专利名称：用于对扩散加权回波平面成像中高阶涡流引起的失真进行预期校正的系统和方法
技术领域：
本发明的实施例一般涉及磁共振(MR)成像，以及更具体来说，涉及校正扩散加权回波平面成像中的高阶涡流引起的失真。
背景技术：
当如人体组织的物质受到均匀磁场(极化场Btl)吋，该组织中的自旋的単独磁矩尝试与此极化场对齐，但是按它们的特征拉莫尔频率以随机次序绕着它旋进。如果该物质或组织受到位于x_y平面中且接近拉莫尔频率的磁场(激发场B1)，则可以使对齐的净磁矩或“纵向磁化”Mz旋转或“傾斜”到x_y平面中以生成净横向磁矩Mt。在激发信号B1終止之后，激发的自旋发射ー个信号，并且可接收及处理此信号以形成图像。当利用这些信号来生成图像时，采用磁场梯度(Gx、Gy和Gz)。通常，通过测量周期的序列扫描要成像的区域，在測量周期的序列中，这些梯度会根据使用的具体局部化方法有所改变。将最终接收的NMR信号集合数字化并处理以使用多种公知的重构技术之一来重构图像。众所周知，扩散加权回波平面成像(DW-EPI)常常遭受扩散梯度生成的涡流场所导致的扩散编码方向(diffusion encoding direction)有关的失真。这些失真如果不校正的话，可能导致不同方向的DW图像之间的错误配准以及包括DW图像组合的任何后期处理操作中的不精确。已提出双自旋回波(也称为二次再聚焦)DW-EPI来提供某种程度的固有涡流消除，但是随之造成回波时间的显著增加以及信噪比(SNR)的显著下降。例如，对于3T肝脏成像,典型的双自旋回波协议可生成对应的单自旋回波(也称为Stejkal-Tanner序列)协议约一半的SNR。在许多情况(例如，全身DW-EPI)中，由于扫描时间上的关联增加，増加NEX不作为用于増加SNR的选择。因此，期望保持单自旋回波，同时减少实践中造成的失真。常规失真校正方法着重于或者通过预先加强、或者通过显性地修改梯度波形和接收频率来仅校正线性和恒定涡流(也称为Btl涡流)。但是，由于梯度线圈泄漏场或仅高阶涡流(HOEC)导致的、空间高阶的未补偿涡流也可能会因増加b值的期望以及现代MR扫描仪中梯度振幅和转换速度的增加而很大。因为空间高阶的原因，这些涡流产生的磁场所生成的失真不仅是扩散梯度方向有关的，而且是切片有关的。因此，期望有一种系统和方法，其能够校正因DW-EPI中的HOEC所导致的失真。发明内容
根据本发明的ー个方面，ー种MRI设备，包括磁共振成像(MRI)系统，该磁共振成像(MRI)系统具有围绕着磁体的孔布置的多个梯度线圈，以及由脉冲模块控制以向RF线圈组合件传送RF信号从而获取MR图像的RF收发器系统和RF开关。该MRI设备还包括计算机，该计算机编程为从校准扫描获取校准数据，该校准数据配置成表征成像系统的高阶涡流生成的磁场误差。该计算机还编程为处理校准数据以生成多个基系数和多个时间常数，并且基于多个基系数、多个时间常数和给定脉冲序列中的梯度波形来计算多个基校正系数。该计算机进ー步编程为执行扩散加权成像扫描，该扩散加权成像扫描包括施加DW-EPI脉冲序列以从成像的受检者获取MR数据和基于获取的MR数据的图像重构。该计算机还编程为在施加DW-EPI脉冲序列期间施加高阶涡流生成的磁场误差校正，该高阶涡流生成的磁场误差校正配置成減少重构的图像中的高阶涡流引起的失真。根据本发明的另一方面，一种用于校正扩散加权回波平面成像(DW-EPI)中高阶涡流引起的失真的方法，包括从校准扫描获取校准数据，该校准数据配置成表征成像系统的高阶涡流；处理该校准数据以生成多个基系数和多个时间常数；以及基于多个基系数和基于多个时间常数来计算多个基校正系数。该方法还包括施加DW-EPI脉冲序列以从成像的受检者获取MR数据，在施加DW-EPI脉冲序列期间施加高阶涡流生成的磁场误差校正，以 减少获取的MR数据中的高阶涡流引起的失真，并基于获取的MR数据来重构图像。