CN104965184B - 基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法 - Google Patents

Abstract

基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法，涉及磁共振成像方法。通过90°和180°的线性扫频脉冲结合相应的时空编码梯度，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，通过施加优化之后的螺旋采样梯度进行数据采集，超快速获得具有T₂ ^*加权的空间域磁共振成像数据；最后通过特定的网格化算法和基于压缩感知的超分辨率重建算法对螺旋采样数据进行重建，从而获得超分辨率的高品质磁共振图像。极大地提高了时空编码单扫描成像的图像质量，为需要超快速成像的领域提供了一个很好的成像工具。

Description

基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像方法，尤其是涉及一种基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法。

背景技术

在磁共振成像中，提高成像速度或者在固定的时间内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)^[1-4]、自由呼吸心脏成像(free-breath heart imaging)^[5,6]和一些高维实验如扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)^[7-9]。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^[10-12]。众所周知，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影响，导致最后的图像出现畸变^[13,14]。为了克服平面回波成像方法对不均匀磁场敏感的问题，以色列威兹曼研究所的Frydman小组提出单扫描的时空编码(spatiotemporally-encoded,SPEN)磁共振成像方法，这种方法与平面回波成像的成像原理有着本质的不同^[15]。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。而时空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。这种超快速的时空编码方法只是将平面回波成像序列中的相位编码“bilp”梯度进行替换，但保留了平面回波序列的采样梯度，因此这种时空编码方法拥有和平面回波成像方法相同的成像速度。在某一采样时刻，时空编码成像信号的强度只取决于对应空间位置内的局部自旋密度。这种特性赋予时空编码磁共振成像方法一定程度上抵抗B₀场不均匀性影响的能力。时空编码方法对于不均匀场的鲁棒性确保了时空编码图像，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不均场^[16-18]。

由于其优良的特性，在过去几年中，时空编码超快速成像得到迅速的发展。然而，目前时空编码单扫描超快速成像方法仍存在以下缺陷：第一，在采样阶段采用快速切换的正负梯度回波链进行数据采集，对硬件设备要求较高，并且其图像很容易受涡流效应的影响；^[19,20]第二，由于T₂弛豫的影响，采样点数不能过多，这限制了图像的固有空间分辨率；^[21]第三，由于时空编码超快速成像全采样要求的点数较大，通常的采样点数不能满足Nyquist采样定律，从而在重建图像中出现混叠伪影^[18]。

由此可见，开发一种能够提在单扫描情况下获得高品质的磁共振图像是非常有必要的。

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发明内容

本发明的目的在于提供不需要快速切换采样梯度，极大降低对硬件的要求，并且还能提高图像的空间分辨率以及抵抗欠采样引起混叠伪影的一种基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法。

本发明包括以下步骤：

1)在磁共振成像仪操作台上，打开磁共振成像仪相应的操作软件，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90°和180°线性扫频脉冲(chirp脉冲)的功率，记录所测90°和180°线性扫频脉冲的功率；

3)在核磁共振成像仪上，导入事先编译好的两维时空编码单扫描序列；打开序列的两维时空编码模块，调入所需的90°和180°线性扫频脉冲(chirp脉冲)，将所测量的功率值赋值到所对应的功率变量中；

4)导入chirp脉冲以及成像视野的相关参数，并设置采样梯度最大的幅值以及切换率，通过事先编译好的螺旋梯度生成程序产生螺旋采样梯度文件，将螺旋采样梯度文件导入到序列中，并设置相应的采样梯度值；

5)执行步骤4)设置好的两维时空编码单扫描序列，进行数据采样，数据采样完成后，执行下一步骤；

6)数据采集完成后，首先根据序列参数计算出采样时刻对应的稳定相位点，其次根据稳定相位点对采样信号的相位进行平滑处理，使数据的相位变化缓慢；

7)对步骤6)得到的信号进行信号网格化处理，将螺旋轨迹的信号转化为笛卡尔坐标下的信号；

8)对步骤7)得到的信号进行两维时空编码的超分辨率重建，得到高品质的磁共振图像。

在步骤2)中，所述测量线性扫频脉冲功率的脉冲序列是一个一维的时空编码序列，由一个线性扫频脉冲与时空编码梯度的组合和采样梯度构成，其中采样梯度与编码梯度作用在同一维上，梯度面积相等，方向相反。通过设置不同线性扫频脉冲功率值进行多次实验，从而找到合适的线性扫频脉冲功率值。

