CN111090068B - 磁共振正对比成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及磁共振成像技术领域，提供一种磁共振正对比成像方法及装置，所述方法包括：获取磁共振扫描仪采集的目标组织周围的局部场图；依据所述局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型；将所述非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题；对所述第一子问题和所述第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像。与现有技术相比，本发明实施例将复杂的重建问题分解为两个复杂度较低的子问题进行求解，降低了重建复杂度，提高了图像重建速度。

Description

磁共振正对比成像方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及磁共振成像技术领域，具体而言，涉及一种磁共振正对比成像方法及装置。

背景技术

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)是一种利用磁共振原理进行人体断层成像的技术，其无辐射、良好软组织对比及任意平面成像的优点使其成为目前非常流行的临床诊断工具。人体介入/植入的磁共振兼容装置一般为金属材质，由于金属在磁场中极易被磁化会产生局部磁场，故磁共振兼容装置及其邻域在图像中会表现出负对比，这种负对比与组织空隙和低信噪比区域难以区分，从而无法进行磁共振兼容装置的精准定位和评估。

近年来，为了准确定位和评估磁共振兼容装置，研究者们提出了一系列磁共振正对比成像技术，采用共轭梯度算法迭代求解磁化率图，但是共轭梯度算法收敛较慢，尤其在接近最优解时需要经过多次循环迭代，从而导致图像重建时间较慢。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种磁共振正对比成像方法及装置，用以提高图像重建速度。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种磁共振正对比成像方法，所述方法包括：获取目标组织周围的局部场图；依据所述局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型；将所述非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题；对所述第一子问题和所述第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像。

第二方面，本发明实施例还提供了一种磁共振正对比成像装置，所述装置包括局部场图获取模块、模型建立模块、模型分解模块及图像重建模块。其中，局部场图获取模块用于获取目标组织周围的局部场图；模型建立模块用于依据所述局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型；模型分解模块用于将所述非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题；图像重建模块用于对所述第一子问题和所述第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像。

相对现有技术，本发明实施例提供的一种磁共振正对比成像方法及装置，首先，获取目标组织周围的局部场图，并依据该局部场图建立磁化率图像重建的非线性重建模型；然后，将非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题，并对第一子问题和第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像。与现有技术相比，本发明实施例将复杂的重建问题分解为两个复杂度较低的子问题进行求解，降低了重建复杂度，提高了图像重建速度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的电子设备的方框示意图。

图2示出了本发明实施例提供的磁共振正对比成像方法流程图。

图3示出了传统磁共振成像中的仿体实验示例图。

图4示出了仿体正对比成像中对比测试结果图。

图5示出了本发明实施例提供的磁共振正对比成像装置的方框示意图。

图标：100-电子设备；101-处理器；102-存储器；103-总线；104-通信接口；200-磁共振正对比成像装置；201-局部场图获取模块；202-模型建立模块；203-模型分解模块；204-图像重建模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1示出了本发明实施例提供的电子设备100的方框示意图。电子设备100可以与磁共振扫描仪通信连接，电子设备100可以依据磁共振扫描仪采集的目标组织周围的局部场图重建出磁化率图像。电子设备100可以是，但不限于笔记本电脑、台式机、服务器、便携计算机等等。电子设备100包括处理器101、存储器102、总线103和通信接口104，处理器101、存储器102和通信接口104通过总线103连接。

存储器102可能包括高速随机存取存储器(RAM：Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。电子设备100通过至少一个通信接口104(可以是有线或者无线)实现该电子设备100与磁共振扫描仪之间的通信连接。

存储器102用于存储程序，例如图5所示的磁共振正对比成像装置200。磁共振正对比成像装置200包括至少一个能以软件或固件(firmware)的形式存储于存储器102中或固化在电子设备100的操作系统中的软件功能模块。处理器101可以在接收到执行指令后，执行存储器102中存储的程序以实现下述实施例揭示的磁共振正对比成像方法。

处理器101可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力，用于执行存储器102中存储的可执行模块，例如计算机程序，在执行过程中，磁共振正对比成像方法的各步骤可以通过处理器101中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。处理器101可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

总线103可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。图1中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

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，计算机程序被处理器101执行时实现下述实施例揭示的磁共振正对比成像方法。

