CN112304811B - 一种对运动不敏感的低场核磁共振表观扩散系数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种对运动不敏感的低场核磁共振表观扩散系数测量方法，包括设计特殊的SE‑CPMG相位循环方法采集信号，通过振铃滤波在单次激发内完成振铃噪声消除，采用相位校正算法消除运动引入的随机相位，最后完成多次相位循环合成以及表观扩散系数估计。本发明对运动不敏感，可以提升表观扩散系数测量的准确性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振技术领域，尤其涉及一种对运动不敏感的低场核磁共振表观扩散系数测量方法。
背景技术
物质中的分子都存在一定程度的扩散运动，其方向是随机的，称为分子的热运动或布朗运动。如果水分子的扩散运动不受任何约束，我们称为自由扩散。在人体中，脑脊液、尿液等水分子扩散运动所受到的限制相对小，被视为自由扩散。事实上，生物组织内的水分子因受周围介质的约束，其扩散运动将受到不同程度的限制，称之为限制性扩散，一般组织中水分子的扩散运动则属于限制性扩散。表观扩散系数就是描述水分子在组织中的扩散能力的一种物理量。磁共振信号被激发后，水分子在梯度磁场方向上的扩散运动将造成磁共振信号的衰减，如果水分子在梯度磁场方向上扩散越自由，则在梯度磁场施加期间扩散距离越大，经历的磁场变化也越大，组织信号衰减越明显。因此，可以通过核磁共振技术测量物体的表观扩散系数，从而间接的反映物体微观结构特点及其变化。
表观扩散系数作为一个重要的临床诊断指标被广泛应用。在非均匀磁场低场磁共振系统中，不能实现传统医用磁共振中的扩散加权成像，只能测量物质总体表观扩散系数。
一种典型的测量表观扩散系数的脉冲序列如图1所示，SE-CPMG序列，即基于自旋回波进行扩散梯度编码，然后用超快速的CPMG序列进行信号读出。
在非均匀场磁共振系统中用于测量表观扩散系数的SE-CPMG有如下特点：
1、梯度场非常大，比传统磁共振成像系统高1～2个数量级，对微小运动都非常敏感；
2、一般为收发一体线圈，发射引起的振铃噪声(RingDownNoise)非常大，需要使用多次相位循环激发消除振铃噪声；
3、需要使用特定的多次相位循环激发消除受激回波(Stimulated echo)以及杂散回波的影响；
4、信噪比低，需要多次激发平均以提升信噪比。
综上因素使得该序列和重建方法对运动极为敏感。简单的说，就是被检物体的运动被极强的扩散编码梯度调制为一个随机的相位信息，这使得多次相位循环合成和平均后的结果不正确，导致表观扩散系数测量失败。
发明内容
本发明旨在提供一种对运动不敏感的低场核磁共振表观扩散系数测量方法，对表观扩散系数测量序列SE-CPMG的改进，使其对运动不敏感，可以提升表观扩散系数测量的准确性和稳定性。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明公开一种对运动不敏感的低场核磁共振表观扩散系数测量方法，包括以下步骤：
S1、改变扩散敏感梯度持续时间T，进行M次测量，采集M组8次相位循环组合回波信号，采集到的信号为一个四维数组S(m，n，a，p)，
第一维为扩散敏感梯度持续时间，共有M组数据，
第二维为回波链长度，长度为N，
第三维为激发次数A，
第四维为单次读出数据的采样点数，为P；
S2、振铃噪声滤波：
其中，Sf表示滤除振铃噪声后的信号，L表示滤波窗宽，L为偶数；
S3、相位校正：
从Sf中逐次取出单次激发数据，用Sshot表示，Sshot为二维数组，Sshot的两个维度分别表示波链长度和采样点数，
通过遍历搜索法求出Sshot中由运动引起的相位误差，进行数据校正，获得校正数据Sc，将校正数据放回数据矩阵，记为Sc(m，n，a，p)；
S4、表观扩散系数估计：
S4.1、数据降维处理，得到一维向量Sc′，
S4.2、用最小二乘法拟合公式(4)，可以得到表观扩散系数D
其中，其中γ是磁旋比，G为平均的梯度场大小，T为扩散敏感梯度持续时间，T2为被测物质的T2弛豫时间常数，D为待求的表观扩散系数。
优选的，步骤S1中使用的测量序列包括依次发射的第一激发脉冲、第一回聚脉冲、第二回聚脉冲…第N回聚脉冲；
第一激发脉冲翻转角为θ，所有回聚脉冲翻转角为2θ；
第一激发脉冲与第一回聚脉冲之间的时间间隔为T；
第一回聚脉冲与第一采集窗口之间的时间间隔为T；
第一采集窗与第二回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2；
后续回聚脉冲之间的时间间隔为τ，后续采集窗之间的时间间隔为τ；
一次激发采集N个回波信号。
优选的，测量序列还包括恒定梯度场，恒定梯度场为磁体的天然梯度磁场。
优选的，8次相位循环组合回波信号即用8次具有不同相位组合的扫描合成信号消除受激回波和杂散回波的影响，激发次数为8的整数倍。
优选的，
表示激发脉冲相位，
表示回聚脉冲相位，从
开始，回聚脉冲相位以180度呈周期变换。
优选的，步骤S3中，遍历搜索法为找到一个0～π之间的相位，使得公式(2)中的r(k)取得最大值
其中k＝0，1，2…K，
δ为步长，Kδ＝π，
