МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ВОДА/ЖИР МЕТОДОМ ДИКСОНА Российский патент 2022 года по МПК G01R33/48 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области магнитно-резонансной (МР) визуализации. Оно касается способа МР визуализации объекта, помещенного в исследуемый объем МР устройства. Изобретение также относится к МР устройству и компьютерной программе, выполненной с возможностью исполнения на МР устройстве.

Уровень техники

МР способы формирования изображений, использующие взаимодействие между магнитными полями и ядерными спинами для формирования двумерных или трехмерных изображений, широко применяются в настоящее время, в частности - в области медицинской диагностики, поскольку для визуализации мягких тканей они превосходят другие способы визуализации во многих отношениях, не требуют применения ионизирующего излучения и, как правило, неинвазивны.

В общем, согласно МР способу, тело обследуемого пациента располагают в сильном однородном магнитном поле В₀, направление которого одновременно определяет ось (обычно - ось z) системы координат, на которой основано измерение. Магнитное поле B₀ создает различные уровни энергии для отдельных ядерных спинов в зависимости от напряженности магнитного поля, которое может быть возбуждено (спиновый резонанс) путем приложения электромагнитного переменного поля (радиочастотного (РЧ) поля) определенной частоты (так называемой ларморовой частоты, или МР частоты). С макроскопической точки зрения распределение отдельных ядерных спинов создает общую намагниченность, которая может отклоняться от состояния равновесия путем приложения электромагнитного импульса соответствующей частоты (РЧ импульса), перпендикулярного оси z, так что намагниченность совершает прецессионное движение вокруг оси z. Прецессионное движение описывает поверхность конуса, угол раскрытия которого называется углом отклонения вектора намагниченности. Величина угла отклонения вектора намагниченности зависит от силы и длительности приложенного электромагнитного импульса. В случае так называемого 90°-импульса, спины отклоняются от оси z к поперечной плоскости (угол отклонения вектора намагниченности (т.н. флип-угол, от англ. flip angle) 90°).

После завершения РЧ импульса намагниченность возвращается в исходное состояние равновесия, в котором намагниченность в направлении z создается снова с первой временной постоянной T1 (время спин-решеточной или продольной релаксации), при этом намагниченность в направлении, перпендикулярном направлению z, релаксирует со второй временной постоянной T2 (время спин-спиновой или поперечной релаксации). Изменение намагниченности можно обнаружить с помощью приемных РЧ катушек, расположенных и ориентированных в исследуемом объеме МР устройства так, что изменение намагниченности измеряется в направлении, перпендикулярном оси z. Затухание поперечной намагниченности сопровождается, после приложения, например, 90°-импульса, переходом ядерных спинов (вызванным локальными неоднородностями магнитного поля) из упорядоченного состояния с одинаковой фазой в состояние, в котором все фазовые углы равномерно распределены (дефазировка). Дефазировку можно скомпенсировать посредством импульса перефокусировки (например, 180°- импульса). Это создает эхо-сигнал в приемных катушках.

Для осуществления пространственного разрешения в теле, постоянные градиенты магнитного поля, проходящие вдоль трех основных осей, накладывают на однородное магнитное поле B₀, что приводит к линейной пространственной зависимости частоты спинового резонанса. В этом случае сигнал, принимаемый в приемных катушках, содержит компоненты различных частот, которые могут быть связаны с различными местоположениями в теле. Данные сигнала, полученные с помощью приемных катушек, соответствуют пространственной частотной области и называются данными k-пространства. Данные k-пространства обычно включают в себя множество строк, полученных с различным фазовым кодированием. Каждая строка в k-пространстве оцифровывается путем сбора ряда выборок. Набор данных k-пространства преобразуется в MР изображение, например, посредством преобразования Фурье.

При МР визуализации часто требуется получать информацию об относительном вкладе воды и жира в общий сигнал - либо для подавления вклада одного из них, либо для отдельного или совместного анализа вклада каждого из них. Эти вклады можно рассчитать, если объединить информацию из двух или более соответствующих эхо-сигналов, полученных с различными временами эхо (англ. echo times). Это можно рассматривать как кодирование с химическим сдвигом, при котором определяется и кодируется дополнительная величина - величина химического сдвига, путем получения двух или более МР изображений с немного отличающимися временами эхо. Для разделения вода/жир эксперименты такого типа часто называют измерениями методом Диксона. Путем МР визуализации по Диксону, или МР визуализации вода-жир по Диксону, достигается разделение вода/жир путем расчета вклада воды и жира на основании двух или более соответствующих эхо-сигналов, полученных c разными временами эхо. В общем, такое разделение возможно за счет наличия известной прецессионной разности частот водорода в жире и в воде. В простейшей форме изображения воды и жира создаются путем сложения или вычитания наборов данных «в фазе» и «не в фазе».

