专利名称：用于在磁共振断层造影成像中避免双重含义伪影的方法
技术领域：
本发明一般地涉及如在医学中应用于检查患者的核自旋断层造影(同义词磁共振断层造影，MRT)。其中，本发明尤其涉及一种用于避免双重含义伪影的方法，尤其是在不影响测量时间和信噪比的情况下采用自旋回波序列以及采用梯度回波序列时。
背景技术：
MRT以核自旋共振的物理现象为基础，并作为成像方法成功地应用于医学和生物物理中已有超过15年的历史。在这种检查方法中，将物体置于强的恒定磁场中。由此，使物体中原来不规则的原子的核自旋被对准。高频波此时能够将“有序的”原子核自旋激励成特定的振荡。这种振荡产生MRT中的实际测量信号，借助于适当的接收线圈将该测量信号接收。在此，通过使用由梯度线圈产生的非均匀磁�。梢远圆饬课锾逶诟鞲行巳で蛑小渤莆狥OV(英语Field Of View，视野)—在所有三个空间方向上进行空间编码，这通常被称为“位置编码”。
在MRT中，数据的记录在所谓的k空间(同义词频率空间)中进行。在所谓的图像空间中，借助于傅立叶变换使MRT图像与k空间中的MRT数据相关联。对在k空间上延展的对象的位置编码借助于在所有三个空间方向上的梯度进行。在此，对层的选择(在对象中确定一个拍摄层，通常在z轴上)、频率编码(确定该层中的一个方向，通常在x轴上)和相位编码(确定该层中的第二维，通常在y轴上)进行区分。
因此，首先例如在z方向上有选择地激励一个层。在该层中位置信息的编码通过组合相位编码和频率编码实现，借助该编码产生两个已经提到的正交梯度�。湓谝桓鲈趜方向上激励的层的举例中通过同样已经提到的梯度线圈在x和y方向上产生。
在图2A和图2B中示出了在MRT实验中要记录的数据的第一种可能的形式。所使用的序列是自旋回波序列。在该序列中通过90°激励脉冲在x-y平面内使自旋磁化。随着时间的持续出现磁化部分的相移，该磁化部分在x-y平面Mxy中构成了整个横向磁化。经过一定的时间(例如1/2TE，TE是回波时间)将一个180°脉冲这样入射到x-y平面上，即，在不改变单个磁化部分的进动方向和进动速度的情况下，反射相移的磁化成分。在另一段时间1/2TE之后该磁化成分又呈现在同一方向上，即称为“再相位化”的横向磁化的再生成，其可以相应地读出采集。横向磁化的完整再生成被称为自旋回波。
为了测量待测量对象的一个完整的层，将成像序列对于相位编码梯度例如Gy的不同的值重复N次，其中，在通过每个序列时对核共振信号(自旋回波信号)通过以Δt定时的模拟数字转换器(Analog Digital Wandler，ADC)，在读出梯度Gx存在的条件下以等距离的时间长度Δt进行扫描、数字化和存储N次。按照这种方式得到根据图2B的逐行表示的、具有N×N个数据点的数字矩阵(k空间矩阵或者k矩阵)(具有N×N数据点的对称矩阵只是一个例子，也可以产生非对称矩阵)。由这种数据组，可以通过对直接MRT图像的傅立叶变换，以N×N像素的分辨率再现所观察的层。
在具有诊断所需图像质量的自旋回波序列的情况下对k矩阵的扫描(拍摄多层时的k矩阵)典型地需要多分钟测量时间，这对于许多临床应用构成了问题。例如患者不能在所要求的时间内保持不动。在对胸部或者骨盆区域进行检查时，解剖运动通常不可避免(心脏和呼吸运动，蠕动)。一种用于加速自旋回波序列的途径在1986年作为快速自旋回波序列(Turbo-Spin-Echo-Sequenz，TSE序列)或者以缩写RARE(Rapid Acquisitionwith Relaxation Enhancement，利用弛豫增强的快速采集)公开(J.Hennig etal.Magn.Reson.Med.3，823-833，1986)。在该与传统的上述自旋回波方法相比快许多的成像方法中，在一个90°激励脉冲之后产生多个多重回波，其中对每个这种回波单独进行相位编码。在图3A中示出了分别产生七个回波情况的对应序列图。在每个回波之前和之后必须将相位编码梯度对应于所选择的傅立叶行接通。按照这种方式在每个HF激励脉冲(90°)之后得到k矩阵的行形式的扫描，如图3B所示。在本例中所需的总时间缩短的系数为7。图3A中的信号变化是被理想化表示的。实际上后续的回波由于横向磁化T2的衰变具有越来越小的振幅。
