CN108514415B - 一种快速磁敏感加权成像扫描序列改进方法及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种快速磁敏感加权成像扫描序列改进方法及成像方法，属于磁共振成像技术领域，在3D双回波稳态自由进动序列的RO方向上，增大读出预散相梯度的面积，使PSIF回波位于FISP回波之前，从而使上述两个回波都具有较强的磁敏感权重。采用改进后的序列获取PSIF和FISP回波的K空间数据，并分别重建出两个回波的复数图像，然后对两个复数图像进行合成、处理后得到磁敏感加权图像。其中，合成图像的相位是两个复数图像的相位差。本发明提供的技术方案通过对现有的3D双回波稳态自由进动序列进行改进，能够在保证成像质量的前提下大大缩短磁共振扫描时间，从而提高病人的舒适度、减少重建图像中运动伪影的发生概率。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种快速磁敏感加权成像扫描序列改进方法及成像方法。
背景技术
磁共振成像技术是利用氢质子的核磁共振现象进行成像的一种技术。人体内包含单数质子的原子核，例如广泛存在的氢原子核，其质子具有自旋运动。带电原子核的自旋运动，在物理上类似于单独的小磁体，而且在没有外部条件影响下这些小磁体的方向性分布是随机的。当人体置于外部磁场中时，这些小磁体将按照外部磁场的磁力线重新排列，具体为在平行于或反平行于外在磁场磁力线的两个方向排列，将上述平行于外在磁场磁力线的方向称为正纵向轴，将上述反平行于外在磁场磁力线的方向称为负纵向轴，原子核只具有纵向磁化分量，该纵向磁化分量既具有方向又具有幅度。
用特定频率的射频(Radio Frequency，RF)脉冲激发处于外在磁场中的原子核，使这些原子核的自旋轴偏离正纵向轴或负纵向轴，产生共振，这就是磁共振现象。上述被激发原子核的自旋轴偏离正纵向轴或负纵向轴之后，原子核具有了横向磁化分量。停止发射射频脉冲后，被激发的原子核发射回波信号，将吸收的能量逐步以电磁波的形式释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态，将原子核发射的回波信号经过空间编码等进一步处理即可重建图像。
人体内具有各种能引起磁场微小变化的来源，一般用磁化率来描述。磁化率是组织的固有特性，在外加磁场作用下，磁化率差异会引起局部磁场发生改变，进而使质子自旋频率产生差别，自旋频率不同的质子间将形成明显的相位差别，有助于磁共振识别人体局部组织的状态或特性。例如，静脉血液内的脱氧血红蛋白引起磁场的不均匀性会导致T2*弛豫时间缩短，从而在磁共振图像中能观察到血管与周围组织的对比加大。
磁敏感加权成像(Susceptibility Weighted Imaging,SWI)是近年来出现的一种利用组织间磁化率差异形成图像对比的技术。由于磁共振相位信息对磁化率差异更敏感，磁敏感加权成像采用相位信息增强图像对比，相对于传统的磁共振技术，能更清晰地显示小静脉，甚至是微小出血，在诊断脑外伤、脑肿瘤、脑血管畸形、脑血管病及某些神经变性病等方面具有较高的价值及应用前景。由局部磁场变化引起的磁共振相位可以由下式表示：
φ＝γ·ΔB0·TE
其中，γ为磁旋比，ΔB0为磁场变化，TE为回波时间(Echo Time，TE)。TE越大，相位越大，图像磁敏感对比越强。传统的SWI利用3D梯度回波序列(3D Gradient RecalledEcho，3D GRE)采集原始数据，且需要很长的回波时间来增强磁敏感对比。长的回波时间导致了较长的磁共振扫描时间，不仅降低了病人的舒适度，而且使重建图像中出现运动伪影的概率大大增加。
目前使用的3D双回波稳态自由进动序列(3D Dual Echo Steady State，3D DESS)相比于传统的3D GRE，虽然提高了扫描速度和信噪比，但其回波信号磁敏感权重较低，仍然不能满足临床需求。
