CN109696647A - 三维多次激发扩散加权成像的k空间采集方法及重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维多次激发扩散加权成像的K空间采集方法及重建方法，基于三维轮式放射状EPI采集方式，每次激发后通过EPI方式采集三维轮式放射状K空间中的一个面，然后旋转读出梯度，再下一个角度继续激发和采集，完成一个三维轮式放射状K空间的采集；重建时，首先进行相位校正，然后对每次激发采集的数据进行二维傅里叶重建并取其模值，丢弃相位，获得一个无相位的三维放射状投影空间，最后对该投影空间逐层进行重建，得到三维的扩散加权成像。本发明可大大缩短扫描时间，重建运算量小，在重建过程中完全不受多次激发引入的随机相位的影响，稳定性好且不限激发次数，可以获得三维各向同性高分辨率扩散加权图像以及高b值三维扩散加权成像等。

Description

三维多次激发扩散加权成像的K空间采集方法及重建方法

技术领域

本发明涉及核磁共振成像技术领域，尤其涉及三维多次激发扩散加权成像的K空间采集方法及重建方法。

背景技术

扩散加权成像(Diffusion Weighted Imaging,DWI)是一种在分子水平上无创地反映活体水分子扩散运动的成像方法，是目前活体测量水分子扩散运动的唯一影像手段。扩散加权成像主要依赖于水分子的运动而非组织的质子密度、T1或T2弛豫时间。扩散加权成像适用于活体细胞水平探测生物组织的微动态和微结构变化，在肿瘤的良恶性鉴别、疗效评估和预测起着举足轻重的作用。

目前，临床上使用的扩散成像方法通常是二维单次激发平面回波成像(EchoPlanar Imaging，简称EPI)。二维单次激发EPI成像的特点是扫描时间短，受被试者的运动影响较小。然而，二维单次激发成像技术也有它本身的不足。第一，由于沿着相位编码方向的采集带宽较小，在磁介质率相差较大的不同组织交界处会产生较严重的图像变形；第二，单次激发方式获取高分辨率图像时，需要长回波链，长回波链意味着大的T2衰减，会导致图像模糊以及极大降低性噪比；第三，二维激发方式在层面方向分辨率有限，一般在4mm以上，否则在获取高分辨率图像时性噪比极低。

为了减小图像变形，提高图像分辨率和信噪比，近年来提出了多次激发三维扩散成像。多次激发通过减小每次激发采集的相位编码的数目，提高相位编码方向采集带宽，因而能有效减少图像变形，达到较大的采集矩阵，提高空间分辨率。不过，因为施加了扩散梯度，病人自主运动，生理运动以及机械振动，会导致质子无法完全聚相，致使每次激发过程中图像会产生一个随机的相位误差。

目前可通过在图像域进行相位校正，以去除多次激发扩散成像中的相位误差。图像域的相位校正方法主要有两类，第一类是每次激发成像完毕前额外采集导航数据，获得每次激发的相位信息，从而在重建过程中把相位移除。该类方法存在的主要缺陷是，导航数据与成像数据采集带宽无法做到完全一样，从而引起导航数据和成像数据的畸变不一致，就会影响最终的图像质量。第二类称为多路复用灵敏度编码方法(Multiplexedsensitivity encoding，MUSE)，即将其中每一次激发采集的数据，利用并行成像方法恢复出全采集的图像，然后在图像域去除相位。该类方法会随着激发次数的增加，稳定性和性噪比急遽下降，因此难以获得三维高分辨率扩散成像，同时该类方法运算量极大，重建时间一般长达数十分钟至数小时。

多次激发三维扩散成像的技术难点是如何消除扩散梯度引入的随机相位对重建的影响。采用放射状K空间采样和滤波反投影重建扩散加权成像，可以消除扩散梯度引入的随机相位，减小运动伪影。现有的该类技术中，一次激发只采集1到3个回波，得到放射状K空间中的1到3条放射状K空间线。若要增加回波数目，每个回波对应的读出梯度都需要梯度回绕并旋转一个角度，这样的读出梯度形式极其复杂，难以校准，从而难以保证图像质量，并且梯度效率低。现有的该类技术要填满整个K空间，二维成像需要上百个重复周期(TR)，三维成像需要上千个重复周期(TR)，扫描时间会长达数小时，因此没有得到实际应用。

发明内容

本发明旨在提供三维多次激发扩散加权成像的K空间采集方法及重建方法，在重建过程中不受多次激发引入的随机相位的影响，可稳定获得三维扩散加权成像。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

