉冲用于同时激励两个或更多个空间上分离的图像切片，
-采集MR信号，其中，经由在所述检查体积内具有不同空间灵敏度分布的RF线圈的集合来并行接收所述MR信号，并且
-根据所采集的MR信号来重建针对每个图像切片的MR图像，其中，基于所述RF线圈的所述空间灵敏度分布将来自不同图像切片的MR信号贡献分离，并且其中，基于所述RF线圈的所述空间灵敏度分布在重建的MR图像中抑制边带伪迹，即来自由所述多切片RF脉冲的一个或多个边带激励的区域的MR信号贡献。
本发明的主旨是纯粹通过使用并行图像重建算法(例如已知的SENSE算法)来抑制在最终重建的切片图像中的边带伪迹。为此，根据本发明将来自图像切片的MR信号贡献与边带伪迹分离，而不考虑关于多切片RF脉冲的激励谱的任何先验信息。换句话说，本发明不需要知道或做出关于所使用的RF脉冲的边带频谱的细节的任何假设(例如，与主带频率相关的边带分量的幅度)，以便能够重建基本上没有边带伪迹的MR图像。需要进行的唯一假设与由多切片RF脉冲的边带激励的区域的位置有关。这些是在存在分别施加的切片选择磁场梯度的情况下边带频率(通常是相应的RF脉冲的基本频率的较高阶谐波)处于共振中的位置。通过本发明实现的抑制对于边带伪迹的精确的先验位置不是非常敏感。表现为在迭代方法中，仅需要几次迭代来实现收敛。边带伪迹的展开涉及得到迭代收敛的内部一致性，以在其正确位置处分离实际边带贡献。这种展开利用图像切片的MR信号贡献优于边带信号贡献。
在本发明的优选实施例中，通过使用所采集的MR信号的信号模型将来自所述图像切片的所述MR信号贡献与所述边带伪迹分离，所述信号模型包括来自(i)所述图像切片和(ii)由所述多切片RF脉冲的所述一个或多个边带(潜在地)激励的区域的信号贡献。在可能的实施例中，信号模型的参数可以是这两个信号贡献的比率，其通常将显著小于1，因为可以假设多切片RF脉冲的边带能量远小于其主带能量。可以通过(例如，在常规的SENSE重建方案中)求解线性方程组式来重建(并且由此在最终重建的MR图像中抑制/减去)边带伪迹，即，来自图像切片外部的区域的MR信号贡献，其中，两个信号贡献的比率被迭代调节。在实际情况下，2-5次迭代将足以实现收敛。只需要频谱的粗糙特性来对采集的磁共振信号进行建模。该模型包括主带和边带贡献的比率，至少作为可以在迭代方法中自动确定的初始参数。
在本发明的优选实施例中，多切片RF脉冲是相位调制的，其中，相位调制方案包括变化的相移，使得相位周期被应用到每个图像切片的MR信号。以这种方式，本发明的技术与已知的CAIPIRINHA方案(见上文)组合。优选地，相移从相位编码步骤到相位编码步骤被线性地递增，其中个体相位增加被应用到每个图像切片。以这种方式，根据傅里叶变换定理，通过RF脉冲的相位调制方案来控制每个切片图像的个体移位。
根据本发明的另一优选实施例，在图像切片的平面内方向上利用欠采样采集MR信号。在这种情况下，可以通过本身已知的并行图像重建算法(如SENSE、SMASH或GRAPPA)来重建图像切片的MR图像。
到目前为止描述的本发明的方法可以借助于一种MR设备来执行，所述MR设备包括：至少一个主磁体线圈，其用于在检查体积内生成均匀的静态磁场；多个梯度线圈，其用于在所述检查体积内生成不同空间方向上的切换的磁场梯度；RF线圈的集合，其用于并且接收来自身体的MR信号，所述RF线圈具有不同空间灵敏度分布；控制单元，其用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时间演替；以及重建单元。本发明的方法例如可以由MR设备的重建单元和/或控制单元的对应编程实施。
本发明的方法可以有利地在目前临床使用中的大部分MR设备中执行。为此，仅需要利用一种计算机程序，MR设备通过其被控制，使得其执行本发明的上述方法步骤。计算机程序可以存在于数据载体上或存在于数据网络中，从而被下载以安装在MR设备的控制单元中。
附图说明
