CN106646299B - 梯度回波三回波水脂分离方法及应用它的磁共振成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度回波（Gradient Echo,GRE）三回波水脂分离方法及应用它的磁共振成像系统。基于化学位移成像的梯度回波双回波技术成像序列，受到磁场不均匀性影响，导致数据包含额外的误差相位和T2*衰减等问题，从而造成水和脂肪的比例定量不精准，甚至水脂图像分离错误。本发明原始数据使用了GRAPPA（Generalized Auto‑calibrating Partially Parallel Acquisitions）技术提高采集速度；采用梯度回波三回波技术校正图像数据的T₂*衰减；同时结合区域生长校正算法，消除额外相位误差带来的相位卷绕，避免了水脂分离错误。三者共同保证了水脂分离图像的高效性、准确性和稳定性。

Description

梯度回波三回波水脂分离方法及应用它的磁共振成像系统

技术领域

本发明属于磁共振成像领域，具体涉及梯度回波三回波水脂分离方法及应用它的磁共振成像系统。

背景技术

磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)技术已经成为现代医学诊断中一种常用的技术手段。在MRI中，由于人体组织水和脂肪中的氢质子所处的分子环境不同，使得其共振频率存在一定差异，称之为化学位移。Dixon最早利用该原理获得了MRI中的水图和脂肪图像。假设人体组织只含有水和脂肪两种成分，即人体组织在MRI中只含有两种共振频率，当人体受到射频脉冲激励之后，两种组织的弛豫时间不同，在不同回波时间采集信号，水和脂肪也会表现出信号强度的差异。Dixon方法分别采集水和脂肪的同相位(InPhase，简称IP)和反相位(Out Phase，简称OP)两种回波信号，通过两个回波的数据后处理，得到纯水和纯脂肪的图像。

早期Dixon方法受磁场不均匀性影响较大，成像过程容易受到人体呼吸等运动影响，计算方法复杂且容错性较差。实际应用中存在着系统噪声、涡流、主磁场不均匀性和人体组织之间磁导率变化等都会导致磁场不均匀，如何克服硬件和人为误差带来的影响是Dixon算法的重点。随着水脂分离技术的发展，三点法、不对称三点法和多点法相继提出：其基本原理都是依据三个及三个以上多个回波，计算出磁场不均匀性导致的附加相位，校正各个回波相位之后再求得水和脂肪图像。

三点法的不足在于，附加相位的计算和校正无法避免需要对相位进行去卷绕，现有技术对图像中每个点的附加相位去卷绕速度很慢，且本身在数学上无解，可能存在奇点等导致算法错误。而不对称三点法和其他多点法，不仅一定程度需要更多扫描时间，每点后处理计算也相对更加复杂，增加数据处理时间。

因此，需要提供一种快速准确稳定的水脂分离算法，在高效的扫描时间内，获得正确的水脂图像。

发明内容

本发明目的是：提供梯度回波三回波水脂分离方法及应用它的磁共振成像系统，避免使用相位解卷绕的同时，有效克服磁场不均匀和人为运动等因素带来的数据误差。

本发明的技术方案是：提供一种梯度回波三回波水脂分离方法，应用于磁共振成像系统中，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用三维梯度回波三回波序列对磁共振成像区域进行磁共振成像扫描，并对三个回波进行数据采集，同时在采集过程中利用GRAPPA技术加速数据采集；

步骤2：利用GRAPPA技术拟合还原三个回波数据各自K空间内欠采的相位编码数据，然后做初步的数据处理，求得完整的三个回波的图像域数据；

步骤3：将三个回波的图像域数据进行T2*衰减的拟合估计，并对第二个回波进行校正，以消除T2*的衰减影响；

步骤4：利用第一回波数据和校正之后的第二个回波数据，利用区域生长法对前两个回波进行逐个像素点的相位校正，并最终计算获得水和脂肪图像。

进一步的，所述步骤1中对磁共振成像区域使用三维梯度回波序列进行磁共振成像扫描，一次激发后采集三个回波，其中OP的回波时间TE为2.2ms、IP1的回波时间TE为4.4ms、IP2的回波时间TE为8.8ms。