根据本发明的又一方面，一种其上存储有包括指令组的计算机程序的非临时性计算机可读介质，该指令组在被计算机执行时，促使计算机从校准扫描获取校准数据以及处理校准数据，该校准数据配置成表征成像系统的高阶涡流生成的磁场误差。该指令组还促使计算机基于处理的校准数据生成多个基系数和多个时间常数，并且基于多个基系数、多个时间常数和DW-EPI脉冲序列中的梯度波形来计算多个基校正系数。该指令组还促使计算机施加DW-EPI脉冲序列以从成像的受检者获取MR数据，在施加DW-EPI脉冲序列期间施加高阶涡流生成的磁场误差校正，并基于所获取的MR数据来重构图像。通过下文的详细描述和附图，将使多种其他特征和优点显而易见。
这些附示目前设想用于执行本发明实施例的实施例。在附图中图I是结合本发明的实施例使用的MR成像系统的示意框图。图2是示出单自旋回波扩散加权EPI扫描的理想梯度和RF波形的脉冲序列示意图。图3是示出根据本发明的实施例的HOEC校正技术的流程图。图4是示出根据本发明的实施例的，可在图3的HOEC校正技术中使用的HOEC校准数据处理算法的流程图。图5是示出根据本发明的实施例的，可在图3的HOEC校正技术中使用的另ー个HOEC数据处理算法的流程图。图6是示出根据本发明的实施例的，用于计算可在图3的HOEC校正技术中使用的HOEC项的算法的流程图。图7是示出根据本发明的实施例的，用于预期地补偿可在图3的HOEC校正技术中使用的HOEC项的算法的流程图。
具体实施例方式现在參考图I,其中示出并入本发明的实施例的磁共振成像(MRI)系统10的主要组件。从操作员控制台12控制系统的操作以实现某些功能，在本示例中，操作员控制台12包括键盘或其他输入装置13、控制面板14和显示屏16。控制台12经链路18与単独的计算机系统20通信，単独的计算机系统20使得操作员 能够控制图像的生成以及图像在显示屏16上的显示。计算机系统20包括多个模块，这些模块经背板20a彼此通信。这些模块包括图像处理器模块22、CPU模块24和存储器模块26，存储器模块26在本领域中称为帧缓冲器，用于存储图像数据阵列。计算机系统20经高速串行链路34与単独的系统控制32通信。输入装置13可以包括鼠标、操纵杆、键盘、跟踪球、触摸屏、光棒(light wand)、语音控制、读卡器、按钮或任何类似或等效输入装置，并且可以用于交互式几何形状指定。计算机控制32包括通过背板32a连接在一起的ー组模块。这些模块包括CPU模块36和经串行链路40连接到操作员控制台12的脉冲发生器模块38。经链路40，系统控制32从操作员接收指示要执行的扫描序列的命令。脉冲发生器模块38操作系统组件以执行期望的扫描序列，并产生数据以指示产生的RF脉冲的定时、強度和形状，以及数据获取窗ロ的定时和长度。脉冲发生器模块38连接到一组梯度放大器42，以指示扫描期间产生的梯度脉冲的定时和形状。脉冲发生器模块38还可以从生理获取控制器44接收患者数据，生理获取控制器44从连接到患者的多个不同传感器接收信号，例如从附着于患者的电极接收ECG信号。以及最后，脉冲发生器模块38连接到扫描室接ロ电路46，扫描室接ロ电路46从多种传感器接收与患者的状况和磁体系统关联的信号。还是经扫描室接ロ电路46，患者定位系统48接收将患者移到期望的扫描位置的命令。将脉冲发生器模块38生成的梯度波形施加到梯度放大器系统42，梯度放大器系统42具有Gx、Gy和Gz放大器。姆个梯度放大器激发一般表不为50的梯度线圈组合件中对应的物理梯度线圈以产生用于在空间上将所获得的信号编码的磁场梯度。梯度线圈组合件50形成共振组合件52的一部分，共振组合件52包括极化磁体54和整体RF线圈56。