第一实施例

请参照图2，图2示出了本发明实施例提供的磁共振正对比成像方法流程图。磁共振正对比成像方法包括以下步骤：

步骤S101，获取目标组织周围的局部场图。

在本发明实施例中，目标组织周围的局部场图，即为目标区域内金属装置对其周围组织产生的局部磁场，目标区域即为包含金属装置的生物组织。获取目标组织周围的局部场图的方法可以是：

首先，利用磁共振扫描仪对成像目标进行数据采集，得到具有回波读出梯度偏移的磁共振(Magnetic Resonance，MR)信号；然后，利用具有回波读出梯度偏移的MR信号的相位得到目标区域内金属装置对其周围组织产生的局部磁场，即目标组织周围的局部场图，局部场图的表达式为ΔB＝Δθ/γB₀T_shift，其中，Δθ表示相位，γ表示旋磁比，为一常数，B₀表示磁共振成像的主磁场，T_shift表示回波读出梯度的偏移时间。

在磁共振成像中，目标组织周围的局部场图可由极化核与空间磁化率分布进行卷积运算得到，写成矩阵形式如下：

其中，ΔB(r)表示目标组织周围的局部场图，即为目标区域内金属装置对距离其位置r处的氢质子产生的局部磁场的大小，χ(r)表示目标区域内金属装置对距离其位置r处的磁化率矩阵，D(r)是目标区域内金属装置对距离其位置r处的成像目标的极化核。

步骤S102，依据局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型。

在本发明实施例中，由于磁共振扫描仪采集到的MR信号为复数信号，而复数信号的实部和虚部均有噪声分布，而目标组织周围的局部场图与MR信号的相位有关，因此，依据与复数MR信号有关的局部场图建立的非线性重建模型可以用下式表示：

其中，ΔB表示局部场图；W表示加权矩阵，可以由归一化幅值图得到，M表示掩膜矩阵，G表示一阶梯度算子，用来提高数据稀疏性；λ表示正则化参数，用来保证数据的一致性和稀疏性；χ表示空间磁化率分布；D为极化核，该极化核与磁共振成像的主磁场B₀方向有关，B₀方向确定后极化核也就确定了。由于上述的非线性重建模型对磁化率图像和局部场图均是高度非线性的，故能更好地处理复数噪声和相位的2π跳变。

步骤S103，将非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题。

在本发明实施例中，为了提高图像重建速度，需要将重建复杂的非线性重建模型分解为重建复杂度较低的第一子问题和第二子问题，具体的分解过程可以包括：

首先，为非线性重建模型引入第一参数，将非线性重建模型

转换为第一模型，得到的第一模型可以表示为：

其中，v为引入的第一参数。

然后，由于分解后的子问题需要进行正则化约束重建，故为第一模型引入第二参数，第二参数是一个迭代参数，将上一步得到的第一模型转换为第二模型，得到的第二模型可以表示为：

其中，γ为拉格朗日乘子，a为引入的第二参数；

接下来，采用交替最小化方法，即先固定第一参数v来最小化空间磁化率分布χ，再固定空间磁化率分布χ来最小化第一参数v，将上一步得到的第二模型分解为包括第一参数v和第二参数a的第一子问题、以及包括空间磁化率分布χ和第二参数a的第二子问题，得到的第一子问题可以表示为

得到的第二子问题可以表示为

步骤S104，对第一子问题和第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像。

在本发明实施例中，将非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题之后，需要对第一子问题和第二子问题进行正则化约束重建，具体的重建过程可以包括求解子步骤和迭代子步骤，其中，

求解子步骤可以包括：

第一步，对步骤S103中得到的第一子问题进行求解得到第一参数v，即，对

进行求解，得到

第二步，将第一步得到的第一参数v代入步骤S103中得到的第二子问题进行求解得到空间磁化率分布χ，即将

代入

解出空间磁化率分布χ。

第三步，利用第一步得到的第一参数v和第二步得到的空间磁化率分布χ，对第二参数a进行更新，即，将第一参数

和空间磁化率分布χ代入第一公式a＝a+MGχ-v，从而完成对第二参数a的更新。

迭代子步骤可以包括：

利用更新后的第二参数a＝a+MGχ-v替代第一子问题

和第二子问题

中原本的第二参数a，并再次执行上述的求解子步骤，重复上述求解过程，直至迭代次数大于预设阈值，最终得到的空间磁化率分布χ就是重建后的磁化率图像。预设阈值可以由用户根据实际情况进行灵活设置，一般取20～30次，在此不作限定。

