CN106597336A - 一种用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法及装置，通过生成Rosette采样轨迹；从生成的Rosette采样轨迹中截取一段单条轨迹；将单条轨迹围绕原点旋转，获得K空间扫描轨迹；将K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集。本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法及装置，将rosette轨迹引入到压缩感知磁共振成像中，具有连续梯度，便于磁共振的物理实现。另外，本申请具有较好的不相干性，能够满足压缩感知磁共振成像的约束条件，并具有变密度采样的特点。

Description

一种用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法及装置

技术领域

本发明涉及采样技术领域，特别是涉及一种用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法及装置。

背景技术

k-空间扫描轨迹是影响磁共振成像质量的一个非常重要的因素，它描述了磁共振信号在k-空间的收集路径。不同的采样路径采用的重建算法不同，得到的图像伪影也不尽相同。因此，针对不同的成像对象，许多不同的轨迹先后被提出，如笛卡尔直线(Cartesianline)，辐条(radial),平面回波成像(EPI)，螺旋(spiral)，随机(stochastic)，花环(rosette)和其它一些综合轨迹如TWIRL、WHIRL等等。这些轨迹都能够采集磁共振信号，但却在采集速度、频谱选择性、伪影类型以及对流动和运动的敏感程度等方面表现出完全不同的特性。每一种轨迹都有其自身的优势和劣势，如在成像质量的高低、梯度波实现的难易程度、扫描速度快慢和重建过程复杂程度等表现各异。选择一种合适的采样轨迹将有助于减少扫描时间，Paschal等人总结了包括笛卡尔直线、EPI、Radial、和Spiral这四种采样轨迹的特点。

围绕提高磁共振成像速度，许多学者从磁共振设备硬件、成像序列、并行成像等等方面做了大量的工作，并取得了许多新的成果。近年来，在快速磁共振成像中，最引人注目的当属压缩感知磁共振成像技术的出现。压缩感知理论是近年来信息采样理论的重要突破，它突破了传统奈奎斯特采样定理的限制，能够以极低的采样速率对稀疏或者可压缩的信号进行采样重建。因此，自问世以来，压缩感知理论受到其它相关领域学者的关注，特别是生物医学成像领域，因为压缩感知这种采样并压缩的采样机制可以加快医学成像的速度。在这众多应用领域中，磁共振成像是压缩感知最早的应用之一，被称为压缩感知磁共振成像。压缩感知磁共振成像的目标是通过减少k-空间采样点的数量来缩短磁共振成像时间，目前已经成为磁共振领域的一个研究热点。

由于磁共振图像大多都很容易满足压缩感知对信号稀疏或者可压缩的要求，因此，压缩感知磁共振成像的应用重点主要在于如何在k-空间有效的降采样，使其满足压缩感知的不相干条件以及如何对采样数据进行非线性重建。围绕重建算法和稀疏表示这两个主题是压缩感知磁共振成像问世以来的研究重点，而对在k-空间如何不相干采样这个问题却明显关注不够。近年来，部分学者逐渐注意到了这个问题，并进行了有益地探索。如Seeger等人介绍了一种利用贝叶斯实验优化k-空间轨迹的方法；Menzel等人给出了不同降采样模式下利用压缩感知理论对DSI(diffusion spectrum imaging)在降采比R＝2到R＝8的实验结果；Chan等人找到了在压缩感知理论下radial轨迹降采模式对成像图像质量的影响，并给出了raidal采样模式下基于压缩感知的胸部磁共振成像的金标准；Ajraoui等人给出了基于先验知识的快速超极化气体成像(hyperpolarized gas images)采样模式的设计方法；Lustig等人介绍了一种在spiral螺旋轨迹基础上增加随机扰动的快速成像方法。最近，Hilbert等人综合了raidal轨迹和压缩感知理论，提出了加速Fourier-velocity编码的方法；Chatnuntawech等人介绍了一种基于spiral轨迹的随机降采样模式，用于加速磁共振波谱成像(MR spectroscopic imaging)。

