DE102009025753A1

DE102009025753A1 - System und Verfahren zur Nutzung der Parallel Imaging Technik mit der Compressed Sensing Technik

Info

Publication number: DE102009025753A1
Application number: DE102009025753A
Authority: DE
Inventors: Philip James Menlo Park Beatty
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2009-11-12
Also published as: JP2009268901A; JP5484775B2; US7688068B2; US20090278539A1

Abstract

Ein System und ein Verfahren zum Kombinieren der Techniken Parallel Imaging und Compressed Sensing zum Rekonstruieren eines MR-Bildes beinhalten einen Computer, der dafür programmiert ist, unterabgetastete MR-Daten für mehrere k-Raum-Stellen zu erfassen, die weniger als eine Gesamtheit eines k-Raum-Gitters sind. Der Computer ist ferner dafür programmiert, nicht erfasste MR-Daten mittels Parallel Imaging Technik für einen Teil von k-Raum-Stellen zu synthetisieren, bei welchen keine MR-Daten erfasst wurden, und eine Compressed Sensing Technik anzuwenden, um ein rekonstruiertes Bild aus den erfassten unterabgetasteten MR-Daten und den synthetisierten nicht erfassten Daten zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Wesentlichen Magnetresonanz-(MR)-Bildgebung und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Kombinieren der Techniken Parallel Imaging (parallele Bildgebung) und Compressed Sensing (komprimierte Abtastung bzw. Messung) zum Rekonstruieren eines MR-Bildes.
Wenn eine Substanz, wie z. B. menschliches Gewebe, einem gleichmäßigen Magnetfeld (Polarisierungsfeld B₀) ausgesetzt wird, versuchen sich die einzelnen magnetischen Momente der Spins in dem Gewebe zu diesem polarisierendem Feld auszurichten, präzessieren aber um dieses in einer zufälligen Ordnung bei ihrer charakteristischen Larmor-Frequenz. Wenn die Substanz, oder das Gewebe, einem Magnetfeld (Anregungsfeld B₁) ausgesetzt wird, das sich in der x-y Ebene und sich in der Nähe der Larmor-Frequenz befindet, kann das ausgerichtete Nettomoment, oder die ”Längsmagnetisierung”, M_z, in die x-y Ebene, unter Erzeugung eines magnetischen Nettoquermoment M_t gedreht oder ”gekippt” werden. Von diesen angeregten Spins wird, sobald das Anregungssignal B₁ beendet wird, ein Signal ausgesendet und dieses Signal kann empfangen und verarbeitet werden, um ein Bild zu erzeugen.
Wenn diese Signale zum Erzeugen von Bildern genutzt werden, werden magnetische Feldgradienten (G_x, G_y und G_z) verwendet. Typischerweise wird der abzubildende Bereich durch eine Sequenz von Messzyklen abgescannt, in welchen diese Gradienten gemäß dem eingesetzten speziellen Lokalisierungsverfahren va riieren. Der resultierende Satz empfangener kernmagnetischer Resonanz-(NMR)-Signale wird digitalisiert und verarbeitet, um das Bild unter Verwendung von einer von vielen allgemein bekannten Rekonstruktionstechniken zu rekonstruieren.
Eine Technik, die zur Beschleunigung der Erfassung von MR-Daten entwickelt worden ist, wird üblicherweise als ”Parallel Imaging (parallele Bildgebung)” oder ”Partial Parallel Imaging (teilweise parallele Bildgebung” bezeichnet. Es existieren verschiedene Verfahren von Parallel Imaging, die die Simultaneous Acquisition of Spatial Harmonics (SMASH), Automatic Simultaneous Acquisition of Spatial Harmonics (AUTO-SMASH), Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisition (GRAPPA), Parallel Magnetic Resonance Imaging with Adaptive Radius in k-space (PARS), Autocalibrating Reconstruction for Cartesian Sampling (ARC) und Antialiasing Partially Encoded Acquisition Reconstruction (APPEAR) beinhalten. Bei Parallel Imaging erfassen mehrere Empfangsspulendaten Daten aus einem Bereich oder interessierendem Volumen, in welchem die Daten beispielsweise in einer Phasencodierungsrichtung unterabgetastet werden, sodass nur ein Teil der Daten des k-Raums in einem Bildscan erfasst wird. Somit wird Parallel Imaging dazu genutzt, die Datenerfassung in einer oder mehreren Dimensionen durch Ausnutzen der räumlichen Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Phasenarrayspule zu beschleunigen. Parallel Imaging hat sich nicht nur bei der Verringerung der Scanzeit, sondern auch bei der Verringerung von Bildunschärfe und geometrischen Verzerrungen als erfolgreich erwiesen. Ferner kann Parallel Imaging zum Verbessern der räumlichen oder zeitlichen Auflösung sowie zur Bereitstellung einer größeren volumetrischen Überdeckung genutzt werden.
