EPI中使用自导航实时相位校正的图像伪影减少系统和方法

摘要

本发明的名称为EPI中使用自导航实时相位校正的图像伪影减少系统和方法，提供一种装置和方法包括计算机(24，36，68)，其被编程为实现配置为引出扫描数据的扫描序列，其中该扫描序列包括配置为引出图像数据的回波平面成像(EPI)序列，以及还被编程为获取扫描数据。计算机(24，36，68)还被编程为操纵扫描数据，以确定图像数据中造成Nyquist重影的第一多个相位误差、从图像数据中移除该第一多个相位误差并且基于已经从中移除了该第一多个相位误差的图像数据来重建图像，其中所操纵的扫描数据不具有导航回波数据。

说明书

技术领域

一般而言，本发明的实施例涉及磁共振(MR)成像，以及更具体地，涉 及最小化MR成像数据中的相位误差。

背景技术

当例如人体组织的物质经受到均匀磁场(极化场B₀)时，组织中自旋的各 个磁矩试图与该极化场对齐，却在它周围在它们的特征Larmor频率处以随 机顺序旋进。如果物质或组织经受到位于x-y平面内且临近Larmor频率的 磁场(激励场B₁)，则净对齐矩(net aligned moment)，或者“纵向磁化”M_Z可 能被旋转或“翻转”到x-y平面中以产生净横向磁矩M_t。如本领域技术人员 所意识到的，一般采用一个或多个射频(RF)脉冲来产生激励场B₁，激励场 B₁被施加到物质或组织，由此操纵(manipulate)其总体自旋。

在施加B₁激励场之后，获取并处理总体自旋所发出的信号以形成图像。 依赖于所采用的技术，总体自旋可以在获取图像信号前经受干涉动作。有多 种在MR设置中采用的成像技术。

例如，回波平面成像(EPI)是一种在MR成像领域中经常使用的快速成 像技术。一般而言，在EPI技术的实现期间，通过使用一个或多个“拍摄 (shots)”而获取整个二维k-空间数据集，其中每个拍摄典型地通过具有交替 极性的读出梯度的序列而获取多个k-空间行。EPI生成“快照”图像并已经 对于各种MR成像应用采用EPI，包括扩散加权成像和功能MR成像(fMRI)。

然而，EPI技术能够受到若干缺点的影响。例如，由于具有交替极性的 读出梯度，典型地在k空间内每第二行(every second line)数据向后横越 (traversed backward)。因此，在傅立叶变换应用到其上之前，此类数据典型 地作时间反转。事实是几乎总有不对称的调制破坏MR信号(由于涡流、接 收器滤波器不对称、伴随场等等)以及对每隔一个回波时间反转的需要导致 偶数回波和奇数回波之间交替的信号调制，这带来公知的Nyquist重影伪影 (Nyquist ghost artifact)。EPI中缺点的另一示例是由于漂移B₀场，在不同时间 点获得的多个图像上成像对象发生的移位。

可以采用硬件改善和预补偿(例如，用于减少涡流的梯度预加强)来减少 诸如Nyquist重影伪影等重影伪影效果。然而，在图像重建期间仍然需要一 种或多种重影校正方法以在采用EPI技术时将Nyquist重影进一步降低到可 接受的水平。此类校正方法典型地被称作相位校正方法，因为它们校正或最 小化与读出一起的相位调制或误差，其通常是幅度调制中的主项。

一种常见的相位校正方法在通过成像扫描收集成像数据之前通过参考 扫描而收集非相位编码参考数据。使用非相位编码参考数据，能够确定奇数 回波和偶数回波之间的相位差(即，静态调制)。为了最小化Nyquist重影伪影， 将该相位差从通过后续成像扫描所收集的成像数据中移除。该类型的相位校 正方法经常在静态EPI中使用，其中在参考扫描之后获取单一时间点的EPI 图像。