В последние годы было предложено несколько способов МР визуализации методом Диксона. Помимо различных стратегий разделения вода/жир известные методы в основном характеризуются определенным числом получаемых эхо-сигналов (или «точек») и ограничениями, которые они накладывают на используемые времена эхо. Обычные так называемые двух- и трехточечные способы требуют синфазного и противофазного времен эхо, при которых сигналы воды и жира параллельны и антипараллельны в комплексной плоскости, соответственно. Трехточечные методы были постепенно обобщены, чтобы обеспечить гибкие времена эхо. Таким образом, они больше не ограничивают угол или фазу между сигналами воды и жира во временах эхо конкретными значениями. Таким образом, они предоставляют больше свободы при построении последовательности формирования изображений и позволяют, в частности, обеспечить компромисс между выигрышами отношения сигнал/шум (SNR, signal-to-noise ratio) от сбора данных и потерями SNR при разделении. С другой стороны, выборка только из двух вместо трех эхо-сигналов желательна для сокращения времени сканирования. Эггерс и др. (Eggers и др.,Magn. Reson. Med., 65: 96-107, 2011) предложили гибкий способ МР визуализации методом Диксона с двойным эхо-сигналом. При использовании таких способов МР визуализации методом Диксона с гибкими временами эхо, получение синфазных и противофазных изображений больше не обязательно, а при необходимости их синтезируют на основании изображений воды и жира.

При визуализации по Диксону можно использовать различные стратегии для сбора эхо-сигналов с двумя разными временами эхо, включая: (i) двухпроходные стратегии, в которых каждый эхо-сигнал получают отдельно после РЧ импульса возбуждения с использованием считывающего градиента магнитного поля с положительной амплитудой, (ii) стратегии обратного хода, в которой оба эхо-сигнала получают после одного и того же РЧ импульса возбуждения с использованием считывающего градиента магнитного поля с положительной амплитудой в сочетании с очищающим градиентом магнитного поля с отрицательной амплитудой, и (iii) биполярные стратегии, в которых оба эхо-сигнала получают после одного и того же РЧ импульса возбуждения, при этом один эхо-сигнал получают с использованием считывающего градиента магнитного поля с положительной амплитудой, а другой эхо-сигнал с использованием считывающего градиента магнитного поля с отрицательной амплитудой.

Биполярные стратегии предлагают много привлекательных преимуществ, таких как более короткое время сканирования, более высокая эффективность отношения сигнал/шум (SNR), более надежная оценка карты поля, уменьшение вызванных движением артефактов и меньшая чувствительность к короткому T₂*. Однако переменные считывающие градиенты магнитного поля создают ряд проблем, включая эффекты задержки и неточное совмещение изображений, что ограничивает прямое применение существующих методов разделения вода/жир по Диксону. Авторами Лу и др. (Lu et al., Water-fat separation with bipolar multi-echo sequences (Разделение вода-жир с помощью последовательностей с биполярным множественным эхо)), Magn. Reson. Med. 2008, 60, 198-209) предложено применение постобработки собранных эхо-сигналов до разделения вода/жир. Эта постобработка включает в себя сдвиг данных k-пространства для коррекции неточных совмещений эхо-сигналов k-пространства и деформации изображений на основании карты поля низкого разрешения для устранения неточного совмещения, вызванного неоднородностью поля. Затем в k-пространстве выполняют фактическое разделение вода/жир, благодаря чему на отдельных изображениях воды и жира устраняются артефакты, вызванные химическим сдвигом.

В соответствии с выбранными временами эхо, обратная задача метода Диксона, применяемого для разделения вода/жир, обычно хорошо обусловлена в центральной части k-пространства. Однако из-за конечной частоты дискретизации обратная задача может быть плохо обусловлена на более периферийных участках k-пространства. С этой целью Лу и др. (Lu et al.) дополнительно предложили регуляризацию путем диагональной нагрузки для предотвращения чрезмерного усиления шума в этих областях k-пространства. Однако этот подход вносит искажения в оценку вклада сигналов от воды и жира.

Раскрытие сущности изобретения

Таким образом, целью изобретения является создание способа, обеспечивающего эффективное и надежное разделение вода/жир по Диксону с использованием методов сбора данных с множественным эхо, таких как сбор данных с двойным эхо TSE или с двойным эхо GRASE или биполярные стратегии сбора данных.