进一步的，所述步骤2的具体步骤如下：

A：将采集到的三个回波的数据分为三组分别进行GRAPPA后处理，拟合补充完整的K空间数据，三个回波的K空间数据分别为SI_OP、SI_IP1和SI_IP2；

B：对三组K空间数据各个通道的信号进行滤波去噪处理，傅里叶变化求得图像域数据之后，进行多通道合成进一步增加信噪比，同时减少后处理运算量。

进一步的，所述步骤3的具体步骤如下：

通过三个回波的图像域数据，拟合每一个像素点的T₂*值，并根据公式：I_{IP1-corrected}＝I_IP1×e^(△TE/T2*)，校正I_IP1，其中△TE＝2.2ms。

进一步的，所述步骤4具体步骤如下：

a：利用区域生长算法获得正相位I_{IP1-corrected}和反相位I_OP图的正确相位差值图P_corrected，即：以正相位图为参考，I_{IP1-corrected}的相位为0，I_IP＝abs(I_{IP1-corrected})；同时需要依据正确相位差值图P_corrected得到反相位图像I_OP＝abs(I_OP)×e^{i×Pcorrected}。

b：根据如下公式最终计算得到水和脂肪图像：I_water＝(I_IP+I_OP)/2，I_fat＝(I_IP－I_OP)/2。

进一步的，所述步骤a的具体步骤如下：

(1)首先计算正相位图I_{IP1-corrected}和反相位图I_OP各自的相位图，分别为P_IP和P_OP。

(2)根据P_IP和P_OP每一个像素与相邻像素的相位差异大小，获得正反相位的相位变化差异图Q_IP和Q_OP，每个像素点其值越小，说明相位变化越小，该点处的磁场均匀性越好。

(3)根据Q_IP和Q_OP综合考量找到磁场均匀性最好的区域作为区域生长的起始位置，即种子点Seed。

(4)以Seed为起始，优先考量磁场均匀性好的区域，每次校正某个像素的相位时，先参考周围相邻已经校正过的像素点相位，以此保证磁场均匀性好的区域的正确相位能够被最优先利用，最终获得整个扫描区域的校正相位图P_corrected。

本发明为了解决上述问题，还设计了一种磁共振成像系统，其特征在于，应用了上文所述的梯度回波三回波水脂分离方法来获得水脂分离图像。

本发明的优点是：

利用GRAPPA技术提高了水脂分离成像序列的实际扫描速度，减少潜在人为运动带来的伪影；三回波的T₂*衰减校正进一步提高了水和脂肪信号比例的准确性；区域生长法对正反相图像数据的相位校正，回避了相位解卷绕这个无解的数学问题，节省大量时间，提高了水脂分离后处理的准确性和稳定性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中扫描序列及回波演变示意简图；

图3为本发明区域生长过程示意图；

图4为本发明校正之后的I_OP相位图；

图5为本发明最终计算得到的水和脂肪图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明提供一种磁共振多通道成像水脂分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用GRAPPA加速技术的GRE三回波序列扫描被试。参见图2所示，扫描中每个相位编码过程序列及回波演变。所述GRAPPA技术可参见论文“Griswold M A,Jakob P M,Heidemann R M,et al.Generalized autocalibrating partially parallelacquisitions(GRAPPA)[J].Magnetic Resonance in Medicine,2002,47(6):1202–1210.”。

(2)利用GRAPPA技术拟合还原三个回波各自K空间内欠采的相位编码数据行，然后做初步的数据处理，包括滤波、傅里叶变换和多通道合并。

(3)将完整的三组回波数据进行T₂*衰减的拟合估计，并对第二个回波进行校正，消除T₂*衰减影响。

(4)使用校正后的两个回波数据，利用区域生长法对前两个回波进行逐个像素点的相位校正。图3所示为区域生长各个像素点相位校正的先后次序，暗色区域为先，高亮区域靠后，图4所示为校正之后I_OP的相位图P_corrected。

