CN109115820B - 基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法及装置，其中，方法包括：使用无变形的点扩散函数编码的平面回波成像序列进行数据采集得到多通道降采的k空间数据，并恢复得到完整的三维k空间数据，并进行三维逆傅里叶变换，通过通道合并得到三维幅值图像；从三维k空间数据抽取多个二维k空间数据，通过二维逆傅里叶变换得到复数图像并计算相应回波偏移时间；使用复数图像和回波偏移时间进行水脂分离和定量计算，以得水信号及各个频率峰值处的脂肪信号比例，并对三维幅值图像在相位编码方向进行加权平方和计算，以得到无变形的水相以及各脂肪相。该方法适用性强，采集效率高，无变形、无T2*模糊效应、高信噪比，简单易实现。

Description

基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法及装置

技术领域

本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法及装置。

背景技术

相关技术中，磁共振成像相对高亮的脂肪信号会影响组织结构的观察以及一些重要指标的计算，例如，ADC(Apparent diffusion coefficient，表观扩散系数)等；同时，脂肪含量本身也可以作为临床诊断指标，因此脂肪信号的分离或定量在临床中具有很重要的应用。为了消除脂肪信号的影响，压脂技术得到了广泛应用，临床中常用的压脂技术包括SPIR(spectral pre-saturation by inversion recovery，选择性部分反转恢复法)，SPAIR(spectral attenuated inversion recovery，频谱衰减反转恢复)，STIR(short TIinversion recovery，短TI反转恢复)，这些方法在某些情况下，尤其是在场不均匀性十分严重的区域，例如头颈区域，前额叶等，可能无法彻底的压制脂肪信号，特别地STIR还会造成信噪比低的问题。

发明内容

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现作出的：

EPI(Echo Planar Imaging，平面回波采集技术)的快速采集特点使其具有成像速度快，对运动不敏感等优势，在临床中得到了广泛应用，尤其是单次激发EPI，在一次RF(Radio Frequency，射频)激发后完成整个k空间的采集，在对成像速度要求高的应用中具有非常重要的价值，例如扩散成像、灌注成像、心脏成像以及实时成像等。然而，EPI采集也有它本身的不足，较长的读出时间会引入

衰减造成的模糊效应，相位编码方向的较低带宽会导致在磁介质率相差较大的不同组织交界处产生严重的图像变形以及脂肪信号相对水信号的更大的化学位移，从而影响重要组织结构的观察以及量化分析的结果。

单次激发EPI与并行采集技术的结合可以减少读出窗的长度以及ESP(effectiveecho spacing，有效回波间隔)，减少

模糊效应以及图像变形和化学位移现象，但是依然受限于加速倍数，同时会降低信噪比。多次激发EPI(MS-EPI)技术，例如iEPI(interleavedEPI)，读出分段EPI(readout-segmented EP，rsEPI)，PROPELLER-EPI等将整个k空间采集分为若干部分，可以在保持信噪比的条件下减少上述问题，但是依然无法完全消除EPI特有的变形伪影。基于点扩散函数编码(Point spread function，PSF)的EPI采集(PSF-EPI)为解决这些问题提供了一种有效方式，所得到的EPI完全无变形无T2*衰减引起的图像模糊，同时，tilted-CAIPI技术的采集加速大大提高了PSF-EPI的时间效率，具有很大的临床应用价值。

与一般压脂技术不同，水脂分离或定量技术在消除脂肪信号对水相的影响的同时，还可以用于脂肪定量分析，常用如Dixon方法，该方法利用水信号与脂肪信号共振频率的不同所导致的相位差异，采集不同回波时刻的图像，进而计算得出水相以及脂肪相。在此基础上发展出了多种水脂分离或定量方法，例如多点Dixon方法，迭代重建的IDEAL(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-square estimation)方法，Hernando-GC(Hernnado-GraphCut)方法，QPBO(quadraticpseudo boolean optimization)方法等。通过多次回波采集(如FFE(fast field echo，多回波的快速梯度回波))或者多次偏移读出窗口采集(如FSE(fast spin echo，多采集的快速自旋回波))，计算得出水脂信号成分。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法，该方法可以有效提高分离和定量的适用性，采集效率高，无变形、无T2*模糊效应、高信噪比，简单易实现。