В соответствии с изобретением раскрыт способ МР визуализации объекта (например, тела пациента), помещенного в исследуемый объем МР устройства. Способ включает в себя следующие этапы:

подвергают объект визуализирующей последовательности, содержащей по меньшей мере один РЧ импульс возбуждения и переключаемые градиенты магнитного поля, причем два эхо-сигнала, первый эхо-сигнал и второй эхо-сигнал, генерируют с разными временами эхо,

получают эхо-сигналы от объекта, и

реконструируют изображение воды и/или изображение жира из эхо-сигналов, при этом вклады от воды и жира в эхо-сигналы разделяют с использованием двухточечного метода Диксона в первой области k-пространства и одноточечного метода Диксона во второй области k-пространства, причем первая область отличается от второй области.

Изобретение предлагает адаптивное переключение между двухточечным методом Диксона для разделения вода/жир, применяемого и к первому, и ко второму эхо-сигналам, и одноточечному методу Диксона, применяемого к одному из двух эхо-сигналов, то есть к данным первого эхо-сигнала или данным второго эхо-сигнала, в зависимости от положения в k-пространстве. Альтернативно, одноточечный метод Диксона можно применять к обоим эхо-сигналам по отдельности, а результаты затем можно объединить для уменьшения шума.

Предпочтительно, два эхо-сигнала получают с использованием биполярных считывающих градиентов магнитного поля согласно изобретению. Два эхо-сигнала получают с использованием пары смежных по времени считывающих градиентов магнитного поля, имеющих противоположные полярности. Первый эхо-сигнал получают с первым временем эхо с использованием считывающего градиента магнитного поля с положительной амплитудой, а второй эхо-сигнал получают со вторым временем эхо с использованием считывающего градиента магнитного поля с отрицательной амплитудой (или наоборот).

Из-за эффектов задержки и неточного совмещения изображений, возникающих при биполярном сборе данных, два эхо-сигнала предпочтительно корректируют с учетом неточностей совмещения в k-пространстве до реконструкции изображений воды и жира. Два эхо-сигнала нужно дополнительно скорректировать с учетом фазовых ошибок и неточностей совмещения в пространстве изображения из-за неоднородности основного поля до реконструкции изображений воды и жира. Что касается подробностей этих этапов коррекции и выполнения разделения вода/жир в k-пространстве, следует обратиться к вышеуказанной статье Лу и др (Lu et al.).

Как упоминалось ранее, параметры визуализации обычно выбирают таким образом, чтобы обратная задача двухточечного метода Диксона, применяемого для разделения вода/жир, была хорошо обусловлена в центральной части k-пространства. Однако при тех же параметрах визуализации обратная задача двухточечного разделения по Диксону может быть плохо обусловлена в более периферийных частях k-пространства. Следовательно, первую область k-пространства, в которой применяется двухточечный метод Диксона, следует определить так, чтобы она охватывала центральную часть k-пространства (где соответствующая обратная задача хорошо обусловлена). Изобретение дает понимание того, что, хотя двухточечный метод Диксона становится плохо обусловленным, в этом примере - по направлению к периферии k-пространства, обратная задача одноточечного метода Диксона, применяемая к данным первого и/или второго эхо-сигнала, становится (или остается) достаточно хорошо обусловленной. Следовательно, вторая область k-пространства, где применяется одноточечный метод Диксона, предпочтительно определяется как охватывающая периферийную часть k-пространства согласно изобретению.

В общем, изобретение предлагает определять первую и вторую области k-пространства в соответствии с прогнозируемым обусловливанием обратных задач двухточечного и одноточечного методов Диксона в соответствующих областях k-пространства. Прогнозируемое искажение вода/жир соответствующего разделения методом Диксона также может быть принято во внимание. Наконец, изображение воды и/или изображение жира реконструируют с использованием данных k-пространства после разделения вкладов воды и жира.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения предполагается, что вклады воды и жира в k-пространстве являются эрмитовскими в тех областях k-пространства, где обратная задача соответствующего двухточечного или одноточечного метода Диксона плохо обусловлена. Как отмечалось выше, обусловленность обратной задачи метода Диксона можно улучшить путем регуляризации. Однако эта регуляризация вносит искажения в оценку вклада сигналов воды и жира. Изобретение дает понимание того, что обусловливание обратной задачи можно улучшить (без искажения оценки вклада воды и жира за счет регуляризации), за счет ограничения, чтобы начальные фазы вкладов сигналов воды и жира в пространстве изображения были равны, всякий раз, когда (неограниченная) обратная задача плохо обусловлена. В этом случае предполагается, что вклады сигналов от воды и жира являются действительными в пространстве изображения и, следовательно, эрмитовскими в k-пространстве. Обусловленность обратной задачи может быть определена усилением шума соответствующего алгоритма разделения вода/жир. Обратную задачу можно рассматривать как плохо обусловленную, например, если уровень усиления шума выше заданного порогового значения.

