CN110501664B - 磁共振波谱相位校正方法及应用该方法的磁共振成像系统 - Google Patents

磁共振波谱相位校正方法及应用该方法的磁共振成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁共振波谱相位校正方法，其步骤依次为对任意MRS序列采集波谱数据获得时域信号，对时域信号进行傅里叶变换获得谱线数据，对谱线数据的绝对值进行检峰操作，确定最优参考峰，采用DISPA方法确定参考峰相位偏差，通过迭代算法搜索一阶相位偏差，最后逐点修正前面搜索到的谱线相位偏差。本方法对于磁共振波谱的数据不要求高信噪比，抗干扰能力更强，因此可以减少MRS采集次数，缩减扫描时间。尤其对于受到系统残余涡流、体素外部信号干扰等影响的信号数据，本方法能够有效校正波谱数据的相位误差，准确稳定地还原信号数据中各个物质波峰的吸收线型。本发明同时提供了应用上述方法的磁共振成像系统。

Description

磁共振波谱相位校正方法及应用该方法的磁共振成像系统
技术领域
本发明属于磁共振波谱重建方法领域，具体涉及一种磁共振波谱相位校正方法及应用该方法的磁共振成像系统。
背景技术
磁共振波谱（Magnetic resonance Spectroscopy, 简称MRS）技术，是获得活体内生化参数定量信息的一种非侵入技术。例如，磷（31P）谱能够提供细胞内能量状态、细胞内pH、磷脂代谢等信息；而水抑制的质子谱能够提供各种代谢产物的定量分析，例如氨基酸、乳酸等。随着临床MRI设备的激增，临床也越来越多的应用MRS作为一种常用诊断技术。
在实际应用过程中，MRS的信号数据经过傅里叶变换后得到的谱线常常是吸收型和色散型的混合线型。原因是MRS傅里叶变换后的谱线，其每一个复数数据点都存在相位偏差。相位偏差的原因是多方面的，接收机与发射机之间的相位不一致与信号频率无关，称为零阶偏差；而采样延迟、系统涡流等干扰会导致相位偏差随信号频率变化而变化，线性关系称为一阶偏差，更复杂的统称高阶偏差。由于相位高阶偏差非常小，通常只需要考虑零阶和一阶相位偏差，数据点的相位偏差可以表示为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
。其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
即零阶偏差角，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为一阶相位偏差角，N为全谱线数据点总数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
则为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
个点的相位偏差。谱线的第i个点复数数据，实部为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
，虚部为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
是无相位偏差的实部和虚部，即MRS真实的吸收谱线（实部）和色散谱线（虚部）。
已经有很多种方法来分析获取波谱的零阶
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
和一阶
Figure 925198DEST_PATH_IMAGE003
相位偏差，大致可以分为两种类型：一是利用整个谱线的数据特征一次性计算获得零阶和一阶相位偏差，代表方法是熵最小化法；另一种是测量谱线中每个波峰的相位偏差，然后通过线性回归得到全谱的相位偏差。前者运算速度慢，熵判据本身又对噪声特别敏感；后者一类方法也要求信号信噪比要高，同时容易受到基线影响。因此，实际MRS信号的重建，需要有一种准确稳定的方法，对谱线相位偏差进行校正，并且能够充分克服信噪比和基线的限制和影响，快速高效获得精准谱线。
发明内容
本发明的目的是：提供一种准确稳定的磁共振波谱相位校正方法，尤其对于受到系统残余涡流、体素外部信号干扰等影响的信号数据，本方法能够有效的校正波谱数据的相位误差，还原信号数据中各个物质波峰的吸收线型。
本发明的技术方案是：一种磁共振波谱相位校正方法，应用于磁共振成像系统中，重建磁共振波谱的谱线数据，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用传统波谱序列获得磁共振波谱（Magnetic resonance Spectroscopy,简称MRS）时域信号
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤2：对时域信号
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
进行傅里叶变换，得到初步的谱线数据，每一个数据点都是复数，第
Figure 124229DEST_PATH_IMAGE005
个复数数据是受到相位偏差
Figure 700704DEST_PATH_IMAGE004
影响之后的畸变数据
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
，其实部为
Figure 908962DEST_PATH_IMAGE006
，虚部为
Figure 582389DEST_PATH_IMAGE007
；无相位偏差的谱线数据为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
，而
Figure 415304DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 275813DEST_PATH_IMAGE011
是无相位偏差的实部和虚部，则
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
，即
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 350079DEST_PATH_IMAGE009
；
步骤3：对谱线数据的绝对值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
进行检峰操作，在设定一定的信号阈值排除噪声干扰的前提下，搜寻谱线所包含的所有波峰位置；
步骤4：对谱线的波峰进行面积积分计算，确定信噪比最高，物质含量最高的一个波峰及其位置n（谱线的第n个点）；
步骤5：利用圆线型分析法（DISPA），获得步骤4中波峰的相位偏差角
