专利名称：规则化的可变密度感测的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁共振技术。本发明在利用k空间的非笛卡尔采样的磁共振成像中和在利用可变密度灵敏度编码(SENSE)的磁共振成像中找到特定的应用，并将具体参照它们进行描述。然而，本发明也在诸如磁共振谱仪的其它磁共振应用中找到应用。
在SENSE磁共振成像技术中，使用多个线圈来同时得到共同的成像切片或体积的磁共振成像数据。为了快速得到使用SENSE技术的成像数据，每个线圈对k空间进行欠采样。由每个线圈得到的欠采样的成像数据被重建成切片或体积的相应的折叠图像。折叠图像根据线圈的灵敏度特性被展开，以产生切片或体积的展开的图像。SENSE成像技术例如在Pruessmann等的Magnetic Resonance in Medicine(医学中的磁共振)42，pp.952-962(1999)中和在Hajnal等的美国专利No.6,380,741中描述。
在传统的SENSE成像中，k空间被均匀地采样。在可变密度SENSE中，采样是非均匀的；较少的k空间样本在k空间的中心或靠近k空间中心处被跳过，而更多的k空间样本在远离k空间的中心处被跳过。对于传统的SENSE，由每个线圈得到的欠采样的成像数据被重建成相应的折叠的图像。折叠的图像通过使用适当的展开算法，诸如通过求解以下矩阵方程而被展开m(ky)＝S(ry，ky)p(ry) (1)，其中ky指明傅立叶编码步骤，ry指明展开的图像位置，m(ky)包含折叠的图像数据，p(ry)相应于展开的图像，以及S(ry，ky)相应于灵敏度矩阵，它在列中包含线圈灵敏度和相应的傅立叶编码步骤。展开的图像项p包含展开的图像的N个真实像素值。折叠的图像项m包含CN/R个测量值，其中C是线圈数目以及R是相应于欠采样的时间缩减因子。公式(1)对于p(ry)进行求解以计算展开的图像。
为了使用可变密度SENSE技术快速得到成像数据，增加了欠采样。然而，如果k空间采样太稀疏，则公式(1)变为不确定的，或接近于奇异的。这导致计算困难，以及会在展开的图像中产生伪像。为了解决这个问题，展开可以通过使用先验知识加以规则化。规则化取决于先验知识的性质和质量。典型地，这个附加信息是通过采集在展开期间与可变密度SENSE数据相组合的附加磁共振信号信息而提供的。
虽然有这样的规则化技术，但处理欠采样的可变密度SENSE成像数据以有效地产生具有减少伪像的展开图像仍旧是个挑战性的问题。通过包括先验知识而得到的图像质量的改进可能由于为了得到先验知识而需要较长的成像进程所抵消。而且，在采集先验知识内容和可变的密度SENSE数据之间出现的对象的运动或其它改变可导致在先验知识与折叠的图像之间的空间的误对准(misregistration)或其它失配。
本发明打算克服上述的限制等等的改进的设备和方法。
按照一个方面，提供了磁共振成像方法。可变密度灵敏度编码数据在k空间的中心和其附近以较高的密度，以及在离开k空间的中心处以较低的欠采样密度被获取。根据位于k空间的中心和其附近的可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分构建一个或多个规则化图像。可变密度灵敏度编码数据被重建成展开的重建的图像。重建包括把较高和较低密度的可变密度灵敏度编码数据重建成多个折叠的图像；以及通过使用一个或多个规则化图像来展开被折叠的图像，以形成展开的图像。
按照另一个方面，公开了一种磁共振成像设备。多个射频线圈获取在至少远离k空间的中心处被欠采样的可变密度灵敏度编码数据。每个线圈的重建处理器重建一个根据该线圈获取的位于k空间的中心和其附近的可变密度灵敏度编码数据的较高密度的部分而重建的规则化图像；以及一个根据该线圈获取的可变密度灵敏度编码数据而重建的折叠的图像。展开处理器展开折叠的图像。展开由规则化图像进行规则化。
一个优点在于，用改进的速度重建欠采样的可变密度SENSE图像数据。
另一个优点在于，在重建欠采样的可变密度SENSE图像数据时有最少的伪像。
