CN102018514A - 磁共振弥散张量成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种磁共振弥散张量成像方法，包括以下步骤：对成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权参考图像的K空间数据；对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据；通过钥孔成像将所述弥散加权参考图像与所述弥散加权图像的K空间数据进行共享填充；对共享填充后的K空间数据进行图像重建。上述磁共振弥散张量成像方法及系统通过稀疏采样连续快速地获取K空间数据，并在钥孔成像技术的作用下进行共享填充，进而重构完整的数据，缩短了扫描时间，提高数据获取速度，达到快速成像的目的。

Description

磁共振弥散张量成像方法及系统

【技术领域】

本发明涉及成像技术，特别是涉及一种磁共振弥散张量成像方法及系统。

【背景技术】

心肌梗塞是一种严重的心脏疾病，其成因是冠状动脉发生病变导致供给相应心肌的血流急剧减少或中断，最终引发心肌的缺血性坏死。心肌结构是决定心脏功能的重要因素之一。心肌结构的改变是心肌梗塞引发心脏衰竭的最主要原因之一。对于心肌结构的详尽研究有助于深刻了解心脏运动的机理，进而为病态心脏的诊断和治疗提供参考和依据。

近年来，弥散张量成像技术(DTI)作为一种高空间分辨率、非入侵性的成像技术被广泛的应用于心肌结构的测量之中。但是传统使用的自旋回波-DTI技术(SE-DTI)获取数据的速度较慢，已经成为弥散张量成像技术广泛应用的最大障碍。以弥散梯度在6个方向上施加为例，多层数据的扫描时间通常在5个小时以上。目前普遍采用的平面回波-DTI(EPI-DTI)技术，图像分辨率虽然有所提高，但与离体心脏所能达到的空间分辨率(1×1×2mm³)相比，仍然存在较大的差距。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种可提高数据获取速度的磁共振弥散张量成像方法。

此外，还有必要提供一种可提高数据获取速度的磁共振弥散张量成像系统。

一种磁共振弥散张量成像方法，包括以下步骤：根据稀疏度对成像对象进行K空间稀疏采样，得到弥散加权参考图像的K空间数据；提高所述稀疏度，对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据；通过钥孔成像将所述弥散加权参考图像与所述弥散加权图像的K空间数据进行共享填充；对共享填充后的K空间数据进行图像重建。

优选地，所述根据稀疏度对成像对象进行K空间稀疏采样的步骤为：以径向扫描的方式对所述成像对象进行K空间稀疏采样。

优选地，所述提高所述稀疏度，对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据的步骤为：提高所述稀疏度；以径向扫描的方式对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据。

优选地，所述弥散加权参考图像和/或弥散加权图像的重建是通过压缩感知重构得到的。

优选地，所述通过钥孔成像将所述弥散加权参考图像与所述弥散加权图像的K空间数据进行共享填充的步骤为：通过帧间独立或帧间关联的模式将所述弥散加权参考图像与弥散加权图像的K空间数据共享填充。

一种磁共振弥散张量成像系统，包括：采样模块，用于根据稀疏度对成像对象进行K空间稀疏采样，得到弥散加权参考图像的K空间数据，并提高所述稀疏度，对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据；填充模块，用于通过钥孔成像将所述弥散加权参考图像与所述弥散加权图像的K空间数据进行共享填充；重建模块，用于对所述共享填充后的K空间数据进行图像重建。

优选地，所述采样模块以径向扫描的方式对所述成像对象进行K空间稀疏采样。

优选地，所述采样模块提高所述稀疏度，并以径向扫描的方式对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据。

优选地，所述重建模块中重建得到的弥散加权参考图像和/或弥散加权图像是通过压缩感知重构得到的。

优选地，所述填充模块通过帧间独立或帧间关联的模式将所述弥散加权参考图像与弥散加权图像的K空间数据共享填充。

上述磁共振弥散张量成像方法及系统通过稀疏采样连续快速地获取K空间数据，并在钥孔成像技术的作用下进行共享填充，进而重构完整的数据，缩短了扫描时间，提高数据获取速度，达到快速成像的目的。

上述磁共振弥散张量成像方法及系统通过压缩感知的方式进行图像重建，可进一步降低运动伪影的影响，提供了高时间分辨率、高空间分辨率的动态成像，进一步提高成像质量和成像的效率。

