ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ МУЛЬТИСРЕЗОВАЯ МР-ВИЗУАЛИЗАЦИЯ С ПОДАВЛЕНИЕМ АРТЕФАКТОВ БОКОВОЙ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ
PARALLEL MULTI-SLICE MR-IMAGING WITH SUPPRESSION OF SIDE BAND ARTEFACTS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области магниторезонансной (MR) визуализации. Оно касается способа МР визуализации объекта. Настоящее изобретение также относится к МР-устройству и компьютерной программе, исполняемой на МР-устройстве.
Предпосылки изобретения
Способы формирования МР-изображений, в которых используется взаимодействие между магнитными полями и ядерными спинами для формирования двухмерных или трехмерных изображений, широко используются в настоящее время, в особенности в области медицинской диагностики, поскольку для визуализации мягких тканей они превосходят другие способы визуализации во многих отношениях, не требуют использования ионизирующего излучения и обычно не являются инвазивными.
0
1
Согласно МР-методу тело исследуемого пациента расположено в сильном однородном магнитном поле (поле B), направление которого при этом определяет ось (обычно ось z) системы координат, на которой основаны измерения. Магнитное поле создает различные энергетические уровни для отдельных ядерных спинов в зависимости от напряженности магнитного поля. Переходы между этими энергетическим уровнями могут возбуждаться (спиновый резонанс) за счет приложения переменного электромагнитного поля (РЧ-поле, также называемое полем B) определенной частоты (так называемой Ларморовой частоты или МР-частоты). С макроскопической точки зрения распределение отдельных ядерных спинов создает общую намагниченность, которая может отклоняться от состояния равновесия за счет приложения электромагнитного импульса соответствующей частоты (РЧ-импульс), чтобы вектор намагниченности прецессировал относительно оси z. Прецессия описывает поверхность конуса, угол раскрытия которого называется углом поворота спинов. Величина угла поворота спинов зависит от напряженности и длительности приложенного электромагнитного импульса.
1
2
После окончания РЧ-импульса намагниченность спадает до исходного состояния равновесия, в котором намагниченность в направлении z вновь нарастает с первой временной постоянной T (время спин-решетчатой или продольной релаксации), и намагниченность в направлении, перпендикулярном направлению z, спадает со второй временной постоянной T (время спин-спиновой или поперечной релаксации). Изменение намагниченности может быть обнаружено посредством одной или более принимающих РЧ-катушек, которые расположены и ориентированы внутри объема для исследований МР-устройства так, чтобы изменение намагниченности измерялось в направлении, перпендикулярном направлению оси z.
Для осуществления пространственного разрешения в теле на однородное магнитное поле накладываются градиенты линейного магнитного поля, простирающиеся вдоль трех главных осей, что приводит к линейной пространственной зависимости частоты спинового резонанса. Сигнал, принимаемый принимающими катушками, содержит компоненты различных частот, которые могут быть связаны с разными местоположениями в теле. Данные МР-сигналов, полученные посредством РЧ-катушек, соответствуют диапазону пространственных частот и называются данными k-пространства. Набор данных k-пространства преобразуется в МР-изображение посредством преобразования Фурье или других соответствующих алгоритмов реконструкции.
Способы параллельного получения данных для ускорения сбора МР-данных известны в этой области давно. К способам этой категории относятся SENSE (Кодирование чувствительности), SMASH (Одновременный сбор данных пространственных гармоник) и GRAPPA (Обобщенный частично параллельный сбор данных с автоматической калибровкой). В SENSE, SMASH и GRAPPA и других методиках параллельного сбора данных используется сбор данных k-пространства с грубым шагом дискретизации, полученных от нескольких принимающих РЧ-катушек параллельно. В этих способах данные (сложных) сигналов от нескольких катушек комбинируются со сложным взвешиванием таким образом, чтобы подавлять артефакты грубого шага дискретизации (наложения) на окончательно реконструированных МР-изображениях. Этот тип комбинации сложных сигналов решетки иногда называется пространственной фильтрацией и включает в себя комбинацию, которая выполняется в домене k-пространства (как и в SMASH и GRAPPA) или в домене изображений (как в SENSE), а также способах, которые являются гибридными.