In letzter Zeit wurde eine weitere Technik zur Beschleunigung der Erfassung von MR-Daten entwickelt, die als ”Compres sed Sensing” bekannt ist. Compressed Sensing entspringt der Beobachtung, dass die meisten medizinischen Bilder einen gewissen Grad an ”Komprimierbarkeit” haben. D. h., wenn sie in einen bestimmten geeigneten Bereich, wie z. B. einem Wavelet-Bereich, transformiert werden, kann eine erheblichen Anzahl von Werten mit geringem Verlust an Bildqualität auf Null gesetzt werden (d. h., komprimiert werden). Bei Compressed Sensing werden komprimierte Bilder unter Verwendung eines nichtlinearen Rekonstruktionsschemas, wie z. B. einer L1-Norm Einschränkung, rekonstruiert, wobei die unterabgetasteten Artefakte in dem gewählten Bereich ausreichend dünn besetzt (oder inkohärent) sein müssen, um das Bild effektiv zu rekonstruieren. Wie Parallel Imaging hat sich Compressed Sensing als die Scanzeit, die Bildunschärfe und geometrischen Verzerrungen verringernd herausgestellt.
Da sowohl Parallel Imaging als auch Compressed Sensing eine beschleunigte Erfassung von MR-Daten ermöglichen, gab es bereits früherer Anstrengungen, Parallel Imaging mit Compressed Sensing zu kombinieren. Insbesondere wurden Anstrengungen unternommen, die zwei Techniken zu kombinieren, indem die Technik des Parallel Imaging als eine Datenkonsistenzeinschränkung in der Rekonstruktion von Compressed Sensing einbezogen wird und somit zu einer gleichzeitigen Implementation der Techniken führt. Jedoch wird durch Einbeziehen von Parallel Imaging als eine Datenkonsistenzeinschränkung der rechnerische Wirkungsgrad der Rekonstruktion von Compressed Sensing erheblich reduziert, und dadurch einige der durch die Verwendung von Technik Parallel Imaging oder von Compressed Sensing einzeln bereitgestellten Vorteile aufgehoben.
Es wäre daher wünschenswert, über ein System und Verfahren zu verfügen, das Parallel Imaging mit Compressed Sensing kombiniert, was den Berechnungswirkungsgrad so steigert, dass sie ein hoch qualitatives rekonstruiertes Bild bei gleichzeitiger Verringerung der Scanzeit erzeugen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein MR-Bildgebungsgerät ein Magnetresonanz-Bildgebungssystem mit mehreren um eine Bohrung eines Magneten herum angeordneten Gradientenspulen, ein HF-Empfängersystem und einen von einem Impulsgenerator gesteuerten HF-Umschalter, der Signale an eine HF-Spulenanordnung zum Erfassen von MR-Bildern sendet. Das System enthält auch einen Computer, der dafür programmiert ist, unterabgetastete MR-Daten für mehrere k-Raum-Stellen zu erfassen, die weniger als eine Gesamtheit eines k-Raum-Gitters sind. Der Computer ist ferner dafür programmiert, nicht erfasste MR-Daten mittels Parallel Imaging Technik für einen Teil von k-Raum-Stellen zu synthetisieren, bei welchen keine MR-Daten erfasst wurden, und eine Compressed Sensing Technik anzuwenden, um ein rekonstruiertes Bild aus den erfassten unterabgetasteten MR-Daten und den synthetisierten nicht erfassten Daten zu erzeugen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet ein computerlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm. Das Computerprogramm enthält Instruktionen, welche, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, MR-Daten von einem interessierenden Objekt aus einer HF-Empfängerspulenanordnung erfassen, wobei die MR-Daten aus einem unterabgetasteten MR-Datensatz bestehen, der aus mehreren k-Raum-Stellen erfasst wurde, die weniger als die Gesamtheit eines k-Raum-Gitters sind, wobei die MR-Daten in einem gruppierten inkohärenten Muster innerhalb des k-Raums erfasst werden. Die Programminstruktionen veranlassen den Computer ferner, eine Rekonstruktionstechnik zum Rekonstruieren eines Bildes unter Verwendung des unterabgetasteten MR-Datensatzes auszuführen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Erzeugen eines Magnetresonanz-(MR)-Bildes die Erfassung von unterabgetasteten MR-Daten für mehrere k-Raum-Stellen, wobei die mehreren k-Raum-Stellen so angeordnet sind, dass sie eine Parallel Imaging Synthese nicht erfasster MR-Daten ermöglichen, und die Anwendung einer Parallel Imaging Technik zum Synthesieren eines Teils nicht erfasster MR-Daten. Das Verfahren beinhaltet ferner die Kombination der erfassten unterabgetasteten MR-Daten und des synthetisierten Teils nicht erfasster MR-Daten, um einen sich daraus ergebenden MR-Datensatz zu generieren, wobei der sich ergebende MR-Datensatz eine gewünschte Inkohärenz besitzt und die getrennte Anwendung einer Compressed Sensing Rekonstruktionstechnik auf den sich ergebenden MR-Datensatz, um ein rekonstruiertes Bild zu erhalten.
Verschiedene weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen stellen Ausführungsformen dar, welche derzeit für die Ausführung der Erfindung in Betracht gezogen werden.
In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Blockdarstellung eines exemplarischen MR-Bildgebungssystems zur Verwendung mit einer Ausführungsform der Erfindung.
2 eine schematische Darstellung eines Erfassungsmusters von k-Raum-Daten gemäß dem Stand der Technik.
3 eine schematische Darstellung, die ein Erfassungsmusters von k-Raum-Daten gemäß dem Stand der Technik zeigt.
