CN104181483A - 一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法，涉及磁共振成像领域。本发明综合定角激发和变角激发的优点，将激发分为定角激发和变角激发两个阶段，即前n^*次激发采用定角激发方法，而随后N-n^*次激发采用变角激发方法(其中N为总的激发次数)，同时选取合适的定变角激发参数，使得重建的MR图像具有更高的SNR和更好的图像质量，算法鲁棒性强，且噪声、伪影等与现有技术相比明显减小。

Description

一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其是涉及一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法。适用于超极化¹²⁹Xe或¹³C等磁共振快速回波成像，也可适用于其它需要快速回波成像领域。

背景技术

空气污染(例如，雾霾)加速和加剧肺部疾病问题的恶性发展。医学影像学诊断是肺部疾病最常用也是最直观的一种诊断方式。然而，常用的肺部医学影像诊断技术都存在一定的缺陷，例如胸部X线透视和计算机X射线断层扫描(CT)所放射出的射线都属于高能射线，会对人体造成一定伤害(高能射线会杀死人体内的白细胞)，而正电子发射计算机断层(PET)所需的核素也有一定的放射性，所以不宜短时间内多做。超极化¹²⁹Xe磁共振成像(MRI)是一种先进的无放射性、非侵入的影像学技术，且¹²⁹Xe能溶入血液和组织，不仅能对肺部通气和肺部表观扩散系数进行成像，还能评价肺部气-气交换和气-血交换功能，从而给临床肺部医学研究引入了一种新的研究手段。

传统MRI是质子(¹H)成像，而肺部空腔的质子核自旋浓度比肌肉和脑部组织约小1000倍，因而肺部是其“盲区”。超极化¹²⁹Xe MRI利用激光光泵和自旋交换技术增强惰性气体(¹²⁹Xe)的磁共振信号(极化度增强10³～10⁵倍)，使得对肺部气体成像成为可能。然而，超极化¹²⁹Xe的气体磁化矢量在采样过程中具有不可再生性，导致其可用磁化矢量强度随每一次射频(RF)脉冲激发的发生而逐步减小。现有技术力图在有限的屏气时间和超极化气体的磁化矢量强度条件下，发展快速有效的成像方法以期最大化MR信号的信噪比(SNR)。

小角度激发方法(例如，定角激发和变角激发)可以在有限的屏气时间和超极化气体的磁化矢量强度下，获得具有较高信噪比的MR图像(见Mugler JP的“Optimization of gradient-echo sequences for hyperpolarized noble gas MRI”,Proceedings of the 6^th International Society of Magnetic Resonance in MedicineMeeting,Sydney,Australia,1998,1904页；Lei Zhao等人的“Gradient-echo imagingconsiderations for hyperpolarized ¹²⁹Xe MRI”,Journal of Magnetic Resonance,SeriesB 113,179-183,1996；以及Yan Xing等人的“Optimal variable flip angle schemesfor dynamic acquisition of exchanging hyperpolarized substrates”,Journal ofMagnetic Resonance,234,75-81,2013)。然而，小角度激发方法存在一定的不足，例如，定角激发方法导致FID幅值线性降低；变角激发方法尽管能保持FID幅值不变，但相对定角激发方法的初始FID幅值，其FID幅值较低。

近年来，超极化¹²⁹Xe MRI的应用需求，动态成像，以及溶解态成像等方面都对超极化¹²⁹Xe MRI快速成像提出更高的要求，因此，如何实现快速、高效、适应性强的超极化¹²⁹Xe MRI成像方法是超极化¹²⁹Xe MRI临床肺部医学研究的重大挑战。

发明内容

本发明是针对现有基于小角度激发的快速回波成像方法存在的上述技术问题，提供了一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法。

一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法，包括以下步骤：

步骤1，初始化定-变角优化激发方法的射频激发总次数N；

步骤2，初始化定角激发阶段的激发角度，即翻转角α，翻转角α的取值范围为(α_min，α_T]，其中α_min的取值为arccos(e^-1/N)，α_T的取值为2α_min；

