CN105005012A - 基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法，具体内容为：1)磁共振成像脉冲序列包括三维梯度回波激发脉冲、空间编码梯度和信号弛豫序列，分别进行说明：1.1)三维梯度回波序列的射频激发脉冲各参数设置；1.2)分别对层选相位编码k_z和层内相位编码k_y进行优化，即依据CS理论分别进行亚采样，频率编码方向k_x为全采样；1.3)信号弛豫序列，即在x,y,z三个梯度方向上分别施加扰相位梯度；2)磁共振成像系统基于CS优化的磁共振成像脉冲序列，对腹部器官DCE-MRI扫描各个时相的k-space数据进行压缩采样获得时间序列的原始采样数据；3)对原始采样数据进行CS重建，即基于l¹范式最小化的非线性算法重建获得腹部器官的DICOM图像。本发明可以广泛应用于腹部器官动态对比增强磁共振成像中。

Description

基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法

技术领域

本发明涉及一种基于压缩感知(CS)优化序列的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法，能够提供高时间分辨率和高信噪比的腹部器官动态对比增强图像，属于磁共振医学成像技术领域。

背景技术

腹部器官疾病，例如慢性肾脏病(chronic kidney disease，CKD)已经成为全球性公共健康问题，在发达国家，普通人群的患病率高达6.5％～16％，且发病率在逐年提高，给全球卫生财政带来了沉重负担。根据2012年《中国慢性肾脏病流行病学调查》结果显示，我国成年人群中慢性肾脏病的患病率已经高达10.8％，预计全国现有成年慢性肾脏病患者1.2亿人。肾小球滤过率(glomerular filtration rate，GFR)和肾灌注量(renal blood flow，RBF)是反映肾功能最重要的指标，GFR已被国际上认可作为CKD诊断和分期的标准。GFR的下降预示着重要的肾脏疾病或者随之而来的肾灌注下降和肾毒性，加速其向终末期肾病发展，导致肾衰竭，最终形成尿毒症。因此，改善腹部动态对比增强磁共振成像的时间分辨率和图像质量，以达到更加准确的脏器功能定量测量，对于腹部器官疾病的临床诊断及预后评价具有非常重要的意义。

在腹部动态对比增强DCE-MRI成像中，由于三维成像技术能够更好的显示整个肾脏、肝脏等器官的形态，并提供更多的图像信息及灌注曲线，从而被临床广泛应用。目前，在临床中主要采用三维快速扰相梯度回波3D FSPGR序列结合并行成像技术进行动态对比增强磁共振成像。如图1所示，快速扰相梯度回波序列相比于临床常规的GRE序列，在下一次α脉冲激发前施加了扰相位梯度(spoiled gradient)。该扰相位梯度能够消除由前一次α脉冲激发后残留的横向磁化矢量，避免了图像出现伪影。工作时，通过设置在x,y,z三个梯度编码方向上的扰相位梯度场，将残留的横向磁化矢量散相，节省了这些磁化矢量衰减为零的弛豫等待时间；同时，射频脉冲激发为小角度激发(α≤20°)，α越小，纵向磁化矢量恢复越快，从而实现了该序列的快速采集(通常不到1s采集一层图像)，并且图像对比度得到提高，RF功率沉积降低。然而较小的翻转角α和较短的TR导致图像T1权重较低，因此，临床上通过注射钆造影剂来缩短组织T1弛豫，增强图像T1权重，采用该序列采集脏器在增强前、动脉期、排泄期的增强图像用于临床诊断，同时将所有动态对比增强图像采集得到的时间-信号强度曲线用于脏器功能参数的定量测量。

