CN114402214A - 狄克逊型水/脂肪分离mr成像 - Google Patents

狄克逊型水/脂肪分离mr成像 Download PDF

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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)的狄克逊型MR成像的方法。本发明的目的是提供使得能够与双采集梯度回波成像序列组合的改善的狄克逊水/脂肪分离的方法。所述方法包括以下步骤：使所述对象(10)经受双采集梯度回波成像序列，所述双采集梯度回波成像序列包括一系列在时间上等距的RF激励，其中，在相继的RF激励之间的每个重复时间中生成一个梯度回波，所述相继的RF激励具有在第一值(TE1)与第二值(TE2)之间交替的回波时间，并且其中，在每个重复时间中切换相位编码的磁场梯度(P、S)以对k空间的预定义区域进行采样；从所述对象(10)采集回波信号，其中，与第一回波时间值(TE1)或第二回波时间值(TE2)相关联的每个梯度回波被采样为部分回波；并且根据所采集的回波信号来重建MR图像，从而分离来自水的信号贡献与来自脂肪的信号贡献。此外，本发明还涉及一种MR设备(1)和一种将在MR设备(1)上运行的计算机程序。

Description

狄克逊型水/脂肪分离MR成像
技术领域
本发明涉及磁共振(MR)成像的领域。本发明涉及对被放置在MR设备的检查体积中的身体的部分进行MR成像的方法。本发明还涉及MR设备以及在MR设备上运行的计算机程序。
背景技术
如今，利用磁场与核自旋之间的相互作用来形成二维或三维图像的图像形成MR方法已经得到广泛使用，在医学诊断领域中尤其如此，因为它们与其他成像方法相比对于软组织成像在许多方面都具有优越性，它们不需要电离辐射并且通常是无创的。
通常，根据MR方法，将被检查的患者的身体布置在强且均匀的磁场B0中，该磁场B0的方向同时定义了测量所基于的坐标系的轴(通常为z轴)。磁场B0针对个体核自旋产生取决于磁场强度的不同能级，该磁场强度能够通过施加定义频率(所谓的拉莫尔频率或MR频率)的电磁交变场(RF场)而被激励(自旋共振)。从宏观的角度看，个体核自旋的分布会产生整体磁化，能够通过施加垂直于z轴的适当频率的电磁脉冲(RF脉冲)使该整体磁化偏离平衡状态，使得该磁化绕z轴进行进动运动。进动运动描述了圆锥的表面，其锥角被称为翻转角。翻转角的幅值取决于所施加的电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓的90°脉冲的情况下，该自旋从z轴偏转到横向平面(90°翻转角)。
在RF脉冲终止之后，该磁化弛豫回原始的平衡状态，在该状态下，以第一时间常数T1(自旋晶格或纵向弛豫时间)再次建立z方向上的磁化，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。能够借助于接收RF线圈来检测该磁化的变化，该接收RF线圈以在垂直于z轴的方向上测量磁化变化的方式被布置和定向在MR设备的检查空间内。在施加了例如90°脉冲之后，横向磁化的衰减伴随着(由局部磁场不均匀性引起的)核自旋从具有相同信号相位的有序状态到所有相角均匀分布的状态(失相)的转变。能够借助于重新聚焦脉冲(例如，180°脉冲)来补偿失相。这会产生回波信号，借助于接收线圈也能够检测到该回波信号。
为了在体内实现空间分辨率，将沿着三个主轴延伸的恒定磁场梯度叠加在均匀磁场B0上，从而使得自旋共振频率具有线性空间依赖性。然后，在接收线圈中拾取的信号包含不同频率的分量，这些分量能够与体内的不同位置相关联。经由接收线圈获得的信号数据对应于空间频域并且被称为k空间数据。k空间数据通常包括利用不同相位编码采集的多条线。通过收集大量样本将每条k空间线数字化。例如借助于傅立叶变换将k空间数据集转换为MR图像。