В публикации Larkman et al. (Journal of Magnetic Resonance Imaging, 13, 313-317, 2001) предлагается применять кодирование чувствительности также в направлении срезов в случае мультисрезовой визуализации для повышения эффективности сканирования. В публикации Breuer et al. (Magnetic Resonance in Medicine, 53, 684-691, 2005) предлагается усовершенствование этой базовой идеи за счет способа, в котором "управляемое наложение при параллельной визуализации дает большее ускорение" (CAIPIRINHA). В этом методе модифицируется появление артефактов наложения в каждом отдельном срезе во время мультисрезового сбора данных, улучшая последующую процедуру параллельной реконструкции изображений. Таким образом, CAIPIRINHA является методом параллельного мультисрезовой визуализации, который является более эффективным по сравнению с другими концепциями мультисрезовой параллельной визуализации, в которых используется только чистый способ постпроцессинга. В CAIPIRINHA множество срезов произвольной толщины и на произвольном расстоянии возбуждаются одновременно с использованием мультисрезовых РЧ-импульсов с модуляцией по фазе. Полученные данные МР-сигналов принимаются одновременно, давая наложенные изображения среза, которые выглядят сдвинутыми друг относительно друга. Сдвиг наложенных изображений среза контролируется посредством схемы фазовой модуляции РЧ-импульсов в соответствии с теоремой сдвига Фурье. От этапа кодирования фазы к этапу кодирования фазы мультисрезовые РЧ-импульсы применяют индивидуальный сдвиг фазы к МР-сигналам каждого среза. За счет этого сдвига улучшается числовое кондиционирование проблемы обратной реконструкции, разделяющей вклады отдельных сигналов рассматриваемых срезов. CAIPIRINHA обладает возможностью улучшать разделение наложенных изображений среза также в случаях, в которых срезы более близки друг к другу, так что чувствительности используемых принимающих РЧ-катушек не отличается резко в отдельных срезах, для которых получают изображения.
1
Однако обычные способы параллельного мультисрезовой визуализации имеют ограничения. Когда МР-сигналы с множеством частот возбуждаются одновременно посредством мультисрезового (или мультичастотного) РЧ-импульса, на реконструированных изображениях возникают так называемые артефакты боковой полосы частот. Эти артефакты вызваны МР-сигналами от областей, возбуждаемых непреднамеренно за счет одной или более боковых полос частот мультисрезового РЧ-импульса. Частоты боковой полосы могут быть гармониками высшего порядка основной частоты (основной полосы частот) соответствующего РЧ-импульса. Такие боковые полосы частот мультисрезового РЧ-импульса неизбежны на практике из-за ограничений аппаратного обеспечения используемого МР-устройства, например, нелинейности РЧ-усилителя. Характеристики артефакта боковой полосы частот зависят от индивидуальной нагрузки схемы РЧ-катушек, распределения B в пределах объема для исследований и основных частот при возбуждении несколькими полосами частот.
В публикации патентной заявки США US2014/218026 предлагается реконструкция изображений для данных k-пространства с возбуждением несколькими полосами частот с неполной выборкой вдоль направления кодирования фазы. Относительные фазы частых мультиполосных срезов можно оценить по взвешенной по чувствительности реконструкции данных без наложения. Известный способ формирования изображений дополнительно требует исходной калибровки функции оператора, представляющей предварительную информацию.
Сущность изобретения
Из указанного выше очевидно, что существует потребность в улучшенном способе параллельной мультисрезовой МР-визуализации. Целью настоящего изобретения является обеспечение мультисрезовой МР визуализации с эффективным подавлением артефактов боковой полосы частот.
В настоящем изобретении предлагается способ МР визуализации объекта, размещенного в объеме для исследований МР-устройства. Способ включает следующие этапы:
- воздействия на объект импульсной визуализирующей последовательности, содержащей мультисрезовые РЧ-импульсы для одновременного возбуждения двух или более пространственно разделенных срезов изображения,
- получения МР-сигналов, причем МР-сигналы получены параллельно посредством набора РЧ-катушек, имеющих различные профили пространственной чувствительности, в пределах объема для исследований, и
- реконструкции МР-изображений для каждого среза изображения по полученным МР-сигналам, причем вклады МР-сигналов от различных срезов изображения разделяются на основе профилей пространственной чувствительности РЧ-катушек, и артефакты боковой полосы частот, а именно вклады в МР-сигналы от областей, возбуждаемых одной или более боковыми полосами частот мультисрезовых РЧ-импульсов, подавляются на реконструированных МР-изображениях на основе профилей пространственной чувствительности РЧ-катушек.
