专利名称：包括高度约束背投的运动编码mr图像的重构过程的制作方法
包括高度约束背投的运动编码MR图像的重构过程
有关申请的交叉参照
本申请要求下列两个美国临时专利申请的权益2005年9月22日提交的 题为"Highly Constrained Image Reconstruction Method "的申请60/719,445;以 及2006年3月9日提交的题为"Highly Constrained Reconstruction Of velocity Encoded MR Images"的申请60/780,788。
关于联邦资助研究的声明
本发明得到了国家卫生研究院基金项目HL 072260和LH 066488的政府资 助。美国政府享有本项发明的某些权益。
背景技术：
本发明的领域是核磁共振成像("MRI")方法和系统。更具体地讲，本发明涉 及用表示运动的梯度来采集和重构带脉冲序列的MR图像的过程。
当诸如人体组织之类的物质受到均匀磁场(极化场Bo)的作用时，该人体 组织中的各个自旋的磁矩试图对准该极化场，但按其特征拉莫尔频率以任意次 序绕它进动。如果该物质或组织受到处于x-y平面中且接近拉莫尔频率的磁场 (激励场B。的作用，则净对准磁矩Mz会发生旋转或"倾斜"到x-y平面中 从而产生净横向磁矩Mt。这些受激励的自旋发出一种信号，并且在激励信号 Bj终止之后，可以接收和处理该信号从而形成图像。
当采用这些信号来产生图像时，可以使用磁场梯度(Gx、 Gy和Gz)。通 常，通过一系列测量周期对待成像的区域进行扫描，在这些测量周期中上述这 些梯度根据所用的特定局部化方法而变化。通过使用许多公知的重构技术之 一，将所得的一组接收到的NMR信号数字化并且对其进行处理以重构图像。
用于采集NMR信号并重构图像的常用方法使用了公知傅里叶变换(FT)成 像技术的一种变体。在W.A. Edelstein等人的题为"Spin-Warp NMR Imaging andApplications to Human Whole-Body Imaging"的文章中讨论了这种技术(详见 Physics in Medicine and Biology,巻25，第751-756页，1980)。它在采集NMR 自旋-回波信号之前使用了一种可变的振幅相位编码磁场梯度脉冲从而对该梯 度方向上的空间信息进行相位编码。在二维实现方式(2DFT)中，例如，通过 应用沿一个方向的相位编码梯度(Gy)，在该方向上对空间信息进行编码，然后， 在与该相位编码方向正交的一方向上存在读出的磁场梯度(GJ的情况下釆集自 旋回波信号。在自旋-回波采集期间存在的读出梯度对正交方向上的空间信息进 行编码。在典型的2DFT脉冲序列中，在上述扫描期间采集的视图序列中增大 相位编码梯度脉冲Gy的幅值(AGy)，以产生一组NMR数据，从这组NMR数据 中可以重构出整个图像。使用这种方法，便沿着笛卡尔坐标系以如图2A所示 的扫描方式对傅立叶空间或"k-空间"进行采样。
为了增大采集图像的速率，通过采集较少的相位编码视图或者通过使用较 快的脉冲序列(必然导致图像质量较低)，图像质量可能会有所牺牲。因此， 在使用傅里叶变换方法时，在为实现期望的图像分辨率和质量而采集的视图的 个数以及用于完整图像的NMR数据的采集速率这两方面之间，必然会有所权 衡。
已发展出一种MR方法，该方法将自旋运动编码到所采集的信号的相位中， 美国专利Re. 32,701揭示了这种方法。这些共同构成一类被称为相位对比(PC) 方法的技术。目前，大多数PC技术采集两种图像，对于相同的速度分量每一 种图像具有不同的灵敏度。然后，通过形成这对速度编码图像之间的相位差或 复数差，便可以产生图像。在通常所称的相位对比核磁共振血管造影术(PCMRA) 中，上述这种运动编码方法被用于对流动的血液进行成像。
相位对比技术也已用于对流体进行成像并且提供血流的定量测量。在流体 成像过程中，扫描期间所用的运动编码梯度对两个或三个正交的方向上的速度 分量很敏感。从所得的速度分量图像中，可以产生总的定量流体图像。然而， 当必须利用不同的运动编码梯度来采集四到六个完全采样的图像时，上述扫描 变得过长。
如美国专利6,188,922所描述的那样，通过用一系列交错的投影视图对k 空间进行采样，便可以縮短速度编码MR数据的采集过程。投影视图沿着径向轨迹对k空间进行采样，并且己发现与沿着笛卡尔坐标系对k空间进行采样的 相位编码视图相比，产生高质量图像所需的投影视图要少很多。图2B示出了
这种径向采样方式。
在美国专利6,710,686中，描述了两种用于从采集的一组投影视图中重构 出图像的方法。在MRI中，最普通的方法是将k空间样本从其径向采样轨迹上 的位置重新定格到笛卡尔栅格中。然后，通过对重新定格后的k空间样本进行 二维或三维傅里叶变换，重构出图像。用于重构MR图像的第二种方法是通 过对每一个投影视图进行第一傅里叶变换，将上述径向k空间投影视图变换到 Radon空间。通过过滤这些信号投影并将它们背投到视场(FOV)中，便从这些 信号投影中重构出一图像。如本领域公知的那样，如果采集到的信号投影在数 量方面不足以满足尼奎斯特(Nyquist)采样定则，则在重构出的图像中会产生 条纹伪像。
图3示出了MRI中所使用的标准背投方法。通过沿箭头16所示的投影路 径来投影每一个在经变换的分布10中的信号样本14并使其穿过FOV 12，每 一个采集到的信号投影分布10便经历了傅里叶变换并且接下来被背投到视场 12上。在将每一个信号样本14投影到FOV 12中的过程中，我们没有关于正 被成像的物体的先验知识，并且假定FOV 12中的NMR信号是同态的并且信 号样本14应该被均等地分布到投影路径所穿过的每一个像素中。例如，图3 示出了投影路径8，当它穿过在FOV 12中的N个像素时，它对应于一个经变 换的信号投影分布10中的单个信号样本14。在这N个像素之间均等地分割该 信号样本14的信号值(P):
Sn = (Pxl)/N (1)
其中Sn是在具有N个像素的投影路径8中分配给第n个像素的信号值。
