KR101826961B1 - Method and system for magnetic resonance imaging using compressive sensing - Google Patents

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KR101826961B1
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Abstract

본 발명은 압축 센싱을 이용한 자기 공명 영상 기법 및 시스템을 제공한다. 본 발명에 따르면, 입력 영상에 대해 k 공간(k-space)에서 압축 센싱 기법을 이용하여 하나 이상의 쌍곡 나선(hyperbolic spiral) 궤적을 따라 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링 결과로 획득된 데이터들에 대해 2차원 역고속푸리에변환을 수행하여 재구성 영상을 획득한다. 이와 같이 하면 나이키스트 속도보다 적은 샘플링으로 좋은 품질의 재구성 영상을 획득할 수 있다. The present invention provides a magnetic resonance imaging technique and system using compression sensing. According to the present invention, sampling is performed along one or more hyperbolic spiral trajectories using a compression sensing technique in k-space with respect to an input image, and 2 Dimensional inverse fast Fourier transform to obtain a reconstructed image. In this way, a reconstructed image of good quality can be obtained with a sampling rate lower than the Nyquist rate.

Description

압축 센싱을 이용한 자기 공명 영상 기법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MAGNETIC RESONANCE IMAGING USING COMPRESSIVE SENSING}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a magnetic resonance imaging (MRI)

본 발명은 압축 센싱을 이용한 자기 공명 영상(Magnetic Resonance Imaging) 시스템에 관한 것으로, 특히 압축 센싱을 이용한 자기 공명 영상 시스템의 효율을 높이기 위한 궤적의 선택 및 파라미터 최적화 기법에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic resonance imaging (MRI) system using compression sensing, and more particularly, to selection of a trajectory and a parameter optimization technique for increasing the efficiency of a magnetic resonance imaging system using compression sensing.

자기 공명 영상법은 인체에 강한 외부 자기장을 가하여 그 결과로 인체의 각 부분을 구성하는 물질들에서 방출되는 전자기파를 관측하여 그 물질들의 자기적인 성질을 알고 이로부터 인체의 영상을 재구성하는 방법이다. 그런데 자기 공명 영상법의 물리적인 특징으로 인해 자기 공명 영상법에서 신호 획득은 공간 도메인이 아니라 주파수 도메인에서 이루어 진다. 이 주파수 도메인을 'k-space'라고 한다.Magnetic resonance imaging (MRI) is a method of applying a strong external magnetic field to a human body, observing the electromagnetic waves emitted from the materials constituting each part of the human body, recognizing the magnetic properties of the materials, and reconstructing the image of the human body. However, due to the physical characteristics of magnetic resonance imaging, signal acquisition in magnetic resonance imaging is performed in the frequency domain rather than in the spatial domain. This frequency domain is called 'k-space'.

한편, 압축 센싱(compressive Sensing) 기법은 획득하려는 신호에 내재된 희소성(sparsity)을 이용해 나이키스트 속도(Nyquist rate)보다 훨씬 낮은 속도로 샘플링을 하면서도 원래의 신호를 복원해 내는 기법이다. 따라서 압축 센싱 기법을 자기 공명 영상법에 적용함으로써 k-space에서 Nyquist rate보다 적은 수의 샘플들을 취하면서도 원래의 영상을 복원할 수 있다. 그 결과 자기 공명 영상의 촬영에 걸리는 시간을 단축할 수 있다.On the other hand, the compressive sensing technique is a technique for recovering the original signal while sampling at a rate much lower than the Nyquist rate using the sparsity inherent in the signal to be acquired. Therefore, by applying the compression sensing technique to magnetic resonance imaging, the original image can be reconstructed while taking fewer samples than the Nyquist rate in k-space. As a result, the time taken to take a magnetic resonance image can be shortened.