一种更迅速的成像序列由RARE与半傅立叶技术的结合构成，其1994年作为所谓的HASTE序列(Half-Fourier-Acquired-Single-Shot-Turbo-Spin-Echo，半傅立叶采集单射快速自旋回波)公布(B.Kiefer et al.，J.Magn.Reson.Imaging，4(P)，86，1994)。HASTE使用了与RARE同样的基本技术，但却仅扫描k矩阵的一半。k矩阵另一半借助于半傅立叶算法通过计算再现。其中，利用了这样的事实，即k矩阵的数据点关于k矩阵的中心点镜象对称地排列。出于这种原因，仅仅测量k矩阵一半的数据点而将原始数据矩阵通过在中心点上的反射(以及复共轭)计算地进行完善，是足够的。按照这种方式可以将测量时间减少一半。不过，伴随拍摄时间的减少信号噪声比(S/R)恶化 倍。
另一种按快速的方式得到或者扫描k矩阵的方法是“梯度回波成像"(GE成像，GE序列)的方法。一个典型GE序列的脉冲和梯度图解在图4中示意地表示出。如同在自旋回波序列中一样，这里出现了相对于层选择梯度Gz的相位滞后和相对于频率编码梯度Gy的相位超前。通过这些梯度接通对通过梯度引起的横向磁化的相移进行补偿，从而形成一个称为梯度回波(GE)的回波信号。其中回波信号仅通过梯度反转生成的序列被称为梯度回波序列(GE序列)。
与自旋回波序列不同，GE序列的命名系统是不统一的，其是针对各公司而不同的。两种最常见的GE序列被称为FLASH序列(英语为Fast-Low-Angle-Shot，快速低角度拍摄)和FISP序列(英语为Fast-Imaging-With-Steady-Precession，具有稳态进动的快速成像)。两者的差别仅仅在于，在FLASH序列中横向磁化在(利用阻流板梯度的)数据采集之后被破坏(破坏的GE序列)，而在FISP序列中使其最大(再现的GE序列)。因此，图4中的GE序列由于阻流板梯度构成了一个FLASH序列。
在借助于SE序列和借助于GE序列的MRT成像中通常都存在这样的问题，即，在通过HF脉冲的高频激励期间共振条件不仅在FOV(Field OfView，视野，通过基本磁场和梯度磁场的均匀性表示)中，而且也在不均匀的FOV边界区域中形成。这意味着，实际测量场的图像中通常叠加了不均匀区域的、伪影形式的干扰图像。这种不希望的伪影被成为“双重含义伪影”。基本磁场磁铁在z方向上的延展越短，越可能出现“双重含义伪影”。
迄今为止，仅仅可以在自旋回波序列中、而不可以在梯度回波序列中抑制双重含义伪影。在现有技术中(US 2002/0101237A1)这样实现抑制，即，与SE序列的常规层激励不同，在通过(90°)HF脉冲进行的层激励期间接通的层选择梯度，与在(180°)再聚焦脉冲期间接通的层选择梯度相比，在其符号或者极性上颠倒。这使得90°脉冲在FOV外的共振条件满足一个不同于具有颠倒的符号的180°脉冲应用中的共振条件的空间位置。因此，双重含义伪影不能形成，因为FOV外部激励的磁化不被再聚焦。目前，尚没有用于在GE序列中压制双重含义伪影方法的公开。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种新的磁共振断层造影的成像方法，通过该方法在不影响测量时间和信号噪声比的条件下，不仅在SE序列的应用中而且在GE序列的应用中避免了双重含义伪影的出现。