很显然，FOV 12中背投的信号是同态的这一假定是不正确的。然而，如 本领域公知的那样，如果对每一个信号分布10进行某些校正，并且以对应数 量的投影角度来釆集足够数量的分布，则这一错误假定所引起的差错达到最小 并且图像伪像得到抑制。在关于图像重构的典型过滤背投方法中，对于256X256像素二维图像而言需要400次投影，而对于256X256X256体元三维图像 而言则需要103,000次投影。
发明内容
本发明是一种从采集到的速度编码MR数据中重构出图像的方法，更具体 地讲，本发明是一种能够从高度欠采样的数据组中重构出速度编码图像的高度 约束的背投方法。通过使用本发明的高度约束的背投方法，可以用极少的视图 来采集速度编码图像，并且不会因欠采样而产生临床上令人讨厌的伪像。这减 少了采集时间，并且能够按不同的速度编码来采集图像。
本发明的发现是如果在重构过程中使用FOV 12中的信号轮廓的先验知 识，则可以用极少的投影信号分布IO来产生高质量图像。作为MRI扫描的一 部分，采集了一合成图像，并且它被重构以提供关于正被成像的物体的先验知 识。在高度欠釆样的速度编码图像的重构过程中使用这种合成图像以便对背投 视图的分布进行加权。参照图4，例如，FOV 12中的信号轮廓可能会包括结构 18和20。在这种情况下，当背投路径8穿过这些结构时，通过根据该像素位 置处的己知信号轮廓对该分布进行加权，从而使信号样本14更准确地分布到 每一个像素中。结果，在图4的示例中，信号样本14的大部分将被分布在与 结构18和20相交的那些像素处。对于具有N个像素的背投路径8而言，这种 高度约束的背投可以被表达为
<formula>formula see original document page 12</formula> (2)
其中Sn二在正被重构的图像中像素n处的背投信号幅值； P二在经变换的投影分布中的背投信号样本值；以及
"=沿背投路径第11个像素处的先验合成图像的信号值。 该合成图像是从扫描期间采集到的数据中重构出的，并且可以包括用于重
构该图像的那个以及用于描绘视场中的结构的其它采集到的图像数据。公式(2) 中的分子利用该合成图像中对应的信号值来对每一个像素进行加权，并且分母 使该值归一化，使得所有背投信号样本反映了图像帧的投影和并且并不乘以该合成图像的和。应该注意到，尽管上述归一化是在背投之后对每一个像素单独 进行的，但是，在许多临床应用中，在背投之前对投影P进行归一化则更容易。 在这种情况下，在按相同视角穿过该合成图像的投影过程中，通过除以相应的 值Pe，使上述投影P归一化。归一化的投影P/Pe被背投，然后，所得的图像乘 以该合成图像。
图5示出了一个三维实施方式，对应于以视角e和())为特征的单个三维投影 视图。该投影视图是沿轴16被背投的并且沿背投轴16在距离r处被扩展到 Radon平面21中。作为经过滤的背投(其中投影信号值被过滤且被均匀地分布 到连续的Radon平面中)的替代，沿着轴16，利用合成图像中的信息将投影信 号值分布到Radon平面22中。图5的示例中的合成图像包含结构18和20。基 于合成图像中相应位置x, y, z处的强度，将经加权的信号轮廓值存放在Radon 平面21中的图像位置x， y, z处。这是信号分布值与相应的合成图像体元值的 简单相乘过程。然后，通过使该乘积除以从合成图像中形成的相应图像空间分 布中的分布值，使该乘积归一化。用于三维重构的公式是
I(x, y, z) = S (p(r, 9, ())) * C(x, y, z)(r,M) / Pc(r, 6, ())) (2a)
其中求和(i:)是在正被重构的图像帧中的所有投影上进行的，并且特定
Radon平面中的x, y, z值是用针对该平面合适的r,e,(()值处的分布值P(r,e,(())来计 算的。Pe(r,e，小)是来自合成图像的相应的分布值，而C(x,y,z)r,e力是(r,e,()))处的合
成图像值。 -
本发明的目的是縮短为了采集相位对比核磁共振血管造影(PCMRA)图像 所需的扫描时间。当将要采集一系列这样的图像时，本发明能够使为了釆集 PCMRA图像所需的视图个数有很多减少。
本发明的另一个目的是縮短为了采集速度或流图像所需的扫描时间，同时 又不损失定量测量能力。用这种高度约束的背投方法来重构速度图像所遇到的 诸多问题之一是任何图像像素处的速度根据该像素位置处的自旋运动的方向 而可能具有正值或者也可能具有负值。结果，当采集投影视图时，投影光线可
能穿过具有正速度值的像素和具有负速度值的像素。甚至有可能，沿任何投影光线的总速度可能加起来等于零。为了避免这些问题，这可以表现为根据本发 明的内容，在高度约束的背投过程中所有的信号都以其绝对值来对待，然后， 在重构出的图像中再恢复经处理的信号的符号。
本发明的另一个目的是利用高度约束的背投方法来产生一种复数差图像。 这是通过下述实现的利用高度约束的背投方法来单独地重构I分量和Q分量 图像；然后，将所得的I分量和Q分量图像组合起来。
从下面的描述中将看到本发明的上述和其它目的及优点。在下面的描述 中，参照了用于构成本文一部分的附图，在这些附图中通过解释说明示出了本 发明的较佳实施方式。然而，这种实施方式并不必然代表本发明的全部范围， 因此，为了解释本发明的范围还需参照权利要求书。
图1是在本发明较佳实施方式中使用的MRI系统的框图2A是在使用MRI系统采集傅立叶或自旋-翘曲图像的过程中对k空间
进行采样的方式的图示；
图2B是在使用MRI系统采集典型的投影重构图像的过程中对k空间进行
采样的方式的图示；
图3是在图像重构过程中常规的背投步骤的图示；
图4是使用高度约束的背投的相同步骤的二维图示；
图5是使用高度约束的背投的相同步骤的三维实现方式的图示；
图6是为了实践本发明由图1的MRI系统使用的较佳二维脉冲序列；
图7是多个信号分量的矢量图8是在实践本发明较佳实施方式时发生的k空间的采样的图示；
图9是为了实践本发明较佳实施方式由图1的MRI系统使用的诸多步骤的 流程图IO是在图9的方法中用于重构图像的诸多步骤的流程图； 图11是根据图9的方法而产生的数据结构的流程图；以及 图12是用于产生相位图像的诸多步骤的流程图。
