CN109767433B - 基于磁共振图像的水脂分离方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

基于磁共振图像的水脂分离方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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CN109767433B CN201811648031.2A CN201811648031A CN109767433B CN 109767433 B CN109767433 B CN 109767433B CN 201811648031 A CN201811648031 A CN 201811648031A CN 109767433 B CN109767433 B CN 109767433B
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Abstract

本发明实施例公开了一种基于磁共振图像的水脂分离方法、装置、设备及存储介质。该方法包括：获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算其相位因子候选解，并将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中；基于第一解集和第二解集中的相位因子解，确定出水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解；基于水脂转换区域以及水脂转换区域内的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解；根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。本发明实施例的技术方案，可以快速稳定地估计场图，并在此基础上完成水、脂成分的正确估计。

Description

基于磁共振图像的水脂分离方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明实施例涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种基于磁共振图像的水脂分离方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
常规的磁共振图像中，高亮的脂肪信号会影响到病灶诊断，所以经常需要使用到压脂技术。但是现有的方法都存在着各种各样的问题：脂肪饱和及水激发的方法会在场位移较大的地方失效；反转恢复的方法会大幅度降低图像的信噪比。此外，脂肪信号也是心脏和肺部疾病检测中的一个重要的诊断依据。因而，准确的脂肪定量以及水脂分离至关重要。
目前水脂分离中使用的最多的是化学位移编码成像方法。基于多回波的化学位移编码成像方法是利用水脂中氢原子的共振频率因所处化学环境产生的差异，在不同的回波时间采集信号，使得水脂相位间产生差异；通过最小二乘拟合的方式，计算水脂信号强度，完成水脂分离。但是该方法需要准确的估计主磁场B0的位移。
现有的水脂分离方法，在处理对象空间不连续或者低信噪比区域时，容易出现水脂分反的现象。因此，亟需一种快速稳定的场图估计方法，特别是针对图像信噪比低的情况下，在此基础上完成水、脂成分的正确估计。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于磁共振图像的水脂分离方法、装置、设备及存储介质，可以快速稳定估计场图，并在此基础上完成水、脂成分的正确估计。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于磁共振图像的水脂分离方法，具体可以包括：
获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算每个待处理像素点的相位因子候选解，并将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，其中，相位因子候选解包括全局最优解以及与全局最优解对应的分反解；
基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解；
基于水脂转换区域以及水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解；
根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。
可选的，将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，具体可以包括：根据计算出的水脂分离结果将全局最优解以及分反解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中。
可选的，基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，具体可以包括：基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集以及第二解集中的最大向量变化，根据第一解集以及第二解集对应的最大向量变化确定出水脂转换区域。
可选的，基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集中的最大向量变化，包括：
对于每一个待处理像素点，基于如下公式分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集中的最大向量变化：
Figure BDA0001932404850000031
其中，Dw(r)表示待处理像素点r与各邻域像素点在第一解集图中最大的向量变化；i表示各邻域像素点；abs(.)代表求取绝对值；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；Pw(ri)表示待处理像素点r的各邻域像素点i在第一解集中的相位因子解。
可选的，根据第一解集以及第二解集对应的最大向量变化确定出水脂转换区域，具体可以包括：如果当前待处理像素点在第一解集中的最大向量变化和在第二解集中的最大向量变化中的至少一个大于预设转换阈值时，则当前待处理像素点属于水脂转换区域，其中，预设转换阈值根据采样间隔时间内水脂信号之间的相位偏移确定。
可选的，计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解，具体可以包括：
确定水脂转换区域中每个待处理像素点的各邻域像素点中最大向量变化最大的目标邻域像素点；
当采样间隔时间内水脂信号之间的相位偏移不等于180度的整数倍时，根据水脂转换区域中当前待处理像素点以及与当前待处理像素点对应的目标邻域像素点的相位因子解组合确定当前待处理像素点的目标相位因子解。
可选的，确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解，具体可以包括：
根据第一解集和第二解集将除水脂转换区域之外的其余待处理像素点划分为第一数量的在空间上连续的待求解子区域，其中，每个待求解子区域内的所有待处理像素点都来自于同一个解集；
根据水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
可选的，根据水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解，具体可以包括：
获取当前所有已知区域以及当前待求解子区域在空间上邻近的各边缘像素对，其中，当前已知区域包括水脂转换区域；
基于各边缘像素对分别计算与第一解集以及第二解集对应的第一代价函数和第二代价函数；
根据第一代价函数以及第二代价函数确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
可选的，基于各边缘像素对分别计算与第一解集以及第二解集对应的第一代价函数和第二代价函数，具体可以包括：
基于各边缘像素对以及如下公式分别计算与第一解集以及第二解集对应的第一代价函数Cw和第二代价函数Cf：
Figure BDA0001932404850000041
Figure BDA0001932404850000042
其中，
Figure BDA0001932404850000043
表示当前已知区域，
Figure BDA0001932404850000044
为当前待求解子区域，
Figure BDA0001932404850000045
(sj,kj)表示
Figure BDA0001932404850000046
和
Figure BDA0001932404850000047
在空间上邻近的各边缘像素对，J为
Figure BDA0001932404850000048
与
Figure BDA0001932404850000049
之间各临近像素对的总数目；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；|.|表示取绝对值；Pw(sj)表示未知区域中的待处理像素点sj在第一解集Pw中的相位因子解；Pf(sj)表示未知待处理像素点sj在第一解集Pf中的相位因子解；P(kj)表示当前已知区域待处理像素点kj的目标相位因子解。
