CN105997074B - 一种磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法，包括以下步骤：利用多回波梯度回波序列采集得到磁共振原始数据；对其中被试第一回波模图噪声做统计，得到噪声强度水平；根据模图噪声水平设置截断信号的阈值；从第五回波起，对磁共振多回波信号进行选择性截断，将信号幅值低于既定阈值的回波截断，只允许高于或等于既定阈值的回波参与相位拟合；对符合阈值要求的回波采用加权最小二乘法进行相位拟合，得到磁场分布图；对磁场分布图进行时间域解缠绕、去背景场等后续处理，最终由场到源反演出磁化率分布图。本发明磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法具有快速、精确的优点。

Description

一种磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像的技术领域，具体涉及一种定量磁化率成像多回波相位拟合方法。

背景技术

定量磁化率成像利用一般磁共振成像技术舍弃的相位信息得到局部磁场变化特性，再通过复杂的场到源的反演计算，可直接得到定量磁化率分布图。单回波或多回波梯度回波序列可用来获取磁化率分布图反演计算需要的磁场分布图。与单回波梯度回波序列相比，多回波序列一次激发可采集多个回波，这有利于相位解缠绕，且对磁化率更加敏感，得到的磁化率分布图信噪比也更高。有研究表明采用5～10个回波可获得较好的颅内核团磁化率对比。

磁化率分布图重建时，多回波相位数据首先需进行时间域相位解缠绕，然后通过线性拟合得到磁场分布图，再进行后续处理。常用的线性拟合方法是加权最小二乘法，其原理是按照一定规则设置加权系数，以调整各回波在拟合中的加权，使拟合出的相位逐步逼近真实值。加权系数的设置可根据磁共振信号随回波时间的衰减特性，从模图提取信息，将回波时间较短、信号较强的回波赋予较大加权；反之，回波时间较长、信号较弱的回波赋予较小加权。这种加权系数结合了模图中的组织结构信息，一定程度上突出了组织间的对比。

常规加权最小二乘方法对于所有组织都采用相同的回波数，无法兼顾不同组织获取较高信噪比。大脑的某些组织，尤其颅底部位，其磁化率分布很不均匀，局部磁场变化较大，造成相位迅速离散，若回波时间较长，信号甚至可能衰减至噪声水平。因此对于这些核团，采用所有回波反而将噪声信号也一并拟合到局部磁场中，降低了磁化率分布图的信噪比。常规加权最小二乘法得到的磁场分布图在颅底等部位噪声较大，造成最终的磁化率分布图信噪比较低，无法准确测量颅底组织的磁化率值。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述常规加权最小二乘法的不足，而提供的一种磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法，以期减小磁场分布图的拟合误差，提高颅底的磁化率分布图的图像质量，准确测量大脑各组织的磁化率值。

本发明提出一种磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法。该方法首先对多回波梯度回波序列采集的第一回波的模图噪声做统计，从而得到磁共振图像的噪声强度水平。然后在采用常规加权最小二乘法拟合之前引入阈值截断条件，根据不同组织的信号衰减程度，合理选择回波数目。将幅值小于既定阈值的回波截断，只允许高于或等于阈值的回波参与相位拟合，从而减小磁场分布图的拟合误差，提高颅底部位磁化率分布图的信噪比。

实现本发明上述目的所采用的技术方案是：

一种磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法，特点是所述方法包括以下步骤：

A)利用多回波梯度回波序列采集得到磁共振原始数据；

B)对其中第一回波的模图噪声进行统计，得到噪声强度水平；

C)根据模图噪声水平设置信号幅值的截断阈值；

D)设置加权系数，将信号幅值低于既定阈值的回波截断，只允许高于或等于既定阈值的回波参与相位拟合；

E)对符合阈值要求的回波采用加权最小二乘法进行相位拟合，得到磁场分布图；

F)对磁场分布图进行时间域解缠绕、去除背景场等后续处理，最终由场到源反演出磁化率分布图。

所述步骤B)中的噪声强度水平是第一回波模图四个角内感兴趣区中体素的幅值标准差作为噪声，表示为公式[1]

其中，S_i为第一回波模图背景图像中的某体素信号强度，为感兴趣区内体素信号强度的平均值，I是感兴趣区内的体素个数。

所述步骤C)中截断阈值设置为模图噪声的m倍，表示为公式[2]

α＝σ*m [2]

其中，σ为步骤B)获取的噪声强度水平，m为经验值。

所述步骤D)中设置的加权系数表示为公式[3]

其中，n取值为1,2,…,N，N为最大回波数目；为保证组织对比度，从第五回波开始进行判断，M_n为某体素第n个回波的信号幅值，α为步骤C)中获取的阈值。

所述步骤E)中加权最小二乘法进行多回波相位拟合，根据拟合值与测量值之间的误差不断进行迭代加权，可求解出初始相位和局部磁场变化ΔB(r)的最优解，ΔB(r)即为所求磁场分布图，表示为公式[4]。

其中，表示为某体素第n个回波的相位测量值，γ为氢质子的旋磁比，w_n为该体素第n个回波的加权系数，TE_n为第n个回波的回波时间。

本发明中，“加权最小二乘法”表示拟合方法中的一种数学术语。

与现有技术相比，采用本发明所述技术方案，可达到以下技术效果：

1、白质等磁化率均匀的区域保持较高信噪比，组织对比明显。

2、黑质、红核等颅底部位信噪比明显提高，所测得的磁化率值更精确。

3、本发明方法适用于放射科临床上对脑铁等磁敏感源的定量测量。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明磁共振多回波梯度回波采集得到的数据图例；

