CN111856366B - k空间数据采集装置及方法、磁共振成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例中公开了一种k空间数据采集装置及方法、磁共振成像装置及方法。其中，k空间数据采集装置包括：一采集轨迹确定模块，用于按照将回波数据以伪径向序填充的方式，确定所述k空间中回波信号的采集轨迹；和一数据采集模块，用于采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。本发明实施例中的技术方案能够在不增加压脂脉冲的情况下提高图像对比度。

Description

k空间数据采集装置及方法、磁共振成像装置及方法
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，特别是一种k空间数据采集装置及方法，以及一种磁共振成像装置及方法。
背景技术
磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)是利用磁共振现象进行成像的一种技术。磁共振成像的原理主要包括：包含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子具有自旋运动，犹如一个小磁体，并且这些小磁体的自旋轴无一定的规律，如果施加外在磁场，这些小磁体将按外在磁场的磁力线重新排列，具体为在平行于或反平行于外在磁场磁力线的两个方向排列，将上述平行于外在磁场磁力线的方向称为正纵向轴，将上述反平行于外在磁场磁力线的方向称为负纵向轴，原子核只具有纵向磁化分量，该纵向磁化分量既具有方向又具有幅度。用特定频率的射频(RF，Radio Frequency)脉冲激发处于外在磁场中的原子核，使这些原子核的自旋轴偏离正纵向轴或负纵向轴，产生共振，这就是磁共振现象。上述被激发原子核的自旋轴偏离正纵向轴或负纵向轴之后，原子核具有了横向磁化分量。
停止发射射频脉冲后，被激发的原子核发射回波信号，将吸收的能量逐步以电磁波的形式释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态，将原子核发射的回波信号经过空间编码等进一步处理即可重建图像。上述被激发原子核向激发前状态的恢复过程称为驰豫过程，恢复到平衡状态所需的时间称为驰豫时间。
由于人体内部脂肪中的氢原子核和水中的氢原子核所处的分子环境不相同，在使用相同射频脉冲进行激发时，它们的共振频率不相同，驰豫时间也不相同。在不同的回波时间采集信号，脂肪组织和水表现出不同的相位以及信号强度。为了获取具有较好图像对比度的清晰图像，目前已有将来自被检体内的脂肪的信号(简称脂肪信号)作为不要信号来进行抑制的各种脂肪抑制法。
图1示出了其中一种基于快速脂肪抑制进行回波数据采集的示意图。如图1所示，第一层中，首先施加一个用于抑制脂肪信号的压脂脉冲101，然后在脂肪信号被抑制并完全恢复之前施加一系列激励脉冲102，即RF脉冲串，图中会方便理解，仅示出了4个激励脉冲的情况，实际应用中，激励脉冲的数量可根据实际情况确定；第二层为损毁梯度103；第三层为回波数据104，其中回波数据的数量与激励脉冲的数量是一致的，每个回波数据为一个读出采集的回波信号；第四层为脂肪信号105，其纵轴为脂肪信号幅值FSA，可见，每次施加压脂脉冲后，被抑制为零的脂肪信号之后会缓慢地恢复。脂肪信号的恢复程度、即脂肪信号的大小依赖于从施加压脂脉冲起的经过时间。
然而由于上述脂肪信号被抑制后会缓慢恢复，但施加较多的压脂脉冲又意味着较多的时间消耗，因此目前一直面临着扫描时间和图像对比度之间如何平衡的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例中一方面提出了一种k空间数据采集装置和方法，另一方面提出了一种磁共振成像装置和方法，用以在不增加压脂脉冲的情况下提高图像对比度。
本发明实施例中提出的一种k空间数据采集装置，包括：一采集轨迹确定模块，用于根据每个压脂脉冲后施加的激励脉冲串的数量N将k空间由中心原点按照螺旋向外的方向均分为N个分段，按照将每个压脂脉冲后对应所述激励脉冲串依次采集的N个回波数据依次填入所述N个分段中每个分段的一个对应位置的填充顺序确定所述k空间中回波信号的采集轨迹；其中，N为正整数；和一数据采集模块，用于采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
