CN103048632B - 一种基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法，包括：根据球面螺旋分布方式确定扩散敏感梯度磁场分布方向；为确定的每一个扩散敏感梯度磁场分布方向制定欠采样编码策略；采用全采样方式，采集第一个扩散敏感梯度磁场分布方向的一组k空间信号作为参考像；将其余扩散敏感梯度磁场分布方向及其欠采样编码策略输入磁共振扫描仪，依次采集其k空间信号；将得到的各组k空间信号分别与参考像k空间信号作差，并采用压缩传感方法重建得到差值像，再将差值像叠加到参考像上。本发明利用螺旋分布法、欠采样策略及HARDI数据特点，采集少量k空间信号就能很好地重建出未知图像，提高了采样及图像重建速度。

Description

一种基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术领域，特别是一种基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法。

背景技术

以下是本领域中的一些名词解释，其使用范围仅限于本发明：

k空间信号：在磁共振成像过程，磁共振谱仪采集到的原始信号不同于图像像素所在的空间，而称为k空间，因此对应的原始信号称为k空间信号。

相位编码梯度磁场：为了对空间位置进行编码，就需要在不同的位置施加不同的磁场强度，这就要用到梯度磁场。当梯度的方向指向空间坐标系的y方向时，称这个方向为相位方向，对应的梯度磁场也就称为相位编码梯度磁场，简称相位梯度。

扩散敏感梯度磁场：在扩散张量成像中，除了通常施加的梯度磁场外，还要施加另外一种梯度磁场，这种梯度磁场能够提取出人体组织内的水分子扩散信息(大小，方向等)，因此称这种梯度磁场为扩散敏感梯度磁场。

表观扩散系数：是一种在宏观上度量水分子扩散速度的指标，这一指标是在观察范围内所有水分子扩散速度大小的平均，与扩散方向无关。

扩散敏感梯度磁场的b值：是衡量扩散敏感梯度磁场强弱的一个指标，由扩散敏感梯度磁场的强度和持续时间共同决定，近似相当于扩散敏感梯度磁场强度对时间的积分。

现有技术中的磁共振成像技术主要有三个方面的发展：

一、磁共振成像技术和压缩传感技术

磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)技术是目前广泛应用的医疗检查技术。其工作原理是，人体内的水分子会在核磁共振效应下发出电磁信号，经过特定的梯度磁场标记后，磁共振谱仪采集这些信号(即k空间信号)，然后经过傅里叶变换，重建出组织影像。这种重建方式需要采集的数据量与重建后的数据量是相等的，因此要想获得更高分辨率的图像，就要采集更多的数据。

压缩传感(Compressedsensing,CS)理论使用了一种非线性重建方式，只需要采集少量k空间信号，就可得到与傅里叶重建几乎相同的图像质量。

k空间信号通常是一行一行地采集的，每一行数据对应采集中的一个相位编码梯度磁场(简称相位梯度)，因此可以用相位梯度数目来衡量k空间信号的数目，相位梯度数目越少，k空间中采集的数据就越少。傅里叶重建需要对k空间全采样，CS重建则可以对k空间欠采样。通常情况下，CS重建只需采集1/10的k空间信号，就能很好的重建出图像。

然而，过少的k空间信号，即便在CS重建下，也会使图像损失大量信息。但是如果两幅图像的差别比较小，并且已知其中一幅图像，那么即便只采集了很少的k空间信号，仍然可以很好的重建出未知图像。采集方式为：采集非常少量的k空间信号，将这些信号与已知图像k空间中对应的信号作差，对得到的差值做CS重建，把重建得到的图像叠加到已知图像上，就会得到未知图像。使用这种方法可以使采集多组相似图像的过程大大缩短。而利用CS重建非常重要的步骤之一是制定欠采样策略，即随机选取相位梯度(一定要随机选取)。通常的做法是，在进行磁共振扫描前，把相位梯度选择好，待到扫描时，直接把选好的梯度输入到机器中，进行扫描。本发明即是基于这一思路。