然而，由于磁共振设备在实际的物理实现上受峰值梯度和峰值梯度切换率的限制，许多在理论上满足压缩感知不相干采样要求的轨迹在实际的物理实现上存在许多困难或者导致扫描时间的延长。尽管一些带物理约束的时间最优化梯度波形的设计方法已经提出，但对于压缩感知要求的随机采样轨迹在物理实现上仍然是一个挑战，因为随机的采样将导致采样时间大幅增加，尽管其是压缩感知的理想采样方式。然而，现有的磁共振采样轨迹，如变密度spiral，radial和笛卡尔直线，都不能很好的满足压缩感知的非相干要求，这可以从其成像伪影看出。如spiral轨迹带来的是模糊伪影(blurring artifacts)，radial轨迹带来的是条状伪影(streak artifacts)。随机轨迹尽管能产生类噪声的伪影，但其遍历k-空间的时间太长。因此，寻找一条在物理上容易实现又能满足压缩感知非相干特性的采样轨迹是压缩感知在磁共振成像中成功应用的一个重要因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法及装置，将压缩感知理论与rosette轨迹相结合，便于磁共振的物理实现。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法，包括：

生成Rosette采样轨迹；

从生成的所述Rosette采样轨迹中截取一段单条轨迹；

将所述单条轨迹围绕原点旋转，获得K空间扫描轨迹；

将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集。

可选地，所述生成Rosette采样轨迹的步骤包括：

根据公式生成Rosette采样轨迹；

或根据公式生成Rosette采样轨迹；

式中，kmax决定了采样范围的半径，N表示轨迹花瓣个数，且K(t)为生成的采样轨迹，b为常数，θ为幅角，为角频率，t为时间。

可选地，在所述将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集之后还包括：

对压缩感知磁共振图像进行重建，验证所述K空间扫描轨迹的采样效果。

可选地，对压缩感知磁共振图像进行重建，验证所述K空间扫描轨迹的采样效果包括：

对压缩感知磁共振图像进行重建，对采用Rosette采样轨迹的遍历k-空间速度、不相干性以及变密度性进行验证。

可选地，所述对压缩感知磁共振图像进行重建，验证所述K空间扫描轨迹的采样效果包括：

对原图像进行傅里叶变换，生成k-空间数据；

确定采样模式；

确定优化的目标问题，利用图像重建算法对压缩感知磁共振图像进行重建。

本发明还提供了一种用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置，包括：

生成模块，用于生成Rosette采样轨迹；

截取模块，用于从生成的所述Rosette采样轨迹中截取一段单条轨迹；

获取模块，用于将所述单条轨迹围绕原点旋转，获得K空间扫描轨迹；

采集模块，用于将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集。

可选地，所述生成模块具体为：

根据公式生成Rosette采样轨迹的模块；

或根据公式生成Rosette采样轨迹的模块；

式中，kmax决定了采样范围的半径，N表示轨迹花瓣个数，且K(t)为生成的采样轨迹，b为常数，θ为幅角，角频率，t为时间。

可选地，还包括：

验证模块，用于在将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集之后，对压缩感知磁共振图像进行重建，验证所述K空间扫描轨迹的采样效果。

可选地，所述验证模块具体为：对压缩感知磁共振图像进行重建，对采用Rosette采样轨迹的遍历k-空间速度、不相干性、变密度性进行验证的模块。

可选地，所述验证模块包括：

变换单元，用于对原图像进行傅里叶变换，生成k-空间数据；

确定单元，用于确定采样模式；

重建单元，用于确定优化的目标问题，利用图像重建算法对压缩感知磁共振图像进行重建。

本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法及装置，通过生成Rosette采样轨迹；从生成的Rosette采样轨迹中截取一段单条轨迹；将单条轨迹围绕原点旋转，获得K空间扫描轨迹；将K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集。本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法及装置，将rosette轨迹引入到压缩感知磁共振成像中，具有连续梯度，便于磁共振的物理实现。另外，本申请具有较好的不相干性，能够满足压缩感知磁共振成像的约束条件，并具有变密度采样的特点。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法的一种具体实施方式的流程图；

图2(a)为N＝3对应的第一种rosette轨迹示意图；图2(b)为N＝3对应的第二种rosette轨迹示意图；图2(c)为N＝4对应的第一种rosette轨迹示意图；图2(d)为N＝4对应的第二种rosette轨迹示意图；图2(e)为N＝5对应的第一种rosette轨迹示意图；图2(f)为N＝5对应的第二种rosette轨迹示意图；

图3为本发明实施例提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法的一种具体实施方式的流程图如图1所示，该方法包括：