【附图说明】

图1为一个实施例中磁共振弥散张量成像方法的流程图；

图2为钥孔成像技术的原理图；

图3为一个实施例中钥孔成像的组合过程示意图；

图4为一个实施例中帧间独立模式下的填充示意图；

图5为一个实施例中帧间关联模式下的填充示意图；

图6为一个实施例中磁共振弥散张量成像系统的示意图；

图7为一个实施例中的弥散加权图像；

图8为一个实施例中的各向异性分数图像；

图9为一个实施例中的平均表观弥散系数图像；

图10为一个实施例中的传统的弥散张量成像方法与磁共振弥散张量成像方法的参数统计信息对比图。

【具体实施方式】

图1示出了一个实施例中的磁共振弥散张量成像的方法流程，包括以下步骤：

在步骤S10中，根据稀疏度对成像对象进行K空间采样，得到弥散加权参考图像的K空间数据。本实施例中，稀疏度是指欠采样和满采样情况下的K空间数据量之比，可通过加速比或与加速比成反比的采样率来反映。例如，若稀疏度越小，则说明加速比越大，采样率也就越小。在步骤S10的采样过程中，可设定一个较小的稀疏度进行采样。对成像对象进行稀疏采样的步骤为：以径向扫描的方式对成像对象进行K空间稀疏采样。具体地，径向扫描的方式可以超越奈奎斯特进行欠采样。由于径向采集中的径向辐条(即径向空间编码线)的数量与数据矩阵的大小无关，即与图像的分辨率无关。因此可利用该特性，得到一幅完整的图像所需要的重复采集次数的选择就有相应的灵活性，进而也就有了欠采样的可能性。径向的扫描方式有其固有的对抗运动的鲁棒性。由于去掉了相位编码，由运动所引起的相位错误得到很大程度减小，从而消除了经常出现在笛卡尔空间编码中的鬼影(ghosting artifact)。另外，径向空间编码线固有的对成像对象中心部分的重采样特性也在一定程度上减小了出现运动伪影的可能性。只进行一次完整的扫描即可得到外加磁场图像(B₀图像)和弥散加权图像，并存储，此时，将弥散加权图像作为弥散加权参考图像，为后续较低稀疏度的扫描过程中所得到的弥散加权图像提供依据。在优选的实施例中，外加磁场图像以及弥散加权参考图像是通过压缩感知(Compressive Sensing，简称CS)重构得到的。

利用压缩感知进行图像的重建，可有效地提高重建图像的空间分辨率。压缩感知采用非自适应线性投影来保持信号的原始结构，以远低于奈奎斯特频率的采样率对信号进行采样，通过数值最优化问题准确重构出原始信号。压缩感知的数据重建过程中，当信号具有稀疏性或者可压缩性时，通过采集少量的信号投影值就可以实现准确重构。

在压缩感知理论中，大小为n的信号x可以从其大小为m的线性测量y中进行恢复(一般情况下，假设m小于n)，其中y＝Φx。如果在稀疏变换Ψ下，矢量x具有稀疏化的表达，则可以通过求解如下的凸优化问题通过样本y重构x：

$\arg \underset{x}{\min }{\left|\right|\mathrm{\Ψx}\left|\right|}_{1}s.t.\mathrm{\Φx}=y---\left(1\right)$

考虑到磁共振图像的采样方式以及空间梯度结构，(1)式可以将磁共振图像的重构问题具体为：

$\arg \underset{x}{\min }\{{\left|\right|\mathrm{\Ψx}\left|\right|}_1+\mathrm{\λ}\·\mathrm{TV}\left(x\right)\}s.t.{\left|\right|F_{u}x-y\left|\right|}_2\≤\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

其中，y是采集的K空间数据；F_u为欠采样数据的傅里叶变换(对应K空间的欠采样方式)；Ψ是稀疏变换矩阵；TV为图像的全变差；ε控制重构数据和测量数据间的近似程度，通常ε的取值低于预期的噪声门限；λ为加权系数。

