CN105919593B - 一种快速自导航磁共振水成像方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速自导航磁共振水成像方法和装置。本发明的临床应用模式可分为屏气导航模式和自由呼吸导航模式。对于呼吸控制能力较好的成年患者可采用屏气导航模式,而对于呼吸控制能力较差的婴幼儿患者可采用自由呼吸导航模。本发明可明显提高磁共振信号的采集效率和控制精度以及信噪比,并可避免成像序列与导航波序列之间的干扰效应,从而增强呼吸运动伪影抑制效果,且临床操作简便易行,明显降低了患者的配合难度,有利于磁共振水成像技术的临床应用并在胆道系统和泌尿系统疾病的临床诊断中实现其独特的确诊价值。
Description
技术领域
本发明涉及医用磁共振腹部盆腔成像技术领域,尤其涉及一种快速自导航磁共振水成像方法和装置。
背景技术
各种腹部磁共振成像技术由于软组织分辨率高、多方位扫描方式和无电离辐射危害等多种优势有着重要的临床诊断价值,尤其是腹部盆腔磁共振水成像技术不仅具有上述优势,而且以人体自身的液体作为天然对比剂实现组织器官对比度增强,无任何创伤和毒副作用,并可进行三维多平面图像重建或最大强度投影,为胆道梗阻、尿路梗阻等疾病的诊断提供了一种独特的影像学手段。相反,经皮肝穿胆道造影(PTC)和内窥镜逆行胰胆管造影(ERCP)为创伤性技术,US易于受到肠道胀气、操作者经验水平及设备性能的影响,而CT仅提供横断面图像,无法看到胆道系统的整体图像,确定占位性病变的具体部位有困难。正因为如此,磁共振水成像(MRH)技术越来越受到许多临床医师的欢迎,但是 MRH的临床检查时间比US和CT长,很容易受到呼吸运动的干扰,常常需要借助于腹部压力检测装置在患者吸气或呼气平台期触发或门控磁共振成像序列和信号采集,在呼吸波控制精确的情况才可以获得高质量的图像。
近十年来,一类基于前瞻性导航波的呼吸门控磁共振成像技术因其临床操作便捷而逐渐在进口超导磁共振成像设备上获得越来越多的应用,此类技术主要在成像序列之前施加一个磁共振梯度回波或自旋回波,利用其幅值作为一维或二维导航波实时监测自由呼吸时隔膜位置的变化,当隔膜的位置进入一个固定宽度的采集窗对应的呼吸平台期就触发成像脉冲序列并采集成像区信号,从而有效消除或减少呼吸运动伪影,这有助于MRH在胆道系统和泌尿系统常见疾病的临床检查中发挥其独特的诊断价值。然而,在固定宽度的采集窗内隔膜位置的漂移常会降低导航精度,导航射频脉冲和成像射频脉冲之间易于发生相互干扰以至于呼吸运动曲线有时会出现异常的测量误差或成像层面产生条带状饱和伪影,尤其是一维幅度导航波对呼吸平台期的监控还易于受到周围脂肪高信号、血流流入增强效应以及信号折叠的干扰。为了克服上述幅度导航技术的缺陷,一种基于导航波相位的呼吸门控成像技术最近已开始在进口超导磁共振成像设备上初步应用于临床研究,该技术对导航射频脉冲和成像射频脉冲之间的干扰效应不敏感,但仍沿袭采用单回波导航方式和固定宽度的采集窗,这限制了导航精度和时间分辨率的进一步提高。另一方面,在国产磁共振成像设备上呼吸导航波成像技术已在腹部成像中有所应用,目前临床应用较多的主要是一维回溯性幅度导航模式,k空间数据需要重复采集多次并通过固定宽度的采集窗挑选k空间线重新填充k空间以减少振铃效应和呼吸伪影,扫描和数据处理时间过长。
这里,本发明了一种快速精确的基于二维或三维相位导航波的呼吸门控成像技术,主要用于磁共振成像设备实现三维和二维腹部盆腔水成像功能,包括尿路造影(MRU)和胰胆管造影(MRCP)。
发明内容
为了解决上述现有技术的问题,本发明提供了一种快速自导航磁共振水成像方法和装置。具有快速精确的二维相位导航、射频脉冲移动式激发和非固定式采集窗分段门控特征的成像装置主要用于实现腹部盆腔常规成像尤其是高级水成像功能。
本发明提供的一种快速自导航磁共振水成像方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤S100:预导航,包括以下子步骤:
步骤S101:运行导航预扫描序列:预导航模块中的相位导航波序列由基于自旋回波的多回波串序列构成,定位和激发导航条并采集其磁共振信号。
其中,第一个90°选择性射频脉冲分别施加在人体腹部的横断位,其层厚为 30mm到40mm;第二个180°选择性射频脉冲或第二个至第m个180°选择性射频脉冲施加在人体腹部的斜矢状位,,其中m为回波链长度,并沿着人体腹部的上下轴旋转15度到50度,其层厚为10mm到20mm。