步骤S101：生成Rosette采样轨迹；

步骤S102：从生成的所述Rosette采样轨迹中截取一段单条轨迹；

步骤S103：将所述单条轨迹围绕原点旋转，获得K空间扫描轨迹；

步骤S104：将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集。

本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法，通过生成Rosette采样轨迹；从生成的Rosette采样轨迹中截取一段单条轨迹；将单条轨迹围绕原点旋转，获得K空间扫描轨迹；将K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集。本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法，将rosette轨迹引入到压缩感知磁共振成像中，具有连续梯度，便于磁共振的物理实现。另外，本申请具有较好的不相干性，能够满足压缩感知磁共振成像的约束条件，并具有变密度采样的特点。

在上述实施例的基础上，本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法中，生成Rosette采样轨迹的步骤可以具体为：

根据公式生成Rosette采样轨迹；

或根据公式生成Rosette采样轨迹；

式中，kmax决定了采样范围的半径，N表示轨迹花瓣个数，且K(t)为生成的采样轨迹，b为常数，θ为幅角，为角频率，t为时间。

进一步地，在将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集之后还包括：

对压缩感知磁共振图像进行重建，验证所述K空间扫描轨迹的采样效果。

具体可以对采用Rosette采样轨迹的遍历k-空间速度、不相干性以及变密度性进行验证。

作为一种具体实施方式，重建的过程可以为：

对原图像进行傅里叶变换，生成k-空间数据；

确定采样模式；

确定优化的目标问题，利用图像重建算法对压缩感知磁共振图像进行重建。

Rosette轨迹的一般公式可以表示为

其中K(t)＝Kx(t)+iKy(t),kmax决定了采样范围的半径(圆形采样视野)，ω1为径向振荡频率，ω2表示幅角方向振荡频率。ω1决定了k-空间采样中心的密度，ω2决定了采样轨迹的形状。

尽管有一系列的文献报道了rosette轨迹的相关研究，但这些成果大多局限于将rosette轨迹应用在fMRI和水脂分离等方面的应用，而关于轨迹参数的选择、本身的特性，特别是其在CS-MRI中的特性几乎没有文献涉及。有文献指出了上式中ω1与ω2不能有公因数，但其并没有指出到底该如何确定这两个参数。本发明实施例中，在结合现有研究的基础上，给出了能产生两种不同形状的任意花瓣个数的rosette轨迹的一般化公式，如下所示：

和

式中，N表示轨迹花瓣个数，同时有θ＝ωt成立。

通过式(2)和(3)可以获得图2所示的两种典型的rosette轨迹。通过改变(2)和(3)中的参数b，可以获得不同花瓣个数的rosette轨迹，图2分别给出了N＝3,4,5时的两种典型的rosette轨迹。其中，图2(a)为N＝3对应的第一种rosette轨迹示意图；图2(b)为N＝3对应的第二种rosette轨迹示意图；图2(c)为N＝4对应的第一种rosette轨迹示意图；图2(d)为N＝4对应的第二种rosette轨迹示意图；图2(e)为N＝5对应的第一种rosette轨迹示意图；图2(f)为N＝5对应的第二种rosette轨迹示意图。值得注意的是，尽管它们在形状上有所差异，但本质上都是rosette轨迹。如当b＝2时，可以得到四花瓣的rosette轨迹(又称四叶玫瑰线)；当b＝3时，可以得到三花瓣的rosette轨迹(又称三叶玫瑰线)。

由上可知，本申请所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法能够产生任意花瓣个数的rosette采样轨迹。

下面对本发明实施例提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置进行介绍，下文描述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置与上文描述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法可相互对应参照。

图3为本发明实施例提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置的结构框图，参照图3用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置可以包括：

生成模块100，用于生成Rosette采样轨迹；

截取模块200，用于从生成的所述Rosette采样轨迹中截取一段单条轨迹；

获取模块300，用于将所述单条轨迹围绕原点旋转，获得K空间扫描轨迹；

采集模块400，用于将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集。

作为一种具体实施方式，本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置中，生成模块具体为：

根据公式生成Rosette采样轨迹的模块；

或根据公式生成Rosette采样轨迹的模块；

式中，kmax决定了采样范围的半径，N表示轨迹花瓣个数，且K(t)为生成的采样轨迹，b为常数，θ为幅角，为角频率，t为时间。

作为一种具体实施方式，本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置还可以进一步包括：

验证模块，用于在将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集之后，对压缩感知磁共振图像进行重建，验证所述K空间扫描轨迹的采样效果。

