磁共振成像系统的各个信号通道中的独立运动校正的制作方法

专利名称：磁共振成像系统的各个信号通道中的独立运动校正的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及核磁共振成像方法和系统，更特别地，涉及使用
多通道磁共振(MR)系统采集磁共振成像(MRI )数据的方法，其中该 系统采用了多个独立信号采集通道。
背景技术：
磁共振成像(MRI)是一种广泛使用的医学诊断成像技术。在常规 的MRI扫描器中，患者被放置在强静态磁场中，该磁场使得原子核的 磁矩与平行于或不平行于该场方向的非零自旋量子数成直线。该两个 方位之间的磁矩的Boltzmann分布导致产生沿着该场方向的净磁化强 度(net magnetisation)。可以通过在由该被研究核素(通常是该 身体中存在的氢原子，主要是在水分子中)和所应用场的强度确定的 频率上应用射频(RF)磁场来控制该磁化强度。然后，由来自该RF磁 场的原子核吸收的能量被重新发射，并且在适当调谐的天线中被检测 为振荡电压或自由感应衰减信号，采用图像处理装置来重建图像，该 图像基于引入信号的位置和强度。
当利用这些信号产生图像时，使用了磁场梯度G" Gy和G"典型 地，通过一系列测量周期对成像区域进行扫描，其中这些梯度根据所 使用的特定定位方法而变化。在该扫描期间采集的所得视图系列构成 了核磁共振(NMR)图像数据组，由此可以使用许多公知的重建技术之 一来重建图像。然而，对于每个视图的采集需要一定的时间量，获得 指定视场和空间分辨度的图像所需的视图越多，总的扫描时间就越 长。
在近来的NMR系统中，采用了多个线圈(即多个独立的信号采集 通道)。这些测量是有利的，原因有多个，例如提高了信噪比(SNR)， 通过并行成像方法例如灵敏度编码(SENSE)减少了扫描时间。
然而，患者在MRI采集期间的运动通常会导致图像的劣化，这将 会导致临床相关信息变模糊。运动导致相位误差或k空间中的未对准 线(misaligned line)，这将在所得到的图像中表现为图像伪像，例
如模糊和重像。平移运动导致相位误差，而旋转运动、伸展、压缩或
剪切成像对象导致未对准的k空间线。
已经应用了各种技术以校正通过运动引入到图像中的图像伪像。 然而，虽然常规的方法已经覆盖了包括全仿射运动在内的宽范围的运 动模式(平移、伸展、旋转、剪切)，但是它们很容易固有地受限于 全局运动的校正，该全局运动校正遵循整个身体上的均匀模型。如果 成像体积的各部分是静态的或者是处于不同的运动模式，那么被应用 的运动校正的不匹配将会导致在整个图像中的模糊和重像或拖尾伪 像。
其他已知的用于校正患者运动的技术包括改进信号采集技术，其 涉及附加的扫描甚至附加的设备。例如，美国专利申请公开US 2003/0052676 Al描述了一种MRI系统，其中根据所采集的MR图像数 据确定例如如上所述的并行成像装置中的每个RF线圏的空间灵敏度曲 线，从而避免了该采集的灵敏度曲线和由患者运动引起的采集图像数 据之间的任何不匹配。
本发明的一个目的是提供一种具有多个独立信号采集通道的磁共
运动，而不会显著增加数据采集时间或额外的硬件。本发明的另一个 目的是提供一种对应的磁共振成像方法，用于磁共振成^f象系统中的计 算机实现的图像处理方法，和用于执行这种图像处理方法的计算机程序。

发明内容
根据本发明，提供一种用于生成对象的身体体积(body volume) 的一个或多个图像的磁共振成像系统，该系统包括用于生成静态磁场 的装置，所述对象被放置在该静态磁场中，用于对所述对象施加射频 磁场的装置，用于检测被所述身体体积中的原子核吸收和随后重新发 射(在扫描或MR数据采集过程期间)的射频能量的天线装置，和用于 基于所述检测的射频能量的位置和强度而重建所述身体体积的图像的 图像处理装置，其中该天线装置包括多个调谐天线，用于限定多个单 独的独立信号采集通道以接收表示从所述身体体积的各个不同部分重 新发射的射频能量的图像数据，该系统还包括用于对由每个所述信号