在一个实施方式中，所述数据采集模块基于并行成像的磁共振成像系统，采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
本发明实施例中提出的一种磁共振成像装置，包括：上述任一实施方式中的k空间数据采集装置，以及一图像重建模块，用于利用所述k空间中的数据重建一磁共振图像。
本发明实施例中提出的一种k空间数据采集方法，包括：根据每个压脂脉冲后施加的激励脉冲串的数量N，将k空间由中心原点按照螺旋向外的方向均分为N个的分段；其中，N为正整数；按照将每个压脂脉冲后对应所述激励脉冲串依次采集的N个回波数据依次填入所述N个分段中每个分段的一个对应位置的填充顺序，确定所述k空间中回波信号的采集轨迹；和采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
在一个实施方式中，所述采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间为：基于并行成像的磁共振成像系统，采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
本发明实施例中提出的一种磁共振成像方法，包括：根据每个压脂脉冲后施加的激励脉冲串的数量N，将k空间由中心原点按照螺旋向外的方向均分为N个的分段；其中，N为正整数；按照将每个压脂脉冲后对应所述激励脉冲串依次采集的N个回波数据依次填入所述N个分段中每个分段的一个对应位置的填充顺序，确定所述k空间中回波信号的采集轨迹；采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间；和利用所述k空间中的数据重建一磁共振图像。
在一个实施方式中，所述采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间为：基于并行成像的磁共振成像系统，采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
从上述方案中可以看出，由于本发明实施例中通过根据每个压脂脉冲后施加的激励脉冲串的数量N将k空间由中心原点按照螺旋向外的方向均分为N个分段，并按照将每个压脂脉冲后对应所述激励脉冲串依次采集的N个回波数据依次填入所述N个分段中每个分段的一个对应位置的填充顺序确定所述k空间中回波信号的采集轨迹，实现了一种伪径向填充方式的k空间数据采集，使得脂肪信号最低的回波数据位于能够对图像对比度起关键作用的中心区域，从而在不增加压脂脉冲的情况下提高脂肪信号的抑制效果，进而提高图像的对比度。
进一步地，该伪径向序填充方式还可以与并行成像合并进行k空间的数据采集，且其不会对图像产生明显的负效应。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1为目前一种基于快速脂肪抑制进行回波数据采集的示意图。
图2A至图2D为不同的k空间填充方式下回波信号的分布情况。
图3为本发明实施例中一种磁共振成像装置的示例性结构图。
图4A至图4C示出了本发明实施例中一种k空间填充的示意图。
图5为本发明实施例中一种磁共振成像方法的示例性流程图。
图6为本发明实施例中第一个志愿者的磁共振图像，其中第一列和第三列是采用图2C所示的伪中间序填充方式进行k空间数据采集得到的磁共振图像，第二列和第四列为采用本发明实施例中的伪径向填充方式进行k空间数据采集得到的磁共振图像。
图7为本发明实施例中第二个志愿者的磁共振图像，其中第一列和第三列是采用图2C所示的伪中间序填充方式进行k空间数据采集得到的磁共振图像，第二列和第四列为采用本发明实施例中的伪径向填充方式进行k空间数据采集得到的磁共振图像。
图8为本发明实施例中将并行成像与伪径向序填充方式相结合进行k空间数据采集的磁共振图像，其中第一列和第三列是采用图2C所示的伪中间序填充方式进行k空间数据采集得到的磁共振图像，第二列和第四列为采用本发明实施例中的伪径向填充方式和并行成像相结合进行k空间数据采集后得到的磁共振图像。
