CN1977181A - 平行磁共振成像 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对放置在稳定和基本均匀的主磁场内的身体(7)进行磁共振成像的设备(1)。为了提供被设置成自动选择用于三维SENSE的最优子采样方案的MR设备(1)，本发明建议选择该子采样方案以使重叠图像值的最大数量最小化，并且同时使该预定视场内重叠图像值的位置之间的距离最大化。

Description

平行磁共振成像

本发明涉及用于对放置在稳定和基本均匀的主磁场中的身体进行磁共振成像的设备。

并且，本发明涉及用于磁共振成像的方法和用于磁共振成像设备的计算机程序。

在磁共振成像(MRI)中，包括RF和磁场梯度脉冲的脉冲序列被应用到目标(患者)上以生成相位编码的磁共振信号，通过接收天线对其扫描以从该目标获得信息并重建其图像。由于其开始的发展，MRI应用的医疗相关领域的数量得到了巨大增长。MRI可以应用于几乎身体的每一部分，并且可以用于获得关于人体的多个重要功能的信息。该用于MRI扫描期间的脉冲序列完全确定了重建图像的特征，例如目标中的位置和方向、尺寸、分辨率、信噪比、对比度、移动灵敏度等。MRI设备的操作者必须对于各个应用选择适当的序列并且调节和优化其参数。

在已知的平行MRI技术中，应用具有不同空间灵敏度曲线的多个接收天线以减少用于诊断图像的扫描时间。这是通过采集比根据Nyquist定理完全覆盖预定视场所实际需要的更少的一组相位编码磁共振信号而实现的。

在已知的所谓SENSE技术中(例如参见Pruessmann等人的Magnetic Resonance in Medicine，第42卷，第952页，1999)，当使用磁共振设备的多个表面接收线圈时，以子采样的方式采集磁共振信号。相对于在几何空间中的完整预定视场所实际需要的相位编码步骤，在k-空间中的相位编码步骤增加。该子采样产生了减少的视场。根据SENSE技术，对于每个接收线圈，分别从该子采样数据重建图像。由于该子采样，这些中间图像包含重叠或所谓混叠现象。基于该接收线圈的已知空间灵敏度曲线，可以通过矩阵运算将该中间图像的重叠图像值的各种影响分解(展开)为在完整视场内的空间位置上的图像值。以这种方式，使用该接收线圈的空间灵敏度曲线对该采集磁共振信号进行空间编码以显著加速该图像采集过程。当应用已知的SENSE技术来计算完整视场的最终图像时，还将该完整视场相对于减少场的尺寸称为缩减因子或者简单地作为SENSE因子。

上述已知的SENSE技术还可以用于三维成像(所谓3D SENSE)。在这种情况下，在两个相位编码方向上应用子采样，例如该MRI设备的笛卡尔坐标系的y和z方向。因此，有两个独立的缩减因子，通常称为R_y和R_z。在2D和3D SENSE中都存在的一个已知问题是，对于高SENSE因子，在SENSE重建期间必须展开的视场内位置之间的距离变小。由于在接收天线的局部灵敏度之间的相应较小的差别，这就导致了由于不稳定矩阵求逆而导致的非预期的图像伪影(artifact)。在3D SENSE中，重叠位置之间的距离通常大于在2D情况下的距离。但是，出现了一个问题，依赖于该独立缩减因子R_y和R_z的选择，重叠图像值的数量(所谓局部SENSE因子)在预定视场内变化很大。因此，图像质量在整个图像中不恒定。在该重建图像的一些区域中，甚至可以证据不足地说明，该SENSE算法的矩阵求逆运算对局部图像质量有很不利的影响。

因此，很容易认识到，需要一种改进的磁共振成像设备，其能够使用SENSE技术采集和重建高质量三维MR图像。因此，本发明的基本目的是提供一种MR设备，其被设置成自动选择子采样方案以避免高的局部SENSE因子。

根据本发明，公开了一种用于对放置在稳定和基本均匀的主磁场内的身体进行磁共振成像的设备。该设备提供有接收天线，其具有用于从该身体接收相位编码磁共振信号的不同灵敏度曲线。本发明的设备被设置成通过在与预定视场一致的两个相位编码方向上子采样而采集磁共振信号，重建包含重叠图像值的三维图像，以及根据该重叠图像值和接收天线的灵敏度曲线而计算所述视场内空间位置上的图像值。其中，选择子采样方案以使重叠图像值的最大数量最小化，并且同时使该重叠图像值的位置之间的距离最大化。