步骤S102:生成导航波相位图:设置m=5或更高值,通过调节m和回波时间TE可控制TE·m远小于一个呼吸周期,同时限制相邻回波的间隔时间TR1远小于一个呼吸周期,反复运行导航波序列直到几个呼吸周期结束。
步骤S103:相位图解缠:导航数据分析模块对预导航模块不同时间点采集到的导航波进行傅立叶变换,并基于Itoh算法快速进行相位解缠,或在信噪比不足情况下采用非连续路径积分法快速进行相位解缠。
步骤S104:计算相位图上膈肌位置:按步骤S103获得一系列相位带。
步骤S105:生成呼吸波导航图:将步骤S104中的相位带按时间顺序从左到右排列构成相位导航图;其上部为肺组织,下部为肝组织,两者之间横隔的位置表示为X0。
步骤S106:检测呼吸平台期膈肌位置:对相位导航图进行高通滤波获得导航图轮廓,并经过快速平滑处理后生成呼吸运动曲线,即呼吸波。
其中,最高点表示呼气末膈膜位置,最低点表示吸气末膈膜位置。
步骤S107:基于呼吸波极大值或极小值实时校准呼吸平台期的导航基线位置BV,供导航成像模块进行数据分析用。
步骤S200:导航成像,包括以下子步骤:
步骤S201:运行导航扫描序列:导航成像模块由导航波序列和成像序列构成,每个成像序列之前均施加一个导航波序列,导航波序列和导航条定位方式与步骤S100方法相同。
有以下两种方式:当选用快速导航模式时可设置m=5或更高值,通过调节 TE和m以满足二者乘积远小于一个呼吸周期的条件,同时限制TR1远小于一个呼吸周期。
当选用移动激发模式时需要对180°选择性射频脉冲定义两个或两个以上相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置。
步骤S202:判断K空间线是否在中心区:中心区域k空间线的导航范围NW 设置为R1,次中心区域k空间线的导航范围NW设置为R2,周边区域的k空间线的NW设置为R3,其中R1<R2<R3。
步骤S203:相位图解缠:导航数据分析模块配合导航成像模块对不同时间点采集到的导航波实时进行傅立叶变换并基于Itoh算法进行快速相位解缠。
图像处理程序在计算相位差时得到的相位总在(π,π]之间,它与真实相位的关系是相差2π的整数倍,即有下式的关系:
根据缠绕相位得到真实相位的处理过程就叫做相位解缠,是MRI数据处理的关键步骤之一。记φ(m)为周期缠绕前的真实相位值,为相应的缠绕相位,定义相位缠绕算子则相位缠绕的过程可以用式(2)表示:
结果是得到[-π,π]区间的缠绕相位。相位缠绕的逆过程就是相位解缠,可以通过下述Itoh算法实现。对于一维相位数据,定义差分算子Δ,则在图像的采样率满足Nyquist采样定理条件下:
上式中,表示相邻缠绕相位的差分运算。式(3)的意义是通过对相邻缠绕相位之差积分可以实现相位解缠。由一维的相位展开很容易扩展到二维的相位展开,只需进行逐行和逐列两次一维相位展开即可。
步骤S204:触发成像序列:基于导航基线优先选取每个导航波对应于X0±X (X<2cm)范围的复数数据点并计算其相位均值<P>。
在移动激发模式下<P>需要校正为<P>+P。
每当导航波的<P>值进入对应于采集窗的NW时,导航成像模块发出脉冲信号触发成像序列并采集成像信号,同时导航波暂停内部循环。
步骤S205:K空间线重排:每当采样过程中导航波的<P>值超出NW时,导航成像模块不再递增相位编码步,直到下一次导航波的<P>值重新进入NW时重新执行上一步相位编码并采集成像信号,如此反复门控执行导航成像模块直至相位编码循环结束。
步骤S206:投影重建:对成像数据进行三维傅立叶变换和最大强度投影重建获得腹部盆腔MRCP或MRU图像。
其中,所述步骤S101进一步包括以下步骤:根据成像区域位置特征,第三个至第m个180°选择性射频脉冲施加在人体其它合适方位。
其中,在导航波信噪比过低情况下,步骤S101对180°选择性射频脉冲定义两个或多个相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置,同时步骤S103导航数据分析模块中将下一个相位带的起始值总是校正为上一个相位带的终值,保持相位导航图的连续性,保存相位校正值P供导航成像模块进行数据分析用。