可选的，根据第一代价函数以及第二代价函数确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解，具体可以包括：将第一解集或第二解集中，与第一代价函数以及第二代价函数中较小的代价函数对应的解集中的相位因子解，作为当前待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
可选的，基于磁共振图像的水脂分离方法，还可以包括：如果当前待求解子区域与任一当前已知区域均不相邻，且当前数据集中存在多层磁共振图像，则沿图像层排布的方向获取相邻磁共振图像层中当前所有已知区域以及当前待求解子区域在空间上邻近的各边缘像素对。
可选的，基于磁共振图像的水脂分离方法，还可包括：如果磁共振图像的信噪比低于预设阈值，则通过局部增长的方式根据已知区域中各待处理像素点的目标相位因子解重新确定水脂转换区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
可选的，通过局部增长的方式根据已知区域中各待处理像素点的目标相位因子解重新确定水脂转换区域中各待处理像素点的目标相位因子解，可以包括：
分别计算水脂转换区域中当前待处理像素点在第一解集以及第二解集中的待选相位因子解与各邻域像素点的目标相位因子解的差别；
将与计算出的两个差别中较小的差别对应的待选相位因子解作为当前待处理像素点的目标相位因子解。
可选的，分别计算水脂转换区域中当前待处理像素点在第一解集以及第二解集中的待选相位因子解与各邻域像素点的目标相位因子解的差别，可以包括：
基于如下公式计算水脂转换区域中当前待处理像素点第X个待选解与各邻域像素点的目标相位因子的差别DX：
Figure BDA0001932404850000061
其中，K是所有已知目标相位因子的各邻域像素点；X为待选解个数；mk为第k个邻域像素点在所有回波信号中的最大幅值，pB,k表示第k个邻域像素的目标相位因子解；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；|.|表示求绝对值。
可选的，基于磁共振图像的水脂分离，还可以包括：
获取多回波数据中与每个待处理像素点对应的最高幅值；
根据最高幅值与至少一个预设分级阈值将磁共振图像中的各像素点划分为至少两个分级区域；
将至少两个分级区域中按照从高信噪比的区域到低信噪比的顺序依次处理。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于磁共振图像的水脂分离装置，该装置可以包括：
解集划分模块，用于获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算每个待处理像素点的相位因子候选解，并将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，其中，相位因子候选解包括全局最优解以及与全局最优解对应的分反解；
水脂转换区域确定模块，用于基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解；
目标相位因子解确定模块，用于基于水脂转换区域以及水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解；
水脂图像分离模块，用于根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。。
第三方面，本发明实施例还提供了一种设备，该设备可以包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现本发明任意实施例所提供的基于磁共振图像的水脂分离方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明任意实施例所提供的基于磁共振图像的水脂分离方法。
本发明实施例的技术方案，首先通过获取磁共振图像中的每个待处理像素点，将分别计算出的磁共振图像中的每个待处理像素点的相位因子候选解，并将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，以简化计算量；然后，基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出磁共振图像中的水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解；进而，将基于水脂转换区域作为已知区域，根据已知区域以及水脂转换区域内各每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解，根据已知区域求解未知区域的目标相位因子解；最后，根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。上述技术方案可以快速稳定估计场图，并在此基础上完成水、脂成分的正确估计。
附图说明
图1是本发明实施例一中的一种基于磁共振图像的水脂分离方法的流程图；
图2是本发明实施例一中的一种基于磁共振图像的水脂分离方法的流程图；
图2A是本发明实施例一所提供的一种磁共振图像的水脂分离方法中待处理像素点的邻域像素点的示意图；
图3是本发明实施例二中的一种基于磁共振图像的水脂分离方法的流程图；
图3A是本发明实施例二中的一种磁共振图像的水脂分离方法已知区域和待求解子区域的边缘像素对的示意图；
图4是本发明实施例二中的一种基于磁共振图像的水脂分离方法的流程图；
图4A是本发明实施例三中的一种基于本实施例所提供的磁共振图像的水脂分离方法对人体腹部图像进行水脂分离的结果示意图；
图5是本发明实施例四中的一种基于磁共振图像的水脂分离装置的结构图；
图6是本发明实施例五中的一种设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在介绍本发明各实施例之前，先对本发明实施例的应用场景进行说明，，水脂分离的基础原理可以是基于化学位移编码成像中水脂信号的二义性，例如，对于磁共振图像中的某个像素点采集到的信号可以表示为：
Figure BDA0001932404850000091
即可以存在一个完全镜像的场图解，使得分离结果中的水信号和脂肪信号刚好相反。当忽略
Figure BDA0001932404850000092
弛豫过程以及脂肪多峰模型时，水脂化学位移信号模型可以用如下模型表述：
Figure BDA0001932404850000093
其中，S(TEn)是在回波时间TEn时采集到的复数信号，ρw是水信号的强度，ρf是脂肪信号的强度，fF是化学位移频率，ψ是主磁场位移即场位移。
可选的，为了更加准确地得到脂肪信号的比例，可以同时考虑多峰模型以及
Figure BDA0001932404850000094
衰减过程因素。具体地，可以将根据模型(2)得到的场位移作为迭代的初始值，并将考虑了多峰、
Figure BDA0001932404850000095
信号的模型(3)代替模型(2)求解非线性最小二乘拟合：
Figure BDA0001932404850000096
其中，n＝1,2,…，N，αp为具有化学位移fF，p的第p个脂肪峰的相对幅值，
Figure BDA0001932404850000097
为待定的
Figure BDA0001932404850000098
衰减值。
同样地，当考虑到水与脂肪
Figure BDA0001932404850000099
值不同时，还可以通过模型(4)代替模型(2)求解非线性最小二乘拟合：
Figure BDA00019324048500000910
其中，n＝1，2，…，N，
Figure BDA00019324048500000911
与
Figure BDA00019324048500000912
分别为水和脂肪的
Figure BDA00019324048500000913
值。
进一步地，在等时间间距的图像采集过程中，即TE1、TE2、…TEn是等差数列时，为了避免因为场位移的不均匀性而带来的相位卷绕问题，可以引入一个相位因子解pB来代替场位移ψ。其中，相位因子解pB可以通过如下公式表示：
Figure BDA0001932404850000101
其中，ΔTE为采样间隔，相位因子解pB的单位向量的角度φB的变化范围为[-π，π]。
那么，在上述角度φB的变化范围内，通过寻求最小拟合误差的方式，可以求得与拟合误差最小时对应的相位因子解pB。具体地，相位因子解pB的最小拟合误差R(pB)可以通过如下公式表示：
Figure BDA0001932404850000102
其中，S＝[S(TE1)，S(TE2)，…，S(TEN)]T，ρ＝[ρw，ρF]T，A(pB)＝[A1；A2；…；AN]T,
Figure BDA0001932404850000103
A+(pB)为矩阵A(pB)的广义逆。即，根据公式(4)求得的最小拟合误差R(pB)可以确定与其对应的相位因子解pB。进一步地，根据相位因子解pB可以确定场位移ψ，然后在已知的场位移ψ的基础上分离水脂信号。由此可以得知，求取相位因子解pB的最优解至关重要。
但是，公式(6)的最优化方法可能存在至少一个局部极小值(例如，可能存在两个局部最小值)，即存在至少一个最小拟合误差R(pB)，因此，需要在上述局部极小值中筛选出可以使得整个场位移图最为平滑的相位因子解pB。
实施例一
图1是本发明实施例一中提供的一种基于磁共振图像的水脂分离方法的流程图。本实施例可适用于基于磁共振图像的水脂分离的情况，尤其适合于针对信噪比低的磁共振图像的水脂分离的情况。该方法可以由本发明实施例提供的基于磁共振图像的水脂分离装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的方式实现。参见图1，本发明实施例的方法具体包括如下步骤：
