專利名稱：一種磁共振成像圖象重構(gòu)的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了磁共振成象圖象重構(gòu)方法中的相位誤差校正處理技術(shù)，這種處理方法可應(yīng)用于例如反轉(zhuǎn)恢復(fù)對比度的確定或Dixon化學(xué)位移成象法的磁共振成象圖象重構(gòu)方法中的相位誤差校正。
某些原子核，如氫原子核，具有一種稱之為自旋的特性，運動的電荷在核周圍有一個磁場，從而可把它看成為一個很小很小的磁偶極矩，稱為核磁矩。人體內(nèi)有大量水，因而含大量氫原子，如果把一組氫原子放在一個外加的恒定磁場中，則其核磁矩的極性順著外磁場方向排列的氫原子核的數(shù)目會稍多于逆著外磁場方向排列的氫原子核數(shù)目，這一差異形成了一個凈磁場，用磁化矢量為表征，它既有幅度又有方向，并以一定的頻率圍繞外加磁場(象陀螺那樣)進動，這個運動頻率稱為拉莫爾頻率，它與外磁場的強度成正比。在目前人們能得到的強磁場范圍內(nèi)，拉莫爾頻率都在射頻波段。
如果用外加的一個頻率等于拉莫爾頻率的電磁波作用于置于外磁場中的人體，則其中的氫原子核將會吸收此電磁波的能量從而改變磁化矢量的方向(偏離其平衡狀態(tài))，假定在很短的時間間隔內(nèi)，外加的電磁波的能量足夠使上述磁化矢量的方向偏離其原來方向α角，則稱此電磁脈沖為α脈沖，外加的電磁脈沖在磁共振成象中又稱為射頻脈沖。
射頻脈沖結(jié)束之后，在一段時間之內(nèi)，磁化矢量將逐漸恢復(fù)到其平衡狀態(tài)，同時氫原子核釋放出吸收的外加電磁場能量，輻射電磁波，這就是所謂磁共振信號。磁化矢量從非平衡狀態(tài)朝其平衡狀態(tài)的恢復(fù)是一個漸變過程，稱之為弛豫，它由物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其所處的狀態(tài)所決定。弛豫可分成平行與垂直于外磁埸兩個方向的弛豫，并用T1和T2兩個特征弛豫時間來分別表征。
磁共振成象(MRI)需要用一個射頻線圈接收磁共振信號，通過外加射頻脈沖，使磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)，磁化矢量在與磁場垂直的橫向平面內(nèi)的進動，使穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，磁通的變化在線圈中感應(yīng)出電流，線圈內(nèi)流動的電流的大小或者說信號強度，正比于磁化矢量橫向分量的大小，與氫原子密度有關(guān)，同時也與T1和T2兩個弛豫時間有關(guān)。
磁共振圖象的空間信息是用梯度磁場形成的，人為地使磁場強度在空間形成有規(guī)律的分布。處于磁場強度較低位置的氫原子核的共振頻率比處于磁場強度高的位置氫原子核的共振頻率低，利用頻率上的這一差別進行空間編碼，以確定氫原子核的一維空間位置，這一維對應(yīng)的梯度磁場稱為頻率編碼梯度。另一維空間編碼是通過相位差別建立的，它使用的梯度方向與頻率編碼梯度相垂直，稱之為相位編碼梯度。第三個梯度與頻率編碼梯度和相位編梯度構(gòu)成的平面相垂直，其作用是選片，即選定人體上要成象的截面位置，稱為選片梯度。只要在不同的方向上、不同的時間間隔內(nèi)分別加上上述三種梯度磁場，便可得到表示橫斷面、矢狀面、冠狀面乃至任何方向截面的磁共振信號。射頻脈沖與三個梯度波形之間的時間、幅度關(guān)系稱之為脈沖序列。
磁共振成象系統(tǒng)采集經(jīng)過上述編碼的磁共振信號，對采集到的信號進行解碼，即圖象重構(gòu)，便得到任何方向截面的磁共振圖象。因為磁共振信號為復(fù)數(shù)信號，得到的磁共振圖象也為復(fù)數(shù)，其幅度、相位由氫原子密度、弛豫時間T1、T2及掃描參數(shù)確定。