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
；
步骤6：以第n个波谱数据点的相位偏差
Figure 566428DEST_PATH_IMAGE020
为基准，
Figure 153267DEST_PATH_IMAGE001
可以修改表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，设定搜索区域和步长，利用迭代算法可以获得一阶相位偏差
Figure 720646DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤7：利用步骤6获得的所有数据点的相位偏差
Figure 926499DEST_PATH_IMAGE004
，由
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，得到修正相位偏差之后的理想波谱数据
Figure 590830DEST_PATH_IMAGE016
，其实部
Figure 489516DEST_PATH_IMAGE010
正是时域信号
Figure 590196DEST_PATH_IMAGE014
所对应的吸收线型波谱，以此完成磁共振波谱的自动相位校正。
进一步的，本发明的上述方法中，所述传统波谱序列为已知常规的PRESS（point-resolved spectroscopy）序列或者STEAM（stimulated-echo acquisition mode）序列。
进一步的，本发明的上述方法中，步骤1中获得的磁共振波谱中的时域信号的信号体素大小为20mm×20mm×20mm，信号实际回波时间为144ms，信号实际采样点数N=2048，重复采样次数32次。
进一步的，本发明的上方法中，步骤3中阈值设为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
数据最大值的8%，低于该阈值的均认为是噪声干扰。
本发明另一目的是提供一种应用上述方法的磁共振成像系统。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、利用本发明的方法，磁共振波谱的数据不要求高信噪比，抗干扰能力更强，因此可以减少MRS采集次数（传统方法采集128~192次不等），缩减扫描时间；
2、本发明方法不依赖于基线校正等预处理，直接操作处理原始信号数据，避免了后处理算法干扰，谱线波峰定量分析更加准确；
3、本发明方法不需要使用谱线中的全部峰点，对于基线畸变和重叠峰的数据都能够有较好的处理效果；
4、本发明方法不需要复杂的计算，实现简单，计算快速准确稳定。
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 为本发明的流程归纳示意图；
图2 为现有的PRESS序列的脉冲时序图；
图3为现有的STEAM序列的脉冲时序图；
图4为采用使用PRESS序列所采集的一组人脑枕叶一体素的MRS时域信号直接傅里叶变换得到的波谱曲线（实部-吸收线型）；
图5为图4经本发明方法校正后的波谱曲线图。
具体实施方式
实施例：首先如图1所示为本发明方法的流程归纳示意图，结合图1所示，本发明提供的这种磁共振波谱相位校正方法，应用于磁共振成像系统中，重建磁共振波谱的谱线数据，其具有以下步骤：
步骤1（任意MRS序列采集波谱数据）：采用传统波谱序列获得磁共振波谱时域信号
Figure 678369DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤2（傅里叶变换）：对时域信号
Figure 790681DEST_PATH_IMAGE014
进行傅里叶变换，得到初步的谱线数据，每一个数据点都是复数，第
Figure 922585DEST_PATH_IMAGE005
个复数数据是受到相位偏差
Figure 995714DEST_PATH_IMAGE004
影响之后的畸变数据
Figure 340108DEST_PATH_IMAGE015
，其实部为
Figure 306927DEST_PATH_IMAGE006
，虚部为
Figure 875312DEST_PATH_IMAGE007
；无相位偏差的谱线数据为
Figure 170158DEST_PATH_IMAGE016
，而
Figure 521505DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 467464DEST_PATH_IMAGE011
是无相位偏差的实部和虚部，则
Figure 878854DEST_PATH_IMAGE017
，即
Figure 678574DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 568033DEST_PATH_IMAGE009
；
步骤3（检峰）：对谱线数据的绝对值
Figure 634078DEST_PATH_IMAGE019
进行检峰操作，在设定一定的信号阈值排除噪声干扰的前提下，搜寻谱线所包含的所有波峰位置；
步骤4（确定最优参考峰）：对谱线的波峰进行面积积分计算，确定信噪比最高，物质含量最高的一个波峰及其位置n；
步骤5（DISPA确定参考峰相位偏差）：利用圆线型分析法（DISPA），获得步骤4中波峰的相位偏差角
Figure 481948DEST_PATH_IMAGE020
；
步骤6（迭代搜索一阶相位偏差）：以第n个波谱数据点的相位偏差
Figure 751387DEST_PATH_IMAGE020
为基准，
Figure 444536DEST_PATH_IMAGE001
可以修改表示为
Figure 99508DEST_PATH_IMAGE021
，设定搜索区域和步长，利用迭代算法可以获得一阶相位偏差
Figure 852701DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤7（逐点修正谱线相位偏差）：利用步骤6获得的所有数据点的相位偏差
Figure 609435DEST_PATH_IMAGE004
，由
Figure 106276DEST_PATH_IMAGE022
，得到修正相位偏差之后的理想波谱数据
Figure 84596DEST_PATH_IMAGE016
，其实部
Figure 618477DEST_PATH_IMAGE010
正是时域信号
Figure 987141DEST_PATH_IMAGE014
所对应的吸收线型波谱，以此完成磁共振波谱的自动相位校正。
