一种减轻磁化率伪影的三维成像方法及系统

摘要

本发明公开了一种减轻磁化率伪影的成像方法，该方法包括：确定合成一幅三维图像所需三维子图像的数量、以及重建每一幅三维子图像需要使用射频脉冲激发被检体的次数；对于每一幅三维子图像，使用射频脉冲激发被检体所述次数，并施加读出梯度接收回波信号，然后根据该三维子图像的所有回波信号重建出该三维子图像；使用重建出的所有三维子图像，合成一幅三维图像。本发明还公开了一种减轻磁化率伪影的系统。应用本发明，能够基于高成像效率，显著减轻三维磁共振成像中的磁化率伪影。

说明书

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI，Magnetic Resonance Imaging)技术，特别涉及一种减轻磁化率伪影的三维成像方法及系统。

背景技术

磁共振成像是利用磁共振现象进行成像的一种技术。磁共振现象的原理主要包括：包含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子具有自旋运动，犹如一个小磁体，并且这些小磁体的自旋轴无一定的规律，如果施加外在磁场，这些小磁体的自旋轴将按外在磁场的磁力线重新排列，在这种状态下，用特定频率的射频(RF，Radio Frequency)脉冲进行激发，这些小磁体吸收一定量的能量而发生共振，就产生了磁共振现象。停止发射射频脉冲后，被激发的小磁体将吸收的能量逐步以电磁波的形式释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态。将小磁体发射的电磁波转化为频域信号，再经过空间编码等进一步处理即可重建图像。

在磁共振成像技术中，施加的外在磁场包括主磁场和梯度磁场两种，其中梯度磁场位于成像区域内，其作用是在主磁场内附加一个X、Y、Z正交的三维空间线性变化的梯度磁场，使不同位置的原子核具有不同的共振频率，是成像选层和空间编码的前提条件。

以轴位二维扫描为例，在上述Z方向施加选层梯度Gz，在Y方向施加相位编码梯度Gy，在X方向施加频率编码梯度即读出梯度Gx，图1示出了二维扫描中X、Y、Z方向上施加的梯度，其中101代表射频脉冲，以RF标识，第一个为90°脉冲，第二个为180°脉冲，在对原子核激发一次时，使用这样的一组脉冲；102代表选层(SS，Slice Selection)方向，以SS标识；103代表相位编码(PE，Phase Encode)方向，以PE标识；104代表读出(RO，Read Out)方向，以RO标识，105代表回波信号。成像时包括以下三个步骤施加梯度磁场：1)在选层方向102施加选层梯度Gz 11后，Z轴上不同位置的质子的频率不相同，此时利用某一频率的射频脉冲便可选择性的激发某一频率的质子，使得该频率的质子与其他频率的质子区分开来，将被激发的某一频率的质子称为一个层面，被激发的层面厚度由梯度场强和射频脉冲的带宽共同决定，当射频脉冲带宽越窄、梯度场强越大时，层面越薄，则该层面的图像分辨率越高，选层梯度Gz 11的施加位置与射频脉冲的激发位置对应；2)在被激发层面内施加相位编码梯度Gy 12，Y方向上不同位置的质子存在相位差，相位编码就是利用此相位差来决定质子的空间位置，相位编码梯度Gy 12的施加位置位于选层梯度Gz 11之后；3)在被激发层面的另一个方向施加读出梯度Gx 13，X方向上不同位置的质子所处的磁场强度不相同，形成的信号会以不同的频率进行衰减，读出梯度Gx 13的施加位置与相位编码梯度Gy 12的施加位置相同。在实施上述2)-3)步后，可以得到原子核发送的回波信号15，记录在k空间中，以横轴代表频率编码，以纵轴代表相位编码，形成一个数据矩阵，其中的列数为取样点数，而行数为相位编码步数。每1个回波信号填充k空间的1行，当扫描完成得到完整的数据矩阵后，进行二维傅立叶变换，重建被检体的图像。