反轉(zhuǎn)恢復(fù)(Inversion Recovery簡寫IR)掃描技術(shù)，詳見G.M.Bydder and I.R.Young，1985年JCAT9，659-675＂MR ImagingClinical use of the Inversion RecoverySequence＂，是磁共振成象中常用的一種技術(shù)，用來增強磁共振圖象的T1對比度。這種技術(shù)將生物組織內(nèi)的自旋區(qū)分為＂正＂自旋與“負”自旋。通過適當(dāng)選擇磁共振序列的反轉(zhuǎn)恢復(fù)時間TI，如附圖2所示，來增強磁共振圖象的某些組織的T1對比度，即具有不同T1的生物組織在磁共振圖象上可以有正或負灰度信號，因此，這種圖象相對磁共振常規(guī)掃描技術(shù)獲得圖象的T1的對比度能得到極大的增強?？墒?，反轉(zhuǎn)恢復(fù)圖象上的T1對比度有賴于正確地確定圖象各象元的相位值。由于種種原因，在圖象掃描過程中會引入與空間位置相關(guān)的附加相移(相位誤差)，不僅包括與空間位置成線性關(guān)系的一階相移(線性相位誤差)，也包括其它的高階相移。
附加相移Φ6(X，Y)可表示為Φ6(X，Y)＝Φ0＋α1X＋β1Y＋α2X2＋β2Y2＋γ11XY＋…其中Φ0為零階相移，X，Y為空間正交的二個方向，α1X，β1Y為一階相移，α2X2，β2Y2，γ11XY為二階相移，二階和二階以上的相移稱為高階相移。這些相移會嚴重地影響T1對比度。
Dixon化學(xué)位移成象法，詳見W.T.Dixon，1984年Radiology，153，189-194＂simple proton spectroscopicImaging＂，是利用不同化學(xué)成份(如水與脂肪)中氫原子核共振頻率的微小差異，通過調(diào)整數(shù)據(jù)采集的時間，形成水與脂肪的同相圖象與反相圖象，經(jīng)加減運算將二者分離獲得各自的空間分布圖。此法的有效應(yīng)用有賴于成功的反相圖象的相移校正。
Ahn和Cho在1987年IEEE Trans.MI-6，P32-36＂ANew Phase Correction Method in NMR Imaging Basedon Autocorrec ation and Histogram Analysis＂一文中提出了用復(fù)數(shù)圖象的自相關(guān)運算來提取一階附加相移，即用復(fù)數(shù)圖象與其相鄰象元的復(fù)共軛之積的平均來提取一階附加相移，并用它們來校正各象元點相位值的方法。這種方法需要判定圖象中不同生物組織間的相位突變，如“正”、“負”自旋之間相位躍變“π”而產(chǎn)生的相位間斷點，并需給予剔除，因此增加了運算處理的復(fù)雜性和運算處理的時間。而且Ahn和Cho的方法僅能校正零階和一階相移，對高階相移無能為力。
本發(fā)明的目的是提出一種能簡單校正磁共振復(fù)數(shù)圖象中與空間位置有關(guān)的低階和高階相移的方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種用一階相移校正、子圖象初相位調(diào)整和快速圖象拼接校正磁共振圖象中低階和高階相位誤差的方法。主要的技術(shù)方案是用原始復(fù)數(shù)圖象平方的自相關(guān)運算來提取與空間位置有關(guān)的一階附加相移，并用于整幅圖象的一階相移校正；再用網(wǎng)格把整幅圖象分割成為若干個子圖象，對每一個子圖象進行初相位調(diào)整；對每個子圖象進行的初相位調(diào)整是通過在子圖象范圍內(nèi)選取一個參考矢量，將子圖象范圍內(nèi)所有象元沿參考矢量投影后的符號與相應(yīng)象元的模作為輸出；然后利用相鄰網(wǎng)格復(fù)數(shù)子圖象邊界連續(xù)性條件，即相鄰網(wǎng)格復(fù)數(shù)子圖象邊界象元之差的平方和取最小，來確定各子圖象的正負符號，這樣可以避免在初相位調(diào)整中子圖象可能出現(xiàn)的相位倒置；用分組迭代方式，先將每個上下左右相鄰的4幅2×2的子圖象分為一組，在每組中以子圖象邊界連續(xù)性條件來確定各子圖象的正負符號；按此對整幅圖象作子圖象邊界連續(xù)的處理后，再把每個上下左右相鄰的4幅2×2子圖象拼接成為一個更大的子圖象，依次逐級對所有網(wǎng)格子圖象進行拼接，直到形成整幅圖象為止。