S110、获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算每个待处理像素点的相位因子候选解，并将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，其中，相位因子候选解包括全局最优解以及与全局最优解对应的分反解。
其中，待处理像素点可以是磁共振图像中的所有的像素点，还可以是磁共振图像的各像素点中筛选出的满足预设条件的像素点。其中，满足预设条件的像素点可以是那些基于预设的判断方法无法直接根据像素点判断出是水成分还是脂肪成分的像素点。示例性地，可以获取磁共振图像中各像素点的亮度值，根据所述亮度值确定所述磁共振图像的待处理像素点。可选地，根据所述亮度值确定所述磁共振图像的待处理像素点，可以是根据所述亮度值确定所述磁共振图像的目标去除像素点，将所述磁共振图像的各像素点中除了所述目标去除像素点之外的其余像素点作为待处理像素点。由于水脂分离的过程往往需要对每个像素点进行处理，上述技术方案的好处在于，可以在保证水脂分离准确率的同时，在处理过程中减少对运算量，提高水脂分离的效率。
其中，相位因子候选解可理解为一个相位因子解的集合，包括每个待处理像素点的可能的相位因子解。可以理解的是，相位因子候选解中包括每个待处理像素点的真正的相位因子解即目标相位因子解，而根据目标相位因子解可以准确地确定出磁共振图像的场位移ψ。
需要说明的是，将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中时，同一个待处理像素点的各相位因子解需要被划分至不同的解集中。即，如果当前待处理像素点的全局最优解划分到第一解集中，则当前待处理像素点的分反解将划分到第二解集中。
在本发明实施例中，相位因子候选解包括全局最优解PG以及与PG对应的分反解
Figure BDA0001932404850000121
可以理解的是，PG可以是根据公式(6)求得的每个待处理像素点的相位因子解pB的集合；
Figure BDA0001932404850000122
是与PG相对应的集合，可以认为是PG的镜像解集。其具体计算过程可以是：
根据如下公式计算与全局最优解PG对应的水脂分量：
Figure BDA0001932404850000123
其中，WG是与全局最优解PG对应的水信号分量，FG是与全局最优解PG对应的脂肪信号分量。基于预设的非线性拟合函数可以求得以下代价函数的最小值
Figure BDA0001932404850000124
Figure BDA0001932404850000125
其中，非线性拟合的初始解为[Ps，ρs],其中ρs＝[FG，WG]T。当|WG|>|FG|时，
Figure BDA0001932404850000126
当|WG|<|FG|时，
Figure BDA0001932404850000127
计算得到的
Figure BDA0001932404850000128
即为与全局最优解PG对应的分反解。
由此可知，磁共振图像中的每个待处理像素点在PG和
Figure BDA0001932404850000129
中都存在着与其对应的pB。示例性的，待处理像素点的pB在PG中可以是属于水的pB，则在
Figure BDA00019324048500001210
中可以是属于脂肪的pB；当然，反之亦然可能。相同的待处理像素点存在两个pB的目的在于，充分利用水脂的二义性，更加精确地确定像素点是属于水成分还是脂肪成分。
为了后续计算的简便性，可以基于预设的划分方法将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，即将集合
Figure BDA00019324048500001211
和PG中的各pB分别划分至第一解集和第二解集中。例如，预设的划分方法可以是水脂分离结果等。
S120、基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解。
其中，水脂转换区域中的各像素点可以是水区域和脂肪区域的边缘的像素点。根据第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解可以确定出水区域和脂肪区域的边缘像素点，进而，可以确定出水脂转换区域。具体地，可以遍历磁共振图像中每个待处理像素点，将符合预设的边缘像素点筛选条件的像素点作为边缘像素点。
由前述内容可知，水脂转换区域内的每个待处理像素点在第一解集和第二解集中分别存在一个可能的相位因子解，将第一解集中的待处理像素点对应的相位因子解作为第一候选相位因子解，将第二解集中的该待处理像素点对应的相位因子解作为第二候选相位因子解，需要说明的是，计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解，可以是从所述第一候选相位因子解和所述第二候选相位因子解选出该该待处理像素点的目标相位因子解S130、基于水脂转换区域以及水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解。
进一步，可以将水脂转换区域作为已知区域，将各子区域作为未知区域，以便根据已知区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定未知区域内每个待处理像素点的目标相位因子解。具体地，可以将已知区域内每个待处理像素点的目标相位因子解作为先验条件逐步确定未知区域内每个待处理像素点的目标相位因子解。例如，可以基于邻域像素投票的方式确定未知区域的内场图解，上述步骤有利于提高水脂分离抗噪性和分离效率。其中，当划分出水脂转换区域确定后，可以将除水脂转换区域以外的各待处理像素点，在空间上划分为至少两个连续的子区域，进而根据水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解逐个各子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
可以理解的是，可以基于预设的子区域选择方法依次对各子区域进行处理，并将处理后的子区域与已知区域合并，更新已知区域。循环往复，直至将各个未知区域处理为已知区域后，得到所有待处理像素点的目标相位因子解。
S140、根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。
其中，当磁共振图像中每个待处理像素点的目标相位因子解确定后，磁共振图像的场位移得以确定。在已知场位移的情况下，可以通过如下公式计算各待处理像素点的水脂信号的强度：
Figure BDA0001932404850000141
其中，ρw是水信号的强度，ρf是脂肪信号的强度，A+(pB)为矩阵A(pB)的广义逆，S是多回波磁共振信号。遍历各待处理像素点，如果当前待处理像素点的ρw>ρf，则当前待处理像素点是水信号；反之，则当前待处理像素点是脂肪信号。通过上述步骤提取出磁共振图像中的水图和脂肪图，实现了水脂信号的分离。
本发明实施例的技术方案，首先通过将计算出的磁共振图像中的每个待处理像素点的相位因子候选解分别划分至第一解集和第二解集中，以简化计算量；然后，基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出磁共振图像中的水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解；进而，将水脂转换区域作为已知区域，根据已知区域内各待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解；最后，根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。上述技术方案可以快速稳定估计场图，并在此基础上完成水、脂成分的正确估计。
一种可选的技术方案，所述基于磁共振图像的水脂分离方法，具体还可包括：获取多回波数据中与每个待处理像素点对应的最高幅值；根据所述最高幅值与至少一个预设分级阈值将磁共振图像中的各像素点划分为至少两个分级区域；将至少两个分级等级中按照从高信噪比的区域到低信噪比的区域的顺序依次处理。
其中，为了避免低信噪比区域对高信噪比区域造成影响，可以依据幅值分级的方式实现水脂信号的分离。具体的，获取多回波数据中每个待处理像素点对应的最高幅值，并将各待处理像素点对应的最高幅值与预先设置的至少一个分级阈值进行对比，使得磁共振图像中各待处理像素点划分为至少两个分级区域。以H1，H2，H3，…Hn+1表示各像素点的最高幅值，其中，H1为各待处理像素点的最高幅值的最大值，Hn+1为各待处理像素点的最高幅值的最小值。当待处理像素点的最大幅值p满足tn-1>p>tn时，可以该待处理像素点划分到级别Hn中。
可以理解的是，幅值较高的区域的图像的信噪比较高，幅值较低的区域的图像的信噪比较低，因此，幅值较高的级别比幅值较低的级别有着更高的处理优先级，可以将基于磁共振图像的水脂分离方法中涉及到的各个步骤的各分级区域，按照从高信噪比的区域到低信噪比的区域的顺序依次处理。
示例性地，可以在分别计算每个待处理像素点的相位因子候选解之前，采用上述幅值分级的方法将从高信噪比的区域到低信噪比的区域依次处理，每个幅值级别内依次完成场位移求解，将幅值较高的级别的处理结果作为幅值较低的级别的参考值，有效避免了低信噪比区域对高信噪比区域造成的影响。
实施例二