具体实施例方式
特别参照图1，在MRI系统中使用了本发明的较佳实施方式。该MRI系 统包括工作站110，工作站110具有显示器112和键盘114。工作站110包括 处理器116，处理器116是可以运行商用操作系统的商用可编程机器。工作站 110提供操作界面，该界面能够扫描将要被输入到该MRI系统中的指示。
工作站110耦合到四台服务器脉冲序列服务器118;数据采集服务器120;
数据处理服务器122;和数据存储服务器23。在较佳实施方式中，数据存储服 务器23是由工作站处理器116和相关的盘片驱动接口电路来实现的。其余三 台服务器118、 120和122都是通过安装在单个机箱中且用64位底板总线使其 互连的不同处理器来实现的。脉冲序列服务器118采用商用微处理器和商用四 工通信控制器。数据采集服务器120和数据处理服务器122都采用相同的商用 微处理器，并且数据处理服务器122还包括一个或多个基于商用并行矢量处理 器的阵列处理器。
工作站110和用于服务器118、 120和122的每一个处理器都连接到串行 通信网络。该串行网络传输从工作站110下载到服务器118、 120和122的数 据，并且它还传输在各服务器之间以及在工作站和服务器之间传递的标签数 据。此外，在数据处理服务器122和工作站IIO之间还提供了高速数据链路， 以便将图像数据传输到数据存储服务器23。
脉冲序列服务器118响应于从工作站110中下载的程序单元而工作，以便 操作梯度系统24和RF系统26。产生用于执行指定的扫描所必需的梯度波形， 并将它们应用于梯度系统24，梯度系统24激励组件28中的梯度线圈，从而产 生用于位置编码NMR信号的磁场梯度Gx、 Gy和Gz。梯度线圈组件28构成磁 性组件30的一部分，磁性组件30还包括极化磁体32和整体式RF线圈34。
RF激励波形通过RF系统26而被应用于RF线圈34，从而执行指定的磁 共振脉冲序列。RF系统26接收由RF线圈34所检测到的响应的NMR信号， 在脉冲序列服务器118所产生的命令的指挥下，对这些信号进行放大、解调、 滤波和数字化。RF系统26包括RF发射器，该RF发射器产生用在MR脉冲序 列中的多种RF脉冲。该RF发射器响应于来自脉冲序列服务器118的扫描指示 和指挥，以产生具有期望频率、相位和脉冲幅值波形的RF脉冲。所产生的RF脉冲可以应用于整体式RF线圈34或应用于一个或多个局部线圈或线圈阵列。 RF系统26还包括一个或多个RF接收器通道。每一个RF接收器通道包括 RF放大器，用于放大由与之相连的线圈所接收到的NMR信号；以及正交检测 器，用于检测接收到的NMR信号的I和Q正交分量并使它们数字化。于是， 通过I和Q分量的平方之和的平方根，可以在任何采样点处确定接收到的NMR
信号的幅值
<formula>formula see original document page 16</formula> (3)
并且接收到的NMR信号的相位也可以确定 <formula>formula see original document page 16</formula>. (4)
脉冲序列服务器118也任选地接收来自生理采集控制器36的病人数据。 控制器36接收来自多个与病人相连的不同传感器的信号，例如，来自电极的 ECG信号或来自肺部的呼吸信号。脉冲序列服务器118通常使用这类信号将扫 描的性能与受试者的呼吸或心跳同步或者进行"门控"。
脉冲序列服务器118还连接到扫描室接口电路38，该电路接收来自各种传 感器的、与病人状况相关的信号以及来自磁体系统的信号。病人定位系统40 也正是通过扫描室接口电路38来接收各种命令，从而在扫描过程中将病人移 动到期望的位置。
应该很明显，在扫描过程中，脉冲序列服务器118对MRI系统元件执行实 时控制。结果，必须用通过运行时间的程序以适时的方式执行的程序指令来操 作它的硬件元件。用于扫描指示的描述成分是以对象为形式从工作站110中下 载的。脉冲序列服务器118包括这样一些程序，它们接收这些对象并将其转换 成由运行时间的程序所使用的对象。
RF系统26所产生的数字化的NMR信号样本被数据采集服务器120接收 到。数据采集服务器120响应于从工作站110下载的描述成分而操作，以便接 收实时的NMR数据并提供缓冲存储，使得没有任何数据因数据超载而丢失。在某些扫描过程中，数据采集服务器120只是将采集到的NMR数据传递给数 据处理服务器122。然而，在需要从采集到的NMR数据中获取信息以便控制 扫描的其它性能的那些扫描过程中，数据采集服务器120就被编程为产生这类 信息并且将其传输到脉冲序列服务器118。例如，在预扫描的过程中，采集NMR 数据，并将其用于校准由脉冲序列服务器118所执行的脉冲序列。同样，在扫 描过程中，可以采集导航器信号并将其用于调整RF或梯度系统工作参数或用 于控制对K空间进行采样的视图次序。另外，数据釆集服务器120可用于处理 NMR信号，这些信号被用于检测在MRA扫描中的造影剂的到达。在所有这些 示例中，数据采集服务器120采集NMR数据并且实时地对其进行处理，从而 产生用于控制该扫描的信息。
数据处理服务器122接收来自数据釆集服务器120的NMR数据，并且根 据从工作站IIO下载的描述成分对其进行处理。这类处理可以包括对原始K 空间NMR数据进行傅立叶变换从而产生两维或三维图像；向重构的图像应用 滤波；对采集到的NMR数据执行背投图像重构；计算功能性MR图像；计算 运动或流图像等。
数据处理服务器122所重构的图像又往回传输到工作站110，并进行存储。 实时图像被存储在数据库存储器高速缓存(未显示)中，并且从该高速缓存中 将其输出至操作人员显示器112或显示器42，这种显示器被放置在磁体组件 30附近以便于医生使用。批模式图像或选择的实时图像被存储在磁盘存储设备 44上的主数据库中。当这类图像已被重构并被传输到存储设备时，数据处理服 务器122就通知在工作站IIO上的数据存储服务器23。工作站IIO可以由操作 者使用，以便存档图像、产生影片或通过网络向其它设备发送图像。.