本发明进一步提供了一种快速自导航磁共振水成像装置。所述装置包括:导航界面、预导航模块、导航成像模块和导航数据分析模块。
快速自导航磁共振水成像装置工作过程如下:导航界面安装在控制台的用户操作系统内,供临床操作导航参数用。
预导航模块由相位导航波序列和导航数据分析模块构成。
相位导航波序列由基于自旋回波的多回波串序列构成,用于定位和激发导航条并采集其磁共振信号。
其中,第一个90°选择性射频脉冲分别施加在人体腹部的横断位,其层厚为30mm到40mm,第二个180°选择性射频脉冲或第二个至第m个180°选择性射频脉冲施加在人体腹部的斜矢状位并沿着人体腹部的上下轴旋转15度到50 度;其层厚为10mm到20mm。
导航界面上选用快速导航模式并设置m=5或更高值,通过调节m和回波时间TE可控制TE·m远小于一个呼吸周期,同时限制相邻回波的间隔时间TR1远小于一个呼吸周期,反复运行导航波序列直到几个呼吸周期结束。
导航数据分析模块对预导航模块不同时间点采集到的导航波进行傅立叶变换,并基于Itoh算法快速进行相位解缠或在信噪比不足情况下采用非连续路径积分法快速进行相位解缠,获得一系列厚度很小的相位带,按时间顺序从左到右排列构成相位导航图,其上部为肺组织,下部为肝组织,两者之间横隔的位置表示为X0。
在频域对相位导航图进行高通滤波获得导航图轮廓,并经过快速平滑处理后生成呼吸运动曲线,即呼吸波;其中,最高点表示呼气末膈膜位置,最低点表示吸气末膈膜位置。
基于呼吸波极大值或极小值实时校准呼吸平台期的导航基线位置BV,供导航成像模块进行数据分析用。
导航成像模块由导航波序列和成像序列构成,每个成像序列之前总是施加一个导航波序列,导航波序列和导航条定位方式与预导航模块相同。
当选用快速导航模式时可设置m=5或更高值,通过调节TE和m以满足二者乘积远小于一个呼吸周期的条件,同时限制TR1远小于一个呼吸周期。
当选用移动激发模式时需要对180°选择性射频脉冲定义两个或两个以上相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置。
中心区域k空间线的导航范围NW设置为R1,次中心区域k空间线的导航范围NW设置为R2,周边区域的k空间线的NW设置为R3,其中R1<R2<R3,如图9 所示。
导航数据分析模块配合导航成像模块对不同时间点采集到的导航波实时进行傅立叶变换,并基于Itoh算法进行快速相位解缠,接着基于导航基线优先选取每个导航波对应于X0±X(X<2cm)范围的复数数据点并计算其相位均值<P>,在移动激发模式下<P>需要校正为<P>+P。
每当导航波的<P>值进入对应于采集窗的NW时,导航成像模块发出脉冲信号触发成像序列并采集成像信号,同时导航波暂停内部循环。
每当采样过程中导航波的<P>值超出NW时,导航成像模块不再递增相位编码步,直到下一次导航波的<P>值重新进入NW时重新执行上一步相位编码并采集成像信号,如此反复门控执行导航成像模块直至相位编码循环结束。
对成像数据进行三维傅立叶变换和最大强度投影重建获得腹部盆腔MRCP或 MRU图像。
其中,根据成像区域位置特征,第三个至第m个180°选择性射频脉冲施加在人体其它合适方位。
其中,在导航波信噪比过低情况下,对180°选择性射频脉冲定义两个或多个相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置,同时导航数据分析模块中将下一个相位带的起始值总是校正为上一个相位带的终值,保持相位导航图的连续性,保存相位校正值P供导航成像模块进行数据分析用。
有益效果:本发明的临床应用模式可分为屏气导航模式和自由呼吸导航模式。对于呼吸控制能力较好的成年患者可采用屏气导航模式,而对于呼吸控制能力较差的婴幼儿患者可采用自由呼吸导航模式。
与传统导航波成像技术相比,本发明可明显提高磁共振信号的采集效率和控制精度以及信噪比,并可避免成像序列与导航波序列之间的干扰效应,从而增强呼吸运动伪影抑制效果,且临床操作简便易行,明显降低了患者的配合难度,有利于磁共振水成像技术的临床应用并在胆道系统和泌尿系统疾病的临床诊断中实现其独特的确诊价值。
附图说明
图1导航门控磁共振成像装置框图。
其中,梯度线圈要求有效强度大于60mT/m,切换速率大于120mT/m/ms。
图2导航界面(导航条定位及导航波显示)示意图。