步骤3，根据下式确定定角激发阶段的定角激发次数n^*；

$n^{*}=[-\frac{1}{\ln \left(\cos \mathrm{\α}\right)-\mathrm{TR}/T_1}]$

其中，方括号[]表示取最接近方括号内数值的正整数，TR为重复时间，T₁为从超极化磁化矢量弛豫到热极化平衡态的时间；

步骤4，根据下式确定变角激发阶段的初始翻转角θ^*(1)

α≤θ^*(1)≤arcsin(exp(TR/T₁)·tanα)；

步骤5，根据下式确定变角激发阶段的第j次激发角度与第j+1次激发角度之间的关系应满足，其中j＝1,…,N-n^*：

sinθ^*(j+1)＝exp(TR/T₁)·tanθ^*(j)；

步骤6，根据步骤2确定的定角激发翻转角α和步骤3确定的定角激发次数n^*进行定角激发，采集超极化磁共振(MR)信号；

步骤7、根据步骤4确定的变角激发的初始翻转角θ^*(1)、步骤5确定的第j次激发角度与第j+1次激发角度之间的关系及其变角激发的次数进行变角激发，采集超极化MR信号；

步骤8、根据步骤6和步骤7采集的超极化MR信号进行MR图像重建，获得超极化MR图像。

如上所述的射频激发总次数N为64，96，128，192或256。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.由于本方法首次提出了一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像算法，该方法综合利用了定角激发和变角激发方法的优点，能弥补其相应的不足，因此这种快速成像方法可以获得更高信噪比的MR信号，其重建的MR图像质量更佳；

2.由于本方法主要分为三个阶段，首先利用定角激发方法采集超极化MR信号，其次采用变角激发方法采集超极化MR信号，最后根据所述采集的MR信号进行超极化磁共振图像重建，能有效弥补采用单一小角度激发方法的不足。

3.由于本方法在定角激发阶段，通过最优化MR信号的SNR，获得定角激发的最优化步数，避免FID幅值的过度损失，缓解MR图像失真效应。

4.由于本方法在变角激发阶段，通过定角激发和变角激发所满足的横向磁化矢量强度关系式确定变角激发方法的初始角度，校正MR图像伪影效应。

5.有效地弥补小角度激发方法所存在的不足，提高了超极化磁共振的成像速度和MR图像质量。

附图说明

图1是一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法流程图。

图2是一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法的示意图。

图3(a)是采用定角激发(constant flip angle,CFA)，变角激发(variable flipangle,VFA)和定-变角优化激发(constant-variable flip angle,CVFA)方法的剩余超极化纵向磁场强度与激发次数之间的关系图(分别用曲线1，曲线2，曲线3表示)，而图3(b)是三种激发方法所产生的信号强度与激发次数之间的关系图(分别用曲线1，曲线2，曲线3表示)，其中，CFA的激发角度为12°，VFA的初始激发角度为5.07°，CVFA中定角激发阶段的激发角度为8.72°，变角激发阶段的初始激发角度为8.77°，CFA、VFA和CVFA总的激发次数均为128(CVFA中的实验参数选用实施例2中的求取的参数)。图3(a)表明，CFA导致剩余磁场强度衰减最快，VFA衰减最慢。图3(b)表明，CFA导致MR信号强度随激发次数的增加从0.2079快速衰减到0.0126(信号强度经归一化处理)，而VFA导致MR信号强度始终保持为0.0884，且当激发次数为40时，CFA和VFA所产生的信号强度近似相等。由此可见，CVFA是CFA和VFA在剩余磁场强度方面和信号强度方面的一种折中处理方法，可以有效避免FID幅值的过度损失，提高MR信号的信噪比和MR图像质量。

图4是在不同的翻转角(激发角)条件下，定角激发的MR信号的信噪比与激发次数之间的关系图，分别用曲线1(翻转角为9度的情况)，曲线2(翻转角为12度的情况)，曲线3(翻转角为18度的情况)表示，其中，图中实心点分别代表三种翻转角的情况下SNR最大值所在的位置。通过最优化SNR获取定角激发的最优激发次数，可以有效避免FID幅值的过度损失，缓解MR图像失真效应。

具体实施方式

下面通过实施例1～3，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1所示，一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法，该方法分为三个阶段：定角激发阶段，变角激发阶段，以及MR图像重建阶段，包括以下步骤：

