CN103885017B - 基于单扫描正交时空编码磁共振成像的图像畸变校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于单扫描正交时空编码磁共振成像的图像畸变校正方法。该方法通过90度和180度的线性扫频脉冲（chirp脉冲）联合正交分布的空间编码梯度，在激发阶段使空间内的质子自旋获得一个和空间位置相关的二次相位；在采样阶段，通过快速切换的正负梯度回波链进行数据采样，超快速地获得具有T2 *加权的空间域磁共振成像数据；最后通过高分辨重建算法和图像畸变校正方法对畸变的磁共振图像进行重建校正，从而获得高分辨率的高品质磁共振图像。本发明所提出的基于正交时空编码磁共振成像的图像畸变校正方法，不仅不需要额外的参考扫描，根据自身的数据就可以进行畸变校正，并且还具有克服局部不均匀场的能力，即使在极强的不均匀场下仍能正常工作。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像方法，尤其是涉及一种磁共振成像的图像畸变校正方法。
背景技术
在磁共振成像中，能够提高成像速度或者在固定的时间内能提高成像的分辨率是人们一直孜孜以求的。超快速成像技术在一些需要高的时间分辨的实验中发挥着重要的作用，如功能成像(functional MRI,fMRI)、自由呼吸心脏成像(free-breath heartimaging)和一些高维实验，如扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)。在众多的超快速方法中，单扫描的平面回波成像(echo planar imaging,EPI)凭借它高的时间分辨率成为最受欢迎的超快速成像技术。众所周知的是，平面回波成像在一次激发的情况下，通过一系列回波链梯度进行采样，就能填满整个k空间。但是这种采样方式很容易受到不均匀场和相位误差的影响，导致最后的图像出现畸变。在过去几年中，各种各样的基于场图和后期数据处理的技术用来平面回波图像的畸变校正。只有经过畸变校正的平面回波图像才能正确的反应实际的结构信息，但是这些校正方法都需要修改脉冲序列和增加额外的扫描时间。虽然这些校正方法能够对畸变的图像进行校正而改善图像质量，但是在之前的一些报告中指出，这些基于场图和额外扫描的平面回波校正方法存在着一些缺陷。第一，要获得不均匀场的场图，必须要通过在平面回波序列的基础上进行修改，通过额外的扫描才能完成。这样对 于一些特定临床研究或者一些磁共振导航的介入研究就不是很理想了；第二，如果成像物体在场图扫描后移动了，则获得的场图，对于平面回波图像的校正就会失效了；第三，这些基于平面回波成像的校正方法往往只是对全局场不均匀场的校正有效，当局部存在很强的不均匀场时则会失效；第四，当B0不均匀场非常严重的时候，例如出现图像的折叠，在这种情况下，基于场图的校正方法也会失效。
单扫描的时空编码(spatiotemporally-encoded,SPEN)磁共振成像方法是由以色列威兹曼小组的frydman提出的，这种方法与平面回波成像的成像原理有着本质的不同。对于平面回波成像来说，在某一采样时刻所获得的信号是源自空间内所有质子自旋的贡献。而空间编码方法，在某一采样时刻所获得的信号只源自空间内某一特定位置质子自旋的贡献。这种超快速的空间编码序列只是将平面回波的相位编码“bilps”梯度进行替换，然而保留了平面回波序列的采样梯度。所以这种时空编码序列拥有和平面回波序列相同的成像速度。在某一个采样时刻，信号的强度只取决于对应空间位置内的局部自旋密度。这种特性将赋予空间编码磁共振像方法，在一定程度上能抵抗B0不均匀场的能力。空间编码方法对于不均匀场的鲁棒性确保了空间编码图像，相比平面回波图像而言，能够抵抗局部磁化率不均匀和经受更大的B0不均匀匀场。尽管相比平面回波图像而言，空间编码凭借自身对于不均匀场的鲁棒性能够呈现较好的图像质量，但是在不均匀场下，图像质量也会下降，尤其当有严重的B0不均匀场存在时。