与上述二维扫描相比，磁共振三维成像中的三维扫描在施加梯度方面有所不同，图2示出了三维扫描中X、Y、Z方向上施加的梯度，其中201代表射频脉冲，以RF标识，第一个为90°脉冲，第二个为180°脉冲；202代表选层方向，以SS标识；203代表相位编码方向，以PE标识；204代表读出方向，以RO标识；205代表回波信号。可以看出在选层方向202上，使用虚线表示的选层梯度Gz 21为可选施加梯度，即在选层方向202上可以不施加选层梯度，但选层方向202上必然会施加另一种三维梯度22，该三维梯度22的位置与相位编码梯度23的施加位置相同，但幅度不一定与相位编码梯度23相同，读出梯度24的施加位置位于射频脉冲之后。

磁化率是物质的基本属性之一，某种物质的磁化率是指该物质进入外在磁场后，磁化强度与外在磁场的比率，在磁共振成像时，两种磁化率差别较大的组织界面上将出现伪影，称为磁化率伪影。以人体成像为例，当人体内被检组织中有金属植入物时，该被检组织与该金属植入物就存在较大的磁化率差别，即存在磁化率不均匀的问题，这将会引起局部磁场不均匀，导致图像局部信号明显减弱或增强即图像信号不均匀，图像变形等。为尽可能减轻成像中的磁化率伪影，在大量的应用中发现采用自旋回波(SE，Spin Echo)类射频脉冲序列激发原子核，可以在二维成像中减少磁化率伪影，因此针对SE序列出现了一系列改进，以实现更好的消除磁化率伪影的目的，现有技术二维成像中主要包括以下两种对SE序列的改进方法：

①该方法可以称为投影角度倾斜(VAT，View angle tilting)方法，主要是在二维傅立叶成像序列基础上进行修改，具体为在施加读出梯度的同时，在选层梯度方向上施加额外的梯度。

图3示出了这种方法中使用的序列结构，其中301为SE序列组成的射频脉冲，以RF标识，第一个为90°脉冲，第二个为180°脉冲；302代表选层方向，以SS标识，在该方向上包括选层梯度31，以及箭头所指的额外选层梯度32；303代表相位编码方向，以PE标识，在该方向上包括施加的相位编码梯度33；304代表读出方向，以RO标识，在该方向上包括施加的读出梯度34。可以看出在施加读出梯度34的同时在选层方向302上施加额外的选层梯度32。在选层方向上施加额外的选层梯度后，可以使被检体的投影角度发生倾斜，以减轻化学位移对成像的影响。图4a示出的是选层方向未施加额外选层梯度之前存在化学位移伪影时的成像，其中41为被检组织，其中不同组织之间存在化学位移，42为成像，可以看出42上对应被检组织41存在化学位移的部位存在图像变形，以A和B分别标识。图4b示出的是选层方向施加额外选层梯度之后消除化学位移伪影时的成像，其中的θ为倾斜角度，43为被检组织，与图4a相同，其中不同组织之间也存在化学位移，44为成像，可以看出由于θ的存在，成像上对应被检组织43存在化学位移的部位不存在图像变形，因此在选层方向施加额外选层梯度之后，化学位移伪影对成像的影响得到了明显抑制。实践证明，该方法同样可以用来减少成像中由于金属植入物等引起的磁化率伪影。

但是该方法存在一定的缺陷，即投影角的倾斜会导致图像边缘模糊，为了克服图像边缘模糊的问题，目前存在加大读出带宽的方案，读出带宽为采集每个回波信号时间的倒数，加大读出带宽就是减小接收回波信号在k空间填充数据的时间，但这种做法将降低图像信噪比，从而降低图像的质量，使图像中的一些细节部分被湮灭。实验证明，为了减少磁化率伪影对成像的影响，使用该方法时需要比减少化学位移伪影更大的倾斜角，这将加剧图像边缘的模糊程度，如果采用更大的读出带宽，将使图像信噪比进一步变差。