图2是本发明实施例二中提供的一种基于磁共振图像的水脂分离方法的流程图。本实施例以上述各技术方案为基础进行优化。在本实施例中，可选地，所述“将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中”具体可包括：根据计算出的水脂分离结果将全局最优解以及分反解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中。其中，与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。
如图2所示，本实施例的方法具体可包括如下步骤：
S210、获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算每个待处理像素点的相位因子候选解，其中，相位因子候选解包括全局最优解以及与全局最优解对应的分反解。
S220、根据计算出的水脂分离结果将全局最优解以及分反解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中。
其中，遍历全局最优解以及分反解中各相位因子解，并通过公式(7)计算各相位因子解的水脂信号的强度。具体的，可以根据水信号的强度和脂肪信号的强度的大小关系，将各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中。示例性的，第一解集Pw可以是每个待处理像素点的全局最优解以及分反解中水信号的强度大于脂肪信号的强度的相位因子解的集合，认为属于水信号；第二解集Pf可以是每个待处理像素点的全局最优解以及分反解中脂肪信号的强度大于水信号的强度的相位因子解的集合，认为属于脂肪信号，初步得到了水脂分离的可能结果。第一解集和第二解集的划分有助于简化后续步骤的计算量，实现场位移的快速确定。
当然，第一解集Pw可以是全局最优解以及分反解中脂肪信号的强度大于谁信号的强度的相位因子解的集合，认为属于脂肪信号；第二解集Pf可以是全局最优解以及分反解中水信号的强度大于脂肪信号的强度的相位因子解的集合，认为属于水信号，初步得到了水脂分离的可能结果。
S230、基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解。
S240、基于水脂转换区域以及水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解。
S250、根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。
本发明实施例的技术方案，根据计算出的水脂分离结果将全局最优解以及分反解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，实现了水脂信号的初步分离，且简化了目标相位因子解求解过程的计算量。
一种可选的技术方案，基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，可以包括：基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集以及第二解集中的最大向量变化，根据第一解集以及第二解集对应的最大向量变化确定出水脂转换区域。
其中，邻域像素点可以是与当前像素点在各方向上位置邻近的像素点。可以理解的是，每个待处理像素点的邻域像素点的数量可以根据实际需求进行设置，在此并不做具体限定。
如图2A所示，与当前待处理像素点r匹配的邻域像素点可以是区域10内所包含的像素点q，可以是区域10的外扩展区域20内所包含的像素点q，当然还可以是区域20的外扩展区所包含的像素点q域，以此类推。为了便于计算，可以选择区域10内的八个像素点q作为当前待处理像素点r的邻域像素点。
具体地，基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集以及第二解集中的最大向量变化，可以是根据第一解集中每个待处理像素点的相位因子解，计算当前待处理像素点与各邻域像素点的向量变化，求得当前待处理像素点对应的各向量变化中的最大向量变化。同理，根据第二解集中每个待处理像素点的相位因子解，计算当前待处理像素点与各邻域像素点的向量变化，得到当前待处理像素点对应的各向量变化中的最大向量变化。进一步地，可以根据第一解集以及第二解集对应的最大向量变化确定出待处理像素点是否属于水脂转换区域。
一种可选的技术方案，基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集中的最大向量变化，可以包括：对于每一个待处理像素点，基于如下公式分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集中的最大向量变化：
Figure BDA0001932404850000181
其中，Dw(r)表示待处理像素点r与各邻域像素点在第一解集图中最大的向量变化；i表示各邻域像素点；abs(.)代表求取绝对值；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；Pw(ri)表示待处理像素点r的各邻域像素点i在第一解集中的相位因子解。
可以理解的是，对于每一个待处理的像素点，还可以基于如下公式分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第二解集中的最大向量变化：
Figure BDA0001932404850000191
其中，Df(r)表示待处理像素点r与各邻域像素点在第二解集图中最大的向量变化，Pf(ri)表示待处理像素点r的各邻域像素点i在第二解集中的相位因子解。
那么，根据上述公式可以求得每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集中最大向量变化和第二解集中最大向量变化。
一种可选的技术方案，根据第一解集和第二解集对应的最大向量变化确定出水脂转换区域，可以包括：如果当前待处理像素点在第一解集中的最大向量变化和在第二解集中的最大向量变化中的至少一个大于预设转换阈值时，则当前待处理像素点属于水脂转换区域，其中，预设转换阈值可以根据采样间隔时间内水脂信号之间的相位偏移确定。
示例性地，预设转换阈值可以为α*Δφ，其中，Δφ＝2πfFΔTE。
在ΔTE的时间内，由于水脂之间的共振频率fF不同，产生了水信号与脂肪信号之间的相位差Δφ，Δφ＝2πfFΔTE。可以理解的是，预设转换阈值α(0<α<1)过高容易出现水脂转换区域检测不完整的问题，过低容易出现非水脂转换区域的像素点被错误的检测为水脂转换区域的问题。
可选地，α的取值范围可以是0.3<α<0.5，如，α＝0.4。
如果当前待处理像素点在第一解集中的最大向量变化和在第二解集中的最大向量变化中的至少一个大于预设转换阈值时，则认为当前待处理像素点属于水脂转换区域。那么，遍历磁共振图像中的每个待处理像素点可以确定哪些待处理像素点属于水脂转换区域。
一种可选的技术方案，计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解，具体可以包括：确定水脂转换区域中每个待处理像素点的各邻域像素点中最大向量变化最大的目标邻域像素点；当采样间隔时间内水脂信号之间的相位偏移不等于180度的整数倍时，根据水脂转换区域中当前待处理像素点以及与当前待处理像素点对应的目标邻域像素点的相位因子解组合确定当前待处理像素点的目标相位因子解。
其中，当水脂转换区域确定后，可以求解水脂转换区域中的待处理像素点在第一解集中的相位因子解还是第二解集中的相位因子解是目标相位因子解。示例性的，当前待处理像素点r的邻域各像素点q1、q2……qn，其中，n为正整数，根据公式(8)和公式(9)确定满足Dw或者Df的，与当前待处理像素点r匹配的目标邻域像素点q。那么，两个像素点的相位因子解可以有四种可能的解组合，示例性的，[Pw(r),Pw(q)]，[Pw(r),Pf(q)]，[Pf(r),Pw(q)]，[Pf(r),Pf(q)]。其中，[Pw(r),Pw(q)]表示使用第一解集Pw中当前待处理像素点的相位因子解和目标邻域像素点的相位因子解；[Pw(r),Pf(q)]表示使用第一解集Pw中当前待处理像素点的相位因子解和第二解集Pf中目标邻域像素点的相位因子解；以此类推。
那么，当水信号和脂肪信号之间相位偏移不等于180度的整数倍时，即Δφ≠kπ时，计算上述四种可能的解组合中水信号和脂肪信号的相位差Δφ，考虑到相位差最小的解组合的磁共振图像最为光滑，并将相位差最小的解组合对应的当前待处理像素点的相位因子解作为当前待处理像素点的目标相位因子解。示例性的，如果[Pw(r),Pw(q)]的相位差Δφ最小，则以第一解集中的当前待处理像素点的相位因子解作为当前待处理像素点的目标相位因子解，即选择第一解集Pw中当前待处理像素点的相位因子解Pw(r)作为当前待处理像素点r的目标相位因子解，以选出当前待处理像素对应的最优的相位因子解。
实施例三
图3是本发明实施例三中提供的一种基于磁共振图像的水脂分离方法的流程图。本实施例以上述技术方案为基础进行优化。在本实施例中，可选地，基于水脂转换区域以及所述水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解，具体可包括：根据第一解集和第二解集将除水脂转换区域之外的其余待处理像素点划分为第一数量的在空间上连续的待求解子区域，其中，每个待求解子区域内的所有待处理像素点都来自于同一个解集；根据水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。其中，与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。
如图3所示，本实施例的方法具体可包括如下步骤：