本发明的另一个目的在于提出一种基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法，包括以下步骤：使用无变形的点扩散函数编码的平面回波采集成像序列PSF-EPI进行数据采集，以得到多通道降采的k空间数据，根据所述k空间数据通过tilted-CAIPI恢复得到完整的三维k空间数据；使用所述三维k空间数据进行三维逆傅里叶变换，并通过通道合并得到三维幅值图像；从所述三维k空间数据抽取多个二维k空间数据，通过二维逆傅里叶变换得到复数图像并计算相应回波偏移时间；对所述复数图像和回波偏移时间进行水脂分离和定量计算，以得到每个像素中水信号和每个频率峰值处的脂肪信号比例；根据所述水信号及每个频率峰值处的脂肪信号比例对所述三维幅值图像在相位编码方向进行加权平方和计算，以得到无变形的水相以及各脂肪相。

本发明实施例的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法，通过PSF编码的EPI采集无变形解剖结构图像或扩散图像，并将水脂分离或定量技术与其相结合，可以不需要额外采集数据或偏移数据读出窗口，便得到水脂分离后的图像或者脂肪百分比，直接同时计算得出水脂成分，从而有效提高分离和定量的适用性，采集效率高，无变形、无T2*模糊效应、高信噪比，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据tilted-CAIPI恢复三维k空间数据，进一步包括：将相位编码方向和所述点扩散函数编码方向的所述多通道降采的k空间数据同时进行重建得到所述三维k空间数据，其中，重建过程为：

其中，d_i(a,b,c)是在(a,b,c)处第i个线圈需要被插值的数据，d_i′(a′,b′,c′)是在kernelK中采集到的数据，w为估计得到的插值权重系数，N_c是线圈数目。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三维幅值图像的三维幅值数据为：

I(s,y)＝ρ(s)H(s,y)，

其中，H(s,y)为点扩散函数，图像域内s，y分别对应k空间域的k_s，k_y方向，ρ(s)为无变形的图像信号强度，δ为冲激函数，Δ(s)为图像变形所导致的点扩散函数偏移。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述回波偏移时间为：

其中，

为基础的单次激发EPI序列的有效回波间隔，n为所抽取的二维k空间数据在相位编码方向的编码步数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述每个像素中水信号为：

其中，ρ_W,q以及ρ_F,q分别代表像素点q处的水信号以及脂肪信号成分，f_B,q为该处的场强偏移量，

分别为G种脂肪信号成分相对水信号的共振频率偏移，α_g为第g种成分在脂肪信号中的比重。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述水相以及各脂肪相为：

其中，*代表共轭操作，不同峰值处的脂肪相依次计算为

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置，包括：采集模块，用于采用无变形的点扩散函数编码的平面回波采集成像序列PSF-EPI进行数据采集，以得到多通道降采的k空间数据，并根据所述k空间数据通过tilted-CAIPI恢复得到三维k空间数据；变换合并模块，用于对所述k空间数据进行三维逆傅里叶变换，并通过通道合并得到三维幅值图像；抽取模块，用于从所述三维k空间数据抽取多个二维k空间数据，通过二维逆傅里叶变换得到复数图像并计算相应的回波偏移时间；分离与计算模块，用于使用所述复数图像和回波偏移时间进行水脂分离和定量计算，以得到每个像素中水信号和每个频率峰值处的脂肪信号比例；计算模块，用于根据所述水信号及每个频率峰值处的脂肪信号比例对所述三维幅值图像在相位编码方向进行加权平方和计算，以得到无变形的水相以及各脂肪相。