但是，临床上腹部三维成像为了实现大范围覆盖，通常设定较多层数(≥16层)、小翻转角(α＝15°)以及最小的TR和TE值之后，由于3D FSPGR序列在执行时相位编码k_y、k_z以及频率编码k_x均为全采样，序列时间分辨率在10～60秒，使得采集得到的时间-信号强度曲线分辨率低，远不能满足功能参数的精确测量。所以，研究一种既提高时间分辨率又能保证足够高的空间分辨率的磁共振成像方法是提高腹部器官疾病诊断和精确测量的重要前提。目前，常用的加速技术是并行成像技术(parallelimaging)，并行成像技术首先需要采集一个低分辨率、全傅立叶编码的参考图像用于线圈空间敏感性评估，然后采用并行加速的3D FSPGR序列采集并行采样图像数据，最后结合相控阵线圈的空间敏感信息与采集到的原始数据经SENSE算法重建出图像。该序列工作时，由于并行成像在采集时减少了相位编码方向上k-space采样点数(Δk_y为等间距)，缩短了采集时间，提高了序列的时间分辨率。然而，并行成像技术导致图像信噪比SNR降低，且加速倍数通常限制在三倍以内，加速倍速越高，信噪比越低，阻碍了时间分辨率的进一步提高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种既能够提高时间分辨率又能够保证足够高图像质量的基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法，包括磁共振成像脉冲序列生成、腹部器官数据采样和图像重建三部分，具体内容为：1)磁共振成像脉冲序列包括三维梯度回波激发脉冲、空间编码梯度和信号弛豫序列，下面分别进行说明：1.1)三维梯度回波序列的射频激发脉冲各参数设置；1.2)空间编码梯度包括层面选择梯度、相位编码梯度和频率编码梯度，分别对层选相位编码k_z和层内相位编码k_y两个维度进行优化，即两个维度依据CS理论分别进行亚采样，频率编码方向k_x为全采样，具体实现过程为：①采用蒙特卡洛法获得满足独立同分布的高斯分布二维观测矩阵，使得该观测矩阵与稀疏变换矩阵高度不相干，且高斯分布与k-space数据分布特点一致；②对空间编码梯度进行CS优化，具体优化过程为：依据观测矩阵对k_y方向进行随机编码，即Δk_y为随机的不等间距，k_z方向也同时进行随机编码，即Δk_z为随机的不等间距，k_x方向进行顺序编码；1.3)信号弛豫序列，即在x、y、z三个梯度方向上分别施加扰相位梯度；2)磁共振成像系统基于步骤1)生成的磁共振成像脉冲序列，对腹部器官DCE-MRI扫描各个时相的k-space数据进行压缩采样获得时间序列的原始采样数据；3)对原始采样数据进行CS重建，即基于l¹范式最小化的非线性算法重建获得腹部器官的DICOM图像。

所述步骤3)对原始采样数据进行CS重建，即基于l¹范式最小化的非线性算法重建获得腹部器官的DICOM图像，具体过程为：3.1)将原始采样数据解码得到频域信号的实部和虚部，重新排列成三维k-space数据；3.2)对三维k-space数据做zero-filled后，x方向做一维傅立叶变换；3.3)对三维k-space的亚采样数据在y-z平面内进行基于l¹范式最小化的非线性重建得到图像数据，重建公式为：

minimizeλ_W||ψf||₁+λ_TVTV(f)

subject to||F_uf-S_i||₂≤ε,

式中，f为目标图像数据，λ_W和λ_TV表示ψ稀疏表达和有限差分稀疏表达TV之间的权重，F_u表示与亚采样对应的傅立叶变换，S_i表示不同CS加速倍数采集到的k-space数据，ε为阈值；3.4)将图像数据以三维矩阵的形式存储，x-y平面即为成像层面，z方向为选层方向，对每个时相的目标图像数据，以DICOM格式进行重写恢复得到腹部器官的DICOM图像。

所述1.1)三维梯度回波序列的射频激发脉冲的各参数设置为：激发角α设为15°，带宽设为125kHz，序列重复时间TR为4.9毫秒，回波时间TE为1.6毫秒。

所述1.3)信号弛豫序列，即在x,y,z三个梯度方向上分别施加扰相位梯度，每个扰相位梯度的爬升率为120mT/m/ms，梯度面积为800mT·ms/m，幅值取系统梯度场强最大值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明包括磁共振成像脉冲序列生成、腹部器官数据采样和图像重建三部分，磁共振成像脉冲序列包括三维梯度回波激发脉冲、空间编码梯度和信号弛豫序列，三维梯度回波激发脉冲采用小角度激发缩短了采集时间；CS优化后的相位编码实现了随机亚采样，k-space填充点数显著减少，提高了序列的时间分辨率并保证了图像信息不丢失；由于在数据采集部分读梯度之后加入了扰相位梯度，使得信号弛豫时间大大缩短；非线性重建算法能够将亚采样得到的数据可靠地重建出腹部器官的DICOM图像，因此重建得到的动态对比增强图像可以用于疾病的诊断，以及定量参数的测量和研究。2、本发明基于压缩感知技术的随机亚采样方法对层选相位编码k_z和层内相位编码k_y两个维度进行优化，即两个维度依据CS理论分别进行亚采样，因此该序列能够实现2倍、3倍、4倍加速扫描，提高了成像的时间分辨率和图像信噪比，从而保证了图像质量，使得图像诊断和功能参数测量更加准确。3、本发明在x、y、z三个梯度方向上分别施加扰相位梯度，每个扰相位梯度的爬升率为120mT/m/ms，梯度面积为800mT·ms/m，幅值取系统梯度场强最大值，因此该序列有效-缩短了采集时间，呼吸运动伪影得到抑制，更加适用于临床腹部器官成像。本发明可以广泛应用于腹部器官动态对比增强磁共振成像中。