這樣可以實現(xiàn)快速圖象拼接，較快地得到一幅完整的、有正確對比度的圖象。
本發(fā)明的優(yōu)點在于與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出了用復(fù)數(shù)圖象的平方進行求相關(guān)的運算，提取一階相移因子，避免了以往常用的復(fù)數(shù)圖象求相關(guān)，如Ahn和Cho提出的方法中存在的相位間斷點的確定及剔除的問題；本發(fā)明提出了用子圖象初相位調(diào)整和以子圖象邊界連續(xù)性條件進行的子圖象拼接的相位校正；本發(fā)明還提出了用分組迭代的方式實現(xiàn)圖象的快速拼接。本發(fā)明利用整幅圖象的空間一階相移校正和子圖象的初相位調(diào)整及子圖象快速拼接可以有效地校正圖象上存在的空間低階和高階相移，可快速處理，減少運算時間。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細描述。


圖1.表示可應(yīng)用本發(fā)明的MRI系統(tǒng)框2.表示反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列示意3.表示圖象處理過程的流程4.表示圖象網(wǎng)格分割和快速拼接過程示意圖本實施例是MRI系統(tǒng)對由反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列掃描得到的磁共振信號在圖象重構(gòu)時進行的圖象上的誤差相位校正?？蓪嵤┍景l(fā)明的MRI系統(tǒng)框圖如圖1所示，圖中主磁體120提供一個均勻的恒定磁場，被掃描者123，處于病床121上送入主磁體120腔內(nèi)，整個MRI系統(tǒng)的操作是通過操作臺100控制主計算機101進行，開始掃描時，主計算機101會將相應(yīng)的指令和參數(shù)裝入序列控制器102，序列控制器102便控制其內(nèi)部的梯度波形產(chǎn)生器、射頻產(chǎn)生單元和射頻接收單元工作。102內(nèi)部梯度波形產(chǎn)生器驅(qū)動X，Y，Z三路梯度放大器103為X，Y，Z三路梯度線圈104提供足夠大的脈沖電流以形成三個方向的梯度磁場。102內(nèi)部射頻產(chǎn)生單元激勵射頻功放105為磁場中的射頻發(fā)射線圈106提供足夠大的脈沖功率，產(chǎn)生瞬間的射頻頻率的電磁場，激發(fā)人體中的氫原子核偏離熱平衡態(tài)。射頻脈沖結(jié)束后，這些受激的氫原子核便向熱平衡態(tài)恢復(fù)，產(chǎn)生磁共振信號。射頻接收線圈107檢測這個微弱的磁共振信號，并經(jīng)射頻前置放大器108放大后送至序列控制器102的內(nèi)部射頻接收器。
序列控制器102的內(nèi)部接收器完成對磁共振信號的檢波與A/D變換后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街饔嬎銠C101的內(nèi)存中，存儲在主計算機的硬盤上，從而完成數(shù)據(jù)采集。
在掃描過程中，三路梯度分別起著選擇片層、頻率編碼與相位編碼的作用，它們與射頻發(fā)射、射頻接收都按一定的時間關(guān)系先后或同時工作，決定于所設(shè)計的脈沖序列。