S310、获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算每个待处理像素点的相位因子候选解，并将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，其中，相位因子候选解包括全局最优解以及与全局最优解对应的分反解。
S320、基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域。
S330、根据第一解集和第二解集将除水脂转换区域之外的其余待处理像素点划分为第一数量的在空间上连续的待求解子区域，其中，每个待求解子区域内的所有待处理像素点都来自于同一个解集。
其中，第一数量的具体数值可以根据实际需求确定。空间上连续的待求解子区域可以是在第一数量空间上存在边缘相连或者说边缘像素点相邻的待求解子区域。水脂转换区域确定之后，其余待处理像素点可以划分为第一数量的在空间上连续的待求解子区域，且每个待求解子区域内的所有待处理像素点的目标相位因子解都来自于同一个解集，即每个待求解子区域内的所有待处理像素点的目标相位因子解都来自于第一解集，或是每个待求解子区域内的所有待处理像素点的目标相位因子解都来自于第二解集中，换言之，每个待求解子区域内的所有待处理像素点只有两个可能的选择，而且所有的待处理像素点只能选同一个解集中的相位因子解。
S340、根据水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
其中，当水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子确定后，可以通过邻域像素投票的方式在第一解集和第二解集中选择一个，作为各个子区域的待处理像素的目标相位因子解。
可以理解的是，磁共振图像中包括至少两个待求解子区域，可选的，可以根据各待求解子区域中各待处理像素点的分级的高低确定哪个待求解子区域中的各待处理像素点优先处理。
S350、基于水脂转换区域以及水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解。
S360、根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。
本发明实施例的技术方案，根据第一解集和第二解集将除水脂转换区域之外的其余待处理像素点划分为第一数量的在空间上连续的待求解子区域，通过划分待求解子区域的方式来实现每次确定一部分待处理像素点的目标相位因子解的快速便捷的求解，；根据水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解，将已知区域的目标相位因子解作为未知区域的先验条件，可以准确计算未知区域即待求解子区域的待处理像素点的目标行为因子解。
一种可选的技术方案，根据水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解，可以包括：获取当前所有已知区域以及当前待求解子区域在空间上邻近的各边缘像素对，其中，当前已知区域包括水脂转换区域；基于各边缘像素对分别计算与第一解集以及第二解集对应的第一代价函数和第二代价函数；根据第一代价函数以及第二代价函数确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
其中，邻近的边缘像素对可以认为是已知区域和待求解子区域在空间上紧挨着的像素点组成的像素对，示例性的，如图3A所示，当前已知区域30包括待处理像素点301、302，当前待求解子区域40包括待处理像素点401、402，则待处理像素点301和待处理像素点401可以构成邻近的边缘像素对；待处理像素点302和待处理像素点402可以构成邻近的边缘像素对
进一步地，根据当前所有已知区域以及当前待求解子区域的各边缘像素对可以计算与第一解集对应的第一代价函数，以及与第二解集对应的第二代价函数。根据上述代价函数可以确定与其对应的各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解是第一解集中的相位因子解还是第二解集中的相位因子解。
可以理解的是，当把水脂转换区域作为已知区域时，可以基于预设的筛选条件从其余的各待求解子区域中选择一个作为当前待求解子区域；然后将当前待求解子区域与已知区域合并，作为已知区域；重复执行基于预设的筛选条件从其余的各待求解子区域中选择一个作为当前待求解子区域的操作，直至所有的待求解子区域更新为已知区域。其中，预设的筛选条件可以是会根据各待求解子区域中各像素点的最高幅值确定出的各待求解子区域的优先级；或者待求解子区域与已知区域构成邻近的边缘像素对的数量等等。
一种可选的技术方案，基于各边缘像素对分别计算与第一解集以及第二解集对应的第一代价函数和第二代价函数，包括：基于各边缘像素对以及如下公式分别计算与第一解集以及第二解集对应的第一代价函数Cw和第二代价函数Cf：
Figure BDA0001932404850000241
Figure BDA0001932404850000242
其中，
Figure BDA0001932404850000243
表示当前已知区域，
Figure BDA0001932404850000244
为当前待求解子区域，
Figure BDA0001932404850000245
(sj,kj)表示
Figure BDA0001932404850000246
和
Figure BDA0001932404850000247
在空间上邻近的各边缘像素对，J为
Figure BDA0001932404850000248
与
Figure BDA0001932404850000249
之间各临近像素对的总数目；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；|.|表示取绝对值；Pw(sj)表示未知区域中的待处理像素点sj在第一解集Pw中的相位因子解；Pf(sj)表示未知待处理像素点sj在第一解集Pf中的相位因子解；P(kj)表示当前已知区域待处理像素点kj的目标相位因子解。
其中，通过空间上所有邻近像素对(sj,kj)，确定当前待求解子区域
Figure BDA00019324048500002410
中所有待处理像素点与第一解集的相位因子解对应的第一代价函数和与第二解集的相位因子解对应的第二代价函数。
一种可选的技术方案，根据第一代价函数以及第二代价函数确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解，可以包括：将第一解集或第二解集中，与第一代价函数以及第二代价函数中较小的代价函数对应的解集中的相位因子解，作为当前待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
其中，可以理解的是，代价函数越小时，损失越小，磁共振图像越收敛。因此，第一代价函数以及第二代价函数中较小的代价函数作为目标相位因子解的求解参考。示例性的，如果Cw<Cf，当前待求解子区域
Figure BDA0001932404850000251
中所有待处理像素选择第一解集Pw中的相位因子解作为目标相位因子解；如果Cf<Cw，则选择第二解集Pf中的相位因子解作为目标相位因子解。
在上述技术方案的基础上，所述基于磁共振图像的水脂分离方法，还可以包括：如果当前待求解子区域与任一当前已知区域均不相邻，且当前数据集中存在多层磁共振图像，则沿图像层排布的方向获取相邻磁共振图像层中当前所有已知区域以及当前待求解子区域在空间上邻近的各边缘像素对。
其中，如果当前待求解子区域与任一已知区域在平面空间上不相邻时，且当前数据集只存在一层磁共振图像，则可以根据公式(7)的计算结果确定当前待求解子区域中的待处理像素点的是属于水成分还是属于脂肪成分；如果当前数据集中存在多层磁共振图像，则可以沿图像层排布的方向获取相邻磁共振图像层中当前所有已知区域以及当前待求解子区域在空间上邻近的所有边缘像素对，进而采用上述求解第一代价函数和第二代价函数的方法确定当前待求解子区域中的待处理像素点的是属于水成分还是属于脂肪成分。上述步骤设置的好处在于，可以结合邻近层磁共振图像的各像素点的相位因子解，有效处理在平面空间上像素点不连续时目标相位因子解的求解问题。
实施例四
图4是本发明实施例四中提供的一种基于磁共振图像的水脂分离方法的流程图。本实施例以上述技术方案为基础进行优化。在本实施例中，所述方法还可以包括：如果磁共振图像的信噪比低于预设阈值，则通过局部增长的方式根据已知区域中各待处理像素点的目标相位因子解重新确定水脂转换区域中各待处理像素点的目标相位因子解。其中，与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。相应的，如图4所示，本实施例的方法具体可包括如下步骤：
S410、获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算每个待处理像素点的相位因子候选解，并将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，其中，相位因子候选解包括全局最优解以及与全局最优解对应的分反解。
S420、基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解。
S430、基于水脂转换区域以及水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解。
S440、如果磁共振图像的信噪比低于预设阈值，则通过局部增长的方式根据已知区域中各待处理像素点的目标相位因子解重新确定水脂转换区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
