CN103349550A

CN103349550A - 一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法及其装置

Info

Publication number: CN103349550A
Application number: CN2013102784019A
Authority: CN
Inventors: 周敏雄; 谢海滨; 李智敏; 严序; 高明生; 杨光
Original assignee: KALEFU MAGNETIC RESONANCE TECH Co Ltd SHANGHAI; East China Normal University
Current assignee: KALEFU MAGNETIC RESONANCE TECH Co Ltd SHANGHAI; East China Normal University
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2013-10-16

Abstract

本发明公开了磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法，对K空间同波中心区域全部采集，对所述K空间回波中心区域外进行随机采集，根据中心区域的K空间数据与随机采集得到的随机K空间数据通过压缩传感技术进行实时图像重建，不断改进重建图像质量并实时显示。本发明利用压缩传感技术实时重建磁共振图像并显示，能够实时观察磁共振扫描的进程，并可以随时根据图像质量提前终止磁共振扫描，有效缩短了磁共振扫描的时间。本发明还公开了一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化装置。

Description

一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法及其装置

技术领域

本发明属于磁共振扫描成像技术领域，尤其涉及一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法及其装置。

背景技术

磁共振成像具有无损伤、软组织对比度高、任意方向断层等优点，不仅能够提供组织形态学信息，而且能够反映组织的功能特性和分了水平信息，因此磁共振成像已经广泛应用于医学临床诊断中。

压缩传感，也称压缩感知、压缩采集，是2006年后发展起来的一种新的信号处理技术。对于符合特定条件的信号，压缩传感方法可以使用远低于香农-宁奎斯特采集定理所要求的频率进行采集，仍然可以近乎完美地恢复出原始的信号。

与其他成像方法相比，磁共振成像的成像数据采集过程，或称扫描过程，通常需要较长时间。对于低场永磁型磁共振成像系统，这一问题尤其严重，例如常规序列一般需要数分钟时间。由于一位病人的检查包含多个扫描序列，因此完成一位病人的检查常常需要20分钟以上，这限制了磁共振成像系统每天检查病人的数量，造成检查成本与费用高昂。另一方面，传统上，磁共振图像的重建及显示要等到所有的磁共振成像数据采集完成后才能进行，这导致从扫描开始到医生观察到磁共振图像需要较长的等待时间。如果在图像扫描的过程中，出现病人明显运动等异常情况，可能导致图像质量很差而至使图像失去诊断价值。但这一问题要到扫描完全结束后才能发现，这无形中进一步增加了扫描时间，不仅影响了磁共振成像系统的利用率，也会因扫描时间过长给接受检查的病人带来不适。

发明内容

本发明克服了现有技术中无法实时显示采集的图像、磁共振扫描图像等待时间较长和受磁共振扫描过久给病人造成不适等缺陷，提出了一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法及其装置。

本发明提出了一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法，包括：

方案设定步骤，按照对K空间回波中心区域全部采集，对所述K空间回波中心区域外进行随机采集形成采集方案；

中心区域采集步骤，根据所述采集方案对所述K空间同波中心区域进行采集，得到中心区域的K空间数据；

随机采集步骤，根据所述采集方案对所述K空间同波中心区域外进行随机采集，得到随机K空间数据；

实时重建步骤，在所述随机采集步骤采集新的随机K空间数据的同时，根据所述中心区域的K空间数据与已采集到的随机K空间数据通过压缩传感技术进行实时图像重建，不断改进重建图像质量直至采集所有K空间数据或所述图像满足图像质量要求时终止所述随机采集步骤与所述实时重建步骤，得到已重建的磁共振图像；

图像显示步骤，在执行所述实时重建步骤的同时，实时显示重建的磁共振图像，并在终止所述实时重建步骤后显示所述已重建的磁共振图像。

本发明提出了一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法，其中，所述实时重建步骤中进一步包括：

迭代优化步骤：设定最大K空间数据采集比例阈值与统计数据的最小变化阈值，通过压缩传感重建不断使用采集到的随机K空间数据进行迭代优化，实现实时图像重建，直至K空间数据的采集比例超过所述最大K空间数据采集比例阈值或者迭代前后的统计数据的变化值小于最小变化阈值时终止所述随机采集步骤与实时重建步骤，完成磁共振图像的重建。