其中,实线为导航基线,两虚线之间为导航范围;导航条定位是指在冠状位定位像上规划导航条的位置。
图3预导航工作流程图。
图4预导航模块和导航成像模块图。
其中,上方是三维水成像序列,n等于回波链长度ETL,90°和180°脉冲之间时间间隔为TE/2,180°脉冲之间的时间间隔为TE,信号在180°脉冲之间采集。GS,Gr和Gp分别表示选层、相位编码和频率编码方向的梯度。下方是导航波序列,选层梯度施加在导航条短轴方向,读梯度施加在导航条长轴方向, 90°和180°脉冲之间时间间隔为TE1/2,180°脉冲之间的时间间隔为TE1,信号在180°脉冲之间采集,m为回波链长度,最后的两个脉冲作为可选项用于加速横向磁化矢量恢复到平衡态。
图5冠状位导航条位置示意图。
图6隔膜位置定义示意图。
图7呼吸波示意图。
图8导航成像工作流程图。
图9分段导航模式图。
其中,中心区域k空间线表示为Ci,Ci±1,Ci±2等等,其对应的导航范围为 R1,次中心区域k空间线表示为Si,Si±1,Si±2等等,其对应的导航范围为R2,周边区域k空间线表示为Pi,Pi±1,Pi±2等等,其对应的导航范围为R3。
图10自由呼吸模式k空间中心区域采集窗设置图。
其中,图上方空心框代表导航波序列,实心框代表成像脉冲序列。
图11自由呼吸模式k空间周边区域采集窗设置图。
其中,图上方空心框代表导航波序列,实心框代表成像脉冲序列。
图12屏气-呼吸模式k空间中心区域采集窗设置图。
其中,图上方空心框代表导航波序列,实心框代表成像脉冲序列。
图13屏气-呼吸模式k空间周边区域采集窗设置图。
其中,图上方空心框代表导航波序列,实心框代表成像脉冲序列。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚,下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
一、本发明的原理
一种具有快速精确的二维相位导航、射频脉冲移动式激发和非固定式采集窗分段门控特征的成像装置,主要用于实现腹部盆腔常规成像尤其是高级水成像功能,如图1所示,各功能模块的设计方式如下所述:
该成像装置由导航界面、预导航模块、导航成像模块和导航数据分析模块构成。其中,图2所示的导航界面安装在控制台的用户操作系统内,供临床操作下述导航参数用。预导航模块由相位导航序列和数据分析模块构成,工作流程如图3所示。相位导航波序列由基于自旋回波的多回波串序列构成,包括快速导航模式和移动激发模式,其作用是定位和激发导航条并采集其磁共振信号,如图4所示。其中,第一个90°选择性射频脉冲分别施加在人体腹部的横断位,其层厚为30mm到40mm,第二个180°选择性射频脉冲(或第二个至第m个180°选择性射频脉冲)施加在人体腹部的斜矢状位并沿着人体腹部的上下轴旋转15度到50度以避免预饱和成像区域,其层厚为10mm到 20mm,如图5所示。根据成像区域位置特征,第三个至第m个180°选择性射频脉冲也可以施加在人体其它合适方位。这种二维或三维导航条定位方式有利于提高相位检测灵敏度和精确度。在导航界面上选用快速导航模式并设置m=5或更高值,通过调节m和回波时间TE可控制TE·m远小于一个呼吸周期,同时限制相邻回波的间隔时间TR1远小于一个呼吸周期,反复运行导航波序列直到几个呼吸周期结束。导航数据分析模块对预导航模块不同时间点采集到的导航波进行傅立叶变换并基于Itoh算法快速进行相位解缠或在信噪比不足情况下采用非连续路径积分法快速进行相位解缠,获得一系列厚度很小的相位带,按时间顺序从左到右排列构成相位导航图,其上部为肺组织,下部为肝组织,两者之间横隔的位置表示为X0,如图6所示。然后,在频域对相位导航图进行高通滤波获得导航图轮廓,并经过快速平滑处理后生成呼吸运动曲线,又称呼吸波,其最高点表示呼气末膈膜位置,最低点表示吸气末膈膜位置,如图七所示。最后,基于呼吸波极大值或极小值实时校准呼吸平台期的导航基线位置BV,供导航成像模块进行数据分析用。另外,在导航波信噪比过低情况下可在导航界面上选用移动激发模式,对180°选择性射频脉冲定义两个(或多个)相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置,并在导航数据分析模块中将下一个相位带的起始值总是校正为上一个相位带的终值,从而保持相位导航图的连续性,同时保存相位校正值P供导航成像模块进行数据分析用。