②该方法也可以称为z-Shim方法，在普通二维傅立叶成像序列的选层梯度后，施加一系列称为匀场(shimming)的梯度。图5示出了这种方法中使用的序列结构，其中501为SE回波序列组成的射频脉冲，第一个为90°脉冲，第二个为180°脉冲；502代表选层方向，在该方向上施加选层梯度51，箭头所指52为施加的shimming梯度；503代表相位编码方向，在该方向上施加的相位编码梯度53；504代表读出梯度方向，在该方向上施加的读出梯度54。

该方法的理论基础是假设被检体的每个体素内，由于磁化率不均匀导致的磁场不均匀在选层方向上的空间分布为线性，通过在选层方向上施加一个和该磁场不均匀方向相反的磁场梯度，达到重聚相位克服磁化率伪影的目的。在成像时，每施加一个shimming梯度成一幅图像，施加若干个shimming梯度后，得到的若干幅图像，根据这若干个图像的成像效果，选择一个补偿效果最好的shimming梯度，作为最终成像的shimming梯度。

实践证明，该方法能够较好的克服磁化率不均匀所导致的图像信号不均匀问题，但找到最终成像的shimming梯度需要一个人工搜索的繁琐过程，扫描时间较长，即成像效率较差。

综上所述，目前在二维成像中针对减轻磁化率伪影所采取的方法，还无法基于高成像效率，取得较好的效果，也没有专门针对三维成像的减轻磁化率伪影的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个主要目的在于提供一种减轻磁化率伪影的三维成像方法，该方法能够基于高成像效率，显著减轻三维磁共振成像中的磁化率伪影。

本发明的另一个主要目的在于提供一种减轻磁化率伪影的三维成像系统，该系统能够基于高成像效率，显著减轻三维磁共振成像中的磁化率伪影。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种减轻磁化率伪影的三维成像方法，该方法包括：