发明内容
本发明旨在提供一种快速磁敏感加权成像扫描序列改进方法及成像方法，对3DDESS进行了改进，能够在保证成像质量的前提下大大缩短磁共振扫描时间，从而提高病人的舒适度、减少重建图像中运动伪影的发生概率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种快速磁敏感加权成像扫描序列改进方法，包括：3D双回波稳态自由进动序列，其特征在于，改进方法为：在所述3D双回波稳态自由进动序列的RO方向上，增大读出预散相梯度的面积，使其满足以下公式：
其中，A为RO方向的读出预散相梯度，B为RO方向的读出梯度，C为RO方向的破坏梯度；γ为待扫描物中氢质子的磁旋比，Δx为RO方向的分辨率，n为自然数。
一种快速磁敏感加权成像方法，包括：使用上述快速磁敏感加权成像扫描序列采集数据，获取FISP回波的K空间数据和PSIF回波的K空间数据；对所述FISP回波的K空间数据进行图像重建，获取第一复数图像；对所述PSIF回波的K空间数据进行图像重建，获取第二复数图像；将所述第一复数图像和第二复数图像合成，获取合成图像；所述合成图像的相位为所述第一复数图像的相位与所述第二复数图像的相位的差值；对所述合成图像进行高通滤波，获取滤波后图像；对所述滤波后图像的相位进行非线性变换，获取磁敏感相位增强图谱；根据所述磁敏感相位增强图谱和所述合成图像的幅值，获取磁敏感加权图像。
优选地，所述合成图像的幅值为所述第一复数图像的幅值，或者，所述合成图像的幅值为所述第二复数图像的幅值。
优选地，所述合成图像的幅值为所述第一复数图像的幅值与第二复数图像的幅值的平方和合成。
优选地，所述根据所述磁敏感相位增强图谱和所述合成图像的幅值，获取磁敏感加权图像的方法为：
MSWI＝(Mmask)mM|m＝1,2,3,...
其中，MSWI为所述磁敏感加权图像，Mmask为所述磁敏感相位增强图谱，M为所述合成图像。
本发明实施例提供的快速磁敏感加权成像扫描序列及方法，由于在RO方向上，增大了读出预散相梯度的面积，使PSIF和FISP两个回波的位置交换，即PSIF回波位于FISP回波之前，如此，保证了上述两个回波都具有较强的磁敏感权重，并且两个回波的相位反向。使用上述改进后的序列进行数据采集，获取PSIF和FISP两个回波的K空间数据，并分别重建出两个回波的复数图像，然后对两个复数图像进行合成、处理后得到磁敏感加权图像。其中，合成图像的相位是两个复数图像的相位差。由于两个回波的相位反向，即两个复数图像的相位反向，则合成图像的相位得到大幅度提升，而相位越大，磁敏感对比越强。由此可见，要获取同样的图像质量，本发明所采用的方法与现有技术相比，用较短的重复时间实现了较长的等效回波时间，因此扫描时间更短，从而提高了病人的舒适度、减少了重建图像中运动伪影的发生概率，在整体上提高了诊疗质量。
附图说明
图1为现有的3D双回波稳态自由进动序列图；
图2本发明优化后的3D双回波稳态自由进动序列图；
图3为本发明实施例的方法流程图；
图4为本发明实施例中由第一复数图像和第二复数图像获得的磁敏感相位增强图谱，以及由合成图像获得的磁敏感相位增强图谱之间的对比图；
图5为采用本发明实施例获取的磁敏感加权图像与采用现有技术获取的磁敏感加权图像的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
图1为现有的3D双回波稳态自由进动序列图，其中，θ为激发脉冲翻转角，SE(SliceEncoding)为层面编码方向，PE(Phase Encoding)为相位编码方向，RO(Read Out)为读出梯度方向，TR(Repetition Time)为重复时间，TE(Echo Time)为回波时间，FISP(FastImaging with Steady state Precession)为快速稳态回波，PSIF(mirrored FastImaging with Steady state Precession)为快速稳态回波的镜像，Phase为磁共振主磁场(包括磁敏感引起的静态场变化)引起的相位变化，A为RO方向的读出预散相梯度，B为RO方向的读出梯度，C为RO方向的破坏梯度，Δφ为PSIF和FISP两个回波的相位差。从图1中可知，FISP回波在PSIF回波之前，回波时间较短，相位差Δφ也较小。
