专利名称：高场强磁共振成像的自适应图像均匀性校正的制作方法
以下涉及诊断成像技术。其尤其应用于高场强(特别是大于或约3T的场强)的磁共振成像，且将具体参照这种磁共振成像进行描述。然而，该技术还应用于低场强磁共振成像和磁共振光谱学等。
在磁共振成像中，由于移相和改相等，组织的介电和导电性能导致磁共振激励和磁共振信号空间失真。这些失真在高场强中由于磁共振波长变短而变得更加严重。成像对象中的磁共振波长λres由以下公式给出λres=cϵ·γ·B---(1),]]>其中c是约为C＝3×108米每秒的光速值，γ是约为γ＝42MHz/T的回旋磁性比值，B是磁场幅度的特斯拉值，以及ε是包含成像对象的材料的介电常数。
对于ε1/2～9(人体组织的典型值)以及B＝1.5T的中等磁场强度，对象内的共振波长约为53cm，其稍稍大于典型成像感兴趣区的尺寸。对于一些当代临床磁共振扫描器中典型的较大场强B＝3.0T，对象内的共振波长减小至26cm，其与典型成像感兴趣区的尺寸相当或小于该尺寸。因此，对于约3.0T或更高的场强，由成像对象的介电和导电特性而导致的空间失真成为极其严重的问题。而且即使对于较低场强，如B＝1.5T，这些失真对于临床成像应用而言也会成问题。
介电和导电性效应导致磁共振激励中的失真。对于示范性的3.0T情况下，这些效应可导致额定90°射频激励脉冲在对象内产生空间可变翻转角(flip angle)，该翻转角在空间上变化因数约为2。也就是说，虽然打算产生额定90°翻转角，局部翻转角可以在约70°至140°的范围内变化。在磁共振接收期间也出现类似失真。这些失真导致横跨重建图像产生人为强度变化，且还会产生对比度问题。
过去，由介电和导电性效应产生的失真已通过施加到特定图像上的特定强度校正来解决。例如，如果图像的一半平均比另一半较亮以至于可看出该处的波长与成像体积的尺寸相当，将该较亮的半个图像乘以变暗因数以生成具有良好整体强度均匀性的视觉愉悦图像。这种特定方法通常不能被多个成像对象的统计分析或基本原理电磁模型证明是正确的。因此，这种特定校正可能错误地“校正”对应于成像对象物理特征的整个重建图像强度变化。此外，这种特定校正通常是空间粗糙的(例如图像象限的平衡强度)。
本发明提出一种克服上述及其它缺陷的改进的设备和方法。
根据一个方面，提供一种用于从磁共振成像数据生成重建图像的方法。提供一种存储的校正模式。所采集的磁共振成像数据被重建成成像对象的未校正重建图像。确定成像对象的至少一个特征。基于该至少一个特征从存储的校正模式中选择一个校正模式。采用选定的校正模式来校正该未校正重建图像以生成校正的重建图像。
根据另一方面，公开一种用于从采集的磁共振成像数据生成校正的重建图像的设备。提供将采集的磁共振成像数据重建成成像对象的未校正重建图像的装置。提供确定成像对象的至少一个特征的装置。提供基于该至少一个特征从存储的校正模式中选择一个校正模式的装置。提供采用选定的校正模式来校正该未校正重建图像以生成校正的重建图像的装置。
一个优点在于基于磁共振成像扫描器和成像对象的经验或基本原理分析提供成像对象介电和导电特性的强度校正。
另一个优点在于提供采用空间校正模式对由成像对象的介电和导电特性引起的失真进行的校正，该空间校正模式的生成不依赖于空间成像对象，但可调整该空间校正模式以补偿待校正的特定重建图像中成像对象的位置、尺寸、长宽比或其它特征。
又一个优点在于提供对磁共振激励期间所引入失真进行的第一校正和对磁共振接收期间所引入失真进行的第二校正。
在阅读下面的详细描述的优选实施例后，本发明的许多其它优点和有益效果对本领域普通技术人员将会变得更为明显。
本发明可采用各种部件和部件设置形式，且可采用各种过程操作和过程操作设置。附图只是为了解释说明优选实施例的目的，而不应解释为限制本发明。
图1图解示出磁共振成像系统包括磁共振成像扫描器和用于从采集的成共振成像数据生成校正重建图像的设备。
图2图解示出所存储的校正模式。