其中，附图标记如下：
标号 含义
101 压脂脉冲
102 激励脉冲
103 损毁梯度
104 回波数据
105 脂肪信号
301 采集轨迹确定模块
302 数据采集模块
303 图像重建模块
S52、S54、S56 步骤
具体实施方式
MRI成像包括沿期望方向的各种横断面的图像。k空间是每个横断面的数据空间，即k空间数据表示可形成一个图像的一组原数据。例如，采用三维快速梯度回波序列进行k空间的回波数据采集后，回波数据被填充至一相位编码k空间。之后通过对k空间数据执行傅里叶变换，可获得期望的图像。
本发明实施例中，考虑到目前的k空间填充主要采用图2A至图2C三种填充方式，其中，图2A和图2B为线性填充，图2C为伪中间序填充。如图2A至图2C所示，深色区域为脂肪信号低L的回波数据，浅色区域为脂肪信号高H的回波数据。横坐标为相位编码方向的相位编码PE，纵坐标为选层方向的相位编码。可见，图2A是采用由下往上的填充顺序，图2B采用由左至右的填充顺序，图2C采用由中心向上下两侧的填充顺序。针对图2A中的填充顺序，脂肪信号最低的回波数据位于k空间的下方，针对图2B中的填充顺序，脂肪信号最低的回波数据位于k空间的左侧，针对图2C中的填充顺序，脂肪信号最低的回波数据位于k空间的上下方向的中心条。
本发明中的发明人通过对比发现，不同的填充方向对应的重建后的磁共振图像的图像对比度不同。其中，图2C的填充顺序对应的重建后的磁共振图像的图像对比度优于图2A和图2B的线性填充方式。并且发明人发现k空间中心位置的回波数据对重建后的磁共振图像的图像对比度起着决定性的作用，为此本发明实施例中提出了一种新型的k空间的填充方式，即伪径向填充，即将k空间划分为由内而外的复数个区域，采集的顺序由内而外衍生，从而最大程度的利用快速压脂脉冲的压脂效果，将脂肪信号最低的回波数据填充到k空间的正中心，以形成如图2D所示的k空间效果。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
图3为本发明实施例中一种磁共振成像装置的结构示意图。如图3所示，该装置可包括：采集轨迹确定模块301、数据采集模块302和图像重建模块303。
其中，采集轨迹确定模块301用于按照将回波数据以伪径向序填充的方式，确定所述k空间中回波信号的采集轨迹。
具体实现时，采集轨迹确定模块301可有多种实现方式，例如，图4A至图4C示出了其中一种具体实现过程。如图4A，首先可根据每个压脂脉冲后施加的激励脉冲串的数量N将k空间由中心原点按照螺旋向外的方向均分为N个的分段。为便于理解，图4A中的分段处用粗线表示出来。其中，N为正整数。因纸面空间有限，为便于表现，本实施例中以N为12的情况为例，且以每个分段中包括9次采集的情况为例。为便于说明，本发明实施例中，进一步将图4A中的k空间沿螺旋方向拉成一条如图4B上方的直线形式，因纸面空间有限，图4B中仅示出了6个完整的分段和1个不完整的分段，另外5个分段未能示出。其中，“一”、“二”、“三”等表示由中心依次螺旋向外的分段序号，“1”、“2”、“3”等表示一个压脂脉冲后依次采集的一组回波数据的序号。如图4B所示，将k空间进行分段后，可按照将每个压脂脉冲后对应所述激励脉冲串依次采集的N个回波数据依次填入所述N个分段中每个分段的一个对应位置的填充顺序确定所述k空间中回波信号的采集轨迹。即针对第一个压脂脉冲后依次采集的12个回波数据，将第一个回波数据即脂肪信号最低的回波数据填充至第一个分段中，即图4C中数字为1的中心区域中；将第二个回波数据即脂肪信号次低的回波数据填充至第二个分段中，即图4C中数字为2的次中心区域中；将第三个回波数据即脂肪信号次低的回波数据填充至第三个分段中，即图4C中数字为3的向外衍射的区域中；以此类推，直到将第四个回波数据即脂肪信号最高的回波数据填充至第12个分段中，即图4C中数字为12的最外围的区域中。针对第二个压脂脉冲后依次采集的12个回波数据，也同样依次填充至12个分段中靠近第一个压脂脉冲后依次采集的12个回波数据的位置。以此类推，直到填充完k空间。
可以看出，本发明实施例中，这种填充方式下的采集顺序总是从中心开始向外扩展，就像但不是传统的径向扫描，因此称之为伪径向扫描。在真实的3D成像中，当相位编码步数增加超过100步时，采集顺序看起来就更像是PE平面图中的径向了。