系统控制32中的收发器模块58产生脉冲，这些脉冲由RF放大器60放大并通过传送/接收开关62耦合到RF线圈56。由患者体中激发的核子发射的最終信号可以被相同RF线圈56感测到，并经传送/接收开关62耦合到预放大器64。在收发器58的接收器部分中将放大的MR信号解调、滤波并数字化。传送/接收开关62由来自脉冲发生器模块38的信号控制以在传送模式期间将RF放大器60电连接到线圈56，以及在接收模式期间将预放大器64连接到线圈56。传送/接收开关62还可使単独的RF线圈(例如，表面线圈)能够在传送模式或接收模式中使用。由收发器模块58将RF线圈56拾取的MR信号数字化，并将其传递到系统控制32中的存储器模块66。当存储器模块66中已获取k空间的原始数据的阵列时，扫描完成。将此k空间原始数据重组成要重构的每个图像的単独k空间数据阵列，并将这些数据阵列的每ー个输入到阵列处理器68，阵列处理器68操作以将该数据傅立叶变换成图像数据的阵列。经串行链路34将此图像数据载送到计算机系统20，在计算机系统20中该图像数据被存储在存储器中。响应从操作员控制台12接收的或其他方式由系统软件指定的命令，可以将此图像数据归档在长期存储装置中或可以由图像处理器22将其进一步处理并载送到操作员控制台12并在显示器16上呈示。本发明的实施例校正扩散加权回波平面成像(DW-EPI)中高阶涡流(HOEC)引起的扩散梯度方向有关的失真。正如本文所使用的，“高阶”是指与分别指I阶和0阶的线性阶和常数阶相比，高于或等于2的空间阶次。但是，本发明的实施例还可以施加于线性阶和常数阶。HOEC所导致的失真会強烈地影响所获取的数据，尤其是使用大FOV且期望大切片覆盖的人体应用。正如本文论述的，可以使用系统校准来表征小于或等于P的空间阶次的涡流，其中P常常是3至5，但是一般可以是任何阶次。可以放出(play)带有用于读数、相位编码和切片轴中的梯度的校正振幅和基于每个切片的接收器频率的DW-EPI脉冲序列，以便预期地移除准线性HOEC项的影响。參考图2，示出DW-EPI脉冲序列70，其包括90。RF脉冲72和180° RF脉冲74。可以通过RF线圈56来传送RF脉冲72、74以生成回波信号76，回波信号76可以与空间信息一起编码。回波信号76还可以被线圈56或另ー个线圈，如表面线圈接收，以在重构图像 中使用。为了根据回波平面成像对回波信号76进行空间编码，图2所示的序列还分别包括读数、相位编码和切片选择梯度Gro、Gpe和Gsl。读数梯度Gm包括预先定相脉冲78和读数脉冲80。相似地，相位编码梯度Gpe包括预先定相脉冲82和相位编码脉冲84。切片选择梯度Gsl包括用于90° RF脉冲72的切片选择脉冲86和用于180° RF脉冲74的切片选择脉冲88以及用于切片再聚焦的86a。仍參考图2，示出在扩散加权EPI扫描中使用的扩散加权梯度Gd。扩散加权梯度Gd包括设在180° RF脉冲74的各一侧的两个相等梯形脉冲90和92。注意，一般Gd可以包含所有三个逻辑轴上的分量。下文中，将读数轴、相位编码轴和切片轴(即，逻辑轴)分别表示为U、V和W，以及将Gd在U、V和w轴上的分量分别表示为Gu、Gv和Gw。将物理轴表不为X、y和z。图3示出根据本发明的实施例的HOEC校正技术94。技术94开始于框96，执行HOEC校准以表征具体成像系统(例如，图I的MRI系统10)的涡流生成的磁场误差。该校准可以是基于体模(phantom)或基于局部拾取线圈。在基于体模的方法中，在涡流生成梯度之后，常常在多个时间点处收集梯度回波图像。在基于局部拾取线圈的方法中，使用多个局部线圈，每个局部线圈具有小样本，以用来获得其相应空间位置处的自由感应衰减信号。要使用局部拾取线圈方法来进行HOEC測量，常常需要多次数据获取，其中每次获取将线圈固定装置重新定位，以便获得足够的数据以用于HOEC表征。