在步骤3)中，所述两维时空编码模块的结构依次为：90°线性扫频脉冲、180°线性扫频脉冲、180°的sinc脉冲、PE方向偏置梯度；

所述90°线性扫频脉冲结合空间编码梯度G_pe对低带宽维(PE方向)进行空间编码；

所述180°线性扫频脉冲结合空间编码梯度G_re对高带宽维(RO方向)进行空间编码；

所述180°sinc脉冲结合层选梯度G_ss进行层选；

所述在PE方向偏置梯度的面积为空间编码梯度G_pe面积的一半，正负与空间编码梯度G_pe相反。

在步骤4)中，所述螺旋采样梯度文件由分别作用在RO、PE方向的梯度链组成，RO和PE方向上的梯度文件通过预先编写好的最优化程序进行计算并生成，由一系列缓慢变化的正负切换梯度构成，两个方向上的梯度幅值不超过仪器规定的最大梯度幅值，切换率不超过仪器规定的最大切换率；为保证能够对整个视野进行解码，PE方向采样梯度累加面积的最大绝对值等于G_pe面积的一半，RO方向采样梯度累加面积的最大绝对值等于G_re的面积。

在步骤6)中，所述稳定相位点的计算公式可为：

其中，N是采样点数，τ是采样间隔时间，G_ra和G_pa分别是频率编码梯度和相位编码梯度，G_re和G_pe分别是频率解码梯度和相位解码梯度，T_re和T_re分别是频率解码梯度持续时间和相位解码梯度持续时间，L_x和L_y分别是频率编码方向的成像视野和相位编码方向的成像视野。

所述平滑处理的公式可为：

其中，S是采样得到的信号，γ是磁旋比，S′是平滑处理之后的数据。

在步骤7)中，所述信号网格化处理是通过对平滑之后的信号进行空间插值来实现的，插值过程中除了平滑之后的信号，还需要用到原始空间位置分布信息和插值空间位置分布信息；原始空间位置分布信息是步骤6)中计算出的稳定相位点x和y，插值空间位置分布信息对应笛卡尔坐标下的空间位置信息。通常情况下，笛卡尔坐标下的空间位置之间的间隔会取得较小，从而降低在网格化过程中引入的误差。

在步骤8)中，所述两维时空编码的超分辨率重建是基于压缩感知算法，其基本原理是利用图像在变化域里面是稀疏表示的这个先验知识来去除混叠伪影或提高空间分辨率；

所述超分辨率重建的公式是：

其中，Φ是通过实验参数计算出来的两维时空编码感知矩阵，ρ是重建出来的高品质磁共振图像，S′是平滑处理之后的数据，λ是稀疏变换和保真项的权衡因子，Ψ是稀疏变化矩阵。通过迭代算法来求解上面式子就能获得高分辨率、无混叠伪影的高品质磁共振图像。

作为优选，所述螺旋采样梯度需要根据不同的硬件条件以及实验物品轮廓进行相应优化，使其最大梯度幅值和最大梯度切换率能够满足硬件要求，并且能够提高信号区域的采样密度。所述重建方法首先是对采样得到的信号进行平滑处理，使数据的相位变化缓慢；然后对平滑之后的信号进行网格化，最后对网格化的数据进行超分辨率重建。

本发明首先提出两维时空编码的螺旋采样，与传统笛卡尔采样相比，螺旋采样能够降低硬件需求，提高信号区域的采样密度；然后引入网格化和基于压缩感知的超分辨率重建，得到高品质的磁共振图像。