由此可见，开发一种在各种不均匀场环境下仍能胜任的超快速成像方法以及对应的图像畸变校正方法是非常有必要的。本专利首先提出正交的时空编码方法，该方法不仅能一定程度上抵抗不均匀场，并且能提供反应B0不均匀场的 场图，对场图进行平面拟合获得等效的不均匀场磁化率梯度，然后代入高分辨重建过程中，最后得到高分辨的、无畸变的高品质磁共振像。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单扫描超快速正交时空编码序列以及相应的图像畸变校正方法，该方法不需要额外的扫描就能对畸变图像进行校正，并且对于极大的局部和全局不均匀场仍有良好表现。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了基于单扫描正交时空编码磁共振成像的图像畸变校正方法，分为以下步骤进行操作：
（1）首先对成像物体进行感兴趣区域定位，然后进行调谐、自动匀场、功率和频率校正；
（2）用测量线性扫频脉冲功率的脉冲序列依次测量并记录90度和180度线性扫频脉冲（chirp脉冲）的功率；
（3）在核磁共振成像仪上，导入事先编译好的单扫描正交时空编码序列；并通过事先定义的脉冲变量调入所需的90度和180度线性扫频脉冲（chirp脉冲），将步骤（2）中所测量的90度和180度线性扫频脉冲（chirp脉冲）的功率值赋值到所对应的功率变量中；
所述单扫描正交时空编码序列的结构依次为：高扫频率的90度线性扫频脉冲、TE1/2、低扫频率的180度线性扫频脉冲、TE1/2、TE2/2、180度的sinc脉冲、TE2/2、采样回波链；
所述高扫频率的90度线性扫频脉冲结合90度的空间编码梯度G90对低带宽维（y方向）进行空间编码，重聚梯度Ger紧接着作用在所述空间编码梯度G90之后,其梯度面积为所述空间编码梯度G90面积的一半，正负与所述空间编码梯 度G90相反；所述低扫频率的180度线性扫频脉冲结合180度的空间编码梯度G180对高带宽维（x方向）进行空间编码；所述180度的sinc脉冲和层选梯度Gss进行层选；所述低扫频率的180度线性扫频脉冲前后施分别加了回波延时TE1/2，所述180度的sinc脉冲前后分别施加了回波延时TE2/2,所述低扫频率的180度线性扫频脉冲与180度的sinc脉冲前后都有x,y,z三个方向的破坏梯度作用；
所述采样回波链是由分别作用在x,y方向的梯度链组成；x方向的梯度链是由一系列正负切换的梯度构成，且每个梯度的面积是所述空间编码梯度G180面积的二倍；y方向的梯度链是由一系列大小相等的“blips”梯度构成，且所述“blips”梯度的总面积和等于所述空间编码梯度G90的面积，正负和所述空间编码梯度G90一致；
在所述采样回波链之前，x和y方向分别施加了重聚梯度Gror和Gar，所述Gror的面积是x方向第一个梯度面积的一半，方向与之相反；所述Gar的面积是所有所述“blips”梯度的总面积的一半，方向与所述“blips”梯度相反；
（4）执行步骤（3）设置好的单扫描正交时空编码序列，进行数据采样，数据采样完成后，执行下一步骤，否则继续采样；从而得到正交时空编码磁共振数据；
（5）当数据全部采样完成后，首先对所述进行高分辨重建，得到高分辨率的正交时空编码磁共振数据；并对所述高分辨率的正交时空编码磁共振数据进行相位处理，得到畸变校正所需的高分辨率的正交时空编码磁共振相位图；
所述高分辨率重建的步骤是将获得的二维单扫描正交时空编码数据先进行相位平滑处理，然后进行二维的插值，最后逐维进行高分辨率重建；
（6）对步骤（5）得到的高分辨率的正交时空编码磁共振相位图进行解缠绕处理，得到场分布的场图；
（7）对步骤（6）得到的场图进行平面拟合处理，得到各阶不均匀场磁化率梯度值；
所述平面拟合处理的公式为：
φinh(x,y,tt)=Ω0·(tt+TE)+γginx(tt+TE)·x+γginy(tt+TE)·y