在按照本发明的、用于磁共振成像的方法中，通过对高频激励脉冲、层选择梯度脉冲、相位编码梯度脉冲和读出梯度脉冲的适当组合地接通，对一个在k空间矩阵按行进行扫描，并借助于傅立叶变换变换成在位置空间中的矩阵，其特征为，在对该k矩阵进行扫描期间将层选择梯度的极性反转。。其中，将各层选择梯度的极性分别关于k空间的行进行反转。
因此，与现有技术不同，不是在对各k空间行的扫描内进行层选择梯度的反转(例如在SE序列的情况中在90°激励脉冲期间正极性而在180°再聚焦脉冲期间负极性，两者都在一个k空间行中)，而是在k空间的行至k空间的行或者k空间的区域至k空间的区域之间进行反转。例如，在同样举例说明的SE序列中这意味着在第一k空间行内，在90°激励脉冲期间正极性而在180°再聚焦脉冲期间负极性；在第二k空间行内，在90°激励脉冲期间负极性而在180°再聚焦脉冲期间正极性，等等。可以想到关于极性和反转的所有可能的组合。
其中，在第一种可能的实施方式中，将层选择梯度的极性从一个k空间行向下一行按行反转。
这样，优选地将k矩阵的变换利用平行成像技术(SMASH，SENSE，GRAPPA)在这样的意义上实现，即，从k矩阵的偶数行再现出第一图像而从奇数行再现出第二图像。
在第二种可能的实施方式中，将层选择梯度的极性从k矩阵的一半向该k矩阵下一半进行反转。
优选将k矩阵的变换利用半傅立叶技术在这样的意义上实现，即，从k矩阵第一半再现出第一图像而从k矩阵第二半再现出第二图像。
可以将本发明的方法应用在梯度回波序列中，其中，对高频激励脉冲、层选择梯度脉冲、相位编码梯度脉冲和读出梯度脉冲组合地接通产生一梯度回波序列；以及将本发明的方法应用在自旋回波序列中，其中，对高频激励脉冲、层选择梯度脉冲、相位编码梯度脉冲和读出梯度脉冲组合地接通产生一自旋回波序列。
在两种情况下，可以按照本发明通过相关分析从第一和第二图像中得到各图像的不含伪影的图像信息。
优选地，可以将两幅没有伪影的图像相加，以便补偿信号噪声比的损失。
此外，可以优选地在相关分析中考虑根据所有k空间行变换的k矩阵的图像。
另外，本发明还提供了一种磁共振断层造影设备，用于实施本发明的方法，该设备具有带有所属梯度线圈的梯度放大器、一个输入显示终端、一个序列控制器和一个设备计算机以及一个模拟数字转换器(ADC)。
本发明的其它优点、特征和特性借助于附图由下面对实施方式的说明进一步说明。图中，图1示意地示出一台核自旋断层造影仪，图2A示意地示出公知的自旋回波序列的梯度脉冲电流函数的时间变化，图2B示意地示出在图2A的自旋回波序列中对k矩阵在时间上的扫描。
图3A示意地示出公知的快速自旋回波序列(TSE或RARE序列)的梯度脉冲电流函数的时间变化，其中产生七个自旋回波，图3B示意地示出在按照图3A的TSE或RARE序列中对k矩阵的时间上的扫描，图4示意地示出常规的破坏的梯度回波序列(FLASH序列)的梯度脉冲电流函数的时间变化，图5示意地示出本发明的GE序列(FLASH序列)的梯度脉冲电流函数的时间变化，其中，利用层选择梯度(Gz以及GS)的不同极性采集k矩阵的偶数和奇数行，图6示意地示出对于层选择梯度的两种极性的基本磁场和梯度磁场的叠加，通过该叠加k矩阵的不同区域(k矩阵的偶数和奇数行或者第一半和第二半)的双重含义伪影出现在位置空间中的不同区域上，图7A示意地示出一k矩阵，其偶数和奇数行利用层选择梯度的不同极性进行编码和读出，图7B示意地示出一k矩阵，其第一和第二半利用层选择梯度的不同极性进行编码和读出。