其中，上述验证模块具体为：对压缩感知磁共振图像进行重建，对采用Rosette采样轨迹的遍历k-空间速度、不相干性、变密度性进行验证的模块。

具体地，验证模块可以包括：

变换单元，用于对原图像进行傅里叶变换，生成k-空间数据；

确定单元，用于确定采样模式；

重建单元，用于确定优化的目标问题，利用图像重建算法对压缩感知磁共振图像进行重建。

本实施例的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置用于实现前述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法，因此用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置中的具体实施方式可见前文中的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法的实施例部分，例如，生成模块100，截取模块200，获取模块300，采集模块400，分别用于实现上述用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法中步骤101，102，103和104，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。

本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置，通过生成Rosette采样轨迹；从生成的Rosette采样轨迹中截取一段单条轨迹；将单条轨迹围绕原点旋转，获得K空间扫描轨迹；将K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集。本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置，将rosette轨迹引入到压缩感知磁共振成像中，具有连续梯度，便于磁共振的物理实现。另外，本申请具有较好的不相干性，能够满足压缩感知磁共振成像的约束条件，并具有变密度采样的特点

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法以及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法，其特征在于，包括：

生成Rosette采样轨迹；

从生成的所述Rosette采样轨迹中截取一段单条轨迹；

将所述单条轨迹围绕原点旋转，获得K空间扫描轨迹；

将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集。

2.如权利要求1所述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法，其特征在于，所述生成Rosette采样轨迹的步骤包括：

根据公式K(t)＝k_maxsin(bθ)e^iθwhere生成Rosette采样轨迹；

或根据公式K(t)＝k_maxsin(bθ)e^iθwhere生成Rosette采样轨迹；

式中，k_max决定了采样范围的半径，N表示轨迹花瓣个数，且K(t)为生成的采样轨迹，b为常数，θ为幅角，为角频率，t为时间。

3.如权利要求2所述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法，其特征在于，在所述将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集之后还包括：

对压缩感知磁共振图像进行重建，验证所述K空间扫描轨迹的采样效果。

4.如权利要求3所述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法，其特征在于，对压缩感知磁共振图像进行重建，验证所述K空间扫描轨迹的采样效果包括：

对压缩感知磁共振图像进行重建，对采用Rosette采样轨迹的遍历k-空间速度、不相干性以及变密度性进行验证。

5.如权利要求3或4所述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计方法，其特征在于，所述对压缩感知磁共振图像进行重建，验证所述K空间扫描轨迹的采样效果包括：

对原图像进行傅里叶变换，生成k-空间数据；

确定采样模式；

确定优化的目标问题，利用图像重建算法对压缩感知磁共振图像进行重建。

6.一种用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置，其特征在于，包括：

生成模块，用于生成Rosette采样轨迹；

截取模块，用于从生成的所述Rosette采样轨迹中截取一段单条轨迹；

获取模块，用于将所述单条轨迹围绕原点旋转，获得K空间扫描轨迹；

采集模块，用于将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集。

7.如权利要求6所述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置，其特征在于，所述生成模块具体为：

根据公式K(t)＝k_maxsin(bθ)e^iθwhere生成Rosette采样轨迹的模块；

或根据公式K(t)＝k_maxsin(bθ)e^iθwhere生成Rosette采样轨迹的模块；

式中，kmax决定了采样范围的半径，N表示轨迹花瓣个数，且K(t)为生成的采样轨迹，b为常数，θ为幅角，为角频率，t为时间。

8.如权利要求7所述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置，其特征在于，还包括：

验证模块，用于在将所述K空间扫描轨迹作为压缩感知磁共振成像或波谱成像中的采样轨迹，对磁共振信号进行采集之后，对压缩感知磁共振图像进行重建，验证所述K空间扫描轨迹的采样效果。

9.如权利要求8所述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置，其特征在于，所述验证模块具体为：对压缩感知磁共振图像进行重建，对采用Rosette采样轨迹的遍历k-空间速度、不相干性、变密度性进行验证的模块。

10.如权利要求8或9所述的用于磁共振成像的扫描轨迹设计装置，其特征在于，所述验证模块包括：

变换单元，用于对原图像进行傅里叶变换，生成k-空间数据；

确定单元，用于确定采样模式；

重建单元，用于确定优化的目标问题，利用图像重建算法对压缩感知磁共振图像进行重建。