导航成像模块由导航波序列和成像序列构成,每个成像序列之前总是施加一个导航波序列,导航波序列和导航条定位方式与预导航模块类似,成像序列采用一种图4所示的具有信噪比最优化设计特征的三维水成像序列。该模块的工作流程如图8所示,并在导航界面上设置导航参数。当选用快速导航模式时可设置m=5或更高值,通过调节TE和m以满足二者乘积远小于一个呼吸周期的条件,同时限制TR1远小于一个呼吸周期;当选用移动激发模式时需要对180°选择性射频脉冲定义两个或两个以上相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置。为了兼顾导航精度和导航效率,中心区域k空间线的导航范围NW设置为R1,次中心区域k空间线的导航范围NW设置为R2,周边区域的k空间线的NW设置为R3,其中 R1<R2<R3,如图9所示。导航数据分析模块配合导航成像模块对不同时间点采集到的导航波实时进行傅立叶变换并基于Itoh算法或非连续路径积分法进行快速相位解缠,接着基于导航基线优先选取每个导航波对应于X0±X(X<2cm)范围的复数数据点并计算其相位均值<P>,在移动激发模式下<P>需要校正为<P>+
P。每当导航波的<P>值进入对应于采集窗的NW时,导航成像模块发出脉冲信号触发成像序列并采集成像信号,同时导航波暂停内部循环;每当采样过程中导航波的<P>值超出NW时,导航成像模块不再递增相位编码步,直到下一次导航波的<P>值重新进入NW时重新执行上一步相位编码并采集成像信号,如此反复门控执行导航成像模块直至相位编码循环结束。最后,对成像数据进行三维傅立叶变换和最大强度投影重建获得腹部盆腔MRCP或MRU图像。
二、实施例
在如图1所示的磁共振成像仪上安装并编译预导航模块、导航成像模块和导航数据分析模块,并在用户操作系统上单独安装一个导航界面以定位导航条并设置导航模式为自由呼吸导航模式,如图2所示。
对于预导航模块,采用如图4 所示的多回波序列,设置回波时间TE=8ms,TR1=20ms,读梯度方向的FOV为120mm,第一个90°选择性射频脉冲分别施加在人体腹部的横断位,设置导航波扫描层厚为35mm,第二个至第m个180°选择性射频脉冲均施加在人体腹部的斜矢状位,在导航界面上选用快速导航模式并设置m=5或更高值,通过鼠标设置导航波扫描层厚为15mm厚,并沿着人体腹部的上下轴旋转20°。这样获得一个二维导航条,其上下径的中上1/3 点放置于膈面最高位水平,如图5所示。然后,调节读梯度和接收带宽控制梯度回波的采集时间在5ms内,每个导航波采集128个数据点,并充零至 256点。在受试患者在自由呼吸条件下按照图3所示的工作流程运行预导航模块,其中导航波数n设为200,每个导航波数据依次存贮在一个单独的数据文件中。扫描结束后,导航数据分析模块将不同时间点采集到的导航波 S(i,j)根据四象限反正切函数atan2{IM[S(i,j)],RE[S(i,j)]}计算其相位并进行相位解缠,也就是,如果相邻的数据点相位差△φ大于π,则加减2π的倍数,使得△φ不超过π。然后,在频域进行Butterworth滤波,调节滤波半径和滤波阶数直到突出导航波轮廓。对每个导航波进行傅立叶变换,获得一系列厚度很小的相位带,按时间顺序从左到右排列构成相位导航图,其上部为肺组织,下部为肝组织,两者之间的界面为横隔,其位置对应于相位突变区的中点X0,如图6所示。基于每个导航波的X0生成随时间变化的呼吸波,再基于 Savitzky-Golay算法对呼吸波进行局域多项式最小二乘法拟合以平滑呼吸波,其最高点为呼气末,最低点为吸气末,如图7所示。最后,基于呼吸波极大值或极小值实时校准呼吸平台期的导航基线位置BV,供导航成像模块进行数据分析用。另外,在导航波信噪比过低情况下可在导航界面上选用移动激发模式,对180°选择性射频脉冲定义两个(或多个)相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置,并在导航数据分析模块中将下一个相位带的起始值总是校正为上一个相位带的终值,从而保持相位导航图的连续性,同时保存相位校正值P供导航成像模块进行数据分析用。