4 eine schematische Darstellung, die ein Erfassungsmusters von k-Raum-Daten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
5 eine schematische Darstellung, die ein Erfassungsmusters von k-Raum-Daten und ein Synthesemuster gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
6 ein Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Es werden ein System und Verfahren zum Rekonstruieren eines MR-Bildes durch Kombination der Techniken Parallel Imaging und Compressed Sensing bereitgestellt. Diesbezüglich werden k-Raum-Rohdaten mittels einer Unterabtastungstechnik dergestalt erfasst, dass nur ein Teil der möglichen k-Raum-Daten erfasst wird. Ein Teil der nicht erfassten k-Raum-Daten wird mittels Parallel Imaging synthetisiert und somit ein größerer Bereich im k-Raum aufgefüllt. Der Rest nicht erfasster k-Raum-Daten wird aufgefüllt und ein Bild erzeugt, indem eine Compressed Sensing Technik implementiert wird.
In 1 sind die Hauptkomponenten eines bevorzugten Magnetresonanzbildgebungs-(MRI)-Systems 10 dargestellt, das eine Ausführungsform der Erfindung verkörpert. Der Betrieb des Systems wird von einer Bedienerkonsole 12 aus gesteuert, welche eine Tastatur oder eine andere Eingabevorrichtung 30, ein Steuerpult 14 und einen Anzeigebildschirm 16 enthält. Die Konsole 12 kommuniziert über eine Verbindung 18 mit einem getrennten Computersystem 20, das einem Bediener ermöglicht, die Erzeugung und Darstellung von Bildern auf dem Anzeigebildschirm 16 zu steuern. Das Computersystem 20 enthält eine Anzahl von Modulen, welche miteinander über eine Rückseitenverbindungsplatine 20a kommunizieren. Diese umfassen ein Bildprozessormodul 22, ein CPU-Modul 24 und ein im Fachgebiet als Frame-Puffer zur Speicherung von Bilddatenarrays bekanntes Speichermodul 26. Das Computersystem 20 kommuniziert mit einer getrennten Systemsteuerung 32 über eine serielle Hochgeschwindigkeitsverbindung 34. Die Eingabevorrichtung kann eine Maus, ein Joystick, eine Tastatur, einen Track Ball, einen berührungsaktivierten Bildschirm, eine Lichtwand, Sprachsteuerung oder irgendeine ähnliche oder äquivalente Eingabevorrichtung umfassen und kann für eine Vorschrift einer interaktiven Geometrie verwendet werden.
Die Systemsteuerung 32 enthält einen Satz von miteinander über eine Rückseitenplatine 32a verbundenen Modulen. Diese beinhalten ein CPU-Modul 36 und ein Impulsgeneratormodul 38, welches mit der Bedienerkonsole 12 über eine serielle Verbindung 40 verbunden ist. Über diese Verbindung 40 empfängt die Systemsteuerung 32 Befehle von dem Bediener, um die Scansequenz anzuzeigen, die durchzuführen ist. Das Impulsgeneratormodul 38 betreibt die Systemkomponenten so, dass sie die gewünschte Scansequenz auszuführen, und erzeugt Daten, welche den zeitlichen Verlauf, die Stärke und die Form der erzeugten HF-Impulse, und den Zeitverlauf und die Länge des Datenerfassungsfensters anzeigen. Das Impulsgeneratormodul 38 ist mit einem Satz von Gradientenverstärkern 42 verbunden, um den Zeitverlauf und die Form der Gradientenimpulse anzuzeigen, die während des Scans erzeugt werden. Das Impulsgeneratormodul 38 kann auch Patientendaten aus einer Steuerung 44 für physiologische Erfassung empfangen, die Signale aus einer Anzahl mit dem Patienten verbundener unterschiedlicher Sensoren, wie z.B. EKG-Signale aus an dem Patienten angebrachten Elektroden empfängt. Schließlich ist das Impulsgeneratormodul 38 mit einer Scanraum-Schnittstellenschaltung 46 verbunden, welche Signale aus verschiedenen Sensoren empfängt, die dem Zustand des Patienten und des Magnetsystems zugeordnet sind. Über die Scanraum-Schnittstellenschaltung 46 empfängt auch ein Patientenpositionierungssystem 48 Befehle zum Bewegen des Patienten in die für den Scanvorgang gewünschte Position.
Die durch das Impulsgeneratormodul 38 erzeugten Gradientenwellenformen werden an das Gradientenverstärkersystem 42 mit den G_x-, G_y- und G_z-Verstärkern angelegt. Jeder Gradientenverstärker regt eine entsprechende physische Gradientenspule in einer insgesamt mit 50 bezeichneten Gradientenspulenanordnung an, um magnetische Feldgradienten zu erzeugen, die zur räumlichen Codierung erfasster Signale verwendet werden. Die Gradientenspulenanordnung 50 bildet einen Teil einer Magnetanordnung 52, welche einen polarisierenden Magneten 54 und eine Ganzkörper-HF-Spule 56 umfasst. Ein Sender/Empfänger-Modul 58 in der Systemsteuerung 32 erzeugt Impulse, welche von einem HF-Verstärker 40 verstärkt und an die HF-Spule 56 über einen Sende/Empfangs-Umschalter 62 gekoppelt werden. Die durch die angeregten Kerne in dem Patienten emittierten resultierenden Signale können von derselben HF-Spule 56 erfasst und über den Sende/Empfangs-Umschalter 62 an einen Vorverstärker gekoppelt werden. Die verstärkten MR-Signale werden in dem Empfängerabschnitt des Senders/Empfängers 58 demoduliert, gefiltert und digitalisiert. Der Sende/Empfangs-Umschalter 62 wird durch ein Signal aus dem Impulsgeneratormodul 38 gesteuert, um den HF-Verstärker 60 mit der Spule 56 während des Sendemodus elekt risch zu verbinden und um den Vorverstärker 64 mit der Spule 46 während des Empfangsmodus zu verbinden. Der Sende/Empfangs-Umschalter 62 kann auch die Verwendung einer getrennten HF-Spule (z. B. einer Oberflächenspule) entweder in dem Sende- oder Empfangsmodus ermöglichen.
