CN101571579A - 基于反转恢复的组织分离成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于反转恢复的组织分离成像方法，采用扫描成像序列激发成像物体，在不同的反转时间对成像物体进行图像采样，每一采样图像均包含各组织的图像，采样的次数由所述成像物体中包含的需要分离成像的组织的种类数量决定，通过各采样图像数据以及各组织图像数据在每一采样图像中所占的比重关系同时求解获得各组织的纯组织图像。本发明方法对磁场不均匀性不敏感，分离成像得到的图像的SNR较高，并且可以实现多组织同时分离成像，广泛应用于各种不同低、中、高场磁共振成像系统中。

Description

基于反转恢复的组织分离成像方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术，特别涉及基于反转恢复(IR，InversionRecovery)技术的组织分离成像方法。

背景技术

磁共振成像是利用磁共振现象进行成像的一种技术。磁共振现象的原理主要包括：包含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子具有自旋运动，犹如一个小磁体，并且这些小磁体的自旋轴无一定的规律，如果施加外在磁场，这些小磁体将按外在磁场的磁力线重新排列，具体为在平行于或反平行于外在磁场磁力线的两个方向排列，将上述平行于外在磁场磁力线的方向称为正纵向轴，将上述反平行于外在磁场磁力线的方向称为负纵向轴，原子核只具有纵向磁化分量，该纵向磁化分量既具有方向又具有幅度。用特定频率的射频(RF，Radio Frequency)脉冲激发处于外在磁场中的原子核，使这些原子核的自旋轴偏离正纵向轴或负纵向轴，产生共振，这就是磁共振现象。上述被激发原子核的自旋轴偏离正纵向轴或负纵向轴之后，原子核具有了横向磁化分量。

停止发射射频脉冲后，被激发的原子核发射回波信号，将吸收的能量逐步以电磁波的形式释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态，将原子核发射的回波信号经过空间编码等进一步处理即可重建图像。上述被激发原子核向激发前状态的恢复过程称为驰豫过程，恢复到平衡状态所需的时间称为驰豫时间。驰豫时间包括纵向驰豫时间T1和横向驰豫时间T2。

根据实际应用的要求，有时需要分别获得同一成像物体中的各组织的图像，这时就需要使用分离成像方法。目前存在的分离成像方法包括以下几种：

组织选择激发方法：

由于不同组织具有不同的化学位移，如脂肪的化学位移约为3.5ppm，利用该化学位移可以实现使用窄带射频脉冲只激发特定的组织以重建该特定组织的图像。但是如果人体所处的外在磁场的不均匀程度超过-3.5ppm，而该特定组织为水时，使用该方法将无法获得纯水图像，图像中不可避免地会包含一部分脂肪组织图像，因此该方法对外在磁场不均匀性较敏感，并且针对低场系统(例如0.35T系统)来说，由于水和脂肪之间的频率偏移非常小(约为50Hz)，窄带射频脉冲的设计也有一定的困难。

组织饱和方法：

其使用窄带射频脉冲激发成像物体中的一种组织的氢原子核，利用施加的梯度磁场使该组织中的氢原子核磁化饱和，然后使用常规扫描序列再次激发成像物体，由于该组织中的氢原子核磁化饱和，本次激发后只有该成像物体中的另一种组织中的氢原子核对成像有贡献，因而利用激发后的回波信号重建的图像为所述另一种组织的图像。本方法同样对外在磁场不均匀性较敏感，并且针对低磁场强度的系统来说，窄带脉冲的设计难度较大。而且，本方法不适用于多组织分离成像，而通常用于水和脂肪这两种组织的分离成像中。

Dixon方法：

其基本原理是分别采集两种组织中氢原子核的同相位和反相位两种回波信号，两种不同相位的回波信号通过运算取出其中一种组织的信号，重建另外一种组织的图像，从而达到对前一种组织进行抑制的目的。该方法的缺点是对外在磁场不均匀性较敏感，计算过程较为复杂，而且不适用于多组织分离成像，而通常用于水和脂肪这两种组织的分离成像中。

一种改进的三点Dixon方法同时取得一幅同相位图像和两幅反相位图像，根据两幅反相位图像，求得外在磁场不均匀性引起的附加相位，然后对两幅反相位图像进行相位纠正，再与同相位图像同时分别求得两种组织的图像。这种方法的不足在于，由于两幅反相位图像求得的附加相位不能直接用来对其相位进行纠正，而必须对相位进行反缠绕，然而相位反缠绕在数学上是一个无解问题，因此假设外在磁场不均匀性在空间上的变化是缓慢的，求解过程会相当费时，同样地计算过程也较为复杂，而且不适用于多组织分离成像，而通常用于水和脂肪这两种组织的分离成像中。

