Магнитно-резонансная томография со спиральным сбором данных

Группа изобретений относится к магнитно-резонансной томографии объекта. Способ магнитно-резонансной томографии объекта включает в себя подвергание объекта воздействию визуализирующей последовательности, содержащей по меньшей мере один радиочастотный импульс возбуждения и синусоидально модулированные градиенты магнитного поля, получение магнитно-резонансных сигналов вдоль двух или более спиральных траекторий k-пространства, заданных синусоидальной модуляцией градиентов магнитного поля, причем начала спиральных траекторий k-пространства смещены друг относительно друга, и восстановление магнитно-резонансного изображения на основе полученных магнитно-резонансных сигналов. Технический результат – обеспечение эффективной спиральной магнитно-резонансной томографии даже в ситуациях сильной неоднородности поля B₀. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области магнитно-резонансной (МР) томографии. Изобретение, в частности, относится к способу магнитно-резонансной томографии объекта. Изобретение также относится к устройству магнитно-резонансной томографии (МРТ) и компьютерной программе, подлежащей исполнению на устройстве магнитно-резонансной томографии.

Уровень техники

Магнитно-резонансные способы формирования изображения, использующие взаимодействие между магнитными полями и ядерными спинами для формирования двумерных или трехмерных изображений, широко используют в настоящее время, в частности, в области медицинской диагностики, поскольку для визуализации мягких тканей они превосходят по многим показателям другие способы визуализации, не требуют ионизирующего излучения и, как правило, являются неинвазивными.

В соответствии с магнитно-резонансным способом в целом, объект, например, тело обследуемого пациента, располагают в сильном, однородном магнитном поле, направление которого в то же время определяет ось (обычно ось z) системы координат, на которой основано измерение. Магнитное поле создает различные энергетические уровни для отдельных ядерных спинов в зависимости от напряженности магнитного поля, которое может быть возбуждено (спиновый резонанс) за счет приложения переменного электромагнитного поля (радиочастотное (РЧ) поле) заданной частоты (так называемая ларморовская частота или магнитно-резонансная частота). С макроскопической точки зрения распределение отдельных ядерных спинов создает общую намагниченность, которую можно вывести из состояния равновесия за счет приложения электромагнитного импульса соответствующей частоты (радиочастотного (РЧ) импульса), так что намагниченность выполняет прецессионное движение вокруг оси z. Прецессионное движение описывает поверхность конуса, угол апертуры которого называется углом переворота (или т.н. флип-углом, от англ. flip angle). Величина угла переворота зависит от силы и длительности приложенного электромагнитного импульса. В случае так называемого 90°-ного импульса спины отклоняются от оси z в поперечную плоскость (угол переворота 90°).

После окончания РЧ импульса намагниченность возвращается в исходное состояние равновесия, в котором намагниченность в направлении z снова нарастает с первой постоянной времени T₁ (время спин-решеточной или продольной релаксации), а в направлении перпендикулярном направлению z намагниченность релаксирует со второй постоянной времени T₂ (время спин-спиновой или поперечной релаксации). Изменение намагниченности может быть обнаружено с помощью приемных радиочастотных катушек, которые расположены и ориентированы внутри исследуемого объема устройства МРТ таким образом, что изменение намагниченности измеряется в направлении, перпендикулярном оси z. Спад поперечной намагниченности сопровождается, например, после приложения 90°-ного импульса, с помощью перехода ядерных спинов (индуцированных локальными неоднородностями магнитного поля) из упорядоченного состояния с одной и той же фазой в состояние, в котором все фазовые углы распределены равномерно (дефазирование). Дефазирование может быть компенсировано, например, с помощью импульса перефокусировки (например, 180°-ного импульса). При этом в приемных катушках создается эхо-сигнал (спин-эхо).

Для реализации пространственного разрешения в теле, градиенты постоянного магнитного поля, проходящие вдоль трех основных осей, накладываются на однородное магнитное поле, что приводит к линейной пространственной зависимости частоты спинового резонанса. Сигнал, улавливаемый приемными катушками, таким образом содержит компоненты различных частот, которые могут быть связаны с различными местами в теле. Данные сигнала, полученные через приемные катушки, соответствуют пространственному частотному домену и называются данными k-пространства. Набор данных k-пространства преобразуется в МР изображение с помощью алгоритма восстановления изображения.