在MR成像中，常常希望获得关于水对总信号的相对贡献和脂肪对总信号的相对贡献的信息，从而要么抑制它们之一的贡献，要么单独或共同分析它们两者的贡献。如果对在不同的回波时间采集的来自两个或更多个对应回波的信息进行组合，则能够计算这些贡献。这可以被认为是化学位移编码，在所述化学位移编码中，通过在略微不同的回波时间采集两幅或更多幅MR图像来定义和编码额外的维度(即，化学位移维度)。对于水-脂肪分离，这些类型的实验通常被称为狄克逊型的测量。借助于狄克逊MR成像或狄克逊水/脂肪MR成像，通过根据在不同的回波时间采集的两个或更多个回波来导出水和脂肪的相对贡献，实现了水-脂肪分离。通常，这种分离是可能的，因为在水和脂肪中的氢存在已知的进动频率差。
近年来已经提出了几种狄克逊型MR成像方法。除了不同的用于水/脂肪分离的策略之外，已知技术的主要特征在于它们采集的特定回波(或“点”)数量以及它们强加于所使用的回波时间的约束。常规的两点方法需要水信号和脂肪信号在复平面中分别平行和反平行时的同相回波时间和反相回波时间。Eggers等人的文章(Magnetic Resonance inMedicine，2011年，第65卷，第96-107页)提出了灵活的双回波狄克逊型MR成像方法。通过使用这种具有更灵活的回波时间的MR成像方法，不再需要采集同相图像和反相图像，而是任选地根据水图像和脂肪图像来合成同相图像和反相图像。
狄克逊型MR成像方法常常与梯度回波成像组合使用。虽然通常利用双回波序列来实施这两种方法，但是在高分辨率成像中使用双采集序列是特别有利的(参见Eggers等人的文章(Journal of Magnetic Resonance Imaging，2014年，第40卷，第251页))。
在图2中，描绘了常规的双采集梯度回波成像的示意性脉冲序列图。该图示出了频率编码(读出)方向M、相位编码方向P和切片选择方向S中的切换的磁场梯度。此外，该图示出了RF激励脉冲以及采集用ACQ1和ACQ2指代的梯度回波信号所花费的时间间隔。该图覆盖了对前两个回波信号的采集。在随后的重复中，对在方向P和S中的相位编码的磁场梯度进行缩放以对k空间的预定义区域进行采样。如图2所示，通过在保持相位编码的磁场梯度和重复时间TR固定的同时对读出磁场梯度进行移位，双采集狄克逊梯度回波成像序列在两个RF激励之后生成处于不同的回波时间TE1和TE2的两个回波。由于读出磁场梯度的移位，获得了水对总信号的贡献和脂肪对总信号的贡献的不同相位偏移，基于此而执行了狄克逊型水/脂肪分离。
与标准(非狄克逊)成像序列相比，狄克逊梯度回波成像序列提供了优异的脂肪抑制和在单次扫描中的多个对比度。然而，由于要求利用完全相同的相位编码对每次采集进行重复，因此扫描时间增加。此外，由于引入死区时间以允许读出磁场梯度和采集窗口(ACQ1、ACQ2)移位，因此扫描效率(采集时间与重复时间的比率)降低。
发明内容
本发明的目的是提供使得能够与双采集梯度回波成像序列组合的进一步改善的狄克逊水/脂肪分离的方法。
根据本发明，公开了一种对被定位在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：
使所述对象经受双采集梯度回波成像序列，所述双采集梯度回波成像序列包括一系列在时间上等距的RF激励，其中，在相继的RF激励之间的每个重复时间中生成一个梯度回波，所述相继的RF激励具有在第一值与第二值之间交替的回波时间，并且其中，在每个重复时间中切换相位编码的磁场梯度以对k空间的预定义区域进行采样；
从所述对象采集回波信号，其中，与第一回波时间值或第二回波时间值相关联的每个梯度回波被采样为部分回波；并且
根据所采集的回波信号来重建MR图像，从而分离来自水的信号贡献与来自脂肪的信号贡献。
根据本发明，双采集梯度回波成像序列用于采集在两个RF激励之后(即，在单独的重复中)的两个回波信号。读出磁场梯度的定时和强度被选择为使两个回波信号的采集窗口移位，使得获得了水对总信号的贡献和脂肪对总信号的贡献的适当相位偏移，基于此而在重建步骤中执行了对这些贡献的狄克逊型分离。