下面描述了本发明的两个实施方式，它们使用了图1的MRI系统。第一实 施方式提供了速度图像，该速度图像定量地指明了在每一个图像像素处总的自 旋速度。第二实施方式产生一种PCMRA图像，在该图像中运动编码梯度提供 了用于对移动的血液进行成像的相位对比机制。
特别参照图6，由脉冲序列服务器118执行的典型的运动编码脉冲序列是 一种梯度-回归回波脉冲序列，其中在Gz片选择梯度252存在的情况下应用RF 激励脉冲250，在Gx和Gv读出梯度256和257存在的情况下采集NMR回波信号254。在每一个读出梯度256和257之前分别有移相梯度258和259，它 们使RF激励脉冲250所产生的横向磁化发生移相(dephase)。读出梯度256 和257使回波时间TE处的自旋磁化调整相位，以便在NMR回波信号254中产 生峰值。
在不使用任何运动编码梯度的情况下，该脉冲序列被重复，并且上述两个 读出梯度256和257的幅值步进至不同的值以便采集不同投影角度下的NMR 回波信号254。图8示出了这种情况，其中每一个径向线条代表了由每一个采 集到的NMR回波信号254完成的、-ky空间的采样。读出梯度256和257的振 幅及其相应的移相梯度脉冲258和259的振幅都步进通过多个值，使得每一个
连续的投影都旋转一个e角。
再次参照图6，为了产生运动编码MR图像，由双极运动编码梯度GM使 每一个采集到的投影变得速度敏化。如本领域所公知的那样，速度编码梯度GM 包括两个大小相等且极性相反的梯度波瓣260和262。运动编码梯度GM可以
应用于任何方向上，并且它在RF激励脉冲250产生横向磁化之后且在采集到 NMR回波信号254之前就衰减了。运动编码梯度GM将一相移强加给由正在 梯度GM的方向上移动的自旋所产生的NMR信号，并且该相移的量值是由正 移动的自旋的速度以及运动编码梯度GM的第一磁矩来决定的。第一磁矩(Mi)
等于梯度脉冲260或262的面积与它们之间的时间间隔(t)的乘积。设置第一磁 矩Mi以提供显著的相移，但是不能过大从而导致相位以很高的自旋速度回绕。
为了确保采集到的NMR信号254中的相移仅是因自旋运动而导致的，通 常，在每一个投影角度下进行参考采集。在较佳的实施方式中，针对用具有第 一磁矩M〗的运动编码梯度GM采集到的每一个运动编码投影视图，采集第二投
影视图，第二投影视图具有相同的运动编码梯度GM，但该运动编码梯度GM具
有负的第一磁矩-M,。通过简单地使上述两个Gm梯度波瓣260和262的极性颠 倒，便实现了上述这一点。如下文将解释那样，当两个所得的信号相减时，就 从上述速度确定中除去了并非因自旋运动而导致的相移。在下文中，这些不期
望有的相移被称为背景相位(1)b。
如上所述，运动编码梯度GM可以应用于任何方向。在较佳的实施方式中， 沿着每一个梯度轴x、 y和z，单独地应用运动编码梯度GM，使得可以产生用于指示总的自旋速度的图像。S卩，通过在双极运动编码梯度Gm被添加到圈6 所示Gz梯度波形的情况下采集图像，便产生了用于指示沿Z轴的速度(Vz)的图
像，在运动编码梯度Gm被添加到Gx梯度波形的情况下采集第二速度图像Vx， 在运动编码梯度Gm被添加到Gy梯度波形的情况下采集第三速度图像Vy。然
后，通过将上述三个速度图像中相应的像素值组合起来，便产生了用于指示总 的自旋速度的图像。
vT = ^/vx2 + v; + vz2 (5)
尽管有可能按每一个投影角度(e)来采集运动编码NMR回波信号254以对 k空间进行完全采样，但是在本实施方式中，不同的运动编码方向是按不同的 交错的投影角度进行采集的。图8示出了这种情况，其中Gmx表示用沿着x袖 定向的运动编码梯度来采集的投影，GMY表示用沿着y轴定向的运动编码梯度 来采集的投影，Gmz表示用沿着z轴定向的运动编码梯度来采集的投影。对于 上述三个运动编码方向中的每一个而言，采集总共m40个不同的投影，并且 这些是按相等的角度3e彼此间隔开的。每一组采集到的投影都与针对其它两个 方向而采集的投影相交错，其结果是，用于一图像帧的所有投影视图都按相等 的角度e彼此间隔开，从而按基本上均匀的方式对k空间进行采样。
特别参照图9，在本发明的第一较佳实施方式中，使用上述二维脉冲序列 来釆集一系列图像帧，从这些图像帧中可以重构出相应的速度图像。如过程框 200所示，对于x、 y和z方向中的每一个方向，MRI系统执行脉冲序列以便采 集一组(m=10)运动编码NMR信号。这些投影视图是均等间隔的以便尽可能 均匀地对k空间进行釆样，并且不同的运动编码方向像图8所示那样交错。以 这种方式连续且迅速地采集图像帧，直到已采集到指定数目的图像帧(n)，就像 决定框202所确定的那样。
在本发明的实施方式中，在扫描的数据采集阶段完成之后，才执行图像重 构过程。该重构过程可以在数据处理服务器122上进行，或者采集到的数据可 以被卸载到单独的工作站从而释放MRI系统。仍然参照图9，图像重构过程中 的第一步骤是针对每一个运动编码方向，执行每一对土M,的投影的复数减法，就像过程框204所示的那样。也参照图11，这是一种在+M!和-Mi投影数据组 303和305中相应信号样本的各个I和Q分量的减法，以产生复数差(^5)投影 数据组307。图7示出了这种复数差矢量3。对所有n个采集到的图像帧实现 上述这一操作，然后，如过程框206所示的那样，从每一组复数差投影己307 中重构出图像帧，以产生相应的真实空间复数差图像309。这是一种标准的重 构过程，并且在较佳的实施方式中，该重构过程包括将十个^投影中的k空间 样本重新定格到笛卡尔坐标系中，然后，执行二维复数傅立叶逆变换。然而， 可以理解，在用1DFT将^投影转换到Radon空间之后，也可以用常规的滤波 背投方法来重构这些图像。无论哪种情况，因为k空间是高度欠采样的，所以 从临床角度看，这些图像将具有非常差的质量。然而，在每一个像素处它们确 实保持了复数差5的矢量本性，特别是该矢量的方向。从下面的讨论中将明显 地看出，该"符号"信息将被恢复到更高质量的绝对值图像。