图2本发明优化后的3D双回波稳态自由进动序列图，在现有的3D双回波稳态自由进动序列图的基础上进行改进，具体地，在3D双回波稳态自由进动序列的RO方向上，增大读出预散相梯度的面积，使其满足以下公式：
其中，A为RO方向的读出预散相梯度，B为RO方向的读出梯度，C为RO方向的破坏梯度；γ为待扫描物中氢质子的磁旋比，Δx为RO方向的分辨率；n为自然数，n可根据重建图像中伪影的情况进行调节，n越大，回波间干涉伪影越少。
采用上述方法增大读出预散相梯度的面积后，使PSIF和FISP两个回波位置交换，即PSIF回波位于FISP回波之前，在相同的TR时间内TE显著增加，保证了两个回波都具有较强的磁敏感权重，并且，从图2中可以看到，PSIF和FISP两个回波的相位差Δφ也相应地增大。
本发明实施例还提供一种快速磁敏感加权成像方法，包括：
步骤101，使用优化后的3D双回波稳态自由进动序列，即本发明实施例提供的快速磁敏感加权成像扫描序列采集数据，获取FISP回波的K空间数据和PSIF回波的K空间数据；
步骤102，对所述FISP回波的K空间数据进行图像重建，获取第一复数图像MFISP；对所述PSIF回波的K空间数据进行图像重建，获取第二复数图像MPSIF；
步骤103，将所述第一复数图像MFISP和第二复数图像MPSIF合成，获取合成图像M；所述合成图像M的相位为所述第一复数图像MFISP的相位与所述第二复数图像MPSIF的相位的差值；
本步骤中，磁共振主磁场(包括磁敏感引起的静态场变化)在FISP回波中引起的相位，即第一复数图像MFISP的相位为：
φFISP＝γ·ΔB0·TE1 公式(3)
而磁共振主磁场(包括磁敏感引起的静态场变化)在PSIF回波中引起的相位，即第二复数图像MPSIF的相位为：
φPSIF＝-γ·ΔB0·TE2 公式(4)
公式(3)和公式(4)中，γ为磁旋比，ΔB0为磁场变化，TE1为FISP的回波时间，TE2为PSIF的回波时间。
上述两个相位相减，得到合成图像M的相位：
Δφ＝φFISP-φPSIF＝γ·ΔB0·(TE1+TE2) 公式(5)
可见，合成图像的相位与第一复数图像的相位或第二复数图像的相位相比，得到大幅度提高。
所述合成图像的幅值为所述第一复数图像的幅值，或者，所述合成图像的幅值为所述第二复数图像的幅值，或者，所述合成图像的幅值为所述第一复数图像的幅值与第二复数图像的幅值的平方和合成(Sum of Square Reconstruction,SoS)。平方和合成为磁共振成像中最常用的合成方法，其具体公式为
步骤104，对所述合成图像进行高通滤波，获取滤波后图像，滤波后图像主要保留了高频相位，记为φmask；
步骤105，对所述滤波后图像的相位φmask进行非线性变换，获取磁敏感相位增强图谱Mmask；
步骤106，根据所述磁敏感相位增强图谱Mmask和所述合成图像M的幅值，获取磁敏感加权图像，具体方法为：
MSWI＝(Mmask)m|M|m＝1,2,3,... 公式(6)
其中，MSWI为所述磁敏感加权图像，Mmask为所述磁敏感相位增强图谱，M为所述合成图像。
下面以实验来验证本发明的有益效果：