+γginx2(tt+TE)·x2+γginxy(tt+TE)·xy+γgimy2(tt+TE)·y2
其中Ginh=[g0,ginx,giny,ginx2,ginxy,giny2]T为等效的不均匀场磁化率梯度矢量，tt为从所述180度的sinc脉冲中心到采样时间的时间距离，TE=(T90-TE2)/2,φinh(x,y,tt)为解缠绕后的二维相位图；
（8）将步骤（7）得到的各阶不均匀场磁化率梯度值，代入步骤（5）的高分辨重建中，得到经过畸变校正的高分辨率的正交时空编码磁共振数据，然后重复步骤（5）和（6）得到场图，依据校正是否成功的标准，做以下判断处理：如果不满足校正成功标准则循环进行（5-8）步骤，直至校正成功；如果满足校正成功的标准，则得到能高分辨率的、能正确反映空间信息的高分辨率的正交时空编码磁共振相位图。
作为优选：所述高分辨重建过程是先对采样的数据进行两维的相位平滑处理，使数据的相位变化缓慢：先进行一个方向的相位处理，然后再对另一个方向进行相位处理；然后对所述采样数据进行二维插值处理，最后进行高分辨数据重建：先重建一维，再重建另一维。
本发明提供的基于单扫描正交时空编码磁共振成像的图像畸变校正方法能够承受更大的全局和局部不均匀场的影响，并且获得的数据具有T2*加权特性，经过高分辨重建后，就能获得高分辨的场图，再依据此场图进行畸变校正， 最后就可以获得高分辨的、无畸变的磁共振像。基于正交时空编码方法的畸变校正，不需要额外的场图扫描，对所采数据进行平面拟合就可以得到各阶不均匀场磁化率梯度。相比平面回波的畸变校正方法，本发明的方法效率更高、稳定性更好。
附图说明
图1是本专利提出的单扫描正交时空编码序列，各个参数名称都在序列图中详细给出。
图2展示了不同序列，不同场条件下的大鼠脑部磁共振像:
A为经过图像畸变校正后的单扫描正交时空编码图像；
B为均匀场下获得的用来参考的单扫描正交时空编码图像；
C畸变的单扫描正交时空编码图像；
D畸变的平面回波图像；
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明提供了基于单扫描正交时空编码磁共振成像的图像畸变校正方法，具体实施过程中的各个步骤如下：
（1）首先对成像物体进行感兴趣区域定位，然后进行调谐、自动匀场、功率和频率校正；
（2）用测量线性扫频脉冲功率的脉冲序列依次测量并记录90度和180度线性扫频脉冲（chirp脉冲）的功率；
优选使用一维时空编码序列对功率变量进行阵列参数测量，目的确保信号尽可能少的丢失。
（3）在核磁共振成像仪上，导入事先编译好的单扫描正交时空编码序列；并通过事先定义的脉冲变量调入所需的90度和180度线性扫频脉冲（chirp脉冲），将步骤（2）中所测量的90度和180度线性扫频脉冲（chirp脉冲）的功率值赋值到所对应的功率变量中；打开所述单扫描正交时空编码序列的回波延时模块，并设置所述单扫描正交时空编码序列的各个参数；
参考图1，所述导入的单扫描正交时空编码序列的结构依次为：90度的线性扫频脉冲空间编码、TE1/2、180度的线性扫频脉冲空间编码、TE1/2、TE2/2、180度的sinc脉冲、TE2/2、采样回波链；
所述单扫描正交时空编码序列的回波延时模块TE1分解为两个相等的部分：第一TE1/2和第二TE1/2，并分布在所述180度的线性扫频脉冲空间编码的前后；所述TE1/2的值等于T90/2+Ter+τ，延时τ的值等于破坏梯度的时间；
所述单扫描正交时空编码序列的回波延时模块TE2分解为两个相等的部分：第一TE2/2和第二TE2/2；所述第一TE2/2作用范围是从所述TE1作用完成到所述180度的sinc脉冲中间；所述第二TE2/2作用范围是从所述180度的sinc脉冲中间到所述采样回波链中间；所述TE2的值等于整个所述采样回波链的采样时间；