二、高角分辨率扩散成像及其与压缩传感的兼容性

扩散张量成像(DiffusionTensorImaging,DTI)是磁共振扩散成像的进一步发展，在临床诊断及脑科学研究等方面得到广泛应用。它的原理是，在通常的磁共振扫描中增加扩散敏感梯度磁场，以使图像反映出组织内水分子的扩散信息。一次DTI成像需要在不同方向上施加扩散敏感梯度，每个方向下得到的图像称为一组扩散权重像(DiffusionWeightImage,DWI)。高角分辨率扩散成像(HighAngularResolutionDiffusionImaging,HARDI)是在DTI的基础上施加更多扩散敏感梯度，得到的生理及病理信息远多于DTI，有重要临床意义及需求，但尚未应用于临床。主要原因是HARDI需要在数百甚至上千方向上采集DWI信号，导致其十分耗时，且极易受运动、畸变等因素影响。所以研究HARDI快速成像，解决其中的关键问题有重要的理论意义及应用前景。

以平面自旋回波(EchoPlanarImaging,EPI)为代表的多种快速成像方法将磁共振成像的常规检查时间由数小时缩短到数分钟，但仍不能满足不断增长的临床需求。尤其是HARDI要求在尽量多的方向上测量水分子的表观扩散系数，在研究中甚至会多达上千方向，这必然导致扫描时间延长。让病人在漫长的扫描时间内保持静止是极困难的，而且还有呼吸、心跳及不自主运动等因素的影响。

MRI数据的稀疏性使其适用基于CS理论的数据采集及图像重建方法，根据HARDI数据的特点改进当前单层欠采样方法可以大幅提高采集及图像重建速度。以脑部为例，HARDI数据中包括大量不同扩散敏感梯度磁场方向下得到的DWI图像，理论分析可知，其中只有白质部分的信号会有差异，水分子在脑中其他部位(如脑脊液，灰质)中的扩散是各向同性的，所以不同扩散敏感梯度磁场方向下这些部位的信号相同，由此可见不同扩散敏感梯度磁场方向的DWI图像之间差异很小。

因此HARDI符合使用CS的条件，可以设计一种方法，进一步把HARDI的扫描时间缩短。这也是本发明的重要思路之一。

三、扩散敏感梯度磁场分布方式

对于大量的梯度方向，如何合理的分布是一个重要的问题。目前使用的分布方式有正十二面体分布法和正二十面体分布法等，以正二十面体分布法为例，以正二十面体的中心为原点，由原点与正二十面体的顶点的连线确定方向，更多方向的分布可以通过进一步划分正二十面体的面来实现。这种方法能够均匀的分布大量方向，但是梯度对方向的数目有较严格的限制，不能把任意数量的梯度分布在各个方向上。因此，寻求一种通用的扩散敏感梯度磁场分布方法，也是磁共振成像需要解决的一个重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法，用于解决现有技术中磁共振成像存在的图像采集质量低、采集速度较慢、扫描时间长、扩散敏感梯度磁场分布方法适应性低等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法，包括：

步骤1，按球面螺旋分布方式在单位半球面上确定扩散敏感梯度磁场分布方向，并把半数的扩散敏感梯度磁场分布方向相对球心对称翻转到另一半球面，得到单位球面上所有的扩散敏感梯度磁场分布方向；

步骤2，将所有扩散敏感梯度磁场分布方向按螺旋线前进方向编号，并为除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向外的其余方向制定相应的欠采样编码策略；

步骤3，采用全采样方式，采集第一个扩散敏感梯度磁场分布方向的一组k空间信号，对这组k空间信号作傅里叶重建，将重建后的结果作为参考像；

步骤4，应用步骤2中的欠采样编码策略，依次采集除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向外的其余方向的k空间信号；

步骤5，将步骤4得到的一组欠采样的k空间信号与步骤3中的k空间信号作差，得到新的k空间欠采样信号；

步骤6，采用压缩传感方法对步骤5得到的k空间欠采样信号进行重建，重建后得到该扩散敏感梯度磁场分布方向的差值像；

步骤7，将步骤6得到的差值像叠加到步骤3得到的参考像上，得到该扩散敏感梯度磁场分布方向下的扩散权重像；

步骤8，重复步骤5至步骤7，得到其余扩散敏感梯度磁场分布方向下的扩散权重像。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所述步骤1具体包括：