本发明实施例的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置，通过PSF编码的EPI采集无变形解剖结构图像或扩散图像，并将水脂分离或定量技术与其相结合，可以不需要额外采集数据或偏移数据读出窗口，便得到水脂分离后的图像或者脂肪百分比，直接同时计算得出水脂成分，从而有效提高分离和定量的适用性，采集效率高，无变形、无T2*模糊效应、高信噪比，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述采集模块进一步用于将相位编码方向和所述点扩散函数编码方向的所述多通道降采的k空间数据同时进行重建得到所述三维k空间数据，其中，重建过程为：

其中，d_i(a,b,c)是在(a,b,c)处第i个线圈需要被插值的数据，d_i′(a′,b′,c′)是在kernelK中采集到的数据，w为估计得到的插值权重系数，N_c是线圈数目。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三维幅值图像的三维幅值数据为：

I(s,y)＝ρ(s)H(s,y)，

其中，H(s,y)为点扩散函数，图像域内s，y分别对应k空间域的k_s，k_y方向，ρ(s)为无变形的图像信号强度，δ为冲激函数，Δ(s)为图像变形所导致的点扩散函数偏移。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述回波偏移时间为：

其中，

为基础的单次激发EPI序列的有效回波间隔，n为所抽取的二维k空间数据在相位编码方向上的编码步数；所述每个像素中水信号为：

其中，ρ_W,q以及ρ_F,q分别代表像素点q处的水信号以及脂肪信号成分，f_B,q为该处的场强偏移量，

分别为G种脂肪信号成分相对水信号的共振频率偏移，α_g为第g种成分在脂肪信号中的比重；所述水相以及各脂肪相为：

其中，*代表共轭操作，不同峰值处的脂肪相依次计算为

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法的流程图；

图2为根据本发明一个具体实施例的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法的流程图；

图3为根据本发明一个实施例的点扩散函数编码的平面回波采集磁共振成像扫描序列示意图；

图4为根据本发明一个实施例的幅值图像获取流程图；

图5为根据本发明一个实施例的二维空间数据抽取流程图；

图6为根据本发明一个实施例的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法。

图1是本发明一个实施例的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法的流程图。

如图1所示，该基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法包括以下步骤：

在步骤S101中，使用无变形的点扩散函数编码的平面回波采集成像序列PSF-EPI进行数据采集，以得到多通道降采的k空间数据，并根据k空间数据通过tilted-CAIPI恢复得到完整的三维k空间数据。

可以理解的是，如图2所示，本发明实施例使用基于PSF编码的EPI成像序列进行数据采集，获取多通道降采的k空间数据，并使用tilted-CAIPI技术对降采样的k空间信号进行恢复，获得完整的PSF编码的三维k空间数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据tilted-CAIPI恢复三维k空间数据，进一步包括：将相位编码方向和点扩散函数编码方向的多通道降采的k空间数据同时进行重建得到三维k空间数据，其中，重建过程为：

其中，d_i(a,b,c)是在(a,b,c)处第i个线圈需要被插值的数据，d_i′(a′,b′,c′)是在kernelK中采集到的数据，w为估计得到的插值权重系数，N_c是线圈数目。

具体而言，点扩散函数编码的磁共振成像扫描序列如图3所示(以自旋回波的扩散磁共振成像举例)，在传统的单次激发EPI序列的相位编码之前会施加一个额外的点扩散函数相位编码，其k空间编码间隔应与基础的EPI相位编码保持一致，编码范围取决于需求的图像分辨率，从而采集得到的k空间数据将存在三个维度，分别为读出方向k_x，EPI相位编码方向(简称EPI-PE)k_y，点扩散函数相位编码方向(简称PSF-PE)k_s。针对扩散磁共振成像，为了进行重建过程中的相位矫正，在成像回波之后，可施加180°回聚脉冲以采集二维导航回波信号。PSF-PE编码方向的并行成像加速倍数可以使用如10倍、14倍、18倍等，EPI-PE编码方向的并行成像加速倍数可以使用如2倍、4倍等，同时在PSF-PE及EPI-PE方向均可以实施部分傅里叶采集，本发明实施例对成像加速倍数及部分傅里叶采集比例不加限制。

高倍降采的PSF编码的EPI成像数据恢复采用tilted-CAIPI技术。该方法将相位编码和PSF编码方向的降采数据同时进行重建，如图4A所示，重建过程可以被表示为：