априорному
Сущность настоящего изобретения состоит в подавлении артефактов боковой полосы частот на окончательно реконструированных изображениях среза исключительно за счет использования алгоритма параллельной реконструкции изображений (например, аналогично известному алгоритму SENSE). Для этой цели вклады МР-сигналов от срезов изображения отделяются от артефактов боковой полосы частот по настоящему изобретению без учета какой-либо предварительной информации о спектрах возбуждения мультисрезовых РЧ-импульсов. Другими словами, по настоящему изобретению не требуется знать или делать какие-либо предположения в отношении деталей спектра боковой полосы частот используемых РЧ-импульсов (таких как амплитуды компонентов боковой полосы частот по отношению к частоте основной полосы), чтобы можно было реконструировать МР-изображения, которые практически не имеют артефактов боковой полосы частот. Единственное предположение, которое необходимо сделать, относится к местоположению областей, возбуждаемых боковыми полосами частот мультисрезовых РЧ-импульсов. Это местоположения, в которых боковая полоса частот (обычно гармоники высшего порядка основной частоты соответствующего РЧ-импульса) находятся в резонансе в присутствии соответствующим образом приложенного срез-селектирующего градиента магнитного поля. Подавление, достигнутое по настоящему изобретению, не очень чувствительно к точному  местоположению артефактов боковой полосы. Очевидно, что при итеративном способе требуется только несколько итераций для достижения сходимости. Развертывание артефактов боковой полосы подразумевает внутреннюю согласованность, которая вызывает итеративное схождение для разделения фактических вкладов боковой полосы в их правильном местоположении. При этом развертывании используются вклады МР-сигналов срезов изображения, которые преобладают над вкладами сигналов боковой полосы частот.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения вклады МР-сигналов от срезов изображения отделены от артефактов боковой полосы частот за счет использования модели сигналов полученных МР-сигналов, причем модель сигналов включает в себя вклады сигналов от (i) срезов изображения и (ii) областей вне срезов изображения, которые (потенциально) возбуждаются одной или более боковыми полосами частот мультисрезовых РЧ-импульсов. В возможном варианте осуществления параметром модели сигналов может быть отношение этих двух вкладов сигналов, которое в основном будет значительно меньше единицы, поскольку можно предположить, что энергия боковой полосы частот мультисрезовых РЧ-импульсов гораздо меньше, чем их энергия для основной полосы частот. Артефакты боковой полосы частот, т.е., вклады МР-сигналов от областей вне срезов изображения, могут быть реконструированы (и, тем самым, подавлены/вычтены на окончательно реконструированных МР-изображениях) путем решения набора линейных уравнений, аналогичных, например, обычной схеме реконструкции SENSE, в которой отношение вкладов двух сигналов регулируется итеративно. В практических случаях 2-5 итераций будет достаточно для достижения сходимости. Только приблизительные характеристики спектра могут быть нужны для моделирования полученного сигнала магнитного резонанса. Эта модель включает отношение вклада основной и боковой полосы частот по меньшей мере в качестве исходного параметра, который может быть определен автоматически при итеративном способе.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения мультисрезовые РЧ-импульсы модулируются по фазе, причем схема фазовой модуляции содержит изменение сдвига фаз, чтобы фазовый цикл был применен для МР-сигналов каждого среза изображения. Таким образом, способ по настоящему изобретению скомбинирован с известной схемой CAIPIRINHA (см. выше). Предпочтительно сдвиг фазы линейно возрастает от этапа кодирования фазы к этапу кодирования фазы с конкретным приращением фазы, прикладываемым к каждому срезу изображения. Таким образом, индивидуальный сдвиг каждого среза изображения контролируется посредством схемы фазовой модуляции РЧ-импульсов в соответствии с теоремой сдвига Фурье.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения МР-сигналы получают с неполной выборкой в направлении в плоскости срезов изображения. В этом случае МР-изображения срезов изображения могут быть реконструированы по известным самим по себе алгоритмам параллельной реконструкции изображений, аналогичным SENSE, SMASH или GRAPPA.
Описанный выше способ по настоящему изобретению может быть осуществлен посредством МР-устройства, содержащего по меньшей мере одну катушку основного магнита для генерирования однородного постоянного магнитного поля в пределах объема для исследований, несколько градиентных катушек для генерирования переключаемых градиентов магнитного поля в различных пространственных направлениях в пределах объема для исследований, набор РЧ-катушек для приема МР-сигналов от тела параллельно, причем РЧ-катушки имеют различные профили пространственной чувствительности, блок управления для управления временной последовательностью РЧ-импульсов и переключаемыми градиентами магнитного поля и блок реконструкции. Способ по настоящему изобретению может быть осуществлен, например, посредством соответствующего программирования блока реконструкции и/или блока управления МР-устройства.