当所采用的EPI技术为动态EPI技术(例如fMRI，其中收集EPI图像的 时间序列)时也可能使用其它校正方法。经常地，由于例如温度相关漂移等 因素，动态EPI技术生成与读出一起的附加调制，因而导致随着时间的过去 重影水平的增加(即，重影漂移)。典型地，上文讨论的关于静态EPI的相位 校正方法无法考虑此类附加的调制。为了解决该重影漂移问题，经常采用基 于导航的校正方法。例如，可对于每个时间帧处的EPI数据收集非相位编码 导航回波以校准奇数回波和偶数回波之间的附加调制。使用由导航回波脉冲 引出的导航回波数据，能在图像重建期间校正每时间帧的调制。如果还采用 非相位编码参考扫描，则在图像重建期间还可以校正从参考扫描中测量的静 态调制。

关于导航回波，导航回波脉冲典型地被结合到扫描回波行列(scan echo  train)中作为其前几个回波(例如，3-6个回波)，其主要出于信噪比(SNR)考虑。 然而，基于导航的校正方法也可能具有缺点。例如，导航回波典型地延长回 波行列并且因此减少每重复时间(TR)的片段(slice)的最大数目。更重要地是， 假设中心回波(相应于覆盖k空间中心的回波，其对大多数信号能量作贡献) 经历的附加调制与导航回波预测的相同。当该假设并不真实的时候，中心回 波的调制将不能得到良好地校正，从而仍然导致Nyquist重影的明显漂移。

因此期望提供一种装置和方法以至少最小化EPI中的Nyquist重影。

发明内容

依照本发明的一方面，一种磁共振成像(MRI)装置包括具有定位在磁体 的孔周围的多个梯度线圈的MRI系统，以及由脉冲模块控制以传输射频(RF) 信号到RF线圈组件从而获取MR图像的RF开关和RF收发器系统。该MRI 装置还包括编程为实现配置成引出扫描数据的扫描序列的计算机，其中该扫 描序列包括回波平面成像(EPI)序列，其配置成引出图像数据，以及获取扫描 数据。还编程该计算机以操纵扫描数据，从而确定图像数据中造成Nyquist 重影的第一多个相位误差、从图像数据中移除第一多个相位误差以及基于已 经从中了移除第一多个相位误差的图像数据重建图像，其中所操纵的扫描数 据不具有导航回波数据(navigator echo data)。

依照本发明的另一方面，一种磁共振(MR)成像方法包括通过至少一个 MR线圈而获取MR数据，其中MR数据包括回波平面成像(EPI)数据，以及 根据EPI数据确定用于相位校正的第一组系数，其中确定第一组系数并不依 赖于导航回波数据。该方法还包括采用第一组系数来移除EPI数据中的 Nyquist重影相位误差，以及根据已经从中移除了Nyquist重影相位误差的 EPI数据重建多个图像。

依照本发明的另一方面，一种计算机可读存储介质，其具有存储于其上 的指令序列，其中，当指令序列被计算机执行时，促使计算机发起采用回波 平面扫描(EPI)序列的磁共振(MR)扫描，EPI序列配置为引出成像数据，以及 根据成像数据确定第一组相位校正系数，其中第一组相位校正系数的确定并 不依赖于导航回波数据。这些指令还促使计算机采用第一组相位校正系数来 从成像数据中移除造成Nyquist重影的第一组相位误差以及从已经移除了第 一组相位误差的成像数据中重建至少一个图像。

各种特征和优点将从下文的详细说明和附图中显而易见。

附图说明

附图示出了目前考虑用于执行本发明的实施例。

附图中：

图1是依照本发明实施例的MR系统的方框图。

图2是用于最小化动态EPI中成像对象的移位和Nyquist重影的 技术的流程图。

具体实施方式

参照图1，示出了结合本发明实施例的优选磁共振成像(MRI)系统10的 主要组件。从操作者控制台12控制系统的操作，操作者控制台12包括键盘 或其它输入设备14、控制面板16以及显示屏18。控制台12通过链路20与 分离的计算机系统22通信，计算机系统22使操作者能够控制图像的产生和 在显示屏18上的显示。计算机系统22包括通过背板(backplane)22a彼此通 信的多个模块。这些模块包括图像处理器模块24，CPU模块26以及存储器 模块28，如现有技术已知的作为用于存储图像数据阵列的帧缓冲器。计算机 系统22通过高速串行链路32与分离的系统控制30通信。输入设备14可以 包括鼠标、手柄、键盘、追踪球、触摸激活屏、光棒(light wand)、声控或者 任何类似或等同输入设备，并且可用于交互的几何指示(geometry  prescription)。