Спиральная визуализация представляет собой быструю магнитно-резонансную визуализацию (томографию), преимущества которой заключаются в эффективном покрытии k-пространства и низкой чувствительности к артефактам потока. Однако недостатком является уязвимость по отношению к неоднородностям амплитуды основного магнитного поля В₀, что вызывает размытость и ухудшение качества изображения. Степень неоднородности поля В₀ масштабируется с напряженностью основного магнитного поля.

Способы устранения размытости для спиральной магнитно-резонансной томографии известны в данной области техники. Известно, например, получение серии карт поля B₀ с использованием спиральной последовательности двойного эхо по спирали внутрь/вовне с различными временами эхо (см., например, Ahunbay et al., "Rapid method for deblurring spiral MR images" ("Быстрый способ устранения размытости спиральных МР изображений"), Magn. Reson. Med. 2000, vol. 44, pp. 491-494; Sutton et al., "Fast, iterative image reconstruction for MRI in the presence of field inhomogeneties" ("Быстрая итеративная реконструкция изображений для МРТ в присутствии неоднородностей поля"), IEEE Trans. Med. Imaging 2003, vol. 22, pp. 178-188; Nayak et al., "Efficient off-resonance correction for spiral imaging" ("Эффективная внерезонансная коррекция для спиральной визуализации"), Magn. Reson. Med. 2001, vol. 45, pp. 521-524).

В случае сильных неоднородностей магнитного поля форма спиральных траекторий k-пространства в значительной степени отклоняется от теоретической формы спирали. Это показано на двухмерных диаграммах k-пространства на фиг. 2. На фиг. 2а показана "идеальная" спиральная траектория k-пространства, которая была бы получена при использовании синусоидальных градиентов магнитного поля в k_x- и k_y-направлениях в присутствии идеально однородного основного магнитного поля В₀. На фиг. 2b, поле B₀ является неоднородным с сильным градиентом в направлении x так, что визуализируемый объект "видит" траекторию k-пространства, которая существенно отклоняется от идеальной формы спирали. Следствием этого эффекта является то, что из центрального k-пространства практически не производят выборку пригодных для использования данных сигнала; k_x=k_y=0 даже не включается в искаженную траекторию взятия выборки. Полностью отсутствующие части данных k-пространства могут возникать в областях с большой неоднородностью поля B₀. Аналогичные эффекты могут возникнуть в случае несовершенства градиентов магнитного поля.

Раскрытие сущности изобретения

На основе вышеизложенного легко понять, что существует потребность в улучшенной методике МРТ. Целью изобретения является преодоление вышеуказанных ограничений и обеспечение эффективной спиральной магнитно-резонансной томографии даже в ситуациях сильной неоднородности поля B₀.

В соответствии с изобретением раскрыт способ магнитно-резонансной томографии объекта, расположенного в исследуемом объеме устройства магнитно-резонансной томографии. Способ включает в себя:

- подвергание объекта воздействию визуализирующей последовательности, содержащей по меньшей мере один РЧ импульс возбуждения и синусоидально модулированные градиенты магнитного поля,

- получение МР сигналов вдоль двух или более спиральных траекторий k-пространства, заданных синусоидальной модуляцией градиентов магнитного поля, причем начала спиральных траекторий k-пространства смещены друг относительно друга, и

- восстановление МР изображения на основе полученных МР сигналов.

Чтобы предотвратить потерю частей центрального k-пространства из спиральной выборки в неоднородных полях В₀, в изобретении предложено применять две или более спиральных траекторий k-пространства для получения МР сигналов. Поскольку начала спиральных траекторий k-пространства смещены друг относительно друга, центральные точки спиралей не совпадают, и может быть достигнуто лучшее покрытие k-пространства в центральной области k-пространства, в которой спиральные траектории k-пространства накладываются друг на друга, даже если спирали сильно искажены неоднородностью поля B₀ или несовершенствами градиента магнитного поля. Предпочтительно, чтобы начала всех спиральных траекторий k-пространства были смещены от начала k-пространства, отстояли на одинаковые расстояния и были симметрично расположены вокруг начала k-пространства. Таким образом, может быть достигнуто оптимальное взятие выборки в области вокруг центра k-пространства, по существу, во всех ситуациях неравномерности или несовершенств градиента поля B₀, встречающихся на практике.