Подход изобретения, в котором алгоритм Диксона предполагает, что вклады сигнала от воды и жира являются эрмитовскими в k-пространстве, обеспечивает одноточечное и двухточечное разделение вода/жир в k-пространстве, которое работает по двум эхо-сигналам. Его можно использовать локально для выбранных областей k-пространства (согласно обусловливанию соответствующей обратной задачи) или даже глобально для всех областей k-пространства. В отличие от обычного сложного разделения вода/жир, оно часто остается хорошо обусловленным без регуляризации.

Раскрытый выше способ согласно изобретению может быть реализован посредством МР устройства, включающего в себя по меньшей мере одну основную магнитную катушку для генерирования, по существу, однородного статического магнитного поля B₀ в исследуемом объеме, ряд градиентных катушек для генерирования переключаемых градиентов магнитного поля в разных пространственных направлениях в исследуемом объеме, по меньшей мере одну РЧ катушку для тела для генерирования РЧ импульсов в исследуемом объеме и/или для приема МР сигналов от тела пациента, находящегося в исследуемом объеме, блок управления для управления временной последовательностью РЧ импульсов и переключаемых градиентов магнитного поля, а также блок реконструкции для реконструкции МР изображений из принятых МР сигналов. Способ согласно настоящему изобретению может быть реализован путем соответствующего программирования блока реконструкции и/или блока управления MР устройства.

Способ согласно настоящему изобретению может быть успешно осуществлен на большинстве МР устройств при клиническом использовании в настоящее время. Для этого просто требуется использовать компьютерную программу, посредством которой управляют МР устройством, чтобы оно выполняло вышеописанные этапы способа согласно изобретению. Компьютерная программа может присутствовать либо на носителе данных, либо присутствовать в сети передачи данных, будучи загружаемой для установки в блоке управления МР устройства.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи раскрывают предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако, следует понимать, что чертежи предназначены только для иллюстрации, а не для определения границ изобретения. На чертежах:

на фиг. 1 показано МР устройство для осуществления способа по настоящему изобретению;

на фиг. 2 показан схематический (упрощенный) график последовательности импульсов для визуализирующей последовательности по Диксону с использованием биполярных считывающих градиентов магнитного поля согласно изобретению;

на фиг. 3 показан график, иллюстрирующий усиление шума путем разделения вода/жир по Диксону в k-пространстве в зависимости от положения в k-пространстве.

Осуществление изобретения

Рассмотрим фиг. 1, где МР устройство 1 показано в виде блок-схемы. Устройство содержит сверхпроводящие или резистивные основные магнитные катушки 2, так что создается, по существу, однородное, постоянное во времени основное магнитное поле B₀ вдоль оси z, проходящее через исследуемый объем. Устройство дополнительно содержит набор (1-го, 2-го и, где это применимо, 3-го порядка) шиммирующих катушек 2', причем ток, протекающий через отдельные шиммирующие катушки из набора 2', является управляемым с целью минимизации отклонений B₀ в пределах исследуемого объема.

Система генерирования магнитного резонанса и манипулирования применяет серии РЧ импульсов и переключаемых градиентов магнитного поля для инвертирования или возбуждения ядерных магнитных спинов, индуцирования магнитного резонанса, перефокусировки магнитного резонанса, манипулирования магнитным резонансом, пространственного и иного кодирования магнитного резонанса, насыщения спинов и т.п. для выполнения МР визуализации.

В частности, градиентный импульсный усилитель 3 подает импульсы тока на выбранные катушки из градиентных катушек 4, 5 и 6 для всего тела вдоль осей x, y и z исследуемого объема. Цифровой РЧ передатчик 7 через переключатель 8 передачи/приема передает РЧ импульсы или пакеты импульсов на РЧ катушку 9 для тела для передачи РЧ импульсов в исследуемый объем. Типовая последовательность МР визуализации состоит из пакета сегментов РЧ импульсов малой длительности, которые, вместе с любыми применяемыми градиентами магнитного поля, обеспечивают избирательное манипулирование ядерным магнитным резонансом. РЧ импульсы используют для насыщения резонанса, возбуждения резонанса, инвертирования намагниченности, перефокусировки резонанса или манипулирования резонансом и выбора части тела 10, находящейся в исследуемом объеме. MR-сигналы также улавливаются радиочастотной катушкой 9 для тела.

Для генерирования МР изображений ограниченных областей тела 10 набор локальных матричных РЧ катушек 11, 12, 13 размещают смежно с областью, выбранной для визуализации. Матричные катушки 11, 12, 13 могут использоваться для приема MР сигналов, индуцированных РЧ передачами через РЧ катушку для тела.