系统控制30包括通过背板30a连接在一起的一组模块。这些模块包括 CPU模块34和脉冲发生器模块36，该脉冲发生器模块通过串行链路38连 接到操作者控制台12。系统控制30从操作者接收指示要执行的扫描序列的 命令是通过链路38进行的。脉冲发生器模块36操作系统组件以执行期望的 扫描序列并产生指示产生的RF脉冲的定时、强度和形状的数据，以及数据 获取窗口的定时和长度。脉冲发生器模块36连接到一组梯度放大器40以指 示在扫描期间产生的梯度脉冲的定时和形状。脉冲发生器模块36还能够从 生理获取控制器42接收患者数据，该生理获取控制器从多个连接于患者的 不同传感器中接收信号，例如来自附着于患者的电极的ECG信号。并且最 终，脉冲发生器模块36连接到扫描室接口电路44，其从多个传感器接收与 磁体系统和患者情况关联的信号。患者定位系统46接收将患者移动到用以 扫描的期望位置的命令也是通过扫描室接口电路44进行的。

脉冲发生器模块36产生的梯度波形被应用到具有Gx、Gy和Gz放大器 的梯度放大器系统40。每个梯度放大器激励概括地被指示为48的梯度线圈 组件中相应的物理梯度线圈，以产生用于空间编码获取信号的磁场梯度。梯 度线圈组件48形成磁体组件50的一部分，其包括极化磁体52和整体RF 线圈54。系统控制30中的收发器模块56产生脉冲，脉冲由RF放大器58 放大并由传输/接收开关60耦合到RF线圈54。患者体内被激励的核发出的 结果信号可以通过相同的RF线圈54感测并通过传输/接收开关60而耦合到 预放大器62。所放大的MR信号在收发器56的接收器部分中被解调、滤波 和数字化。通过来自脉冲发生器模块36的信号控制传输/接收开关60，以在 传输模式期间将RF放大器58电连接到线圈54以及在接收模式期间将预放 大器62电连接到线圈54。该传输/接收开关60还能使分离的RF线圈(例如， 表面线圈)能够用于传输模式或接收模式中。

RF线圈54所捡取(pick up)的MR信号通过收发器模块56数字化并且传 递到系统控制30中的存储器模块64。当在存储器模块64中已经获取了原始 k-空间数据的阵列时，扫描完成。对于每个要重建的图像，该原始k-空间数 据重新布置成分离的k-空间数据阵列，并且这些中的每个均输入到操作以将 数据傅立叶变换成图像数据阵列的阵列处理器66中。该图像数据通过串行 链路32而传递到计算机系统22，在那里图像数据存储在存储器中。响应于 从操作者控制台12所接收的命令，该图像数据可能以长期存储方式进行归 档，或者其可能由图像处理器24进一步处理并被传递给操作者控制台12及 在显示器18上呈现。

存储器模块28和存储器模块64是有形的和非短暂的(non-transitory)存储 介质，例如磁驱动器、光驱动器等。预期的是存储器模块28和/或存储器模 块64包括用于执行本发明实施例的指令组(例如程序)。然而，还可以使用便 携的且有形的存储装置(未示出)来存储用于执行本发明实施例的指令。

已经确定基于导航的校正方法经常假设在中心回波(即，覆盖k-空间的 中心或中心区域的回波)中所呈现的附加调制与通过前几个导航回波预测的 调制相同。还已经确定该假设经常不准确。例如，由于梯度线圈的机械共振， 附加的线性相位项可以构造(build up)作为反电动势结果的横向回波。从而， 在只使用基于导航的校正方法时，中心回波的调制经常得不到良好地校正。 换句话说，导航回波并不总是提供合适的一个(或多个)相位校正项。这样， 就会产生Nyquist重影的漂移。