附图说明

图1是现有技术中的3D FSPGR序列示意图；

图2是本发明CS优化相位编码后的3D FSPGR序列示意图；

图3是本发明CS重建算法示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细地描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

本发明的基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法包括脉冲序列生成、腹部器官数据采样和图像重建三部分内容，具体内容为：

1、如图2所示，磁共振成像脉冲序列是由一系列预脉冲、射频激发脉冲、空间编码梯度和信号弛豫等部分组成。本发明的磁共振成像脉冲序列包括三维梯度回波激发脉冲、空间编码梯度和信号弛豫序列，下面分别对其进行说明：

1)三维梯度回波序列的射频激发脉冲的各参数设置为：激发角α设为15°，带宽设为125kHz，序列重复时间TR为4.9毫秒，回波时间TE为1.6毫秒。

2)空间编码梯度包括层面选择梯度(k_z)、相位编码梯度(k_y)和频率编码梯度(k_x)。3D FSPGR脉冲序列在DCE-MRI成像时须连续采集多个时相的增强图像，本发明的脉冲序列在DCE-MRI成像的各个时相扫描时的相位编码均实现了CS优化相位编码方式，对层选相位编码k_z和层内相位编码k_y两个维度进行优化，相比于一个维度的优化进一步提高了加速倍数。这两个维度依据CS理论可以分别进行亚采样，而频率编码方向k_x受到硬件条件限制须为全采样，具体实现过程为：

①采用蒙特卡洛法获得满足独立同分布的高斯分布二维观测矩阵Φ(k_y-k_z平面)，使得该观测矩阵Φ与稀疏变换矩阵Ψ(傅立叶变换矩阵、小波变换矩阵等)高度不相干，且高斯分布与k-space数据分布特点一致；

②对空间编码梯度的相位编码进行CS优化，具体优化过程为：

依据观测矩阵对k_y方向进行随机编码，即Δk_y为随机的不等间距，k_z方向也同时进行随机编码，即Δk_z为随机的不等间距；k_x方向进行顺序编码。

3)信号弛豫部分，在x,y,z三个梯度方向上分别施加扰相位梯度，每个扰相位梯度的爬升率为120mT/m/ms，梯度面积为800mT·ms/m，幅值取系统梯度场强最大值，将剩余横向磁化矢量散相(剩余横向磁化矢量为零)，缩短序列弛豫时间。

2、磁共振成像系统基于步骤1生成的磁共振成像脉冲序列，对腹部DCE-MRI扫描各个时相的k-space数据进行压缩采样获得时间序列的原始采样数据，数据以.7格式存储于系统内存。

射频脉冲激发人体组织信号，经CS优化后的相位编码进行空间编码，采集回波信号填充k-space，如图2所示，即在采集信号填充k-space时k_y-k_z相位编码平面内白色点表示执行数据填充，黑色点表示不执行，直至完成所有编码。根据此优化后的二维相位编码，k-space中心区域点为密集全采样，k-space外周按变密度的概率密度函数往外为随机稀疏采样，实现k-space数据的压缩采样。

由于相位编码实际执行的步数占k-space总数的百分比决定了该序列的时间分辨率，2倍加速采集1/2k-space数据，3倍加速采集1/3k-space数据，4倍加速采集1/4k-space数据，序列执行时加速倍数分别选取2、3、4，对应的时间分辨率分别提高至5秒，3.5秒和2.5秒(原序列时间分辨率为10s)。