本发明提供的基于两维时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法能够克服笛卡尔采样下梯度快速切换带来的涡流效应以及较高的硬件要求，能够在不增加采样时间的情况下，提高信号区域的采样密度，从而提高图像的空间分辨率。并且基于螺旋采样的时空编码超快速成像能够克服笛卡尔采样下所带来的欠采样混叠伪影，结合特定的网格化算法以及基于压缩感知的超分辨率重建算法，能够获得高分辨率、无混叠伪影的高品质磁共振图像。相比笛卡尔时空编码超快速成像方法，本发明的方法效率更好、成像效果更好。

附图说明

图1是本发明的两维时空编码单扫描螺旋序列，各个参数名称都在序列图中详细给出。

图2是两维时空编码单扫描螺旋采样及重建的流程：

(a)为物体的轮廓分布图；

(b)为设计的螺旋轨迹图；

(c)为程序生成的螺旋采样梯度图；

(d)为序列采集到的螺旋数据；

(e)为平滑处理之后的实验数据；

(f)为网格化之后的实验数据；

(g)为超分辨率重建之后的磁共振图像。

图3是不同序列相同环境下的大鼠脑部磁共振图像：

(a)为多扫描序列获得的参照图；

(b)为平面回波成像获得的图像；

(c)为笛卡尔时空编码超快速成像获得的图像；

(d)为时空编码螺旋采样获得的图像。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明提供了基于两维时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法，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°和180°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两维时空编码序列；并调入所需的90°和180°线性扫频脉冲(chirp脉冲)，将步骤(2)中所测量的90°和180°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。

所述单扫描两维时空编码模块的结构依次为：90°线性扫频脉冲、180°线性扫频脉冲、180°的sinc脉冲、PE方向偏置梯度。

所述90°线性扫频脉冲结合空间编码梯度G_pe对低带宽维(PE方向)进行空间编码；所述180°线性扫频脉冲结合空间编码梯度G_re对高带宽维(RO方向)进行空间编码；所述180°sinc脉冲和层选梯度G_ss进行层选；紧接着在PE方向上施加一个偏置梯度，其梯度面积为所述空间编码梯度G_pe面积的一半，正负与所述空间编码梯度G_pe相反。

设置所述两维时空编码单扫描序列的各个参数的步骤为：首先打开所述单扫描两维时空编码序列的各个相关模块，包括两维时空编码模块、回波延时模块。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°线性扫频脉冲的激发频率宽度ΔΟ₉₀，激发时间T₉₀，功率tpwr₉₀，180°线性扫频脉冲的激发频率宽度ΔΟ₁₈₀，激发时间T₁₈₀，功率tpwr₁₈₀，频率编码方向的成像视野L_x，相位编码方向的成像视野L_y，成像层厚度thk，破坏梯度的强度和时间。

(4)生成螺旋采样梯度文件，将螺旋采样梯度文件导入到序列中，并设置相应的采样梯度值。

所述生成螺旋采样梯度文件是指将chirp脉冲以及成像视野等相关信息导入到通过事先编译好的螺旋梯度生成程序产生螺旋采样梯度文件，并设置采样梯度最大的幅值以及切换率，从而生成满足硬件需求的螺旋采样梯度文件。

(5)执行设置好的两维时空编码单扫描螺旋成像序列

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图像，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，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，即两维时空编码、层选、延时作用直至数据采样结束，最后得到二维的时空编码磁共振图像数据。获得一幅磁共振图像的时间大约几十μs到几百μs。

(6)数据采样完成后要对信号进行平滑处理，首先要根据采样参数计算不同采样时刻对应的稳定相位点，稳定相位点的公式为：

其中N是采样点数，τ是采样间隔时间，G_ra和G_pa分别是频率编码梯度和相位编码梯度，G_re和G_pe分别是频率解码梯度和相位解码梯度，T_re和T_re分别是频率解码梯度持续时间和相位解码梯度持续时间，L_x和L_y分别是频率编码方向的成像视野和相位编码方向的成像视野。然后对采样信号施加一个额外的相位，用来消除二次相位产生的相位剧烈震荡，其公式为：