数据采集模块302用于采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
具体实现时，数据采集模块302可基于全采样的磁共振成像系统进行数据采集，也可基于欠采样的磁共振成像系统进行数据采集。例如，数据采集模块302可基于并行成像的磁共振成像系统采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
图像重建模块303用于利用所述k空间中的数据重建一磁共振图像。
本发明实施例中的一种k空间数据采集装置可包括上述的采集轨迹确定模块301和数据采集模块302。
以上对本发明实施例中的装置实施例进行了详细描述，下面再对本发明实施例中的方法实施例进行详细描述。对于本发明方法实施例中未披露的细节，可参考本发明装置实施例中的对应描述，此处不再一一赘述。
图5为本发明实施例中一种磁共振成像方法的示例性流程图。如图5所示，该方法可包括如下步骤：
S52，按照将回波数据以伪径向序填充的方式，确定所述k空间中回波信号的采集轨迹。
具体实现时，本步骤中可根据每个压脂脉冲后施加的激励脉冲串的数量N，将k空间由中心原点按照螺旋向外的方向均分为N个的分段；其中，N为正整数；按照将每个压脂脉冲后对应所述激励脉冲串依次采集的N个回波数据依次填入所述N个分段中每个分段的一个对应位置的填充顺序，确定所述k空间中回波信号的采集轨迹。
S54，采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
具体实现时，本步骤中可基于全采样的磁共振成像系统进行数据采集，也可基于欠采样的磁共振成像系统进行数据采集。例如，本步骤可基于并行成像的磁共振成像系统采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
S56，利用所述k空间中的数据重建一磁共振图像。
本发明实施例中的一种k空间数据采集方法可包括上述的步骤S52和步骤S54。
下面通过实验验证本发明实施例中的技术方案实施效果。
本实验采用西门子3T磁频谱系统(16Cha)进行活体实验，使用16通道的头/颈线圈对志愿者进行头部检测。所用协议参数为：TE/TR＝2.47/6.42ms，BW＝250Hz，FOV＝173x190，Matrix 230x288，slices per slab＝56，slice OS＝28.6％，voxel＝0.7x0.7x1.0mm，Q-fat sat，lines per shot＝60，FA＝9。
下面内容为对上述协议参数的含义解释：
TE---回波时间，单位毫秒；
TR---重复时间，单位毫秒；
BW---采样带宽，单位赫兹；
FOV---视野窗，单位毫米；
Matrix---采样矩阵大小；
slices per slab---每个成像块选层方向编码数；
voxel---体素大小，单位毫米；
Q-fat sat---快速压脂；
Lines per shot---每次压脂之后采样的线数；
FA---翻转角大小，单位°。
图6中示出了第一个志愿者的磁共振图像，其中第一列和第三列是采用图2C所示的伪中间序填充方式进行k空间数据采集得到的磁共振图像，第二列和第四列为采用本发明实施例中的伪径向填充方式进行k空间数据采集得到的磁共振图像。图7中示出了第二个志愿者(注：志愿者年龄为60岁，扫描过程中有一些动作，造成切片位置的某种微小差异)的磁共振图像，同样，第一列和第三列是采用图2C所示的伪中间序填充方式进行k空间数据采集得到的磁共振图像，第二列和第四列为采用本发明实施例中的伪径向填充方式进行k空间数据采集得到的磁共振图像。
通过对图6和图7中不同排序方式下的磁共振图像进行对比，可以发现，在相同的参数设置下，伪径向序填充方式的k空间数据采集比伪中心序填充方式的k空间数据采集具有更好的脂肪信号抑制效果，从而进一步抑制了K空间中心数据中的脂肪信号，使重建之后的图像中视觉神经更加突显，清晰。