本发明的实施例确定了多个相位校正系数，其可被应用于EPI扫描数据 以产生“已校正的”EPI扫描数据。换句话说，可以使用相位校正系数来确 定相位误差，相位误差可从EPI扫描数据中移除以产生“已校正的”EPI扫 描数据。据此，当在图像重建期间采用“已校正的”EPI扫描数据时，减少 了图像伪影。

可以采用相位校正系数来校正各种类型的相位误差。例如，可以使用相 位校正系数对Nyquist重影相位误差和B₀场漂移(即中心频率漂移)相位误差 进行校正。进一步地，本发明的实施例不需要完全依赖于导航回波数据来确 定相位误差。

参考图2，流程图描述了用于在EPI图像中减少伪影的技术70。从块72 开始，获取参考扫描。在块74处，根据参考扫描确定静态相位误差在块76处，获取包括用于多个图像的EPI数据的MR扫描数据。依照本发 明的实施例，用以引出MR扫描数据的MR扫描包括EPI序列。依照本发明 的一个实施例，该MR扫描不具有导航回波脉冲。然而，依照本发明另一个 实施例，MR扫描可能包括导航回波脉冲。即，预期的是导航回波脉冲可能 与EPI序列混合。下文将阐明有关每个实施例的进一步的细节。

在块78处，从EPI扫描数据中移除静态相位误差。下文是示出移除静 态相位误差的实施例。

依照此类实施例，表示可以根据参考扫描确定的偶数回波和奇数回 波之间的静态相位差，而φ(x，t)表示每时间帧的附加相位差(其中t表示时间 帧或时间)，以及θ(n，t)表示了B₀场漂移。包含每种类型的相位误差(即，φ(x，t)，θ(n，t))的相位校正方程可以通过将表示为在时间t所获取的 k空间EPI数据而公式化。k_x是读出轴，而k_y是相位编码轴。假设偶数回波 和奇数回波之间的调制只在相位特征方面(即，没有幅度调制)。

沿着k_x对进行傅立叶逆变换产生了混合k_y-x空间中的时间序 列数据d(x，k_y，t)。出于公式化的目的，假设相位编码是位于k_y＝nΔk_y处，其 中Δk_y是k_y方向上的Nyquist采样间隔，并且N 是相位编码行的数目(假设为偶数)。

据此，d(x，nΔk_y，t)可以如下表示：

(方程1)，其中d_ideal(k_x，k_y，t)是没有任何相位调制的“理想”EPI数据。

因为θ(n，t)说明由于相对于时间0的温度相关的B₀场漂移(即，B₀场漂移 误差)引起的相位累积(即相位误差)，因此θ(n，t)项对于偶数回波和奇数回波 具有相同的符号并可以写为如下线性形式：

θ(n，t)＝a(t)n+b(t)     (方程2)

其中a(t)和b(t)为要确定的时间帧有关的系数(即，一组相位校正系数)。

关于φ(x，t)(即，每时间帧相位差)，φ(x，t)说明由于硬件状态(例如，短期 涡流)的其它变化而引起的偶数回波和奇数回波之间的相反相位调制，并且 可以依照一实施例，写为多项式形式：

$\phi (x,t)=\underset{q=0}{\overset{Q}{\Sigma }}{c}_q\left(t\right)x^q$方程3

其中Q是多项式阶数，并且c_q(t)是在时间t的第q个多项式系数。

注意φ(x，t)和θ(n，t)都描述相对于时间0的量，因此φ(x，t)＝0并且 θ(n，0)＝0。据此，动态相位校正问题可以按如下提出：根据静态参考数据给 出基于相位编码扫描数据(即，EPI数据)以方程2和3的形式找出θ(n，t) 和φ(x，t)，并将其从扫描数据中移除以最小化Nyquist重影和B₀场漂移。据 此，并不需要采用导航回波数据来确定相位误差φ(x，t)和θ(n，t)。然而，如上 文所解释的，预期的是可以采用导航回波数据来确定θ(n，t)。

但是，继续没有采用导航回波数据的实施例，(根据参考扫描确定的)静 态相位调制可以在每个时间点从EPI数据中移除。因此，结果数据 d′(x，nΔk_y，t)可以以如下形式表示：

