CN102232831B - 一种实现水脂分离的磁共振成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁共振成像技术领域，公开了一种实现水脂分离的磁共振成像方法，该方法包括：利用BLADE轨迹采集一幅同相位图像原始数据和两幅反相位图像原始数据；根据所述同相位图像原始数据重建同相位图像，并且利用所述同相位图像原始数据对所述反相位图像原始数据进行相位校正，并重建反相位图像；根据所述同相位图像和反相位图像计算水和脂肪的图像。由于本发明采用BLADE轨迹采集k空间数据，从而继承了BLADE轨迹对刚体运动和脉动不敏感的优点，降低了对运动伪影的敏感程度，并且还提高了图像的信噪比。

Description

一种实现水脂分离的磁共振成像方法
技术领域
本发明磁共振成像技术领域，特别是一种能够实现水脂分离的磁共振成像方法。
背景技术
在磁共振成像(Magneticresonanceimaging，MRI)中，由于人体内脂肪组织中的氢质子和其它组织中的氢质子所处的分子环境不同，使得它们的共振频率不相同；当脂肪和其它组织的氢质子同时受到射频脉冲激励后，它们的弛豫时间也不一样。在不同的回波时间采集信号，脂肪组织和非脂肪组织表现出不同的相位以及信号强度。
狄克逊(Dixon)法是在磁共振成像中用以产生纯水质子图像的方法，其基本原理是分别采集水和脂肪质子的同相位(InPhase)和反相位(Outphase)两种回波信号，两种不同相位的回波信号通过运算，各产生一幅纯水质子的图像和一幅纯脂肪质子的图像，从而在水质子图像上达到脂肪抑制的目的。
为了同时得到水和脂肪的图像，一种改进的三点Dixon法被广泛使用，该方法的原理是同时取得一幅同相位(或反相位)图像和两幅反相位(或同相位)图像，根据两幅反相位(或同相位)图像，求得磁场不均匀导致的附加相位，对两幅反相位(或同相位)图像进行相位校正，然后与同相位(或反相位)图像一起求得水的图像及脂肪的图像。
本领域具有多种与Dixon法相结合的k空间数据采集方法，例如：笛卡尔(Cartesian)轨迹采集、径向(radial)或螺旋(spiral)轨迹采集。其中，笛卡尔轨迹采集是指以笛卡尔轨迹来采集k空间数据，并利用快速傅立叶变换(FFT)来产生坐标空间的图像，然后根据所采集的图像来计算水和脂肪的图像。单点Dixon方法、两点Dixon方法、三点以及多点Dixon方法简单且节省时间，但是对运动伪影非常敏感，并且自旋回波序列对运动伪影也非常敏感，所以基于笛卡尔轨迹采集的Dixon方法所得到的图像中经常存在运动伪影。
在径向或螺旋轨迹采集方法中，k空间数据是以非笛卡尔轨迹来采集的，例如径向轨迹、或者螺旋轨迹。基于该采集方法，可以在图像域和k空间进行相位校正和化学位移校正，以避免重建后的图像模糊。此类方法的优点是，运动在重建后的图像中引入了模糊而不是伪影，这对识别图像中物体的影响较小，但是采用径向或螺旋轨迹采集通常会增加重建图像的计算复杂度，耗费较多时间。
如上所述，笛卡尔轨迹采集方法简单且节省时间，但是对刚体运动及脉动等运动非常敏感。径向或螺旋轨迹采集方法会将运动伪影转化为重建后图像中的模糊，但是计算复杂并且耗时严重。总之，上述两类方法都不能消除刚体运动伪影。
在发明人为汪坚敏和翁得河的中国专利申请200510008973.0中公开了一种水脂分离图像重建方法，该方法包括以下步骤：(1)取得一幅同相位图像和两幅反相位图像；(2)求各通道的数据线圈灵敏度分布；(3)合成各通道图像；(4)求两幅反相位图像的相位差；(5)检测同相位图像中的一些特征区域以作为修正相位的判据；以及(6)修正反相位图像的相位，计算出水和脂肪的图像。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种实现水脂分离的磁共振成像方法，用以降低成像过程中对运动伪影的敏感程度。
因此，本发明提供了一种实现水脂分离的磁共振成像方法，该方法包括：
利用BLADE轨迹采集一幅同相位图像原始数据和两幅反相位图像原始数据；