HOEC校准可以按需频繁地执行，但是一般只需在每次系统安装或有重大系统硬件(例如，梯度线圏)改动时做一次。在HOEC校准扫描之后生成4维(空间上的3D和时间上的1D)涡流场数据集合。在框98处，首先预先处理来自框96的HOEC校准的数据，然后将其与数学模型拟合以根据框96中使用哪种前述校准方法的算法来表征底层H0EC。图4和图5图示根据本发明的实施例可以在图3的HOEC校正技术94的框98中使用的HOEC数据处理算法116、118。參考图4，当使用上述基于体模的方法来执行技术94的框96的HOEC校准吋，使用HOEC数据处理算法116。在框120处获取来自HOEC校准扫描的数据。在框122处，将3D相位展开施加于该数据的相位角，并在框124处，按与回波时间成比例的系数换算该相位角以得到磁场数据集合。然后在框126处，将每个时间点的磁场数据集合在空间上拟合到最高P阶的多项式基或球谐，以生成基系数，其中P常常是3至5，但是一般可以是任何阶次。注意，在空间拟合期间可以可选地使用量值权重或掩模。然后在框128处，使用单指数模型或多指数模型，将得到的基系数沿着时间轴进行时间拟合。HOEC数据处理的最終結果是ー组(am，xj对，其中a ■是基系数以及Tmn是第n个空间基函数Bn(X, Y，z)的时间常数，n = 1,2,.. .，N,其中扩散供体轴m,其中m是x、y或z轴(为了表示的简明，假定为单指数)。为了便于论述，假定Bn(x，y，z)是多项式基。注意，这是不失任何一般性的，因为球谐基是多项式基的线性组合，并且能够容易地被转换成多项式。还要注意，基的总数N= (P+l)(P+2)(P+3)/6。在框130处，将(Cimn, xj对保存或存储在扫描仪的主机计算机上，以供将来使用。參考图5，当使用上述基于局部拾取线圈的方法来执行技术94的框96的HOEC校准时，使用HOEC数据处理算法118。在框132处获取来自HOEC校准扫描的数据。在框134 处，对数据的相位角求时间导数，以获得线圈位置处的磁场偏移量。然后在框136处，将每个时间点的磁场偏移量在空间上拟合到最高P阶的多项式基或球谐基，以生成基系数，其中P常常是3至5，但是一般可以是任何阶次。正如上文提到的，在空间拟合期间可以可选地使用量值权重或掩模。与上文结合HOEC数据处理算法116结合所描述的相似，然后在框138处，将得到的基系数沿着时间轴138进行时间拟合，并生成一组(am，xj对。在框140处，将(a-xj对保存或存储在扫描仪的主机计算机上，以供将来使用。与技术94的框96的HOEC校准扫描相似，只需每次系统安装进行一次HOEC数据处理算法116和118中执行的HOEC数据处理。但是，算法116和118可以按需频繁地执行。返回參考图3，在框100处，计算DW-EPI协议有关的HOEC项。注意框100可以处理任意的成像平面。正如本文所使用的，任意成像平面是指直轴向(straight axial)扫描平面、冠状扫描平面或矢状扫描平面，以及任何倾斜平面。如图6所示，其中示出用于计算图3的框100的HOEC项的算法142。在框144处，获得要使用的DW-EPI脉冲序列的扩散梯度分量Gu、Gv、Gw。在框145处，施加3X3轴旋转矩阵R将逻辑Gu、Gv、Gw转换成物理分量Gx > Gy、Gz
丨 Gu.Gy = R Gw
Wi-其中
r Il Ti2 13-R = : T:2i T22 ^23
す 32 巧3 j注意，R是酉矩阵(即，IT1 = Rt)。在框146处，获得通过框98从技术94的框图96的HOEC校准扫描确定的(a mn,Tj对，并在框148处，计算脉冲序列类型和序列定时相关联的常数emn。P■的求导可以是分析方式的或使用卷积。虽然可以包括所有梯度波形来获得^nm，但是来自扩散梯度的贡献常常是主导性的，这样允许以简化的分析来获得0mn。例如，当使用单自旋回波DW-EPI (例如，如图2所示)时，可以推导为