其中S是采样得到的信号，γ是磁旋比，S′是平滑处理之后的数据。经过平滑处理之后的采样数据，其相位分布非常缓慢，方便接下来的网格化操作。

(7)对采样数据进行网格化处理。网格化处理需要利用到上一步骤中得到的平滑之后的数据以及稳定相位点的信息，此外，我们还需要产生笛卡尔坐标下的空间位置分布信息。网格化处理的原理就是通过插值操作，将原本分布在螺旋轨迹上的数据转化为笛卡尔坐标下的数据，方便接下来的超分辨率重建。

(8)对网格化之后的数据进行超分辨率重建。两维时空编码的超分辨率重建是基于压缩感知算法，其基本原理是利用图像在变化域里面是稀疏表示的这个先验知识来去除混叠伪影或提高空间分辨率，本发明中利用到的超分辨率重建算法的公式是：

其中Φ是通过实验参数计算出来的两维时空编码感知矩阵，ρ是重建出来的高品质磁共振图像，S′是平滑处理之后的数据，λ是稀疏变换和保真项的权衡因子，Ψ是稀疏变化矩阵。通过迭代算法来求解上面式子就能获得高分辨率、无混叠伪影的高品质磁共振图像。

以下给出具体实施例：

将两维时空编码单扫描螺旋采样及其重建方法，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Varian 7T成像仪(AgilentTechnologies,Santa Clara,CA,USA)上进行。实验所采用的成像样本是约250g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，等大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，然后送入成像仪中。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，此处选择对大鼠的脑部进行axial面成像。成像区域定位好后，进行调谐、自动匀场、频率和功率校正。为了评价螺旋采样方法的有效性，在相同环境下进行了平面回波成像和传统的笛卡尔时空编码超快速成像实验作为对比。按照上述两维时空编码单扫描螺旋采样及其重建方法的操作流程，在进行单扫描两维时空编码之前，首先用一维的时空编码序列分别测量所用到的90°和180°线性扫频脉冲的功率。然后导入编译好的(如图1所示)两维时空编码单扫描序列，打开脉冲序列的各个相关模块，包括两维时空编码模块和解码采样模块，设置实验参数，具体对于本实施例所采用的样本，其实验参数设置如下：90°线性扫频脉冲的激发频率宽度ΔΟ₉₀为64kHz，激发时间T₉₀为3μs，180°线性扫频脉冲的激发频率宽度ΔΟ₁₈₀为32kHz，激发时间T₁₈₀为3μs，总采样点数为6996，RO方向的成像视野L_x为4.5cm，PE方向的成像视野L_y为4.5cm，成像层厚度thk为2mm，破坏梯度的强度为3.0Gs/cm，时间为1μs。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60μs。

数据采样完后，按照上述步骤(6)～(8)对螺旋采样数据进行重建，最终结果如图3D所示。从图3可以看出，在相同的磁场环境下，平面回波图像(图3B)的畸变较为严重，而时空编码图像(图3C和D)畸变较小。比较笛卡尔采样轨迹下的图像(图3C)和螺旋采样轨迹下的图像(图3D)可以看出，螺旋采样能够获得空间分辨率更好、细节更加丰富的大鼠脑部信息。从黄色箭头所指的区域可以看出，笛卡尔采样轨迹下的图像会受到混叠伪影的影响，从而出现额外的信号，而螺旋采样轨迹下的图像中混叠伪影没有出现。

综上所述，本发明所提出的基于两维时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法能够有效克服欠采样引起的混叠伪影，并提高图像的空间分辨率，能够在单扫描情况下获得高分辨率、无混叠伪影的磁共振图像。

Claims (7)

1.基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在磁共振成像仪操作台上，打开磁共振成像仪相应的操作软件，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90°和180°线性扫频脉冲的功率，记录所测90°和180°线性扫频脉冲的功率；

所述测量线性扫频脉冲功率的脉冲序列是一个一维的时空编码序列，由一个线性扫频脉冲与时空编码梯度的组合和采样梯度构成，其中采样梯度与编码梯度作用在同一维上，梯度面积相等，方向相反；