如过程框201所示，下一步是分离每一个^图像帧像素处的I和Q分量， 以形成单独的5和。的图像帧311和313。然后，取这些图像帧中的i和。分量 的绝对值，以形成相应的绝对图像帧lll和lQl 315和317。这些图像帧可以被统
一视为用于指明自旋"速度"的相位图像，因为它们保存了由自旋运动所产生
的相移，但未保存方向。在这些绝对值图像中，方向或符号信息丢失了。
如过程框203所示，接下来形成了用于|1|分量的合成图像319。这是通过
为所有n个图像帧315添加相应的|1|像素值而实现的。如上所述，针对n个图
像帧而采集的投影视图彼此交错，其结果是，|1|合成图像319具有比任一个绝
对图像帧|1|315高许多的质量。如过程框205所示，用lQl分量图像317来重复
该过程，以形成lQl合成图像321。这些l工l和lQl合成图像319和321可以被统一
视为合成相位图像，因为它们保存了相位信息且因此保存了速度。
如过程框207所示，下一步是针对n个lll分量图像帧315的每一个，产
生一组|1|分量投影323。这是标准的Radon变换，其中在用于采集图像帧的相
同视角下，产生10个投影(在这种较佳实施方式中)。这是利用Mathworks 股份有限公司出售的商标为"MATLAB"的商用软件中的Radon变换工具来实现 的。由此，针对复数差的l工l分量的n个图像帧315中的每一个，我们具有一组
10个投影。然后，如过程框209所示，执行一种高度约束的图像重构过程，以便从这
些Radon空间投影323中产生出n个高质量|1|分量图像325。该重构方法使用 了|1|分量合成图像319，下文参照图IO会进行更详细的描述。
如过程框211和213所示，接下来，针对iQl分量重复上述多个步骤。利用 Radon变换，针对每一个图像帧317计算一组lQl分量投影327,然后，利用高 度约束背投方法来重构n个lQl分量图像帧329，现在对此进行描述。
特别参照图10， |1|和|0|分量图像帧325和329中的每一个都是利用其各自 的ill和lQi投影数据组323和327及其相应的|1|或|0|合成图像319和321来重构
的。上文结合方程(2)已描述了这种高度约束的背投重构过程并且图4对此进行 了示出。更具体地讲，如过程框231所示，每一个lll和lQl分量投影P都被归一
化。通过使每一个分量投影P除以其相同视角下相应的合成图像中的投影Pc，
便使每一个分量投影P归一化。然后，归一化的投影P/Pe被背投到FOV中。
这是一种标准的背投过程，但不带滤波。
如过程框233所示，所得的背投值被添加到正被重构的l工l或lQi图像帧，并
且在决定框235处做出测试以确定用于当前的图像帧的所有投影视图是否都已 被背投。如果不是，则当前的lll或lQl图像帧中的下一个投影视图被背投，就像
过程框237所示的那样。
当对于lli或lQl图像帧而言所有的投影视图都已被背投且经过求和时，总计 的图像帧与相应的ill或lQl合成图像319和321相乘。这是一种矩阵乘法，其中 l工l或lQl图像帧中的像素值与各个lll或lQl合成图像中相应像素的值相乘。应该很 明显，还可以使用其它用于执行这种高度约束的图像帧重构的方法，2006年7 月7日提交的题为"Highly Constrained Image Reconstruction Method"的共同待
批的美国专利申请11/482,372对此进行了描述，该申请引用在此作为参考。 在针对每一个图像帧已产生lll和lQl分量图像的同时，符号信息已丢失并且
我们不知道每一个图像像素处的lll和lQl分量的符号(土)。在过程框215处，如图
9所示，通过产生I和Q符号映射333，这种符号信息便被恢复。通过查看欠
釆样的复数差图像309中的I和Q分量的符号，便产生了I和Q符号映射。如
上所述，这些都是因欠采样而导致的质量较差的图像，但是它们足以指明每一
个图像像素处的符号。如过程框217所示，接下来，这种符号信息被恢复给l工l和lQl图像帧325和
329。这是通过如下操作实现的使|1|分量图像帧325乘以其相应的1符号映射
333;以及使IQI分量图像帧329乘以其相应的Q符号映射333。如过程框219
所示，然后，用于每一个图像帧的带符号的I和Q分量被组合起来以形成复数 差图像(③)335。
对于每一个运动编码方向，重复上述过程。在较佳实施方式中，将运动编 码用在所有的三个梯度方向上，并且在针对所有的方向产生ICDI图像331和③ 图像335之后(就像决定框221所确定的那样)，该系统转移到过程框223处 以计算n个速度图像。
为了计算自旋速度，必须计算+]V^运动编码图像和-N^运动编码图像之间
的相位差(K。这在图7中示出了，其中角度())B是除自旋运动以外的因素所产生
的背景相位。
余弦定律被用于计算每一个图像像素的相位((V
<K = cos-'. (— IOD f +卜M, f +1+M, I2 /2.| +M,卜j -M, |) (6)