该式中d_i(a,b,c)是在(a,b,c)(对应k_x,k_y,k_s)处第i个线圈需要被插值的数据；d_i′(a′,b′,c′)是在kernelK中采集到的数据，w为估计得到的插值权重系数，N_c是线圈数目。在此重建中使用的权重w包含了线圈敏感度信息，以及相位编码和PSF编码方向的相关性信息(磁场不均匀性信息)。为了训练得到该权重，需要采集校准数据。校准数据需要在PSF和相位编码方向满采样，或者恢复为满采样，并提供足够的数据来进行kernel计算，由于所采集的k空间数据在对角线方向具有最高的相关性，所以插值的kernel沿对角线方向，如图4A所示。插值完成后，可以使用如POCS方法进行三维部分傅里叶重建。Tilted-CAIPI技术能够将PSF-EPI序列加速20倍以上，实现4-8次激发的高分辨率无几何失真成像。

本发明实施例所采用的基于EPI的成像序列不局限于实施例中的自旋回波EPI采集(SE-EPI)，亦可以使用梯度回波EPI采集(GE-EPI)，反转恢复回波EPI采集(IR-EPI)，受激回波EPI采集(STEAM EPI)等；本发明对成像对比度不加限制，包括各种T1加权、T2加权、T2^*加权、质子密度(PD)加权、扩散加权(DWI)等；本发明实施例也可使用的扩散成像的扩散准备序列不局限于实施例中的PGSE(pulsed gradient spin echo，脉冲梯度自旋回波序列)，亦可以使用STE(simulated echo，受激回波扩散准备序列)，OGSE(oscillating gradientspin echo，振荡梯度自旋回波扩散准备序列)，DDE(double diffusion encoding，双重扩散编码扩散准备序列)，CODE(convex optimized diffusion encoding，凸优化扩散编码扩散准备序列)等；本发明实施例中扩散磁共振成像的相位矫正的方式不局限于实施例中的额外采集导航回波数据方法，亦可以采用自导航的重建方式(由降采数据自身重建得到低分辨率图像利用其相位信息用于相位矫正)等，在此不做具体限定。

在步骤S102中，对三维k空间数据进行三维逆傅里叶变换，并通过通道合并得到三维幅值图像。

可以理解的是，如图2所示，本发明实施例对重建得到的k空间数据进行三维逆傅里叶变换并使用通道合并获取包含PSF信息的幅值图像。

进一步地，在本发明的一个实施例中，三维幅值图像的三维幅值数据为：

I(s,y)＝ρ(s)H(s,y)，

其中，H(s,y)为点扩散函数，图像域内s，y分别对应k空间域的k_s，k_y方向，ρ(s)为无变形的图像信号强度，δ为冲激函数，Δ(s)为图像变形所导致的点扩散函数偏移。

具体而言，对降采恢复之后的k空间数据进行三维逆傅里叶变换并使用通道合并，由于读出方向独立于EPI-PE及PSF-PE方向，所得到的三维幅值数据可以简化表示为：

I(s,y)＝ρ(s)H(s,y)， [2]

其中：

即为点扩散函数。图像域内s，y分别对应k空间域的k_s，k_y方向，ρ(s)为无变形的图像信号强度，δ为冲激函数，Δ(s)为图像变形所导致的点扩散函数偏移，如图4B所示。对该幅值图像按下式分别沿y方向和s方向进行积分可以得到无变形及有变形的图像，如图4C所示：

I(s)＝∫I(s,y)dy， [4]

I(y)＝∫I(s,y)ds， [5]

本发明实施例不限制所采用的通道合并方法，本领域技术人员可以根基实际情况选择相应的方法，例如，对多次激发的多通道的图像域数据进行合并的方法主要包括平方和SOS方法、最优化信噪比方法、自适应重建ACC方法、主成分分析PCA方法和奇异值分解SVD方法等，在此不做具体限定。本发明实施例可通过但并不限于上述任意一种方法将所有多次激发的多通道的图像域数据合并为一幅图像。