步骤11，选取单位球面的上顶点作为球面螺旋线初始点；

步骤12，计算球面螺旋线在上半球的长度随环绕圈数变化的关系式；

步骤13，计算在指定扩散敏感梯度磁场分布方向数目下，以球面螺旋线间距为两相邻方向的球面距离，排列所有方向所需的螺旋线总长度随球面螺旋线环绕圈数变化的关系式；

步骤14，由步骤12及步骤13的两关系式确定球面螺旋线的环绕圈数，并构造上半球的球面螺旋线；

步骤15，由球面螺旋线的初始点出发，沿着球面螺旋线前进的方向，依次计算出与初始点间的球面螺旋线长度为球面螺旋线间距整数倍的点的直角坐标，并按照先后顺序对计算出的点进行编号；

步骤16，将所有点按照编号分为奇数组和偶数组，把所有偶数组的点相对球心作对称翻转，翻转到下半球上，并删除原来的点；

步骤17，将球心与球面上的所有点的连线方向作为扩散敏感梯度磁场分布方向。

进一步，所述步骤2具体包括：

步骤21，向磁共振扫描仪随机输入一幅全采样图像的相位编码梯度数目及层数；

步骤22，将磁共振扫描仪的最大相位编码梯度强度平均划分为若干个等级，并将每个等级作为一个梯度的对应强度；

步骤23，按照高斯随机分布的方式，选择所有划分出的等级中的若干个等级的梯度作为梯度组；

步骤24，按照同样的方式分别为全采样图像的其他层面选择梯度组；

步骤25，将所有梯度组作为一个扩散敏感梯度磁场分布方向下的欠采样策略；

步骤26，按上述步骤为除螺旋初始点之外的扩散敏感梯度磁场分布方向制定欠采样编码策略。

进一步，所述步骤4中依次采集除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向外的其余方向的k空间信号具体包括：

步骤41，设定扩散敏感梯度磁场的b值，并将除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向外的其余扩散敏感梯度磁场分布方向及其对应的欠采样编码策略制作成文本文件，读入磁共振扫描仪的控制端；

步骤42，选择适合多层扫描的磁共振采集序列，按步骤41的文本文件修改磁共振采集序列的相位编码梯度，使磁共振扫描仪按照欠采样策略中的相位编码梯度采集；

步骤43，按照扩散敏感梯度磁场分布方向的编号，依次在所有扩散敏感梯度磁场分布方向下采集k空间信号。

本发明的有益效果是：本发明的一种基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法，主要有以下几个方面的优点：

一、利用欠采样策略，只需采集少量k空间信号就能很好地重建出未知图像，缩短了采集过程；

二、利用HARDI数据的特点改进当前单层欠采样方法，大幅度提高了采样及图像重建速度，同时减短了扫描时间；

三、采用螺旋分布法来选择扩散敏感梯度磁场分布方向，该方向更为通用，能把任意数量的梯度分布在各个方向上。

四、快速的HARDI技术使得被观察者在磁共振扫描仪中扫描的时间缩短，减少了运动伪影；

五、压缩传感的重建方式能够部分抑制图像中的高斯噪声，有助于图像信噪比的提高。

附图说明

图1为本发明的基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法的流程示意图；

图2为本发明中采用螺旋分布方式确定扩散敏感梯度磁场分布方向的流程示意图；

图3为本发明中制定欠采样编码策略的流程示意图；

图4为本发明采用欠采样编码策略采集扩散敏感梯度磁场分布方向下k空间信号的流程示意图；

图5为本发明采用压缩传感方法重建差值像的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，实施例一是一种基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法，其实现方法如下所述。

一、步骤1，在球坐标系中构造一个单位球面(半径r＝1，方位角phi∈[0,2π)，仰角theta∈[0,π))，按球面螺旋分布方式在单位半球面上确定扩散敏感梯度磁场分布方向，并把半数的扩散敏感梯度磁场分布方向相对球心对称翻转到另一半球面，得到单位球面上所有的扩散敏感梯度磁场分布方向。

如图2所示，步骤1的实施过程具体包括:

步骤11，选取单位球面的上顶点作为螺旋初始点，坐标为(r＝1,phi＝0,theta＝0)。

步骤12，计算球面螺旋线在上半球的长度s1随环绕圈数n变化的关系式，关系式为完全椭圆积分函数s1＝EllipticE(-16n^2)；

步骤13，计算在指定扩散敏感梯度磁场分布方向数目m下，以球面螺旋线间距d为两相邻方向的球面距离，排列所有方向所需的总长度s2随球面螺旋线环绕圈数n变化的关系式，关系式为s2＝(pi*m)/2n；

步骤14，根据步骤12及步骤13的两关系式的交点即可确定球面螺旋线的环绕圈数n，并构造上半球的球面螺旋线；

步骤15，由球面螺旋线的初始点出发，沿着球面螺旋线前进的方向，依次计算出与初始点间的球面螺旋线长度为球面螺旋线间距整数倍的点的直角坐标，按照先后顺序对计算出的点进行编号；

步骤16，将所有点按照编号分为奇数组和偶数组，把所有偶数组的点相对球心作对称翻转，翻转到下半球上。只把偶数组的方向翻转到下半球，奇数组的方向留在上半球，是为了把所有方向在球面上均匀分布，可防止磁共振采集中由于方向相隔太近而出现涡流效应。

步骤17，将球面上的所有点与球心的连线方向作为扩散敏感梯度磁场分布方向。

二、步骤2，将所有扩散敏感梯度磁场分布方向按螺旋线前进方向编号，并为除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向外的其余方向制定相应的欠采样编码策略。

如图3所示，步骤2的实施过程具体包括：

步骤21，向磁共振扫描仪随机输入一幅全采样图像的相位编码梯度数目及层数，以相位编码梯度数目为256、层数为128为例。

步骤22，将磁共振扫描仪的最大相位编码梯度强度平均划分为256个等级(包含正负)，并将256个等级作为256个梯度的对应强度。

步骤23，按照高斯随机分布的方式，从256个梯度中选择少量梯度作为梯度组，这里以选择5个梯度为例。

步骤24，按照同样的方式分别为全采样图像的其他层面选择127个梯度组。

步骤25，将所有梯度组作为一个扩散敏感梯度磁场分布方向下的欠采样策略，可知欠采样策略是通过设定相位编码梯度的数目和大小来决定采集哪些数据的。

步骤26，按上述步骤为除螺旋初始点(即第一个扩散敏感梯度磁场分布方向)之外的扩散敏感梯度磁场分布方向制定欠采样编码策略。

三、步骤3，采用全采样方式，并通过磁共振扫描仪采集第一个扩散敏感梯度磁场分布方向的一组k空间信号，将这组k空间信号作为参考像。在这之前，在不加任何扩散敏感梯度的情况下(即扩散敏感梯度的b值为零)，使用全采样的方式采集一组k空间数据。这里，扫描不加扩散敏感梯度磁场下的k空间数据是HARDI中必做的一部分，是为了比较有扩散敏感梯度磁场和没有扩散敏感梯度磁场的差别。

四、步骤4，将除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向(即螺旋线初始点的方向)外的其余扩散敏感梯度磁场分布方向信息及其对应的欠采样编码策略输入磁共振扫描仪，依次采集对应扩散敏感梯度磁场分布方向下k空间信号。

如图4所示，步骤4的实施过程具体包括:

步骤41，设定扩散敏感梯度磁场的b值，并将除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向外的其余扩散敏感梯度磁场分布方向及其对应的欠采样编码策略制作成文本文件，读入磁共振扫描仪的控制端；

步骤42，选择适合多层扫描的磁共振采集序列，按步骤41的文本文件修改磁共振采集序列的相位编码梯度，使磁共振扫描仪按照欠采样策略中的相位编码梯度采集；

步骤43，按照扩散敏感梯度磁场分布方向的编号，依次在所有扩散敏感梯度磁场分布方向下采集k空间信号。

五、步骤5，如图5所示，具体包括：

步骤51，将步骤4得到的一组欠采样的k空间信号与步骤3中的k空间信号作差，得到新的k空间欠采样信号；

步骤52，采用压缩传感方法对步骤51得到的k空间欠采样信号进行重建，重建后得到图像近似为该扩散敏感梯度磁场分布方向下的扩散权重像与参考像的差值像；

步骤53，将步骤52得到的差值像叠加到步骤3得到的参考像上，得到该扩散敏感梯度磁场分布方向下的扩散权重像；

步骤54，重复步骤51至步骤53，得到其余扩散敏感梯度磁场分布方向下的扩散权重像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (3)