如图12所示，像上文所描述的那样针对ICDI图像331计算复数差值ICD卜 但是+Mi和-M,幅值图像必须被单独计算。这可以按许多方式来实现，但是在 较佳的实施方式中，用于单个方向的所有交错的+Mi投影视图303都被用于重 构单个I+M,I图像350，并且用于单个方向的所有交错的-Mi投影视图305都被 用于重构单个I-Mil图像352。这些是常规的经滤波的背投重构过程，因为有足 够多的视图来提供高质量图像。根据所得的复数I和Q值，计算每一个I+Mtl 和I-Md图像像素处的幅值。
通过使用相应n个ICDI图像331以及两个幅值图像I+MJ 350和卜MJ 352， 使用方程(6)来产生n个相位图像l(H 354中的每一个。然而，这些相位图像354 并不包含符号信息，并且这必须被添加。为此，从欠采样的复数差图像巧309 中产生出符号映射356，它指明在其每一个像素处相位差的符号是+1或-1。绝 对值相位图像354乘以其相应的符号映射356，以便产生相位图像"358。
针对每一个运动编码方向(较佳实施方式中的x、 y和z)来计算相位图像(|)V 358，并且从中计算出速度分量Vx、 Vy和Vz，所用公式如下
V = VENC * "/丌/2
其中VENC =自旋速度，它用选定的梯度第一磁矩M,来产生大小为兀/2
的相移小v。
接下来，如上所述在方程(5)中将这三个速度分量组合起来，以产生n个相 应的总的速度图像帧。
尽管在较佳实施方式中使用了沿所有三个梯度轴的速度编码，但是有这样
一些临床情况，其中仅沿着一个或两个梯度轴的速度编码就足够了。对于冠状
动脉测量而言，例如，可以釆集到与该流体流动相垂直的一个片中的二维图像。
仅一个速度轴被编码。这縮短了采集和图像重构等步骤。在这种情况下，速度 编码梯度GM是一个与冠状动脉的方向相对应的倾斜角，并且它是通过同时沿
着图6的脉冲序列中的两个或三个梯度轴Gx、 Gy或Gz来生成GM梯度波形 而产生的。
本发明也可以被用于产生一系列相位对比MRA图像。在这种应用中，可 以使用二维或三维脉冲序列，并且采集到一系列其中仅沿一个轴应用了运动编 码的图像。用+M!和-M,运动编码或+M,且M产0运动编码，来采集两种图像。 在PCMRA中，每一个重构出的图像像素处的相位(K都被直接显示，而并不计 算自旋速度，结果，上述过程可以得多简化。如果采集了三维图像，则上文结 合图10和方程(2)所描述的高度约束的背投被执行，就像图IO中用上述三维方 程(2a)所描述的那样。
在上述较佳实施方式中，通过将从整个扫描期间所采集到的投影中获得的 信息组合起来，便形成了合成图像。尽管这在重构出的图像帧中提供了最大的 SNR，但是扫描期间可能出现的速度变化可能不会清楚地显示在上述一系列n 个速度图像中。由此，在动态扫描期间出现变化时，可以将用于形成合成图像 的投影的个数减小到一个围绕着当前被重构的图像帧的采集的窗口。例如，一 个由当前的图像帧加上当前的图像帧之前和之后的两个图像帧中所采集的投 影构成的窗口可以被用于形成合成图像。该窗口针对每一个被处理的图像帧而移动，由此，针对上述一系列中的每一个图像帧形成不同的合成图像。
在较佳实施方式中，通过减去用极性相反的双极梯度(或第一磁矩M。 产生的两个信号，来检测除自旋运动以外的其它因素所导致的背景相位。 一种 为实现相同结果的备选方式是用相同的脉冲序列来采集第二投影视图，但不 用任何运动编码(即M产0)。所得的两个采集到的信号之差将揭示不期望的
背景相移，但是所得的速度图像的SNR减小了。本实施方式具有时间优势，即
一个、两个或三个不同的运动方向编码都可以使用单个参考采集。由此，作为 上述较佳实施方式中的六次采集的替代，在每一个投影角度下只需要四个。另
外，也可以使用"4-点平衡/hammard"编码方案。
本发明的另一个备选实施方式使用一种用于在图像重构过程中保存符号 信息的不同方法。不再像上文所述那样重构绝对值(即速度)图像并将它们与 符号映射中所包含的方向信息合并起来，单独的正速度图像和负速度图像可以 被重构并且被组合起来以形成速度图像。在这种情况下，不再在过程框201处 形成绝对lil和lQl分量图像帧，形成了正的I和Q以及负的I和Q分量图像帧。
在高度约束的背投步骤之后，如上所述，所有这些都被单独处理，并且接下来 被组合。
本发明可特别应用于运动编码采集过程，其中自旋运动被反映在相位差信 息中，并且在高度约束的背投过程中必须保存正确的相位信息。也有其它的应 用，其中必须保存相位差信息或相位信息。本发明也应用于这些情形。例如， 有一些应用，其中运动编码脉冲序列并不用于采集上述两组被减去以形成复数 差数据组307的投影视图。本发明像上文描述的那样被用在该复数差数据组上， 以重构相应的复数差图像。此外，有一些应用，其中通过使用高度约束的重构 方法，采集到的一组复数投影视图被用于重构图像，并且相位信息将要被保存。 在这种应用中，上述过程被用在多组复数投影视图上，并且相应的合成图像被 重构，从中可提取准确的相位信息。
权利要求