具体实施例方式
图1示意地示出一台核自旋断层造影仪，用于产生按照本发明的梯度脉冲。这里，核自旋断层造影仪的构造与常规断层造影仪的构造对应。基本磁场磁铁1产生一个时间上恒定的强磁�。糜诩蛘叨云肜缫桓鋈颂宕椴课坏亩韵蟮募觳榍蛑械暮俗孕�。核自旋共振测量所要求的基本磁场的高度均匀性在一个球型测量空间M中被定义，待检查的人体部分被带入该空间。为了支持均匀性要求以及特别是消除时间上不变的影响，在合适的位置加装了由铁氧磁性材料制成的填隙片。时间上变化的影响通过由补偿电源15控制的补偿线圈2消除。
在基本磁场磁铁1中安装了一个由三个分绕组组成的圆柱型梯度线圈系统3。每个分绕组通过一个放大器14被供以电流，以便在笛卡儿坐标系中产生各自方向上的线性梯度磁场。其中，梯度线圈系统3的第一分绕组产生x方向上的梯度Gx，第二分绕组产生y方向上的梯度Gy，而第三分绕组产生z方向上的梯度Gz。每个放大器14包括一个数模转换器，该转换器由一个序列控制器18控制用于准时地产生梯度脉冲。
在梯度线圈系统3的内部有一个高频天线4，它将由高频功率放大器30给出的高频脉冲变换成交变磁场，用于对待检查对象或对象的待检查部位的核自旋进行激励或者将核自旋对齐。高频天线4还将上述核自旋出发的交变磁�。赐ǔＳ梢桓龌蚨喔龈咂德龀搴鸵桓龌蚨喔鎏荻嚷龀宓穆龀逍蛄幸鸬暮俗孕夭ㄐ藕牛浠怀傻缪梗玫缪雇ü糯笃�7送至高频系统22的高频接收信道8。该高频系统22包括另外一个发送信道9，在其中产生用于激励磁核共振的高频脉冲。在此，各高频脉冲根据由设备计算机20规定的一个脉冲序列在序列控制单元18中被表示为复数序列。该数的序列作为实部和虚部通过各输入12送至高频系统22中的一个数模转换器并从那送至发送信道9。在发送信道9中将该脉冲序列调制到一个高频载波上，该载波的基本频率对应于在测量空间中核自旋的谐振频率。
通过发射接收转换器6实现由发射和接收操作间的转换。高频天线4在测量空间M中发射高频脉冲来激励核自旋，并对产生的回波信号进行扫描。相应获得的核共振信号在高频系统22的接收信道8中相位敏感地被解调制，并通过各自的模数转换器变换成测量信号的实部和虚部。通过图像计算机17从由此获得的测量数据中再现出图像。测量数据、图像数据和控制程序的管理通过设备计算机20进行。根据由控制程序预先给出的规定，序列控制器18控制各所需脉冲序列的产生和对应k空间的扫描。其中，序列控制器18尤其控制梯度在时间上正确的接通、具有特定相位和振幅高频脉冲的发送以及核共振信号的接收。高频系统22和序列控制18的时间基准由合成器19提供。产生核自旋图像相应控制程序的选择以及该产生的核自旋图像的建立通过终端21实现，该终端包括一个键盘以及一个或多个显示器。
本发明在于，产生一种新的HF激励模式并结合一种随后本身从中确定的图像再现方法。本发明的序列变化在序列控制器18或者设备计算机20中产生。图像再现同样在设备计算机20中实现。本发明思路基本在于，在k矩阵的测量以及扫描中对k矩阵的各行或者区域进行不同的编码，以便按照这种方式产生源自不同区域、并因此在位置空间(即在随后再现的图像)中分开而不是叠加地表示的双重含义伪影。编码是通过在HF激励期间层选择梯度的相应极性实现的。消除双重含义伪影例如通过对分别从不同编码的k矩阵区域再现的两幅图像的相关性分析实现。
下面，借助两种可能的实施方式对本发明进行解释图5示出了本发明第一种可能的实施方式的序列图。该本发明的序列例如是一个梯度回波序列(FLASH序列)。在最上面一行表示一个起始的α激励脉冲(HF激励脉冲)，而同时接通一个正的层选择梯度GS1。如在通常的FLASH序列中一样，在本情况下然后在接通为负的层选择梯度和读出梯度期间进行相位编码。通过同样然后接通为正的读出梯度(在发送HF激励脉冲之后的时间TE)产生梯度回波，并借助ADC(模拟数字转换器)读出。按照这种方式获取第一k矩阵行。最后通过一个在层选方向上的阻流板梯度场破坏残留的横向磁化。