그런데 압축 센싱 기법은 Nyquist rate를 만족하는 샘플링 기법에 비해 적은 수의 샘플로부터 원래 이미지를 복원하므로 데이터를 샘플링하는 방법이 복원된 영상의 품질에 영향을 미친다. 일반적으로 압축 센싱 기법에서는 도메인간의 비조화도 (incoherence)를 높여 적은 샘플로부터 원본 영상을 복원하기 위해 k-space에서 일부의 샘플들을 랜덤하게 선택하여 취득하는 랜덤 샘플링 방식을 사용한다. 그런데 자기 공명 영상법의 물리적인 특징으로 인해 k-space에서의 데이터 샘플링은 반드시 연속적인 궤적을 따라 이루어져야만 한다. 따라서 자기 공명 영상 시스템에 압축 센싱을 적용할 경우에는 랜덤 샘플링 방식을 사용할 수 없다. 이로 인해 기존의 압축 센싱을 적용한 자기 공명 영상 기법들은 랜덤 샘플링 대신 카르테시안(Cartesian), 방사형(radial) 등의 연속적인 곡선으로 이루어진 k-space 샘플링 궤적을 사용하였다. 그러나 이러한 k-space 샘플링 궤적들 중 어떤 궤적이 의료 영상을 위한 최선의 궤적인지, 또 인체의 각 부위의 의료 영상이 가지는 다양한 특성에 따라 각 샘플링 궤적의 파라미터를 어떻게 최적화하는지에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 한국 특허 공개 공보 제 1020100004321 호는 압축 센싱 이론을 바탕으로 압축 센싱 기반 동적 자기공명 영상기법을 개시하였다.However, since the compression sensing technique restores the original image from a small number of samples compared to the sampling method that satisfies the Nyquist rate, the method of sampling data affects the quality of the reconstructed image. Generally, in the compression sensing technique, a random sampling method is used to randomly select and acquire a part of samples in k-space in order to restore incoherence between domains to restore an original image from a small sample. However, due to the physical characteristics of magnetic resonance imaging, data sampling in k-space must be performed along a continuous trajectory. Therefore, when compression sensing is applied to a MRI system, a random sampling method can not be used. For this reason, MRI techniques using conventional compression sensing use a k-space sampling trajectory consisting of continuous curves such as Cartesian and radial instead of random sampling. However, there is almost no research on how to optimize the parameters of each sampling trajectory according to various trajectories of k-space sampling trajectories and the medical trajectory of each part of human body . Korean Patent Laid-Open Publication No. 1020100004321 discloses a compression sensing based dynamic magnetic resonance imaging technique based on compression sensing theory.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 의료 영상에 적합한 k-space 샘플링 궤적을 찾고, 상기 샘플링 궤적의 파라미터를 최적화함으로써 압축 센싱 자기 공명 영상 시스템에서 영상을 복원하기 위해 요구되는 k-space 샘플의 수를 줄여 자기 공명 영상 시스템의 전체 스캔 시간을 줄이는 것이다.A problem to be solved by the present invention is to find a k-space sampling trajectory suitable for a medical image and to optimize the parameters of the sampling trajectory, thereby reducing the number of k-space samples required for restoring an image in a compression sensing magnetic resonance imaging system And to reduce the total scan time of the MRI system.

본 발명의 실시예에 따르면, 압축 센싱을 적용한 자기 공명 영상을 얻기 위한 방법에 있어서, 입력 영상에 대해 k 공간(k-space)에서 압축 센싱 기법을 이용하여 하나 이상의 쌍곡 나선(hyperbolic spiral) 궤적을 따라 샘플링을 수행하는 과정과, 상기 샘플링 결과로 획득된 데이터들에 대해 2차원 역고속푸리에변환을 수행하여 재구성 영상을 획득하는 과정을 포함한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method for acquiring a magnetic resonance image using compression sensing, the method comprising: generating one or more hyperbolic spiral trajectories using a compression sensing technique in k- And performing a two-dimensional inverse fast Fourier transform on the data obtained as a result of the sampling to obtain a reconstructed image.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 압축 센싱을 적용한 자기 공명 영상 시스템에 있어서, 입력 영상에 대해 k 공간(k-space)에서 압축 센싱 기법을 이용하여 하나 이상의 쌍곡 나선(hyperbolic spiral) 궤적을 따라 샘플링을 수행하는 샘플링부와, 상기 샘플링 결과로 획득된 데이터들에 대해 2차원 역고속푸리에변환을 수행하여 재구성 영상을 획득하는 재구성 영상 획득부를 포함한다. According to an embodiment of the present invention, in a magnetic resonance imaging system using compression sensing, sampling is performed along one or more hyperbolic spiral trajectories using a compression sensing technique in a k-space with respect to an input image. And a reconstruction image acquiring unit for acquiring a reconstruction image by performing two-dimensional inverse fast Fourier transform on the data obtained as a result of the sampling.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 쌍곡 나선(hyperbolic spiral) 궤적을 압축 센싱을 이용한 자기 공명 영상 기법의 샘플링에 이용하기 위하여 상기 쌍곡 나선 궤적의 회전수와 반지름 파라미터를 최적화하는 방법에 있어서, 나이키스트 속도(Nyquist rate)로 샘플링된 I개의 의료영상을 각각 2차원 고속푸리에변환하는 과정과, 상기 쌍곡 나선 궤적의 회전수와 반지름 파라미터 값을 미리 정해진 범위 내에서 미리 정해진 간격으로 변화시키는 과정과, 상기 변화된 파라미터값을 가지는 쌍곡 나선 궤적을 이용하여 상기 2차원고속푸리에변환된 영상에 대해 압축 센싱을 수행하여 영상을 복원하는 과정과, 상기 복원된 영상의 가격함수를 계산하고 상기 파라미터 값을 기록하는 과정과, 상기 I개의 영상에 대해 기록된 파라미터 값들의 산술평균값을 상기 최적화된 회전수와 반지름 파라미터 값으로 결정하는 과정을 포함한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of optimizing the number of revolutions and radius parameters of the hyperbolic spiral trajectory in order to use the hyperbolic spiral trajectory for sampling a magnetic resonance imaging technique using compression sensing, Dimensional finite Fourier transform of I medical images sampled at a Nyquist rate, changing the number of rotations and radius parameters of the hyperbolic spiral locus to a predetermined interval within a predetermined range, A step of restoring an image by performing compression sensing on the 2D FFT-transformed image using a hyperbolic trajectory having a changed parameter value, calculating a prime function of the reconstructed image, and recording the parameter value And an arithmetic average value of parameter values recorded for the I images, It includes a step of determining a transfer parameter value as a radius.