本发明提出了一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法，其中，所述迭代优化步骤中进一步包括：在所述迭代优化过程中，图像质量优于图像质量要求，或者所述图像的统计数据高于标准时判断所述图像满足要求，终止所述实时重建步骤，完成磁共振图像的重建。

本发明还提出了一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化装置，包括：

数据采集单元，其实现采集磁共振成像的数据；

图像重建单元，其与所述数据采集单元连接，实时接收所述数据采集单元采集的数据并根据采集的数据实现图像的实时重建；

图像显示单元，其与所述图像重建单元连接，用于实时显示重建的图像。

本发明还提出了一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化装置，其中，所述数据采集单元为磁共振谱仪的接收机或与其连接的数据获取单元。

本发明还提出了一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化装置，其中，进一步包括：

统计与评价单元，其与所述图像重建单元和图像显示单元连接，用于实时对重建的图像进行数据统计与质量评价。

反馈输入单元，其与所述数据采集单元和所述图像重建单元连接，用于根据所述重建的图像控制所述数据采集单元和所述图像重建单元重新进行数据采集与图像重建。

本发明磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法中利用压缩传感技术在磁共振成像扫描过程中根据采集的数据实现图像的实时重建与显示，并随着磁共振扫描过程的进行不断优化重建的图像。一旦图像符合要求便可手动或自动终止磁共振扫描，有效缩短了磁共振扫描的时间，也提高了被扫描对象的舒适度。

本发明磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法可以在扫描过程中及时发现异常情况以便中断磁共振扫描。

附图说明

图1是本发明的磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法的流程示意图。

图2是本发明的磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法的流程图。

图3是实施例中完全重建的参考图像。

图4是K空间数据采集比例为6％时的示意图；其中，图4(a)是重建的图像，图4(b)是与图3之间的差图。

图5是K空间数据采集比例为12％时的示意图；其中，图5(a)是重建的图像，图5(b)是与图3之间的差图。

图6是K空间数据采集比例为24％时的示意图；其中，图6(a)是重建的图像，图6(b)是与图3之间的差图。

图7是K空间数据采集比例为36％时的示意图；其中，图7(a)是重建的图像，图7(b)是与图3之间的差图。

图8是K空间数据采集比例为48％时的示意图；其中，图8(a)是重建的图像，图8(b)是与图3之间的差图。

图9是本发明的磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化装置的结构图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明的磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法在磁共振扫描的数据采集过程中，利用已经采集到的部分K空间数据，采用压缩传感技术对该部分K空间数据进行图像重建。随着磁共振扫描的进行，不断采集其他未被采集的K空间数据，并将该部分K空间数据代入重建过程中，使用压缩传感技术进行迭代以不断优化图像，不断提高图像的质量。在利用压缩传感技术进行图像重建的过程中，能够计算与图像重建相关的统计数据用于图像质量的评估。根据重建图像质量及其统计数据决定是否结束或中断磁共振扫描，缩短了磁共振扫描所需的时间。

利用压缩传感技术对K空间数据进行重建的过程需要满足以下的约束条件：一、K空间数据保真，要求在重建图像的过程中，在已经实际完成扫描的部分，重建图像对应的K空间数据尽量与实际扫描完成的K空间数据保持相同；二、图像域数据整体连续，即重建出的图像变换至小波域后应当尽量稀疏，以减小对欠采样的数据进行重建而产生的图像伪影；三、图像域局部平滑，即要求重建的图像域，有限差分运算的结果应当尽量稀疏。

本发明为了克服磁共振成像系统扫描速度与压缩感知重建速度都很慢的问题，提出了一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法。图1显示的是本发明的磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法的流程示意图。其中主要包括方案设定步骤、中心区域采集步骤、随机采集步骤、实时重建步骤和图像显示步骤。

步骤S1，方案设定步骤实现生成磁共振扫描K空间数据的采集方案。在磁共振扫描过程中，K空间同波中心区域的数据要首先采集，然后根据预先设定的优先采集的概率密度函数确定其他区域数据的优先采集概率，根据优先采集概率决定数据采集的顺序，对其他区域的数据进行采集。K空间不同位置的数据采集的优先采集概率与其到K空间同波中心的距离有关，越靠近K空间回波中心的数据，优先采集的几率越高，越可能优先得到采集。