再一个优点在于，对诸如径向或螺旋线采样的各种各样的k空间采样轨迹而获取的欠采样的可变密度SENSE图像数据的处理能力。
本领域技术人员在阅读优选实施例的以下的详细说明后将明白许多附加优点和好处。
本发明可以取各种部件和部件的安排以及各种处理操作和处理操作的安排的形式。附图仅仅用于说明本发明，而不打算限制本发明。
图1示意地显示实施这里描述的可变密度SENSE磁共振成像的磁共振系统。在图1上，磁共振成像扫描器被显示为扫描器被切割大约一半以展开扫描器内部的元件和展开相关的成像对象和被布置在扫描器内孔中的SENSE线圈阵列。
图2画出用于可变的密度SENSE成像的示例性k空间采样密度分布。
图3示意地显示用于可变的密度SENSE成像的径向k空间采样轨迹。
图4示意地显示用于可变的密度SENSE成像的螺旋线k空间轨迹。
参照图1，磁共振成像扫描器10包括外壳12，它规定了整体的圆柱扫描器孔14，孔里面放置相关的成像对象16。主磁场线圈20被放置在外壳的里面。主磁场线圈20总体上安排成螺线管结构，以产生沿扫描器孔14的中心轴22方向的主B0磁场。主磁场线圈20典型地是放置在低温屏蔽罩里面的超导线圈，虽然也可以使用电阻性主磁铁。而且，扫描器10可包括除了圆柱形扫描器孔14的末端以外的附加接入开孔，以用于接近成像对象16。例如可以采用更开放的总体上U形截面磁铁，而不采用具有闭合的总体上0形截面的闭合螺线管结构。
外壳12还放置或支撑磁场梯度线圈30，用于有选择地产生垂直于中心轴22沿平面各个方向或沿其它所选方向的平行于孔14的中心轴22的磁场梯度。任选地，外壳12还容纳或支撑鸟笼式射频体线圈32，用于有选择地激励和/或检测磁共振。放置在孔14里面的灵敏度编码(SENSE)线圈阵列34包括多个SENSE线圈，具体地在示例性线圈阵列34中的四个SENSE线圈，不过也可以使用其它数目的线圈。线圈阵列34中的各个线圈对磁共振有不同的灵敏度，因此使得能进行SENSE编码。在一个实施例中，线圈阵列34是放置在靠近成像对象16的表面线圈阵列。如不使用线圈阵列，则可以使用具有适当空间灵敏度分布的其它射频天线以获取SENSE数据，诸如使用这样的天线，这些天线通过传送由一个射频线圈的多个在空间上分开的端口接收的射频信号而被规定。
SENSE线圈阵列34可用来接收由任选的鸟笼式或其它整体式线圈32所激励的磁共振，或磁共振可以由SENSE线圈阵列34激励和接收。外壳12典型地包括规定扫描器孔14的装饰的内部衬垫36。
主磁场线圈20产生主磁场B0。磁共振成像控制器40操作磁铁控制器42来有选择地激励磁场梯度线圈30，并操作一个被耦合到所显示的射频线圈32或被耦合到SENSE线圈阵列34的射频发射机44，以便有选择地激励射频线圈或线圈阵列32，34。通过选择地运行磁场梯度线圈30和射频线圈或线圈阵列32，34，在成像对象所选择的感兴趣的区域的至少一部分中生成磁共振和对其进行空间编码。由梯度线圈30施加的所选择的磁场梯度对所选择的k空间轨迹，诸如笛卡尔轨迹、多个径向轨迹、或螺旋线轨迹进行切割。在切割所选择的k空间轨迹期间，磁共振成像控制器40操作与SENSE线圈阵列34耦合的射频接收机46，以便使用SENSE线圈阵列34的线圈来读出k空间样本。K空间样本被存储在k空间存储器50中。
所存储的k空间样本由接收每个样本的阵列的接收线圈进行分类。K空间采样是可变的，在k空间中心及其附近以较高密度进行k空间采样，而在远离k空间中心处则以欠采样的较低密度进行k空间采样。重建处理器52把跨越由每个线圈荻取的所有k空间的欠采样k空间数据重建成存储在折叠图像存储器或缓存器60中的相应的折叠图像。另外，在k空间中心及其附近由每个线圈以较高的采样密度获取的k空间的部分被重建处理器52重建成存储在规则化图像存储器或缓存器62的相应的低分辨率规则化图像。
