CN104161517B

CN104161517B - 一种用于mri对比度增强的成像方法

Info

Publication number: CN104161517B
Application number: CN201410259741.1A
Authority: CN
Inventors: 常严; 魏达秀; 杨晓冬
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2034-06-12
Also published as: CN104161517A

Abstract

本发明公开了一种用于MRI对比度增强的成像方法，利用优化反转脉冲取代磁共振成像中常规反转恢复序列的反转脉冲及其恢复延迟时间，在该优化脉冲的精确操控下，不同组织的自旋将朝着纵向磁矩差异最大化趋势演化，并在脉冲结束时刻获得最大的纵向磁矩差异；在此基础上，施加90°激发读出脉冲使得组织间的最大化磁矩差异翻转到横向平面，采集梯度回波信号形成k空间数据，并利用改进相位敏感图像重建方法最终实现组织间对比度增强的目的。本发明解决了常规反转恢复序列扫描时间过长，充分利用了优化脉冲波形的灵活性和相位敏感图像重建方法的柔性等优势，可避免使用昂贵的磁共振造影剂，在性能、成本方面均优于目前的磁共振成像对比度增强方法。

Description

一种用于MRI对比度增强的成像方法

技术领域

本发明涉及医学影像领域，特别是磁共振成像领域，具体涉及一种用于MRI对比度增强的成像方法。

背景技术

磁共振成像（MRI）已发展成为一种非常强大的医学诊断手段，它特别适应于脑组织、神经系统以及人体软组织等部位的诊断检测。在磁共振成像中，脉冲序列扮演着核心角色，即操控原子自旋的磁矩从而产生预期的磁共振信号。反转恢复（IR）序列是常用的传统脉冲序列，它由一个180°反转脉冲、一定的延迟时间和一个90°激发脉冲构成，可获得T₁加权成像。传统IR序列由于结构简单，在临床上尤其是儿科有着较为广泛的应用。然而上述传统脉冲序列均由90°和180°硬脉冲构成，序列结构单一、脉冲瞬时功率较大，检测过程中发热明显，对人体存在一定的安全隐患。此外，传统脉冲序列在单次扫描中还需使用额外的延迟时间以获得一定的纵向或横向组织磁矩差异，从而增加磁共振成像中多次扫描所需的时间，降低医学检测效率。更为重要的是，由于仅仅使用了固定角度的硬脉冲，传统脉冲序列对组织的自旋磁矩缺乏柔性操控，从而进一步限制了磁共振成像对比度的提高。例如，对2岁以下的婴幼儿脑医学诊断中往往使用反转恢复序列获取T₁加权成像，但由于婴幼儿的脑组织尚处于生长阶段，其组织间的弛豫时间差异很小，因此采用传统IR序列无法获得高对比度的组织成像，从而增大儿科脑疾病诊断的难度。

近年来，为增强磁共振成像对比度，在临床检测中往往配合使用磁共振造影剂，其基本原理是通过口服或静脉注射显影介质改变组织内的质子弛豫时间，然后在强磁场下使用脉冲序列激发组织中的质子，从而获得增强的磁共振图像。然而，此种成像增强方法存在一定的安全性问题，比如，尽管磁共振成像钆造影剂被证实与用于X 射线成像或CT成像的碘造影剂相比，在临床使用上更为安全，但仍有0.03-0.1%的不良过敏反应。

因此，提出一种无须外部注射造影剂而达到成像对比度增强目的的脉冲序列，在磁共振成像中实现成像对比度的最大化是解决上述问题的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种用于MRI对比度增强的成像方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于MRI对比度增强的成像方法，包括通过梯度上升方法构造优化反转脉冲，取代常规反转恢复脉冲序列中的反转脉冲及其恢复延迟时间，在该优化脉冲的精确操控下，不同组织的自旋将朝着纵向磁矩差异最大化方向演化，并在脉冲结束时刻获得最大的纵向磁矩差异；利用优化反转恢复序列扫描并得到 k空间数据；利用改进的相位敏感图像重建方法，对利用所述优化反转恢复序列扫描得到的 k空间数据进行图像重建，从而最终实现组织间对比度显著增强的磁共振成像；

所述方法的具体步骤为：

步骤1）将两种生物组织样本固定于磁共振成像仪的中心检测区域，并分别测定其中T₁和T₂弛豫时间；

步骤2）开启层选梯度的同时，对生物组织样本依次施加优化反转脉冲和90°激发读出脉冲；

步骤3）关闭层选梯度的同时，开启相位梯度，实施一次相位编码；

步骤4）关闭所述相位梯度的同时，开启负向频率梯度，其持续作用时间为信号采集窗口的一半。维持梯度大小不变，切换所述负向频率梯度的极性为正向,使之变成正向频率梯度，同时使能磁共振自由衰减信号的采集线圈，读出梯度回波信号，并将之填充k空间的某一行；