导航成像模块由导航波序列和成像序列构成,每个成像序列之前总是施加一个导航波序列,导航波序列和导航条定位方式与预扫描模块类似,成像序列采用一种图4所示的具有信噪比最优化设计特征的三维水成像序列。对于该水成像序列,选择性90°脉冲在选层梯度作用下激发某一检查部位的氢原子核自旋系统,所产生的横向磁化矢量在一连串等时间间隔的180°脉冲作用下重聚为一连串回波,该回波串经过选层方向的相位编码梯度和其它两个正交方向的相位编码梯度和频率编码梯度进行三维空间编码后采集为k空间数据。这里,180°选择性脉冲所对应的选层梯度依次交替正负极性以减少相位误差的累积,并且,序列最后的180°和90°选择性脉冲用于加快横向磁化矢量的恢复以进一步提高信噪比。在成像序列参数表中,设置回波时间 TE=8ms,序列重复时间TR为4s,接收带宽BW=31.25KHz,扫描块厚为100mm,回波链长度ETL设置为32,相位编码步数设置为256,选层方向相位编码步数设置为256,相位编码梯度方向选为人体左右方向,其FOV为250mm,读梯度方向的FOV为220mm。在导航界面上设置导航参数,当选用快速导航模式时可设置m=5或更高值,通过调节TE和m以满足二者乘积远小于一个呼吸周期的条件,同时限制TR1远小于一个呼吸周期。当选用移动激发模式时,在导航界面上设置第一个90°选择性射频脉冲施加在人体腹部的横断位,扫描层厚设置为35mm,并设置第二个至第m个180°选择性射频脉冲施加在两个或两个以上相邻的斜矢状位,并沿着人体腹部的上下轴旋转20度,用鼠标设置扫描层厚均为15mm,这样获得两个或两个以上二维导航条,其上下径的中上1/3点放置于膈面最高位水平。然后,根据三维水成像序列的相位编码表确定k空间中心区域和周边区域的k空间线编号,在导航界面上设置中心区域k空间线导航范围R1=±1mm,设置次中心区域k空间线的导航范围 R2=±2mm,设置周边k空间线的导航范围R2=±4mm,如图9所示。
按照如图8所示的工作流程运行导航成像模块,同时患者进行自由呼吸,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在上述定义的两个或两个以上斜矢状位。导航数据分析模块配合导航成像模块对不同时间点采集到的导航波实时进行傅立叶变换并基于前述Itoh算法进行快速相位解缠,这样获得相位导航图,如图10和图11所示。接着,基于导航基线优先选取每个导航波对应于X0±X(X<2cm)范围的复数数据点并计算其相位均值<P>,在移动激发模式下<P>需要校正为<P>+P。每当导航波的<P>值进入对应于采集窗的NW时,导航成像模块发出脉冲信号触发成像序列并采集成像信号,同时导航波暂停内部循环;每当采样过程中导航波的<P>值超出NW时,导航成像模块不再递增相位编码步,直到下一次导航波的<P>值重新进入NW时导航成像模块发出脉冲信号触发成像序列重新执行上一步相位编码并采集成像信号,如此反复门控执行导航成像模块直至相位编码循环结束。最后,对成像数据进行三维傅立叶变换和最大强度投影重建获得腹部盆腔MRCP或MRU图像。
另外,这个导航波成像技术也可以在屏气状态下执行,实施方式同上,除了下述修改:在图2 所示的导航界面设置导航模式为屏气导航模式;在受试患者保持周期性屏气15s再自由呼吸一次的条件下按照图8 所示的工作流程运行预导航模块;在成像序列参数表中,回波链长度ETL改为128,相位编码步数改置为192,数据采集方式如图12和图13所示。
三、本发明的特点
(1)包括二维/三维导航条、多回波预导航序列和三维成像序列以及数据处理模块,主要用于腹部盆腔成像尤其是三维水成像普遍存在的运动伪影的实时抑制。
(2)具有屏气模式和自由呼吸模式适用于呼吸控制能力不同的受试者或病患。
(3)在多回波预导航序列内设置两个或三个选层梯度和相应的选层脉冲获得一个二维/三维导航信号采集区域以提高导航灵敏度,并采用移动激发方式避免对成像区域产生饱和效应。
(4)在一系列射频脉冲作用下采集人体横隔的磁共振信号在成像序列运行前用于跟踪扫描层面的位置随时间变化,并基于对空间位置敏感度更高的磁共振信号的相位信息而不是幅度信息通过数据处理模块实时计算出相位-时间曲线从而获得精确的呼吸波作为导航波。
(5)在数据处理模块内采用快速相位解缠算法(如Itoh或非连续路径积分法)实时获得准确的相位信息以解决相位折叠伪影对导航的干扰问题。
(6)采用非固定采集窗门控方式,通过双触发脉冲根据预设的呼吸波导航范围在呼吸频率或幅度随机变化的情况下灵活精确地控制扫描层面的位置在扫描过程前期和中后期始终不超出允许误差范围。