确定合成一幅三维图像所需三维子图像的数量、以及重建每一幅三维子图像需要使用射频脉冲激发被检体的次数；

对于每一幅三维子图像，使用射频脉冲激发被检体所述次数，并施加读出梯度接收回波信号，然后根据该三维子图像的所有回波信号重建出该三维子图像；

使用重建出的所有三维子图像，合成一幅三维图像。

所述确定三维子图像的数量为：确定一幅三维子图像的层厚，使用一幅三维图像的层厚除以所述一幅三维子图像的层厚，得到所述三维子图像的数量。

所述被检体使主磁场偏移较大时所确定的三维子图像的层厚，小于所述被检体使主磁场偏移较小时所确定的三维子图像的层厚。

所述射频脉冲为：可变翻转角快速自旋回波序列，或自旋回波序列，或快速自旋回波序列。

该方法进一步包括：在施加读出梯度的同时，在选层方向上施加一个额外的选层梯度，使被检体的投影角度发生倾斜。

该方法进一步在接收回波信号时增加读出带宽。

所述合成的步骤是采用最大灰度投影方法或者自适应合成法实现的。

一种减轻磁化率伪影的三维成像系统，包括一个梯度磁场施加模块、一个激发模块、一个接收模块和一个成像模块，该系统进一步包括一个参数确定模块和一个合成模块，其中：

所述参数确定模块，用于确定合成一幅三维图像所需三维子图像的数量、以及重建每一幅三维子图像需要使用射频脉冲激发被检体的次数；

所述梯度磁场施加模块，用于在选层方向施加选层梯度，在相位编码方向施加相位编码梯度，以及在读出梯度方向施加读出梯度；

所述激发模块，用于向被检体发射射频脉冲，以激发被检体所述次数；

所述接收模块，用于在梯度磁场施加模块施加读出梯度时，接收被检体发送的回波信号；

所述成像模块，用于利用所述接收模块接收的同一个三维子图像的所有回波信号重建出一幅三维子图像；

所述合成模块，用于使用重建出的所有三维子图像，合成一幅三维图像。

所述梯度磁场施加模块进一步用于在读出梯度方向施加读出梯度的同时，在选层方向施加一个额外的选层梯度，使被检体的投影角度发生倾斜。

基于上述技术方案，本发明减轻磁化率伪影的三维成像方法及系统，利用被检体原子核发送的回波信号，重建若干幅三维子图像，再将所有得到的三维子图像合成为一幅三维图像。由于三维成像中，选层方向具有三维梯度，因此合成的三维图像包含了每一幅三维子图像扫描时所使用的不同三维梯度，相当于直接形成该三维图像时，施加了不同的z-shim梯度扫描的结果，即减轻了成像中的磁化率伪影。但直接形成三维图像时，需要每使用一个z-shim梯度时形成一次图像，并由人工搜索最佳补偿z-shim梯度的过程，因此使用上述合成三维图像的方法免去上人工搜索的过程，提高了成像效率。

进一步地，本发明技术方案中，还可以在选层方向上施加额外的选层梯度，使得投影角度发生倾斜，基于该倾斜的投影角度，可以改善由于磁化率不均匀导致的图像变形的问题；并且重建上述每一幅三维子图像时，都可以增加读出带宽以克服在选层方向上施加额外的选层梯度后所导致的图像边缘模糊；但上述增加读出带宽并不会降低图像信噪比，这是因为：合成三维图像的每一幅三维子图像，分别使用k空间中的数据进行重建，由于k空间中的数据都是根据原子核发送的回波信号填充，因此使用这种合成的方法时，相当于将每一幅的三维子图像使用的原子核发送的回波信号进行了平均，根据噪声随机出现的特性，上述平均使得最终的三维图像并不会因为重建每一幅三维子图像时增加了读出带宽而出现信噪比下降的缺陷。

附图说明

图1为现有技术二维扫描中在梯度磁场方向施加的梯度示意图；

图2为现有技术三维扫描中在梯度磁场方向施加的梯度示意图；

图3为现有技术中投影角度倾斜方法中使用的序列结构示意图；

图4a为现有技术中投影角度倾斜方法中，选层方向未施加额外选层梯度之前存在化学位移伪影时的成像示意图；

图4b为现有技术中投影角度倾斜方法中，选层方向施加额外选层梯度之后的成像示意图；

图5为现有技术中z-shim方法中使用的序列结构示意图；

图6为本发明减轻磁化率伪影的三维成像方法中使用的序列结构示意图；

图7为本发明减轻磁化率伪影的三维成像方法的流程图；

图8为本发明减轻磁化率伪影的三维成像系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些说明是非限制性的。

首先，介绍本发明减轻磁化率伪影的方法。

本发明减轻磁化率伪影的三维成像方法中，确定合成一幅三维图像所需三维子图像的数量、和重建每一幅三维子图像需要使用射频脉冲激发被检体原子核的次数；对于每一幅三维子图像，使用射频脉冲激发原子核确定的次数，并施加读出梯度接收回波信号，根据该三维子图像的所有回波信号重建出该三维子图像；使用重建出的所有三维子图像，合成一幅三维图像。

本发明减轻磁化率伪影的三维成像方法中，梯度磁场可以包括：在选层方向施加的选层梯度，在选层方向对应读出梯度的时间施加的额外的选层梯度；和在相位编码方向施加的相位编码梯度；和在读出方向施加的读出梯度。

在下文的描述中，将每使用射频脉冲激发原子核确定的次数后，重建的三维子图像称为三维薄层图像，将使用三维子图像合成的三维图像称为三维厚层图像。

本发明减轻磁化率伪影的三维成像方法中，射频脉冲可以选择可变翻转角三维快速自旋回波序列，这是一种已有的三维成像中使用的序列，和SE序列的区别在于，该序列由一个90°脉冲以及多个根据实际参数确定的其他角度脉冲组成，可以产生多个回波信号，称为回波链，每个回波链中的回波个数就是回波链长度。该序列增加了单位时间内接收回波信号的数量，使k空间的填充速度加快，提高了扫描效率。当然，除了上述可变翻转角三维快速自旋回波序列之外，本发明方法中的射频脉冲还可以采用SE序列等其他序列，采用SE序列时，扫描效率低于使用上述可变翻转角三维快速自旋回波序列。