Die von der HF-Spule 56 erfassten MR-Signale werden von dem Sender/Empfänger-Modul 58 digitalisiert und an ein Speichermodul 66 in der Systemsteuerung 32 übertragen. Ein Scanmodus ist abgeschlossen, wenn ein Array von k-Raum-Rohdaten in dem Speichermodul 66 erfasst worden ist. Diese k-Raum-Rohdaten werden in getrennten k-Raum-Datenarrays für jedes zu rekonstruierende Bild neu angeordnet, und jedes von diesen wird in einen Arrayprozessor 68 eingegeben, welcher so arbeitet, dass er die Daten in eine Array von Bilddaten Fourier-transformiert. Diese Bilddaten werden über die serielle Verbindung 34 an das Computersystem 20 transportiert, wo sie im Speicher gespeichert werden. In Reaktion auf aus der Bedienerkonsole 12 empfangene Befehle können diese Bilddaten in einem Langzeitspeicher archiviert werden oder durch den Bildprozessor 22 weiterverarbeitet und an die Bedienerkonsole 12 geliefert und auf der Anzeigeeinrichtung 16 dargestellt werden.
Gemäß der Erfindung sind die k-Raum-Rohdaten, die erfasst werden, unterabgetastet, sodass nur ein Teil möglicher k-Raum-Daten erfasst wird. Obwohl eine derartige Unterabtastung der Daten des k-Raums die Zeit reduziert, die für die Durchführung eines Bildscans erforderlich ist, beseitigt eine Rekonstruktion eines Bildes unter Verwendung nur dieser unterabgetasteten k-Raum-Daten nicht alle Artefakte aus dem Bild. Daher werden weitere Korrekturverfahren eingesetzt, um effektiv diese Artefakte in dem letztlich rekonstruierten Bild zu beseitigen, während gleichzeitig die Bildscanzeit verkürzt wird, wie es hierin nachstehend detaillierter erläutert wird.
In 2 ist ein Beispiel einer k-Raum-Abtastmusters gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Das k-Raum-Abtastmuster 130 weist ein Datenpunktgitter von 256 × 256 mit einem unterabgetasteten Umfangsbereich 115 auf, der einen vollständig abgetasteten Mittenbereich von 21 × 21 des k-Raums 105 umgibt. Dieser vollständig abgetastete Mittenbereich 105 des k-Raums enthält k-Raum-Daten niedriger Auflösung mit vollem Sichtfeld (FOV), die einen hohen Kontrast haben. Es ist in der MR-Bildgebung allgemein bekannt, dass ein wesentlicher Beitrag zu dem Leistungsspektrum des erfassten Signals aus dem zentralen Bereich des k-Raums kommt, und dass die Mitte des k-Raums ein Hauptbestimmungsfaktor für den Bildkontrast ist. Aus diesem Grunde erfordern bestimmte Rekonstruktionstechniken, wie z. B. Compressed Sensing, dass der Mittenbereich des k-Raums vollständig abgetastet wird, da eine Unterabtastung des Mittenbereichs den Gesamtkontrast des Bildes erheblich beeinträchtigen würde.
Gemäß Darstellung in 2 ist der Umfangsbereich 115 des k-Raums in einem Muster dergestalt unterabgetastet, dass mehrere zufällig erfasste Datenpunkte 110 erhalten werden. Somit wird das k-Raum-Abtastmuster hierin nachstehend als ein ”Zufallsabtastmuster” bezeichnet. Bei dem k-Raum-Abtastmuster 130 wird ein Zufallsabtastmuster außerhalb eines vollständig abgetasteten Mittenbereiches von 21 × 21 erfasst, wobei insgesamt 5883 Datenabtastwerte erfasst werden. Es können mehr oder weniger Datenabtastwerte erfasst werden, da die hierin verwendeten Mengen lediglich für exemplarische Zwecke dienen und nicht als Einschränkung der Erfindung zu betrachten sind. Wie der vergrößerte Bereich 117 darstellt, sind die erfassten Datenpunkte 110 zufällig über den gesamten k-Raum in zufälligen Abstand angeordnet. Aufgrund dieses signifikant zufälligen Abstands von Datenpunkten kann das Abtastmuster 130 keinem Pa rallel Imaging unterzogen werden, da die Datenpunkte 110 nicht ausreichend lokal zueinander sind, um irgendeine bekannte Parallel Imaging Technik anzuwenden. Somit zeigt ein unter Verwendung eines k-Raum-Abtastmusters 130 rekonstruiertes Bild signifikante Artefakte. Daher ermöglicht, obwohl die Verwendung von k-Raum-Abtastmustern 130 den Datenerfassungsvorgang durch zufällig Erfassung von nur 5883 Datenabtastwerte beschleunigt, die Technik keine hochqualitative Bildrekonstruktion, die mit der eines vollständig abgetasteten Bildes vergleichbar ist.