본 발명에 따르면 쌍곡 나선(hyperbolic spiral) 궤적을 사용함으로써 기존의 카르테시안(Cartesian)이나 방사형(radial) 궤적에 비해 같은 샘플 수를 획득 했을 때 좋은 품질의 영상을 제공할 수 있다. 따라서 비교적 적은 샘플로도 동일한 품질의 영상을 획득할 수 있으므로 자기 공명 영상 시스템의 스캔 시간을 줄일 수 있고, 샘플링 데이터의 양이 적어지므로 데이터의 전송도 유리하다.According to the present invention, by using the hyperbolic spiral trajectory, a good quality image can be obtained when the same number of samples is obtained as compared with the existing Cartesian or radial trajectory. Therefore, since the image of the same quality can be acquired even with a relatively small sample, the scan time of the magnetic resonance imaging system can be reduced, and the amount of sampling data can be reduced, so that data transmission is also advantageous.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 쌍곡 나선(hyperbolic spiral) k-space 궤적의 예를 도시한 도면
도 2은 본 발명의 실시 예에 따른 압축 센싱 자기 공명 영상 시스템을 위한 hyperbolic spiral k-space 궤적 및 파라미터 최적화 기법의 개략적 구성을 도시한 도면
도 3은 기존의 카르테시안(Cartesian) 궤적, 방사형(radial) 궤적과 본 발명에서 제안된 hyperbolic spiral 궤적의 복원 영상 및 성능을 비교한 도면
도 4은 본 발명에서 제안된 hyperbolic spiral 궤적 하나를 이용하여 샘플을 취득하였을 때와 여러 개의 hyperbolic spiral 궤적을 사용하여 샘플을 취득하였을 때의 복원된 영상 및 성능을 비교한 도면
도 5은 본 발명의 실시 예에 따른 뇌 영상에 최적화된 hyperbolic spiral 궤적을 사용했을 때 얻어진 영상과 최적화하지 않은 궤적을 사용해서 얻어진 영상의 성능을 비교한 도면
1 is a diagram showing an example of a hyperbolic spiral k-space trajectory according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a hyperbolic spiral k-space trajectory and parameter optimization technique for a compression-sensing MRI system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph comparing the restored image and performance of a conventional Cartesian trajectory, a radial trajectory, and a hyperbolic spiral trajectory proposed in the present invention.
FIG. 4 is a graph comparing reconstructed images and performance obtained when samples are acquired using one of the hyperbolic spiral trajectories proposed in the present invention and when samples are acquired using several hyperbolic spiral trajectories
FIG. 5 is a graph comparing the performance of an image obtained using a hyperbolic spiral trajectory optimized for a brain image and an image obtained using an unsmoothed trajectory according to an embodiment of the present invention

본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것에 유의하여야 한다.Preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that only the parts necessary for understanding the operation according to the present invention will be described in the following description, and the description of other parts will be omitted so as not to disturb the gist of the present invention.

본 발명은 대부분의 의료 영상신호가 k-space상에서 저 주파수 영역에 에너지가 집중되어 있음에 착안하여 저주파 영역에서는 촘촘하고(dense) 상대적으로 고주파 영역에서는 드문드문한(sparse) 쌍곡 나선(hyperbolic spiral) 궤적을 k-space 샘플링 궤적으로 사용하는 것을 제안한다.The present invention is based on the fact that most medical image signals are concentrated in a low frequency region on a k-space, and thus a sparse hyperbolic spiral is dense in a low frequency region and relatively sparse in a high frequency region. We propose to use the trajectory as a k-space sampling trajectory.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 저주파 영역에서는 촘촘하고 상대적으로 고주파 영역에서는 드문드문한 hyperbolic spiral k-space 궤적의 예를 도시한 것으로, (a)는 빔의 개수가 하나인 경우이고 (b)는 빔의 개수가 8개인 경우를 도시한 것이다.FIG. 1 shows an example of a sparse hyperbolic spiral k-space trajectory in a low-frequency region and a sparse and relatively high-frequency region according to an embodiment of the present invention, where (a) Shows a case where the number of beams is eight.

hyperbolic spiral 궤적은 크기 변수 a와 시간 변수 t에 따라 하기의 수학식 1과 같이 표현된다.The hyperbolic spiral trajectory is expressed by the following equation (1) according to the magnitude variable a and the time variable t.