反转恢复分离成像方法：

其基于水与脂肪具有不同的纵向驰豫时间T1，具体的说是利用了不同组织中氢原子核被激发后向平衡态恢复的时间快慢不一样的原理。使用射频脉冲激发成像物体，确定其中一种组织的反转恢复时刻TI，使得该组织中氢原子核在该时刻的纵向磁化分量为0，即在TI时刻该组织中氢原子核只具有横向磁化分量，又由于不同组织的纵向驰豫时间不相同，因此在TI时间到达时另一种组织中氢原子核必然具有纵向磁化分量。由于使用射频脉冲激发原子核的原则是使原子核偏离负纵向轴或正纵向轴，而此时前一种组织中氢原子核恰好不存在纵向磁化分量，因此在TI时刻使用常规扫描序列激发成像物体时，将只有后一种组织中的氢原子被再次激发，利用该常规扫描序列激发后接收到的回波信号重建图像，就可以获得后一种组织的图像。同样地，如果要获得前一种组织的图像，也可以利用相同的方式进行成像。

虽然反转恢复分离成像方法可以不考虑外在磁场不均匀性的影响，也不会出现使用频率选择方法时的窄带脉冲设计困难，但是由于在获取成像物体中的其中一种组织的图像时，仅仅使用了该种组织中的氢原子核发送的回波信号，使得信号幅度大幅降低，又由于噪声出现的随机性，信号幅度的大幅降低将使图像的信噪比降低，从而影响成像质量。而且这种现有的反转恢复分离成像方法无法同时计算获得各组织的图像，也无法分离同一成像物体中两种以上组织的图像。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于反转恢复的组织分离成像方法，其可以可以分离同一成像物体中两种以上组织的图像，还可以通过计算同时获得所述各组织的图像。

为实现上述目的，本发明提供一种基于反转恢复的组织分离成像方法，采用扫描成像序列激发成像物体，在不同的反转时间对成像物体进行图像采样，每一采样图像均包含各组织的图像，采样的次数由所述成像物体中包含的需要分离成像的组织的种类数量决定，通过各采样图像数据以及各组织图像数据在每一采样图像中所占的比重关系同时求解获得各组织的纯组织图像。

根据本发明的一个方面，所述采样的次数应当等于或者多于所述成像物体中包含的需要分离成像的组织的种类数量。

根据本发明的一个方面，在一反转时间中采样得到的图像为：

$I_{\mathrm{\Σ}.\mathrm{TI}}(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i(x,y)\·E_i\left(\mathrm{TI}\right)$

其中，I_i(x，y)是组织i的图像，E_i(TI)是该组织i在该反转时间时的信号恢复因子。

根据本发明的一个方面，该信号恢复因子由所采用的扫描成像序列决定。所述扫描成像序列为快速自旋回波序列、梯度回波序列、或者回波平面图像序列。

当扫描成像序列为快速自旋回波序列时，所述信号恢复因子为：

$E_i\left(\mathrm{TI}\right)=1-2\·e^{-\frac{\mathrm{TI}}{{T1}_i}}+e^{-\frac{\mathrm{TR}-{\mathrm{TE}}_{\mathrm{last}}}{{T1}_i}}$

其中，T1_i为该组织i的驰豫时间；TR为重复时间；TE_last为回波时间。

根据本发明的一个方面，采集到足够数量的不同反转时间时的图像，通过组成如下方程矩阵来求解而同时获得该成像物体中各组织的图像，从而实现分离成像的目的：

${\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{\Σ}}(x,y)=E\·\stackrel{\→}{I}(x,y)$

其中，是所述采样图像的向量形式；是所述各组织的图像的向量形式；E是所述信号恢复因子E_i(TI)的矩阵形式。

由于本发明方法基于反转恢复技术，而不是基于频率选择技术，因此可以广泛应用于各种不同低、中、高场磁共振成像系统，如0.35T到1.5T的磁共振系统中。

由于本发明方法基于反转恢复技术，对磁场不均匀性不敏感，因此不易受到磁场变化的影响。

由于在本发明方法中，每一采样图像均包含各组织的图像，每一组织的图像都被用于计算求解各组织图像中，因此采用本发明分离成像得到的图像的SNR较高，反转恢复时间的选取不受限制，而不需要如已知的反转恢复技术那样只能选取特定的反转恢复时间，并且只有部分信号得到利用而导致成像的SNR较低。