在步骤S103中，从三维k空间数据抽取多个二维k空间数据，并通过二维逆傅里叶变换得到复数图像并计算相应回波偏移时间。

可以理解的是，如图2所示，从恢复的三维k空间数据中使用全部或抽取若干用于水脂分离或定量的二维k空间数据(例如，5或7个)，通过二维逆傅里叶变换获得相应的复数图像并计算对应的回波偏移时间。

进一步地，在本发明的一个实施例中，回波偏移时间为：

其中，

为基础的单次激发EPI序列的有效回波间隔，n为抽取的二维k空间数据在相位编码方向上的编码步数。

具体而言，考虑重建恢复的三维k空间数据，对于每个EPI相位编码步骤nΔk_y而言，其中n为编码步数，Δk_y为编码间隔(如图5A所示，以最大编码步数N为6举例，n的取值范围为-6至6)，k_x-k_s平面可以看成一个传统的二维k空间数据，以

表示。同时，对于该二维k空间而言，沿着其相位编码方向即PSF-PE方向的采样间隔为0，因此由其经过逆傅里叶变换得到的图像不存在变形，且不会发生水信号与脂肪信号的化学位移。对于EPI-PE编码步骤为n处的二维k空间数据，其相对于回波时刻(TE)的偏移时间可以由下式计算：

其中，

为基础的单次激发EPI序列的有效回波间隔(echo spacing)，可以抽取若干不同n处的二维k空间数据，利用其回波时间偏移进行水脂分离或定量。与传统的水脂分离或定量过程相同，本实施例仅需要有限个回波时刻的图像，例如5或7个，记为L。注意到不同EPI-PE编码处的二维k空间数据在PSF-PE方向的编码范围不同，因此需要对所选用的二维k空间数据进行处理。考虑L个二维k空间数据分别位于EPI-PE编码步数为

处，可记为

PSF-PE方向的相位编码可以表示为mΔk_s，其中Δk_s为该方向的编码间隔，应与Δk_y相同，m为编码步数(如图5A所示，以最大编码步数M为6举例，m的取值范围为-6至6)。因此，对于EPI-PE编码步数为n处的二维k空间数据，PSF-PE方向的k空间中心处于m＝-n处，如图5A中黑色实心点所示，实际编码步数范围为n-M到n+M。所选用的L个二维k空间数据在PSF-PE方向的共同编码步数范围为：

从

中分别提取该编码部分的数据并通过填零操作实现与设计的PSF EPI成像相同的分辨率，结果可记为

如图5B所示为例，在图5A中选用EPI-PE编码步数分别为0，1，2的三个回波时刻的k空间数据(虚线框内)，经过上述操作之后的

如图5B中实线框所表示，其中纹理点表示经过填零的k空间数据。对

进行二维逆傅里叶变换可得到图像域数据

相应的回波时刻偏移分别为

如前，

均为无变形且不存在化学位移的图像，同时在扩散成像场合中的不同回波时刻之间扩散磁共振成像中运动所导致的相位误差已经在(1)中的tilted-CAIPI重建过程中消除，从而可以简化水脂分离或定量算法中的信号模型，如下式表示：

其中，ρ_W(x)为位于x处的水信号成分，ρ_F(x)为位于x处的脂肪信号成分，f_B(x)为该处的场不均匀性，f_F为脂肪信号相对水信号的共振频率偏移，t_n为不同的回波偏移时间，s(x；t_n)为回波偏移为t_n时位于x处的图像信号。

在步骤S104中，使用复数图像和回波偏移时间进行水脂分离和定量计算，以得到每个像素中水信号和每个频率峰值处的脂肪信号比例。

可以理解的是，如图2所示，本发明实施例使用步骤S103中获得的复数图像以及对应的回波偏移时间采用水脂分离或定量方法进行水脂分离以及定量计算，计算得到每个像素中水信号和各频率峰值处的脂肪信号的各自比例。