进一步地，本发明实施例中将并行成像与伪径向序填充方式相结合进行k空间数据采集的情况进行了试验，如图8所示，同样是上述的试验环境，其中第一列和第三列是采用图2C所示的伪中间序填充方式进行k空间数据采集得到的磁共振图像，第二列和第四列为采用本发明实施例中的伪径向填充方式和并行成像相结合进行k空间数据采集后得到的磁共振图像，即基于并行成像的磁共振系统进行伪径向序填充方式的k空间数据采集得到的磁共振图像。可以看出，基于并行成像的磁共振系统进行伪径向序填充方式的k空间数据采集的潜在负效应研究表明，伪径向序填充方式与平行成像相结合时，没有发现明显的负效应。
从上述方案中可以看出，由于本发明实施例中采用了伪径向序填充方式进行k空间的数据采集，使得脂肪信号最低的回波数据位于能够对图像对比度起关键作用的中心区域，从而在不增加压脂脉冲的情况下提高脂肪信号的抑制效果，进而提高图像的对比度。
此外，通过根据每个压脂脉冲后施加的激励脉冲串的数量N将k空间由中心原点按照螺旋向外的方向均分为N个分段，并按照将对应所述激励脉冲串依次采集的N个回波数据依次填入所述N个分段中每个分段的一个对应位置的填充顺序确定所述k空间中回波信号的采集轨迹，使得伪径向填充方式的k空间数据采集更加简单易实现。
进一步地，该伪径向序填充方式还可以与并行成像合并进行k空间的数据采集，且其不会对图像产生明显的负效应。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (7)

1.一种三维快速梯度回波序列的k空间数据采集装置，其特征在于，包括：
一采集轨迹确定模块(301)，根据每个压脂脉冲后施加的激励脉冲串的数量N将k空间由中心原点按照螺旋向外的方向均分为N个分段，按照将每个压脂脉冲后对应所述激励脉冲串依次采集的N个回波数据依次填入所述N个分段中每个分段的一个对应位置的填充顺序确定所述k空间中回波信号的采集轨迹；其中，N为正整数；和
一数据采集模块(302)，用于采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
2.根据权利要求1所述的k空间数据采集装置，其特征在于，所述数据采集模块(302)基于并行成像的磁共振成像系统，采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
3.一种磁共振成像装置，其特征在于，包括：如权利要求1或2所述的k空间数据采集装置，以及
一图像重建模块(303)，用于利用所述k空间中的数据重建一磁共振图像。
4.一种三维快速梯度回波序列的k空间数据采集方法，其特征在于，包括：
根据每个压脂脉冲后施加的激励脉冲串的数量N，将k空间由中心原点按照螺旋向外的方向均分为N个的分段；其中，N为正整数；按照将每个压脂脉冲后对应所述激励脉冲串依次采集的N个回波数据依次填入所述N个分段中每个分段的一个对应位置的填充顺序，确定所述k空间中回波信号的采集轨迹(S52)；和
采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间(S54)。
5.根据权利要求4所述的k空间数据采集方法，其特征在于，所述采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间为：基于并行成像的磁共振成像系统，采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
6.一种利用三维快速梯度回波序列的磁共振成像方法，其特征在于，包括：
根据每个压脂脉冲后施加的激励脉冲串的数量N，将k空间由中心原点按照螺旋向外的方向均分为N个的分段；其中，N为正整数；按照将每个压脂脉冲后对应所述激励脉冲串依次采集的N个回波数据依次填入所述N个分段中每个分段的一个对应位置的填充顺序，确定所述k空间中回波信号的采集轨迹(S52)；
采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间(S54)；和
利用所述k空间中的数据重建一磁共振图像(S56)。
7.根据权利要求6所述的磁共振成像方法，其特征在于，所述采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间为：基于并行成像的磁共振成像系统，采集符合所述采集轨迹的k空间数据并填充所述k空间。
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