Как определено в рамках изобретения спиральная траектория k-пространства задана как кривая, которая поворачивает вокруг начала с постоянным увеличением или уменьшением расстояния. Это определение охватывает (среди прочего) спираль в трехмерном k-пространстве, такую как коническая спираль, которая наматывается вокруг оси, а также кривую в плоскости, которая наматывается вокруг неподвижной центральной точки на постоянно увеличивающемся или уменьшающемся расстоянии от центральной точки, т.е. спираль в двухмерном k-пространстве, где центральная точка является началом спирали.

В предпочтительном варианте осуществления карту поля B₀ выводят на основе МР сигналов, полученных из центральной области k-пространства. Затем МР изображение может быть восстановлено с коррекцией неоднородности поля B₀ на основе выведенной карты поля B₀.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления объект подвергают воздействию подготовительной последовательности перед визуализирующей последовательностью, при этом на основе МР сигналов, полученных во время подготовительной последовательности, выводят карту поля B₀. Количество и/или расположение спиральных траекторий k-пространства в k-пространстве может быть также выбрано автоматически в зависимости от карты поля B₀ для достижения оптимального покрытия центрального k-пространства. Чтобы избежать ненужного времени сканирования, степень неравномерности поля B₀ может быть оценена автоматически с помощью соответствующего алгоритма, который решает, следует ли применять две или более спиральных траекторий, или достаточно использовать только одну спиральную траекторию k-пространства, как при обычной спиральной визуализации.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления МР сигналы получают в соответствии со схемой "стопка спиралей" (англ. stack-of-spirals). В известной трехмерной схеме сбора данных "стопка спиралей", применяют несколько пространственно неселективных или селективных по блокам РЧ возбуждений, каждое из которых сопровождается получением одного или нескольких МР сигналов. Несколько спиралей k-пространства располагают в различных положениях вдоль направления k_z, осуществляют стандартное декартовое фазовое кодирование в направлении k_z. В результате получается цилиндрическое покрытие k-пространства, состоящее из стопки дисков ("стопки спиралей"). Технически это реализовано путем генерации градиентов магнитного поля в плоскостных направлениях спиралей k-пространства с помощью синусоидальной модуляции амплитуд градиентов. В соответствии с изобретением, получают спиральные траектории k-пространства, которые смещены друг относительно друга. В стопку спиралей входят несколько спиралей, которые не центрированы вокруг оси k_z (k_x=k_y=0) в данном варианте осуществления. Смещение от оси k_z может варьироваться от одной спирали k-пространства к другой спирали k-пространства в стопке.

МР сигналы могут быть получены, например, в виде сигналов спада свободной индукции (FID, от англ. free induction decay) сразу после излучения соответствующего РЧ импульса возбуждения. МР сигналы могут также быть получены в виде спиновых эхо-сигналов или в виде градиентных эхо-сигналов.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, МР сигналы получают в два и более различных времени эхо, при этом на этапе восстановления МР изображения происходит разделение сигнальных вкладов протонов воды и протонов жира. В этом варианте осуществления способ в соответствии с изобретением применяют в комбинации с разделением воды и жира по Диксону. С помощью диксоновской магнитно-резонансной томографии или диксоновской водяно-жировой магнитно-резонансной томографии разделение воды и жира достигается путем расчета вкладов воды и жира из двух или более соответствующих спиралей, полученных в разные времена эхо. В целом, такое разделение возможно благодаря известной разнице частот прецессии водорода в жире и воде. В простейшем виде изображения воды и жира генерируются путем добавления или вычитания "синфазных" и "несинфазных" наборов данных. Однако в последние годы было предложено несколько способов МРТ диксоновского типа. Помимо различных стратегий для разделения воды и жира, известные методики в основном характеризуются определенным количеством получаемых эхо-сигналов (или "точек") и ограничениями, которые они накладывают на используемые времена эхо. Обычные двух- и трехточечные способы требуют синфазных и противофазных времен эхо, при которых сигналы от воды и жира параллельны и антипараллельны в комплексной плоскости, соответственно. Трехточечные способы были постепенно обобщены, чтобы обеспечить гибкие времена эхо. Из диксоновских наборов данных также может быть извлечена карта поля B₀, так как для правильного разделения воды и жира при наличии неоднородности поля B₀ требуется точное знание распределения поля. В соответствии с изобретением выборку в k-пространстве проводят два или более раз в областях, в которых две или более спиральных траекторий k-пространства накладываются друг на друга, при этом момент времени спирального сбора данных в k-пространстве может быть выбран таким образом, что заданное положение в k-пространстве проходят два или более раз, причем каждый раз с различным (эффективным) временем эхо. Это позволяет применять вышеупомянутую методику Диксона для разделения сигнальных вкладов от протонов воды и протонов жира.