对于(2)式的最优化问题可以转换为其等价Lagrangian表达式：

$\arg \underset{x}{\min }\{\frac{1}{2}{{\left|\right|F_{u}x-y\left|\right|}_2}^2+{\mathrm{\λ}}_1\·{\left|\right|\mathrm{\Ψx}\left|\right|}_1+{\mathrm{\λ}}_2\·\mathrm{TV}\left(x\right)\}---\left(3\right)$

当λ₁＝0时，即只考虑基于图像全变差的重构，对于问题(3)的解等价于求解如下形式的最优化问题：

$\arg \underset{x}{\min }\{\frac{1}{2}{{\left|\right|F_{u}x-y\left|\right|}_2}^2+\mathrm{\λ}\·\mathrm{TV}\left(x\right)\}---\left(4\right)$

为了求解(4)式，考虑到算法实现的简单性和收敛性，可使用迭代收缩算法。

在步骤S20中，提高稀疏度，对成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据。本实施例中，对成像对象进行K空间稀疏采样得到K空间数据的步骤为：提高稀疏度，以径向扫描的方式对成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据。上述提高稀疏度的过程可通过调整加速比或采样率来实现。

在步骤S30中，通过钥孔成像将弥散加权参考图像与弥散加权图像的K空间数据进行共享填充。本实施例中，为了减小运动伪影，在动态成像中通常将K空间编码线进行交织式的排列，即径向扫描，以实现各条空间编码线均匀覆盖。径向K空间数据的共享利用交织模式实现，如图2所示。将弥散加权图像(B)和弥散加权参考图像(A)通过钥孔成像技术共享得到数据的相互交织(C)，形成最终的K空间数据。

弥散加权参考图像，即弥散加权图像中的阵列用以下公式表示：

$s(\stackrel{\→}{k},n)=\∫\mathrm{\ρ}(\stackrel{\→}{x},n)\exp (-i2\mathrm{\π}\stackrel{\→}{k}\·\stackrel{\→}{x})d\stackrel{\→}{x}+N(\stackrel{\→}{k},n)---\left(5\right)$

其中，

表示得到的K空间数据，

表示沿着第n级弥散梯度方向的空间弥散加权函数，

表示噪声。弥散加权参考图像中的数据沿着不同的弥散梯度方向是高度相关的，于是

可以借鉴动态成像中的钥孔成像的采集方法，来进行数据采集的加速。与通常意义上的动态成像的区别在于：弥散加权参考图像中的数据的动态特性由空间(弥散梯度的方向)展开，而非时间。

钥孔成像是为实现动态成像所设计的一种快速成像方法，其特点是成像速度快，空间分辨率与对比度高。钥孔成像是在对同一层面不同时间的扫描中，只进行一次完整的K空间数据扫描得到弥散加权参考图像100，其余扫描只采集K空间中心部分数据200，边界部分则使用第一次K空间高频部分即弥散加权参考图像100中的数据予以填充(如图3所示)，从而在保证图像的对比度与空间分辨率的同时提高成像速度。

钥孔成像技术具有两个显著优点：一是成像速度快，且允许通过调整K空间中心附近的傅里叶线数来调整扫描速度和空间分辨率，可根据临床需要选择合适的速度和空间分辨率；二是在观察固定背景下的变化结构时不需对背景进行校准。如果背景的分辨率足够高且整个对比度保持不变，则数据采集不足而导致的分辨率略低的现象常常难以发觉。因此只要一开始得到一个完整的弥散加权参考图像，以后各幅图像仅需采集中心附近K空间数据。

弥散加权图像的K空间数据获取的过程中，弥散加权图像的K空间数据沿着不同的弥散梯度方向是高度相关的，于是弥散加权图像的K空间数据可以借鉴钥孔成像的相关采集办法，来进行数据采集的加速。通过加快扫描速度，不仅可以缩小由于心跳和呼吸等运动为弥散张量成像引入的运动伪影，而且可以缩短扫描时间，增加被测者的舒适度和可接受性。

通过帧间独立或帧间关联的模式将弥散加权参考图像与弥散加权图像的K空间数据共享填充。各帧即为通过稀疏采样得到的包含了K空间数据的各个图像。帧间独立模式如图4所示，第一帧为弥散加权参考图像，从第二帧数据起，各帧实际所采集的弥散加权图像K空间数据均通过钥孔成像技术与第一帧的K空间数据实现交织式共享填充。帧间关联的模式如图5所示，第一帧为弥散加权参考图像，从第二帧数据起，各帧实际所采集的弥散加权图像K空间数据通过钥孔成像技术与其前一帧的K空间数据实现交织式共享填充。