所述采样回波链由分别作用在x、y方向的重聚梯度Gror和Gar和分别作用在x、y方向梯度回波链组成；所述x方向的梯度回波链由一系列正负切换的梯度构成，且每个梯度的面积是对应180度空间编码梯度G180面积的二倍；所述y方向的梯度回波链是由一系列大小相等的“blips”梯度构成，且所有“blips”梯度的总面积和等于90度空间编码梯度G90的面积，正负要和所述 G90一致；所述Gror的值是x方向上第一个梯度值的一半，且与之方相反，Gar的值是所述“blips”梯度值的一半，方向与所述“blips”梯度相反；
设置所述单扫描正交时空编码序列的各个参数的步骤为：首先打开所述单扫描正交时空编码序列的各个相关模块，包括正交时空编码模块、回波延时模块TE1、TE2和采样模块。接着根据感兴趣区域大小设置进行相应的实验参数，包括90度线性扫频脉冲的激发频率宽度ΔΟ90，激发时间T90，功率tpwr90，180度线性扫频脉冲的激发频率宽度ΔΟ180，激发时间T180，功率tpwr180，x方向采样点数Nx，y方向采样点数Ny，高带宽维（x方向）的采样带宽sw，y方向空间解码梯度“blips”的方向sign2，回波延时时间TE1,TE2，x方向的成像视野FOVx，y方向的成像视野FOVy，成像层厚度thk，破坏梯度的强度和时间。
（4）执行步骤（3）设置好的单扫描正交时空编码序列，进行数据采样，数据采样完成后，执行下一步骤，否则继续采样；从而得到正交时空编码磁共振数据；
有别于常规多扫描成像序列，本方法可以一次激发获得整幅磁共振像，从而可以避免运动伪影；区别于常规的单扫描序列的是本方法可以进行二维的小视野成像，而不会发生折叠伪影，可以提高图像的分辨率或者进一步加快成像速度。并且相比常规的单扫描成像方法而言，本方法在不均匀场上有更好的表现。如果要进行多层成像或者功能成像，首先序列要延迟一段RD时间，目的是为了让磁化率矢量弛豫恢复过来；接着，脉冲序列的各个部分依次对成像物体进行作用演化，即两维的正交时空编码、层选、延时作用直至数据采样结束，最后得到二维的正交时空编码磁共振像数据。获得一幅磁共振像的时间大约几十毫秒到几百毫秒。
（5）当数据全部采样完成后，首先对所述进行高分辨重建，得到高分辨率 的正交时空编码磁共振数据；并对所述高分辨率的正交时空编码磁共振数据进行相位处理，得到畸变校正所需的高分辨率的正交时空编码磁共振相位图；
（6）对步骤（5）得到的高分辨率的正交时空编码磁共振相位图进行解缠绕处理，得到场分布的场图；
（7）对步骤（6）得到的场图进行平面拟合处理，得到各阶不均匀场磁化率梯度值；
所述平面拟合处理的公式为：
φinh(x,y,tt)=Ω0·(tt+TE)+γginx(tt+TE)·x+γginy(tt+TE)·y
+γginx2(tt+TE)·x2+γginxy(tt+TE)·xy+γgimy2(tt+TE)·y2
其中Ginh=[g0,ginx,giny,ginx2,ginxy,giny2]T为等效的不均匀场磁化率梯度矢量，tt为从所述180度的sinc脉冲中心到采样时间的时间距离，TE=(T90-TE2)/2,φinh(x,y,tt)为解缠绕后的二维相位图；
（8）将步骤（7）得到的各阶不均匀场磁化率梯度值，代入步骤（5）的高分辨重建中，得到经过畸变校正的高分辨率的正交时空编码磁共振数据，然后重复步骤（5）和（6）得到场图，依据校正是否成功的标准，做以下判断处理：如果不满足校正成功标准则循环进行（5-8）步骤，直至校正成功；如果满足校正成功的标准，则得到能高分辨率的、能正确反映空间信息的高分辨率的正交时空编码磁共振相位图。
实施例：