进一步地，在本发明的一个实施例中，每个像素中水信号为：

其中，ρ_W,q以及ρ_F,q分别代表像素点q处的水信号以及脂肪信号成分，f_B,q为该处的场强偏移量，

分别为G种脂肪信号成分相对水信号的共振频率偏移，α_g为第g种成分在脂肪信号中的比重。

具体而言，如上述介绍可以得到L个位于不同回波时刻的图像

及相应的回波时刻偏移量

即可以使用一般的水脂分离与定量方法进行处理。同时，考虑到实际情况中脂肪信号的共振谱具有多个峰值(常用3个或6个，以G表示)，并进一步考虑信号的

衰减，公式8中的信号模型可以得到扩充，对某一回波时刻

任一像素点处的信号表示为：

其中，ρ_W,q以及ρ_F,q分别代表像素点q处的水信号以及脂肪信号成分，f_B,q为该处的场强偏移量，

分别为G种脂肪信号成分相对水信号的共振频率偏移，α_g为第g种成分在脂肪信号中的比重，

可以使用已知的不同脂肪信号比例统计值作为α_g，此时仅需拟合ρ_W,q，ρ_F,q和f_B,q，需求的回波数L≥3，亦可以当成未知数同时独立拟合得到ρ_W,q，

和f_B,q，需求的回波数L≥G+2，通过归一化G种脂肪信号成分，可以得出不同种类脂肪信号的比例分布图α_g。

本发明实施例不限制所采用的水脂分离方法，常用的水脂分离及定量计算方法有：IDEAL(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry andleast-square estimation)方法，Hierarchical IDEAL方法，MAX-IDEAL方法，QPBO(quadratic pseudoboolean optimization)方法，QPBO-GC(quadratic pseudo booleanoptimization graph cut)方法，Hernando-GC(Graph Cut)方法，ASR(a safest-firstregion-growing)方法，MRGS(multi-resolution golden section search)等。本发明实施例可通过但并不限于上述任意一种方法进行水脂分离以及定量计算。

在步骤S105中，根据水信号及每个频率峰值处的脂肪信号比例对三维幅值图像在相位编码方向进行加权平方和计算，以得到无变形的水相以及各脂肪相。

可以理解的是，如图2所示，本发明实施例利用计算得到的水脂信号比例对步骤S102中的三维幅值图像在相位编码方向进行加权平方和计算，从而得到无变形的水相以及各脂肪相。

进一步地，在本发明的一个实施例中，水相以及各脂肪相为：

其中，*代表共轭操作，不同峰值处的脂肪相依次计算为

具体而言，为了进一步提高图像的信噪比，按照步骤S104中计算得出水、脂信号成分后，可以计算出各像素点水信号与各峰值处脂肪信号的定量比重，分别为

使用该权重分别对步骤S102中所得到的三维幅值数据沿y方向按下式进行加权平方求和(SOS)操作，可以得到高信噪比的无变形的水相I_W(s)以及脂肪相I_F(s)：

其中，*代表共轭操作，不同峰值处的脂肪相可以依次计算为：

综上，本发明实施例将PSF-EPI采集技术与水脂分离或定量方法相结合，无需额外的回波采集或偏移读出窗口采集，利用所采集的PSF-EPI数据本身，提取可用于水脂分离或定量的回波信号，使用前述的常用技术进行水脂分离和定量。本发明实施例方法继承了EPI的快速采集优势以及PSF-EPI的无变形、无T2*模糊效应、高信噪比等优点，可以在PSF-EPI的各种成像场合(如各种解剖结构像、扩散成像等)直接计算得出各水脂成分，用于脂肪定量分析或者去除脂肪信号对各种定量分析的影响，如扩散系数ADC和各向异性FA等。

根据本发明实施例提出的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法，通过PSF编码的EPI采集无变形解剖结构图像或扩散图像，并将水脂分离或定量技术与其相结合，可以不需要额外采集数据或偏移数据读出窗口，便得到水脂分离后的图像或者脂肪百分比，直接同时计算得出水脂成分，从而有效提高分离和定量的适用性，采集效率高，无变形、无T2*模糊效应、高信噪比，简单易实现。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置。