图3图解示出在未校正重建图像中确定选定的成像对象特征。
图4图解示出通过基于根据图3所确定的未校正重建图像中成像对象特征调整所存储的校正模式而生成的调整校正模式。
图5图解示出校正模式数据库和校正模式调整处理器的一个优选参见图1，磁共振成像扫描器10包括主磁线圈12，该线圈优选为超导线圈，虽然也可采用电阻主磁线圈或永磁体。主磁线圈12受到激励而在检测区域14内产生基本均匀的主磁场。磁场梯度线圈16在选定的空间方向上产生磁场梯度以对由激励射频线圈18而产生的磁共振进行空间编码。在图1中，示出全身(whole-body)射频线圈18；然而，局部线圈，如头部线圈、相控射频线圈阵列和感应线圈等可用于代替或与全身射频线圈18协作以激发磁共振和/或检测磁共振回波。
磁共振序列控制器30协调和控制耦合至全射射频线圈18的射频发射器34或另一个射频线圈以激发磁共振回波，并控制耦合至梯度线圈16的磁场梯度控制器32以对被激发的磁共振回波进行空间编码。耦合至全身射频线圈18的一个或多个射频接收器36或另一个射频线圈检测、解调和优选地使磁共振回波数字化并优选地将数字磁共振采样存储在k-空间存储器40内。重建处理器44进行基于傅里叶变换的图像重建或其它类型的图像重建以由所存储的k-空间磁共振采样生成未校正重建图像。该未校正重建图像存储在未校正图像存储器46内。
该未校正重建图像通常具有由于成像对象的介电和导电特性而导致的失真。为校正这些失真，采用从校正模式数据库50内检索到的存储校正模式。基于磁场强度、成像对象类型和方位以及成像扫描类型等选择该存储校正模式。在优选实施例中，选择存储校正模式的一个标准是对象的圆度。圆度适宜地定义为，例如，成像对象短轴长度和长轴长度之比。存储的校正模式用于调整未校正重建图像图像元素的强度以补偿由成像对象的介电和导电特性引起的强度的失真。
为补偿成像对象的位置、尺寸、长宽比、图像分辨率或其它特征与所检索到的存储校正模式之间的差异，参数计算处理器52分析该未校正重建图像或预扫描导航图像以确定未校正图像中成像对象的位置、尺寸、长宽比、图像分辨率或其它特征。校正模式调整处理器54调整存储的校正模式以生成在位置、尺寸、长宽比和图像分辨率等方面基本上与未校正重建图像中成像对象相匹配的已调整的校正模式。
图像校正处理器56将已调整的校正图像施加到未校正重建图像上以生成校正重建图像，在该图像中减少了由成像对象的介电和导电特性导致的失真。校正重建图像存储在校正图像存储器60内，由视频处理器62进行处理并显示在用户界面64上，通过本地计算机网络或因特网发送，或进行其它处理。优选地，用户界面64包括显示器、打印机或其它使放射师或其它操作者能够对重建图像进行观察、回顾或其它操作的输出设备。此外，用户界面64优选使放射师或其它操作者能够与磁共振序列控制器30沟通以产生磁共振成像序列、修改成像序列、激发成像序列或者控制磁共振成像扫描器10。
继续参见图1并进而参见图2-4，图中描述了由部件50、52、54、56实施的优选图像校正过程。图2图解示出从校正模式数据库50检索到的存储校正模式70。校正模式70适合于布置成以成像平面内位置(0，0)为中心的成像对象，该成像对象具有沿x维上的长度L、沿y维上的宽度W和长宽比W/L。图解的存储校正模式对应于，例如，沿胸部区域截取的人类成像对象的二维轴向平面图像切片。在所示出的实例中，在中央卵形区域，其顶锥角减小，要求较大校正。由于强度可随共振波长而改变，较高场强扫描器可具有含有多个高和低强度校正区域的更复杂模式。典型地，具有一定尺寸和长宽比W/L范围的校正模式族存储在校正模式数据库50内。
图3示出沿胸部区域截取的人类成像对象的二维轴向图像切片72的图像表示。成像对象布置成以成像平面内位置(Xo，Yo)为中心，且具有沿x维上的长度Lo，沿y维的宽度Wo和长宽比Wo/Lo，Lo小于存储校正模式70的相应长度L，Wo大于存储校正模式70的相应宽度W，Wo/Lo大于存储校正模式70的长宽比W/L。