(5)根据公式：I_water＝(I_IP+I_OP)/2，I_fat＝(I_IP－I_OP)/2，计算水和脂肪图像，图5为最终图像示例。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种梯度回波三回波水脂分离方法，应用于磁共振成像系统中，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用三维梯度回波三回波序列对磁共振成像区域进行磁共振成像扫描，并对三个回波进行数据采集，同时在采集过程中利用GRAPPA技术加速数据采集；

步骤2：利用GRAPPA技术拟合还原三个回波数据各自K空间内欠采的相位编码数据，然后做初步的数据处理，求得完整的三个回波的图像域数据；

步骤3：将三个回波的图像域数据进行T2*衰减的拟合估计，并对第二个回波进行校正，以消除T2*的衰减影响；

步骤4：利用第一回波数据和校正之后的第二个回波数据，利用区域生长法对前两个回波进行逐个像素点的相位校正，并最终计算获得水和脂肪图像，该步骤4具体步骤如下：

a：利用区域生长算法获得正相位I_{IP1-corrected}和反相位I_OP图的正确相位差值图P_corrected，即：以正相位图为参考，I_{IP1-corrected}的相位为0，I_IP＝abs(I_{IP1-corrected})；同时需要依据正确相位差值图P_corrected得到反相位图像I_OP＝abs(I_OP)×e^{i×Pcorrected}；

b：根据如下公式最终计算得到水和脂肪图像：I_water＝(I_IP+I_OP)/2，I_fat＝(I_IP－I_OP)/2。

2.根据权利要求1所述的梯度回波三回波水脂分离方法，其特征在于，所述步骤1中对磁共振成像区域使用三维梯度回波序列进行磁共振成像扫描，一次激发后采集三个回波，其中OP的回波时间TE为2.2ms、IP1的回波时间TE为4.4ms、IP2的回波时间TE为8.8ms。

3.根据权利要求1所述的梯度回波三回波水脂分离方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤如下：

A：将采集到的三个回波的数据分为三组分别进行GRAPPA后处理，拟合补充完整的K空间数据，三个回波的K空间数据分别为SI_OP、SI_IP1和SI_IP2；

B：对三组K空间数据各个通道的信号进行滤波去噪处理，傅里叶变化求得图像域数据之后，进行多通道合成进一步增加信噪比，同时减少后处理运算量。

4.根据权利要求1所述的梯度回波三回波水脂分离方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤如下：

通过三个回波的图像域数据，拟合每一个像素点的T₂*值，并根据公式：I_{IP1-corrected}＝I_IP1×e^(△TE/T2*)，校正I_IP1，其中△TE＝2.2ms。

5.根据权利要求1所述的梯度回波三回波水脂分离方法，其特征在于，所述步骤a的具体步骤如下：

(1)首先计算正相位图I_{IP1-corrected}和反相位图I_OP各自的相位图，分别为P_IP和P_OP；

(2)根据P_IP和P_OP每一个像素与相邻像素的相位差异大小，获得正反相位的相位变化差异图Q_IP和Q_OP，每个像素点其值越小，说明相位变化越小，该点处的磁场均匀性越好；

(3)根据Q_IP和Q_OP综合考量找到磁场均匀性最好的区域作为区域生长的起始位置，即种子点Seed；

(4)以Seed为起始，优先考量磁场均匀性好的区域，每次校正某个像素的相位时，先参考周围相邻已经校正过的像素点相位，以此保证磁场均匀性好的区域的正确相位能够被最优先利用，最终获得整个扫描区域的校正相位图P_corrected。

6.一种磁共振成像系统，其特征在于，应用了权利要求1-5中任一种的梯度回波三回波水脂分离方法来获得水脂分离图像。