Figure 112011058775615-pat00001
Figure 112011058775615-pat00001

여기서

Figure 112011058775615-pat00002
Figure 112011058775615-pat00003
는 각각 k-space에서의 x, y의 공간 주파수를 나타낸다. hyperbolic spiral 궤적을 영상의 중심에서부터 시작해서 반지름이
Figure 112011058775615-pat00004
값을 가질 때까지 그리기 위하여 시간 변수 t는 하기의 수학식 2와 같은 값을 가진다.here
Figure 112011058775615-pat00002
Wow
Figure 112011058775615-pat00003
Represent the spatial frequencies of x and y in k-space, respectively. The hyperbolic spiral trajectory starts at the center of the image,
Figure 112011058775615-pat00004
The time variable t has a value as shown in Equation 2 below. &Quot; (2) "

Figure 112011058775615-pat00005
Figure 112011058775615-pat00005

시간 변수 t를 상기 수학식 2와 같이 설정함으로써, 수학식 1로 표현되는 hyperbolic spiral 궤적은 결과적으로 두 가지의 파라미터 a와 x를 통해 결정됨을 알 수 있다. 이때, 파라미터 x는 궤적의 반지름을 조절하는 값으로서, 궤적이 가질 수 있는 최대 반지름은 영상 크기 imgsize의 절반이므로, 파라미터 x가 가질 수 있는 값의 범위는 하기의 수학식 3과 같다.By setting the time variable t as shown in Equation (2), it can be seen that the hyperbolic spiral trajectory expressed by Equation (1) is determined through two parameters a and x. In this case, the parameter x is a value for adjusting the radius of the trajectory, and the maximum radius that the trajectory can have is one-half of the image size imgsize, so the range of the value that the parameter x can have is expressed by Equation 3 below.

Figure 112011058775615-pat00006
Figure 112011058775615-pat00006

또한 파라미터 a는 hyperbolic spiral 궤적의 회전수를 조절하는 값으로서, 파라미터 a가 가질 수 있는 값의 범위는 하기의 수학식 4와 같다.The parameter a is a value for adjusting the number of revolutions of the hyperbolic spiral trajectory, and the range of the value that the parameter a can have is expressed by Equation 4 below.

Figure 112011058775615-pat00007
Figure 112011058775615-pat00007

한편, 자기 공명 영상 시스템에서는 k-space에서의 공간 주파수

Figure 112011058775615-pat00008
와 자기 공명 영상 시스템에서 가하는 외부 자기장의 경사도(gradient)
Figure 112011058775615-pat00009
가 하기의 수학식 5와 같은 관계를 가진다.On the other hand, in a magnetic resonance imaging system, spatial frequency in k-space
Figure 112011058775615-pat00008
And the gradient of the external magnetic field applied in the MRI system,
Figure 112011058775615-pat00009
(5) " (5) "

Figure 112011058775615-pat00010
Figure 112011058775615-pat00010

여기서

Figure 112011058775615-pat00011
는 자기회전율(gyromagnetic ratio)로서 물질의 종류에 따라 정해지는 고유 상수이다. 따라서 자기 공명 영상 시스템에서 가하는 외부 자기장의 gradient
Figure 112011058775615-pat00012
를 하기의 수학식 6과 같이 조절하여 k-space상에서 hyperbolic 궤적을 구현할 수 있다.here
Figure 112011058775615-pat00011
Is a gyromagnetic ratio and is a unique constant determined by the type of material. Therefore, the gradient of the external magnetic field applied in the MRI system
Figure 112011058775615-pat00012
Can be adjusted as shown in Equation (6) below to realize a hyperbolic trajectory on k-space.

Figure 112011058775615-pat00013
Figure 112011058775615-pat00013

이상에서는 도 1의 (a)와 같이 하나의 hyperbolic spiral 궤적을 k-space 상에서 그리는 법을 살펴보았다. 그러나 도 1의 (b)와 같이 기울기 자기장 시스템의 구현의 편의성을 위해 하나의 hyperbolic spiral 궤적을 여러 각도로 회전 변환하여 여러 번 그려서 사용하는 것도 가능하다. 도 1의 (b)에서는 8개의 회전된 hyperbolic spiral 궤적으로 이루어진 k-space 샘플링 궤적의 예를 도시하였다.In the above, a method of drawing a single hyperbolic spiral trajectory on k-space as shown in FIG. 1 (a) was examined. However, as shown in FIG. 1 (b), it is also possible to rotate one hyperbolic spiral trajectory at various angles and draw it several times for the convenience of implementation of the gradient magnetic field system. FIG. 1 (b) shows an example of a k-space sampling trajectory consisting of eight rotated hyperbolic spiral trajectories.