由参数计算处理器52进行特征位置(xo，yo)和尺寸值Lo，Wo的确定。可采用边缘查找算法(edge-finding algorithm)以识别成像对象边缘，以及采用中心查找算法(center finding algorithm)以由所识别的边缘识别中心位置(xo，yo)来自动进行这些测量。边缘查找算法适于采用空间导数、卷积等以增强边缘，或可采用其它已知图像处理技术，如在x和y方向的预扫描投影图像，以识别边缘。中心查找算法可以是简单的中点计算(也就是，选择沿x维上长度Lo的中点作为xo，并选择沿y维上宽度Wo的中点作为yo)，或者中心查找算法可以是现有技术已知的更复杂算法，如迭代侵蚀(iterativeerosion)。
由于图像切片72和存储校正模式70之间的位置偏移和尺寸差别，将校正模式70直接应用到图像切片72上通常会产生不满意的结果。因此，在进行图像校正之前，校正模式调整处理器54对存储的校正模式进行调整以使模式移位或使模式与未校正重建图像中的成像对象相匹配。
图4示出由校正模式调整处理器54输出的已调整校正模式74。以适当的方法，校正模式调整处理器54调整存储校正模式70的分辨率使其与成像对象的分辨率相匹配。返回参见方程(1)，在小于约B＝8T的磁场中成像对象的共振波长大于约10cm。期望校正模式以与成像对象内共振波长相当的等级相对缓慢变化。因此，存储校正模式70可具有约1-2cm数量级的粗分辨率。相反，图像切片72将典型具有0.1-0.2cm数量级或更佳的较高分辨率。因此，校正模式调整处理器54优选进行插值，采用样条曲线拟合，或者增加存储校正模式70的元素数以产生具有图像切片72的分辨率的更高分辨率校正模式。
在调整存储校正模式的分辨率以与成像切片的分辨率相匹配后，校正模式调整处理器54调整存储校正模式的位置、尺寸和长宽比以与图像切片72中的成像对象相匹配。校正模式的适当调整由下式给出Fadj(x,y)=Ascalc·F((LLo)·(x-xo),(WWo)·(y-yo))---(2),]]>其中F(x，y)是在与图像切片72进行分辨率匹配后的图2中所示存储校正模式70，Fadj(x，y)是图4中所示的调整校正模式74，以及Ascale是调整整个图像亮度的可选择比例因数。差值项(x-xo)和(y-yo)分别校正沿x维和y维上的位置差，而比值L/Lo和W/Wo分别校正沿x维和y维的尺寸差。L/Lo和W/Wo的结合校正长宽比差。
所描述的校正模式调整处理器54的操作只是示范性的。其它的成像对象特定参数可进行类似调整。例如，成像对象相对于存储校正模式70的旋转可采用常规旋转变换式计算x′y′=cosαsinαcosα-sinαxy---(3),]]>其中α是(x′，y′)和(x，y)坐标系之间的旋转。在另一个考虑的变型中，存储校正模式70的一部分，例如对应于图3中所示的心脏76或其它组织的部分，被局部平移、拉伸或收缩以解决(account for)扩大的心脏或该部分中其它个体变化。
此外，也可不根据方程(2)采用单个基础校正模式以及用校正因数比L/Lo和W/Wo对尺寸差调整基础校正模式，而是可以采用从具有与成像对象最接近尺寸和长宽比的校正模式数据库中检索的两个或更多校正模式的线性插值计算Fadj(x，y)。采用(x-xo)和(y-yo)移位项对这些最接近校正模式进行平移以使其与中心(xo，yo)对准，并且对其进行分辨率调整以使与图像切片72的分辨率相匹配。对最接近校正模式进行插值以生成具有长Lo和宽Wo的插值校正图形。可选择地，可采用插值和比的结合。例如，可采用插值来基本上反映尺寸差，并可采用校正因数比L/Lo和W/Wo调整不同的长宽比。
调整校正模式74由图像校正处理器56施加以校正由介电或导电效应引起的失真。在一个适当的实施例中，调整校正模式74的空间元素包括多个乘法比例因数，其反映由成像对象的介电或导电效应引入图像的强度变化。在该实施例中，未校正重建图像的图像元素乘以调整校正模式74的相应空间元素以实现校正。该实施例中的校正补偿在激励和接收成像相位期间引入的失真。