展开处理器66通过使用被规则化图像62规则化的展开算法来展开折叠的图像60。在一个适当的方法中，折叠的图像60通过使得误差参数δ最小化而被展开δ2＝‖m(ky)-S(ry，ky)p(ry)‖2+q2‖Ireg(ry)-p(ry)‖2(2)，其中ky表示傅立叶编码步骤，ry表示相应于在下标y处的图像位置，m(ky)相应于折叠的图像，p(ry)相应于展开的图像，S(ry，ky)相应于一个灵敏度矩阵，它包含线圈沿列的灵敏度和相应的傅立叶编码步骤，以及Ireg(ry)相应于根据存储在规则化图像存储器62中的低分辨率图像而重建的规则化图像。展开的图像项p包含展开的图像的N个真实的像素值。折叠的图像项m包含CN/R个测量值，其中C是线圈数目以及R是相应于欠采样的时间缩减因子。
在一个实施例中，规则化图像Ireg(ry)是通过组合由各种接收线圈获取的低分辨率规则化图像而构建的。低分辨率规则化图像可以通过使用平方求和处理过程而被组合以产生组合的图像。在另一个实施例中，由一个接收线圈获取的单个低分辨率规则化图像被用作为规则化图像。在这个实施例中，选择的图像优选地由在视场上具有大的均匀灵敏度的接收线圈获取。
在公式(2)中的算子‖x‖表示x的欧几里德范数。公式(2)包括展开项‖m(ky)-S(ry，ky)p(ry)‖2，它表示展开的图像到折叠的图像的保真度；和规则化项‖Ireg(ry)-p(ry)‖2它表示展开的图像到一个或多个规则化图像62的保真度。参数是确定展开项和规则化项的相对影响的规则化加权参数。将会看到，如果q＝0，则未规则化的公式(1)就被恢复。
在用于估计公式(2)以得到展开的图像的一个方法中，展开处理器66使得公式(2)相对于展开的图像项目p(ry)最小化。这个最小化优选地按照下式分析地完成p＝Ireg+SH(SSH+q2)-1(m-SIreg) (3)，其中上标“H”表示S的转置复数共轭，在公式(2)中表示的对于ky和ry的函数依从性已被省略。公式(3)还可以相对于规则化加权参数q进行最佳化，例如通过执行公式(3)的图像项目相对于规则化加权参数q的最小平方最小化。
展开的图像被存储在图像存储器70中，并可在用户接口72上显示，存储在非易失性存储器中，在局域内部网络或互联网上传送，观看，存储，处理等等。用户接口72也能使得放射学家、技术人员或磁共振成像扫描器10的其它操作员能够与磁共振成像控制器40通信，以便选择、修改和执行磁共振成像序列。
参照图2，图上显示对于每个线圈的合适的可变的密度SENSE k空间采样分布80。采样密度80包括位于k空间中心及其附近的更高的密度部分82，它是恒定的和没有被欠采样。这个未被欠采样的较高密度k空间部分82被重建成不包括折叠的规则化图像。由于k空间部分82的有限的k空间范围，最终得到的规则化图像62是视场的低分辨率图像。
k空间采样分布80还包括位于远离k空间中心并分别延伸到-kmax和kmax的欠采样部分84，86。在一个实施例中，未欠采样的k空间部分82跨越可变密度SENSE采样分布80k空间范围[-kmax，kmax]的约八分之一。这个八分之一比值提供良好的规则化图像，而同时仍旧提供数据获取速度的明显改进。然而，在SENSE采样分布80的中心中未欠采样的k空间部分80和总的k空间范围之间的其它比值也是合适的。该部分82至少是未欠采样的，以及任选地被过采样，以提供冗余数据。而且，如果对部分82执行过采样，则过采样任选地包括在某些或所有的部分82有非恒定的采样密度。
K空间采样分布80包括在未欠采样的中心的k空间部分82与每个欠采样的外面部分84，86之间采样密度的大体上的高斯过渡。然而，也可以使用采样密度的其它过渡，诸如由图2上虚线表示的线性过渡。
在上述的实施例中，使用笛卡尔k空间采样轨迹，在其中读出相位编码的线，并且对中心(接近k＝0)的各线进行了完全采样，而更多的外围相位编码线则按照选定的可变密度SENSE欠采样而被间隔开。在另一个实施例中，使用二维SENSE，在其中第二维典型地横截x-y平面。在再一个实施例中，使用笛卡尔k空间采样轨迹，但可变密度SENSE欠采样在读出方向上执行，而不是在相位编码方向上执行。在这个实施例中，公式(2)中的参数ky和ry被相应于读出方向的kx和rx适当地替代。在又一个笛卡尔k空间采样轨迹中，SENSE欠采样在相位编码和读出两个方向上都执行。