3)在核磁共振成像仪上，导入事先编译好的两维时空编码单扫描序列；打开序列的两维时空编码模块，调入所需的90°和180°线性扫频脉冲，将所测量的功率值赋值到所对应的功率变量中；

4)导入线性扫频脉冲以及成像视野的相关参数，并设置采样梯度最大的幅值以及切换率，通过事先编译好的螺旋梯度生成程序产生螺旋采样梯度文件，将螺旋采样梯度文件导入到序列中，并设置相应的采样梯度值；

5)执行步骤4)设置好的两维时空编码单扫描序列，进行数据采样，数据采样完成后，执行下一步骤；

6)数据采集完成后，首先根据序列参数计算出采样时刻对应的稳定相位点，其次根据稳定相位点对采样信号的相位进行平滑处理，使数据的相位变化缓慢；

7)对步骤6)得到的信号进行信号网格化处理，将螺旋轨迹的信号转化为笛卡尔坐标下的信号；

8)对步骤7)得到的信号进行两维时空编码的超分辨率重建，得到高品质的磁共振图像。

2.如权利要求1所述基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法，其特征在于在步骤3)中，所述两维时空编码模块的结构依次为：90°线性扫频脉冲、180°线性扫频脉冲、180°sinc脉冲、PE方向偏置梯度；

所述90°线性扫频脉冲结合空间编码梯度G_pe对低带宽维即PE方向进行空间编码；

所述180°线性扫频脉冲结合空间编码梯度G_re对高带宽维即RO方向进行空间编码；

所述180°sinc脉冲结合层选梯度G_ss进行层选；

所述在PE方向偏置梯度的面积为空间编码梯度G_pe面积的一半，正负与空间编码梯度G_pe相反。

3.如权利要求1所述基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法，其特征在于在步骤4)中，所述螺旋采样梯度文件由分别作用在RO、PE方向的梯度链组成，RO和PE方向上的梯度文件通过预先编写好的最优化程序进行计算并生成，由一系列缓慢变化的正负切换梯度构成，两个方向上的梯度幅值不超过仪器规定的最大梯度幅值，切换率不超过仪器规定的最大切换率；为保证能够对整个视野进行解码，PE方向采样梯度累加面积的最大绝对值等于G_pe面积的一半，RO方向采样梯度累加面积的最大绝对值等于G_re的面积。

4.如权利要求1所述基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法，其特征在于在步骤6)中，所述稳定相位点的计算公式为：

其中，N是采样点数，τ是采样间隔时间，G_ra和G_pa分别是频率编码梯度和相位编码梯度，G_re和G_pe分别是频率解码梯度和相位解码梯度，T_re和T_re分别是频率解码梯度持续时间和相位解码梯度持续时间，L_x和L_y分别是频率编码方向的成像视野和相位编码方向的成像视野。

5.如权利要求1所述基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法，其特征在于在步骤6)中，所述平滑处理的公式为：

其中，S是采样得到的信号，γ是磁旋比，S′是平滑处理之后的数据。

6.如权利要求1所述基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法，其特征在于在步骤7)中，所述信号网格化处理是通过对平滑之后的信号进行空间插值来实现的，插值过程中除了平滑之后的信号，还需要用到原始空间位置分布信息和插值空间位置分布信息；原始空间位置分布信息是步骤6)中计算出的稳定相位点x和y，插值空间位置分布信息对应笛卡尔坐标下的空间位置信息。

7.如权利要求1所述基于时空编码单扫描磁共振成像的螺旋采样及重建方法，其特征在于在步骤8)中，所述两维时空编码的超分辨率重建是基于压缩感知算法，其基本原理是利用图像在变化域里面是稀疏表示的这个先验知识来去除混叠伪影或提高空间分辨率；

所述超分辨率重建的公式是：

其中，Φ是通过实验参数计算出来的两维时空编码感知矩阵，ρ是重建出来的高品质磁共振图像，S′是平滑处理之后的数据，λ是稀疏变换和保真项的权衡因子，Ψ是稀疏变化矩阵；通过迭代算法来求解上面式子就能获得高分辨率、无混叠伪影的高品质磁共振图像。