다음으로, 본 발명에서는 k-space 샘플링에 사용될 hyperbolic spiral 궤적의 파라미터들을 최적화하는 과정에서 서로 다른 파라미터들을 가지는 hyperbolic spiral 궤적들로부터 얻어진 영상의 질을 비교하기 위한 가격 함수를 제안한다.Next, the present invention proposes a price function for comparing the quality of the image obtained from the hyperbolic spiral trajectories having different parameters in the process of optimizing the parameters of the hyperbolic spiral trajectory to be used for k-space sampling.

도 2는 자기 공명 영상의 압축 센싱에서 hyperbolic spiral k-space 궤적의 파라미터 최적화 기법의 개략적 구성을 도시하고 있다. FIG. 2 shows a schematic configuration of a parameter optimization technique of a hyperbolic spiral k-space trajectory in compression sensing of a magnetic resonance image.

먼저 수학식 7과 같이 Nyquist rate로 샘플링된 의료 영상을 I개 준비하고, 201 단계 및 202 단계에서 첫 번째 샘플링 의료 영상을 수학식 8과 같이 2차원 고속푸리에변환(2D FFT)를 통해 공간 주파수 도메인 즉 k-space에서 표현한다.First, I medical images sampled at the Nyquist rate are prepared as shown in Equation (7), and the first sampling medical images are prepared in the spatial frequency domain through two-dimensional fast Fourier transform (2D FFT) That is, expressed in k-space.

Figure 112011058775615-pat00014
Figure 112011058775615-pat00014

여기서

Figure 112011058775615-pat00015
이다. here
Figure 112011058775615-pat00015
to be.

Figure 112011058775615-pat00016
Figure 112011058775615-pat00016

그리고 203 단계에서 Hyperbolic spiral k-space 궤적의 파라미터 a와 x를 소정 범위 내에서 변화시킨다. 파라미터 a와 x가 가질 수 있는 범위는 앞서 기술한 수학식 3 및 수학식 4와 같지만, 알고리즘의 실제적 구현을 위해 하기의 수학식 9와 같은 범위 내에서 파라미터를 선택한다.In step 203, parameters a and x of the hyperbolic spiral k-space trajectory are changed within a predetermined range. The ranges of the parameters a and x are the same as those of Equations (3) and (4) described above, but parameters are selected within the range of Equation (9) below for practical implementation of the algorithm.

Figure 112011058775615-pat00017
Figure 112011058775615-pat00017

204 단계에서는 파라미터 a와 x에 의해 정해진 hyperbolic spiral k-space 궤적을 이용해 압축 센싱을 수행하고 영상을 복원하고 복원된 영상과 원본 영상을 비교한다. 이때, 복원된 영상과 원본 영상을 비교하기 위해서 가격함수를 사용하는데, 본 발명에서는 수학식 10과 같은 가격함수(c)를 제안한다. 가격함수 값이 클수록 효율이 좋음을 나타낸다. In step 204, compression sensing is performed using the hyperbolic spiral k-space trajectory defined by the parameters a and x, the image is reconstructed, and the reconstructed image is compared with the original image. At this time, a price function is used to compare the reconstructed image with the original image. In the present invention, a price function (c) as shown in Equation (10) is proposed. The larger the price function value, the better the efficiency.

Figure 112011058775615-pat00018
Figure 112011058775615-pat00018

여기서 PSNR은 복원된 이미지의 peak signal to noise ratio(PSNR)을 나타내고, T_PSNR은 복원된 이미지가 보장해야 하는 최소의 목표 PSNR값으로서 대개의 경우 30dB이상을 사용한다. 또한 SampleRatio은 궤적을 따라 샘플링했을 때 획득되는 샘플 수의 전체 k-space 샘플에 대한 비이다. Where PSNR is the peak signal to noise ratio (PSNR) of the reconstructed image, and T_PSNR is the minimum target PSNR value that the reconstructed image should guarantee. Also, SampleRatio is the ratio of the number of samples obtained when sampling along the trajectory to the total k-space sample.

PSNR은 하기의 수학식 11와 같이 정의된다.The PSNR is defined by Equation (11) below.

Figure 112011058775615-pat00019
Figure 112011058775615-pat00019

수학식 11에서

Figure 112011058775615-pat00020
은 각각 영상의 세로 가로의 픽셀의 수를 나타내고, Ixy는 압축 센싱을 적용하지 않은 영상의 x, y번째 픽셀의 값을 나타내고, Rxy는 압축 센싱을 수행하여 획득한 영상의 x, y번째의 픽셀의 값을 나타내며, maxval은 영상의 픽셀이 가질 수 있는 최대값을 나타낸다. In Equation (11)
Figure 112011058775615-pat00020
Each represent the number of pixels vertically and horizontally in the image, I xy represents the x, the value of the y th pixel in the image without applying a compressive sensing, R xy is the second of the obtained by performing a compression-sensing image x, y And maxval represents a maximum value that a pixel of the image can have.