据此，d′(x，nΔk_y，t)表示已经移除了静态相位误差的EPI数据。

在块78处移除静态相位误差之后，在块80处确定B₀场漂移误差。下 面是示出确定B₀场漂移误差θ(n，t)的实施例。

基于在时间0和时间t之间成像对象的移动是可忽略的假设， d_ideal(x，nΔk_y，t)和d_ideal(x，nΔk_y，0)之间的相位差是可忽略不计的。进一步地，基 于这样的假设以及φ(x，0)＝0并且θ(n，0)＝0，d′(x，nΔk_y，0)的相位(即，MR数据 的第一时间帧的相位)等于d_ideal(x，nΔk_y，t)的相位，能从方程4的两侧减去。

这样，当我们从d′(x，nΔk_y，t)中减去d′(x，nΔk_y，0)的相位时，结果数据集 d″(x，nΔk_y，t)可以以如下形式表示：

其中|·|表示幅度算子。

基于方程5，可以使用d″(x，nΔk_y，t)的相位估计φ(x，t)和θ(n，t)。注意到不 同的“偶数”回波具有相同的φ(x，t)项但不同的θ(n，t)项。还注意到对于给定 的偶数回波，θ(n，t)沿着x轴是常量。

据此，对于每个偶数回波可以沿着x轴执行一维幅度-平方-加权多项式 拟合(例如方程3形式的多项式)。接着，可以对于从之前步骤中获得的恒定 系数(即，第0阶系数c₀(t))沿着k_y轴执行幅度-平方-加权线性拟合，以确定 a(t)和b(t)，从而确定θ(n，t)。

依照上述实施例，根据EPI数据确定θ(n，t)而不需要收集或依赖导航回 波数据。然而，依照另一实施例，可能收集和使用导航回波数据来确定B₀场漂移误差θ(n，t)。依照此类实施例，块72处采用的MR扫描也可能包括导 航回波脉冲。据此，从中收集的导航回波数据将在块80处采用，以确定B₀场漂移相位误差θ(n，t)。

一旦确定了θ(n，t)，无论是通过依赖于导航回波数据或通过不依赖于导 航回波数据，都可以在块82处从d″(x，nΔk_y，t)的所有回波的相位中移除 θ(n，t)。换句话说，能从EPI数据中移除B₀场漂移相位误差。

在块84，能够确定或估计Nyquist重影相位误差φ(x，t)。下面是示出确 定Nyquist重影相位误差φ(x，t)的实施例。

关于估计φ(x，t)，可以在移除θ(n，t)后(即，块82)根据d″(x，nΔk_y，t)构造数 据集d′″(x，nΔk_y，t)。为了进行此操作，依照一个实施例，通过对d″(x，nΔk_y，t) 和d″(x，(n+1)Δk_y，t)(即，每个相邻的偶数-奇数回波对)的乘积取平方根而获 得d′″(x，nΔk_y，t)的幅度，其中：

$n=-\frac{N}{2},(-\frac{N}{2}+1),...,(\frac{N}{2}-2)$(方程6)

d′″(x，nΔk_y，t)的相位被设置为d″(x，nΔk_y，t)和d″(x，(n+1)Δk_y，t)之间的相 位差。当n为奇数时，相位差是负的，以在φ(x，t)项中获得正号。数学上， d′″(k_x，nΔk_y，t)可以采用如下形式：

$d^{\prime \prime \prime }(x,n{\mathrm{\Delta k}}_y,t)=\sqrt{\left|d_{\mathrm{ideal}}(x,\mathrm{n\Delta }{k}_y,t)d_{\mathrm{ideal}}(x,(n+1)\Delta k_y,t)\right|}·\exp \left[\mathrm{i\phi }(x,t)\right],n=-\frac{N}{2},(-\frac{N}{2}+1),...,(\frac{N}{2}-2)$

(方程7)

沿着x轴以单个一维多项式(由平方幅度加权)对d′″(k_x，nΔk_y，t)的(N-1)个 回波的相位的拟合产生了方程3中的多项式系数c_q(t)，其中q＝0，1，...，Q， 由此确定或估计φ(x，t)。