其中，可以理解的是，当磁共振图像的信噪比达到预设阈值时，根据上述步骤得到的各待处理像素点的目标相位因子解可以确定场位移。但是，如果磁共振图像的信噪比低于预设阈值时，低信噪比下求解的水脂转换区域的待处理像素点的场位移可能会存在错误。因此，在确定所有待求解子区域中各待处理边缘点的目标相位因子解后，可以将上述待求解子区域作为已知区域，通过局部增长的方式根据已知区域中各待处理像素点的目标相位因子解重新确定水脂转换区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
一种可选的技术方案，通过局部增长的方式根据已知区域中各待处理像素点的目标相位因子解重新确定水脂转换区域中各待处理像素点的目标相位因子解，具体可以包括：分别计算水脂转换区域中当前待处理像素点在第一解集以及第二解集中的待选相位因子解与各邻域像素点的目标相位因子解的差别；将与计算出的两个差别中较小的差别对应的待选相位因子解作为当前待处理像素点的目标相位因子解。
其中，可以理解的是，水脂转换区域中包括至少两个待处理像素点，因此可以基于预设的条件选择其中一个待处理像素点作为当前待处理像素点。示例性的，可以根据水脂转换区域中各待处理像素点邻域内的像素点是已知区域的像素点的个数进行选择，选择邻域内属于已知区域的像素点最多的待处理像素点，作为当前待处理像素点。
进一步地，比较当前待处理像素点在第一解集中的待选相位因子解与各邻域像素点的目标相位因子解的差别；再比较当前待处理像素点在第二解集中的待选相位因子解与各邻域像素点的目标相位因子解的差别；将差别较小的解集中的待选相位因子解作为当前待处理像素点的目标相位因子解。
可选的，如果当前待处理像素点邻域内的各个像素点中的部分像素点是属于已知区域的像素点，则可以基于这些属于已知区域的邻域像素点的目标相位因子解计算当前待处理像素点在第一解集和第二解集中的差别。
一种可选的技术方案，分别计算水脂转换区域中当前待处理像素点在第一解集以及第二解集中的待选相位因子解与各邻域像素点的目标相位因子解的差别，可以包括：基于如下公式计算水脂转换区域中当前待处理像素点第X个待选解与各邻域像素点的目标相位因子的差别DX：
Figure BDA0001932404850000281
其中，K是所有已知目标相位因子的各邻域像素点；X为待选解个数；mk为第k个邻域像素点在所有回波信号中的最大幅值，pB,k表示第k个邻域像素的目标相位因子解；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；|.|表示取绝对值。
其中，X＝1或者X＝2时分别是根据第一解集的相位因子解进行计算和根据第二解集中的相位因子解进行计算的计算结果，换言之，DX可以认为是Dw或是Df。当D1<D2时，则以水脂转换区域中当前待处理像素点在第一解集中的相位因子解作为目标相位因子解；反之，则以水脂转换区域中当前待处理像素点在第二解集中的相位因子解作为目标相位因子解。
S450、根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。
本发明实施例的技术方案，如果磁共振图像的信噪比低于预设阈值，则通过局部增长的方式根据已知区域中各待处理像素点的目标相位因子解重新确定水脂转换区域中各待处理像素点的目标相位因子解，可以有效避免低信噪比下求解的水脂转换区域的待处理像素点的场位移可能会存在错误的问题。
为了验证上述各技术方案的有效性，以人体腹部的数据进行测试：采集系统为西门子3T磁共振系统，序列为多回波GRE序列，采集参数是TE＝1.8/3.3/4.8/6.3/7.8/9.3ms，翻转角＝3°，层厚5mm，重复时间12ms，矩阵大小为176*256，基于上述各水脂分离方法对采集到的图像进行处理，水脂分离结果如图4A所示。图中肝部区域的信噪比SNR分别为22.16、4.89和2.6，四列图像分别是各信噪比下的第一个回波幅值图、相位因子图、脂肪图和水图分离结果。由此可以看出，上述水脂分离方法在低信噪比的情况下仍然可以实现稳定准确地分离水脂信号。
示例性的，上述各技术方案的实现过程可以概括为：在每个幅值分级中的各待处理像素点可以被划分成两类：属于水脂转换区域和不属于水脂转换区域。在每个幅值分级中会首先提取水脂转换区域的所有待处理像素点，考虑所有不同相位因子解组合并选出最平滑的相位因子解作为水脂转换区域待处理像素点的目标相位因子解；以邻域内已知区域的解作为初始条件通过投票的方式逐步确定不属于水脂转换区域的解。每个幅值分级像素处理完后，迭代到下一个幅值分级处理中，幅值分级高的区域的目标相位因子解作为幅值分级低区域的先验条件。用已知区域的结果处理未知区域，可以有效避免低信噪比的影像。
上述基于磁共振图像的分离方法不仅可以应用于水脂分离成像，还可以应用于其他的化学位移编码成像，仅需适应性修改模型中的相应参数即可。
实施例五
图5为本发明实施例五提供的基于磁共振图像的水脂分离装置的结构框图，该装置用于执行上述任意实施例所提供的基于磁共振图像的水脂分离方法。该装置与上述各实施例的基于磁共振图像的水脂分离方法属于同一个发明构思，在基于磁共振图像的水脂分离装置的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述基于磁共振图像的水脂分离方法的实施例。参见图5，该装置具体可包括：解集划分模块510、水脂转换区域确定模块520、目标相位因子解确定模块530和水脂图像分离模块540。
其中，解集划分模块510，用于获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算每个待处理像素点的相位因子候选解，并将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，其中，相位因子候选解包括全局最优解以及与全局最优解对应的分反解；水脂转换区域确定模块520，用于基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解；目标相位因子解确定模块530，用于基于水脂转换区域以及水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解；水脂图像分离模块540，用于根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。
本发明实施例的技术方案，首先通过获取磁共振图像中的每个待处理像素点，将分别计算出的磁共振图像中的每个待处理像素点的相位因子候选解，并将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，以简化计算量；然后，基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出磁共振图像中的水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解；进而，将基于水脂转换区域作为已知区域，根据已知区域以及水脂转换区域内各每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解，根据已知区域求解未知区域的目标相位因子解；最后，根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。上述技术方案可以快速稳定估计场图，并在此基础上完成水、脂成分的正确估计。
可选的，解集划分模块510，具体可以包括：
解集划分子模块，用于根据计算出的水脂分离结果将全局最优解以及分反解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中。
可选的，水脂转换区域确定模块520，具体可以包括：
水脂转换区域确定模块子模块，用于基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集以及第二解集中的最大向量变化，根据第一解集以及第二解集对应的最大向量变化确定出水脂转换区域。
可选的，水脂转换区域确定模块子模块，具体可以包括：
最大向量变化计算单元，用于对于每一个待处理像素点，基于如下公式分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集中的最大向量变化：
Figure BDA0001932404850000311
其中，Dw(r)表示待处理像素点r与各邻域像素点在第一解集图中最大的向量变化；i表示各邻域像素点；abs(.)代表求取绝对值；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；Pw(ri)表示待处理像素点r的各邻域像素点i在第一解集中的相位因子解。
可选的，水脂转换区域确定模块子模块，具体可以包括：
水脂转换区域确定单元，用于如果当前待处理像素点在第一解集中的最大向量变化和在第二解集中的最大向量变化中的至少一个大于预设转换阈值时，则当前待处理像素点属于水脂转换区域，其中，预设转换阈值根据采样间隔时间内水脂信号之间的相位偏移确定。
在上述各技术方案的基础上，水脂转换区域确定模块520，还可以包括：目标邻域像素点确定子模块和目标相位因子解确定子模块。
其中，目标邻域像素点确定子模块，用于确定水脂转换区域中每个待处理像素点的各邻域像素点中最大向量变化最大的目标邻域像素点；目标相位因子解确定子模块，当采样间隔时间内水脂信号之间的相位偏移不等于180度的整数倍时，根据水脂转换区域中当前待处理像素点以及与当前待处理像素点对应的目标邻域像素点的相位因子解组合确定当前待处理像素点的目标相位因子解。