3 zeigt ein k-Raum-Zufallsabtastmuster 140, welches ebenfalls den Stand der Technik darstellt. Das Abtastmuster 140 ist einfach ein k-Raum-Zufallsabtastmuster, in welchem 26726 Gesamtdatenabtastwerte im Gegensatz zu nur 5883 Datenabtastwerten in dem in 2 dargestellten k-Raum-Zufallsabtastmuster 130 zufällig erfasst sind. Wie in dem vergrößerten Abschnitt 142 dargestellt, sind Datenpunkte 129 zufällig über den gesamten k-Raum erfasst, jedoch mit einer wesentlich höheren Konzentration als der, welche in 2 dargestellt ist. Somit zeigt die Bildrekonstruktion unter Verwendung des Abtastmusters 140 weniger Bildartefakte, und daher kann ein Bild ähnlich dem eines vollständig abgetasteten Bildes erhalten werden. Da jedoch das k-Raum-Zufallsabtastmuster 140 insgesamt 26726 Erfassungsdatenpunkte enthält, ist die Menge der erfassten Daten im Vergleich zu einem vollständig abgetasteten Bild nicht wesentlich reduziert und somit die Scanzeit nicht wesentlich reduziert. Wie es nachstehend dargelegt wird, stellen Ausführungsformen der Erfindung ein rekonstruiertes Bild mit sehr wenigen Artefakten bereit, während gleichzeitig die Gesamtscanzeit verkürzt ist.
4 stellt ein ”gruppiert inkohärentes – clustered incoherent” k-Raum-Abtastmuster 150 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Wie einfach dargestellt, wird das gruppierte inkohärente Abtastmuster außerhalb eines vollständig abgetasteten Mittenbereichs von 21 × 21 mit insgesamt 5883 Datenabtastwerten erfasst. Im Gegensatz zu dem in 2 dargestellten Zufallsabtastmuster 130, welches ebenfalls insgesamt 5883 Datenabtastwerte besitzt, erfasst das gruppierte inkohärente Abtastmuster 150 die Datenabtastwerte in einer stark inkohärenten und stark gruppierten Weise. Der vergößerte Abschnitt 172 stellt dieses stark inkohärente, jedoch stark gruppierte Muster dar. Jede allgemein bekannte Bildrekonstruktionstechnik kann dann zum Rekonstruieren eines Bildes unter Verwendung der Datenabtastwerte aus dem gruppierten inkohärenten Abtastmuster 150 verwendet werden. Wie bei der vorstehenden 2 kann jedoch ein nur unter Verwendung des gruppierten Zufallsabtastmusters 150 rekonstruiertes Bild signifikante Artefakte enthalten, da die 5883 Datenabtastwerte alleine typischerweise ein vollständig abgetastetes Bild nicht in adäquater Weise darstellen können. Jedoch wird das gruppierte, inkohärente Abtastmuster 150 so erfasst, dass in jeder Gruppierung 154 der Zwischenraum zwischen Datenpunkten 139 nicht größer als 1/Sichtfeld mal dem Parallel Imaging Beschleunigungsfaktor ist. Ein derartiger Zwischenraum ermöglicht die Durchführung einer Parallel Imaging Technik unter Verwendung der erfassten Datenpunkte 139, um zusätzliche nicht erfasste Daten in jeder Gruppierung 154 zu synthetisieren, um so einige Abschnitte des k-Raums aufzufüllen, wie es nachstehend unter Bezugnahme auf 5 dargestellt wird.
In 5 ist ein ”synthetisiertes inkohärentes” k-Raum-Abtastmuster 160 dargestellt. Das synthetisierte inkohärente k-Raum-Abtastmuster 160 ist das Ergebnis eines gruppierten inkohärenten k-Raum-Abtastmusters 150 von 4, das einer Parallel Imaging Technik unterzogen wird, um mehrere nicht erfasste Datenpunkte 141 lokal zu erfassten Datenpunkten 139 zu synthetisieren. Das synthetisierte inkohärente k-Raum-Abtastmuster 160 verwendet die 5883 erfassten Datenabtastwerte aus dem gruppierten inkohärenten k-Raum-Abtastmuster 150 zum Synthetisieren zusätzlicher Datenpunkte durch Parallel Imaging, um insgesamt 26726 Gesamtdatenabtastwerte zu erzeugen. Gemäß Darstellung bilden diese 26726 Datenabtastwerte mehrere gruppierte und inkohärente Datenpunkte. Die Datenpunkte 141 werden unter Verwendung eines bekannten Parallel Imaging Verfahrens, wie z. B. GRAPPA, ARC, SMASH, AUTO-SMASH, PARS und APPEAR synthetisiert. Wie vorstehend dargestellt, können nur Daten, die ausreichend lokal zu den erfassten gruppierten inkohärenten Datenpunkten 139 im k-Raum sind, erfolgreich durch Parallel Imaging synthetisiert werden. Somit ermöglicht, obwohl typische Parallel Imaging Techniken in der Lage sind, einen kompletten Datensatz aus kohärenten und im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Satz von erfassten k-Raum-Daten zu synthetisieren, das inkohärente Abtastmuster der Datenpunkte 139 nur eine Synthetisierung eines Teils der nicht erfassten Daten. D. h., dass, wie in 5 dargestellt, synthetisierte Datenpunkte 141, welche aus der Anwendung eines Parallel Imaging Verfahrens auf die erfassten gruppierten inkohärenten Datenpunkte 139 erhalten werden, keinen vollständigen Datensatz auffüllen, sondern stattdessen ein teilweise gefülltes Gitter erzeugen, das das inkohärente Abtastmuster der erfassten gruppierten inkohärenten Datenpunkte 139 und der zu den gruppierten inkohärenten Punkten lokalen synthetisierten Datenpunkte 141 erzeugen. Das Abtastmuster besteht aus Gruppierungen, die so angeordnet sind, dass sie inkohärente Artefakte in dem erwartet dünn besetzten Bereich ergeben (wenn sie eingefüllt sind). Jede Gruppierung besteht aus Datenpunkten, in welchem der Zwischenzwischenraum zwischen den Datenpunkten nicht größer als 1/Sichtfeld mal dem Beschleunigungsfaktor ist.