在步骤S40中，对共享填充后的K空间数据进行图像重建。本实施例中，K空间数据的重建图像是通过压缩感知重构得到的。

此外，还有必要提供一种磁共振弥散张量成像系统。如图6所示，该成像系统包括采样模块10、填充模块20以及重建模块30。

采样模块10，用于根据稀疏度对成像对象进行K空间稀疏采样，得到弥散加权参考图像的K空间数据，并提高稀疏度，对成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据。本实施例中，为了减小运动伪影，在动态成像中通常将K空间编码线进行交织式的排列，即径向扫描，以实现各条空间编码线对均匀覆盖。径向K空间数据的共享填充利用交织模式实现，采样模块10以径向扫描的方式对成像对象进行K空间稀疏采样。此外，采样模块10还以径向扫描的方式对成像对象进行K空间稀疏采样得到K空间数据。具体地，采样模块10只进行一次完整的扫描得到外加磁场图像和弥散加权图像，并存储。此时，将这一完整的K空间扫描所得到的弥散加权图像作为弥散加权参考图像。在优选的实施例中，外加磁场图像以及弥散加权参考图像是通过压缩感知重构得到的。

填充模块20，用于通过钥孔成像将弥散加权参考图像与弥散加权图像的K空间数据共享填充。本实施例中，填充模块20通过帧间独立或帧间关联的模式将弥散加权参考图像共享填充至K空间数据中。填充模块20将稀疏采样所采集到的K空间数据和弥散加权参考图像通过钥孔成像共享填充使得数据相互交织，形成最终的K空间。

弥散加权参考图像，即弥散加权图像中的阵列用以下公式表示：

$s(\stackrel{\→}{k},n)=\∫\mathrm{\ρ}(\stackrel{\→}{x},n)\exp (-i2\mathrm{\π}\stackrel{\→}{k}\·\stackrel{\→}{x})d\stackrel{\→}{x}+N(\stackrel{\→}{k},n)---\left(5\right)$

其中，

表示得到的K空间数据，

表示沿着第n级弥散梯度方向的空间弥散加权函数，

表示噪声。

弥散加权参考图像中的数据沿着不同的弥散梯度方向是高度相关的，于是

可以借鉴动态成像中的钥孔成像的采集方法，来进行数据采集的加速。与通常意义上的动态成像的区别在于：弥散加权参考图像中的数据的动态特性由空间(弥散梯度的方向)展开，而非时间。

钥孔成像是为实现动态成像所设计的快速成像方法，其特点是成像速度快，空间分辨率与对比度高。钥孔成像是在对同一层面不同时间的扫描中，只进行一次完整的数据扫描，其余扫描只采集成像对象中心部分数据，边界部分则使用第一次K空间高频部分的数据予以填充，从而在保证图像的对比度与空间分辨率的同时提高成像速度。

填充模块20通过帧间独立或帧间关联的模式将弥散加权参考图像与弥散加权图像的K空间数据共享填充。各帧即为通过稀疏采样得到的包含了K空间数据的各个图像。

重建模块30，用于对共享填充后的K空间数据进行图像重建。本实施例中，重建模块30利用压缩感知进行采样数据的重建，可有效地提高重建图像的空间分辨率。压缩感知采用非自适应线性投影来保持信号的原始结构，以远低于奈奎斯特频率对信号进行采样，通过数值最优化问题准确重构出原始信号。具体地，重建模块30可通过迭代收缩算法来求解以下公式：

$\arg \underset{x}{\min }\{\frac{1}{2}{{\left|\right|F_{u}x-y\left|\right|}_2}^2+\mathrm{\λ}\·\mathrm{TV}\left(x\right)\}$

下面结合一个成像实验来详细阐述上述磁共振弥散张量成像方法及系统的成像。该成像实验中，成像实验数据在7T的MRI扫描仪上获得。用SE-DTI序列扫描6个离体的大鼠心脏样本，参数设置如下：TR/TE＝1500/29ms，FOV＝255mm×255mm，矩阵大小＝256×256，3层，弥散梯度方向＝6，弥散灵敏度(b-value)＝800s/mm²，单样本扫描时间约40分钟。