下一个(用于测量第二k矩阵行)的序列运行仍以HF激励脉冲α(相同触发角α)开始。与第一序列运行不同，和HF激励脉冲同时接通的层选择梯度脉冲GS2的梯度振幅被反转。由此，第二序列运行的层选择梯度为负。第二序列运行的其余部分(没有再示出)又与第一序列运行对应，只是相位编码不同。其余后续序列运行的差别(除了不同的相位编码之外)在于层选择梯度振幅的符号的交替。如图7A中示出的那样，按照这种方式利用层选择梯度振幅的分别不同符号(极性1和极性2)对不带阴影的偶数k空间行和带阴影的奇数k空间行进行测量(在该例中偶数k空间行具有负的层选择梯度，而奇数k空间具有正的层选择梯度)。其作用是，在使用层选择梯度的第一(正的)梯度振幅GS1时，来自FOV边界区域的不希望的激励在一个随后应用的层选择梯度的反转(负的)梯度振幅GS2时的不均匀区域中的另一位置上进行。
图6说明这种事实情况，其示出了相继的序列运行在基本磁场上叠加的层选择梯度的梯度场GS1和GS2。梯度的变化在中心区域，特别是在FOV的区域内是线性的，而在两侧的边界区域在很大程度上是非线性的。这导致，在虚线表示的激励宽度(满足自旋共振条件的区域)内、但在FOV外的两个(在左侧和右侧的)边界区域获取不希望的共振信号。但是，通过层选择梯度GS1和GS2极性的反转不希望的激励发生在不均匀区域的不同位置。在图6的例子中GS1的不均匀性在右侧不带阴影的区域A1引起共振信号，而GS2的不均匀性在左侧带阴影的区域A2引起共振信号。两个区域A1和A2的激励在再现的图像中引起相对实际图像移动了N/2(N为k空间行的数目)的双重含义伪影，但是它们不交叉或者重叠。A1中的共振由于正的层选择梯度造成在图像中第一位置上的双重含义伪影，而A2中的共振由于负的层选择梯度造成在图像中第二位置(不同于第一位置)上的双重含义伪影。这样再现出的并且包含两个移动N/2的双重含义伪影的图像可以供选择地用于计算图像的实际伪影。
在利用分别交替的极性获取k空间行的情况中，可以利用平行成像技术(如SENSE或SMASH)确定实际图像。该步骤的前提是使用对应的多元件阵列线圈(Multi-Element-Array-Spulen)。借助平行图像再现可以分别从奇数原始数据行计算出一图像和从偶数原始数据行计算出一图像。根据层选择梯度的极性这两幅图像分别只显示一个或者另一个双重含义伪影。通过相关分析可以从这两幅图像中计算出在这些图像中不同的图像信息(双重含义伪影)。如已经提到的，为了使该方法更鲁棒，还采用包含移动N/2的伪影的图像或者图像的图像信息。最后，可以将利用平行图像再现得到的图像相加，以便补偿由于平行图像再现影响的信号噪声比损失。
代之以在每第二个原始数据行的拍摄时改变层选择梯度的极性，也可以在一个层位置所属的原始数据组内实行极性改变的不同次序。因此，在图7B所示的本发明的第二可能的实施方式中，对于所探测的k空间行的第一半的拍摄原始数据矩阵采用第一极性(例如正的、带阴影的区域)；而对于所探测的k空间行的第二半的拍摄原始数据矩阵采用第二极性(例如负的、不带阴影的区域)。借助于一种已经在前面描述的半傅立叶方法，根据k矩阵的对称性从原始数据矩阵的第一半(带阴影的)再现出完整的图像。对于原始数据矩阵的第二半(不带阴影的区域)的数据同样如此。在两幅这样得到的图像中双重含义伪影不重叠地出现在再现图像的不同位置上。通过例如相关分析可以从这两幅图像中计算出在图像中不同的图像信息(双重含义伪影)。然后，可以将从两个由半傅立叶再现得到的图像相加，以便补偿由于半傅立叶再现影响的信号噪声比损失。