本发明的基本特征是两次采集的第一回波、第二回波或这两者被采样为部分回波。本身已知的部分回波技术(像所有部分傅里叶技术一样)受益于k空间半部之间的复共轭对称(厄米特对称)。本发明洞察到部分回波采集允许更长的采集时间而不会影响图像分辨率。以这种方式，能够消除常规的双采集狄克逊梯度回波成像序列中的不期望的死区时间，结果，能够进一步优化扫描效率。
为了与用于经完全采样的回波的采集时间相比增加用于经部分采样的回波的采集时间，并且因此与用于经完全采样的回波的扫描效率相比提高用于经部分采样的回波的扫描效率，跟与经完全采样的回波相关联的读出磁场梯度的重定相位瓣的持续时间相比，与所述经部分采样的回波相关联的读出磁场梯度的重定相位瓣的持续时间被增加。这种经完全采样的回波形成了针对经部分采样的回波的在完全采样情况下的参考。同时，跟与所述经完全采样的回波相关联的读出磁场梯度的重定相位瓣的强度相比，与经所述部分采样的回波相关联的读出磁场梯度的重定相位瓣的强度被减小，同时，同用于所述经完全采样的回波的采集带宽相比，减小用于所述经部分采样的回波的采集带宽。
在本发明的优选实施例中，用于所述经部分采样的回波的采集时间在所述成像序列的过程中变化，并且从重复到重复针对所述相位编码而被调整。因此，采集时间能够被个体地最大化到这种程度，即，没有对相位编码的磁场梯度的干扰。换句话说，部分回波因子适于在由相位编码的磁场梯度强加的约束下使采集时间最大化。以这种方式，能够使总扫描效率最大化。
本发明的方法可以与半扫描的应用(其中，在相位编码的方向上采集k空间的预定义区域的(大致)一半)、并行成像(例如，SENSE)或压缩感测进行组合以减少扫描时间。
到目前为止所描述的本发明的方法能够借助于一种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基本上均匀静态的磁场B0；多个梯度线圈，其用于在所述检查体积内生成在不同空间方向上的切换的磁场梯度；至少一个RF线圈，其用于在所述检查体积内生成RF脉冲和/或接收来自被定位在所述检查体积中的对象的身体的MR信号；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，其用于根据接收到的MR信号来重建MR图像。本发明的方法能够通过对MR设备的重建单元和/或控制单元进行对应的编程来实施。
本发明的方法能够有利地在目前临床上使用的大多数MR设备上执行。为此，仅需要利用计算机程序来控制MR设备而使得MR设备执行本发明的上述方法步骤。该计算机程序可以存在于数据载体上或者存在于数据网络中，以便被下载而安装在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，附图仅被设计用于说明的目的，而不是对本发明进行限制。在附图中：
图1示出了用于执行本发明的方法的MR设备；
图2示出了常规的双采集狄克逊梯度回波成像序列的示意性(简化的)脉冲序列图；
图3示出了根据本发明的第一实施例的示意性(简化的)脉冲序列图；
图4示出了在没有相位编码的磁场梯度的情况下根据本发明的第一实施例的示意性(简化的)脉冲序列图；
图5示出了图示具有相位编码的部分回波因子的变化的k空间图；
图6示出了根据本发明的第二实施例的示意性(简化的)脉冲序列图。
具体实施方式
参考图1，以框图形式示出了MR设备1。该设备包括超导式或电阻式主磁体线圈2，使得沿着穿过检查体积的z轴创建基本上均匀的、在时间上恒定的主磁场B0。该设备还包括(1阶、2阶和(在适用时)3阶)匀场线圈的集合2'，其中，流过集合2'的个体匀场线圈的电流是可控制的，从而最大程度地减少检查体积内的B0偏差。
磁共振生成和操纵***施加一系列RF脉冲和切换的磁场梯度来反转磁共振，激励磁共振，重新聚焦磁共振和/或在空间上编码磁共振以及以其他方式编码磁共振，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轴、y轴和z轴将电流脉冲施加到全身梯度线圈4、5和6中的选定的一个。数字RF频率发射器7经由发射/接收开关8将RF脉冲或脉冲包发射到RF身体线圈9，以将RF脉冲发射到检查体积中。典型的MR成像序列包括短持续时间的RF脉冲段的包，它与任何施加的磁场梯度一起实现对核磁共振的选定操纵。RF脉冲用于反转磁共振，激励磁共振，饱和磁共振，重新聚焦磁共振或以其他方式操纵磁共振以及选择被定位在检查体积中的身体10的部分。MR信号也被RF身体线圈9拾取。