1.一种用于产生位于核磁共振成像系统的视场(FOV)中的受试者的图像的方法，所述方法包括如下步骤a)在使用具有沿第一方向指向的运动敏化梯度的脉冲序列的情况下，用MRI系统采集一组位于FOV中的受试者的投影视图，这组投影视图形成第一欠采样图像数据组；b)在使用具有沿第一方向指向的不同的运动敏化梯度的脉冲序列的情况下，用MRI系统采集位于FOV中的受试者的第二组投影视图，该第二组投影视图形成第二欠采样图像数据组；c)多次重复步骤a)和b)以采集附加的第一和第二组投影视图，其中附加的多组投影视图中的投影视图是交错的；d)通过减去每一个所述第一和第二欠采样图像数据组中相应的投影视图中的I和Q分量，产生多个复数差投影数据组；e)从相应的多个复数差投影数据组中，重构多个欠采样的复数差图像；f)从多个复数差图像中，产生多个I分量投影数据组；g)从多个所述I分量投影数据组中的投影数据中，产生I分量合成图像；h)从多个复数差图像中，产生多个Q分量投影数据组；i)从多个所述Q分量投影数据组中的投影数据中，产生Q分量合成图像；j)通过下列步骤从I分量投影数据组中重构I图像j)i)将I分量投影数据组中的投影视图背投到FOV中，并且用I分量合成图像中相应的像素的归一化数值对被背投到每一个I图像像素中的数值进行加权；和j)ii)对用于每一个I图像像素的背投数值进行求和；k)通过下列步骤从Q分量投影数据组中重构Q图像k)i)将Q分量投影数据组中的投影视图背投到FOV中，并且用Q分量合成图像中相应的像素的归一化数值对被背投到每一个Q图像像素中的数值进行加权；和k)ii)对用于每一个Q图像像素的背投数值进行求和；以及1)将重构出的I图像与重构出的Q图像组合起来以形成复数差图像。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤j)i)和k)i)中按照下式 来计算每一个I和Q图像像素背投数值Sn:sn=(Pxcn)/|x其中P^4皮背投的I或Q分量投影视图数值； Cn = I或Q分量合成图像中相应的像素值；Sn二在被重构的I或Q图像中沿背投路径第n个像素的值；以及 N二沿背投路径的像素的总数。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述FOV是三维的，产生三 维复数差图像，并且在步骤j)和k)中被重构的I和Q图像是I(x, y, z) = Z (P(r, e,小)* C(x, y, z)(r,M> / Pc(r, 9,小) Q(x, y, z) = J] (P(r, 9,小)* C(x, y, z)(r,e,w / Pc(r, 0,小)其中在用于重构I或Q图像的所有投影视图上进行求和(i:); 1(^)是在重构的I图像中像素位置x、 y、 z处的图像值；Q(x,")是在重构的Q图像中像素x、 y、 z 处的图像值；P(^)是从按视角9、小采集到的I或Q分量投影视图中背投出的数值; C(w)是在像素位置x、 y、 z处的I或Q分量合成图像数值；以及Pe(r,e,(())是在视角为e、纟时来自I或Q分量合成图像的投影分布数值。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，通过用不同的I分量投影数据 组和Q分量投影数据组来重复步骤j)、 k)和l)，产生附加的复数差图像。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括从复数差图像中，产 生相位图像。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括从复数差图像中，产 生速度图像。
7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括m)用步骤a)、 b)和c)中的沿第二方向指向的运动编码梯度来重复步骤a) 到l)，以便产生第二复数差图像；n)用步骤a)、 b)和c)中的沿第三方向指向的运动编码梯度来重复步骤a) 到l)，以便产生第三复数差图像；以及o)用上述三种复数差图像来产生速度图像。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括 从欠采样的复数差图像中，计算符号映射；以及 使相位图像乘以符号映射。
9. 一种用于产生位于核磁共振成像系统的视场(FOV)中的受试者的图像的 方法，所述方法包括如下步骤a) 使用脉冲序列，用MRI系统采集一组位于FOV中的受试者的投影视图， 这组投影视图形成第一欠采样图像数据组；b) 使用脉冲序列，用MRI系统釆集位于FOV中的受试者的第二组投影视 图，第二组投影视图形成第二欠采样图像数据组；c) 多次重复步骤a)和b)以采集附加的第一和第二组投影视图，其中附加 的多组投影视图中的投影视图是交错的；d) 通过减去每一个所述第一和第二欠采样图像数据组中相应的投影视图 中的I和Q分量，产生多个复数差投影数据组；e) 从相应的多个复数差投影数据组中，重构多个欠采样的复数差图像；f) 从多个复数差图像中，产生多个I分量投影数据组；g) 从多个所述I分量投影数据组中的投影数据中，产生I分量合成图像；h) 从多个复数差图像中，产生多个Q分量投影数据组；i)从多个所述Q分量投影数据组中的投影数据中，产生Q分量合成图像；j)通过下列步骤从I分量投影数据组中重构I图像j)i)将I分量投影数据组中的投影视图背投到FOV中，并且用I分量 合成图像中相应的像素的归一化数值对被背投到每一个I图像像素中的数值进 行加权；和j)ii)对用于每一个I图像像素的背投数值进行求和； k)通过下列步骤从Q分量投影数据组中重构Q图像k)i)将Q分量投影数据组中的投影视图背投到FOV中，并且用Q分 量合成图像中相应的像素的归一化数值对被背投到每一个Q图像像素中的数值 进行加权；和k)ii)对用于每一个Q图像像素的背投数值进行求和；以及 1)将重构出的I图像与重构出的Q图像组合起来以形成复数差图像。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤j)i)和k)i)中按照下式 来计算每一个I和Q图像像素背投数值Sn:Sn=(PxCn)/:^Cn其中P^4皮背投的I或Q分量投影视图数值； Cn = I或Q分量合成图像中相应的像素值；Sn-在被重构的I或Q图像中沿背投路径第n个像素的值；以及 N二沿背投路径的像素的总数。
11. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述FOV是三维的，产生三维复数差图像，并且在步骤j)和k)中被重构的I和Q图像是<formula>formula see original document page 5</formula>其中在用于重构I或Q图像的所有投影视图上进行求和(S); l(x,w)是在重构的I图像中像素位置x、 y、 z处的图像值；Q(x,y,z)是在重构的Q图像中像素x、 y、 z 处的图像值；P(^，w是从按视角e、小采集到的I或Q分量投影视图中背投出的数值； 、是在像素位置x、 y、 z处的I或Q分量合成图像数值；以及Pc(r,e，()))是在视角为e、(()时来自i或Q分量合成图像的投影分布数值。
12. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过用不同的I分量投影数 据组和Q分量投影数据组来重复步骤j)、 k)和l)，产生附加的复数差图像。
13. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括从复数差图像中， 产生相位图像。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括 从欠采样的复数差图像中，计算符号映射；以及使相位图像乘以符号映射。
15. —种用于产生位于核磁共振成像系统的视场(FOV)中的受试者的图像的方法，所述方法包括如下步骤a) 使用脉冲序列，用MRI系统采集一组位于FOV中的受试者的投影视图， 这组投影视图形成第一欠采样图像数据组；b) 多次重复步骤a)以采集附加的第一组投影视图，其中附加的多组投影 视图中的投影视图是交错的；c) 从相应的多个投影数据组中，重构多个欠釆样的图像；d) 从多个欠采样的图像中，产生多个I分量投影数据组；e) 从多个所述I分量投影数据组中的投影数据中，产生I分量合成图像；f) 从多个欠采样的图像中，产生多个Q分量投影数据组；g) 从多个所述Q分量投影数据组中的投影数据中，产生Q分量合成图像；h) 通过下列步骤从I分量投影数据组中重构I图像h)i)将I分量投影数据组中的投影视图背投到FOV中，并且用I分量合成图像中相应的像素的归一化数值对被背投到每一个I图像像素中的数值进 行加权；和h) ii)对用于每一个I图像像素的背投数值进行求和； i)通过下列步骤从Q分量投影数据组中重构Q图像i) i)将Q分量投影数据组中的投影视图背投到FOV中，并且用Q分 量合成图像中相应的像素的归一化数值对被背投到每一个Q图像像素中的数值 进行加权；和i)ii)对用于每一个Q图像像素的背投数值进行求和；以及 j)将重构出的I图像与重构出的Q图像组合起来以形成复数图像。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，在步骤h)i)和i)i)中按照下 式来计算每一个I和Q图像像素背投数值Sn:Sn=(PxCn)《Cn其中P^被背投的I或Q分量投影视图数值； Cn = I或Q分量合成图像中相应的像素值；Sn二在被重构的I或Q图像中沿背投路径第n个像素的值；以及 N-沿背投路径的像素的总数。
17. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述FOV是三维的，产生 三维复数差图像，并且在步骤h)和i)中被重构的I和Q图像是-I(x, y, z) = Z (P(r, 9, <)>) * C(x, y, z)(r,M) / Pc(r, 0, <)>) Q(x, y, z) = J] (P(r, e, ())) * C(x, y, z)'*) / Pc(r, 6,小)其中在用于重构I或Q图像的所有投影视图上进行求和(2); I, 7、是在重构的I图像中像素位置x、 y、 z处的图像值；Q(x,y,z)是在重构的Q图像中像素x、 y、 z 处的图像值；P"^、是从按视角e、 (j)采集到的I或Q分量投影视图中背投出的数值;C,、是在像素位置x、 y、 z处的I或Q分量合成图像数值；以及Pe(r,e,小)是在视角为e、巾时来自i或Q分量合成图像的投影分布数值。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括从复数图像中，产生相位图像。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括: 从欠采样的图像中，计算符号映射；以及 使相位图像乘以符号映射。
全文摘要
采集一系列速度编码MR图像帧。为了增大采集到的图像帧的时间分辨率，采集径向投影，并且每一个图像帧都高度欠采样。在整个扫描过程中用于每一个速度编码方向的径向投影是交错的，并且从这些之中重构出合成相位图像，并且在一种高度约束的背投方法中使用该合成相位图像来重构用于每一个图像帧的速度图像，其中用合成图像中相应的像素的归一化数值对被背投到每一个图像像素中的数值进行加权。
文档编号G01R33/563GK101287997SQ200680035048
公开日2008年10月15日 申请日期2006年9月8日 优先权日2005年9月22日
发明者C·A·米斯特塔, J·维尔吉纳, K·M·约翰逊, O·维本 申请人:威斯康星校友研究基金会