现有的反转恢复分离成像在分离成像时需要通过抑制其中一种组织而对另一种组织进行成像，因此无法同时获得成像物体中各组织的图像，而本发明方法通过对前述矩阵的计算可以同时获得所有各组织的图像，实现多组织同时分离成像的目的。

附图说明

图1A、B、C、D是应用本发明基于反转恢复的组织分离成像方法对水和脂肪两种组织进行分离成像的实验图像；

图2A、B、C、D是应用本发明基于反转恢复的组织分离成像方法对人体中水和脂肪两种组织进行分离成像的实验图像；以及

图3A、B、C、D、E、F是应用本发明基于反转恢复的组织分离成像方法对水、脂肪和硅三种组织进行分离成像的实验图像。

具体实施方式

本发明基于反转恢复的组织分离成像方法与现有的反转恢复组织分离成像方法的不同点主要在于：采用扫描成像序列激发成像物体，在不同的反转时间(Inversion Time；TI；反转恢复序列中180°脉冲和90°激发脉冲之间的时间间隔)进行两次或者多次图像采样。所述采样的次数由所述成像物体中包含的需要分离成像的组织的种类数量决定，通常地，采样的次数应当等于或者多于所述组织的种类数量。所述的反转时间TI可以随意选取，优选地，选取的原则以改善采样图像的SNR为佳。

假设在一反转时间TI中采样得到的图像为I_∑.TI(x，y)，该图像为所述成像物体中包含的所有种类的组织的图像的总和，假设I_i(x，y)是其中的组织i的图像，E_i(TI)是该组织i在该反转时间TI时的信号恢复因子(该因子由所采用的扫描成像序列决定)，则所述采样得到的图像：

$I_{\mathrm{\Σ}.\mathrm{TI}}(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i(x,y)\·E_i\left(\mathrm{TI}\right)---\left(1\right)$

特别地，如果扫描成像序列采用快速自旋回波(Turbo Spin Echo；TSE)的话，则：

$E_i\left(\mathrm{TI}\right)=1-2\·e^{-\frac{\mathrm{TI}}{{T1}_i}}+e^{-\frac{\mathrm{TR}-{\mathrm{TE}}_{\mathrm{last}}}{{T1}_i}}---\left(2\right)$

其中，T1_i为该组织i的驰豫时间；TR为重复时间(Repetition Time；TR；两次激发脉冲之间的时间，TR时间间隔内，可使用一个或多个回波时间或一个或多个相位编码采集信号)；TE_last为回波时间(Echo Time；TE；序列的激发脉冲与其产生的作为MR信号的回波之间的时间)。

相应地，采用快速自旋回波采样得到的图像：

$I_{\mathrm{\Σ}.\mathrm{TI}}(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i(x,y)\·(1-2\·e^{-\frac{\mathrm{TI}}{{T1}_i}}+e^{-\frac{\mathrm{TR}-{\mathrm{TE}}_{\mathrm{last}}}{{T1}_i}})---\left(3\right)$

方程(1)、(3)表明，在采用确定的扫描成像序列的情况下，只要采集到足够数量的不同反转时间TI时的图像I_∑.TI(x，y)，如当所述成像物体包含n中组织时，采样次数等于或者多于n次，便可以通过组成如下方程矩阵来求解而同时获得该成像物体中各组织I_i(x，y)的图像，从而实现分离成像的目的：

${\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{\Σ}}(x,y)=E\·\stackrel{\→}{I}(x,y)---\left(4\right)$

其中，

是所述采样图像的向量形式；

是所述各组织的图像的向量形式；E是所述信号恢复因子E_i(TI)的矩阵形式。

由于本发明方法基于反转恢复技术，而不是基于频率选择技术，因此可以广泛应用于各种不同低、中、高场磁共振成像系统，如0.35T到1.5T的磁共振系统中。

由于本发明方法基于反转恢复技术，对磁场不均匀性不敏感，因此不易受到磁场变化的影响。

由于在本发明方法中，每一采样图像均包含各组织的图像，每一组织的图像都被用于计算求解各组织图像中，因此采用本发明分离成像得到的图像的SNR较高，反转恢复时间的选取不受限制，而不需要如已知的反转恢复技术那样只能选取特定的反转恢复时间，并且只有部分信号得到利用而导致成像的SNR较低。

现有的反转恢复分离成像在分离成像时需要通过抑制其中一种组织而对另一种组织进行成像，因此无法同时获得成像物体中各组织的图像，而本发明方法通过对前述矩阵的计算可以同时获得所有各组织的图像，实现多组织同时分离成像的目的。