图6示出了本发明方法中使用的序列结构，其中601为射频脉冲序列，即选用的可变翻转角三维快速自旋回波序列，第一个为90°脉冲、第二个为180°脉冲，第三个至第五个为预设角度的脉冲；602代表选层方向，该方向上施加选层梯度61和三维梯度62，其中箭头所指的为额外施加的选层梯度63，其中选层梯度61是可选施加的梯度，这一点在背景技术的三维成像中已做详细介绍；603代表相位编码方向，该方向上施加相位编码梯度64；604代表读出方向，在该方向上施加读出梯度65。可以看出602中额外施加的选层梯度63与604中施加的读出梯度65具有同时性，即在施加读出梯度65的同时，在选层方向施加额外的选层梯度63，该额外施加的选层梯度63的幅度可以与选层方向上正常施加的选层梯度61相同，也可以设置为其他值，具体可以根据实际需要任意设置，该额外施加的选层梯度63的宽度也就是时间长度，和读出梯度65相同。

与现有技术中使用SE序列进行二维成像的情况相同，在使用上述可变翻转角三维快速自旋回波序列进行三维成像时，在施加读出梯度的同时，在选层方向上施加额外的选层梯度，同样会使投影角度发生倾斜，基于该倾斜的投影角度，可以改善由磁化率伪影导致的图像变形问题。

在本发明减轻磁化率伪影的三维成像方法中，将最终需要得到的三维厚层图像，分为多幅薄层图像分别进行扫描，分层的依据是由于被检体处于外在磁场中时，会使外在磁场发生一定程度的偏移，当该偏移较大时，可以选择三维薄层图像的层厚较薄，而该偏移较小时，可以选择三维薄层图像的层厚较厚。例如如果最终需要得到的三维厚层图像为3毫米，可以将该三维厚层图像分为为6幅三维薄层图像分别扫描，每幅三维薄层图像为0.5毫米，图像的层厚可以通过控制射频脉冲的带宽来实现。使用厚层图像的层厚除以上述确定出的三维薄层图像的层厚，就可以得到三维薄层图像的数量。在重建每一幅三维薄层图像时，可能需要使用射频脉冲激发原子核若干次，该次数需要根据想得到的图像分辨率、扫描序列回波链长度等参数来确定，在不同的应用场景下，确定出不同的次数，具体的确定方法与通常的三维图像重建方法中确定激发原子核次数的方法相同。在使用射频脉冲激发原子核确定出的次数后，利用原子核发送的回波信号，使用通常的三维图像重建方法获得一幅三维薄层图像，当确定数量的三维薄层图像都重建完之后，将所有重建出的三维薄层图像合成一幅三维厚层图像。

在实际应用中，磁共振成像总是采用多层扫描的方式，假设需针对m个选定层面合成m幅三维厚层图像，合成该m幅三维厚层图像所需的三维薄层图像为n幅，上述m和n均为正整数，并且取值至少为2。将这n幅三维薄层图像分为m组，每一组中包括F幅三维薄层图像，上述每一组的F幅三维薄层图像就可以针对一个选定层面合成一幅三维厚层图像。

上述使用薄层图像合成厚层图像，可以采用目前已非常成熟的最大灰度投影(MIP，Maximum Intensity Projection)方法，在该方法中，最终得到的三维厚层图像上的每一像素点，由合成的每一幅三维薄层图像上的对应像素点的最大值合成。或者也可以采用其他成熟的合成技术，例如自适应合成法(Adapted Combine)技术进行合成得到最终的三维厚层图像。