横越对象的介电和导电特性中的变化导致通过各种机构的强度变化。顶锥角变化导致强度和对比度的变化。磁共振接收灵敏度还在横越成像对象的空间内变化。校正模式数据库50可选择地不仅存储强度校正模式族，还存储对比度校正模式族。对比度模式类似地用于指导对比度增强算法的空间选择性应用。例如，灰度级可与顶锥角成比例(线性、指数、幂等)放大。
强度和对比度模式可从具有与人类或其它成像对象相同的导电性、介电常数和其它特征的模型族中测量出。模型族还包括身体不同区域的模型。可替换地，可基于组织的标称介电常数和它们的标称位置和尺寸计算这些模式。当计算校正模式时，补偿横越对象的顶锥角变化且校正强度和对比度的发射模式优选分别从校正灵敏度变化和校正强度的接收模式进行计算。由于一些成像序列比其它更易受到顶锥角变化的影响，因此为不同序列计算发射模式族。
参见图5，在一个优选实施例中，校正模式数据库50存储分别施加的两族校正模式存储发射校正模式80、82和存储接收校正模式84。每个选定的存储发射模式和选定的存储接收校正模式由插值处理器86、88、90进行插值以与成像对象相匹配。调整发射校正模式的空间元素包含表示由成像对象的介电和导电效应导致的翻转角中的空间变化的翻转角因素。该校正分两部分进行。在第一部分中，翻转角与共振衰减时间常数(如T1、T2或T2*，取决于何种共振衰减机构占优势)结合以在逐个图像元素的基础上确定合适的发射校正模式。在第二部分中，调整接收校正模式在逐个图像元素的基础上作为乘法校正进行施加。
在该实施例中，模式数据库50保存有大量轮廓。其中存在一族校正顶锥角变化的发射对比度调整模式80和一族发射强度调整模式82。模式数据库50由扫描类型(对顶锥角变化的灵敏度)、对象尺寸特征和成像对象区域寻址，以选择最接近的发射模式。插值处理器86、88对最接近的发射模式进行调整和/或插值以形成选定的对比度模式和选定的发射强度模式。模式数据库50还存储由患者尺寸特征和成像区域寻址的接收或灵敏度模式族84。由插值处理器90对检索到的一个或多个接收模式进行调整和/或插值以生成接收强度模式。
发射和接收强度校正模式优选由合并处理器92合并以生成选定的强度校正模式。根据强度校正模式校正未校正图像以校正强度变化。该校正可用作乘法因数或其它加权因数。类似地，对比度模式用于调整图像对比度。例如，对比度校正可呈线性、指数或通过复合多项式公式等扩大或增加灰度级变化。对比度校正通常将随选定扫描序列而改变。
当然，各种所描述的模式库50中的模式仅是示范性的。这些模式可以各种方式结合以简化检索、减少存储空间、以及消除模式结合处理。
在此已描述了示范性二维轴向切片72的校正。然而，该校正处理易于扩展到三维图像的校正，其采用三维存储校正模式，对三维空间内的存储校正模式进行平移调整(也就是说，将三维校正模式平移到成像对象中心(xo，yo，zo))，并且包含第三个z维长度校正。上述另一种方式中，三维空间中的校正采用三维存储校正模式，该校正模式在进行分辨率调整以与图像体积分辨率相匹配后，根据下式进行调整Fadj(x,y,z)=F((LxLx,o)·(x-xo),(LyLy,o)·(y-yo),(LzLz,o)·(z-zo))---(4),]]>其中F(x，y，z)是在插值以使分辨率与图像体积相匹配后的存储三维模式，Fadj(x，y，z)是调整的体积校正模式，Lx，Ly，和Lz分别是图像体积中的成像对象在x，y和z维中的长度。在方程(4)中，省略了方程(2)的全部强度比例因数Ascale以缩短表达式，但在方程(4)中也可有选择地包含这些比例因数。
可选择地，可采用从校正模式数据50中检索到的具有与成像对象最接近尺寸和长宽比的两个或多个校正模式进行线性插值计算Fadj(x，y，z)。采用(x-xo)，(y-yo)，和(z-zo)移位项使这些最接近的校正模式平移以与中心(xo，yo，zo)对准，并且对这些最接近的校正模式进行分辨率调整以与图像体积进行分辨率匹配。对这些最接近校正模式进行插值以生成具有长度Lx，o，Ly，o，Lz，o的插值校正模式。可选择地，可采用插值校正和比例校正的结合。