三维多次激发扩散加权成像的K空间采集方法，基于三维轮式放射状EPI采集方式，每次激发后通过EPI方式采集三维轮式放射状K空间中的一个面，然后旋转读出梯度，在下一个角度继续激发和采集，直至完成一个三维轮式放射状K空间的采集。

具体包括以下步骤，

步骤1，射频通道依次发射激发脉冲、第一回聚脉冲和第二回聚脉冲，相应的在逻辑坐标系中依次施加第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度；

在激发脉冲后施加正向第一扩散梯度；在第一回聚脉冲后，施加反向第二扩散梯度，紧接着施加正向的第三扩散梯度；在第二回聚脉冲后施加反向第四扩散梯度；

步骤2，在施加完扩散梯度后，在Z轴方向施加层选编码梯度，在X，Y轴施加EPI读出梯度；在多次激发时，层选编码梯度保持不变，仅旋转读出梯度X和读出梯度Y，采集得到多个旋转角度的轮式放射状EPI数据。

其中，扩散梯度根据扩散梯度编码方向，施加在三个轴中的任意一个轴或多个轴。

进一步的，在逻辑坐标系中的Z轴依次施加第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度；

或者在逻辑坐标系中的Z轴施加第一层选梯度，在X轴施加第二层选梯度，在Y轴施加第三层选梯度。

三维多次激发扩散加权成像的重建方法，包括以下步骤；

第一步,利用上述的K空间采集方法采集三维放射状K空间数据；

第二步,根据EPI读出轨迹进行网格化插值；

第三步，利用参考扫描数据对单次激发数据进行EPI相位矫正；

第四步，对单次激发对应的数据进行二维傅里叶重建；

第五步，将第四步的重建结果取模值，得到不含相位信息的投影数据集；

第六步，逐层进行基于投影数据的二维重建，得到了三维的扩散加权图像。

其中，所述第三步中，将参考扫描获得的数据进行拟合，获得0阶和1阶相位，并从实际扫描数据中将0阶和1阶相位减去。

进一步的，第六步中对投影数据逐层进行滤波反投影重建，或迭代重建，或基于深度学习的反投影重建，得到三维的扩散加权成像。

进一步的，所述第二步包括以下步骤，对于每一次激发，采集到的K空间数据，按照EPI读出轨迹，填充于该放射状角度所对应的一个平面内。

其中，所述第三步中参考扫描数据的采集方法包括以下步骤，

步骤1，射频通道依次发射激发脉冲、第一回聚脉冲和第二回聚脉冲，相应的在逻辑坐标系中的Z轴依次施加第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度；其中，激发脉冲，第一回聚脉冲，第二回聚脉冲，第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度，所有的参数均与第一步中保持一致；

步骤2，在X，Y轴施加EPI读出梯度；

选择在N个放射状角度下采集参考扫描，旋转读出梯度X和读出梯度Y，采集得到若干个旋转角度的轮式放射状EPI数据；

其中，N＝2～n,n为填满K空间所需的放射状射线总数目,若参考扫描的旋转角度数目少于实际扫描的旋转角度，则通过余弦插值的方式插值得到实际扫描旋转角度下的参考数据。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，相对于传统的放射状K空间采集方式，本发明可大大缩短扫描时间；

第二、本发明在重建过程中完全不受多次激发引入的随机相位的影响，可稳定地获得三维扩散加权成像；其稳定性好，不限激发次数，从而可以获得三维各向同性高分辨率扩散加权图像以及高b值三维扩散加权成像等；

第三，本发明只需要简单的傅里叶重建和基于投影数据的重建，相对于现有的相位消除技术，重建运算量小。

附图说明

图1是三维轮式放射状K空间采集方式的扫描梯度/射频序列示意图；

图2是三维轮式放射状K空间参考扫描的扫描梯度/射频序列示意图；

图3是小视野三维轮式放射状K空间采集方式的扫描梯度/射频序列示意图；

图4是三维轮式放射状K空间数据填充方式示意图；

图5是三维多次激发扩散加权成像的重建方法的流程图；

图6是利用本发明获得的健康志愿者三维全脑扩散加权图像；其中，a为横断位视野中典型的层面，b为3平面视野；

图7是利用本发明获得的健康志愿者前列腺小视野三维扩散加权图像及其ADC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。

本实施例公开的三维多次激发扩散加权成像的K空间采集方法，基于三维轮式放射状(3D Stack of Star)EPI采集方式，每次激发后通过EPI方式采集三维轮式放射状K空间中的一个面，然后旋转读出梯度，在下一个角度继续激发和采集，直至完成一个三维轮式放射状K空间的采集。这种采样方式具有以下优点，其一是可以适用无相位的重建方法，其二是采用了EPI读出，大大降低了放射状采集方式扫描时间长的缺点，其三是在单次激发内，读出梯度无需回绕和旋转，轨迹的校正更简单可靠，梯度使用效率也更高。