real()表示取实部，
imag()表示取虚部，
最后，取相位校正后的数据的实部作为后续计算
其中Sc表示校正数据，kc为使得式(2)中r(k)取得最大值对应的k。
优选的，步骤S4.1包括以下步骤，
S4.1.1、对信号Sc(m，n，a，p)的第四维进行傅里叶变换，得到频域数据；仅保留低频部分并取平均，
S4.1.2、对信号Sc(m，n，a，p)的第二、第三维取平均，
S4.1.3、得到一维向量Sc′。
优选的，步骤S2中，L为2或4。
本发明的有益效果：
本发明通过振铃滤波在单次激发内完成振铃噪声消除，采用相位校正算法消除运动引入的随机相位，最后完成多次相位循环合成以及表观扩散系数估计。该方法对运动不敏感，可以提升表观扩散系数测量的准确性和稳定性。
附图说明
图1为现有技术中基于非均匀场核磁共振系统的表观扩散系数测量脉冲序列示意图；
图2为本发明中基于非均匀场核磁共振系统的表观扩散系数测量序列示意图；
图3为现有技术应用于腹部肝脏部位表观扩散系数测量的结果；
图4为本发明应用于腹部肝脏部位表观扩散系数测量的结果。
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。
图2所示为非均匀场核磁共振系统的表观扩散系数测量序列示意图，该序列由一系列精确控制的射频脉冲组成，分别为第一激发脉冲，第一回聚脉冲、第二回聚脉冲，一直到第n回聚脉冲。所述恒定梯度场为磁体的天然梯度磁场，不需要控制。
第一激发脉冲翻转角为θ，其后所有回聚脉冲翻转角为2θ；第一激发脉冲与第一回聚脉冲之间的时间间隔为T，称为扩散敏感梯度持续时间；第一回聚脉冲与第一采集窗口之间的时间间隔为T；第一采集窗与第二回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2；后续回聚脉冲之间的时间间隔为τ，后续采集窗之间的时间间隔为τ。一次激发采集N个回波信号。
该序列采用8次相位循环法，即用8次具有不同相位组合的扫描合成信号消除受激回波和杂散回波的影响，因此激发次数必须是8的整数倍。这8次扫描采用了不同的相位组合，其具体相位如表1所示。
表示激发脉冲相位，
表示回聚脉冲相位，
表示接收相位。从
开始，回聚脉冲相位以180度呈周期变换，以改变振铃噪声的相位。
表1：本发明所述表观扩散系数测量序列相位循环表
为了测量表观扩散系数，需要改变扩散敏感梯度持续时间T，进行多次测量。采集M组8次相位循环组合回波信号。
数据处理
采集到的信号为一个四维数组S(m，n，a，p)，第一维对应不同的扩散敏感梯度持续时间(即T)，共有M组数据；第二维为回波链长度，长度为N；第三维为激发次数A；第四维为单次读出数据的采样点数，为P。
基于该四维数组进行表观扩散系数估计，主要包括如下3步。
1、振铃噪声滤波
其中Sf表示滤除振铃噪声后的信号，L表示滤波窗宽，必须为偶数，一般选取2或者4。
2、相位校正
从Sf中逐次取出单次激发数据，用Sshot表示，为一个二维数组，两个维度分别表示波链长度和采样点数。通过遍历搜索法求出Sshot中由运动引起的相位误差，即找到一个0～π之间的相位，使得公式(2)中的r取得最大值
其中k＝0，1，2…K。δ为步长，且Kδ＝π。real()表示取实部，imag()表示取虚部，
最后，仅取相位校正后的数据的实部作为后续计算，
其中Sc表示校正数据，kc为使得式(2)中r取得最大值对应的k，
将校正后的数据放回数据矩阵，重新记为Sc(m，n，a，p)的四维矩阵。
3、表观扩散系数估计
1)数据降维处理：对信号Sc(m，n，a，p)的第四维进行傅里叶变换，得到频域数据；仅保留低频部分并取平均；再对第二、第三维取平均。最终得到一个一维向量Sc′；
2)用最小二乘法拟合公式(4)，可以得到表观扩散系数D
其中，其中γ是磁旋比，G为平均的梯度场大小，T为扩散敏感梯度持续时间，T2为被测物质的T2弛豫时间常数。D为待求的表观扩散系数。
图3给出了现有技术应用水模表观扩散系数测量的结果，测量出的表观扩散系数为1.117e-3mm2/s。而图4为本发明所述方法应的测量结果，测量出的表观扩散系数为0.701e-3mm2/s。可以看到图4中个测量点分布更线性更集中，表面其受运动的干扰更小，其测量值也更准确。
表2给出了现有技术与本发明方法应用于腹部肝脏部位表观扩散系数测量时，多次测量的结果对比。由于受运动的影响，现有技术测量结果偏差非常大，可性度低。而本发明方法测量结果比较稳定，可重复性高。
| 测量1 | 测量2 | 测量3 | 测量4 | 测量5 | 测量6 | |
| 现有技术 | 1.117e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s | 1.806e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s | 1.530e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s | 1.238e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s | 1.161e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s | 1.754e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s |