3、如图3所示，对原始采样数据进行CS重建，即基于l¹范式最小化的非线性算法重建获得腹部器官的DICOM图像，具体过程为：

1)将原始采样数据解码得到频域信号的实部和虚部，重新排列成三维k-space数据；

2)对三维k-space做zero-filled后，x方向做一维傅立叶变换；

3)对三维k-space的亚采样数据在y-z平面内进行基于l¹范式最小化的非线性重建得到图像数据，重建公式为：

minimizeλ_W||ψf||₁+λ_TVTV(f)

subject to||F_uf-S_i||₂≤ε,

式中，f为目标图像数据，λ_W和λ_TV表示ψ稀疏表达(傅立叶变换、小波变换)和有限差分稀疏表达TV之间的权重，F_u表示与亚采样对应的傅立叶变换，S_i表示不同CS加速倍数采集到的k-space数据，ε为阈值，通常设置在背景噪声水平之下来保证重建图像的保真度；

4)将步骤3)得到的图像数据以三维矩阵的形式存储，x-y平面即为成像层面，z方向为选层方向，对每个时相的图像数据以DICOM格式进行重写得到腹部器官的DICOM图像，重建得到的动态对比增强图像信号无丢失，信噪比高，可以用于疾病的诊断，以及定量参数的测量和研究。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法，包括磁共振成像脉冲序列生成、腹部器官数据采样和图像重建三部分，具体内容为：

1)磁共振成像脉冲序列包括三维梯度回波激发脉冲、空间编码梯度和信号弛豫序列，下面分别进行说明：

1.1)三维梯度回波序列的射频激发脉冲各参数设置；

1.2)空间编码梯度包括层面选择梯度、相位编码梯度和频率编码梯度，分别对层选相位编码k_z和层内相位编码k_y两个维度进行优化，即两个维度依据CS理论分别进行亚采样，频率编码方向k_x为全采样，具体实现过程为：

①采用蒙特卡洛法获得满足独立同分布的高斯分布二维观测矩阵，使得该观测矩阵与稀疏变换矩阵高度不相干，且高斯分布与k-space数据分布特点一致；

②对空间编码梯度进行CS优化，具体优化过程为：

依据观测矩阵对k_y方向进行随机编码，即Δk_y为随机的不等间距，k_z方向也同时进行随机编码，即Δk_z为随机的不等间距，k_x方向进行顺序编码；

1.3)信号弛豫序列，即在x、y、z三个梯度方向上分别施加扰相位梯度；

2)磁共振成像系统基于步骤1)生成的磁共振成像脉冲序列，对腹部器官DCE-MRI扫描各个时相的k-space数据进行压缩采样获得时间序列的原始采样数据；

3)对原始采样数据进行CS重建，即基于l¹范式最小化的非线性算法重建获得腹部器官的DICOM图像。

2.如权利要求1所述的一种基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法，其特征在于：所述步骤3)对原始采样数据进行CS重建，即基于l¹范式最小化的非线性算法重建获得腹部器官的DICOM图像，具体过程为：

3.1)将原始采样数据解码得到频域信号的实部和虚部，重新排列成三维k-space数据；

3.2)对三维k-space数据做zero-filled后，x方向做一维傅立叶变换；

3.3)对三维k-space的亚采样数据在y-z平面内进行基于l¹范式最小化的非线性重建得到图像数据，重建公式为：

minimizeλ_W||ψf||₁+λ_TVTV(f)

subject to||F_u f-S_i||₂≤ε,

式中，f为目标图像数据，λ_W和λ_TV表示ψ稀疏表达和有限差分稀疏表达TV之间的权重，F_u表示与亚采样对应的傅立叶变换，S_i表示不同CS加速倍数采集到的k-space数据，ε为阈值；

3.4)将图像数据以三维矩阵的形式存储，x-y平面即为成像层面，z方向为选层方向，对每个时相的目标图像数据，以DICOM格式进行重写恢复得到腹部器官的DICOM图像。

3.如权利要求1所述的一种基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法，其特征在于：所述1.1)三维梯度回波序列的射频激发脉冲的各参数设置为：激发角α设为15°，带宽设为125kHz，序列重复时间TR为4.9毫秒，回波时间TE为1.6毫秒。

4.如权利要求2所述的一种基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法，其特征在于：所述1.1)三维梯度回波序列的射频激发脉冲的各参数设置为：激发角α设为15°，带宽设为125kHz，序列重复时间TR为4.9毫秒，回波时间TE为1.6毫秒。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于压缩感知的腹部器官动态对比增强磁共振成像方法，其特征在于：所述1.3)信号弛豫序列，即在x,y,z三个梯度方向上分别施加扰相位梯度，每个扰相位梯度的爬升率为120mT/m/ms，梯度面积为800mT·ms/m，幅值取系统梯度场强最大值。