附图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，附图被设计为仅用于说明的目的，而不是作为本发明的限制的定义。在图中：
图1示出了用于执行本发明的方法的MR设备；
图2a示出了使用常规多切片采集方案采集的MR切片图像；
图2b示出了根据本发明的具有对边带伪迹的抑制的MR切片图像；
图2c示出了针对于图2a的MR切片图像的边带伪迹的贡献。
具体实施方式
参考图1，示出了MR设备1。所述设备包括超导或电阻式主磁体线圈2，使得沿z轴通过检查体积创建基本上均匀的、临时恒定的主磁场。
磁共振生成和操纵***应用一系列RF脉冲和切换的磁场梯度来反转或激励核磁自旋，诱导磁共振，重聚焦磁共振，操纵磁共振，空间地和以其他方式编码磁共振，使自旋饱和等，以执行MR成像。
更具体地，梯度脉冲放大器3沿着检查体积的x、y和z轴向全身梯度线圈4、5和6中的选定的线圈施加电流脉冲。数字RF频率发射器7经由发送/接收开关8将RF脉冲或脉冲包发送到全身体积RF线圈9，以将RF脉冲发送到检查体积中。典型的MR成像序列包括彼此一起采取的短持续时间的RF脉冲分段的包，并且任何所施加的磁场梯度实现核磁共振的选定的操纵。RF脉冲用于进行饱和，激励共振，反转磁化，重聚焦磁共振或操纵共振，并选择被定位在检查体积中的身体10的部分。
为了借助于并行成像生成身体10的限制的区域的MR图像，将局部RF线圈11、12、13的集合放置成邻近于被选择用于成像的区域。
所得到的MR信号由RF线圈11、12、13拾取，并且由优选地包括前置放大器(未示出)的接收器14解调。接收器14经由发送/接收开关8连接到RF线圈9、11、12和13。
主机计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射器7，以生成多个MR成像序列中的任何，例如回波平面成像(EPI)、回波体积成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等。对于选定的序列，接收器14在每个RF激励脉冲之后快速连续地接收单条或多条MR数据线。数据采集***16执行对接收到的信号的模数转换，并且将每条MR数据线转换成适于进一步处理的数字格式。在现代MR设备中，数据采集***16是专用于原始图像数据的采集的分离的计算机。
最终，数字原始图像数据通过重建处理器17被重建成图像表示，重建处理器17应用傅里叶变换或其他适当的重建算法。MR图像可以表示通过患者的平面切片、并行平面切片的阵列、三维体积等。然后将图像存储在图像存储器中，其中，其可以被访问以将切片、投影或图像表示的其他部分转换成用于例如经由视频监测器18可视化的适当格式，所述视频监测器提供得到的MR图像的人类可读显示。
继续参考图1并且进一步参考图2，解释了本发明的成像方法的实施例。
根据本发明，患者的身体10经受包括多切片RF脉冲的成像序列，通过所述多切片RF脉冲，两个或更多空间分离的图像切片内的核自旋同时被激励。由具有不同空间灵敏度分布的RF线圈11、12、13并行采集由成像序列生成的MR信号。如在常规的多切片技术中，根据所采集的MR信号针对每个图像切片重建MR图像，其中，来自不同图像切片的MR信号贡献基于RF线圈11、12、13的(已知的)空间灵敏度分布被分离。下面更详细地描述实际对应于常规SENSE展开算法的应用于图像切片的分离的算法：
首先，我们在N个不同图像切片上，考虑对M个接收线圈中的每个的所采集的MR信号m中的一个位置x进行贡献的所有图像位置xi。这可以以矩阵向量符号被写出为：
Sp＝m
其中，向量m指代作为N个不同图像切片的灵敏度加权信号贡献pi(xi)的线性组合的M个RF线圈11、12、13的每个中的采集的MR信号mj(x)，而矩阵S指代(NxM)灵敏度矩阵，其中，Sij是线圈j和位置xi处的切片I的线圈灵敏度。求解包括编码矩阵的逆的该方程组产生向量p，其包含对应的N切片特异性MR信号：
(SHS)-1SHm＝p