我们将单扫描正交时空编码方法和基于此方法的畸变校正，在活体SD大鼠上进行实施例展示，用来验证本发明的可行性。实验测试是在一台Varian7T成像仪(AgilentTechnologies,Santa Clara,CA,USA)下进行。实验所采用的成像样本是约250克的活体SD大鼠，实验前先用10%的水合氯醛溶液，按 0.4mg/100g比例，对大鼠进行注射麻醉，等老鼠进入休眠状态后进行相应的实验。进行实验之前，先把大鼠固定在实验床上，然后导入成像仪中。在磁共振成像仪操作台上，打开成像仪相应的操作软件，对感兴趣的大鼠部位进行定位，此处我们选择对大鼠的脑部进行coronal面成像。等成像区域定位好后，我们进行调谐、自动匀场、频率和功率校正。虽然进行了自动匀场，但是此时的不均匀场仍然很强，为了能体现本方法固有抵抗不均匀场的能力和校正方法的有效性，在此场环境下进行单扫描的正交时空编码成像实验，同时也进行平面回波成像实验作为对比；按照上述单扫描时空编码磁共振成像方法和畸变校正方法的操作流程，在进行单扫描的正交时空编码之前，首先用一维的时空编码序列分别测量所用到的90度和180度线性扫频脉冲的功率。然后导入编译好的（如图1所示）单扫描正交时空编码序列，打开脉冲序列的各个相关模块，包括正交时空编码模块、回波延时模块TE1和TE2、解码采样模块，设置实验参数，具体对于本实施例所采用的样本，其试验参数设置如下：90度线性扫频脉冲的激发频率宽度ΔΟ90为64kHz，激发时间T90为3毫秒，180度线性扫频脉冲的激发频率宽度ΔΟ180为8kHz，激发时间T180为4毫秒，x方向采样点数Nx为64，y方向采样点数Ny为64，高带宽维（x方向）的采样带宽sw为250kHz，回波延时时间TE1为3.2毫秒,TE2为31.97毫秒，x方向的成像视野FOVx为4.5厘米，y方向的成像视野FOVy为4.5厘米，成像层厚度thk为2毫米，破坏梯度的强度为3.0高斯每厘米，时间为1毫秒。将以上实验参数设置好后，直接运行整个序列的采样时间约为60毫秒。这里我们采样两个层面进行案例展示，为了确保磁化率矢量弛豫恢复过来，所以层与层之间的扫描施加了5秒的延时。在此不均匀场环境下，获得单扫描正交时空编码数据经过高分辨重建后，得到高分辨图像如图2C所示；在相同场环境下，获得的同层的平面回波图像如图 2D所示；在不均匀场下，获得单扫描正交时空编码和平面回波数据后，进行复杂繁琐的自动和手动匀场，使场能更加均匀，然后在均匀场下进行单扫描正交时空编码实验，获得良好磁共振像作为校正参考图像如图2B所示；
数据采样完后，按照上述步骤（6）和（7）的处理过程对在不均匀场下获得的单扫描正交时空编码数据进行畸变校正，经过几次迭代处理后可以获得本实施例的高分辨无畸变的高品质磁共振像，最终结果如图2A所示。从图2可以看出，在相同的不均匀场下，平面回波图像（图2D）的畸变更为严重，并且出现折叠现象。经过畸变校正的正交时空编码图像（图2A）与在均匀场下获得的图像（图2B）有着相似的图像质量。由图2可以证明，单扫描的正交时空编码成像方法相比平面回波成像方法，在不均匀场下有着更好的表现，经过基于正交时空编码成像方法的畸变校正后，图像质量有着很大的提升。
综上所述，本发明所提出的单扫描的正交时空编码磁共振成像方法能够承受更大的全局和局部不均匀场的影响，并且获得的数据具有T2 *加权特性，经过高分辨重建后，就能获得高分辨的场图，再依据此场图进行畸变校正，最后就可以获得高分辨的、无畸变的磁共振像。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (2)
1.基于单扫描正交时空编码磁共振成像的图像畸变校正方法，分为以下步骤进行操作：
(1)首先对成像物体进行感兴趣区域定位，然后进行调谐、自动匀场、功率和频率校正；
(2)用测量线性扫频脉冲功率的脉冲序列依次测量并记录90度和180度线性扫频脉冲(chirp脉冲)的功率；
(3)在核磁共振成像仪上，导入事先编译好的单扫描正交时空编码序列；并通过事先定义的脉冲变量调入所需的90度和180度线性扫频脉冲(chirp脉冲)，将步骤(2)中所测量的90度和180度线性扫频脉冲(chirp脉冲)的功率值赋值到所对应的功率变量中；