图6是本发明一个实施例的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置的结构示意图。

如图6所示，该基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置10包括：采集模块100、变换合并模块200、抽取模块300、分离与计算模块400和计算模块500。

其中，采集模块100用于采用无变形的点扩散函数编码的平面回波采集成像序列PSF-EPI进行数据采集，以得到多通道降采的k空间数据，并根据k空间数据通过tilted-CAIPI恢复得到三维k空间数据。变换合并模块200用于对三维k空间数据进行三维逆傅里叶变换，并通过通道合并得到三维幅值图像。抽取模块300用于从三维k空间数据抽取多个二维k空间数据，通过二维逆傅里叶变换得到复数图像并计算相应的回波偏移时间。分离与计算模块400用于使用复数图像和回波偏移时间进行水脂分离和定量计算，以得到每个像素中水信号和每个频率峰值处的脂肪信号比例。计算模块500用于根据水信号及每个频率峰值处的脂肪信号比例对三维幅值图像在相位编码方向进行加权平方和计算，以得到无变形的水相以及各脂肪相。本发明实施例的装置10通过PSF编码的EPI采集无变形解剖结构图像或扩散图像，并将水脂分离或定量技术与其相结合，从而有效提高分离和定量的适用性，采集效率高，无变形、无T2*模糊效应、高信噪比，简单易实现。

进一步地，在本发明的一个实施例中，采集模块100进一步用于将相位编码方向和点扩散函数编码方向的多通道降采的k空间数据同时进行重建得到三维k空间数据，其中，重建过程为：

其中，d_i(a,b,c)是在(a,b,c)处第i个线圈需要被插值的数据，d_i′(a′,b′,c′)是在kernelK中采集到的数据，w为估计得到的插值权重系数，N_c是线圈数目。

进一步地，在本发明的一个实施例中，三维幅值图像的三维幅值数据为：

I(s,y)＝ρ(s)H(s,y)，

其中，H(s,y)为点扩散函数，图像域内s，y分别对应k空间域的k_s，k_y方向，ρ(s)为无变形的图像信号强度，δ为冲激函数，Δ(s)为图像变形所导致的点扩散函数偏移。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，回波偏移时间为：

其中，

为基础的单次激发EPI序列的有效回波间隔，n为抽取的二维k空间数据在相位编码方向上的编码步数；每个像素中水信号为：

其中，ρ_W,q以及ρ_F,q分别代表像素点q处的水信号以及脂肪信号成分，f_B,q为该处的场强偏移量，

分别为G种脂肪信号成分相对水信号的共振频率偏移，α_g为第g种成分在脂肪信号中的比重；水相以及各脂肪相为：

其中，*代表共轭操作，不同峰值处的脂肪相依次计算为

需要说明的是，前述对基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置，通过PSF编码的EPI采集无变形解剖结构图像或扩散图像，并将水脂分离或定量技术与其相结合，可以不需要额外采集数据或偏移数据读出窗口，便得到水脂分离后的图像或者脂肪百分比，直接同时计算得出水脂成分，从而有效提高分离和定量的适用性，采集效率高，无变形、无T2*模糊效应、高信噪比，简单易实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用无变形的点扩散函数编码的平面回波成像序列PSF-EPI进行数据采集，以得到多通道降采样的k空间数据，并通过tilted-CAIPI恢复得到完整的三维k空间数据，其中，根据所述tilted-CAIPI恢复三维k空间数据，进一步包括：将相位编码方向和所述点扩散函数编码方向的所述多通道降采样的k空间数据同时进行重建得到所述三维k空间数据；

对所述三维k空间数据进行三维逆傅里叶变换，并通过通道合并得到三维幅值图像；

从所述三维k空间数据抽取多个二维k空间数据，通过二维逆傅里叶变换得到复数图像并计算相应回波偏移时间；

使用所述复数图像和回波偏移时间进行水脂分离和定量计算，以得到每个像素中水信号和每个频率峰值处的脂肪信号比例；以及

根据所述水信号及每个频率峰值处的脂肪信号比例对所述三维幅值图像在相位编码方向进行加权平方和计算，以得到无变形的水相以及各脂肪相。

2.根据权利要求1所述的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法，其特征在于，其中，重建过程为：