Результирующие МР сигналы улавливают посредством РЧ катушки 9 для тела и/или матричных РЧ катушек 11, 12, 13 и демодулируют посредством приемника 14, предпочтительно включающего в себя предусилитель (не показан). Приемник 14 соединен с РЧ катушками 9, 11, 12 и 13 через переключатель 8 передачи/приема.

Хост-компьютер 15 управляет шиммирующими катушками 2', а также градиентным импульсным усилителем 3 и передатчиком 7 для генерирования последовательностей визуализации согласно изобретению. Для выбранной последовательности приемник 14 принимает одну или множество строк МР данных в быстрой последовательности после каждого РЧ импульса возбуждения. Система 16 сбора данных выполняет аналого-цифровое преобразование принятых сигналов и преобразует каждую строку МР данных в цифровой формат, пригодный для дальнейшей обработки. В современных МР устройствах система 16 сбора данных представляет собой отдельный компьютер, специально предназначенный для сбора исходных данных изображения.

Наконец, цифровые исходные данные изображения реконструируют в представление изображения посредством процессора 17 реконструкции, применяющего преобразование Фурье или другие соответствующие алгоритмы реконструкции, такие как SENSE. МР изображение может представлять плоский срез тела пациента, массив параллельных плоских срезов, трехмерный объем и т. п. Затем изображение сохраняют в запоминающем устройстве для изображений, где оно может быть доступно для преобразования срезов, проекций или других участков представления изображения в соответствующий формат для визуализиции, например, с помощью видеомонитора 18, обеспечивающего считываемый человеком дисплей для полученного МР изображения.

Хост-компьютер 15 и процессор 17 реконструкции запрограммированы для выполнения способа по изобретению, как раскрыто выше и ниже.

На фиг. 2 изображен схематический график последовательности импульсов для последовательности визуализации по Диксону с использованием биполярных считываемых градиентов магнитного поля согласно изобретению. График показывает переключаемые градиенты магнитного поля в направлении (M) частотного кодирования, направлении (P) фазового кодирования и направлении (S) выбора среза. Кроме того, на графике показан РЧ импульс возбуждения, а также временные интервалы, обозначенные ACQ1 и ACQ2, в течение которых получают эхо-сигналы. График охватывает получение одной пары эхо-сигналов. Ряд таких пар эхо-сигналов получают путем многократного повторения изображенной последовательности с использованием разных фазовых кодировок (P), чтобы полностью покрыть требуемую область k-пространства. Каждую пару эхо-сигналов получают с использованием соответствующей пары считывающих градиентов (M) магнитного поля, имеющих противоположные полярности. Временные интервалы и амплитуды биполярных считывающих градиентов выбирают так, чтобы сдвигать окна ACQ1, ACQ2 получения эхо-сигналов таким образом, чтобы обеспечивать разные времена TE1 и TE2 эхо и соответственно разные сдвиги фаз вкладов сигналов от протонов воды и протонов жира. Разделение этих вкладов сигналов по Диксону основано на этих сдвигах фаз на заключительном этапе реконструкции изображения воды и/или жира.

Перед реконструкцией для двух эхо-сигналов вводят поправку на неточности совмещения в k-пространстве и на фазовые ошибки, а также на неточности совмещения в пространстве изображения из-за неоднородности основного поля (см., например, Лу и др. (Lu et al., Water-fat separation with bipolar multi-echo sequences (Разделение вода-жир с помощью последовательностей с биполярным множественным эхо), Magn. Reson. Med. 2008, 60, 198-209).

Последующая реконструкция включает в себя разделение вкладов от воды и жира в эхо-сигналы в k-пространстве. С этой целью двухточечный метод Диксона (см., например, Эггерс и др. (Eggers et al., Dual-echo Dixon imaging with flexible choice of echo times (Визуализация с двойным эхо по Диксону с гибким выбором времен эхо), Magn. Reson. Med. 2011, 65, 96-107) применяют в первой области k-пространства, а одноточечный метод Диксона (см., например, Ма, A single-point Dixon technique for fat-suppressed fast 3D gradient-echo imaging with a flexible echo time (Одноточечный метод Диксона для визуализации с помощью быстрого трехмерного градиентного эхо в режиме жироподавления с гибким временем эхо, J. Magn. Reson. Imaging 2008, 27, 881-890) применяют во второй области k-пространства. Одноточечный метод Диксона может применяться к одному из двух эхо-сигналов, то есть к данным первого эхо-сигнала или к данным второго эхо-сигнала. Альтернативно, одноточечный метод Диксона может применяться к обоим эхо-сигналам по отдельности, а затем результаты можно объединить для уменьшения шума.