再如图2和图3显示的是两种传统MRS序列的脉冲时序图，图2为PRESS（point-resolved spectroscopy）序列，图3为STEAM（stimulated-echo acquisition mode）序列，两种序列都能够采集磁共振波谱（MRS）时域信号
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，并使用本发明所述的方法进行相位校正获得相应结果。
图2和图3所示的两个脉冲时序图中，rf表示射频脉冲，Gx、Gy、Gz分别表示物理坐标系下X、Y、Z三个方向的梯度，最后signal表示信号采集，彼此之间的波形顺序显示了实际发生的时序情况，射频脉冲用于信号激发和控制，三个方向的梯度则实现了体素的定位选择和抑制多余干扰信号的作用。具体在图2所示的PRESS序列的脉冲时序图中，TE1和TE2两个时间变量，显示了信号从激发开始，到两次产生自旋回波信号的时间演变，从第一次90°脉冲激发产生信号开始，到signal实际采集，一共需时间为TE1+ TE2，即PRESS序列MRS信号的最终回波时间为TE1+ TE2；同理，在图3显示的STEAM序列的脉冲时序图中，TE/2和TM也表示三个90°射频脉冲和采集的信号回波之间的时间间隔，STEAM的MRS信号的最终回波时间为TE。具体的序列原理说明，可以参考俎栋林教授编著的《核磁共振成像——生理参数测量原理和医学应用》第五章5.2节的内容。
下面我们以对采用PRESS序列采集的一组人脑枕叶一体素的磁共振波谱进行相位校正为例，对本发明方法进行说明如下：
相位校正方法的具体步骤如下：
步骤1：采用PRESS序列获得磁共振波谱（MRS）时域信号
Figure 615569DEST_PATH_IMAGE013
，其中信号体素大小为20mm×20mm×20mm，信号实际回波时间为144ms，信号实际采样点数N=2048，重复采样次数32次，远低于传统方法所需采样次数。
步骤2：对上述时域信号
Figure 261445DEST_PATH_IMAGE024
进行傅里叶变换，得到初步的谱线数据，每一个数据点都是复数，第
Figure 90860DEST_PATH_IMAGE005
个复数数据是受到相位偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE025
影响之后的畸变数据
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，其实部为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，虚部为
Figure DEST_PATH_IMAGE028
；无相位偏差的谱线数据为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，而
Figure DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure DEST_PATH_IMAGE031
是无相位偏差的实部和虚部，则
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，即
Figure 291029DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
。
步骤3：对谱线数据的绝对值
Figure 473880DEST_PATH_IMAGE023
进行检峰操作，在设定一定的信号阈值排除噪声干扰的前提下，在本次实例中设置为
Figure 957951DEST_PATH_IMAGE023
数据最大值的8%，低于该阈值的均认为是噪声干扰。搜寻谱线所包含的所有波峰位置，本次实例共寻找到11个有效波峰。
步骤4：对谱线的11个有效波峰进行面积积分计算，确定信噪比最高，物质含量最高的一个波峰及其位置n（谱线的第n个点），本次实例为人脑波谱，物质含量最高的波峰一般均为NAA，位置n=954。
步骤5：利用圆线型分析法（DISPA），获得步骤4中波峰的相位偏差角
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，本次实例数据
Figure DEST_PATH_IMAGE035
。
步骤6：以第n=954个波谱数据点的相位偏差
Figure 31037DEST_PATH_IMAGE034
为基准，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
可以修改表示为，
Figure 702190DEST_PATH_IMAGE021
，设定搜索区域和步长，利用迭代算法可以获得一阶相位偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，本次实例的
Figure DEST_PATH_IMAGE038
；
步骤7：利用步骤6获得的所有数据点的相位偏差
Figure 282207DEST_PATH_IMAGE025
，由
Figure 761729DEST_PATH_IMAGE022
，得到修正相位偏差之后的理想波谱数据
Figure 73893DEST_PATH_IMAGE029
，其实部
Figure 638867DEST_PATH_IMAGE030
正是时域信号
Figure 943946DEST_PATH_IMAGE024
所对应的吸收线型波谱，以此完成磁共振波谱的自动相位校正。
具体结合图4和图5所示，图4和图5中实线曲线为波谱数据，虚线曲线为相应数据的拟合基线。其中，图4是使用PRESS序列所采集的一组人脑枕叶一体素的MRS时域信号直接傅里叶变换得到的波谱曲线（实部-吸收线型），图5为采用本发明方法校正之后的波谱曲线结果。谱图的横坐标为业内约定俗成的波谱位置标记，单位PPM，H2O纯水室温的波峰位置为4.75ppm，作为参照位置，另外氮-乙酰天门冬氨酸（NAA）的甲基质子共振峰在2.01ppm位置，NAA是活体人脑的重要代谢产物和波谱数据参考波峰，谱图的纵坐标为波谱的相对数值，无量纲。
校正结果，如图5中的实线曲线所示，校正之后的波谱谱线在3.26ppm、3.07ppm和2.06ppm均有高质量的波峰信号，分别对应GPc+Pc（甘油磷酸胆碱+磷脂酰胆碱）、PCr+Cr（磷酸肌酸+肌酸）和上述NAA（氮-乙酰天门冬氨酸）。相较于图4中的实线曲线，我们可以明显看出取得很好的校正效果。
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 (5)