Es dürfte sich ferner verstehen, dass das zum Erfassen der Datenpunktgruppierungen 154 verwendete Abtastmuster ein Muster ist, das in einem Bereich unterabtastet, in welchem das zu rekonstruierende Bild erwartungsgemäß dünn besetzt ist. D. h., in den meisten komplexen medizinischen Bildern zeigen die Bilder eine Transformations-Dünnbesetzung, was bedeutet, dass das Bild eine dünne Darstellung hinsichtlich räumlicher begrenzter Differenzen, deren Wavelet-Koeffizienten und andere Transformationen hat. Ein gruppiertes inkohärentes Abtastmuster besteht aus Gruppierungen von erfassten Datenpunkten, die so angeordnet sind, dass sie inkohärente Artefakte in dem erwartet dünn besetzen Bereich ergeben. Jede Gruppierung besteht aus Datenpunkten, wobei der Zwischenraum zwischen den Datenpunkten größer als 1/Sichtfeld mal dem Beschleunigungsfaktor ist, sodass sie eine Durchführung einer Parallel Imaging Technik ermöglichen. Daher sind, obwohl die erfassten Datenpunktgruppierungen 154 nur eine kleine Menge von möglichen k-Raum-Daten repräsentieren, die Transformationskoeffizienten der nicht erfassen Datenpunkte im Wesentlichen vernachlässigbar oder unwichtig, und somit kann das Bild erfolgreich ohne diese rekonstruiert werden.
Das in 5 dargestellte synthetisierte inkohärente k-Raum-Abtastmuster ist für die Verbesserung eines als Compressed Sensing bekannten Rekonstruktionsverfahrens gedacht. Compressed Sensing ist eine Bildrekonstruktionstechnik, die aus der Beobachtung hervorgeht, dass die meisten medizinischen Bilder einen gewissen Grad an Komprimierbarkeit aufweisen. Für Compressed Sensing ist es erwünscht, dass das Bild eine dünn besetzte Darstellung in einem bekannten Transformationsbereich (wie z. B. dem Wavelet-Bereich) hat, und dass die Verzerrungsartefakte aufgrund einer k-Raum-Unterabtastung in diesem Transformationsbereich inkohärent (d. h. rauschähnlich) sind. Mit anderen Worten, das Datenabtastmuster wird so gewählt, dass es die Kohärenz in dem dünn besetzten Bereich reduziert. Diese Inkohärenz kann durch zufälliges Unterabtasten von Datenpunkten gemäß Darstellung in 5 erzielt werden. Die Unterabtastung von Daten führt zu einer Verzerrung, und wenn die Unterabtastung (wie in 5) zufällig ist, ist die Verfälschung inkohärent und wirkt als eine inkohärente Interferenz der dünn besetzten Transformationskoeffizienten. Daher können bei Verwendung eines nicht-linearen Rekonstruktionsschemas, wie z. B. einer L1-Norm Einschränkung, die dünn besetzten Transformationskoeffizienten zurückgewonnen werden, und demzufolge das Bild selbst rekonstruiert werden.
Wenn die vorstehend beschriebene Compressed Sensing Technik angewendet wird, basiert der Bildrekonstruktionserfolg (d. h., die Schärfe des sich ergebenden Bildes) auf der dünnen Verteilung der Transformationskoeffizienten und darauf, dass die inkohärente Interferenz klein ist und eine Zufallsstatistik besitzt. Somit ist in der Compressed Sensing Technik die zufällige Unterabtastung von Daten zum Erzeugen eines inkohärenten Abtastmusters von großer Bedeutung. Aus diesem Grund erzeugt die Anwendung einer Compressed Sensing Technik auf das in 5 dargestellte synthetisierte inkohärente k-Raum-Abtastmuster 160 ein hochqualitatives Bild mit sehr wenigen Artefakten. Ferner weist, obwohl sowohl das synthetisierte inkohärente k-Raum-Abtastmuster 160 als auch das in 3 dargestellte k-Raum-Zufallabtastmuster 140 26726 Datenpunkte aufweisen, das Abtastmuster 160 nur 5883 ”erfasste” Datenpunkte, während die restlichen Datenpunkte unter Verwendung einer Parallel Imaging Technik synthetisiert wurden. Somit ermöglicht die Erfindung nicht nur eine effektive Bildrekonstruktion unter Anwendung von Compressed Sensing, sondern reduziert auch die Scanzeit durch Anwendung von Parallel Imaging, um nicht erfasste Daten unter Verwendung nur einer kleinen Menge erfasster Daten zu synthetisieren.