据此，在块86处使用φ(x，t)，可以从EPI数据中移除Nyquist重影误差。 据此，产生“已校正的”EPI数据集，其中移除或至少最小化静态相位误差 B₀场漂移相位误差θ(n，t)和Nyquist重影误差φ(x，t)。

一旦产生了“已校正的”EPI数据集，则可以使用“已校正的”EPI数 据在块88处重建当前时间帧处的一个或多个MR图像。注意，使用图2所 示的相同流程图重建每个时间帧处的MR图像。

注意，依照一个实施例，可以从d′(x，nΔk_y，t)中移除θ(n，t)和φ(x，t)的时间 平滑版本，已经在每个时间点处为其移除了静态相位误差从而最小化 Nyquist重影和B₀场漂移。

进一步地，还注意到静态相位误差的确定和移除并不需要发生在确 定B₀场漂移相位误差之前(块80)。而是，依照一实施例，可以在确定或者移 除B₀场漂移相位误差之后或者甚至在确定或移除Nyquist重影误差之后，才 确定和/或从EPI数据中移除静态相位误差。

技术70的块76-88在单一时间点每片段产生一个图像。依照本发明的 实施例，对于不同时间点重复块76-88。

虽然本发明针对二维EPI进行了描述，但是所有的分析和算法也可以应 用到三维回波容积成像(EVI)情形，其中对k_y中的相位编码进行细微修改， 以便在k_y和k_z两者中进行相位编码。和φ(x，t)的确定与如上述确定θ(n，t) 的相同，但将沿着k_y的线性拟合替代为根据在(k_y，k_z)平面中的访问顺序沿 着k_y和k_z两者进行的一个线性拟合。

本发明的实施例提供了从MR图像中移除相位误差的计算机实现的装 置和方法。

因此，依照本发明的一个实施例，一种磁共振成像(MRI)装置包括具有 定位在磁体的孔周围的多个梯度线圈的MRI系统以及由脉冲模块控制以传 输射频(RF)信号到RF线圈组件从而获取MR图像的RF开关和RF收发器系 统。该MRI装置还包括编程为实现配置成引出扫描数据的扫描序列的计算 机，其中该扫描序列包括回波平面成像(EPI)序列，其配置成引出图像数据， 以及获取扫描数据。还将该计算机编程为操纵扫描数据，以确定图像数据中 造成Nyquist重影的第一多个相位误差、从图像数据中移除第一多个相位误 差、以及基于已经从中移除了第一多个相位误差的图像数据重建图像，其中 所操纵的扫描数据不具有导航回波数据。

依照本发明的另一实施例，一种磁共振(MR)成像方法包括通过至少一个 MR线圈获取MR数据，其中MR数据包括回波平面成像(EPI)数据，以及根 据EPI数据确定用于相位校正的第一组系数，其中确定第一组系数并不依赖 于导航回波数据。该方法还包括采用第一组系数来移除EPI数据中的Nyquist 重影相位误差，并且根据已经从中移除了Nyquist重影相位误差的EPI数据 中重建多个图像。

依照本发明的另一实施例，一种计算机可读存储介质(其具有存储于其 上的指令序列)当指令被计算机执行时，促使计算机发起采用回波平面成像 (EPI)序列的磁共振(MR)扫描，EPI序列配置为引出成像数据，以及根据成像 数据确定第一组相位校正系数，其中第一组相位校正系数的确定并不依赖于 导航回波数据。这些指令还促使计算机采用第一组相位校正系数，来从成像 数据中移除造成Nyquist重影的第一组相位误差，并且根据已经移除了第一 组相位误差的成像数据中重建至少一个图像。

此书面说明书使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领 域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任意设备或系统以及执行任何 结合的方法。通过权利要求定义本发明的可专利范围，并且该可专利范围可 能包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求 的字面语言没有差别的结构元件，或者他们包括与权利要求的字面语言没有 实质差别的等同结构元件，则此类其他示例也落在这些权利要求的范围内。