为了更好的进行说明，本发明实施例在医用3T磁共振系统上进行仿体测试，证实了本发明实施例提供的磁共振正对比成像方法的可行性。请参照图3，图3(a)为测试用的活检针仿体图，图3(b)为图3(a)中白色虚线处的传统磁共振幅度图像，从图3(b)中可以清楚的看到，在仿体中植入活检针后，传统的磁共振成像中会产生空洞磁化率伪影。

请参照图4，图4(a)为传统磁共振幅度图像，即为上述的图3(b)；图4(b)为采用传统共轭梯度法(CG)得到的正对比成像结果图，图4(c)为采用本发明实施例提供的磁共振正对比成像方法得到的正对比成像结果图。实验中采用了基于快速自旋回波(FSE，fast spinecho)的正对比成像脉冲序列，脉冲序列的扫描参数包括：视野(FOV，field of view)为120×120×15mm³，扫描矩阵尺寸(matrix size)为192×192×10，重复时间(TR,repetitiontime)为2000ms,回波时间(TE，echo time)为18ms，图像分辨率为0.625×0.625mm²，层厚为1.5mm，带宽(bandwidth)为134Hz/Pixel，移动Tshift单位值是0.6ms。从图4中可以清楚的看到，采用本发明实施例提供的磁共振正对比成像方法不仅能消除活检针所造成的磁化率伪影，而且比采用传统共轭梯度法(CG)能更好的消除仿体边缘的伪影。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

首先，现有的基于磁化率成像的正对比成像方法是通过求解一个线性反问题来得到正对比图像，但是，由于噪声的存在及磁场的不均匀性，导致得到的相位并不是真正的相位。在后续生成局部场图所必需的相位解卷绕时，相位的这种不可靠性会被放大，利用这种相位错误的局部场图去求解磁化率图，会导致最终的磁化率图求解不准确甚至其它区域产生伪影。本发明实施例采用非线性模型对正对比成像进行建模，能更好地处理相位解缠绕问题，从而避免了由于相位不准确导致的磁化率图求解不准确的问题，提高了磁化率图像重建的准确度。

其次，传统的磁共振正对比图像通常采用共轭梯度法(CG)迭代求解磁化率图，由于共轭梯度法(CG)收敛较慢，尤其在接近最优解时需要经过多次循环迭代，因此导致图像重建时间较慢。本发明实施例将复杂的重建问题分为两个复杂度较低的子问题进行求解，降低了重建复杂度，具有更快的重建速度。

第二实施例

请参照图5，图5示出了本发明实施例提供的磁共振正对比成像装置200的方框示意图。磁共振正对比成像装置200包括局部场图获取模块201、模型建立模块202、模型分解模块203及图像重建模块204。

局部场图获取模块201，用于获取目标组织周围的局部场图。

模型建立模块202，用于依据所述局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型。

在本发明实施例中，模型建立模块202具体用于依据局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型

其中，ΔB表示局部场图，W为加权矩阵，M为掩膜矩阵，G为一阶梯度算子，λ为正则化参数，χ为空间磁化率分布，D为极化核。

模型分解模块203，用于将非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题。

在本发明实施例中，第一子问题包括第一参数和第二参数，第二子问题包括空间磁化率分布和第二参数，模型分解模块203具体用于依据第一参数，将非线性重建模型转换为第一模型，非线性重建模型为

第一模型为

v为第一参数；依据第二参数，将第一模型转换为第二模型，第二模型为

γ为拉格朗日乘子，a为所述第二参数；采用交替最小化方法，将第二模型分解为第一子问题和第二子问题，第一子问题为

第二子问题为

图像重建模块204，用于对第一子问题和第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像。

在本发明实施例中，图像重建模块204执行对第一子问题和第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像的方式，包括求解子步骤和迭代子步骤；其中，求解子步骤包括：对第一子问题进行求解得到第一参数，第一参数

依据第一参数求解第二子问题，得到空间磁化率分布；利用第一参数和空间磁化率分布，对第二参数进行更新；迭代子步骤包括：利用更新后的第二参数替代第一子问题和第二子问题中的第二参数并执行求解子步骤，直至迭代次数大于预设阈值，得到重建后的磁化率图像。