205 단계에서는 현재 얻어진 가격함수 C 값이, 기록된 가격 함수 C 값보다 크면 현재의 파라미터 a와 x를 i번째 의료 영상에 대한 파라미터 ai와 xi 값으로 업데이트 한다. In step 205, if the currently obtained price function C value is larger than the recorded price function C value, the current parameters a and x are updated to the parameters a i and x i for the i-th medical image.

206 단계에서는 i를 전체 샘플 수 I와 비교하고, i=I가 될 때까지 208 단계에서 i 값을 1씩 증가시켜가면서 I 개의 의료 영상에 대해 202 내지 206 단계를 반복한다. 그리고 207 단계에서는 수학식 12에 따라 I 개의 각 영상에 대해 얻어진 파라미터들 ai와 xi의 산술 평균값을 계산해서 hyperbolic spiral k-space 궤적의 최종 파라미터

Figure 112011058775615-pat00021
로 결정한다.In step 206, i is compared with the total number of samples I, and steps 202 to 206 are repeated for I medical images while i is increased by 1 in step 208 until i = I. In step 207, arithmetic mean values of the parameters a i and x i obtained for each of the I images are calculated according to equation (12), and the final parameters of the hyperbolic spiral k-space trajectory
Figure 112011058775615-pat00021
.

Figure 112011058775615-pat00022
Figure 112011058775615-pat00022

도 3은 기존의 카르테시안(Cartesian) 궤적(a) 및 방사형(radial) 궤적(b)과 본 발명에서 제안된 hyperbolic spiral 궤적(c)을 사용해 5%의 샘플을 취득하여 압축 센싱을 수행하였을 때의 각각의 복원 영상 및 성능을 도시한 것이다.FIG. 3 shows a case where a 5% sample is acquired using the Cartesian trajectory (a) and the radial trajectory (b) and the hyperbolic spiral trajectory (c) proposed in the present invention to perform compression sensing FIG. 2 is a block diagram illustrating a reconstructed image and a performance of the reconstructed image.

도 3을 참조하면, 본 발명에서 제안된 hyperbolic spiral 궤적(c)이 카르테시안 궤적(a) 및 방사형 궤적(b) 대비 비슷한 개수의 샘플로부터 훨씬 좋은 품질의 영상을 제공함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the hyperbolic spiral trajectory (c) proposed in the present invention provides much better quality images from a similar number of samples compared to the Cartesian trajectory (a) and the radial trajectory (b).

또한 도 4은 본 발명에서 제안된 hyperbolic spiral 궤적 하나를 사용해 샘플을 취득하였을 때(a)와 기울기 자기장 시스템의 구현의 편의를 위해 여러 개의 hyperbolic spiral 궤적을 사용하여 샘플을 취득하였을 때(b)의 복원된 영상 및 성능을 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 궤적의 개수에 크게 영향을 받지 않고 비슷한 샘플 수에 대해 비슷한 성능을 가짐을 알 수 있다.FIG. 4 is a graph showing the relationship between (a) when a sample is acquired using one of the hyperbolic spiral trajectories proposed in the present invention and (b) when a sample is acquired using several hyperbolic spiral trajectories for convenience of implementation of a gradient magnetic field system And reconstructed images and performance. Referring to FIG. 4, it can be seen that similar performance is obtained for a similar number of samples without being greatly affected by the number of trajectories.

또한 도 5은 뇌 영상에 본 발명의 실시 예에 따라 최적화된 파라미터값을 가지는 hyperbolic spiral 궤적을 사용했을 때 얻어진 영상(a)을, 파라미터값을 최적화하지 않은 궤적을 사용해서 얻어진 영상(b)과 비교한 도면이다. 도 5를 참조하면, 최적화된 파라미터 값을 가지는 hyperbolic spiral 궤적을 사용했을 때 뇌의 주름 같은 특징이 더 명확하게 드러남을 확인할 수 있다.5 shows an image (a) obtained by using a hyperbolic spiral trajectory having an optimized parameter value according to an embodiment of the present invention, and the image (b) obtained by using a trajectory in which a parameter value is not optimized FIG. Referring to FIG. 5, it can be seen that the features such as the wrinkles of the brain are more clearly revealed when the hyperbolic spiral trajectory having optimized parameter values is used.

이와 같이 자기 공명 영상 시스템에 hyperbolic spiral 궤적을 사용하고 파라미터를 최적화함으로써 적은 샘플링 만으로도 이전과 동일한 품질의 영상을 얻을 수 있으므로 검사에 소요되는 시간을 단축할 수 있다. By using the hyperbolic spiral trajectory in the MRI system and optimizing the parameters, it is possible to obtain images of the same quality as the previous one with only a small sampling, so that the time required for the inspection can be shortened.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of various modifications within the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the illustrated embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.