权利要求
1.一种MRI设备,包括 磁共振成像(MRI)系统，其具有围绕着磁体的孔布置的多个梯度线圈，以及由脉冲模块控制以向RF线圈组合件传送RF信号从而获取MR图像的RF收发器系统和RF开关；以及计算机，其编程为 从校准扫描获取校准数据，所述校准数据配置成表征成像系统的高阶涡流生成的磁场误差; 处理所述校准数据以生成多个基系数和多个时间常数； 基于所述多个基系数、所述多个时间常数和给定脉冲序列中的梯度波形来计算多个基校正系数； 执行扩散加权成像扫描，其包括 施加DW-EPI脉冲序列以从成像的受检者获取MR数据；以及 基于所获取的MR数据重构图像；以及 在施加所述DW-EPI脉冲序列期间施加高阶涡流生成的磁场误差校正，所述DW-EPI脉冲序列配置成减少所重构的图像中的高阶涡流引起的失真。
2.根据权利要求I所述的MRI设备，其中，所述计算机还编程为 识别具有从wp、uwp, vwp组成的组中选择的形式的基函数，其中p大于或等于O ; 基于所识别的基函数确定有效梯度和Btl偏移量的其中之一；以及在施加所述DW-EPI脉冲序列期间，基于所述有效梯度和所述Btl偏移量中所确定的其中之ー调整所述DW-EPI脉冲序列的脉冲序列単元。
3.根据权利要求2所述的MRI设备，其中，所述计算机在配置成确定有效梯度和Btl偏移量的其中之ー时，配置成将有效梯度和Btl的所述其中之ー乘以w = Wtl处切片的VV0P。
4.根据权利要求2所述的MRI设备，其中，所述计算机在配置成调整所述DW-EPI脉冲序列的所述脉冲序列单元时，配置成基于每个切片来调整接收器频率、读数梯度、相位编码梯度和切片梯度的其中之一。
5.根据权利要求I所述的MRI设备，其中，所述计算机还编程为 识别具有从Wp、uwp、VWp组成的组中选择的形式的基函数，其中p大于或等于0 ; 基于所识别的基函数确定有效梯度和Btl偏移量的其中之一；以及 将所述DW-EPI脉冲序列提供到放大器输入； 基于所述有效梯度和所述Btl偏移量中所确定的其中之一来修改所述放大器输入。
6.根据权利要求I所述的MRI设备，其中，所述计算机编程为对任意成像平面施加所述高阶涡流生成的磁场误差校正。
7.根据权利要求I所述的MRI设备，其中，所述计算机在编程为处理所述校准数据时，编程为 对所述校准数据的相位角施加3D相位展开； 換算所展开的校准数据以生成磁场数据集合； 将所述磁场数据集合空间拟合到谐波基以生成基系数；以及 使用单指数模型和多指数模型之一，将所述基系数沿着时间轴进行时间拟合。
8.根据权利要求I所述的MRI设备，其中，所述计算机在编程为处理所述校准数据时，编程为 对所述校准数据的相位角求时间导数，以获得线圈位置处的磁场偏移量； 将每个时间点的所述磁场偏移量空间拟合到谐波基以生成基系数；以及 使用单指数模型和多指数模型之一，将所述基系数沿着时间轴进行时间拟合。
9.根据权利要求I所述的MRI设备，其中，所述计算机在编程为计算所述多个基校正系数时，编程为基于如下公式计算所述多个基校正系数
10.根据权利要求I所述的MRI设备，其中，所述计算机还编程为将所重构的图像显示给用户。
11.一种用于校正扩散加权回波平面成像(DW-EPI)中高阶涡流引起的失真的方法，包括 从校准扫描获取校准数据，所述校准数据配置成表征成像系统的高阶涡流； 处理所述校准数据以生成多个基系数和多个时间常数； 基于所述多个基系数和基于所述多个时间常数来计算多个基校正系数；以及 施加DW-EPI脉冲序列以从成像的受检者获取MR数据； 在施加所述DW-EPI脉冲序列期间施加高阶涡流生成的磁场误差校正，以减少所获取的MR数据中的高阶涡流引起的失真；以及基于所述获取的MR数据来重构图像。