В отличие от двухточечного метода Диксона, одноточечный метод Диксона моделирует сигналы воды и жира в пространстве изображения как действительные переменные. В k-пространстве это соответствует сопряженным симметричным сигналам воды и жира. Чтобы использовать это свойство, разделение вода/жир преимущественно выполняют в k-пространстве совместно для соответствующих отрицательных и положительных частот. Альтернативно, эхо-сигналы в k-пространстве, к которым нужно применить одноточечный метод Диксона, могут быть преобразованы в пространство изображения для разделения вода/жир, поскольку жировой сдвиг является однополярным в данных отдельного эхо-сигнала и может легко корректироваться после разделения вода/жир.

Изобретение предлагает определять первую и вторую области k-пространства в соответствии с прогнозируемым обусловливанием обратных задач двухточечных и одноточечных методов Диксона в соответствующих областях k-пространства. Это показано на рисунке 3. На графике показано усиление шума с помощью соответствующего алгоритма разделения вода/жир в k-пространстве в зависимости от положения в k-пространстве (объем выборки), в одном случае с использованием двухточечного метода Диксона при отсутствии (штриховой участок кривой 31) и при наличии (сплошной участок кривой 31) адаптивной регуляризации, как в вышеупомянутой статье Лу и др. (Lu et al.), и в одном случае с применением одноточечного метода Диксона к первому эхо-сигналу (сплошная кривая 32), второму эхо-сигналу (штриховая кривая 32), а также как к отдельным, так и к усредненным результатам (кривая 33). В этом примере предполагается последовательность турбо-спин-эхо (TSE, turbo spin echo) по Диксону со сдвигами эхо, составляющими -0,5 мс и 1,5 мс при 1,5 Т и частным эхо-коэффициентом, составляющим 0,75. Вблизи центра k-пространства (объем выборки 256) усиление шума в применяемом двухточечном методе Диксона близко к оптимальному, составляющему 0,5, что соответствует двукратному усреднению. Однако по направлению к периферии k-пространства усиление шума резко возрастает (если не применяется регуляризация). Как показано сплошной кривой 31, в этом примере усиление шума ограничено максимумом, составляющим 2,0. Однако эта регуляризация вносит искажения в оценку вкладов сигналов от воды и жира. В то время как усиление шума становится неблагоприятным в отношении периферии k-пространства для двухточечного метода Диксона (указывая на то, что обратная задача становится плохо обусловленной), оно становится более благоприятным для одноточечного метода Диксона, применяемой к первому или второму эхо-сигналу. Это видно по кривым 32, 33. Везде, где одна из двух кривых 32, 33 остается ниже кривой 31, предпочтительно опираться на одноточечный метод Диксона вместо двухточечного метода Диксона. Это характеризует вторую область k-пространства в понимании настоящего изобретения. Центральная область k-пространства, где усиление шума минимально вдоль кривой 31, образует первую область k-пространства в понимании настоящего изобретения. В определенных положениях k-пространства (также в пределах второй области) усреднение результатов одноточечного метода Диксона, применяемого отдельно к первым и вторым данным эхо-сигнала, обеспечивает дополнительное снижение усиления шума.

Наконец, изображение воды и/или изображение жира реконструируют с использованием данных k-пространства после вышеописанного разделения вкладов воды и жира.

Два совокупных эхо-сигнала S₁ и S₂ (после оценки и демодуляции фазы, вызванной неоднородностью основного поля) могут быть смоделированы как

,

при этом

,

где W и F обозначают сигналы воды и жира в k-пространстве, t - время получения, а w и Δf - относительную амплитуду и частоту пиков используемой спектральной модели жира. Решение для W и F имеет вид

,

при этом

,

где λ обозначает параметр регуляризации.

Как было объяснено выше при рассмотрении фиг. 1-3, подходящий выбор λ позволяет ограничить коэффициент усиления шума требуемым значением. Однако диагональная нагрузка матрицы C^HC вносит отклонение в разделение вода/жир. Во избежание этого изобретение предлагает ввести ограничение, чтобы начальные фазы сигнала воды и жира в пространстве изображения были равны, если инверсия матрицы C^HC плохо обусловлена. В этом случае подразумевается, что вклады воды и жира являются действительными в пространстве изображения и, следовательно, эрмитовскими в k-пространстве. При рассмотрении только одного эхо-сигнала, S описывается как

,

где индексы _R и _I обозначают действительную и мнимую части, а k₂ = - k₁. Включение второго эхо-сигнала также приводит к