根据所述同相位图像原始数据重建同相位图像，并且利用所述同相位图像原始数据对所述反相位图像原始数据进行相位校正，并重建反相位图像；
根据所述同相位图像和反相位图像计算水和脂肪的图像。
优选地，对反相位图像原始数据进行相位校正包括：对反相位图像原始数据的数据带进行二维快速傅立叶变换；对同相位图像原始数据的相应数据带进行窗操作，并进行二维快速傅立叶变换，得到同相位图像的窗数据；从反相位图像原始数据的结果中去除所述同相位图像的窗数据的相位；对所得数据进行二维快速傅立叶逆变换。
进一步，在对反相位图像原始数据进行相位校正后，进行旋转校正、平移校正以及快速傅立叶变换。
优选地，重建同相位图像包括：对同相位图像原始数据进行相位校正、旋转校正、平移校正以及快速傅立叶变换。
优选地，对同相位图像原始数据进行相位校正包括：对同相位图像原始数据的数据带进行窗操作，并进行二维快速傅立叶变换，得到窗数据；对该数据带进行二维快速傅立叶变换，并从中去除所述窗数据的相位；对所得数据进行二维快速傅立叶逆变换。
在一种实施方式中，该方法先采集两个反相位的回波，然后采集一个同相位的回波。
在另一种实施方式中，该方法先采集一个同相位的回波，然后采集两个反相位的回波。
在另一种实施方式中，该方法先采集一个反相位的回波，然后采集一个同相位的回波，再采集另一个反相位的回波。
从上述方案中可以看出，由于本发明采用BLADE轨迹采集k空间数据，从而继承了BLADE轨迹对刚体运动和脉动不敏感的优点，降低了对运动伪影的敏感程度，并且还提高了图像的信噪比。与常规的BLADE轨迹的重建方法相比，本发明还巧妙地利用同相位图像原始数据保留了反相位图像原始数据的信息，从而可以基于Dixon法实现水脂分离。
附图说明
图1为根据本发明的方法的流程示意图。
图2为BLADE轨迹的示意图。
图3A和图3B为利用三点Dixon法采集反相位图像原始数据和同相位图像原始数据的序列示意图。
图4A为本发明对同相位图像原始数据进行相位校正的流程示意图，图4B为本发明对反相位图像原始数据进行相位校正的流程示意图。
图5A、图5B、图5C分别为模型(phantom)的反相位图像、同相位图像和反相位图像，图5D为根据本发明方法得到的模型的水图像，图5E为根据本发明方法得到的模型的脂肪图像。
图6A、图6B、图6C分别为膝盖的反相位图像、同相位图像和反相位图像，图6D为脂肪的图像，图6E为水的图像。图6F为根据现有技术得到的脂肪的图像。
图7A、图7B、图7C分别为脑部的反相位图像、同相位图像和反相位图像，图7D和图7E为脂肪的图像，图7F和图7G为水的图像。其中，图7D和图7F是根据本发明的方法得到的图像，图7E和图7G是利用笛卡尔轨迹采集、快速自旋回波序列和Dixon法得到的图像。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
参见图1，根据本发明的一个实施例，本发明用于水脂分离的磁共振成像方法包括如下步骤：
步骤101，磁共振成像设备利用刀锋伪影校正(BLADE)轨迹采集一幅同相位图像的原始数据和两幅反相位图像的原始数据。
本申请的发明人巧妙地将BLADE技术应用到Dixon方法中。所述BLADE技术，也被称为螺旋浆(PROPELLER，PeriodicallyRotatedOverlappingParallELLineswithEnhancedReconstruction)技术，可参见JamesG.Pipe的论文“MotionCorrectionWithPROPELLERMRI：Applicationtoheadmotionandfree-breathingcardiacimaging”(MagneticResonanceinMedicine，42：963-969，1999年11月)。
采集每幅图像原始数据的BLADE轨迹如图2所示，以N(N为正整数，图1中N取10)个数据带(strip)来采集K空间数据，这些数据带沿圆周方向等角度旋转分布，每个数据带包括L(L为正整数，图1中L取9)行平行的数据线(line)。