12.如权利要求11所述的方法，还包括对任意成像平面施加所述高阶涡流生成的磁场误差校正。
13.如权利要求11所述的方法，其中，在施加所述DW-EPI脉冲序列期间施加高阶涡流生成的磁场误差校正包括 识别具有从Wp、UWp, VWp组成的组中选择的形式的基函数，其中p大于或等于0 ; 基于所识别的基函数确定有效梯度和Btl偏移量的其中之一；以及在施加所述DW-EPI脉冲序列期间，基于所述有效梯度和所述Btl偏移量中所确定的其中之ー调整所述DW-EPI脉冲序列的脉冲序列単元。
14.如权利要求13所述的方法，其中，确定有效梯度和Btl偏移量的其中之一包括，将有效梯度和BO偏移的所述其中之ー乘以w = Wtl处切片的
15.如权利要求13所述的方法，其中，调整所述DW-EPI脉冲序列的脉冲序列単元包括，基于每个切片调整接收器频率、读数梯度、相位编码梯度和切片梯度的其中之一。
16.一种其上存储有包括指令组的计算机程序的非临时性计算机可读介质，所述指令组在被计算机执行时，促使所述计算机执行如下操作 从校准扫描获取校准数据，其配置成表征成像系统的高阶涡流生成的磁场误差； 处理所述校准数据； 基于所处理的校准数据生成多个基系数和多个时间常数； 基于所述多个基系数、所述多个时间常数和DW-EPI脉冲序列中的梯度波形来计算多个基校正系数； 施加所述DW-EPI脉冲序列以从成像的受检者获取MR数据； 在施加所述DW-EPI脉冲序列期间，施加高阶涡流生成的磁场误差校正；以及 基于所获取的MR数据重构图像。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述计算机编程为对任意成像平面施加所述高阶涡流生成的磁场误差校正。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述计算机还编程为 识别基函数； 基于所识别的基函数确定有效梯度和Btl偏移量的其中之一；以及 在施加所述DW-EPI脉冲序列期间，基于所述有效梯度和所述Btl偏移量中所确定的其中之ー调整所述DW-EPI脉冲序列的脉冲序列単元。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述计算机在配置成调整所述DW-EPI脉冲序列所述的脉冲序列单元时，配置成基于每个切片调整接收器频率、读数梯度、相位编码梯度和切片梯度的其中之一。
20.如权利要求16所述的方法，其中，所述计算机在编程为计算所述多个基校正系数时，编程为基于如下公式计算所述多个基校正系数
全文摘要
本发明名称为“用于对扩散加权回波平面成像中高阶涡流引起的失真进行预期校正的系统和方法”。一种计算机，编程为从校准扫描获取校准数据，该校准数据配置成表征成像系统的高阶涡流(HOEC)生成的磁场误差。该计算机还编程为处理校准数据以生成多个基系数和多个时间常数，并且基于多个基系数、多个时间常数和给定脉冲序列中的梯度波形来计算多个基校正系数。该计算机还编程为执行扩散加权的成像扫描，该扩散加权的成像扫描包括施加DW-EPI脉冲序列以从成像的受检者获取MR数据和基于获取的MR数据的图像重构。该计算机还编程为在施加DW-EPI脉冲序列期间施加HOEC生成的磁场误差校正，该DW-EPI脉冲序列配置成减少重构的图像中的HOEC引起的失真。
文档编号G01R33/565GK102778662SQ20121012981
公开日2012年11月14日 申请日期2012年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者B·D·科利克, J·K·迈尔, K·F·金, 徐丹 申请人:通用电气公司