,

что образует переопределенную линейную систему из восьми уравнений. W и F в обоих случаях получают так, как указано выше, но без регуляризации. Этот ограниченный метод Диксона обеспечивает разделение воды и жира в одной и двух точках в k-пространстве, что работает на парах образцов в k-пространстве. Он может использоваться локально для выбранных областей k-пространства или глобально для всех областей k-пространства. В качестве меры для обусловливания обратной задачи график на фиг. 4 показывает усиление шума с помощью соответствующего алгоритма разделения вода/жир в k-пространстве как функцию положения в k-пространстве (объем выборки), в одном случае с использованием обычного комплексного двухточечного метода Диксона при отсутствии (штриховой участок кривой 41) и при наличии (сплошной участок кривой 41) регуляризации, и с использованием предложенного ограниченного разделения вода/жира без регуляризации, с учетом только первого эхо (кривая 42) и обоих эхо (кривая 43). Как показано на фиг. 4, в отличие от обычного комплексного разделения (кривая 41), разделение, ограниченное реальными вкладами сигналов воды и жира (кривые 42, 43), остается хорошо обусловленным без регуляризации. Его усиление шума демонстрирует лишь незначительные изменения в k-пространстве и остается в разумных пределах.

Наконец, предложенное ограниченное разделение вода/жир по Диксону в качестве примера показано на фиг. 5. Таз добровольца был визуализирован посредством трехмерной T₁-взвешенной последовательности двойного градиентного эха с очищением на 3-тесловом МР устройстве. Были выбраны поле наблюдения 350 (AP) × 350 (RL) × 200 (FH) мм³, разрешение 0,7 × 0,7 × 2,5 мм³, TE₁/TE₂/TR 2,0/3,7/5,5 мс и угол отклонения вектора намагниченности 10°. Пиксельная ширина полосы пропускания пикселя составила 650 Гц, что соответствует сдвигу сигнала от доминантного пика спектра жира, составляющего 0,65 пикселя в изображениях одиночного эхо-сигнала. Фазу, вызванную неоднородностью основного поля, и начальную фазу сигналов воды и жира сначала определили и исключили из визуализации одиночного эхо-сигнала, игнорируя какую-либо неточность совмещения. Затем в k-пространстве применялось комплексное разделение в соответствии с обычным алгоритмом Диксона, при отсутствии и при наличии регуляризации, а также предложенное «гибридное комплексно-действительное» ограниченное разделение без регуляризации. Результаты для одного среза показаны на фиг. 5. На фиг. 5 показаны изображения воды, реконструированные с использованием обычного комплексного разделения вода/жир по Диксону (верхний ряд), при отсутствии (слева) и при наличии (справа) регуляризации, а также с использованием предложенного гибридного комплексно-действительного разделения (снизу) без регуляризации. Тогда как регуляризация обязательна в обычном комплексном разделении для предотвращения прорыва высокочастотного шума, очевидно, что в подходе, предложенном изобретением, она не является необходимой. Благодаря способу согласно настоящему изобретению можно избежать потери резкости изображения, обычно наблюдаемой как неблагоприятное следствие регуляризации, без ущерба от чрезмерного усиления шума.

Использование: для магнитно-резонансной (МР) визуализации методом Диксона. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют следующие этапы: подвергают объект последовательности визуализации, содержащей по меньшей мере один РЧ импульс возбуждения и переключаемые градиенты магнитного поля, причем два эхо-сигнала, первый эхо-сигнал и второй эхо-сигнал генерируют с разными временами (ТЕ1, ТЕ2) эхо, получают эхо-сигналы от объекта, реконструируют изображение воды и/или изображение жира из эхо-сигналов, при этом вклады от воды и жира в эхо-сигналы разделяют с использованием двухточечного метода Диксона в первой области k-пространства и одноточечного метода Диксона во второй области k-пространства, причем первая область отличается от второй области. Иначе говоря, изобретение предлагает адаптивное переключение между двухточечным методом Диксона для разделения вода/жир, применяемым как к первому, так и ко второму эхо-сигналам, и одноточечным методом Диксона, применяемого к одному из двух эхо-сигналов, т.е. данным первого эхо-сигнала или данным второго эхо-сигнала, в зависимости от положения в k-пространстве. Технический результат: обеспечение надежное разделения вода/жир при их визуализации. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ магнитно-резонансной визуализации (МР) визуализации объекта (10), помещенного в исследуемый объем магнитно-резонансного устройства (1), включающий в себя следующие этапы:

подвергают объект (10) последовательности визуализации, содержащей по меньшей мере один радиочастотный (РЧ) импульс возбуждения и переключаемые градиенты магнитного поля, причем два эхо-сигнала, первый эхо-сигнал и второй эхо-сигнал, генерируют с разными временами (ТЕ1, ТЕ2) эхо,

получают эхо-сигналы от объекта (10),

реконструируют изображение воды и/или изображение жира из эхо-сигналов, при этом вклады от воды и жира в эхо-сигналы разделяют с использованием двухточечного метода Диксона в первой области k-пространства и одноточечного метода Диксона во второй области k-пространства, причем первая область отличается от второй области.