为了生成身体10的有限区域的MR图像，将局部RF阵列线圈11、12、13的集合与被选择用于成像的区域邻接放置。阵列线圈11、12、13能够用于接收由RF身体线圈的发射引起的MR信号。
结果得到的MR信号由RF身体线圈9和/或RF阵列线圈11、12、13拾取，并由优选由包括前置放大器(未示出)的接收器14解调。接收器14经由发送/接收开关8被连接到RF线圈9、11、12和13。
主机计算机15控制匀场线圈2'以及梯度脉冲放大器3和发射器7，以生成本发明的成像序列。对于选定的序列，接收器14在每个RF激励脉冲之后快速演替地接收单条或多条MR数据线。数据采集***16对接收到的信号执行模数转换并且将每条MR数据线转换为数字格式以供进一步处理。在现代MR设备中，数据采集***16是专门用于采集原始图像数据的单独的计算机。
最终，数字原始图像数据由重建处理器17重建成图像表示，重建处理器17应用傅立叶变换或其他适当的重建算法(例如，SENSE)。MR图像可以表示穿过患者的平面切片、平行的平面切片的阵列、三维体积等。然后将图像存储在图像存储器中，在图像存储器中可以访问该图像以例如经由视频监视器18将切片、投影或图像表示的其他部分转换成适当的格式以进行可视化，视频监视器18提供结果得到的MR图像的人类可读显示。
通过对应的程序将主计算机15和重建处理器17布置为执行上面和下面描述的本发明的方法。
根据本发明，施加具有部分回波采集的双采集狄克逊梯度回波成像序列。在图3中图示了这种情况。
图3示出了构成根据本发明的成像序列的3D双采集狄克逊梯度回波序列的脉冲序列图。该图示出了频率编码方向M、相位编码方向P和切片选择方向S的切换的磁场梯度。此外，该图示出了RF激励脉冲和重新聚焦脉冲以及采集用ACQ1和ACQ2指代的回波信号所花费的时间间隔。在相继的RF激励之间的每个重复时间中生成一个梯度回波。该图覆盖了对前两个回波信号的采集。在随后的重复时间中，对在方向P和S中的相位编码的磁场梯度进行缩放以对k空间的预定义区域进行采样。通过在保持相位编码的磁场梯度和重复时间TR固定的同时对读出磁场梯度进行移位，在两个RF激励之后生成处于不同的回波时间TE1和TE2的两个回波。由于读出磁场梯度的移位以及结果得到的不同的回波时间TE1和TE2，获得了水对总信号的贡献和脂肪对总信号的贡献的不同相位偏移，基于此而执行了狄克逊型水/脂肪分离。
在图3的实施例中，第一回波的完全回波采集ACQ1(参见图2)被部分回波采集所代替。在回波时间TE1和重复时间TR被固定的同时，读出磁场梯度的重定相位瓣的持续时间和采集时间增加。以这种方式，消除了常规采集方案(图2)中存在的死区时间。读出磁场梯度的重定相位瓣的强度和接收带宽相应地减小。因此，仅对回波的前导端进行部分采样，并且去除了读出磁场梯度的重定相位瓣的前导端。将被去除的读出磁场梯度的重定相位瓣的前导端的面积添加到读出磁场梯度的去相位瓣，这降低了其强度。在方向P和S上同时发生相位编码的磁场梯度所强加的约束内，能够尽可能地缩短读出磁场梯度的去相位瓣以进一步提高扫描效率。部分回波因子能够增大的程度在整个序列中随着相位编码的磁场梯度的强度而变化。在图4中图示了在根本没有相位编码时的这种情况，其中，读出磁场梯度的去相位瓣是最短的。在图5中，为了简单起见，在仅二维(M，P)k空间图中图示了部分回波因子针对相位编码梯度的调整。在P方向上的中心区域中对在M方向上的k空间的最大分数进行采样，而在P方向上的最***的区域中对在M方向上的k空间的最小分数进行采样。
在图6中的实施例中，第二回波的完全回波采集ACQ2(参见图2)被部分回波采集所代替。同样，在回波时间TE2和重复时间TR保持固定的同时，读出磁场梯度的对应的重定相位瓣的长度和采集时间增加，直到消除了死区时间为止。读出磁场梯度的重定相位瓣的强度和接收带宽相应地减小。以这种方式，仅对回波的拖尾端进行采样，并且去除了读出磁场梯度的重定相位瓣的拖尾端。将被去除的读出磁场梯度的重定相位瓣的拖尾端的面积添加到读出磁场梯度的残瓣，这增加了其强度并且可能增大其长度。