步骤S2，中心区域采集步骤完成对K空间同波中心区域进行全部采集，获得中心区域的K空间数据。

步骤S3，随机采集步骤中根据步骤S1设定的采集方案，对K空间回波中心区域之外的数据进行随机采集，随机采集一到多次相位编码的K空间数据。

步骤S4，在随机采集步骤采集新的随机K空间数据的同时，根据中心区域的K空间数据与已采集到的随机K空间数据通过压缩传感技术进行实时图像重建，不断改进重建图像质量直至采集所有K空间数据的采集比例达到预先设定的比例阈值或图像满足图像质量要求时终止随机采集步骤与实时重建步骤，得到已重建的磁共振图像。

本发明通过重复执行随机采集步骤与实时重建步骤，利用压缩传感技术使能量函数最小化，以实现实时优化重建的图像。其中，压缩感知重建所使用的能量函数可以类似如下形式：E(I)＝||D(FT’(ψ’(I))-κ||₂+α.||I||₁+β.TV(ψ’(I))；式中，I表示小波域的重建结果；κ为κ空间数据的采集数据；D表示与κ一致的下采集操作；FT’表示反傅里叶变换；ψ’表示反小波变换；TV为图像的全变分结果。该能量函数多项式的||D(FT’(ψ’(I))-κ||₂实现保真，使得重建图像的傅立叶变换数据与实际扫描获得的K空间数据保持一致。||I||₁实现整体连续，消除重建图像中可能产生的伪影。TV(ψ’(I))实现局部平滑。而α和β表示三者的权重分配，可以根据不同图像的特点进行设置。能量函数亦可采用其他公式表达，本发明对于能量函数的公式不作限定。

本发明重复执行随机采集步骤与实时重建步骤，利用压缩传感技术使能量函数最小化，以实现实时优化重建的图像。进一步地，随机采集步骤与实时重建步骤中包括的迭代优化步骤相融合，在迭代优化过程中随时利用新采集的随机K空间数据替代现有的K空间数据，不断优化图像质量。在扫描开始前，设定最大K空间数据采集比例阈值与统计数据最小变换阈值，当K空间数据的采集比例超过预先设定最大K空间数据采集比例阈值，或者若干迭代步骤优化结果的能量函数或者重建图像的相关统计数据的变化量小于设定的最小统计数据变化阈值时可终止迭代过程，重建出最终的图像。更进一步地，在迭代过程中若图像质量优于图像质量要求，或者所述图像的能量函数或其他统计数据高于标准时判断所述图像满足要求，终止所述实时重建步骤，同时用户亦可根据其图像质量或者统计数据判定图像是否达标以确定是否终止迭代优化步骤。若在迭代过程中出现了图像错误，则可终止当前迭代并重新进行磁共振成像扫描与压缩传感重建。

步骤S5，图像显示步骤中通过显示器等显示设备实时显示重建的磁共振图像，在终止执行步骤S4后显示已重建的磁共振图像。可选地，还可显示该图像相关的能量函数或其他统计数据。

本实施例中利用自旋同波序列对颈椎进行了磁共振成像，图像大小为256×256，图像的动态范围为0到4095，采集所用的重复时间为400ms，同波时间为23ms，观察野260×260mm，层厚5mm。

本实施例在执行步骤S1时通过频率编码方向进行整行采样，在相位编码方向上，K空间中心区域全部采样，K空间中心区域外随机采样，从而设定采集方案。但是在相位编码方向上越靠近回波中心优先采样的可能性越高。采样优先级的计算采用分布概率与d³成正比的分布函数，其中d是在相位编码方向上距K空间两边边缘距离的较小值。将优先级乘以均匀分布随机数产生优先采集概率决定采样顺序，按照优先采集概率从大到小进行。