本发明有利地能够使用3D SENSE生成高质量MR图像，其中自动选择两个相位编码方向上的子采样方案，例如基于由该MR设备的用户所指定的总SENSE因子。本发明是基于这样的理解，当重叠图像值的最大数量(局部SENSE因子)最小化并且同时该重叠图像位置(所谓折叠距离)之间的距离最大化时，最终获得的图像质量是最优的。由于在理论上已知该缩减因子、所得局部SENSE因子和该重叠图像位置之间的距离之间的相互依赖性，所以能够很容易地通过对磁共振成像设备的计算机装置适当编程而自动选择根据本发明的子采样方案。

根据本发明，有利地在两个相位编码方向上选择子采样方案以使其对应于k-空间中的三角格。在3D SENSE中，以相位编码方向在非矩形格中采样k-空间使得能够获得任意的甚至非整数的缩减因子。而且，根据本发明使用该三角格是理想的，因为它固有地将重叠图像位置之间的距离保持为尽可能的大，并且同时将重叠图像值的最大数量保持为尽可能的低。从而实现了在SENSE重建期间的更稳定的矩阵求逆。

所提出的磁共振成像技术提供了选择用于在两个相位编码方向(y和z方向)上的相位编码步骤Δk_y和Δk_z的最优值的不同可能。一般地，这些相位编码步骤遵循以下公式：

${\mathrm{\Δk}}_y=\frac{R_y}{{\mathrm{FOV}}_y}$ 和 ${\mathrm{\Δk}}_z=\frac{R_z}{{\mathrm{FOV}}_z},$

其中FOV_y和FOV_z分别表示该预定视场在两个相位编码方向上的维度，并且其中R_y和R_z表示相应的缩减因子。对于k-空间的三角采样，在3D SENSE中的总SENSE因子可以定义为：

$S=\frac{1}{2}{R}_y{R}_z.$

根据本发明，为了优化对于给定SENSE因子的图像质量，可以根据以下关系选择该缩减因子：

$\frac{1}{\sqrt{3}}\frac{{\mathrm{FOV}}_y}{R_y}\≤\frac{{\mathrm{FOV}}_z}{R_z}\≤\sqrt{3}\frac{{\mathrm{FOR}}_y}{R_y}$

在该关系的两种极端情况下，该重叠图像位置成六角形分布在几何空间中。从而这些位置之间的距离在所有方向上都是恒定的。

对于给定的缩减因子R_y和R_z，再次在三角采样k-空间的情况下，可以通过以下等式计算重叠图像位置的最大数量(最大局部SENSE因子)：

$S_{\max }=\mathrm{ceil}(\frac{1}{2}\·\mathrm{ceil}\left(R_y\right)\·\mathrm{ceil}\left(R_z\right)),$

其中ceil函数得到大于或等于其变量的最低整数。根据本发明选择缩减因子R_y和R_z是可行的，以便可以满足上述关系并且同时S_max获得最小值。

在多数实际情况下，在一个相位编码方向上的视场是一个至少两倍于另一相位编码方向的因子(FOV_y＝2FOV_z)。如果在这种情况下应用三角采样方案，就发现对于预定的总SENSE因子S，根据以下规则来选择缩减因子R_y和R_z是特别有利的：

R_z＝2，R_y＝1..7对1≤S≤7，

R_z＝3，R_y＝4.67..6对7≤S≤9，和

R_z＝4，R_y＝4.5..8对9≤S≤16.

当R_z是整数时，通过增加R_y可以获得重叠图像最大数量的缓慢增长。从而有效防止了高的局部SENSE因子。当R_z以步长1增加时，该重叠距离也增加。这有助于进一步改善图像质量。由于R_z根据上述等式仅能获得三个不同整数值，所以当总SENSE因子连续增加时，有利地仅有两个间断，从而对于本发明的磁共振设备用户来说，重建图像的图像质量是平稳的。这有利地允许用户选择性地调节该总SENSE因子。

本发明不仅涉及一种设备，而且还涉及一种用于对放置在稳定和基本均匀的主磁场内的身体至少一部分进行磁共振成像的方法。该方法包括以下步骤：

通过在与预定视场一致的两个相位编码方向上子采样而采集磁共振信号，

重建包含重叠图像值的三维图像，和

根据该重叠图像值和接收天线的灵敏度曲线而计算所述视场内空间位置上的图像值，

其中，该子采样方案对应于三角格，并且被选择以使重叠图像值的最大数量最小化，并且同时使该视场内重叠图像值的位置之间的距离最大化。

一种适于执行本发明的成像过程的计算机程序可以有利地在任何通用计算机硬件上执行，其目前在医疗使用中用于磁共振扫描器的控制。该计算机程序可以在适当的数据载体上提供，例如CD-ROM或磁盘。可选地，它也可以由用户从互联网服务器上下载得到。