(7)将k空间划分为至少三个区域,对中心区域和各周边区域设置不同的采集窗和导航范围,在保证扫描效率的同时充分提高图像分辨率。
(8)该门控方式在成像序列内应用于内外两层相位编码循环以便始终监控并保证扫描层面的位置在允许误差范围内一致。
(9)在腹部水成像情况下选用三维快速自旋回波水成像序列,采用选层梯度极性交替方式,并在序列末尾施加180°反转脉冲以加速磁化恢复。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种快速自导航磁共振水成像方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤S100:预导航,包括以下子步骤:
步骤S101:运行导航预扫描序列:预导航模块中的相位导航波序列由基于自旋回波的多回波串序列构成,定位和激发导航条并采集其磁共振信号,
其中,第一个90°选择性射频脉冲分别施加在人体腹部的横断位,其层厚为30mm到40mm;第二个180°选择性射频脉冲或第二个至第m个180°选择性射频脉冲施加在人体腹部的斜矢状位,其中,m为回波链长度,并沿着人体腹部的上下轴旋转15度到50度,其层厚为10mm到20mm;
步骤S102:生成导航波相位图:设置m=5或更高值,通过调节m和回波时间TE可控制TE·m远小于一个呼吸周期,同时限制相邻回波的间隔时间TR1远小于一个呼吸周期,反复运行导航波序列直到几个呼吸周期结束;
步骤S103:相位图解缠:导航数据分析模块对预导航模块不同时间点采集到的导航波进行傅立叶变换,并基于Itoh算法快速进行相位解缠,或在信噪比不足情况下采用非连续路径积分法快速进行相位解缠;
步骤S104:计算相位图上膈肌位置:按步骤S103获得一系列相位带;
步骤S105:生成呼吸波导航图:将步骤S104中的相位带按时间顺序从左到右排列构成相位导航图;其上部为肺组织,下部为肝组织,两者之间横隔的位置表示为X0;
步骤S106:检测呼吸平台期膈肌位置:在频域对相位导航图进行高通滤波获得导航图轮廓,并经过快速平滑处理后生成呼吸运动曲线,即呼吸波;
其中,最高点表示呼气末膈膜位置,最低点表示吸气末膈膜位置;
步骤S107:基于呼吸波极大值或极小值实时校准呼吸平台期的导航基线位置BV,供导航成像模块进行数据分析用;
步骤S200:导航成像,包括以下子步骤:
步骤S201:运行导航扫描序列:导航成像模块由导航波序列和成像序列构成,每个成像序列之前均施加一个导航波序列,导航波序列和导航条定位方式与步骤S100方法相同;有以下两种方式:
当选用快速导航模式时可设置m=5或更高值,通过调节TE和m以满足二者乘积远小于一个呼吸周期的条件,同时限制TR1远小于一个呼吸周期;
当选用移动激发模式时需要对180°选择性射频脉冲定义两个或两个以上相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置;
步骤S202:判断K空间线是否在中心区:中心区域k空间线的导航范围NW设置为R1,次中心区域k空间线的导航范围NW设置为R2,周边区域的k空间线的NW设置为R3,其中R1<R2<R3;
步骤S203:相位图解缠:导航数据分析模块配合导航成像模块对不同时间点采集到的导航波实时进行傅立叶变换并基于Itoh算法进行快速相位解缠;
步骤S204:触发成像序列:基于导航基线优先选取每个导航波对应于X0±X(X<2cm)范围的复数数据点并计算其相位均值<P>;
在移动激发模式下<P>需要校正为<P>+P;
每当导航波的<P>值进入对应于采集窗的NW时,导航成像模块发出脉冲信号触发成像序列并采集成像信号,同时导航波暂停内部循环;
步骤S205:K空间线重排:每当采样过程中导航波的<P>值超出NW时,导航成像模块不再递增相位编码步,直到下一次导航波的<P>值重新进入NW时重新执行上一步相位编码并采集成像信号,如此反复门控执行导航成像模块直至相位编码循环结束;
步骤S206:投影重建:对成像数据进行三维傅立叶变换和最大强度投影重建获得腹部盆腔MRCP或MRU图像。
2.根据权利要求1所述的一种快速自导航磁共振水成像方法,其特征在于,所述步骤S101进一步包括以下步骤:根据成像区域位置特征,第三个至第m个1800选择性射频脉冲施加在人体其它合适方位,其中,m为回波链长度。