在上述各技术方案的基础上，目标相位因子解确定模块530，具体可以包括：待求解子区域确定子模块和待求解子区域中的目标相位因子解确定子模块。其中，待求解子区域确定子模块，用于根据第一解集和第二解集将除水脂转换区域之外的其余待处理像素点划分为第一数量的在空间上连续的待求解子区域，其中，每个待求解子区域内的所有待处理像素点都来自于同一个解集；待求解子区域中的目标相位因子解确定子模块，用于根据水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
在上述各技术方案的基础上，待求解子区域中的目标相位因子解确定子模块，具体可以包括：边缘像素对获取单元、代价函数计算单元和待求解子区域中的目标相位因子解确定单元。
其中，边缘像素对获取单元，用于获取当前所有已知区域以及当前待求解子区域在空间上邻近的各边缘像素对，其中，当前已知区域包括水脂转换区域；代价函数计算单元，用于基于各边缘像素对分别计算与第一解集以及第二解集对应的第一代价函数和第二代价函数；待求解子区域中的目标相位因子解确定单元，用于根据第一代价函数以及第二代价函数确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
在上述各技术方案的基础上，代价函数计算单元，具体可以用于：
基于各边缘像素对以及如下公式分别计算与第一解集以及第二解集对应的第一代价函数Cw和第二代价函数Cf：
Figure BDA0001932404850000331
Figure BDA0001932404850000332
其中，
Figure BDA0001932404850000333
表示当前已知区域，
Figure BDA0001932404850000334
为当前待求解子区域，
Figure BDA0001932404850000335
(sj,kj)表示
Figure BDA0001932404850000336
和
Figure BDA0001932404850000337
在空间上邻近的各边缘像素对，J为
Figure BDA0001932404850000338
与
Figure BDA0001932404850000339
之间各临近像素对的总数目；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；|.|表示取绝对值；Pw(sj)表示未知区域中的待处理像素点sj在第一解集Pw中的相位因子解；Pf(sj)表示未知待处理像素点sj在第一解集Pf中的相位因子解；P(kj)表示当前已知区域待处理像素点kj的目标相位因子解。
在上述各技术方案的基础上，待求解子区域中的目标相位因子解确定单元，具体可用于：
待求解子区域中的目标相位因子解确定子单元，用于将第一解集或第二解集中，与第一代价函数以及第二代价函数中较小的代价函数对应的解集中的相位因子解，作为当前待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
在上述各技术方案的基础上，待求解子区域中的目标相位因子解确定子模块，还可以用于：
如果当前待求解子区域与任一当前已知区域均不相邻，且当前数据集中存在多层磁共振图像，则沿图像层排布的方向获取相邻磁共振图像层中当前所有已知区域以及当前待求解子区域在空间上邻近的各边缘像素对。
在上述各技术方案的基础上，在上述装置的基础上，所述装置还可以包括：
低信噪比处理模块，用于如果磁共振图像的信噪比低于预设阈值，则通过局部增长的方式根据已知区域中各待处理像素点的目标相位因子解重新确定水脂转换区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
在上述各技术方案的基础上，低信噪比处理模块，具体可以包括：
差别计算子模块，用于分别计算水脂转换区域中当前待处理像素点在第一解集及第二解集中的待选相位因子解与各邻域像素点的目标相位因子解的差别；
低信噪比处理子模块，用于将与计算出的两个差别中较小的差别对应的待选相位因子解作为当前待处理像素点的目标相位因子解。
在上述各技术方案的基础上，差别计算子模块，具体可用于：
基于如下公式计算水脂转换区域中当前待处理像素点第X个待选解与各邻域像素点的目标相位因子的差别DX：
Figure BDA0001932404850000341
其中，K是所有已知目标相位因子的各邻域像素点；X为待选解个数；mk为第k个邻域像素点在所有回波信号中的最大幅值，pB,k表示第k个邻域像素的目标相位因子解；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；|.|表示取绝对值。
在上述各技术方案的基础上，所述装置还可以包括：
最高幅值获取模块，用于获取多回波数据中与每个待处理像素点对应的最高幅值；
分级区域划分模块，用于根据所述最高幅值与至少一个预设分级阈值将磁共振图像中的各像素点划分为至少两个分级区域；
顺序处理模块，用于将至少两个分级等级中按照从高信噪比的区域到低信噪比的区域的顺序依次处理。
本发明实施例所提供的基于磁共振图像的水脂分离装置可执行本发明任意实施例所提供的基于磁共振图像的水脂分离方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
值得注意的是，上述基于磁共振图像的水脂分离装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
实施例六
图6为本发明实施例六提供的一种设备的结构示意图，如图6所示，该设备包括存储器610、处理器620、输入装置630和输出装置640。设备中的处理器620的数量可以是一个或多个，图6中以一个处理器620为例；设备中的存储器610、处理器620、输入装置630和输出装置640可以通过总线或其它方式连接，图6中以通过总线650连接为例。
存储器610作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的基于磁共振图像的水脂分离方法对应的程序指令/模块(例如，基于磁共振图像的水脂分离装置中解集划分模块510、水脂转换区域确定模块520、目标相位因子解确定模块530和水脂图像分离模块540)。处理器620通过运行存储在存储器610中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的基于磁共振图像的水脂分离方法。
存储器610可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等。此外，存储器610可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器610可进一步包括相对于处理器620远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置630可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置640可包括显示屏等显示设备。
实施例七
本发明实施例七提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种基于磁共振图像的水脂分离方法，该方法包括：
获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算每个待处理像素点的相位因子候选解，并将相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，其中，相位因子候选解包括全局最优解以及与全局最优解对应的分反解；
基于第一解集和第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，并计算出水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解；
基于水脂转换区域以及水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解；
根据磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取磁共振图像中的水图和脂肪图。
当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的基于磁共振图像的水脂分离方法中的相关操作。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。依据这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (18)

1.一种基于磁共振图像的水脂分离方法，其特征在于，包括：
获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算每个所述待处理像素点的相位因子候选解，并将所述相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，其中，所述相位因子候选解包括全局最优解以及与所述全局最优解对应的分反解；
基于所述第一解集和所述第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，并计算出所述水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解；
基于水脂转换区域以及所述水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各所述待处理像素点的目标相位因子解；