具体包括以下步骤，结合如图1进行介绍；

步骤1，射频通道依次发射激发脉冲、第一回聚脉冲和第二回聚脉冲，相应的在逻辑坐标系(图像坐标系)的Z轴依次施加第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度；

在激发脉冲后施加正向第一扩散梯度；在第一回聚脉冲后，施加反向第二扩散梯度，紧接着施加正向的第三扩散梯度；在第二回聚脉冲后施加反向第四扩散梯度；扩散梯度根据扩散梯度编码方向，施加在三个轴中的任意一个轴或多个轴，图1示例中施加在X轴。

步骤2，在施加完扩散梯度后，在Z轴方向施加层选编码梯度，在X，Y轴施加EPI读出梯度；在多次激发时，层选编码梯度保持不变，仅旋转读出梯度X和读出梯度Y，采集得到多个旋转角度的轮式放射状EPI数据。

本实施例公开的上述K空间采集方法，最好采用相应的参考扫描进行校正，如附图2所示，用相同的采集方式，采集若干个角度下的参考数据。具体方法如下：步骤1，射频通道依次发射激发脉冲、第一回聚脉冲和第二回聚脉冲，相应的在逻辑坐标系(图像坐标系)中的Z轴依次施加第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度。其中激发脉冲，第一回聚脉冲，第二回聚脉冲，第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度，所有的参数均和K空间采集方法中保持一致。步骤2，无需施加扩散梯度和相位编码梯度，在X，Y轴施加EPI读出梯度。选择在N个放射状角度下采集参考扫描，因此，相应于需要采集的放射状角度，仅旋转读出梯度X和读出梯度Y，采集得到若干个旋转角度的轮式放射状EPI数据。其中，N＝2～n,n为填满K空间所需的放射状射线总数目。

本实施例公开的上述K空间采集方法，可以结合小视野成像技术，进一步降低扫描时间，如图3所示。射频通道依次发射激发脉冲，第一回聚脉冲和第二回聚脉冲，相应的在逻辑坐标系(图像坐标系)中的Z轴依次施加第一层选梯度，在X轴施加第二层选梯度，在Y轴施加第三层选梯度。在激发脉冲后施加第一扩散梯度，在第一回聚脉冲后，施加反向第二扩散梯度，紧接着施加正向的第三扩散梯度，在第二回聚脉冲后施加反向第四扩散梯度。

扩散梯度根据扩散梯度编码方向，可以施加在三个轴中的任意一个或多个轴。在施加完扩散梯度后，在Z轴方向施加层选编码梯度，在X，Y轴施加EPI读出梯度。在多次激发时，层选编码梯度保持不变，仅旋转读出梯度X和读出梯度Y，采集得到多个旋转角度的轮式放射状EPI数据。

本实施例还公开了三维多次激发扩散加权成像的重建方法，对每次激发采集的数据先进行网格化插值和利用参考数据进行EPI相位校正；再进行二维傅里叶重建并取其模值，丢弃相位，获得一个无相位的三维放射状投影空间；然后对该投影空间逐层进行滤波反投影重建，或迭代重建，或基于深度学习的反投影重建，由无相位投影空间变换到图像域，得到三维的扩散加权成像。这种重建方法的优点如下：其一可以确保重建过程完全不受扩散梯度带来的随机相位的影响，稳定可靠的获得三维扩散加权成像，其二是重建运算量小。

它具体包括以下步骤，如图5所示；

第一步,利用上述的K空间采集方法采集三维放射状K空间数据；

第二步,根据EPI读出轨迹进行网格化插值；如图4所示，进行K空间数据填充，对于每一次激发，采集到的K空间数据，按照EPI读出轨迹，填充于该放射状角度(相应于读出梯度旋转角度)所对应的一个平面内。当所有数据采集完，得到一个完整的三维轮式放射状K空间。

第三步，利用参考扫描数据对单次激发数据进行EPI相位矫正；将上述参考扫描获得的数据进行拟合，获得0阶和1阶相位，并从实际扫描数据中将0阶和1阶相位减去。目的是消除B0场不均匀性以及涡流对EPI轨迹以及放射状K空间轨迹的影响。若参考扫描的旋转角度数目少于实际扫描的旋转角度，则通过余弦插值的方式插值得到实际扫描旋转角度下的参考数据。