图3为某一像素的信号幅值随回波时间衰减示意图；

图4为利用本发明得到的磁场分布图；

图5为利用本发明得到的磁化率分布图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方案方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明定量磁化率多回波相位拟合方法，在采用常规加权最小二乘法拟合之前引入阈值截断条件。根据不同组织的信号衰减程度，合理选择回波数目，将幅值小于既定阈值的回波截断，只允许幅值高于或等于既定阈值的回波参与相位拟合，从而达到降低多回波拟合误差的目的。该方法一定程度上能够提高颅底部位磁化率分布图的信噪比。本发明中，噪声通过对磁共振图像中被试第一回波模图的四个角感兴趣区中体素幅值的标准差统计得到。

以下分步介绍本发明对多回波梯度回波序列采集得到的原始数据进行截断-加权最小二乘法拟合，生成磁场分布图的具体实施过程。其中，采集的磁共振图像数据由多回波梯度回波序列获取，数据来源于3T磁共振成像设备系统(西门子MAGNETOM Trio a Tim3T)，本实施例中所采用的回波个数为8。

A)在3T磁共振成像设备系统上对被试人脑进行多回波梯度回波序列扫描，获得多回波的原始数据，包括原始相位图与原始模图。

其中，利用多回波梯度回波序列扫描被试人脑的具体实施为磁共振扫描的一般过程，所获得的原始图像为不同回波时间TE采集得到的多个三维图像。本实施例中，8个回波时间TE分别为6.8、13.6、20.4、27.2、34.0、40.8、47.6、54.4(单位：ms)。8个回波模图强度随回波时间TE的增大而衰减，如附图2所示。

B)对其中的第一回波模图噪声做统计，得到噪声强度水平。

选取被试第一回波模图四个角内感兴趣区中体素的幅值标准差作为噪声，每个感兴趣区内包含1000个体素，具体可表示为公式[1]。

本实施例中，第一模图背景噪声水平为2.28。

C)根据模图噪声水平设置信号的截断阈值。本实施例中，为得到磁共振信号的截断阈值，提取步骤B)获得的模图噪声，再与经验值相乘，得到截断阈值为68.4，具体由公式[2]计算得出。

α＝σ*m [2]

其中σ是模图背景噪声，此处取经验值m为30。

D)设置加权系数，将低于既定阈值的回波截断，只允许高于或等于既定阈值的回波参与相位拟合，具体加权矩阵可表示为公式[3]。

其中，为保证组织对比度，从第五回波开始进行阈值判断。本实施例中，选取被试靠近颅底区域某一像素点，其8个回波的信号幅值分别为106.93、98.53、93.16、88.0、84.29、82.95、65.31、49.38，信号幅值随回波时间TE的衰减趋势如附图3所示。经判断，第7、8回波的模图幅值小于步骤C)获得的阈值68.4，因此，从第七回波开始截断，只允许前6个回波参与相位拟合。

E)对保留的所有回波采用加权最小二乘法进行相位拟合，得到磁场分布图。对于多回波梯度回波序列，空间某个像素第n回波的相位可表示为：

其中，表示初相位，γ表示氢质子的旋磁比，r表示像素的空间坐标，N表示最大回波数目，ΔB(r)表示局部磁场变化。对于等间隔回波时间，TE_n可表示为TE_n＝TE₁+(n-1)ΔTE，ΔTE表示回波间隔。利用加权最小二乘法可拟合出初相位与局部磁场变化ΔB(r)，即：

其中，w_n为各回波的加权系数。根据拟合值与测量值之间的误差不断进行迭代加权，可求解出和ΔB(r)的最优解。

本实施例中，将步骤D)中获取的加权系数w_n带入公式[4]中，最终拟合出ΔB(r)。如附图4所示为本实施例利用本发明得到的磁场分布图。

F)对磁场分布图进行时间域解缠绕、去除背景场等后续处理，最终由场到源反演出磁化率分布图。如附图5所示为本实施例利用本发明方法得到的磁场分布图采用常规反演方法得到的磁化率分布图。

Claims (4)

1.一种磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A)利用多回波梯度回波序列采集得到磁共振原始数据；

B)对其中第一回波的模图噪声进行统计，得到噪声强度水平；

C)根据模图噪声水平设置信号幅值的截断阈值；

D)设置加权系数，将信号幅值低于截断阈值的回波截断，只允许高于或等于截断阈值的回波参与相位拟合；

E)对符合阈值要求的回波采用加权最小二乘法进行相位拟合，得到磁场分布图；

F)对磁场分布图进行时间域解缠绕、去除背景场后续处理，最终由场到源反演出磁化率分布图。

2.根据权利要求1所述磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法，其特征在于，所述步骤B)中的噪声强度水平是第一回波模图四个角内感兴趣区中体素的幅值标准差作为噪声，表示为公式[1]

其中，S_i为第一回波模图背景图像中的第i个体素信号强度，为感兴趣区内体素信号强度的平均值，I是感兴趣区内的体素个数。

3.根据权利要求1所述磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法，其特征在于，所述步骤C)中截断阈值设置为模图噪声的m倍，表示为公式[2]

α＝σ*m [2]

其中，σ为步骤B)获取的噪声强度水平，m为经验值。

4.根据权利要求1所述磁共振定量磁化率成像多回波相位拟合方法，其特征在于，所述步骤D)中设置的加权系数表示为公式[3]

其中，n取值为1,2,…,N，N为最大回波数目；为保证组织对比度，从第五回波开始进行判断，M_n为某体素第n个回波的信号幅值，α为步骤C)中获取的阈值。