Claims (8)

압축 센싱을 적용한 자기 공명 영상을 얻기 위한 방법에 있어서,
입력 영상에 대해 k 공간(k-space)에서 압축 센싱 기법을 이용하여 하나 이상의 쌍곡 나선(hyperbolic spiral) 궤적을 따라 샘플링을 수행하는 과정과,
상기 샘플링 결과로 획득된 데이터들에 대해 2차원 역고속푸리에변환을 수행하여 재구성 영상을 획득하는 과정을 포함하는 자기 공명 영상법.
A method for obtaining a magnetic resonance image using compression sensing,
Performing sampling along one or more hyperbolic spiral trajectories using a compression sensing technique in k-space for an input image;
And performing 2D inverse fast Fourier transform on the data obtained as a result of the sampling to obtain a reconstructed image.
제1항에 있어서,
상기 쌍곡 나선 궤적은 최적화된 회전수와 반지름 파라미터 값을 가지며,
상기 쌍곡 나선 궤적의 파라미터를 최적화 하는 과정은,
나이키스트 속도(Nyquist rate)로 샘플링된 I개의 의료영상을 각각 2차원 고속푸리에변환하는 과정과,
상기 쌍곡 나선 궤적의 회전수와 반지름 파라미터 값을 미리 정해진 범위 내에서 미리 정해진 간격으로 변화시키는 과정과,
상기 변화된 파라미터값을 가지는 쌍곡 나선 궤적을 이용하여 상기 2차원고속푸리에변환된 영상에 대해 압축 센싱을 수행하여 영상을 복원하는 과정과,
상기 복원된 영상의 가격함수를 계산하고 상기 파라미터 값을 기록하는 과정과,
상기 I개의 영상에 대해 기록된 파라미터 값들의 산술평균값을 상기 최적화된 회전수와 반지름 파라미터 값으로 결정하는 과정을 포함하는 자기 공명 영상법.
The method according to claim 1,
Wherein the hyperbolic spiral trajectory has an optimized number of revolutions and a radius parameter value,
Wherein the step of optimizing the parameters of the hyperbolic spiral trajectory comprises:
Performing two-dimensional fast Fourier transform on I medical images sampled at a Nyquist rate,
Changing the number of revolutions of the hyperbolic spiral locus and the radius parameter value at a predetermined interval within a predetermined range;
Performing fast Fourier transform on the two-dimensional fast Fourier transformed image using a hyperbolic path having the changed parameter values to reconstruct an image;
Calculating a price function of the reconstructed image and recording the parameter value;
And determining an arithmetic mean value of the parameter values recorded for the I images as the optimized number of rotations and the radius parameter value.
제2항에 있어서,
상기 가격함수는 다음 수학식에 의해 결정되는 자기 공명 영상법.
Figure 112011058775615-pat00023

여기서, PSNR은 복원된 이미지의 PSNR(peak signal to noise ratio)을 나타내고, T_PSNR은 복원된 이미지의 목표 PSNR값이고, SampleRatio은 궤적을 따라 샘플링 했을 때 획득되는 샘플 수의 전체 k-space 샘플에 대한 비임.
3. The method of claim 2,
Wherein the price function is determined by the following equation.
Figure 112011058775615-pat00023

Here, PSNR represents the peak signal to noise ratio (PSNR) of the reconstructed image, T_PSNR is the target PSNR value of the reconstructed image, SampleRatio represents the total number of samples obtained by sampling along the trajectory, Beam.
압축 센싱을 적용한 자기 공명 영상 시스템에 있어서,
입력 영상에 대해 k 공간(k-space)에서 압축 센싱 기법을 이용하여 하나 이상의 쌍곡 나선(hyperbolic spiral) 궤적을 따라 샘플링을 수행하는 샘플링부와,
상기 샘플링 결과로 획득된 데이터들에 대해 2차원 역고속푸리에변환을 수행하여 재구성 영상을 획득하는 재구성 영상 획득부를 포함하는 자기 공명 영상 시스템.
In a magnetic resonance imaging system applying compression sensing,
A sampling unit for performing sampling along one or more hyperbolic spiral trajectories using a compression sensing technique in a k-space with respect to an input image;
And performing a two-dimensional inverse fast Fourier transform on the data obtained as a result of the sampling to obtain a reconstructed image.
제4항에 있어서,
상기 쌍곡 나선 궤적은 최적화된 회전수와 반지름 파라미터 값을 가지며,
상기 쌍곡 나선 궤적의 최적화된 회전수와 반지름 파라미터는,
나이키스트 속도(Nyquist rate)로 샘플링된 I개의 의료영상을 각각 2차원 고속푸리에변환하는 과정과,
상기 쌍곡 나선 궤적의 회전수와 반지름 파라미터 값을 미리 정해진 범위 내에서 미리 정해진 간격으로 변화시키는 과정과,
상기 변화된 파라미터값을 가지는 쌍곡 나선 궤적을 이용하여 상기 2차원고속푸리에변환된 영상에 대해 압축 센싱을 수행하여 영상을 복원하는 과정과,
상기 복원된 영상의 가격함수를 계산하고 상기 파라미터 값을 기록하는 과정과,
상기 I개의 영상에 대해 기록된 파라미터 값들의 산술평균값을 상기 최적화된 회전수와 반지름 파라미터 값으로 결정하는 과정을 통해 결정됨을 특징으로 하는 자기 공명 영상 시스템.
5. The method of claim 4,
Wherein the hyperbolic spiral trajectory has an optimized number of revolutions and a radius parameter value,
The optimized number of revolutions and radius parameters of the hyperbolic spiral trajectory,
Performing two-dimensional fast Fourier transform on I medical images sampled at a Nyquist rate,
Changing the number of revolutions of the hyperbolic spiral locus and the radius parameter value at a predetermined interval within a predetermined range;
Performing fast Fourier transform on the two-dimensional fast Fourier transformed image using a hyperbolic path having the changed parameter values to reconstruct an image;
Calculating a price function of the reconstructed image and recording the parameter value;
And determining an arithmetic mean value of the parameter values recorded for the I images as the optimized number of rotations and the radius parameter value.
제5항에 있어서,
상기 가격함수는 다음 수학식에 의해 결정되는 자기 공명 영상 시스템.
Figure 112011058775615-pat00024