根据所述磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取所述磁共振图像中的水图和脂肪图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中，包括：
根据计算出的水脂分离结果将所述全局最优解以及所述分反解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一解集和所述第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，包括：
基于所述第一解集和所述第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集以及第二解集中的最大向量变化，根据第一解集以及第二解集对应的最大向量变化确定出水脂转换区域。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一解集和所述第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集中的最大向量变化，包括：
对于每一个待处理像素点，基于如下公式分别计算每个待处理像素点与各邻域像素点在第一解集中的最大向量变化：
Figure FDA0001932404840000021
其中，Dw(r)表示待处理像素点r与各邻域像素点在第一解集图中最大的向量变化；i表示各邻域像素点；abs(.)代表求取绝对值；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；Pw(ri)表示待处理像素点r的各邻域像素点i在第一解集中的相位因子解。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据第一解集以及第二解集对应的最大向量变化确定出水脂转换区域，包括：
如果当前待处理像素点在第一解集中的所述最大向量变化和在第二解集中的所述最大向量变化中的至少一个大于预设转换阈值时，则所述当前待处理像素点属于水脂转换区域，其中，所述预设转换阈值根据采样间隔时间内水脂信号之间的相位偏移确定。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算出所述水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解，包括：
确定所述水脂转换区域中每个待处理像素点的各邻域像素点中所述最大向量变化最大的目标邻域像素点；
当采样间隔时间内水脂信号之间的相位偏移不等于180度的整数倍时，根据所述水脂转换区域中当前待处理像素点以及与当前待处理像素点对应的目标邻域像素点的相位因子解组合确定所述当前待处理像素点的目标相位因子解。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于水脂转换区域以及所述水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各待处理像素点的目标相位因子解，包括：
根据所述第一解集和所述第二解集将除水脂转换区域之外的其余待处理像素点划分为第一数量的在空间上连续的待求解子区域，其中，每个待求解子区域内的所有待处理像素点都来自于同一个解集；
根据所述水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定各所述待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定各所述待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解，包括：
获取当前所有已知区域以及当前待求解子区域在空间上邻近的各边缘像素对，其中，当前已知区域包括水脂转换区域；
基于各边缘像素对分别计算与所述第一解集以及所述第二解集对应的第一代价函数和第二代价函数；
根据所述第一代价函数以及所述第二代价函数确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于各边缘像素对分别计算与所述第一解集以及所述第二解集对应的第一代价函数和第二代价函数，包括：
基于各边缘像素对以及如下公式分别计算与所述第一解集以及所述第二解集对应的第一代价函数Cw和第二代价函数Cf：
Figure FDA0001932404840000041
Figure FDA0001932404840000042
其中，
Figure FDA0001932404840000043
表示当前已知区域，
Figure FDA0001932404840000044
为当前待求解子区域，
Figure FDA0001932404840000045
(sj,kj)表示
Figure FDA0001932404840000046
和
Figure FDA0001932404840000047
在空间上邻近的各边缘像素对，J为
Figure FDA0001932404840000048
与
Figure FDA0001932404840000049
之间各临近像素对的总数目；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；|.|表示取绝对值；Pw(sj)表示未知区域中的待处理像素点sj在第一解集Pw中的相位因子解；Pf(sj)表示未知待处理像素点sj在第一解集Pf中的相位因子解；P(kj)表示当前已知区域待处理像素点kj的目标相位因子解。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一代价函数以及所述第二代价函数确定各待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解，包括：
将第一解集或第二解集中，与所述第一代价函数以及所述第二代价函数中较小的代价函数对应的解集中的相位因子解，作为当前待求解子区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
如果当前待求解子区域与任一当前已知区域均不相邻，且当前数据集中存在多层磁共振图像，则沿图像层排布的方向获取相邻磁共振图像层中当前所有已知区域以及当前待求解子区域在空间上邻近的各边缘像素对。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
如果所述磁共振图像的信噪比低于预设阈值，则通过局部增长的方式根据已知区域中各待处理像素点的目标相位因子解重新确定所述水脂转换区域中各待处理像素点的目标相位因子解。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述通过局部增长的方式根据已知重新确定所述水脂转换区域中各待处理像素点的目标相位因子解，包括：
分别计算所述水脂转换区域中当前待处理像素点在第一解集以及第二解集中的待选相位因子解与各邻域像素点的目标相位因子解的差别；
将与计算出的两个差别中较小的差别对应的待选相位因子解作为所述当前待处理像素点的目标相位因子解。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述分别计算所述水脂转换区域中当前待处理像素点在第一解集以及第二解集中的待选相位因子解与各邻域像素点的目标相位因子解的差别，包括：
基于如下公式计算所述水脂转换区域中当前待处理像素点第X个待选解与各邻域像素点的目标相位因子的差别DX：
Figure FDA0001932404840000051
其中，K是所有已知目标相位因子的各邻域像素点；X为待选解个数；mk为第k个邻域像素点在所有回波信号中的最大幅值，pB,k表示第k个邻域像素的目标相位因子解；angle(.)表示求取相位角；conj(.)表示求取复共轭；|.|表示取绝对值。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获取多回波数据中与每个待处理像素点对应的最高幅值；
根据最高幅值与至少一个预设分级阈值将所述磁共振图像中的各像素点划分为至少两个分级区域；
将所述至少两个分级等级中按照从高信噪比的区域到低信噪比的区域的顺序依次处理。
16.一种基于磁共振图像的水脂分离装置，其特征在于，包括：
解集划分模块，用于获取磁共振图像中的每个待处理像素点，分别计算每个所述待处理像素点的相位因子候选解，并将所述相位因子候选解中的各相位因子解分别划分至第一解集和第二解集中；
水脂转换区域确定模块，用于基于所述第一解集和所述第二解集中每个待处理像素点对应的相位因子解，确定出水脂转换区域，并计算出所述水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解；
目标相位因子解确定模块，用于基于水脂转换区域以及所述水脂转换区域内每个待处理像素点的目标相位因子解确定出其余各所述待处理像素点的目标相位因子解；
水脂图像分离模块，用于根据所述磁共振图像中的每个待处理像素点的目标相位因子解提取所述磁共振图像中的水图和脂肪图。
17.一种设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-11中任一所述的基于磁共振图像的水脂分离方法。
18.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-11中任一所述的基于磁共振图像的水脂分离方法。
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