图7为本发明减轻磁化率伪影的成像方法的流程图，该流程针对扫描一个选定层面从而合成一幅三维厚层图像为例。

图7所示该流程包括：

步骤701：确定合成一幅三维厚层图像所需三维薄层图像的数量、和重建每一幅三维薄层图像需要使用射频脉冲激发被检体原子核的次数。

步骤702：对于每一幅三维薄层图像，使用射频脉冲激发被检体原子核所述确定的次数，并施加读出梯度接收被检体原子核发送的回波信号。本步骤中使用的射频脉冲可以选用多种序列，例如可变翻转角快速自旋回波序列或者SE序列。

步骤703：根据一幅三维薄层图像的所有回波信号，重建该三维薄层图像。

步骤704：判断是否已经完成所有三维薄层图像的重建，如果是执行步骤705，否则返回执行步骤702。在本发明中，三维薄层图像是在每使用射频脉冲激发原子核确定的次数后重建得到的。确定三维薄层图像的数量时，可以先确定三维薄层图像的层厚，使用三维厚层图像的层厚除以三维薄层图像的层厚，确定出三维薄层图像的数量；也可以直接设置三维薄层图像的数量。

步骤705：将重建的所有三维薄层图像，合成一幅三维厚层图像。

其次，介绍本发明减轻磁化率伪影的系统。

图8为本发明减轻磁化率伪影的系统结构示意图，该系统包括：参数确定模块、梯度磁场施加模块、激发模块、接收模块、成像模块以及合成模块。

参数确定模块用于确定合成一幅三维图像所需三维子图像的数量、以及重建每一幅三维子图像需要使用射频脉冲激发原子核的次数，并向其它模块提供这些参数。

梯度磁场施加模块用于施加梯度磁场，具体包括：在选层方向施加选层梯度，在相位编码方向施加相位编码梯度，在读出梯度方向施加读出梯度。

激发模块用于按照参数确定模块确定出的激发的次数，向被检体原子核发射射频脉冲，以激发被检体原子核上述次数。

接收模块用于在梯度磁场施加模块在读出方向施加读出梯度时，接收被检体原子核发送的回波信号。

成像模块用于利用接收模块接收的同一个三维子图像的所有回波信号重建出一幅三维图像，并将参数确定模块所确定数量的三维子图像提供给合成模块。

合成模块用于使用重建出的所有三维子图像，合成一幅三维图像。

本发明减轻磁化率伪影的系统中，梯度磁场施加模块还可以进一步用于在读出梯度方向施加读出梯度的同时，在选层方向施加一个额外的选层梯度，使被检体的投影角度发生倾斜。

梯度磁场施加模块可以包括：

选层梯度施加单元，用于在选层方向时间选层梯度，还进一步用于在读出梯度施加单元施加读出梯度的同时，在选层方向对应读出梯度施加单元施加的读出梯度位置，施加额外的选层梯度，这个额外的选层梯度的宽度也就是时间长度，与读出梯度相同，幅度可以根据需要预先设定；

相位编码梯度施加单元，用于在相位编码方向施加相位编码梯度；

读出梯度施加单元，用于在所述接收模块接收原子核发送的回波信号的同时，在读出梯度方向施加读出梯度。

在上述本发明减轻磁化率伪影的系统中，梯度磁场施加模块可以使用梯度磁场线圈实现，例如选层梯度施加单元、相位编码梯度施加单元和读出梯度时间单元分别可以使用三个梯度磁场线圈实现；激发模块可以使用射频发射线圈和射频功率放大器共同实现；接收模块可以使用射频接收线圈和信号采集单元实现；成像模块和合成模块可以使用计算机实现，利用接收模块提供的回波信号重建三维子图像，使用重建的三维子图像合成三维图像。

本发明减轻磁化率伪影的系统，其原理与本发明减轻磁化率伪影的方法相同，因此这里不再赘述该系统的详细原理和取得的优点。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。