存储在校正模式数据库50内的校正模式优选对应于各种类型的磁共振成像序列和成像区域。优选为每一类重建图像提供校正模式，如为轴向胸部图像、径向胸部图像、冠状胸部图像、轴向脑部扫描、冠状脑部扫描、冠状膝部扫描等，以及为典型与扫描器10联合使用的每个磁场提供校正模式。
存储校正模式可以各种方式生成。在一种方法中，获取模型的磁共振成像数据，该模型代表可能的成像对象并具有合适的介电和导电特性。例如，可采用由水、酒精、醋、硫酸铜和其它近似于人体组织的物质构建的模型。该模型可具不同性质的区域以模拟可能的成像对象的特定区域。在另一个方法中，可采用包括成像对象在内的材料的已知介电和导电数据和已知的射频线圈灵敏度特征由基本原理射频模式计算失真。在另一方法中，对多个采样对象获取未校正重建图像，并且从采样未校正重建图像的统计分析得出存储校正模式。
本发明已参照优选实施例进行描述。显然，在阅读和理解前述具体描述的基础上可进行修改和变更。本发明应解释为包括落入所附权利要求书或其等同表述的范围内的全部修改和变更。
权利要求
1.一种由采集的磁共振成像数据生成校正重建图像的方法，该方法包括将采集的磁共振成像数据重建成成像对象的未校正重建图像；确定成像对象的至少一个特征；基于该至少一个特征从存储校正模式族中选择校正模式；和采用选定的校正模式来校正该未校正重建图像以生成校正重建图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定至少一个特征包括确定成像对象的圆度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定至少一个特征包括确定成像对象沿未校正图像中第一横向维的长度，且其中该方法还包括调整沿该第一横向维的选定校正模式长度以与所确定的成像对象沿该第一横向维的长度相匹配。
4.根据权利要求3所述的方法，其中确定至少一个特征还包括确定成像对象沿未校正图像中第二横向维的长度，该第二横向维横穿第一横向维，且其中该方法还包括调整沿该第二横向维的选定校正模式长度以与所确定的成像对象沿该第一横向维的长度相匹配。
5.根据权利要求4所述的方法，其中确定至少一个特征还包括确定成像对象沿未校正图像中第三横向维的长度，该第三横向维横穿第一和第二横向维，且其中该方法还包括调整沿该第三横向维的选定校正模式长度以与所确定的成像对象沿该第三横向维的长度相匹配。
6.根据权利要求1所述的方法，其中确定至少一个特征包括确定成像对象沿未校正图像中横向维的长度，且其中该方法还包括对与沿横向维上的不同长度对应的存储校正模式进行插值以使校正模式与对象的成像区域相匹配。
7.根据权利要求1所述的方法，其中确定至少一个特征包括确定在未校正重建图像中成像对象的中心，且其中该方法还包括平移该选定的校正模式以使校正模式的中心与所确定的在未校正重建图像中成像对象的中心对准。
8.根据权利要求1所述的方法，其中未校正重建图像是二维的，且其中确定至少一个特征包括确定未校正重建图像中的中心坐标(xo，yo)、成像对象在x方向上的长度Lo和成像对象在y方向上的宽度Wo；和选择校正模式包括调整校正模式F(x，y)以根据下式生成调整的校正模式Fadj(x，y)Fadj(x,y)∝F((LLo)·(x-xo),(WWo)·(y-yo))]]>其中L和W是对应于未校正重建图像中成像对象的长度Lo和宽度Wo的校正模式F(x，y)的长度和宽度。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括确定未校正重建图像的分辨率；和对选定校正模式的图像元素进行插值以生成具有确定的未校正重建图像分辨率的调整的校正模式。