所述单扫描正交时空编码序列的结构依次为：高扫频率的90度线性扫频脉冲、TE1/2、低扫频率的180度线性扫频脉冲、TE1/2、TE2/2、180度的sinc脉冲、TE2/2、采样回波链；
所述高扫频率的90度线性扫频脉冲结合90度的空间编码梯度G90对低带宽维，即y方向进行空间编码，重聚梯度Ger紧接着作用在所述空间编码梯度G90之后,其梯度面积为所述空间编码梯度G90面积的一半，正负与所述空间编码梯度G90相反；所述低扫频率的180度线性扫频脉冲结合180度的空间编码梯度G180对高带宽维，即x方向进行空间编码；所述180度的sinc脉冲和层选梯度Gss进行层选；所述低扫频率的180度线性扫频脉冲前后分别施加了回波延时TE1/2，所述180度的sinc脉冲前后分别施加了回波延时TE2/2,所述低扫频率的180度线性扫频脉冲与180度的sinc脉冲前后都有x,y,z三个方向的破坏梯度作用；
所述采样回波链是由分别作用在x,y方向的梯度链组成；x方向的梯度链是由一系列正负切换的梯度构成，且每个梯度的面积是所述空间编码梯度G180面积的二倍；y方向的梯度链是由一系列大小相等的“blips”梯度构成，且所述“blips”梯度的总面积和等于所述空间编码梯度G90的面积，正负和所述空间编码梯度G90一致；
在所述采样回波链之前，x和y方向分别施加了重聚梯度Gror和Gar，所述Gror的面积是x方向第一个梯度面积的一半，方向与之相反；所述Gar的面积是所有所述“blips”梯度的总面积的一半，方向与所述“blips”梯度相反；
(4)执行步骤(3)设置好的单扫描正交时空编码序列，进行数据采样，数据采样完成后，执行下一步骤，否则继续采样；从而得到正交时空编码磁共振数据；
(5)当数据全部采样完成后，首先对所述数据进行高分辨重建，得到高分辨率的正交时空编码磁共振数据；并对所述高分辨率的正交时空编码磁共振数据进行相位处理，得到畸变校正所需的高分辨率的正交时空编码磁共振相位图；
所述高分辨率重建的步骤是将获得的二维单扫描正交时空编码数据先进行相位平滑处理，然后进行二维的插值，最后逐维进行高分辨率重建；
(6)对步骤(5)得到的高分辨率的正交时空编码磁共振相位图进行解缠绕处理，得到场分布的场图；
(7)对步骤(6)得到的场图进行平面拟合处理，得到各阶不均匀场磁化率梯度值；
所述平面拟合处理的公式为：
φinh(x,y,tt)＝Ω0·(tt+TE)+γginx(tt+TE)·x+γginy(tt+TE)·y
+γginx2(tt+TE)·x2+γginxy(tt+TE)·xy+γginy2(tt+TE)·y2
其中Ginh＝[g0,ginx,giny,ginx2,ginxy,giny2]T为等效的不均匀场磁化率梯度矢量，tt为从所述180度的sinc脉冲中心到采样时间的时间距离，x”为x方向的空间位置，“y”为y方向的空间位置，TE＝(T90-TE2)/2,φinh(x,y,tt)为解缠绕后的二维相位图；其中T90为90度线性扫频脉冲的时间；
(8)将步骤(7)得到的各阶不均匀场磁化率梯度值，代入步骤(5)的高分辨重建中，得到经过畸变校正的高分辨率的正交时空编码磁共振数据，然后重复步骤(5)和(6)得到场图，依据校正是否成功的标准，做以下判断处理：如果不满足校正成功标准则循环进行(5-8)步骤，直至校正成功；如果满足校正成功的标准，则得到能高分辨率的、能正确反映空间信息的高分辨率的正交时空编码磁共振相位图。
2.根据权利要求1所述的基于单扫描正交时空编码磁共振成像的图像畸变校正方法，其特征在于：所述高分辨重建过程是先对采样的数据进行两维的相位平滑处理，使数据的相位变化缓慢：先进行一个方向的相位处理，然后再对另一个方向进行相位处理；然后对所述采样数据进行二维插值处理，最后进行高分辨数据重建：先重建一维，再重建另一维。
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