以下附图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，该附图仅被设计用于示例性目的，而不是对于本发明的限定。在图中：

图1示出了根据本发明的磁共振扫描器的一个实施例，

图2示出了根据本发明的三角采样方案，

图3示出了根据本发明选择子采样方案的示意性表示。

在图1中，将根据本发明的磁共振成像设备1显示为框图。该设备1包括一组用于产生稳定和均匀主磁场的主磁线圈2，和三组梯度线圈3、4和5，用于叠加具有可控强度和在选定方向上具有梯度的其他磁场。按照惯例，主磁场的方向标记为z方向，垂直于它的两个方向标记为x和y方向。该梯度线圈通过电源11供电。设备1还包括辐射发射器6，天线或线圈，用于向身体7发射射频(RF)脉冲，该辐射发射器6耦合到调制器8以产生和调制该RF脉冲。还提供有用于接收MR信号的接收天线10a、10b、10c，该接收天线例如可以是具有不同空间灵敏度曲线的分离的表面线圈。该接收的MR信号被输入到解调器9。调制器8、发射器6以及用于梯度线圈3、4和5的电源11由控制系统12控制，以产生根据上述本发明用于SENSE成像的实际成像序列。该控制系统通常是具有存储器和程序控制的微计算机。对于本发明的实际实施，它包括利用如上所述成像过程的描述而编程。解调器9耦合到数据处理单元14，例如计算机，用于根据已知的SENSE重叠算法将接收的磁共振信号转换为图像。该图像可以例如在可视显示单元15上显示可见。

图2示出了k-空间中的三角采样格，根据本发明，它可以有利地使用。向量Δk_y、Δk_z和Δk_h定义了所描述的三角格。Δk_h指向由Δk_y和Δk_z定义的矩形中心。对于由几何空间中的维度FOV_y和FOV_z定义的给定视场，应用以下等式：

${\mathrm{\Δk}}_y=\frac{R_y}{{\mathrm{FOV}}_y}$ 和 ${\mathrm{\Δk}}_z=\frac{R_z}{{\mathrm{FOV}}_z},$

其中R_y和R_z表示在各个方向子采样的缩减因子。

图3的示意图显示了根据本发明对于最优三角采样方案的自动选择。曲线20显示，对于给定总SENSE因子，R_y和R_z的互相依赖性服从等式：

$S=\frac{1}{2}{R}_y{R}_z.$

S可以例如由体现本发明特点的MR设备的用户指定。在由两条虚线21定义的图上区域中，满足以下关系：

$\frac{1}{\sqrt{3}}\frac{{\mathrm{FOV}}_y}{R_y}\≤\frac{{\mathrm{FOV}}_z}{R_z}\≤\sqrt{3}\frac{{\mathrm{FOV}}_y}{R_y}$

在该区域中，重叠图像位置之间的距离最大。取决于曲线20的部分22的缩减因子R_y和R_z的组合被选择为，使得该重叠距离以图像质量的形式最优。图3中所示的网格23示出了具有不同的重叠图像位置最大数量S_max的区域。在实施k-空间三角采样的情况下，可以根据以下等式在不同区域计算该最大局部SENSE因子S_max：

$S_{\max }=\mathrm{ceil}(\frac{1}{2}\·\mathrm{ceil}\left(R_y\right)\·\mathrm{ceil}\left(R_z\right)).$

为了最优的图像质量，自动选择取决于部分22的缩减因子R_y和R_z，以使得S_max获得最小值。

Claims (10)

1.用于对放置在稳定和基本均匀的主磁场内的身体(7)进行磁共振成像的设备，具有用于从该身体(7)接收相位编码磁共振信号的接收天线(10a，10b，10c)，该接收天线(10a，10b，10c)具有灵敏度曲线，其中该设备被设置成：