图3A和图3B示意性给出了三点Dixon法在采集BLADE轨迹中各个数据带时的序列，其中图3A采集的是反相位图像的原始数据，图3B采集的是同相位图像的原始数据。在图3A和图3B中，RF和RO分别表示射频脉冲和读出梯度，图中省略了选层梯度、相位编码梯度。
如图3A所示，磁共振成像设备首先发射一个90度射频脉冲RF_0，然后再发射一个180度重聚相射频脉冲RF_1。在距离90度射频脉冲RF_0的回波时间(TE)之后，磁共振成像设备在读出梯度方向上施加读出梯度，分别读取两根数据线Out_1和Out_2。接着再发射一个180度重聚相射频脉冲RF_2，得到第二个回波，并在读出梯度方向上施加读出梯度，分别读取两根数据线Out_3和Out_4；重复上述操作，直至读取BLADE轨迹中所有的数据线，得到两幅反相位图像的原始数据。其中，数据线Out_1、Out_3、Out_5……等构成一幅反相位图像的原始数据，数据线Out_2、Out_4、Out_6……等构成另一幅反相位图像的原始数据。
如图3B所示，磁共振成像设备首先发射一个90度射频脉冲RF_0，然后再发射一个180度重聚相射频脉冲RF_1。在距离90度射频脉冲RF_0的回波时间(TE)之后，磁共振成像设备在读出梯度方向上施加读出梯度，读取一根数据线In_1。接着再发射一个180度重聚相射频脉冲RF_2，得到第二个回波，并在读出梯度方向上施加读出梯度，读取一根数据线In_2；重复上述操作，直至读取BLADE轨迹中所有的数据线，得到一幅同相位图像的原始数据。
需要说明的是图3A和图3B只是示意性地给出了一种采集次序，本发明并不局限于此。例如，本发明可以先采集一个同相位的回波，然后采集两个反相位的回波，得到相应的原始数据。或者，在采集两个反相位的回波的中间采集一个同相位的回波，在这种方式下，每个重聚相脉冲之后采集三个回波，即，一个同相位回波和两个反相位回波，以得到相应的原始数据。
步骤102，磁共振成像设备根据同相位图像原始数据重建同相位图像，并且根据反相位图像原始数据重建反相位图像。
在重建同相位图像时，磁共振成像设备首先对各个数据带进行相位校正。如图4A所示，在相位校正过程中，利用窗函数(例如三角窗函数、金字塔窗函数)对数据带进行窗操作，并对窗操作后的数据进行二维(2D)快速傅立叶变换，不妨将得到的数据称为窗数据；另一方面，对数据带也进行二维快速傅立叶变换，并从中去除上述窗数据的相位，对所得数据进行二维快速傅立叶逆变换(iFFT)，从而得到相位校正的数据带。然后，磁共振成像设备对相位校正后的数据带进行旋转校正和平移校正，并经过快速傅立叶变换得到一幅同相位图像。
在重建反相位图像时，本申请的发明人对其中的相位校正提出了改进。如图4B所示，在相位校正过程中，磁共振成像设备利用窗函数对同相位图像原始数据的相应数据带(在k空间中相同角度的数据带)进行窗操作，并进行二维快速傅立叶变换，从而得到同相位图像的窗数据；另一发面，对反相位图像的数据带也进行二维快速傅立叶变换，并从中去除上述同相位图像的窗数据的相位，对所得数据进行二维快速傅立叶逆变换，从而得到相位校正的反相位图像数据带。与同相位图像的重建过程相似，然后对相位校正后的数据带进行旋转校正和平移校正，最终经过快速傅立叶变换得到反相位图像。
在上述过程中，利用同相位图像的数据带作为参考，对反相位图像的数据带进行相位校正，保留了反相位信息，从而可以根据Dixon法进行水脂分离成像。在对BLADE轨迹采集数据的常规处理中，由于消除了两幅反相位图像中的反相位信息，因此经过常规处理得到的反相位图像无法用于Dixon法的水脂分离成像。
步骤103，磁共振成像设备根据一幅同相位图像和两幅反相位图像，计算出水的图像和脂肪的图像。在本步骤中，可以利用已有的各种方式来计算水和脂肪的图像，例如与本申请同日递交的、申请人为西门子迈迪特(深圳)磁共振有限公司、发明人为贺强和翁得河的中国专利申请“一种磁共振成像水脂分离方法”、或中国专利申请200510008973.0中介绍的计算方式，这里不再赘述。