步骤5）改变所述相位梯度（3）的幅值、极性等参数，重复步骤2-4若干次，如重复255次，将获得256×256大小的k空间数据；

步骤6）针对采集到的k空间数据，利用改进的相位敏感重建方法获得重建图像，该图像即为使用优化反转恢复序列获得的对比度增强的组织成像。

进一步的，所述通过梯度上升方法构造优化反转脉冲的具体步骤为：

步骤1）初始化给定持续时间的反转脉冲波形；

步骤2）建立组织α、β间对比度目标函数，、分别为自旋α、β由热平衡状态迁移到期望反转态的转移效率；

步骤3）计算目标函数的梯度，计算公式为，反转脉冲波形；

步骤4）利用所述步骤（3）中的梯度更新反转脉冲波形，直至目标函数f达到极大值，此时获得实现纵向磁矩差异最大化的优化反转脉冲。

进一步的，所述改进的相位敏感图像重建方法具体步骤为：

（1）对所述 k空间数据进行二维傅里叶变换获得的原始复数图像数据，并归一化获得方向向量；

（2）在组织区域选取一个随机像素点作为种子加入种子集合，选取任一种子像素，其方向向量为，计算该种子像素与周围的四个相邻像素k的方向向量点积且k=1,2,3,4；

（3）判断是否满足准则1或准则2，满足并且为非负数时保持不变，满足并且为负数时，将邻域像素方向向量反转，即，将所述满足准则1或准则2的邻域像素点加入种子集合，同时对当前种子像素做标记，不再访问；

（4）重复以上过程，直至没有新的种子可使用，完成图像重建。

进一步的，判定所述准则1的计算公式为，判定所述准则2的计算公式为，N为最小相位编码循环次数，通常16≤N≤32，为在磁场均匀、共振偏移为零时使用优化反转脉冲产生的组织间相位误差，的小角度补偿误差，用以补偿主磁场和射频场非均匀性导致的相位误差。

本发明的有益效果:

采用本发明技术方案，解决了常规反转恢复序列扫描时间过长，充分利用了优化脉冲波形的灵活性和相位敏感图像重建方法的柔性等优势，可避免使用昂贵的磁共振造影剂，在性能、成本方面均优于目前的磁共振成像对比度增强方法。

附图说明

图1是本发明本发明实施例所使用的优化反转恢复序列图；

图2为本发明实施例中改进的相位敏感图像重建算法流程图。

图中标号说明：11、优化的反转脉冲，12、90°激发读出脉冲，2、层选梯度，3、相位梯度，41、负向频率梯度，42、正向频率梯度，5、梯度回波信号，6、图像重建流程。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1和图2所示，其具体步骤为：

步骤1：将两种生物组织样本固定于磁共振成像仪的中心检测区域，并分别测定其中T₁和T₂弛豫时间；

步骤2：在开启层选梯度2同时，对生物组织样本依次施加优化反转脉冲11和90°激发脉冲12；优化反转脉冲11是本发明的关键组成部分，可利用基于梯度上升的数值优化方法获得，具体描述如下：基于步骤1获得的不同组织的T₁和T₂弛豫时间，建立非耦合双自旋体系α-β模型，其特征为两个自旋α、β由同一主磁场和同一脉冲射频场控制，但存在弛豫参数的差异。对于¹H自旋，3个笛卡尔基算符可分别表示为，，，从而每个自旋的磁矩向量M可表示为，以两种自旋的有符号纵向磁矩差异的绝对值建立对比度目标函数，即：

优化反转脉冲的目的是将每个自旋由热平衡状态迁移到期望反转态，同时获取最大化的纵向磁矩差异。因此每个自旋的迁移效率可表示为，因此上述目标函数转化为，亦即：

将初始化随机脉冲离散化处理，目标函数的梯度表示为

上式中和均可通过GRAPE算法高效计算获得，因此，通过梯度上升迭代优化，可获得实现纵向磁矩差异最大化的优化反转脉冲11。

步骤3：关闭层选梯度2的同时，开启相位梯度3，实施一次相位编码；

步骤4：关闭相位梯度3的同时，开启负向频率梯度41，其持续作用时间为信号采集窗口的一半，负向频率梯度41为预失相梯度。维持梯度大小不变，切换负向频率梯度的极性为正向频率梯度42，同时使能磁共振自由衰减信号的采集线圈，读出回波信号5，并将之填充k空间的某一行；