3.根据权利要求1所述的一种快速自导航磁共振水成像方法,其特征在于,在导航波信噪比过低情况下,步骤S101对180°选择性射频脉冲定义两个或多个相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置,同时步骤S103导航数据分析模块中将下一个相位带的起始值总是校正为上一个相位带的终值,保持相位导航图的连续性,保存相位校正值P供导航成像模块进行数据分析用。
4.一种快速自导航磁共振水成像装置,其特征在于,所述装置包括:导航界面、预导航模块、导航成像模块和导航数据分析模块;快速自导航磁共振水成像装置工作过程如下:
导航界面安装在控制台的用户操作系统内,供临床操作导航参数用;
预导航模块由相位导航波序列和导航数据分析模块构成;
相位导航波序列由基于自旋回波的多回波串序列构成,用于定位和激发导航条并采集其磁共振信号;
其中,第一个90°选择性射频脉冲分别施加在人体腹部的横断位,其层厚为30mm到40mm,第二个180°选择性射频脉冲或第二个至第m个180°选择性射频脉冲施加在人体腹部的斜矢状位,其中,m为回波链长度,并沿着人体腹部的上下轴旋转15度到50度;其层厚为10mm到20mm;
导航界面上选用快速导航模式并设置m=5或更高值,通过调节m和回波时间TE可控制TE·m远小于一个呼吸周期,同时限制相邻回波的间隔时间TR1远小于一个呼吸周期,反复运行导航波序列直到几个呼吸周期结束;
导航数据分析模块对预导航模块不同时间点采集到的导航波进行傅立叶变换,并基于Itoh算法快速进行相位解缠或在信噪比不足情况下采用非连续路径积分法快速进行相位解缠,获得一系列厚度很小的相位带,按时间顺序从左到右排列构成相位导航图,其上部为肺组织,下部为肝组织,两者之间横隔的位置表示为X0;
在频域对相位导航图进行高通滤波获得导航图轮廓,并经过快速平滑处理后生成呼吸运动曲线,即呼吸波;其中,最高点表示呼气末膈膜位置,最低点表示吸气末膈膜位置;
基于呼吸波极大值或极小值实时校准呼吸平台期的导航基线位置BV,供导航成像模块进行数据分析用;
导航成像模块由导航波序列和成像序列构成,每个成像序列之前总是施加一个导航波序列,导航波序列和导航条定位方式与预导航模块相同;
当选用快速导航模式时可设置m=5或更高值,通过调节TE和m以满足二者乘积远小于一个呼吸周期的条件,同时限制TR1远小于一个呼吸周期;
当选用移动激发模式时需要对180°选择性射频脉冲定义两个或两个以上相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置;
中心区域k空间线的导航范围NW设置为R1,次中心区域k空间线的导航范围NW设置为R2,周边区域的k空间线的NW设置为R3,其中R1<R2<R3;
导航数据分析模块配合导航成像模块对不同时间点采集到的导航波实时进行傅立叶变换,并基于Itoh算法进行快速相位解缠,接着基于导航基线优先选取每个导航波对应于X0±X(X<2cm)范围的复数数据点并计算其相位均值<P>,在移动激发模式下<P>需要校正为<P>+P;
每当导航波的<P>值进入对应于采集窗的NW时,导航成像模块发出脉冲信号触发成像序列并采集成像信号,同时导航波暂停内部循环;
每当采样过程中导航波的<P>值超出NW时,导航成像模块不再递增相位编码步,直到下一次导航波的<P>值重新进入NW时重新执行上一步相位编码并采集成像信号,如此反复门控执行导航成像模块直至相位编码循环结束;
对成像数据进行三维傅立叶变换和最大强度投影重建获得腹部盆腔MRCP或MRU图像。
5.根据权利要求4所述的一种快速自导航磁共振水成像装置,其特征在于,根据成像区域位置特征,第三个至第m个180°选择性射频脉冲施加在人体其它合适方位。
6.根据权利要求4所述的一种快速自导航磁共振水成像装置,其特征在于,在导航波信噪比过低情况下,对180°选择性射频脉冲定义两个或多个相邻的斜矢状位选层位置,每次重复运行导航波序列时180°选择性射频脉冲交替施加在不同的选层位置,同时导航数据分析模块中将下一个相位带的起始值总是校正为上一个相位带的终值,保持相位导航图的连续性,保存相位校正值P供导航成像模块进行数据分析用。
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