其中，d_i(a，b，c)是在(a，b，c)处第i个线圈需要被插值的数据，d_i′(a′，b′，c′)是在kernelK中采集到的数据，w为估计得到的插值权重系数，N_c是线圈数目。

3.根据权利要求1所述的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法，其特征在于，所述三维幅值图像的三维幅值数据为：

I(s，y)＝ρ(s)H(s，y)，

其中，H(s，y)为点扩散函数，图像域内s，y分别对应k空间域的ks，k_y方向，ρ(s)为无变形的图像信号强度，δ为冲激函数，Δ(s)为图像变形所导致的点扩散函数偏移。

4.根据权利要求1所述的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法，其特征在于，所述回波偏移时间为：

其中，

为基础的单次激发EPI序列的有效回波间隔，n为所抽取的二维k空间数据在相位编码方向的编码步数。

5.根据权利要求1所述的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法，其特征在于，所述每个像素中水信号为：

其中，ρ_W，q以及ρ_F，q分别代表像素点q处的水信号以及脂肪信号成分，f_B，q为该处的场强偏移量，

分别为G种脂肪信号成分相对水信号的共振频率偏移，α_g为第g种成分在脂肪信号中的比重。

6.根据权利要求5所述的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量方法，其特征在于，所述水相以及各脂肪相为：

其中，*代表共轭操作，不同峰值处的脂肪相依次计算为

7.一种基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于根据采用无变形的点扩散函数编码的平面回波采集成像序列PSF-EPI进行数据采集，以得到多通道降采样的k空间数据，并根据所述k空间数据通过tilted-CAIPI恢复得到三维k空间数据，其中，所述采集模块进一步用于将相位编码方向和所述点扩散函数编码方向的所述多通道降采样的k空间数据同时进行重建得到所述三维k空间数据；

变换合并模块，用于对所述三维k空间数据进行三维逆傅里叶变换，并通过通道合并得到三维幅值图像；

抽取模块，用于从所述三维k空间数据抽取多个二维k空间数据，通过二维逆傅里叶变换得到复数图像并计算相应回波偏移时间；

分离与计算模块，用于使用所述复数图像和回波偏移时间进行水脂分离和定量计算，以得到每个像素中水信号和每个频率峰值处的脂肪信号比例；以及

计算模块，用于根据所述水信号及每个频率峰值处的脂肪信号比例对所述三维幅值图像在相位编码方向进行加权平方和计算，以得到无变形的水相以及各脂肪相。

8.根据权利要求7所述的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置，其特征在于，其中，重建过程为：

其中，d_i(a，b，c)是在(a，b，c)处第i个线圈需要被插值的数据，d_i′(a′，b′，c′)是在kernelK中采集到的数据，w为估计得到的插值权重系数，N_c是线圈数目。

9.根据权利要求7所述的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置，其特征在于，所述三维幅值图像的三维幅值数据为：

I(s，y)＝ρ(s)H(s，y)，

其中，H(s，y)为点扩散函数，图像域内s，y分别对应k空间域的k_s，k_y方向，ρ(s)为无变形的图像信号强度，δ为冲激函数，Δ(s)为图像变形所导致的点扩散函数偏移。

10.根据权利要求7所述的基于平面回波成像的磁共振水脂分离和定量装置，其特征在于，其中，

所述回波偏移时间为：

其中，

为基础的单次激发EPI序列的有效回波间隔，n为所抽取的二维k空间数据在相位编码方向的编码步数；

所述每个像素中水信号为：

其中，ρ_W，q以及ρ_F，q分别代表像素点q处的水信号以及脂肪信号成分，f_B，q为该处的场强偏移量，

分别为G种脂肪信号成分相对水信号的共振频率偏移，α_g为第g种成分在脂肪信号中的比重；

所述水相以及各脂肪相为：

其中，*代表共轭操作，不同峰值处的脂肪相依次计算为

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