将本发明实施例所提供的序列和方法实施于奥泰1.5T全身磁共振系统上，采集了一个健康的志愿者头部数据，并同时扫描了传统的SWI序列作为对比。其中，本发明公式(2)中的n取1。具体扫描参数如下：视野尺寸200x220x120mm3,矩阵大小266x294x60,层方向过采样5％,层面内并行成像加速因子为2,FA/TR/TE1/TE2＝30°/30ms/20ms/20ms，而对传统的SWI序列该参数为FA/TR/TE＝20°/50ms/40ms。即保证两个序列具有相同的等效回波时间，且工作在最优激发翻转角下。传统的SWI中激发翻转角在20°左右最优，而本发明所述的序列的翻转角在30°左右最优。在图像的重建步骤中，合成图像M的幅值仅用了MFISP的幅值，这是因为MFISP受脑脊液流动影响小。在公式(6)中，m取3。
图4为本发明实施例中由第一复数图像和第二复数图像获得的磁敏感相位增强图谱(左图和中图)，以及由合成图像获得的磁敏感相位增强图谱(右图)之间的对比图。由图4可知，在由合成图像M得到的图谱中有更丰富的血管可见，说明本发明方法的等效回波时间增加，磁敏感权重相应增加。
图5为采用本发明实施例获取的磁敏感加权图像(左图)与采用现有技术获取的磁敏感加权图像(右图)的对比图。两幅图的静脉血管可见程度大致相当，而本发明方法可以节约40％左右的扫描时间。
本发明实施例提供的快速磁敏感加权成像扫描序列改进方法及成像方法，由于在RO方向上，增大了读出预散相梯度的面积，使PSIF和FISP两个回波的位置交换，即PSIF回波位于FISP回波之前，如此，保证了上述两个回波都具有较强的磁敏感权重，并且两个回波的相位反向。使用上述改进后的序列进行数据采集，获取PSIF和FISP两个回波的K空间数据，并分别重建出两个回波的复数图像，然后对两个复数图像进行合成、处理后得到磁敏感加权图像。其中，合成图像的相位是两个复数图像的相位差。由于两个回波的相位反向，即两个复数图像的相位反向，则合成图像的相位得到大幅度提升，而相位越大，磁敏感对比越强。由此可见，要获取同样的图像质量，本发明所采用的方法与现有技术相比，用较短的重复时间实现了较长的等效回波时间，因此扫描时间更短，从而提高了病人的舒适度、减少了重建图像中运动伪影的发生概率，在整体上提高了诊疗质量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种快速磁敏感加权成像扫描序列改进方法，包括：3D双回波稳态自由进动序列，其特征在于，改进方法为：在所述3D双回波稳态自由进动序列的RO方向上，增大读出预散相梯度的面积，使其满足以下公式：
其中，A为RO方向的读出预散相梯度，B为RO方向的读出梯度，C为RO方向的破坏梯度；γ为待扫描物中氢质子的磁旋比，Δx为RO方向的分辨率，n为自然数。
2.一种快速磁敏感加权成像方法，其特征在于，包括：
使用权利要求1所述的快速磁敏感加权成像扫描序列采集数据，获取FISP回波的K空间数据和PSIF回波的K空间数据；
对所述FISP回波的K空间数据进行图像重建，获取第一复数图像；对所述PSIF回波的K空间数据进行图像重建，获取第二复数图像；
将所述第一复数图像和第二复数图像合成，获取合成图像；所述合成图像的相位为所述第一复数图像的相位与所述第二复数图像的相位的差值；
对所述合成图像进行高通滤波，获取滤波后图像；
对所述滤波后图像的相位进行非线性变换，获取磁敏感相位增强图谱；
根据所述磁敏感相位增强图谱和所述合成图像的幅值，获取磁敏感加权图像。
3.根据权利要求2所述的快速磁敏感加权成像方法，其特征在于，所述合成图像的幅值为所述第一复数图像的幅值，或者，所述合成图像的幅值为所述第二复数图像的幅值。
4.根据权利要求2所述的快速磁敏感加权成像方法，其特征在于，所述合成图像的幅值为所述第一复数图像的幅值与第二复数图像的幅值的平方和合成。
5.根据权利要求3或4所述的快速磁敏感加权成像方法，其特征在于，所述根据所述磁敏感相位增强图谱和所述合成图像的幅值，获取磁敏感加权图像的方法为：
MSWI＝(Mmask)m|M|m＝1,2,3,...
其中，MSWI为所述磁敏感加权图像，Mmask为所述磁敏感相位增强图谱，M为所述合成图像。
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