采集通道接收的图像数据执行独立运动校正的装置。
因而，本发明通过对每个信号采集通道执行独立的运动校正允许 对该成像体积上的不均匀运动进行校正。连接到多通道系统的每个单 独线團仅从接近该相应线圏位置的局部区域采集数据。因此，可以通
过单独的、线圈特定的校正来寻址(address)该相应线圈附近的局部 运动。特别地，因此可以把该成像体积上的复杂、非刚性或不均匀运 动模式分解为复杂性减小的独立的局部运动。从而可以处理该成像体 积上的不均匀、非刚性运动而不需要任何额外的硬件，与现有技术的 系统相比，仅有可以忽略的成本增加。
总的来说，与其他方法相比，本发明能够实现更精确的运动校正， 从而获得提高的图像质量和减少的扫描时间，增加了患者处理量。
在一个优选的实施例中，由每个所述独立信号采集通道接收的图 像数据通过相应的模数转换器独立地进行数字化。对由每个所述独立 信号采集通道接收的图像数据进行的独立运动校正可以包括预期(即 在MR数据采集期间)或回溯(即在MR数据采集之后)运动校正。在 第一示范性实施例中，为与特定天线相关的每个单独信号采集通道提
为时间的函数)，其由对象平移dmu确定，该对象平移d则根据下式进 行补偿-.
其中Y表示回磁比，Gr和GpE分别是读出和相位编码梯度，6"和cp是 各个梯度与运动方向之间的夹角。 一般地，对于每个线團，选择不同 的Af和A小进4亍校正。
可以通过对每个相应通道提供单独可调谐的解调硬件模块来实现 该线圏特定的校正，或者可以通过在该图像数据数字化之后应用数字 信号处理技术来实现。此外，还可以附加地对由所有信号采集通道接 收的图像数据执行全局运动校正。
在一个可替换的示范性实施例中，可以通过考虑图像重建过程中 的相位误差和k空间线的未对准，单独对由每个所述独立信号采集通
道所接收的MR数据执行回溯运动校正，例如通过在JDO，Sullivan， "A Fast Sine Function Grodding Algorithm for Fourier Inversion in Computer Tomography", IEEE Trans. Med. Imaging MI-4， 200-207 (1985)中所述的图像重建之前在k空间中重新网格化 (regridding)所述各个MR数据来实现。
根据本发明，还提供一种用于生成对象的身体体积的一个或多个 图像的磁共振成像方法，该方法包括生成静态磁场，所述对象可以被 放置在该静态磁场中，对所述对象施加射频磁场，检测被所述身体体 积中的原子核吸收和随后重新发射(在扫描或MR数据采集过程期间) 的射频能量，基于所述检测的射频能量的位置和强度来重建所述身体 体积的图像，其中所述检测重新发射的射频能量的步骤包括使用多个 调谐天线，该多个调谐天线限定多个单独的独立信号采集通道以接收 表示从所述身体体积的各个不同部分重新发射的射频能量的图像数 据，该方法还包括对由每个所述信号采集通道所接收的图像数据执行 独立运动校正的步骤。
有利地，该方法还包括在所述扫描过程之前测量对象特定的全局 模型和将所述全局运动模型分解为多个局部运动模型的步骤。这些局 部运动模型的特征在于可以相对于该全局模型而减少复杂性。
本发明还涉及一种用于如上所述磁共振成像系统中的计算机实施 的图像处理方法，该方法包括步骤从多个独立信号采集通道中的每 个接收图像数据，对于从每个信号采集通道接收的图像数据执行单独 运动校正，和使用所述图像数据重建所述身体体积的图像。