In 6 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das eine Technik 118 zur Rekonstruktion eines MR-Bildes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung repräsentiert. Die Technik beginnt bei dem Block 120, bei welchem unterabgetastete MR-Daten für mehrere inkohärente k-Raum-Stellen erfasst werden. Wie vorstehend im Detail dargestellt, sind die mehreren inkohärenten k-Raum-Stellen tatsächlich in einem gruppierten inkohärenten Muster orientiert, in welchem die Punkte ausreichend lokal zueinander sind, sodass sie die Anwendung einer Parallel Imaging Technik darauf zulassen. Gemäß Darstellung bei dem Block 122, werden nicht erfasste Daten in der Nähe der erfassten Daten im k-Raum unter Verwendung irgendeiner allgemein bekannten Parallel Imaging Technik synthetisiert. Obwohl sie als anschließend an die Erfassung der MR-Daten bei dem Block 120 durchgeführt dargestellt ist, ist es vorstellbar, dass die Synthese nicht erfasster Daten während der gruppiert inkohärenten Erfassung von MR-Daten durchgeführt werden kann. Die synthetisierten Daten können nicht jeden nicht erfassten Datenpunkt auffüllen, sondern erzeugen stattdessen einen angereicherten Datensatz, der die ursprünglich erfassten ”gruppiert inkohärenten” Abtastmuster der Daten des k-Raums und die durch Parallel Imaging erzielten synthetisierten Daten enthält. Schließlich wird bei dem Block 124 eine Compressed Sensing Technik angewendet, um ein Bild auf der Basis der ”gruppiert inkohärenten” k-Raum-Daten und der über Parallel Imaging Technik synthetisierten Daten zu rekonstruieren.
Das Verfahren der im Bild 6 dargestellten Bildrekonstruktionstechnik hat viele Vorteile gegenüber der vorherigen Arbeit unter Anwendung von Parallel Imaging und Compressed Sensing. Ein Hauptvorteil besteht darin, dass die Trennung der Parallel Imaging Technik und der Compressed Sensing Technik in zwei getrennte ”Phasen” des Rekonstruktionsverfahrens die ge trennte Abstimmung und Optimierung jeder Technik für jede beliebige Scansequenz ermöglicht. D. h., durch getrenntes Durchführen von Parallel Imaging kann die Parallel Imaging Technik selbst optimiert werden, ohne die eingestellten Parameter der Compressed Sensing Technik zu verändern. Ebenso kann die Compressed Sensing Technik ebenfalls unabhängig optimiert werden. Außerdem werden, da die Parallel Imaging Technik eine getrennte ”Phase” ist, die Robustheit und die rechnerischen Vorteile der Anwendung eines nicht-iterativen Verfahrens für Parallel Imaging (wie z. B. GRAPPA und ARC) möglich. Ferner wird durch Anwenden einer Parallel Imaging ”Phase” vor dem Compressed Sensing die Größe und Komplexität des der Compressed Sensing – ”Phase” präsentierten Bildrekonstruktionsproblems stark verringert und somit das rechnerische Betriebsverhalten der Compressed Sensing ”Phase” verbessert. Insgesamt ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung eine erhebliche Verkürzung der MR-Scanzeit, da die Menge der tatsächlich erfassten Daten minimal ist, und eine derartige Verkürzung in der Scanzeit verringert nur minimal die Bildqualität.
Die in 6 dargestellten Schritte sind ferner für eine Programmierung in einem Computer oder ein computerlesbares Medium ausführbar. Somit kann die Erfindung automatisch durch die Anwendung eines von einem Computer oder einem computerlesbaren Mediums gelesenen Computerprogramms ausgeführt werden.
Ein technischer Beitrag für das offengelegte Verfahren und die Vorrichtung besteht darin, dass sie eine computerimplementierte Technik bereitstellen, die getrennt durchgeführte Parallel Imaging und Compressed Sensing Techniken kombiniert, um ein MR-Bild zu rekonstruieren, während gleichzeitig die Scanzeit weiter verkürzt wird.