Раскрытый в настоящем документе способ в соответствии с изобретением может быть реализован с помощью устройства магнитно-резонансной томографии (МРТ), включающего в себя по меньшей мере одну основную магнитную катушку для генерирования однородного статического магнитного поля внутри исследуемого объема, несколько градиентных катушек для генерирования коммутируемых градиентов магнитного поля в различных пространственных направлениях внутри исследуемого объема, по меньшей мере одну РЧ катушку для генерирования РЧ импульсов внутри исследуемого объема и/или для приема МР сигналов от объекта, расположенного в исследуемом объеме, блок управления для управления временной последовательностью РЧ импульсов и коммутируемых градиентов магнитного поля, блок восстановления для восстановления МР изображения на основе полученных МР сигналов. Способ согласно изобретению может быть реализован, например, путем соответствующего программирования блока восстановления и/или блока управления устройства МРТ.

Способ согласно изобретению может быть успешно реализован в большинстве устройств МРТ, используемых в настоящее время в клинической практике. Для этого просто необходимо использовать компьютерную программу, с помощью которой устройство МРТ управляется таким образом, чтобы оно выполняло описанные выше этапы способа согласно изобретению. Компьютерная программа может присутствовать либо на носителе данных, либо в сети передачи данных, с целью загрузки для установки в блок управления устройства МРТ.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи раскрывают предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако следует понимать, что чертежи предназначены только для целей иллюстрирования, но не для задания границ изобретения.

На фиг. 1 показано устройство МРТ для осуществления способа согласно изобретению;

На фиг. 2 показана схема k-пространства, иллюстрирующая "идеальную" спиральную траекторию (a) k-пространства и искаженную спираль (b) k-пространства в присутствии неоднородности основного магнитного поля;

На фиг. 3 представлена схема k-пространства, иллюстрирующая подход согласно изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 схематически показано устройство 1 магнитно-резонансной томографии (МРТ). Устройство содержит сверхпроводящие или резистивные основные магнитные катушки 2, так что вдоль оси z через исследуемый объем создается по существу однородное, постоянное во времени основное магнитное поле.

Система генерирования и управления магнитным резонансом подает серию РЧ импульсов и коммутируемых градиентов магнитного поля для инверсии или возбуждения ядерных магнитных спинов, индукции магнитного резонанса, перефокусировки магнитного резонанса, управления магнитным резонансом, пространственного и иного кодирования магнитного резонанса, насыщения спинов и тому подобное для выполнения МР визуализации (томографии).

Более конкретно, градиентный импульсный усилитель 3 прикладывает импульсы тока к выбранным градиентным катушкам 4, 5 и 6 для всего тела по осям x, y и z исследуемого объема. Цифровой РЧ передатчик 7 передает РЧ импульсы или пакеты импульсов через переключатель 8 передачи/приема на объемную РЧ катушку 9 для всего тела для передачи РЧ импульсов в исследуемый объем. Типичная МР визуализирующая последовательность состоит из пакета РЧ импульсных сегментов короткой продолжительности, которые вместе взятые друг с другом и любыми приложенными градиентами магнитного поля достигают выбранного управления ядерным магнитным резонансом. РЧ импульсы используются для насыщения, возбуждения резонанса, инверсии намагниченности, перефокусировки резонанса, или управления резонансом и выбора части тела 10, расположенной в исследуемом объеме. Объемная РЧ катушка 9 для всего тела также улавливает МР сигналы.