第四步，对单次激发的K空间数据，即图4中所示平行于放射线的一个平面，进行二维傅里叶变换重建；第五步，将第四步的重建结果取模值，得到不含相位信息的投影数据集；

第六步，从投影空间变换到图像空间：逐层进行基于投影数据的二维重建，得到了三维的扩散加权图像。典型的实施例是采用滤波反投影算法，逐层进行二维的滤波反投影重建，得到图像。当然，也可以采用迭代重建，或者基于深度学习的反投影重建算法。

如图6、7所示，采用发明获取的三维扩散加权成像，图像分辨率高，且无运动失相伪影。如图6是利用本发明方法获得的健康志愿者三维全脑扩散加权图像，分辨率1.3mm*1.3mm*1.3mm，b值800,3个扩散梯度编码方向，1次平均，总扫描时间10分钟。

图7是利用本发明方法获得的健康志愿者前列腺小视野三维扩散加权图像(左)及其ADC图(右)，分辨率1.0mm*1.0mm*1.0mm，b值800，小视野大小为100mm*100mm，3个扩散梯度编码方向，2次平均，总扫描时间10分钟。

本发明的采样方式和无相投影重建方法，可以确保重建过程完全不受扩散梯度带来的随机相位的影响，能稳定可靠地获得三维扩散加权成像，重建运算量小。可以获得三维各向同性高分辨率扩散加权图像以及高b值三维扩散加权成像，扫描时间在临床可以接受的范围内，具有重大的临床应用潜力。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.三维多次激发扩散加权成像的K空间采集方法，其特征在于:基于三维轮式放射状EPI采集方式，每次激发后通过EPI方式采集三维轮式放射状K空间中的一个面，然后旋转读出梯度，在下一个角度继续激发和采集，直至完成一个三维轮式放射状K空间的采集。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，射频通道依次发射激发脉冲、第一回聚脉冲和第二回聚脉冲，相应的在逻辑坐标系中依次施加第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度；

在激发脉冲后施加正向第一扩散梯度；在第一回聚脉冲后，施加反向第二扩散梯度，紧接着施加正向的第三扩散梯度；在第二回聚脉冲后施加反向第四扩散梯度；

步骤2，在施加完扩散梯度后，在Z轴方向施加层选编码梯度，在X，Y轴施加EPI读出梯度；在多次激发时，层选编码梯度保持不变，仅旋转读出梯度X和读出梯度Y，采集得到多个旋转角度的轮式放射状EPI数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：扩散梯度根据扩散梯度编码方向，施加在三个轴中的任意一个轴或多个轴。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在逻辑坐标系中的Z轴依次施加第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在逻辑坐标系中的Z轴施加第一层选梯度，在X轴施加第二层选梯度，在Y轴施加第三层选梯度。

6.三维多次激发扩散加权成像的重建方法，其特征在于：包括以下步骤；

第一步,利用权利要求1-5中任一项所述的方法采集三维放射状K空间数据；

第二步,根据EPI读出轨迹进行网格化插值；

第三步，利用参考扫描数据对单次激发数据进行EPI相位矫正；

第四步，对单次激发对应的数据进行二维傅里叶重建；

第五步，将第四步的重建结果取模值，得到不含相位信息的投影数据集；

第六步，逐层进行基于投影数据的二维重建，得到了三维的扩散加权图像。

7.根据权利要求6所述的重建方法，其特征在于：所述第三步中，将参考扫描获得的数据进行拟合，获得0阶和1阶相位，并从实际扫描数据中将0阶和1阶相位减去。

8.根据权利要求6所述的重建方法，其特征在于：第六步中对投影数据逐层进行滤波反投影重建，或迭代重建，或基于深度学习的反投影重建，得到三维的扩散加权成像。

9.根据权利要求6所述的重建方法，其特征在于：所述第二步包括以下步骤，对于每一次激发，采集到的K空间数据，按照EPI读出轨迹，填充于该放射状角度所对应的一个平面内。

10.根据权利要求6或7所述的重建方法，其特征在于：所述第三步中参考扫描数据的采集方法包括以下步骤，

步骤1，射频通道依次发射激发脉冲、第一回聚脉冲和第二回聚脉冲，相应的在逻辑坐标系中的Z轴依次施加第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度；其中，激发脉冲，第一回聚脉冲，第二回聚脉冲，第一层选梯度，第二层选梯度和第三层选梯度，所有的参数均与第一步中保持一致；

步骤2，在X，Y轴施加EPI读出梯度；

选择在N个放射状角度下采集参考扫描，旋转读出梯度X和读出梯度Y，采集得到若干个旋转角度的轮式放射状EPI数据；

其中，N＝2～n,n为填满K空间所需的放射状射线总数目,若参考扫描的旋转角度数目少于实际扫描的旋转角度，则通过余弦插值的方式插值得到实际扫描旋转角度下的参考数据。