总之，本发明MRT成像序列在于，在拍摄k矩阵特定行和数据的特定再现中，通过在梯度回波序列情况下反转层选择梯度的梯度振幅，以及在自旋回波序列情况下还附加的再聚焦脉冲的梯度振幅，可以在SE序列中和在GE序列中避免双重含义伪影的出现。
权利要求
1.一种用于磁共振成像的方法，其中，通过对高频激励脉冲、层选择梯度脉冲、相位编码梯度脉冲和读出梯度脉冲的适当组合地接通，对一个在k空间矩阵按行进行扫描，并借助于傅立叶变换变换成在位置空间中的矩阵，其特征在于，在对该k矩阵进行扫描期间将层选择梯度的极性反转。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将层选择梯度的极性从一个k空间行向下一行按行反转。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将k矩阵的变换利用平行成像技术(SMASH，SENSE，GRAAPPA)在这样的意义上实现，即，从k矩阵的偶数行再现出第一图像，而从奇数行再现出第二图像。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将层选择梯度的极性从k矩阵的一半向该k矩阵下一半进行反转。
5.根据利要求4所述的方法，其特征在于，将k矩阵的变换利用半傅立叶技术在这样的意义上实现，即，从k矩阵的第一半再现出第一图像而从该k矩阵第二半再现出第二图像。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述高频激励脉冲、层选择梯度脉冲、相位编码梯度脉冲和读出梯度脉冲的组合接通产生一梯度回波序列。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述高频激励脉冲、层选择梯度脉冲、相位编码梯度脉冲和读出梯度脉冲的组合接通产生一自旋回波序列。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，通过相关分析从所述第一和第二图像中得到各图像的不含伪影的图像信息。
9.根据利要求8所述的方法，其特征在于，将所述两幅不含伪影的图像相加，以便补偿信号噪声比的损失。
10.根据利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述相关分析中考虑根据所有k空间行变换的k矩阵的图像。
11.一种磁共振断层造影设备，用于实施根据上述权利要求1至10中任一项所述的方法，该设备具有带有所属梯度线圈(3)的梯度放大器、一个输入显示终端(21)、一个序列控制器(18)和一个设备计算机(20)，以及一个模拟数字转换器(ADC)。
全文摘要
本发明涉及一种用于磁共振成像的方法，其中，通过对高频激励脉冲、层选择梯度脉冲、相位编码梯度脉冲和读出梯度脉冲的适当组合地接通，对一个在k空间矩阵按行进行扫描，并借助于傅立叶变换变换成在位置空间中的矩阵，其中，在对该k矩阵进行扫描期间将层选择梯度的极性反转。
文档编号G01R33/54GK1573352SQ20041004846
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月10日 优先权日2003年6月10日
发明者伯索尔德·基弗 申请人:西门子公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