| 本发明 | 0.701e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s | 0.726e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s | 0.714e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s | 0.705e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s | 0.709e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s | 0.711e<sup>-3</sup>mm<sup>2</sup>/s |
表2：现有技术与本发明方法应用于腹部肝脏部位表观扩散系数测量的结果对比
当然，本发明还可有其它多种实施例，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 (8)
1.一种对运动不敏感的低场核磁共振表观扩散系数测量方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、改变扩散敏感梯度持续时间T，进行M次测量，采集M组8次相位循环组合回波信号，采集到的信号为一个四维数组S(m，n，a，p)，
第一维为扩散敏感梯度持续时间，共有M组数据，
第二维为回波链长度，长度为N，
第三维为激发次数A，
第四维为单次读出数据的采样点数，为P；
S2、振铃噪声滤波：
其中，Sf表示滤除振铃噪声后的信号，L表示滤波窗宽，L为偶数；
S3、相位校正：
从Sf中逐次取出单次激发数据，用Sshot表示，Sshot为二维数组，Sshot的两个维度分别表示波链长度和采样点数，
通过遍历搜索法求出Sshot中由运动引起的相位误差，进行数据校正，获得校正数据Sc，将校正数据放回数据矩阵，记为Sc(m，n，a，p)；
S4、表观扩散系数估计：
S4.1、数据降维处理，得到一维向量S′c，
S4.2、用最小二乘法拟合公式(4)，可以得到表观扩散系数D
其中，其中γ是磁旋比，G为平均的梯度场大小，T为扩散敏感梯度持续时间，T2为被测物质的T2弛豫时间常数，D为待求的表观扩散系数。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤S1中使用的测量序列包括依次发射的第一激发脉冲、第一回聚脉冲、第二回聚脉冲…第N回聚脉冲；
第一激发脉冲翻转角为θ，所有回聚脉冲翻转角为2θ；
第一激发脉冲与第一回聚脉冲之间的时间间隔为T；
第一回聚脉冲与第一采集窗口之间的时间间隔为T；
第一采集窗与第二回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2；
后续回聚脉冲之间的时间间隔为τ，后续采集窗之间的时间间隔为τ；
一次激发采集N个回波信号。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：测量序列还包括恒定梯度场，恒定梯度场为磁体的天然梯度磁场。
4.根据权利要求2或3所述的测量方法，其特征在于：8次相位循环组合回波信号即用8次具有不同相位组合的扫描合成信号消除受激回波和杂散回波的影响，激发次数为8的整数倍。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：
表示激发脉冲相位，
表示回聚脉冲相位，从
开始，回聚脉冲相位以180度呈周期变换。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤S3中，遍历搜索法为找到一个0～π之间的相位，使得公式(2)中的r(k)取得最大值
其中k＝0，1，2…K，
δ为步长，Kδ＝π，
real()表示取实部，
imag()表示取虚部，
最后，取相位校正后的数据的实部作为后续计算
其中Sc表示校正数据，kc为使得式(2)中r(k)取得最大值对应的k。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤S4.1包括以下步骤，
S4.1.1、对信号Sc(m，n，a，p)的第四维进行傅里叶变换，得到频域数据；仅保留低频部分并取平均，
S4.1.2、对信号Sc(m，n，a，p)的第二、第三维取平均，
S4.1.3、得到一维向量S′c。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤S2中，L为2或4。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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