步骤1，初始化定-变角优化激发方法的射频(RF)激发次数N，N一般取值为64，96，128，192或256；

步骤2，初始化定角激发阶段的激发角度(翻转角)α，翻转角α的取值范围为(α_min，α_T]，其中α_min的取值为arccos(e^-1/N)，具体推导过程参考步骤3，α_T的取值为2α_min。

步骤3，确定定角激发阶段的定角激发次数n^*。定角激发n次后，MR信号的SNR与下式成正比例关系：

$\mathrm{SNR}\∝\sqrt{T_{s}n}{\cos }^{n/2}\mathrm{\α}\sin \mathrm{\αexp}[-(n/2)\·\mathrm{TR}/T_1]---\left(1\right)$

其中，T_s是数据采样周期,α为翻转角，TR为重复时间，T₁为从超极化磁化矢量弛豫到热极化平衡态的时间。当翻转角α为定值时，最优化SNR，即且n的取值为正整数，则可得最优化SNR的定角激发次数n^*：

$n^{*}=[-\frac{1}{\ln \left(\cos \mathrm{\α}\right)-\mathrm{TR}/T_1}]---\left(2\right)$

其中，[x]表示最接近x的正整数。相对TR而言，超极化气体从超极化平衡态弛豫到热极化平衡态的弛豫时间很长，因此一般可以忽略T₁弛豫。若忽略T₁弛豫，则TR/T₁→0。

定-变角优化激发方法先实施n^*次定角激发采集超极化磁共振信号，随后实施N-n^*次变角激发采集MR信号，则n^*与N的关系应满足(忽略T₁弛豫)：

$n^{*}<N\&DoubleRightArrow;\cos \mathrm{\&alpha;}<e^{-1/N}\&DoubleRightArrow;\mathrm{\&alpha;}>\arccos \left(e^{-1/N}\right){\&DoubleRightArrow;\mathrm{\&alpha;}}_{\min }=\arccos \left(e^{-1/N}\right)---\left(3\right)$

步骤4，确定变角激发阶段的初始翻转角θ^*(1)。在定角激发阶段，第i次定角激发后，横向磁化矢量强度为：

S(i)＝λm₀exp[-(i-1)·TR/T₁]sinαcos^i-1α  (4)

其中，λ为超极化增强因子，m₀为热极化平衡态的纵向磁化矢量。由于超极化气体热极化平衡态的纵向磁化矢量对超极化纵向磁化矢量的影响可以通过损毁梯度得以消除，因此i次定角激发后，剩余的超极化纵向磁化矢量正比于cosⁱα。

定-变角优化激发方法从第n^*+1次起实施变角激发策略，目的在于避免FID幅值的过度衰减。假若第n^*+1次激发依然采用定角激发方法，则第一次变角激发后的横向磁化矢量强度应不小于第n^*+1次定角激发后的横向磁化矢量强度，同时也不大于第n^*次定角激发后的横向磁化矢量强度。因此，第一次实施变角激发后的横向磁化矢量强度与定角激发的横向磁化矢量强度之间的关系应满足：

S(n^*+1)≤S^*(1)≤S(n^*)  (5)

其中，S(n^*)表示第n^*次定角激发后的横向磁化矢量强度，S^*(1)表示第一次变角激发后的横向磁化矢量强度。依据式(5)可得：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}{m}_0\exp [-n^{*}\&CenterDot;\mathrm{TR}/T_1]\sin \mathrm{\&alpha;co}{s}^{n^{*}}\mathrm{\&alpha;}\&le;\mathrm{\&lambda;}{m}_0\exp [-n^{*}\&CenterDot;\mathrm{TR}/T_1]\sin {\mathrm{\&theta;}}^{*}\left(1\right){\cos }^{n^{*}}\mathrm{\&alpha;}\\ \&le;\mathrm{\&lambda;}{m}_0\exp [-(n^{*}-1)\&CenterDot;\mathrm{TR}/T_1]\sin \mathrm{\&alpha;}{\cos }^{n^{*}-1}\mathrm{\&alpha;}\end{array}---\left(6\right)$