该运动校正可以是预期的或回溯的。在运动校正是预期的情况下 (即在MR数据采集期间)，该方法有利地包括向每个单独信号采集通 道提供单独的解调频率和相位的步骤。在运动校正是回溯的情况下(即 在MR数据采集之后)，该方法有利地包括在图像重建之前重新网格化 由每个单独信号采集通道接收的图像数据的步骤。
本发明还涉及一种执行用于如上所述磁共振成像系统中的图像处 理方法的计算机程序，包括用于对从每个信号采集通道接收的图像数 据执行单独运动校正和使用所述图像数据重建所述身体体积的图像的 软件代码。
参照这里所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚明白。


现在将参照附图，通过仅仅示例的方式来描述本发明的实施例， 其中
图1是示出了根据本发明的第一示范性实施例的磁共振成像
(MRI)系统的示意性框图，其中在扫描期间利用单独的解调频率和相 位进行预期平移运动校正；和
图2是示出了根据本发明的第二示范性实施例的磁共振成像
(MRI)系统的示意性框图，其中通过回溯的完全仿射校正进行线圏特 定的运动校正。
具体实施例方式
为了清楚起见，首先介绍与本发明相关的本领域的当前状况。在 磁共振(MR)成像中，运动是一种主要的图像伪像源。已经使用了各 种已知的方案来处理在MR检查期间可能发生的不同类型的运动(呼 吸，心脏运动)。使用触发或门控采集，通过将数据采集限制为具有 等同运动状态的短时帧来"冻结"运动，例如在心脏舒张期末期的心 脏休息期，或者在呼气末期的稳定位置。这种方案的一个特别的缺点 是显著增加了扫描时间，因为扫描效率降低了或者每个时间单元采集 的MR数据量减少了。例如，在心脏成像时，使用不到10%的心脏循环 (心脏休息期的末期)进行数据采集。此外，由于呼吸门控 (respiratory gating)导致丟弃了该采集数据的(大约)50%，导 致整体扫描效率小于5%。因此，扫描时间被增加到几分钟的数量级， 这在临床实践中是患者不能忍受的。
作为保持短扫描时间的一种更先进方案，可以应用刚性或仿射运 动校正。这种技术需要将该成像体积调整到瞬时运动状态，例如对于 呼吸运动的切片跟踪。与纯粹的触发或门控相比，这种方案提供了改 进的扫描效率。然而，这种技术目前局限于校正在整个成像区域上均 勻的刚性或仿射运动("全局运动")。如果该成像体积的各部分是 静止的或者经历不同的运动模式，那么假定的运动模型和实际运动之 间的不匹配就会导致在重建图像上出现的模糊和重像或拖尾伪像。这
是心脏MR成像中的普遍干扰，其中呼吸导致的心脏运动被补偿，但是 身体的其他静止或者经历不同运动的区域(例如前胸腔壁)会由于局 部的不正确运动补偿而引入模糊。然而，随着用于信号接收的多通道 系统和多线圈阵列的发展，为每个线圈分配局部成像区域变得可能。 因而，在某种程度上，可以对每个线圈采集的数据单独进行运动校正。 这使得能够在整个成像体积上处理复杂或不均匀的运动，该运动被细 分为关于每个线圈的成像区域的简化的运动模型。这种方案可以用于 处理全局非刚性运动，常规的运动校正技术不能处理这种运动，除非 采用昂贵的更高级的梯度系统。
根据本领域的当前状况，已知有三个与运动校正相关的基本方
案
(1)触发或门控采集。这种顺向运动补偿方法通过将数据采集限 制为具有等同运动状态的短时帧，例如在心脏舒张期末期的心脏休息 期，或者在呼气末期的稳定位置，从而"冻结"运动。这种方案通常 用于处理固有心脏运动。由于其较低的扫描效率，扫描时间一般被大
幅增加。
(2 )预期运动校正(在MR数据采集期间)。在这种方案中，数 据采集被实时修改以使成像适应于瞬时运动状态。例如，这种技术用 于心脏MRI以处理呼吸运动，即随着由呼吸导致的心脏运动而在脚-头方向上移动成像滑板。先进的方案包括处理旋转、伸展和剪切运动 的仿射校正。然而，所有这些方案都局限于全局运动的校正，即整个 成像区域遵循相同的运动模式。