여기서, PSNR은 복원된 이미지의 PSNR(peak signal to noise ratio)을 나타내고, T_PSNR은 복원된 이미지의 목표 PSNR값이고, SampleRatio은 궤적을 따라 샘플링 했을 때 획득되는 샘플 수의 전체 k-space 샘플에 대한 비임.
6. The method of claim 5,
Wherein the price function is determined by the following equation.
Figure 112011058775615-pat00024

Here, PSNR represents the peak signal to noise ratio (PSNR) of the reconstructed image, T_PSNR is the target PSNR value of the reconstructed image, SampleRatio represents the total number of samples obtained by sampling along the trajectory, Beam.
쌍곡 나선(hyperbolic spiral) 궤적을 압축 센싱을 이용한 자기 공명 영상 기법의 샘플링에 이용하기 위하여 상기 쌍곡 나선 궤적의 회전수와 반지름 파라미터를 최적화하는 방법에 있어서,
나이키스트 속도(Nyquist rate)로 샘플링된 I개의 의료영상을 각각 2차원 고속푸리에변환하는 과정과,
상기 쌍곡 나선 궤적의 회전수와 반지름 파라미터 값을 미리 정해진 범위 내에서 미리 정해진 간격으로 변화시키는 과정과,
상기 변화된 파라미터값을 가지는 쌍곡 나선 궤적을 이용하여 상기 2차원고속푸리에변환된 영상에 대해 압축 센싱을 수행하여 영상을 복원하는 과정과,
상기 복원된 영상의 가격함수를 계산하고 상기 파라미터 값을 기록하는 과정과,
상기 I개의 영상에 대해 기록된 파라미터 값들의 산술평균값을 상기 최적화된 회전수와 반지름 파라미터 값으로 결정하는 과정을 포함하는 파라미터 최적화 방법.
A method of optimizing the number of revolutions and radius parameters of a hyperbolic spiral trajectory in order to utilize the hyperbolic spiral trajectory in sampling of a magnetic resonance imaging technique using compression sensing,
Performing two-dimensional fast Fourier transform on I medical images sampled at a Nyquist rate,
Changing the number of revolutions of the hyperbolic spiral locus and the radius parameter value at a predetermined interval within a predetermined range;
Performing fast Fourier transform on the two-dimensional fast Fourier transformed image using a hyperbolic path having the changed parameter values to reconstruct an image;
Calculating a price function of the reconstructed image and recording the parameter value;
And determining an arithmetic average value of the parameter values recorded for the I images as the optimized number of rotations and the radius parameter value.
제7항에 있어서,
상기 가격함수는 다음 수학식에 의해 결정되는 파라미터 최적화 방법.
Figure 112011058775615-pat00025

여기서, PSNR은 복원된 이미지의 PSNR(peak signal to noise ratio)을 나타내고, T_PSNR은 복원된 이미지의 목표 PSNR값이고, SampleRatio은 궤적을 따라 샘플링 했을 때 획득되는 샘플 수의 전체 k-space 샘플에 대한 비임.
8. The method of claim 7,
Wherein the price function is determined by the following equation.
Figure 112011058775615-pat00025

Here, PSNR represents the peak signal to noise ratio (PSNR) of the reconstructed image, T_PSNR is the target PSNR value of the reconstructed image, SampleRatio represents the total number of samples obtained by sampling along the trajectory, Beam.
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