在本发明实施例中，图像重建模块204执行利用所述第一参数和所述空间磁化率分布，对所述第二参数进行更新的方式，包括：依据第一参数

和空间磁化率分布，利用第一公式a＝a+MGχ-v对所述第二参数进行更新。

综上所述，本发明实施例提供的一种磁共振正对比成像方法及装置，所述方法包括：获取磁共振扫描仪采集的目标组织周围的局部场图；依据所述局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型；将所述非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题；对所述第一子问题和所述第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像。与现有技术相比，本发明实施例采用非线性模型对正对比成像进行建模，能更好地处理相位解缠绕问题，从而避免了由于相位不准确导致的磁化率图求解不准确的问题，提高了磁化率图像重建的准确度。同时，本发明实施例将复杂的重建问题分为两个复杂度较低的子问题进行求解，降低了重建复杂度，具有更快的重建速度。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，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或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (6)

1.一种磁共振正对比成像方法，其特征在于，所述方法包括：

获取目标组织周围的局部场图；

依据所述局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型；

将所述非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题；

对所述第一子问题和所述第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像；

其中：所述第一子问题包括第一参数和第二参数，所述第二子问题包括空间磁化率分布和第二参数；

所述将非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题的步骤，包括：

依据所述第一参数，将所述非线性重建模型转换为第一模型，所述非线性重建模型为

所述第一模型为

s.t.v＝MGχ，v为所述第一参数；

依据所述第二参数，将所述第一模型转换为第二模型，所述第二模型为

γ为拉格朗日乘子，a为所述第二参数；

采用交替最小化方法，将所述第二模型分解为第一子问题和第二子问题，所述第一子问题为

所述第二子问题为

对所述第一子问题和所述第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像的步骤，包括求解子步骤和迭代子步骤；其中，

所述求解子步骤包括：

对所述第一子问题进行求解得到第一参数，所述第一参数

依据所述第一参数求解所述第二子问题，得到空间磁化率分布；

利用所述第一参数和所述空间磁化率分布，对所述第二参数进行更新；

所述迭代子步骤包括：

利用更新后的第二参数替代所述第一子问题和所述第二子问题中的第二参数并执行所述求解子步骤，直至迭代次数大于预设阈值，得到重建后的磁化率图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型的步骤，包括：

依据所述局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型

其中，ΔB表示局部场图，W为加权矩阵，M为掩膜矩阵，G为一阶梯度算子，λ为正则化参数，χ为空间磁化率分布，D为极化核。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用第一参数和所述空间磁化率分布，对所述第二参数进行更新的步骤，包括：

依据第一参数

和空间磁化率分布，利用第一公式a＝a+MGχ-v对所述第二参数进行更新。

4.一种磁共振正对比成像装置，其特征在于，所述装置包括：

局部场图获取模块，用于获取目标组织周围的局部场图；

模型建立模块，用于依据所述局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型；

模型分解模块，用于将所述非线性重建模型分解为第一子问题和第二子问题；

图像重建模块，用于对所述第一子问题和所述第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像；

所述第一子问题包括第一参数和第二参数，所述第二子问题包括空间磁化率分布和第二参数；所述模型分解模块具体用于：

依据所述第一参数，将所述非线性重建模型转换为第一模型，所述非线性重建模型为

所述第一模型为

s.t.v＝MGχ，v为所述第一参数；

依据所述第二参数，将所述第一模型转换为第二模型，所述第二模型为

γ为拉格朗日乘子，a为所述第二参数；

采用交替最小化方法，将所述第二模型分解为第一子问题和第二子问题，所述第一子问题为

所述第二子问题为

所述图像重建模块执行对所述第一子问题和所述第二子问题进行正则化约束重建，以重建出磁化率图像的方式，包括求解子步骤和迭代子步骤；其中，

所述求解子步骤包括：

对所述第一子问题进行求解得到第一参数，所述第一参数

依据所述第一参数求解所述第二子问题，得到空间磁化率分布；

利用所述第一参数和所述空间磁化率分布，对所述第二参数进行更新；

所述迭代子步骤包括：

利用更新后的第二参数替代所述第一子问题和所述第二子问题中的第二参数并执行所述求解子步骤，直至迭代次数大于预设阈值，得到重建后的磁化率图像。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述模型建立模块具体用于：

依据所述局部场图，建立磁化率图像重建的非线性重建模型

其中，ΔB表示局部场图，W为加权矩阵，M为掩膜矩阵，G为一阶梯度算子，λ为正则化参数，χ为空间磁化率分布，D为极化核。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述图像重建模块执行利用所述第一参数和所述空间磁化率分布，对所述第二参数进行更新的方式，包括：

依据第一参数

和空间磁化率分布，利用第一公式a＝a+MGχ-v对所述第二参数进行更新。

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