(3)回溯运动校正(在MR数据采集之后)
(a) 在k空间中在这种(非实时)方案中，在采样之后、但在 图像重建之前对采集的k空间数据进行运动校正。最近的方案还利用 了包含在多线圈数据中的附加信息以估计和校正运动。然而，这里也 存在如在(2)中所述的全局运动校正的限制。
(b) 在图像空间中在这种方案中，在图像重建之后校正运动。 这种方案不局限于全局运动或特定的运动模型。然而，这种技术需要 采集对象的完整时间序列，这可能会需要大量的过采样。
然而，这两种回溯技术的一个特定优点在于，仅能回溯地校正发 生在成像体积中的运动。如果对象或其部分由于运动而离开了成像体积，那么就不可能进行任何回溯校正。
根据本发明，提出了对于在多通道磁共振(MR)系统上采集的数 据进行线圏特定的运动校正，所提出的这种方案的主要目的是用于处 理非刚性运动或在整个成像体积上不均匀的运动。因此，提出对于多 通道磁共振(MR)系统的每个线圏元件采集的数据执行单独的运动校 正。原则上，可以应用至少两个方案来实现本发明的目的。
参照附图1， 一个典型的多通道磁共振成像(MRI)系统包括一个 圆柱形的大磁体IO，其中躺着患者12。在该圆柱磁体10内提供多个 RF线團14以接收在该MRI扫描期间产生的NMR信号。在该成像体积 前方放置两个线圈元件14a、 b，并且在它们后方放置两个线團元件 14c、 d。在该成^f象体积的侧方提供第三对线圏元件14e、 f。线團14a、 b、 c、 d、 e和f 一起形成了局部线圈阵列，并且本领域普通技术人员 可以认识到，本发明并不局限于任何特定的局部线圏阵列，许多可替 换的局部线圈都是商业可获得的并且适于实现这一目的。
由线圏元件14a、 b、 c、 d、 e、 f拾取的NMR信号被收发器模块16 数字化并且传输到图像重建模块18。当该图像扫描完成时，所得到的 6个k空间数据集被处理以重建该身体体积的图像。该重建往往是二维 或三维的复杂傅里叶变换，其产生由每个局部线圏元件采集的每个切 片的复杂像素强度值阵列，如本领域普通技术人员所公知的。
收发器模块16包括一组模数转换器20，每个对应于一个相应的线 圏元件14a、 b、 c、 d、 e、 f，每个模数转换器20从一个相应的线圏 元件接收输入信号。在本发明的第一个示范性实施例中，在数据采集 期间，为每个硬件接收通道(由各个线團元件定义)提供一个单独的 解调频率Af和相位A())，如附图1中的模块22所示。这可以以每个接 收通道的分离解调硬件的形式实现(如图1所示)，或者可以基于在 该采集数据的模数转换之后的数字信号处理(如以下将要参照图2更 详细描述的)。
还是参照附图1，提供单独可调谐的解调频率和相位模块22使得 能够单独改变所采集的回波以处理在扫描期间沿着读出和相位编码方 向的运动，并且有助于校正平面内平移运动(2D扫描)，或者在执行 3D扫描时校正全部三个空间维度内的平移。这种运动校正的类型被称 为预期校正(在MR数据采集期间)，例如通过采用预定义的运动模型
而实现，并且将是本领域普通技术人员所熟知的。而且，这种线圈特
用，例如BACCHUS (使用患者特定的运动模型对高分辨率心脏成像进 行呼吸伪像校正)，这是一种利用患者特定的呼吸模型以及多个空间 和时间导航仪(navigator )进行先进的预期呼吸运动校正的相对较新 的技术，从而该导航仪控制该仿射运动模型。更特别地，使用例如 BACCHUS技术能够全局地校正在整个成像区域上的均匀刚体运动(旋 转，平移缩放，剪切)，同时对于每个线圈元件单独校正不匹配该全 局运动模型的残余局部平移运动。