1.一种磁共振波谱相位校正方法，应用于磁共振成像系统中，重建磁共振波谱的谱线数据，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用传统波谱序列获得磁共振波谱时域信号
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤2：对时域信号
Figure DEST_PATH_IMAGE002
进行傅里叶变换，得到初步的谱线数据，每一个数据点都是复数，第
Figure DEST_PATH_IMAGE003
个复数数据是受到相位偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE004
影响之后的畸变数据
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，其实部为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，虚部为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；无相位偏差的谱线数据为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，而
Figure DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是无相位偏差的实部和虚部，则
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤3：对谱线数据的绝对值
Figure DEST_PATH_IMAGE014
进行检峰操作，在设定一定的信号阈值排除噪声干扰的前提下，搜寻谱线所包含的所有波峰位置；
步骤4：对谱线的波峰进行面积积分计算，确定信噪比最高，物质含量最高的一个波峰及其位置n；
步骤5：利用圆线型分析法，获得步骤4中波峰的相位偏差角
Figure DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤6：以第n个波谱数据点的相位偏差
Figure 285137DEST_PATH_IMAGE015
为基准，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
可以修改表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，设定搜索区域和步长，利用迭代算法可以获得一阶相位偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
步骤7：利用步骤6获得的所有数据点的相位偏差
Figure 576179DEST_PATH_IMAGE004
，由
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，得到修正相位偏差之后的理想波谱数据
Figure 418233DEST_PATH_IMAGE008
，其实部
Figure 610180DEST_PATH_IMAGE009
正是时域信号
Figure 706443DEST_PATH_IMAGE002
所对应的吸收线型波谱，以此完成磁共振波谱的自动相位校正。
2.根据权利要求1所述的磁共振波谱相位校正方法，其特征在于所述步骤1中的传统波谱序列为PRESS序列或者STEAM序列。
3.根据权利要求1所述的磁共振波谱相位校正方法，其特征在于步骤1中的信号体素大小为20mm×20mm×20mm，信号实际回波时间为144ms，信号实际采样点数N=2048，重复采样次数32次。
4.根据权利要求1所述的磁共振波谱相位校正方法，其特征在于步骤3中阈值设为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
数据最大值的8%，低于该阈值的均认为是噪声干扰。
5.一种应用如权利要求1-4任意一项所述方法的磁共振成像系统。
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Assignee: Suzhou Temperature Imaging Co.,Ltd.

Assignor: SUZHOU LONWIN MEDICAL SYSTEM CO.,LTD.

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Denomination of invention: Magnetic resonance spectroscopy phase correction method and its application in magnetic resonance imaging system

Granted publication date: 20210716

License type: Common License

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