10.根据权利要求1所述的方法，其中校正未校正重建图像包括用未校正重建图像的图像元素值乘以校正模式的相应元素值。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括提供发射校正模式和接收校正模式；根据发射和接收校正模式校正未校正重建图像中的强度，且根据发射校正模式校正未校正重建图像中的对比度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中校正模式提供对象中翻转角变化图，且该方法还包括用基于由校正模式相应元素指示的翻转角变化计算的校正值来校正未校正重建图像的图像元素值。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括在对对象的选定区域进行成像之前，采集代表选定区域的模型的磁共振成像数据；将该模型的该磁共振成像数据重建成重建模型图像；和从模型特征和重建的模型图像中的差别确定校正模式。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括基于用于采集所采集的磁共振成像数据的磁共振成像扫描器、磁场强度和成像对象介电及导电特性的特征计算校正模式。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括采集对应于成像对象的多个采样对象的磁共振成像数据；将该采样对象的磁共振成像数据重建成采样重建图像；和基于该采样重建图像的统计分析计算校正模式。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括根据成像区域内一磁场强度处的磁共振波长产生校正模式。
17.一种用于从采集的磁共振成像数据生成校正重建图像的设备，该设备包括用于将采集的磁共振成像数据重建成成像对象的未校正重建图像的装置(44)；用于确定成像对象的至少一个特征的装置(52)；用于基于该至少一个特征从存储校正模式族中选择校正模式的装置(54)；和用于采用选定的校正模式来校正该未校正重建图像以生成校正重建图像的装置(56)。
18.根据权利要求17所述的设备，还包括存储校正模式数据库(50)，该数据库至少由磁场强度和图像分类进行索引，选择装置(54)访问数据库(50)以检索选定的校正模式。
19.根据权利要求18所述的设备，其中数据库(50)存储发射校正模式和接收校正模式。
20.根据权利要求18所述的设备，其中数据库(50)存储发射对比度校正模式、发射强度校正模式和接收强度校正模式。
21.根据权利要求18所述的设备，其中选择装置(54)包括下列中的一个用于对数据库(50)中的存储校正模式之一进行转换以生成与成像对象的至少一个特征相匹配的选定校正模式的装置(54)，和用于对数据库(50)中的多个存储校正模式进行插值以生成与成像对象的至少一个特征相匹配的选定校正模式的装置(86，88，90)。
22.一种磁共振成像设备包括用于采集成像对象的磁共振成像数据的磁共振成像扫描器(10)；和如权利要求17所述的用于从由磁共振成像扫描器(10)采集的磁共振成像数据生成校正重建图像的设备。
全文摘要
一种用于从由磁共振成像扫描器(10)采集的磁共振扫描数据生成校正重建图像的设备，包括由采集的磁共振成像数据重建校正磁共振图像的重建处理器(44)。参数计算处理器(52)确定成像对象的至少一个特征。校正模式调整处理器(54)基于该至少一个特征从存储校正模式族中选择校正模式。图像校正处理器(56)采用选定的校正模式来校正未校正重建图像以生成校正重建图像。
文档编号G06T7/00GK1846230SQ200480025419
公开日2006年10月11日 申请日期2004年8月30日 优先权日2003年9月4日
发明者M·福德雷尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司