矩阵(SHS)-1SH是S的伪逆，并且其范数描述了从MR信号采集到最终图像中的误差传播。该范数在良好状况的情况下很小。
根据本发明，基于RF线圈11、12、13的空间灵敏度分布，在重建的MR图像中抑制边带伪迹，即来自由多切片RF脉冲的一个或多个边带激励的区域的MR信号贡献。为了实现这一点，采用信号模型，其包括：向量p，其包含在位置xi处的N切片特异性主带MR信号贡献；以及额外地向量p'，其包含L边带MR信号贡献，即，来自由多切片RF脉冲的边带频率分量潜在地激励的图像切片外部的区域的MR信号贡献。利用该模型，经由M个接收线圈中的每个采集的MR信号可以如下被写为矩阵：
其中，矩阵S指代(N+L)xM灵敏度矩阵，其中，Sij是针对线圈j和主带贡献(I＝1..N)和边带贡献(i＝N+1…N+L)的线圈灵敏度。该方程组可以通过使用主要已知的正则化SENSE框架来求解：
其中，R/R'是正则化矩阵，并且σ表示主带和边带贡献的比率，其中，
参数σ可以作为用户参数被获得，或者其可以通过迭代地解以上等式来自动确定，其中，σ被更新为：
其中，“平均”要被理解为在所有图像体素或给定位置周围的预定区域内的图像体素上的平均。在小数量的2-5次迭代之后，实际上应该实现收敛。在更一般的模型中，对于每个边带，参数σ可以不同，使得可以应用参数集合σ1、σ2、…、σL。向量p的解表示没有边带伪迹的N MR切片图像。
这在图2中被图示。图2a示出了以常规方式根据使用多切片激励经由RF线圈的集合从体模并行采集的MR信号数据重建的MR切片图像。白色箭头指示在MR图像的中心中的强的边带伪迹。图2b示出了使用根据本发明的用于抑制边带伪迹的上述经修改的SENSE框架根据相同的MR信号数据重建的MR切片图像。如可以看出的，在图2b中，或多或少地完全消除边带伪迹。图2c示出了使用上述框架从主带信号(p)分离的边带伪迹(p')。
在本发明的实施例中，可以使用合适的缩减因子将SENSE额外地应用在平面内相位编码方向上。
Claims (13)
1.一种对被放置在MR设备(1)的检查体积中的对象(10)进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
-使所述对象(10)经受包括多切片RF脉冲的成像序列，所述多切片RF脉冲用于同时激励两个或更多个空间上分离的图像切片，
-采集MR信号，其中，经由在所述检查体积内具有不同空间灵敏度分布的RF线圈(11、12、13)的集合来并行接收所述MR信号，并且
-根据所采集的MR信号来重建针对每个图像切片的MR图像，其中，基于所述RF线圈(11、12、13)的所述空间灵敏度分布将来自不同图像切片的MR信号贡献分离，并且其中，将来自所述图像切片的所述MR信号贡献与边带伪迹分离，亦即与来自由所述多切片RF脉冲的一个或多个边带激励的区域的MR信号贡献分离，并且基于所述RF线圈(11、12、13)的所述空间灵敏度分布在所重建的MR图像中抑制所分离的边带伪迹。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将来自所述图像切片的所述MR信号贡献与所述边带伪迹分离，而不考虑关于所述多切片RF脉冲的激励谱的先验信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使用所采集的MR信号的信号模型将来自所述图像切片的所述MR信号贡献与所述边带伪迹分离，所述信号模型包括来自(i)所述图像切片和(ii)由所述多切片RF脉冲的所述一个或多个边带激励的区域的信号贡献。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，通过使用所采集的MR信号的信号模型将来自所述图像切片的所述MR信号贡献与所述边带伪迹分离，所述信号模型包括来自(i)所述图像切片和(ii)由所述多切片RF脉冲的所述一个或多个边带激励的区域的信号贡献。