即

$\exp (-\mathrm{TR}/T_1)\&CenterDot;\sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}\&le;\exp (-\mathrm{TR}/T_1){\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}}^{*}\left(1\right)\cos \mathrm{\&alpha;}\&le;\sin \mathrm{\&alpha;}\&DoubleRightArrow;\sin \mathrm{\&alpha;}\&le;\sin {\mathrm{\&theta;}}^{*}\left(1\right)\&le;\exp (\mathrm{TR}/T_1)\&CenterDot;\tan \mathrm{\&alpha;}---\left(7\right)$

则定角α与第一次变角θ^*(1)之间的关系式为：

α≤θ^*(1)≤arcsin(exp(TR/T₁)·tanα)  (8)

若忽略T₁弛豫，则上式可简化为α≤θ^*(1)≤arcsin(tanα)。依据式(8)可以确定变角激发阶段的初始翻转角θ^*(1)，例如，θ^*(1)的取值为(α+arcsin(tanα))/2。

步骤5，确定N-n^*-1次变角激发的激发角度θ^*(i)，i＝2,…,N-n^*。定角激发导致n^*个FID幅值逐步降低，而随后N-n^*次变角激发的目的在于保持N-n^*个FID幅值不变。因此，变角激发阶段的第j次激发角度与第j+1次激发角度之间的关系应满足(j＝1,…,N-n^*)：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}{m}_0\exp [-(j-1)\&CenterDot;\mathrm{TR}/T_1]\sin {\mathrm{\&theta;}}^{*}\left(j\right)\underset{k=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Pi;}}}\cos {\mathrm{\&theta;}}^{*}\left(k\right)=\mathrm{\&lambda;}{m}_0\exp [-j\&CenterDot;\mathrm{TR}/T_1]\sin {\mathrm{\&theta;}}^{*}(j+1)\underset{k=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Pi;}}}\cos {\mathrm{\&theta;}}^{*}\left(k\right)\\ \&DoubleRightArrow;{\sin \mathrm{\&theta;}}^{*}(j+1)=\exp (\mathrm{TR}/T_1)\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&theta;}}^{*}\left(j\right)\end{array}---\left(9\right)$

若忽略T₁弛豫，则上式可简化为sinθ^*(j+1)＝tanθ^*(j)。因此，依据式(9)可以确定N-n^*-1次变角激发的激发角度θ^*(i)，i＝2,…,N-n^*。

步骤6，根据步骤2确定的定角激发翻转角α和步骤3确定的定角激发次数n^*进行定角激发，采集超极化MR信号；

步骤7、根据步骤4确定的变角激发的初始翻转角θ^*(1)、步骤5确定的第j次激发角度与第j+1次激发角度之间的关系及其变角激发的次数N-n^*进行变角激发，采集超极化MR信号；

步骤8、根据步骤6和步骤7采集的超极化MR信号，并进行MR图像重建，获得超极化磁共振MR图像。

实施例2：

采用实施例1中的技术方案，当N＝128时，依据步骤2可得定角激发阶段的激发角度α的取值范围为[7.15°,14.30°]，取α＝8.72°；依据步骤3可得定角激发次数n^*＝86；依据步骤4可得变角激发阶段的初始翻转角θ^*(1)的范围为[8.72°,8.82°]，取θ^*(1)＝8.77°；依据步骤5可得变角激发的一系列激发角度8.77°，8.87°，8.98°，…，35.15°，44.76°；最后依据步骤6和步骤7采集超极化MR信号，并进行MR图像重建，获得超极化磁共振MR图像。

实施例3：

超极化气体的磁化矢量具有不可恢复性，因此期望第N次激发把剩余纵向磁场矢量全部翻转到x-y平面。满足上述要求的第N次激发的激发角度应为90度，则需要对实施例1中的相关参数—定角激发阶段的激发角度(翻转角)α，定角激发阶段的激发次数n^*，和变角激发阶段的初始翻转角θ^*(1)进行优化，得到优化后的定-变角激发策略以获取高SNR的超极化磁共振信号。