Для формирования МР изображений ограниченных областей тела 10 набор РЧ катушек 11, 12, 13 локального массива размещают смежно с областью, выбранной для визуализации. Катушки 11, 12, 13 массива могут быть использованы для приема МР сигналов, индуцированных РЧ передачами катушек для тела.

Полученные МР сигналы улавливают с помощью объемной РЧ катушки 9 для всего тела и/или с помощью РЧ катушек 11, 12, 13 массива и демодулируют с помощью приемника 14, предпочтительно включающим в себя предусилитель (не показан). Приемник 14 соединен с РЧ катушками 9, 11, 12 и 13 через переключатель 8 передачи/приема.

Главный компьютер 15 управляет градиентным импульсным усилителем 3 и передатчиком 7 для генерирования любого из множества МР визуализирующих последовательностей, таких как эхо-планарная визуализация (EPI), объемная эхо визуализация, градиентная и спиновая эхо визуализация, быстрая спиновая эхо (TSE) визуализация и т.п. для получения МР сигналов по спиральным траекториям k-пространства в соответствии с изобретением. Для выбранной последовательности приемник 14 получает одно или множество МР данных вдоль соответствующих траекторий k-пространства в быстрой последовательности после каждого РЧ импульса возбуждения. Система 16 сбора данных выполняет аналого-цифровое преобразование полученных сигналов и преобразует каждый МР сигнал в цифровой формат, пригодный для дальнейшей обработки. В современных устройствах МРТ система 16 сбора данных представляет собой отдельный компьютер, который специализируется на сборе необработанных данных изображения.

В конечном итоге, цифровые необработанные данные изображения восстанавливают в представление изображения с помощью процессора 17 восстановления, который применяет преобразование Фурье или другие соответствующие алгоритмы восстановления. МР изображение может представлять собой плоскостной срез пациента, массив параллельных плоскостных срезов, трехмерный объем и тому подобное. Изображение затем сохраняют в памяти изображения, в которой к нему можно получить доступ для преобразования срезов, проекций или других частей представления изображения в подходящий формат для визуализации, например, с помощью видеомонитора 18, который обеспечивает удобочитаемое отображение результирующего МР изображения.

Устройство 1 МРТ организовано, например, путем соответствующего программирования главного компьютера 15 и процессора 17 восстановления, для выполнения способа визуализации согласно изобретению, как раскрыто в настоящем документе выше и ниже.

На фиг. 1 и также на фиг. 3 представлен вариант осуществления подхода визуализации в соответствии с изобретением.

На фиг. 3 показана стратегия спирального сбора данных в соответствии с изобретением. В изобретении предложено применять несколько спиральных траекторий k-пространства для получения МР сигналов, чтобы предотвратить потерю частей центрального k-пространства из спиральной выборки в неоднородных полях В₀ (как на фиг. 2b). В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, для двухмерного сканирования используют три спирали 31, 32, 33 k-пространства с несовпадающими центральными точками (началами) с симметричным расположением вокруг центра k-пространства (k_x=k_y=0). Для трехмерного сканирования необходимо использовать четыре трехмерные спирали, оси которых расположены, например, тетраэдрическим образом. В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, гарантируется, что данные сигнала фактически получают (или что выборку производят) в треугольнике, образованном тремя центральными точками спиралей 31, 32, 33, что позволяет осуществить восстановление области с высокой неоднородностью поля B₀ по меньшей мере с низким разрешением.

1. Способ магнитно-резонансной томографии объекта (10), расположенного в исследуемом объеме устройства (1) магнитно-резонансной томографии, включающий в себя:

- подвергание объекта (10) воздействию визуализирующей последовательности, содержащей по меньшей мере один радиочастотный импульс возбуждения и синусоидально модулированные градиенты магнитного поля,

- получение магнитно-резонансных сигналов вдоль двух или более спиральных траекторий (31, 32, 33) k-пространства, причем начала спиральных траекторий (31, 32, 33) k-пространства смещены друг относительно друга,

- причем смещенные спиральные траектории (31, 32, 33) k-пространства перекрываются в области вокруг начала k-пространства, и

- восстановление магнитно-резонансного изображения на основе полученных магнитно-резонансных сигналов.