Способ по настоящему изобретению может быть предпочтительно применен для большинства МР-устройств, используемых клинически в настоящее время. Для этого нужно просто использовать компьютерную программу, посредством которой осуществляется управление МР-устройством, чтобы оно выполняло поясненные выше этапы способа по настоящему изобретению. Компьютерная программа может быть представлена на носителе данных или в сети данных, чтобы ее можно было загрузить для установки на блок управления МР-устройства.
Краткое описание чертежей
На приложенных чертежах представлены предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако следует понимать, что чертежи представлены только для целей иллюстрации, а не определения пределов настоящего изобретения ими. На чертежах:
на фиг. 1 показано МР-устройство для осуществления способа по настоящему изобретению;
на фиг. 2a показано изображение МР-срез, полученный с помощью обычной схемы мультисрезового сбора данных;
на фиг. 2b показано изображение МР среза с подавлением артефактов боковой полосы частот по настоящему изобретению;
на фиг. 2c показан вклад артефактов боковой полосы частот в изображение МР среза по фиг. 2a.
Подробное описание
На фиг. 1 показано устройство 1 МР-визуализации. Устройство содержит катушки 2 сверхпроводящего или резистивного основного магнита, что создается практически однородное, постоянное во времени основное магнитное поле вдоль оси z через объем для исследований.
Система получения и управления магнитным резонансом прикладывает серию РЧ-импульсов и переключаемые градиенты магнитного поля для инвертирования или возбуждения ядерных магнитных спинов, индуцирования магнитного резонанса, рефокусировки магнитного резонанса, управления магнитным резонансом, пространственного или иного кодирования магнитного резонанса, насыщения спинов и подобного для выполнения МР-визуализации.
Более конкретно, усилитель 3 градиентных импульсов прикладывает импульсы тока к выбранным градиентным катушкам 4, 5 и 6 для всего тела вдоль осей x, y и z объема для исследований. Цифровой радиочастотный передатчик 7 передает РЧ-импульсы или пакеты импульсов посредством передающего/принимающего переключателя 8 на объемную РЧ-катушку 9 для всего тела, чтобы передавать РЧ-импульсы в объем для исследований. Типичная визуализирующая МР последовательность состоит из пакета сегментов РЧ-импульсов небольшой длительности, которые в совокупности и с какими-либо приложенными градиентами магнитного поля позволяют достигнуть выбранного управления ядерным магнитным резонансом. РЧ-импульсы используются для насыщения, возбуждения, инверсии намагниченности, рефокусировки резонанса или управления резонансом и выбора участка тела 10, позиционированного в объеме для исследований.
Для генерирования МР-изображений ограниченных областей тела 10 посредством параллельной визуализации, набор локальных РЧ-катушек 11, 12, 13 размещают с примыканием к области, выбранной для визуализации.
Результирующие МР-сигналы захватываются РЧ-катушками 11, 12, 13 и демодулируются приемником 14, предпочтительно содержащим предусилитель (не показан). Приемник 14 присоединен к РЧ-катушкам 9, 11, 12 и 13 посредством передающего/принимающего переключателя 8.
Главный компьютер 15 управляет усилителем 3 градиентных импульсов и передатчиком 7 для генерирования какой-либо из множества визуализирующих МР последовательностей, такой как эхо-планарная визуализация (EPI), визуализация объемного эхо-сигнала, визуализация градиентного и спинового эхо-сигналов, визуализация быстрого спинового эхо-сигнала и подобного. Для выбранной последовательности приемник 14 принимает одну или множество линий МР-данных в быстрой последовательности после каждого возбуждающего РЧ-импульса. Система 16 сбора данных выполняет аналого-цифровое преобразование принятых сигналов и преобразует каждую линию МР-данных в цифровой формат, подходящий для дальнейшей обработки. В современных МР-устройствах система 16 сбора данных представляет собой отдельный компьютер, который предназначен специально для получения исходных данных изображений.
В конечном итоге цифровые исходные данные изображений реконструируются в представление изображения процессором 17 реконструкции, который применяет преобразование Фурье или другие соответствующие алгоритмы реконструкции. МР-изображение может представлять собой планарный срез тела пациента, набор параллельных планарных срезов, трехмерный объем или подобное. Изображение затем сохраняется в памяти изображений, откуда к нему возможен доступ для преобразования срезов, проекций или других участков представления изображения в соответствующий формат для визуализации, например, посредством видеомонитора 18, который обеспечивает считываемое человеком индикаторное устройство для результирующего МР-изображения.
Далее поясняется вариант осуществления подхода к визуализации по настоящему изобретению со ссылкой на фиг. 1 с последующей ссылкой на фиг. 2.