步骤1，初始化定-变角优化激发方法的射频(RF)激发次数N，N一般取值为64，96，128，192或256；

步骤2，确定优化的定角激发角度(翻转角)α_opt，优化的定角激发次数n^* _opt，和优化的变角激发初始翻转角θ^* _opt(1)。

充分利用超极化气体不可恢复的磁化矢量需要满足第N-1次激发的激发角度为45度(忽略T₁弛豫)，则依照式(9)逆推，可得第N-n^*-1次激发的激发角度，即变角激发阶段的初始激发角应满足：

${\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{opt}}^{*}\left(1\right)=1/(N-{n^{*}}_{\mathrm{opt}})---\left(10\right)$

为便于定-变角优化激发方法的实施，定角激发阶段优化的激发角度α_opt取值为θ^* _opt(1)，则依据式(2)和(10)可以确定优化的定角激发次数n^* _opt。N与n^* _opt之间的关系式应满足(忽略T₁弛豫)：

$\left.\begin{array}{c}{n}_{\mathrm{opt}}^{*}=-1/\ln \left(\cos {\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{opt}}\right)\\ \sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{opt}}^{*}\left(1\right)=1/\sqrt{N-n_{\mathrm{opt}}^{*}}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{opt}}^{*}\left(1\right)={\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{opt}}\end{array}\right\}\&DoubleRightArrow;1-\exp (-2/n_{\mathrm{opt}}^{*})-1/(N-n_{\mathrm{opt}}^{*})=0---\left(11\right)$

对于给定的N，利用式(11)可以求得优化的n^* _opt，

再利用式可以确定定角激发阶段的优化激发角度α_opt。

再利用式(10)可以确定变角激发阶段优化的初始激发角θ^* _opt(1)，

再利用式(9)可以确定变角激发阶段的第j次激发角度与第j+1次激发角度之间的关系。

例如，当N＝128时，n^* _opt＝85，α_opt＝8.77°，θ^* _opt(1)＝8.77°；当N＝256时，n^* _opt＝170，α_opt＝6.21°，θ^* _opt(1)＝6.21°。

步骤3，利用步骤2所确定的α_opt和n^* _opt，采用定角激发方法采集超极化MR信号。

步骤4，利用步骤2所确定的θ^* _opt(1)、式(9)确定的第j次激发角度与第j+1次激发角度之间的关系和变角激发的次数N-n^*，采用变角激发方法采集超极化MR信号。

步骤5，利用步骤3和步骤4所采集的超极化MR信号进行MR图像重建，获得超极化¹²⁹Xe磁共振图像。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，初始化定-变角优化激发方法的射频激发总次数N；

步骤2，初始化定角激发阶段的激发角度，即翻转角α，翻转角α的取值范围为(α_min，α_T]，其中α_min的取值为arccos(e^-1/N)，α_T的取值为2α_min；

步骤3，根据下式确定定角激发阶段的定角激发次数n^*；

$n^{*}=[-\frac{1}{\ln \left(\cos \mathrm{\&alpha;}\right)-\mathrm{TR}/T_1}]$

其中，方括号[]表示取最接近方括号内数值的正整数，TR为重复时间，T₁为从超极化磁化矢量弛豫到热极化平衡态的时间；

步骤4，根据下式确定变角激发阶段的初始翻转角θ^*(1)

α≤θ^*(1)≤arcsin(exp(TR/T₁)·tanα)；

步骤5，根据下式确定变角激发阶段的第j次激发角度与第j+1次激发角度之间的关系应满足，其中j＝1,…,N-n^*：

sinθ^*(j+1)＝exp(TR/T₁)·tanθ^*(j)；

步骤6，根据步骤2确定的定角激发翻转角α和步骤3确定的定角激发次数n^*进行定角激发，采集超极化磁共振(MR)信号；

步骤7、根据步骤4确定的变角激发的初始翻转角θ^*(1)、步骤5确定的第j次激发角度与第j+1次激发角度之间的关系及其变角激发的次数进行变角激发，采集超极化MR信号；

步骤8、根据步骤6和步骤7采集的超极化MR信号进行MR图像重建，获得超极化MR图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于定-变角优化激发的超极化磁共振成像方法，其特征在于，所述的射频激发总次数N为64，96，128，192或256。