参照图3，在另一个实施例中采用径向采样轨迹90。径向采样轨迹90在k空间的中心及其附近汇聚。径向采样轨迹90的这种几何关系由于径向采样轨迹90的汇聚而在k空间中心附近提供较高的采样密度区域92。较高的采样密度区域92优选地对每个线圈被过采样或至少不被欠采样，以及由每个线圈获取的图像数据的较高的采样密度区域被适当地重建以形成规则化图像62。虽然图3显示平面径向采样轨迹90，但也预期会采用三维跨越半球面的或全部球面的立体角的径向采样轨迹。
参照图4，在再一个实施例中采用螺旋线采样轨迹96，该螺旋线采样轨迹96远离或进入k空间中心。显示的螺旋线轨迹96优选地具有恒定的间距P，然而，也可以使用随离k空间中心的距离而改变的、扩大的或缩小的间距。螺旋线可以是二维或三维的。在三维时，它可以以连续的螺旋线位于同心的球面等等。另外，螺旋线可包括规定总体上的方形螺旋线、六边形螺旋线、十二边形螺旋线等等的多个直线段。恒定的或增加的螺旋线间距几何关系在k空间中心附近提供较高的采样密度区域98。较高的采样密度区域98对于每个线圈是过采样的或至少不是下采样的，以及由每个线圈获取的成像数据的较高的采样密度区域98被适当地重建以形成规则化图像62。也预期具有较高的中心k空间采样密度的其它采样方案。
本发明是参照优选实施例描述的。显然，其它人员在阅读和理解前面的详细说明后将出现修改和变更。打算把本发明看作为包括所有的这样的修改和变更，因为它们属于所附权利要求或它们的等价物的范围。
权利要求
1.一种磁共振成像方法，包括在k空间的中心和其附近以较高的密度，和在离开k空间的中心处以较低的欠采样的密度获取可变密度灵敏度编码数据；从位于k空间的中心和其附近的可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分构建一个或多个规则化图像；以及把可变密度灵敏度编码数据重建成展开的重建的图像，重建包括把较高和较低密度的可变密度灵敏度编码数据重建成多个折叠的图像，以及通过使用一个或多个规则化图像来展开被折叠的图像，以形成展开的图像。
2.如在权利要求1中阐述的磁共振成像方法，其中多个折叠的图像中的每个由多个天线中相应的一个天线所获取，以及一个或多个规则化图像的构建包括根据每个天线所获取的可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分重建低分辨率图像；以及组合重建的低分辨率图像，以得到在展开时使用的规则化图像。
3.如在权利要求2中阐述的磁共振成像方法，其中由每个天线获取的可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分不被欠采样。
4.如在权利要求3中阐述的磁共振成像方法，其中可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分跨越可变密度灵敏度编码数据的约八分之一的k空间范围。
5.如在权利要求2中阐述的磁共振成像方法，其中由每个天线获取的可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分被过采样并包含冗余数据。
6.如在权利要求1中阐述的磁共振成像方法，其中灵敏度编码的图像展开包括使一个包括以下各项的加权组合的补偿函数最佳化一个指示展开图像到折叠图像的保真度的展开项；以及一个指示展开图像到规则化图像的保真度的规则化项。
7.如在权利要求1中阐述的磁共振成像方法，其中获取可变密度灵敏度编码数据包括以没有被欠采样的均匀k空间采样密度来获取位于k空间中心和其附近的较高密度部分；以及通过使用随离较高密度的部分的距离而平滑地减小的k空间采样密度来获取离开k空间的中心的欠采样的k空间数据。
8.如在权利要求7中阐述的磁共振成像方法，其中在较高密度部分与离开k空间中心的欠采样k空间数据之间的采样密度的过渡具有直线形状与高斯形状中的一种形状。
9.如在权利要求1中阐述的磁共振成像方法，其中获取可变密度灵敏度编码数据包括使用非笛卡尔轨迹获取可变密度灵敏度编码数据，可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分由非笛卡尔轨迹的几何关系所规定。