首先全部采集K空间同波中心区域的中心区域的K空间数据，再按照采样方案，首先采集在相位编码方向上最接近K空间中心的8行随机K空间数据。使用当前已获得的中心区域的K空间数据和随机K空间数据进行图像重建，图像重建过程采用能量函数，其中α设0.005，β设0.002，并通过共轭梯度法迭代优化能量函数值，并设定能量函数最小变化阈值为1e-30。按照依照采样方案的采样顺序重新采集得到下一批随机K空间数据(本实施例中，随机采样步骤中每次采集8行K空间数据作为随机K空间数据)代入先前的能量函数公式中进行迭代，当两次迭代之间能量函数总变化小于最小变化阈值时，或者直至K空间数据采集比例大于设定的最大K空间数据采集比例阈值(此实施例中为48％)时终止迭代。然后对重建得到的小波变换图像进行反小波变换至图像域并显示。例如，图3显示了100％完成k空间数据采集后重建的图像，用作参考图像。图4至图8的(a)和(b)分别显示了当采样至K空间的6％、12％、24％、36％、48％时压缩传感重建的图像以及重建的图像与参考图像之间的差图(本实施例在亮度上放大5倍，差图越暗，表示重建图像与参考图之间差距越小)。从显示图像可以看出，当扫描完成到k空间数据的36％之后，图像的质量已经可以满足临床应用的要求，进行到k空间数据的48％时，重建图像质量与最终图像差异已经很小，从而判断该图像质量满足图像质量要求，可以根据需要提前终止扫描过程，节约扫描时间。

如图9所示，本发明磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化装置包括数据采集单元1、图像重建单元2、图像显示单元3、统计与评价单元4和反馈控制单元5。数据采集单元1负责实时采集磁共振成像的K空间数据，可以是磁共振谱仪的接收机或者与磁共振成像谱仪接收机通信并获得数据的单元。图像重建单元2与数据采集单元1连接，其与的数据采集单元1同步工作，即在数据采集单元1不断进行数据采集的同时，图像重建单元2从数据采集单元1实时获取新采集的数据并不断地进行迭代的图像重建。图像显示装置3与图像重建单元2连接，用于实时显示重建的图像。统计与评价单元4与图像重建单元2及图像显示单元3连接，统计与评价单元4对重建生成的磁共振图像进行实时的统计分析与图像质量评价，获得与图像质量相关的统计数据。反馈输入单元5与数据采集单元1和图像重建单元2连接，其将用户的反馈信息送入数据采集单元与图像重建单元，对一体化的扫描/重建过程进行控制。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims

1.一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法，其特征在于，包括：

方案设定步骤，按照对K空间同波中心区域全部采集，对所述K空间同波中心区域外进行随机采集形成采集方案；

中心区域采集步骤，根据所述采集方案对所述K空间回波中心区域进行采集，得到中心区域的K空间数据；

随机采集步骤，根据所述采集方案对所述K空间回波中心区域外进行随机采集，得到随机K空间数据；

图像显示步骤，在执行所述实时重建步骤的同时，实时显示重建的磁共振图像。

2.如权利要求1所述的磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法，其特征在于，所述实时重建步骤中进一步包括：

3.如权利要求1所述的磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化方法，其特征在于，所述迭代优化步骤中进一步包括：在所述迭代优化过程中，图像质量优于图像质量要求，或者所述图像的统计数据高于标准时判断所述图像满足要求，终止所述实时重建步骤，完成磁共振图像的重建。

4.一种磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化装置，其特征在于，包括：

数据采集单元(1)，其实现采集磁共振成像的数据；

图像重建单元(2)，其与所述数据采集单元(1)连接，实时接收所述数据采集单元(1)采集的数据并根据采集的数据进行图像的实时重建；

图像显示单元(3)，其与所述图像重建单元(2)连接，用于实时显示重建的图像。

5.如权利要求6所述的磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化装置，其特征在于，所述数据采集单元(1)为磁共振谱仪的接收机或与其连接的数据获取单元。

6.如权利要求6所述的磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化装置，其特征在于，进一步包括：

统计与评价单元(4)，其与所述图像重建单元(2)和图像显示单元(3)连接，用于实时对重建的图像进行数据统计与质量评价。

7.如权利要求6所述的磁共振成像扫描与压缩传感重建一体化装置，其特征在于，进一步包括：

反馈输入单元(5)，其与所述数据采集单元(1)和所述图像重建单元(2)连接，用于根据所述重建的图像控制所述数据采集单元(1)和所述图像重建单元(2)重新进行数据采集与图像重建。