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，通过求解线性方程组来确定所述边带伪迹，其中，所述信号贡献(i)和(ii)与所采集的MR信号的比率被迭代地调节。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，通过求解线性方程组来确定所述边带伪迹，其中，所述信号贡献(i)和(ii)与所采集的MR信号的比率被迭代地调节。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中，由所述多切片RF脉冲的所述边带激励的所述区域是在存在所述成像序列的切片选择磁场梯度的情况下边带频率处于共振中的位置，亦即所述多切片RF脉冲的基本频率的较高阶谐波处于共振中的位置。
8.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中，所述多切片RF脉冲是相位调制的，其中，相位调制方案包括变化的相移，使得相位周期被应用到每个图像切片的所述MR信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述相移从相位编码步骤到相位编码步骤被线性地递增。
10.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中，所述MR信号是在所述图像切片的平面内方向上利用欠采样采集的，其中，所述MR图像是使用并行图像重建算法重建的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述并行图像重建算法包括SENSE、SMASH或GRAPPA。
12.一种用于执行根据权利要求1-11中任一项所述的方法的MR设备，所述MR设备(1)包括：至少一个主磁体线圈(2)，其用于在检查体积内生成均匀的静态磁场；多个梯度线圈(4、5、6)，其用于在所述检查体积内生成不同空间方向上的切换的磁场梯度；具有不同空间灵敏度分布的RF线圈(11、12、13)的集合；控制单元(15)，其用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时间演替；以及重建单元(17)，其中，所述MR设备(1)被布置为执行以下步骤：
-使所述对象(10)经受包括多切片RF脉冲的成像序列，所述多切片RF脉冲用于同时激励两个或更多个空间上分离的图像切片，
-采集MR信号，其中，经由在所述检查体积内具有不同空间灵敏度分布的RF线圈(11、12、13)的集合来并行接收所述MR信号，并且
-根据所采集的MR信号来重建针对每个图像切片的MR图像，其中，基于所述RF线圈(11、12、13)的所述空间灵敏度分布将来自不同图像切片的MR信号贡献分离，并且将来自所述图像切片的所述MR信号贡献与边带伪迹分离，亦即与来自由所述多切片RF脉冲的一个或多个边带激励的区域的MR信号贡献分离，并且基于所述RF线圈(11、12、13)的所述空间灵敏度分布在所重建的MR图像中抑制所分离的边带伪迹。
13.一种存储要在MR设备上运行的计算机程序的数据载体，所述计算机程序包括用于以下操作的指令：
-生成包括多切片RF脉冲的成像序列，所述多切片RF脉冲用于同时激励两个或更多个空间上分离的图像切片，
-采集MR信号，并且
-根据所采集的MR信号来重建针对每个图像切片的MR图像，其中，基于RF线圈(11、12、13)的集合的空间灵敏度分布将来自不同图像切片的MR信号贡献分离，并且其中，将来自所述图像切片的所述MR信号贡献与边带伪迹分离，亦即与来自由所述多切片RF脉冲的一个或多个边带激励的区域的MR信号贡献分离，并且基于所述RF线圈(11、12、13)的所述空间灵敏度分布在所重建的MR图像中抑制所分离的边带伪迹，亦即抑制来自由所述多切片RF脉冲的一个或多个边带激励的区域的MR信号贡献。
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