在可能的实施例中，第一回波的完全回波采集ACQ1和和第二回波的完全回波采集ACQ2均被如上所述的部分回波采集所代替。此外，取决于在M、P和S方向上所期望的空间分辨率，也可以将利用相位编码使部分回波因子变化的构思有利地应用于第二部分回波采集ACQ2，例如与使第二回波时间TE2略微变化相组合。与使第二回波时间TE2略微变化相组合的这种方案会需要在k空间中而不是在图像空间中执行水-脂肪分离，以考虑每个样本的实际采集时间。

Claims (8)

1.一种对被放置在MR设备(1)的检查体积中的对象(10)的MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
使所述对象(10)经受双采集梯度回波成像序列，所述双采集梯度回波成像序列包括一系列在时间上等距的RF激励，其中，在相继的RF激励之间的每个重复时间中生成一个梯度回波，所述相继的RF激励具有在第一值(TE1)与第二值(TE2)之间交替的回波时间，并且其中，在每个重复时间中切换相位编码的磁场梯度(P、S)以对k空间的预定义区域进行采样；
从所述对象(10)采集回波信号，其中，与第一回波时间值(TE1)或第二回波时间值(TE2)相关联的每个梯度回波被采样为部分回波，其中，跟与经部分采样的回波的对应的经完全采样的回波相关联的读出磁场梯度的重定相位瓣的持续时间相比，与所述经部分采样的回波相关联的读出磁场梯度的重定相位瓣的持续时间被增加；并且
根据所采集的回波信号来重建MR图像，从而分离来自水的信号贡献与来自脂肪的信号贡献。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，跟与所述经完全采样的回波相关联的读出磁场梯度的重定相位瓣的强度相比，与经所述部分采样的回波相关联的读出磁场梯度的重定相位瓣的强度被减小。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中，同用于所述经完全采样的回波的采集时间相比，增加用于所述经部分采样的回波的采集时间。
4.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中，同用于所述经完全采样的回波的采集带宽相比，减小用于所述经部分采样的回波的采集带宽。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，利用在第一值(TE1)与第二值(TE2)之间交替的回波时间来分别生成较短的回波时间梯度回波和较长的回波时间梯度回波，并且其中
所述较短的回波时间梯度回波的前导端被部分采样，并且所述较长的回波时间梯度回波的拖尾端被部分采样。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中，用于所述经部分采样的回波的采集时间在所述成像序列的过程中变化，并且针对所述相位编码而被调整。
7.一种MR设备，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静态的磁场B0；多个梯度线圈(4、5、6)，其用于在所述检查体积内生成在不同空间方向上的切换的磁场梯度；至少一个RF线圈(9)，其用于在所述检查体积内生成RF脉冲和/或接收来自被定位在所述检查体积中的对象(10)的MR信号；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)，其用于根据接收到的MR信号来重建MR图像，其中，所述MR设备(1)被配置为执行根据权利要求1-6中的任一项所述的方法的步骤。
8.一种要在MR设备上运行的计算机程序，所述计算机程序包括用于执行根据权利要求1-6中的任一项所述的方法的指令。
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