图1A、B、C、D是应用本发明基于反转恢复的组织分离成像方法对水和脂肪两种组织进行分离成像的实验图像；在本实施例中，扫描成像序列采用快速自旋回波序列；其中图1A和图1B分别是在不同的反转时间对装在瓶子中的水和脂肪采集的图像，图中上方两瓶为脂肪，下方三瓶为水，可见在不同的反转时间采集的图像中均包含各组织的图像；图1C和图1D分别为通过方程(4)计算得到的纯水和纯脂肪的图像，可见，对包含两种组织的成像物体，只需在不同的反转时间采集两次采样图像，而不必考虑具体翻转时间的选择，通过计算就可以同时获得这两种组织的纯组织图像。

图2A、B、C、D是应用本发明基于反转恢复的组织分离成像方法对人体中水和脂肪两种组织进行分离成像的实验图像；在本实施例中，扫描成像序列采用快速自旋回波序列；其中图2A和图2B分别是在不同的反转时间对志愿者人体采集的图像，可见在不同的反转时间采集的图像中均包含各组织的图像；图1C和图1D分别为通过方程(4)计算得到的所述人体中纯水和纯脂肪的图像。

图3A、B、C、D、E、F是应用本发明基于反转恢复的组织分离成像方法对水、脂肪和硅三种组织进行分离成像的实验图像；在本实施例中，扫描成像序列采用快速自旋回波序列；其中图3A、3B、3C分别是在不同反转时间对装在瓶子中的水和脂肪、装在袋子中的硅采集的图像，图中右上角和左下角的两瓶为水，左上角和右下角的两瓶为脂肪，中间的为硅，可见在不同的反转时间采集的图像中均包含各组织的图像；图3D、3E、3F分别为通过方程(4)计算得到的纯水、纯脂肪和纯硅的图像。

以上实施例是以扫描成像序列为快速回波序列为例进行说明，但是其他扫描成像序列，如梯度回波(Gradient Echo；GRE)序列、回波平面图像(EchoPlanar Image；EPI)序列等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1、一种基于反转恢复的组织分离成像方法，采用扫描成像序列激发成像物体，其特征在于：

在不同的反转时间对成像物体进行图像采样，每一采样图像均包含各组织的图像，采样的次数由所述成像物体中包含的需要分离成像的组织的种类数量决定，通过各采样图像数据以及各组织图像数据在每一采样图像中所占的比重关系同时求解获得各组织的纯组织图像。

2、根据权利要求1所述的基于反转恢复的组织分离成像方法，其特征在于，所述采样的次数应当等于或者多于所述成像物体中包含的需要分离成像的组织的种类数量。

3、根据权利要求1所述的基于反转恢复的组织分离成像方法，其特征在于，在一反转时间中采样得到的图像为：

$I_{\mathrm{\Σ}.\mathrm{TI}}(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i(x,y)\·E_i\left(\mathrm{TI}\right)$

其中，I_i(x，y)是组织i的图像；E_i(TI)是该组织i在该反转时间时的信号恢复因子。

4、根据权利要求3所述的基于反转恢复的组织分离成像方法，其特征在于，该信号恢复因子由所采用的扫描成像序列决定。

5、根据权利要求4所述的基于反转恢复的组织分离成像方法，其特征在于，所述扫描成像序列为快速自旋回波序列、梯度回波序列、或者回波平面图像序列。

6、根据权利要求5所述的基于反转恢复的组织分离成像方法，其特征在于，当扫描成像序列为快速自旋回波序列时，所述信号恢复因子为：

$E_i\left(\mathrm{TI}\right)=1-2\·e^{-\frac{\mathrm{TI}}{{T1}_i}}+e^{-\frac{\mathrm{TR}-{\mathrm{TE}}_{\mathrm{last}}}{{T1}_i}}$

其中，T1_i为该组织i的驰豫时间；TR为重复时间；TE_last为回波时间。

7、根据权利要求3-6中任一项所述的基于反转恢复的组织分离成像方法，其特征在于，采集到足够数量的不同反转时间时的图像，通过组成如下方程矩阵来求解而同时获得该成像物体中各组织的图像，从而实现分离成像的目的：

${\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{\Σ}}(x,y)=E\·\stackrel{\→}{I}(x,y)$

其中，是所述采样图像的向量形式；

是所述各组织的图像的向量形式；E是所述信号恢复因子E_i(TI)的矩阵形式。

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