在本發(fā)明實施方案中，反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列的設(shè)計如圖2所示。第一個180°射頻脈沖使自旋的磁化矢量由順主磁場方向轉(zhuǎn)到與主磁場反方向，經(jīng)過TI的弛豫后，因不同的組織有不同的T1，故有些自旋順主磁場方向，為＂正＂自旋，有些自旋與主磁場反方向，為＂負＂自旋。其后部分的脈沖波形構(gòu)成磁共振成象中常用的自旋回波序列。90°射頻脈沖再次激發(fā)這些＂正＂、＂負＂自旋，通過第二個180°射頻脈沖在TE處形成自旋回波。片選梯度GZ1與90°，180°射頻脈沖用來選擇物體空間一定片厚的片層，GZ2用來補償因片選梯度造成的自旋相位的相位分散。頻率編碼梯度GX1，GX2完成相位分散和相位回聚的作用。相位編碼梯度GY在每個TR后改變幅度一次，完成空間的相位編碼。對在TE周圍形成的回波信號進行采集，如圖2數(shù)據(jù)采樣窗所示。
主計算機101將采集過程得到的原始數(shù)據(jù)送到陣列處理機109中進行圖象重構(gòu)運算包括進行二維付氏變換和如下過程的相位誤差校正，得到有正確的、T1對比度大的反轉(zhuǎn)恢復(fù)磁共振圖象。重構(gòu)后的圖象送到主計算機101的硬盤上存貯，并又送到圖象子系統(tǒng)110的屏幕上供顯示、分析、診斷使用。
設(shè)經(jīng)二維付氏變換得到的原始復(fù)數(shù)圖象為I(X，Y)，相位誤差校正過程如圖3處理流程所示。步驟1定義復(fù)數(shù)圖象的平方圖象為S(X，Y)S(X，Y)＝I(X，Y)·I(X，Y)<1>或S(X，Y)＝I(X，Y)·I(X，Y)/|I(X，Y)|<2>其中|·|是取模運算，|I(X，Y)|是原始復(fù)圖象的模，在<2>的定義中S(X，Y)模值與I(X，Y)的模值相同。步驟2用平方復(fù)數(shù)圖象的自相關(guān)運算來提取一階附加相移。取平方復(fù)數(shù)圖象的自相關(guān)運算所得平均相位的一半作為每個象元圖象一階附加相移的估計，例如對于X方向ΔPx(y)＝1/2Arg〔∑(S(x，y)·S(x-1，y)*)〕<3>
其中Arg[·]是取相角運算。
在反轉(zhuǎn)恢復(fù)圖象上，＂正、＂負＂自旋在復(fù)數(shù)圖象I(X，Y)上會形成相位間斷點，而在平方后復(fù)數(shù)圖象S(X，Y)上就自動變成了連續(xù)，避免了常用的一階相移校正方法中(如Ahn和Cho提出的方法)用復(fù)數(shù)圖象直接求相關(guān)運算需要確定和剔除相位間斷點的問題，大大地簡化了運算過程，加快了運算速度。由<3>所求相位ΔPx(y)即為原始復(fù)數(shù)圖象I(X，Y)沿空間X方向的一階附加相移。經(jīng)一階相移校正的復(fù)數(shù)圖象Ic(x，y)為Ic(x，y)＝I(x，y)·exp(-i·x·ΔPx(y))<4>
對于Y方向，可以用同樣方法進行一階相移校正，實現(xiàn)二維平面圖象X和Y兩個方向的一階相移校正。步驟3為了能更好地校正與空間位置有關(guān)的相移將圖象用網(wǎng)格分割為若干個子圖象，以2n×2n的網(wǎng)格劃分所需要的整幅圖象為佳，如8×8的網(wǎng)格，對每個子圖象進行初相位調(diào)整。具體做法可取一表征該子圖象復(fù)數(shù)象元分布取向的參考矢量n，例如n＝exp{i(1/2)Arg[∑Ic(x，y)·Ic(x，y)]}<5>