1.一种基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法，其特征在于，包括：

步骤1，按球面螺旋分布方式在单位半球面上确定扩散敏感梯度磁场分布方向，并把半数的扩散敏感梯度磁场分布方向相对球心对称翻转到另一半球面，得到单位球面上所有的扩散敏感梯度磁场分布方向；

所述步骤1具体包括：

步骤11，选取单位球面的上顶点作为球面螺旋线初始点；

步骤12，计算球面螺旋线在上半球的长度随环绕圈数变化的关系式；

步骤13，计算在指定扩散敏感梯度磁场分布方向数目下，以球面螺旋线间距为两相邻方向的球面距离，排列所有方向所需的螺旋线总长度随球面螺旋线环绕圈数变化的关系式；

步骤14，由步骤12及步骤13的两关系式确定球面螺旋线的环绕圈数，并构造上半球的球面螺旋线；

步骤15，由球面螺旋线的初始点出发，沿着球面螺旋线前进的方向，依次计算出与初始点间的球面螺旋线长度为球面螺旋线间距整数倍的点的直角坐标，并按照先后顺序对计算出的点进行编号；

步骤16，将所有点按照编号分为奇数组和偶数组，把所有偶数组的点相对球心作对称翻转，翻转到下半球上，并删除原来的点；

步骤17，将球心与球面上的所有点的连线方向作为扩散敏感梯度磁场分布方向；

步骤2，将所有扩散敏感梯度磁场分布方向按螺旋线前进方向编号，并为除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向外的其余方向制定相应的欠采样编码策略；

步骤3，采用全采样方式，采集第一个扩散敏感梯度磁场分布方向的一组k空间信号，对这组k空间信号作傅里叶重建，将重建后的结果作为参考像；

步骤4，应用步骤2中的欠采样编码策略，依次采集除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向外的其余方向的k空间信号；

步骤5，将步骤4得到的一组欠采样的k空间信号与步骤3中的k空间信号作差，得到新的k空间欠采样信号；

步骤6，采用压缩传感方法对步骤5得到的k空间欠采样信号进行重建，重建后得到该扩散敏感梯度磁场分布方向的差值像；

步骤7，将步骤6得到的差值像叠加到步骤3得到的参考像上，得到该扩散敏感梯度磁场分布方向下的扩散权重像；

步骤8，重复步骤5至步骤7，得到其余扩散敏感梯度磁场分布方向下的扩散权重像。

2.根据权利要求1所述的快速高角分辨率扩散成像方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤21，向磁共振扫描仪随机输入一幅全采样图像的相位编码梯度数目及层数；

步骤22，将磁共振扫描仪的最大相位编码梯度强度平均划分为若干个等级，并将每个等级作为一个梯度的对应强度；

步骤23，按照高斯随机分布的方式，选择所有划分出的等级中的若干个等级的梯度作为梯度组；

步骤24，按照同样的方式分别为全采样图像的其他层面选择梯度组；

步骤25，将所有梯度组作为一个扩散敏感梯度磁场分布方向下的欠采样策略；

步骤26，按上述步骤为除螺旋初始点之外的扩散敏感梯度磁场分布方向制定欠采样编码策略。

3.根据权利要求1所述的快速高角分辨率扩散成像方法，其特征在于，所述步骤4中依次采集除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向外的其余方向的k空间信号具体包括：

步骤41，设定扩散敏感梯度磁场的b值，并将除第一个扩散敏感梯度磁场分布方向外的其余扩散敏感梯度磁场分布方向及其对应的欠采样编码策略制作成文本文件，读入磁共振扫描仪的控制端；

步骤42，选择适合多层扫描的磁共振采集序列，按步骤41的文本文件修改磁共振采集序列的相位编码梯度，使磁共振扫描仪按照欠采样策略中的相位编码梯度采集；

步骤43，按照扩散敏感梯度磁场分布方向的编号，依次在所有扩散敏感梯度磁场分布方向下采集k空间信号。