2. Способ по п. 1, в котором начала спиральных траекторий (31, 32, 33) k-пространства смещены от начала k-пространства.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором начала спиральных траекторий (31, 32, 33) k-пространства расположены на одинаковых расстояниях от начала k-пространства.

4. Способ по п. 3, в котором начала спиральных траекторий (31, 32, 33) k-пространства симметрично расположены вокруг начала k-пространства.

5. Способ по п. 1, в котором на основе магнитно-резонансных сигналов, полученных из области вокруг начала k-пространства, выводят карту поля B₀.

6. Способ по п. 5, в котором магнитно-резонансное изображение восстанавливают с коррекцией неоднородности поля B₀ на основе выведенной карты поля B₀.

7. Способ по любому из пп. 1-4, в котором объект (10) подвергают воздействию подготовительной последовательности перед визуализирующей последовательностью, при этом на основе магнитно-резонансных сигналов, полученных во время подготовительной последовательности, выводят карту поля B₀.

8. Способ по п. 7, в котором количество и/или расположение спиральных траекторий (31, 32, 33) k-пространства в k-пространстве выбирают автоматически в зависимости от карты поля B₀.

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором магнитно-резонансные сигналы получают в соответствии со схемой "стопка спиралей" (stack-of-spirals) из нескольких параллельных срезов k-пространства, расположенных в соседних положениях вдоль направления, перпендикулярного срезам k-пространства.

10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором магнитно-резонансные сигналы получают в два и более различных времени эхо, при этом на этапе восстановления магнитно-резонансного изображения осуществляют разделение сигнальных вкладов от протонов воды и протонов жира.

11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором выборку в k-пространстве проводят в трех измерениях по двум или более спиральным траекториям (31, 32, 33) k-пространства.

12. Устройство магнитно-резонансной томографии, включающее в себя по меньшей мере одну основную магнитную катушку (2) для генерирования однородного статического магнитного поля внутри исследуемого объема, несколько градиентных катушек (4, 5, 6) для генерирования коммутируемых градиентов магнитного поля в различных пространственных направлениях внутри исследуемого объема, по меньшей мере одну радиочастотную катушку (9) для генерирования радиочастотных импульсов внутри исследуемого объема и/или для приема магнитно-резонансных сигналов от объекта (10), расположенного в исследуемом объеме, блок (15) управления для управления временной последовательностью радиочастотных импульсов и коммутируемых градиентов магнитного поля, а также блок (17) восстановления для восстановления магнитно-резонансного изображения на основе полученных магнитно-резонансных сигналов, причем устройство (1) магнитно-резонансной томографии выполнено с возможностью осуществления следующих этапов:

- подвергание объекта (10) воздействию визуализирующей последовательности, содержащей по меньшей мере один радиочастотный импульс возбуждения и синусоидально модулированные градиенты магнитного поля,

- получение магнитно-резонансных сигналов вдоль двух или более спиральных траекторий (31, 32, 33) k-пространства, причем начала спиральных траекторий k-пространства смещены друг относительно друга,

- причем смещенные спиральные траектории (31, 32, 33) k-пространства перекрываются в области вокруг начала k-пространства, и

- восстановление магнитно-резонансного изображения на основе полученных магнитно-резонансных сигналов.

13. Машиночитаемый носитель, содержащий компьютерную программу для исполнения на устройстве магнитно-резонансной томографии, содержащую инструкции для:

- генерирования визуализирующей последовательности, содержащей по меньшей мере один радиочастотный импульс возбуждения и синусоидально модулированные градиенты магнитного поля,

- получения магнитно-резонансных сигналов вдоль двух или более спиральных траекторий (31, 32, 33) k-пространства, причем начала спиральных траекторий k-пространства смещены друг относительно друга,

- причем смещенные спиральные траектории (31, 32, 33) k-пространства перекрываются в области вокруг начала k-пространства, и

- восстановления магнитно-резонансного изображения на основе полученных магнитно-резонансных сигналов.