分别进行全采样和稀疏采样，其中，外加磁场图像和弥散加权参考图像的采样率为0.5，另外五幅由为弥散加权图像，其采样率为0.25。利用钥孔成像技术将五幅弥散加权图像中25％的K空间数据从弥散加权参考图像中共享得到并填充。最后利用压缩感知算法重建图像，并计算相对应的弥散张量参数，如图7至图9所示，包括各向异性分数(Fractional Anisotropy，简称FA)、平均表现弥散系数(Mean Diffusivity，简称MD)、轴向扩散系数(Axial diffusivity)以及径向扩散系数(Radial diffusivity)，以得到加速成像后的相对误差，并与传统的弥散张量成像方法相比较，其比较结果如图8所示，在数据的快速获取下仍然能够得到与全采样条件下相同的成像效果。

经模拟可知25％以上的采样率可以保证非常低的参数误差，成像质量也非常理想。

上述磁共振弥散张量成像方法及系统可应用于在体心脏中，在体心脏中水分子方向性的运动在弥散梯度作用下出现信号衰减，因此利用这一特性，可进一步减少实际的数据采集量。

上述磁共振弥散张量成像方法及系统通过稀疏采样连续快速地获取K空间数据，并在钥孔成像的作用下进行共享填充，进而重构完整的数据，缩短了扫描时间，提高数据获取速度，达到快速成像的目的。

上述磁共振弥散张量成像方法及系统通过压缩感知的方式进行图像重建，可进一步降低运动伪影的影响，提供了高时间、高空间分辨率的动态成像，进一步提高成像质量和成像的效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种磁共振弥散张量成像方法，包括以下步骤：

根据稀疏度对成像对象进行K空间稀疏采样，得到弥散加权参考图像的K空间数据；

提高所述稀疏度，对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据；

通过钥孔成像将所述弥散加权参考图像与所述弥散加权图像的K空间数据进行共享填充；

对共享填充后的K空间数据进行图像重建。

2.根据权利要求1所述的磁共振弥散张量成像方法，其特征在于，所述根据稀疏度对成像对象进行K空间稀疏采样的步骤为：

以径向扫描的方式对所述成像对象进行K空间稀疏采样。

3.根据权利要求1所述的磁共振弥散张量成像方法，其特征在于，所述提高所述稀疏度，对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据的步骤为：

提高所述稀疏度；

以径向扫描的方式对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据。

4.根据权利要求1所述的磁共振弥散张量成像方法，其特征在于，所述弥散加权参考图像和/或弥散加权图像的重建是通过压缩感知重构得到的。

5.根据权利要求1所述的磁共振弥散张量成像方法，其特征在于，所述通过钥孔成像将所述弥散加权参考图像与所述弥散加权图像的K空间数据进行共享填充的步骤为：

通过帧间独立或帧间关联的模式将所述弥散加权参考图像与弥散加权图像的K空间数据共享填充。

6.一种磁共振弥散张量成像系统，其特征在于，包括：

采样模块，用于根据稀疏度对成像对象进行K空间稀疏采样，得到弥散加权参考图像的K空间数据，并提高所述稀疏度，对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据；

填充模块，用于通过钥孔成像将所述弥散加权参考图像与所述弥散加权图像的K空间数据进行共享填充；

重建模块，用于对所述共享填充后的K空间数据进行图像重建。

7.根据权利要求6所述的磁共振弥散张量成像系统，其特征在于，所述采样模块以径向扫描的方式对所述成像对象进行K空间稀疏采样。

8.根据权利要求6所述的磁共振弥散张量成像系统，其特征在于，所述采样模块提高所述稀疏度，并以径向扫描的方式对所述成像对象进行K空间稀疏采样得到弥散加权图像的K空间数据。

9.根据权利要求6所述的磁共振弥散张量成像系统，其特征在于，所述重建模块中重建得到的弥散加权参考图像和/或弥散加权图像是通过压缩感知重构得到的。

10.根据权利要求6所述的磁共振弥散张量成像系统，其特征在于，所述填充模块通过帧间独立或帧间关联的模式将所述弥散加权参考图像与弥散加权图像的K空间数据共享填充。

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