因此，综上所述，在本发明的第一个示范性实施例中，可以在图 像采集之前在预扫描中测量患者特定的运动模型，在呼吸运动的情况 下，与横隔膜的各个位置相关(例如BACCHUS方案)。以这种方式， 预定的全局运动模型可以分解为多个局部运动模型，其特点是可以减 少复杂性。为了对每个单独线圏元件附近的区域进行单独的预期运动 校正，可以为该MR系统的每个接收通道提供一个单独可调谐的解调频 率和相位，例如通过为每个通道提供一个单独的混频器来实现。对于 基于软件的实施方式，可以在模数转换之后调制该采集的k空间数据。 此外，同样地可以在采集MR数据之后回溯地执行该校正。
在本发明的一个可替换示范性实施例中，在MR数据采集之后，对 于该MR系统的每个接收通道可以应用回溯校正。在这种情况下，可以 例如通过在重建之前重新网格化k空间中的数据(参见重新网格化模 块24)，从而对每个线圏元件14a、 b、 c、 d、 e、 f单独执行对于更 复杂模型的校正，例如扫描数据的平移、旋转伸展和剪切，如图2所 示。对于回溯运动校正，不需要额外的硬件。 一个可能的实施例可以 通过回溯、自导航的运动校正来应用3D径向全心脏协议，如Stehning C， Nehrke K， Bornert P, Eggers H， Stuber M在，，Free-breathing whole—heart MRI with 3D-radial SSFP and self—navigated image reconstruction", 8lh annual scientific meeting SCMR, San Francisco, 2005中所述。由呼吸导致的大量心脏运动是从在每个心 脏循环中采集的第一回波进行ID傅里叶变换提取的，在下文中称为"导 航轮廓"(navigator profile)。它是在患者的头-脚方向上采集 的，其中使用质量中心方案从该轮廓中提取呼吸运动，如在上述引用文献中所述的，以及使用傅里叶变换原理对在每个对应心脏循环中采 集的数据进行运动校正。关于这种方案，对每个线圏所采集的数据执 行单独校正是相对简单直接的。在图像重建期间可以应用快速重建硬 件和算法以处理增加的计算工作。
不论使用何种技术进行运动校正，都需要对每个线圈元件的各个
运动参数进行分类。为此，可能的技术包括
1) 在预扫描中对运动进行患者特定的登记(基于模型的校正)， 从而可以在每个单独线團区域的实际图像采集之前在预扫描中登记运 动(例如使用上述BACCHUS技术)；和
2) 直接从采集的MR数据中检测运动(基于图像数据的校正)， 从而，如果应用回溯校正方法，那么可以从图1象重建所4吏用的回波中 直接提取运动(参见上述Stehning等人的参考文献)，并且不需要额 外的预扫描。
因而，本发明的一个目的是协助对在整个成像区域上不均匀的运 动进行校正(预期的或回溯的)。这就使得能够处理目前不能补偿的 非刚性、不均匀类型的运动，并且能够减少使用已知方法进行不准确 运动校正所导致的伪像。这就潜在地改善了不同类型MR采集的图像质 量和扫描效率。减少了扫描时间，增加了患者处理量。本发明可以适 用于任何和所有类型的需要运动校正的MR采集。
应当注意，上述实施例仅仅是例示而并非限制本发明，本领域技 术人员将能够设计许多替代实施例而不脱离由所附权利要求限定的本 发明的范围。在权利要求中，括号中的任何参考标记不应被解释为对 权利要求的限定。从整体上说，单词"包括，，等不排除存在除任何权 利要求或说明书中所列举的那些之外的元件或步骤。 一个元件的单独 引用不排除存在多个这种元件，反之亦然。本发明可以通过包括多个 不同元件的硬件实现，也可以通过适当编程的计算机实现。在一个列 举了多个装置的设备中，这多个装置可以通过同一个硬件项来实现。 在互相不同的从属权利要求中引用特定措施的事实不表示不能使用这 些措施的组合进行优化。
权利要求