如图5A至5E所示，本申请的发明人根据本发明的方法利用一台1.5T的磁共振成像设备对模型进行了水脂分离成像。模型所用两个圆形容器内装有水，一个方形容器内装有食用油(即，脂肪)。
图5A和图5C分别为两幅反相位图像，图5B为一幅同相位图像，图5D为根据本发明方法得到的水的图像，图5E为根据本发明方法得到的脂肪图像。从图5D和图5E的结果来看，本发明的方法在图像中有效地分离了水和脂肪。
如图6A至图6E所示，本申请的发明人还根据本发明的方法利用1.5T的磁共振成像设备对一位志愿者的膝盖进行了水脂分离成像。图6A和图6C分别为两幅反相位图像，图6B为一幅同相位图像，图6D为根据本发明方法得到的水的图像，图6E为根据本发明方法得到的脂肪的图像。从图6D和图6E的结果来看，本发明的方法在图像中有效地分离了水和脂肪。
作为比较，本申请的发明人还用频谱脂肪抑制方法对上述膝盖成像，结果如图6F所示。比较图6E和图6F可以看出，图6E有效地分离了水和脂肪，并且不存在明显的伪影，而图6F在人体左右方向(图中左右方向)可以看到明显的脉动伪影。
此外，如图7A至图7G所示，本申请的发明人根据本发明的方法和另一种方法(快速自旋回波序列，笛卡尔轨迹采集，以及Dixon法水脂分离技术)利用1.5T磁共振成像设备对一位志愿者的头部进行了水脂分离成像。其中，图7A和图7C分别为两幅反相位图像，图7B为一幅同相位图像，图7D为根据本发明方法得到的脂肪的图像，图7E为根据上述另一种方法得到的脂肪的图像，图7F为根据本发明方法得到的水的图像，图7G为根据上述另一种方法得到的水的图像。
分别比较图7D与图7E(脂肪的图像)、图7F与图7G(水的图像)，可以看出，根据本发明的方法得到的水和脂肪图像具有较少的伪影。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实现水脂分离的磁共振成像方法，该方法包括：
利用刀锋伪影校正轨迹采集一幅同相位图像的原始数据和两幅反相位图像的原始数据；
根据所述同相位图像的原始数据重建同相位图像，并且利用所述同相位图像的原始数据对所述反相位图像的原始数据进行相位校正，并重建反相位图像；
根据所述同相位图像和反相位图像计算水和脂肪的图像，
其中，对反相位图像原始数据进行相位校正包括：
对反相位图像的原始数据的数据带进行二维快速傅立叶变换；
对同相位图像的原始数据的相应数据带进行窗操作，并进行二维快速傅立叶变换，得到同相位图像的窗数据；
从反相位图像的原始数据的结果中去除所述同相位图像的窗数据的相位；
对所得数据进行二维快速傅立叶逆变换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对反相位图像的原始数据进行相位校正后，进行旋转校正、平移校正以及快速傅立叶变换。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重建同相位图像包括：对同相位图像的原始数据进行相位校正、旋转校正、平移校正以及快速傅立叶变换。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对同相位图像的原始数据进行相位校正包括：
对同相位图像的原始数据的数据带进行窗操作，并进行二维快速傅立叶变换，得到窗数据；
对该数据带进行二维快速傅立叶变换，并从中去除所述窗数据的相位；
对所得数据进行二维快速傅立叶逆变换。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法先采集两个反相位的回波，然后采集一个同相位的回波。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法先采集一个同相位的回波，然后采集两个反相位的回波。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法先采集一个反相位的回波，然后采集一个同相位的回波，再采集另一个反相位的回波。
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