10.如在权利要求9中阐述的磁共振成像方法，其中使用非笛卡尔轨迹以获取可变密度灵敏度编码数据包括获取多个径向k空间采样轨迹，可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分是通过把多个径向k空间采样轨迹会聚在k空间的中心及其附近而规定的。
11.如在权利要求9中阐述的磁共振成像方法，其中使用非笛卡尔轨迹以获取可变密度灵敏度编码数据包括获取螺旋线k空间采样轨迹，该可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分是由螺旋线k空间采样轨迹的中心区域规定的。
12.如在权利要求11中阐述的磁共振成像方法，其中螺旋线k空间采样轨迹具有均匀螺旋线间距与随离k空间中心的距离而增加的扩展螺旋线间距中的一种间距。
13.如在权利要求9中阐述的磁共振成像方法，其中构建一个或多个规则化图像包括重建多个低分辨率图像，它们与从可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分获取时使用的射频天线相对应，在展开中所用的规则化图像是根据重建的低分辨率图像构建的。
14.如在权利要求9中阐述的磁共振成像方法，其中可变密度灵敏度编码数据的较高密度的部分没有被欠采样。
15.磁共振成像设备，包括主磁铁(20)；磁场梯度线圈(30)；多个射频接收线圈(34)；以及执行权利要求1的磁共振成像方法的处理器(52，66)。
16.磁共振成像设备，包括多个射频线圈(34)，用于获取在至少离开k空间的中心处被欠采样的可变密度灵敏度编码数据；重建处理器(52)，它为每个线圈重建一个规则化图像，该规则化图像是根据该线圈在位于k空间的中心和其附近获取的可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分而重建的；和一个折叠的图像，它是根据该线圈获取的可变密度灵敏度编码数据而重建的；以及展开处理器(66)，它展开折叠的图像，该展开是通过该规则化图像而被规则化的。
17.如在权利要求16中阐述的磁共振成像设备，还包括磁场梯度线圈(30)，它在获取可变密度灵敏度编码数据期间产生非笛卡尔k空间采样轨迹，该非笛卡尔k空间轨迹具有这样的几何关系，该几何关系规定了可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分。
18.如在权利要求16中阐述的磁共振成像设备，还包括磁场梯度线圈(30)，它在获取可变密度灵敏度编码数据期间产生以下轨迹之一多个径向k空间采样轨迹，以及螺旋线k空间采样轨迹。
19.如在权利要求16中阐述的磁共振成像设备，其中展开处理器(66)使包括以下各项目的加权组合的补偿函数最佳化展开项，它指示展开图像到折叠图像的保真度，以及规则化项，它指示展开图像到规则化图像的保真度。
20.如在权利要求16中阐述的磁共振成像设备，其中多个射频线圈(34)以k空间中没有被欠采样的均匀的采样密度来获取位于k空间中心和其附近的较高密度部分；以及通过使用随离较高密度的部分的距离而平滑地减小的k空间采样密度来获取离开该k空间的中心的欠采样的k空间数据。
全文摘要
一种磁共振成像设备包括多个射频线圈(34)，它们获取至少在离开k空间中心处被欠采样的可变密度灵敏度编码数据。重建处理器(52)为每个线圈重建根据该线圈在k空间的中心和其附近获取的可变密度灵敏度编码数据的较高密度部分而重建的规则化图像；以及从由该线圈获取的可变密度灵敏度编码数据重建的折叠的图像。展开处理器(66)展开折叠的图像。展开是通过规则化图像而被规则化的。
文档编号G01R33/561GK1910469SQ200580002385
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月5日 优先权日2004年1月14日
发明者U·卡特谢尔, J·范登布林克, M·福德雷尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司