1.一种用于生成对象(12)的身体体积的一个或多个图像的磁共振成像系统，该系统包括用于生成静态磁场的装置(10)，所述对象(12)被放置在该静态磁场中，用于对所述对象(12)施加射频磁场的装置，用于检测被所述身体体积中的原子核吸收和随后重新发射的射频能量的天线装置(14a，14b，14c，14d，14e，14f)，和用于基于所述检测的射频能量的位置和强度而重建所述身体体积的图像的图像处理装置(18)，其中该天线装置包括多个调谐天线(14a，14b，14c，14d，14e，14f)，用于限定多个相应的独立信号采集通道以接收表示从所述身体体积的各个不同部分重新发射的射频能量的图像数据，该系统还包括用于对由每个所述信号采集通道接收的图像数据执行独立运动校正的装置(22，24)。
2. 如权利要求l所述的系统，其中对每个所述独立信号采集通道 所接收的图像数据执行的所述独立运动校正包括预期运动校正。
3. 如权利要求l所述的系统，其中与特定天线U4a， b， c， d， e, f )相关的每个独立信号采集通道被提供相应的各个解调频率和相位作 为局部运动状态的函数。
4. 如权利要求3所述的系统，对于每个相应的通道包括单独的可 调谐解调模块(22)。
5. 如权利要求3所述的系统，其中通过在数字化该图像数据之后 应用数字信号处理技术来为每个独立信号采集通道提供单独的解调频 率和相位。
6. 如权利要求l所述的系统，其中还附加地对由所有信号采集通 道所接收的图像数据执行全局运动校正。
7. 如权利要求l所述的系统，其中对由每个所述独立信号采集通 道所接收的图像数据执行的所述独立运动校正包括回溯运动校正。
8. 如权利要求7所述的系统，其中通过在图像重建之前在k空间 中重新网格化所述相应的图像数据，对由每个所述独立信号采集通道 所接收的图像数据单独执行所述回溯运动校正。
9. 一种用于生成对象(12)的身体体积的一个或多个图像的磁共 振成像方法，该方法包括生成静态磁场，所述对象(12 )可以被放置 在该静态磁场中，对所述对象施加射频磁场，检测在扫描过程期间被所述身体体积中的原子核吸收和随后重新发射的射频能量，基于所述 检测的射频能量的位置和强度来重建所述身体体积的图像，其中所述检测重新发射的射频能量的步骤包括使用多个调谐天线(14a， 14b， 14c， 14d， 14e， 14f )，该多个调谐天线限定多个相应的独立信号采 集通道以接收表示从所述身体体积的各个不同部分重新发射的射频能 量的图像数据，该方法还包括对由每个所述信号采集通道所接收的图 像数据执行独立运动校正的步骤。
10. 如权利要求9所述的方法，还包括在所述扫描过程之前测量 对象特定的全局模型和将所述全局运动模型分解成多个局部运动模型 的步骤。
11. 一种用于如权利要求1所述的磁共振成像系统中的计算机实 施的图像处理方法，该方法包括步骤从多个独立信号采集通道中的 每个接收图像数据，对于从每个信号采集通道接收的图像数据执行单 独运动校正，和使用所述图像数据重建所述身体体积的图像。
12. —种执行用于如权利要求l所述的磁共振成像系统中的图像处 理方法的计算机程序，包括用于关于使用所述图像数据重建所述身体 体积的图像执行单独运动校正的软件代码。
全文摘要
一种磁共振成像(MRI)系统，其中提供由空间分离的线圈元件(14a，14b，14c，14d，14e，14f)形成的多个独立信号采集通道。在图像重建之前对由每个通道接收的信号单独进行运动校正，从而可以局部地校正在成像体积上的不均匀非仿射运动。运动校正可以是预期的或回溯的。
文档编号G01R33/567GK101171527SQ200680015207
公开日2008年4月30日 申请日期2006年4月26日 优先权日2005年5月2日
发明者C·斯特宁, K·内尔克, P·伯尔纳特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司