步骤5：改变相位梯度3的幅值、极性等参数，重复步骤3-5若干次，如重复255次，将获得256×256大小的k空间数据；

步骤6：针对采集到的k空间数据，利用改进的相位敏感重建方法获得重建图像，该图像即为使用优化反转恢复序列获得的对比度增强的组织成像。本步骤所采用改进的相位敏感重建方法，其主要特征是不仅包含了常规的内在固有相位和随机相位误差信息，还额外考虑了优化反转脉冲11所产生的相位误差，由于主磁场和射频场非均匀性因素，该误差可表示为范围，其中为在磁场均匀、共振偏移为零时使用优化反转脉冲11产生的组织间相位误差；为的小角度补偿误差，用以补偿主磁场和射频场非均匀性导致的相位误差。因此针对原始k空间数据进行二维傅里叶变换获得的原始复数图像数据可表示为，其中，其中为图像的强度值。该改进的相位敏感重建方法目标是从原始复图像数据中提取出，并把其实部作为最终对比度成像图像。

改进的相位敏感重建方法具体过程如下：首先将原始复数图像数据归一化获得方向向量，在组织区域选取一个随机像素点作为种子加入种子集合，如流程61所示。在种子集合中选取任一种子像素，其方向向量为，计算该种子像素与周围的四个相邻像素k的方向向量点积且k=1,2,3,4，如流程62所示。如流程63所示，判断是否满足以下两个准则：

准则1：

准则2：

其中为最小相位编码循环次数，通常16≤N≤32，如果N为32，则准则1可等价为，满足准则1表示该临域点与种子点属于同一种组织，而满足准则2表示属于不同组织。

如果满足准则1或准则2，则需判断的符号是否为负，如流程64所示。如果为负数，需先把该点的方向向量反转为，如流程65所示，然后纳入新的种子集合，同时对当前种子像素做标记，不再访问，如流程66所示。重复以上过程，直至没有新的种子可使用，从而将初始方向向量再定向为。最终的重建图像即可通过下式获得：

其中为新的方向向量复共轭。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种用于MRI对比度增强的成像方法，其特征在于，包括通过梯度上升迭代方法构造优化反转脉冲，取代常规反转恢复脉冲序列中的反转脉冲及其恢复延迟时间，在该优化脉冲的精确操控下，不同组织的自旋将朝着纵向磁矩差异最大化方向演化，并在脉冲结束时刻获得最大的纵向磁矩差异；利用优化反转恢复序列扫描并得到 k空间数据；利用改进的相位敏感图像重建方法，对利用所述优化反转恢复序列扫描得到的 k空间数据进行图像重建，从而最终实现组织间对比度显著增强的磁共振成像；

所述成像方法的具体步骤为：

步骤2）开启层选梯度的同时，对生物组织样本依次施加优化反转脉冲（11）和90°激发读出脉冲（12）；

步骤3）关闭层选梯度（2）的同时，开启相位梯度（3），实施一次相位编码；

步骤4）关闭所述相位梯度（3）的同时，开启负向频率梯度（41），其持续作用时间为信号采集窗口的一半,维持梯度大小不变，切换所述负向频率梯度（41）的极性为正向,使之变成正向频率梯度（42），同时使能磁共振自由衰减信号的采集线圈，读出梯度回波信号（5），并将之填充k空间的某一行；

步骤5）改变所述相位梯度（3）的幅值、极性参数，重复步骤2)-4) 255次，将获得256×256大小的k空间数据；

步骤6）针对采集到的k空间数据，利用改进的相位敏感重建方法获得重建图像，该图像即为使用优化反转恢复序列获得的对比度增强的组织成像；

所述步骤6）中的改进的相位敏感重建方法具体步骤为：

（4）重复上述步骤（1）-（3），直至没有新的种子可使用，完成图像重建；

所述图像重建方法中的判定所述准则1的计算公式为，判定所述准则2的计算公式为，N为最小相位编码循环次数， 16≤N≤32，为在磁场均匀、共振偏移为零时使用优化反转脉冲产生的组织间相位误差，的1°-5°小角度补偿误差，用以补偿主磁场和射频场非均匀性导致的相位误差。

2.根据权利要求1所述的用于MRI对比度增强的成像方法，其特征在于，所述通过梯度上升迭代方法构造优化反转脉冲的具体步骤为：

步骤‹1›初始化给定持续时间的反转脉冲波形；

步骤‹2›建立组织α、β间对比度目标函数，、分别为自旋α、β由热平衡状态迁移到期望反转态的转移效率；

步骤‹3›计算目标函数的梯度，计算公式为，反转脉冲波形；

步骤4）利用本权利要求中的步骤‹3›中的梯度更新反转脉冲波形，直至目标函数f达到极大值，此时获得实现纵向磁矩差异最大化的优化反转脉冲。