Согласно изобретению на тело 10 пациента воздействует визуализирующая последовательность, содержащая мультисрезовые РЧ-импульсы, посредством которых ядерные спины в пределах двух или более пространственно разделенных срезов изображения возбуждаются одновременно. МР-сигналы, генерируемые за счет визуализирующей последовательности получают параллельно посредством катушек 11, 12, 13, имеющих различные профили пространственной чувствительности. Аналогично обычным мультисрезовым методам МР-изображение реконструируется для каждого среза изображения по полученным МР-сигналам, причем вклады МР-сигналов от различных срезов изображения разделяются на основе (известных) профилей пространственной чувствительности РЧ-катушек 11, 12, 13. Алгоритм, применяемый для разделения срезов изображения, который фактически соответствует обычному алгоритму развертывания SENSE, описан более подробно далее:
Во-первых, рассматриваются, по N различным срезам изображения, все положения  изображения, которые дают вклад в одно местоположение  в полученном МР-сигнале  каждой из M принимающих катушек. Это может быть представлено в виде матрицы-вектора, как:
Здесь вектор  обозначает полученные МР-сигналы  в каждой из M РЧ-катушек 11, 12,13 в виде линейной комбинации взвешенных по чувствительности вкладов  сигналов от N различных срезов изображения, в то время как матрица  обозначает матрицу чувствительностей (NxM), где  представляет чувствительность катушки для j-ой катушки и i-ого среза в положении . Решение этой системы уравнений, включающей инверсию матрицы кодирования, дает вектор , который содержит соответствующие N МР-сигналов, специфических по срезу:
Матрица  является псевдо-обратной по отношению к матрице , и ее норма описывает распространение ошибки от получения МР-сигналов на окончательном изображении. Эта норма мала в случае надежного кондиционирования.
Согласно изобретению артефакты боковой полосы частот, а именно вклады в МР-сигнал от областей, возбуждаемых одной или более боковыми полосами частот мультисрезовых РЧ-импульсов, подавляются на реконструированных МР-изображениях на основе профилей пространственной чувствительности РЧ-катушек 11, 12, 13. Для достижения этого используется модель сигнала, содержащая вектор , который содержит N вкладов МР-сигналов основной частоты, специфических по срезу в положениях , и дополнительно вектор , который содержит L вкладов МР-сигналов боковой полосы частот, т.е., вклады МР-сигналов от областей вне срезов изображения, которые потенциально возбуждаются компонентами боковой полосы частот мультисрезовых РЧ-импульсов. С этой моделью полученные МР-сигналы посредством каждой из M принимающих катушек можно записать в матрицу в виде:
.
Здесь матрица  обозначает матрицу (N+L)xM чувствительности, где  - чувствительность катушки для j-ой катушки и вкладов основной полосы частот (i=1..N) и вкладов боковой полосы частот (i=N+1..N+L). Эта система уравнений может быть решена путем использования принципиально известного регуляризированного приложения SENSE:
.
Здесь - матрица регуляризации, и представляет собой отношение вкладов основной полосы и боковой полосы частот, с
.
Параметр  может быть получен в качестве пользовательского параметра или он может быть определен автоматически путем итеративного решения указанного выше уравнения, где  обновляется, как:
/
Здесь "среднее" следует понимать, как среднее по всем вокселям изображений и по вокселям изображений в пределах заранее определенной области вокруг заданного положения. Сходимость должна быть достигнута на практике после малого числа 2-5 итераций. В более общей модели параметр  может быть различен для каждой боковой полосы частот, так что может быть применен набор параметров . Решение вектора представляет собой N изображений МР-среза, который не имеет артефактов боковой полосы частот.
Это показано на фиг. 2. На фиг. 2a показано изображение МР-среза, реконструированное обычным образом по данным МР-сигналов, полученным для фантома параллельно посредством набора РЧ-катушек с использованием мультисрезового возбуждения. Белая стрелка указывает сильные артефакты боковой полосы частот в центре МР-изображения. На фиг. 2b показано изображение МР-среза, реконструированное по тем же самым данным МР-сигналов с использованием описанного выше модифицированного приложения SENSE для подавления артефактов боковой полосы частот по настоящему изобретению. Как показано, артефакты боковой полосы частот более или менее полно устранены на фиг. 2b. На фиг. 2c показаны артефакты боковой полосы частот (), отделенные от сигналов () основной полосы с помощью описанного выше приложения.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения приложение SENSE может быть дополнительно применено в направлении кодирования по фазе в плоскости с использованием соответствующего коэффициента приведения.