Daher enthält gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine MR-Bildgebungsgerät ein Magnetresonanz-Bildgebungssystem mit mehreren um eine Bohrung eines Magneten herum angeordneten Gradientenspulen, ein HF-Empfängersystem und einen von einem Impulsgenerator gesteuerten HF-Umschalter, der Signale an eine HF-Spulenanordnung aussendet, um MR-Bilder zu erfassen. Das System umfasst auch einen Computer, der für die Erfassung unterabgetasteter MR-Daten für mehrere k-Raum-Stellen, die weniger als eine Gesamtheit eines k-Raum-Gitters sind, programmiert ist. Der Computer ist ferner dafür programmiert, nicht erfasste MR-Daten mittels einer Parallel Imaging Technik für einen Abschnitt einer k-Raum-Stelle zu synthetisieren, bei welchen keine MR-Daten erfasst wurden, und eine Compressed Sensing Rekonstruktionstechnik anzuwenden, um ein rekonstruiertes Bild aus den erfassten unterabgetasteten MR-Daten und den synthetisierten nicht erfassten Daten zu rekonstruieren.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein computerlesbares Medium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm. Das Computerprogramm enthält Instruktionen, welche, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, MR-Daten von einem interessierenden Objekt aus eine HF-Empfängerspulenanordnung erfassen, wobei die MR-Daten einen unterabgetasteten MR-Datensatz aufweisen, der von mehreren k-Raum-Stellen erfasst wird, die weniger als die Gesamtheit eines k-Raum-Gitters sind, wobei die MR-Daten in einem gruppierten inkohärenten Muster in dem k-Raum erfasst werden. Die Programminstruktionen veranlassen ferner den Computer eine Rekonstruktionstechnik auszuführen, um ein Bild unter Verwendung des unterabgetasteten MR-Datensatzes zu rekonstruieren.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Erzeugen eines Magnetresonanz (MR)-Bildes die Erfassung unterabgetasteter MR-Daten für mehrere k-Raum-Stellen, wobei die mehreren k-Raum-Stellen so angeordnet sind, dass sie eine Parallel Imaging Synthese nicht erfasster MR-Daten und die Anwendung einer Parallel Imaging Technik ermöglichen, um einen Teil nicht erfasster MR-Daten zu synthetisieren. Das Verfahren beinhaltet ferner die Kombination der erfassten unterabgetasteten MR-Daten und des synthetisierten Anteils nicht erfasster MR-Daten, um einen sich ergebenden MR-Datensatz zu erzeugen, wobei der sich ergebende MR-Datensatz eine gewünschte Inkohärenz hat, und die getrennte Anwendung einer Compressed Sensing Rekonstruktionstechnik auf den sich ergebenden MR-Datensatz, um ein rekonstruiertes Bild zu erhalten.
Die Erfindung wurde in Hinblick auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben, und es ist erkennbar, dass Äquivalente, Alternativen und Modifikationen neben den ausdrücklich dargestellten möglich sind und innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche liegen. Die Reihenfolge und der Ablauf von Prozess- oder Verfahrensschritten können variiert oder gemäß alternativen Ausführungsformen anders angeordnet sein.
Ein System und ein Verfahren zum Kombinieren der Techniken Parallel Imaging und Compressed Sensing zum Rekonstruieren eines MR-Bildes beinhalten einen Computer, der dafür programmiert ist, unterabgetastete MR-Daten für mehrere k-Raum-Stellen zu erfassen, die weniger als eine Gesamtheit eines k-Raum-Gitters sind. Der Computer ist ferner dafür programmiert, nicht erfasste MR-Daten mittels Parallel Imaging Technik für einen Teil von k-Raum-Stellen zu synthetisieren, bei welchen keine MR-Daten erfasst wurden, und eine Compressed Sensing Technik anzuwenden, um ein rekonstruiertes Bild aus den erfassten unterabgetasteten MR-Daten und den synthetisierten nicht erfassten Daten zu erzeugen.

Claims

MRI-Gerät, aufweisend: ein Magnetresonanzbildgebungs-(MRI)-System (10) mit mehreren um eine Bohrung eines Magneten (52) herum angeordneten Gradientenspulen (50) und einem HF-Sender/Empfänger-System (58) und einem von einem Impulsmodul (38) gesteuerten HF-Umschalter (62), um HF-Signale an eine HF-Spulenanordnung zum Erfassen von MR-Bildern zu senden; und einen Computer, der dafür programmiert ist: unterabgetastete MR-Daten (120) für mehrere k-Raum-Stellen, die weniger als eine Gesamtheit eines k-Raum-Gitters sind, zu erfassen; nicht erfasste MR-Daten (122) mittels einer Parallel Imaging Technik für einen Teil der k-Raum-Stellen zu synthetisieren, an welchen keine MR-Daten erfasst wurden; und eine Compressed Sensing Rekonstruktionstechnik (124) anzuwenden, um ein rekonstruiertes Bild aus den erfassten unterabgetasteten MR-Daten und den synthetisierten nicht erfassten MR-Daten zu rekonstruieren.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die erfassten unterabgetasteten MR-Daten in einem gruppierten inkohärenten Muster (150) im k-Raum erfasst werden.
Gerät nach Anspruch 2, wobei das gruppierte inkohärente Muster (150) aus einem kartesischen Abtastmuster besteht.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der Computer ferner dafür programmiert ist, einen mittigen Abschnitt eines k-Raums (105) zu erfassen, der vollständig abgetastet wird.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der Computer ferner dafür programmiert ist, die Parallel Imaging Technik vor und getrennt von der Compressed Sensing Technik anzuwenden.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Parallel Imaging Technik aus einer von Simultaneous Acquisition of Spatial Harmonics (SMASH), Automatic Simultaneous Acquisition of Spatial Harmonics (AUTO-SMASH), Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisition (GRAPPA), Parallel Magnetic Resonance Imaging with Adaptive Radius in k-space (PARS), Autocalibrating Reconstruction for Cartesian Sampling (ARC) und Anti-aliasing Partially Encoded Acquisition Reconstruction (APPEAR) besteht.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Parallel Imaging Technik und die Compressed Sensing Technik unabhängig optimiert sind.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Parallel Imaging Technik eine nicht-iterative Parallel Imaging Technik ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der Computer ferner dafür programmiert ist, die Parallel Imaging Technik gleichzeitig mit der Erfassung von MR-Daten anzuwenden.