通过在与预定视场一致的两个相位编码方向(y，z)上进行子采样而采集磁共振信号，

重建包含重叠图像值的三维图像，和

根据该重叠图像值和接收天线(10a，10b，10c)的灵敏度曲线而计算所述视场内空间位置上的图像值，

其中，选择子采样方案从而使重叠图像值的最大数量最小化，并且同时使该重叠图像值的位置之间的距离最大化。

2.如权利要求1所述的设备，其中在该两个相位编码方向(y，z)上的子采样方案对应于三角格。

3.如权利要求2所述的设备，其中根据以下等式使用在该两个相位编码方向(y，z)上的相位编码步骤Δk_y和Δk_z：

$\mathrm{\Δ}{k}_y=\frac{R_y}{\mathrm{FO}{V}_y}$ 和 $\mathrm{\Δ}{k}_z=\frac{R_z}{\mathrm{FO}{V}_z},$

其中FOV_y和FOV_z分别表示在两个相位编码方向上的该预定视场，并且其中R_y和R_z表示大于1的缩减因子。

4.如权利要求3所述的设备，其中根据以下关系选择该缩减因子：

$\frac{1}{\sqrt{3}}\frac{\mathrm{FO}{V}_y}{R_y}\≤\frac{\mathrm{FO}{V}_z}{R_z}\≤\sqrt{3}\frac{\mathrm{FO}{V}_y}{R_y}.$

5.如权利要求3或4所述的设备，其中对于预定的SENSE因子 $S=\frac{1}{2}{R}_y{R}_z,$ 根据以下关系选择该缩减因子R_y和R_z：

R_z＝2，R_y＝1..7对1≤S≤7，

R_z＝3，R_y＝4.67..6对7≤S≤9，和

R_z＝4，R_y＝4.5..8对9≤S≤16.

6.用于对放置在稳定和基本均匀的主磁场内的身体至少一部分进行磁共振成像(MRI)的方法，该方法包括以下步骤：

通过在与预定视场一致的两个相位编码方向(y，z)上进行子采样而采集磁共振信号，

重建包含重叠图像值的三维图像，和

根据该重叠图像值和接收天线的灵敏度曲线而计算所述视场内空间位置上的图像值，

其中，该子采样方案对应于三角格，并且被选择以使重叠图像值的最大数量最小化，并且同时使该重叠图像值的位置之间的距离最大化。

7.如权利要求6所述的方法，其中根据以下等式来规定在该两个相位编码方向(y，z)上的相位编码步骤Δk_y和Δk_z：

${\mathrm{\Δk}}_y=\frac{R_y}{\mathrm{FO}{V}_y}$ 和 ${\mathrm{\Δk}}_z=\frac{R_z}{\mathrm{FO}{V}_z},$

其中FOV_y和FOV_z分别表示在两个相位编码方向上的该预定视场，并且其中R_y和R_z表示大于1的缩减因子，并且其中根据以下关系选择该缩减因子：

$\frac{1}{\sqrt{3}}\frac{\mathrm{FO}{V}_y}{R_y}\≤\frac{\mathrm{FO}{V}_z}{R_z}\≤\sqrt{3}\frac{\mathrm{FO}{V}_y}{R_y},$

8.如权利要求7所述的方法，其中对于预定的SENSE因子 $S=\frac{1}{2}{R}_y{R}_z,$ 根据以下关系选择该缩减因子R_y和R_z：

R_z＝2，R_y＝1..7对1≤S≤7，

R_z＝3，R_y＝4.67..6对7≤S≤9，和

R_z＝4，R_y＝4.5..8对9≤S≤16.

9.用于磁共振成像设备的计算机程序，具有以下指令：

通过在与用户预定视场一致的两个相位编码方向(y，z)上进行子采样而采集磁共振信号，

重建包含重叠图像值的三维图像，和

根据该重叠图像值和接收天线的灵敏度曲线而计算所述视场内空间位置上的图像值，

其中，该子采样方案对应于三角格，并且被选择以使重叠图像值的最大数量最小化，并且同时使该重叠图像值的位置之间的距离最大化。

10.如权利要求9所述的计算机程序，其中根据以下等式来使用在该两个相位编码方向(y，z)上的相位编码步骤Δk_y和Δk_z：

${\mathrm{\Δk}}_y=\frac{R_y}{\mathrm{FO}{V}_y}$ 和 ${\mathrm{\Δk}}_z=\frac{R_z}{\mathrm{FO}{V}_z},$

其中FOV_y和FOV_z分别表示在两个相位编码方向上的该预定视场，并且其中R_y和R_z表示大于1的缩减因子，并且其中根据以下关系选择该缩减因子：

$\frac{1}{\sqrt{3}}\frac{\mathrm{FO}{V}_y}{R_y}\≤\frac{\mathrm{FO}{V}_z}{R_z}\≤\sqrt{3}\frac{\mathrm{FO}{V}_y}{R_y}.$