將子圖象內(nèi)所有復(fù)象元沿n方向投影(求內(nèi)積)后的符號與該象元的模作為輸出，完成子圖象的初相位調(diào)整。經(jīng)此初相位調(diào)整后可能產(chǎn)生子圖象的對比度倒置，可利用圖象在子圖象邊界處應(yīng)有的連續(xù)性進行子圖象的快速拼接。步驟4子圖象的快速拼接包括對相鄰子圖象邊界不連續(xù)性的處理與子圖象拼接的迭代。圖4中(1)是網(wǎng)格分割的8×8子圖象，(2)是經(jīng)過1次拼接后的子圖象網(wǎng)格，此時子圖象的面積擴大了4倍，(3)是經(jīng)過2次拼接后的子圖象網(wǎng)格，(4)是形成的整幅圖象。即把每個上下左右相鄰的4幅(2×2)子圖象分為一組，在每組中，以相鄰網(wǎng)格子圖象邊界象元之差的平方和取最小作為相鄰網(wǎng)格子圖象拼接的邊界連續(xù)性條件，來確定各子圖象的正負符號，這樣可以校正經(jīng)子圖象初相位調(diào)整后可能出現(xiàn)的對比度倒置。把這組四幅子圖象拼接成一個較大的子圖象，依次對其余的子圖象作同樣處理和拼接，對所有子圖象作處理后變成4×4子圖象網(wǎng)格，如圖4(2)示；再逐級重復(fù)這一處理過程，變成2×2子圖象網(wǎng)格，如圖4(3)示；最后再作一次處理拼接成整幅圖象，如圖4(4)示。這種處理方法可以快速實現(xiàn)圖象拼接，較快地得到一幅完整的，可校正低階和高階相移的，有正確對比度的圖象。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及磁共振成象圖象重構(gòu)方法中的一種相位誤差校正處理方法，其特征在于用二維付氏變換得到的原始磁共振復(fù)數(shù)圖象的平方進行自相關(guān)運算，校正圖象上與空間位置有關(guān)的—階相移；再將圖象用網(wǎng)格分割為若干個子圖象，對每個子圖象在子圖象范圍內(nèi)進行初相位調(diào)整，并用子圖象邊界的連續(xù)性條件進行子圖象拼接，實現(xiàn)對整幅圖象的低階和高階相移的校正。
2.如權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于對每個子圖象進行的初相位調(diào)整是通過在子圖象范圍內(nèi)選取一個參考矢量，將子圖象范圍內(nèi)所有象元沿參考矢量投影后的符號與相應(yīng)象元的模作為輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于相鄰網(wǎng)格子圖象邊界象元之差的平方和取最小作為子圖象拼接的邊界連續(xù)性條件。
4.如權(quán)利要求1、2、3所述的處理方法，其特征在于，先將每個上下左右相鄰的4幅(2×2)子圖象分為一組，在每組中由相鄰網(wǎng)格子圖象邊界連續(xù)性條件來確定各子圖象的正負符號，按此對整幅圖象作子圖象邊界連續(xù)的處理后，再把上述每個上下左右相鄰的4幅(2×2)子圖象拼接成為一個更大的子圖象，依次逐級對所有網(wǎng)格子圖象進行拼接，直到形成整幅圖象。
全文摘要
一種用一階相移校正及子圖像處理進行低階和高階相移校正的磁共振成像圖像重構(gòu)的技術(shù)。采用原始磁共振復(fù)數(shù)圖像的平方進行自相關(guān)處理對一階相移進行校正，將圖像用網(wǎng)格分割為若干個子圖像并對各子圖像進行初相位調(diào)整和快速拼接。此方法可以校正與空間位置有關(guān)的低階和高階相移，無需在自相關(guān)處理中確定和剔除圖像中的間斷邊界點，減少運算處理時間、快速重建圖像?？捎糜诖殴舱癯上裰貥?gòu)技術(shù)，例如反轉(zhuǎn)恢復(fù)對比度確定或Dixon化學(xué)位移成象法。
文檔編號G01R33/20GK1116078SQ94108779
公開日1996年2月7日 申請日期1994年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月4日
發(fā)明者向清三 申請人:深圳安科高技術(shù)有限公司