2. Способ по п. 1, в котором два эхо-сигнала получают с использованием биполярных считывающих градиентов магнитного поля.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором одноточечный метод Диксона применяют к данным первого эхо-сигнала или к данным второго эхо-сигнала.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором одноточечный метод Диксона применяют на двух отдельных этапах вычисления к данным первого эхо-сигнала и данным второго эхо-сигнала, соответственно, причем вклады от воды и жира вычисляют путем объединения результатов двух отдельных этапов вычисления.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором два эхо-сигнала корректируют с учетом неточностей совмещения в k-пространстве до реконструкции изображений воды и жира.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором два эхо-сигнала корректируют с учетом фазовых ошибок и неточностей совмещения в пространстве изображения из-за неоднородности основного поля до реконструкции изображений воды и жира.

7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором первая область k-пространства охватывает центральную часть k-пространства, тогда как вторая область k-пространства охватывает периферийную часть k-пространства.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором первую и вторую области k-пространства определяют в соответствии с обусловливанием обратных задач двухточечного и одноточечного методов Диксона в соответствующих областях k-пространства.

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором предполагается, что вклады от воды и жира в k-пространстве являются эрмитовскими в тех областях k-пространства, в которых обратная задача соответствующего двухточечного или одноточечного метода Диксона плохо обусловлена.

10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором двухточечный метод Диксона и/или одноточечный метод Диксона применяют без регуляризации.

11. Способ магнитно-резонансной (МР) визуализации объекта (10), помещенного в исследуемый объем магнитно-резонансного устройства (1), причем способ включает в себя следующие этапы:

подвергают объект (10) последовательности визуализации, содержащей по меньшей мере один радиочастотный (РЧ) импульс возбуждения и переключаемые градиенты магнитного поля, причем два эхо-сигнала, первый эхо-сигнал и второй эхо-сигнал, генерируют с разными временами (ТЕ1, ТЕ2) эхо,

получают эхо-сигналы от объекта (10),

реконструируют изображение воды и/или изображение жира из эхо-сигналов, при этом вклады от воды и жира в эхо-сигналы разделяют с использованием двухточечного метода Диксона и/или одноточечного метода Диксона, причем предполагается, что вклады от воды и жира в k-пространстве являются эрмитовскими в тех областях k-пространства, в которых обратная задача соответствующего двухточечного или одноточечного метода Диксона плохо обусловлена.

12. Способ по п. 11, в котором два эхо-сигнала получают с использованием биполярных считывающих градиентов магнитного поля.

13. Способ по п. 11 или 12, в котором в котором одноточечный метод Диксона применяют на двух отдельных этапах вычисления к данным первого эхо-сигнала и данным второго эхо-сигнала, соответственно, причем вклады от воды и жира вычисляют путем объединения результатов двух отдельных этапов вычисления.

14. Способ по любому из пп. 11-13, в котором два эхо-сигнала корректируют с учетом неточностей совмещения в k-пространстве до реконструкции изображений воды и жира.

15. Способ по любому из пп. 11-14, в котором два эхо-сигнала корректируют с учетом фазовых ошибок и неточностей совмещения в пространстве изображения из-за неоднородности основного поля до реконструкции изображений воды и жира.

16. Способ по любому из пп. 11-15, в котором двухточечный метод Диксона и/или одноточечный метод Диксона применяют без регуляризации.

17. Магнитно-резонансное (МР) устройство, содержащее по меньшей мере одну основную магнитную катушку (2) для генерирования однородного статического магнитного поля B0 в исследуемом объеме, ряд градиентных катушек (4, 5, 6) для генерирования переключаемых градиентов магнитного поля в разных пространственных направлениях в исследуемом объеме, по меньшей мере одну радиочастотную (РЧ) катушку (9) для генерирования радиочастотных импульсов в исследуемом объеме и/или для приема магнитно-резонансных сигналов от объекта (10), расположенного в исследуемом объеме, блок (15) управления для управления временной последовательностью радиочастотных импульсов и переключаемых градиентов магнитного поля, и блок (17) реконструкции для реконструкции магнитно-резонансных изображений из принятых магнитно-резонансных сигналов, причем магнитно-резонансное устройство (1) выполнено с возможностью реализации этапов способа по любому из пп. 1-16.

18. Машиночитаемый носитель, содержащий компьютерную программу, выполненную с возможностью исполнения на магнитно-резонансном устройстве и содержащую инструкции для исполнения способа по любому из пп. 1-16.