CN112336337B - 磁共振参数成像模型的训练方法及训练装置、介质和设备 - Google Patents

磁共振参数成像模型的训练方法及训练装置、介质和设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种磁共振参数成像模型的训练方法及训练装置、存储介质和设备。其中所述磁共振参数成像模型包括重建网络和参数拟合网络，所述训练方法包括：将获取的欠采k空间数据、第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据输入到所述重建网络，以得到第一参数加权图像更新数据，并将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到第二参数加权图像更新数据；根据获取的全采加权图像数据以及所述第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新；根据更新后的损失函数对所述重建网络和所述参数拟合网络的网络参数进行调整。本申请的方案无需使用全采k空间数据对应的参考参数图即可对模型进行训练。

Description

磁共振参数成像模型的训练方法及训练装置、介质和设备
技术领域
本发明属于磁共振成像信号的图像重建技术领域，具体地讲，涉及磁共振参数成像模型的训练方法及训练装置、磁共振参数成像方法、计算机可读存储介质、计算机设备。
背景技术
定量磁共振参数成像(Quantitative Magnetic Resonance ParametricMapping)是用于评估和确定组织基本生物学特性的新兴工具。它旨在测量磁共振的绝对弛豫，从而提供跨站点和时间点的可比测量。获取磁共振参数图的最常见方法是获取具有变化的成像参数的加权图像(例如，T1映射中的反转时间(TI)，T2映射中的回波时间(TE)或T1ρ映射中的自旋锁定时间(TSL)。然后通过将这些图像逐像素与相应的物理指数模型拟合来估计参数图。因此，在磁共振参数成像中，扫描时间与获取的加权图像数量成正比，比一般的结构成像需要更长的扫描时间，这极大地阻碍了其在临床应用中的广泛使用。
在快速成像方面，目前常用的技术是并行成像和压缩感知。并行成像是利用多通道线圈之间的相关性来加速采集，而压缩感知则是利用被成像物体的稀疏性这一先验信息来减少k空间采样点。但是受硬件等条件限制，并行成像加速倍数有限，而压缩感知技术由于采用迭代重建使得重建时间非常长，且较难选择稀疏变换和重建参数。近年来，采用深度学习方法进行磁共振图像重建受到越来越多的关注。深度学习方法利用神经网络，从大量训练数据中学习重建所需的最优参数或者直接学习从欠采数据到全采图像之间的映射关系，从而取得比传统并行成像或者压缩感知方法更好的成像质量和更高的加速倍数。
深度学习的方法尽管弥补了传统快速成像方法的不足，但同时也存在一些问题，例如数据驱动的深度学习缺乏理论指导，往往需要大量的训练数据才能获得较好的效果。在现有的深度学习磁共振参数成像方法中，需要全采的参数图作为参考图，而不同的拟合算法对全采图像拟合生成的参考参数图可能略有不同。另外，当全采的加权图像信噪比较低时，此时估计出来的参数图会因噪声的影响而存在一定的误差。
发明内容
(一)本发明所要解决的技术问题
本发明解决的技术问题是：针对基于深度学习的磁共振参数成像模型，如何在不采用全采图像对应的参考参数图的前提下，对磁共振参数成像模型进行有效训练。
(二)本发明所采用的技术方案
一种磁共振参数成像模型的训练方法，所述磁共振参数成像模型包括重建网络和参数拟合网络，所述训练方法包括：
将获取的欠采k空间数据、第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据输入到所述重建网络，以得到第一参数加权图像更新数据，并将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到第二参数加权图像更新数据；
根据获取的全采加权图像数据以及所述第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新；
根据更新后的损失函数对所述重建网络和所述参数拟合网络的网络参数进行调整。
优选地，所述参数拟合网络包括拟合子网络和信号弛豫物理模型，其中，将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到第二参数加权图像更新数据的方法包括：
将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述拟合子网络，以得到参数图像数据和基准图像数据；
将所述参数图像数据和所述基准图像数据输入到所述信号弛豫物理模型，以得到第二参数加权图像更新数据。
优选地，在得到所述第二参数加权图像更新数据之后，所述训练方法还包括：
将本次迭代得到的所述第一参数加权图像更新数据和所述第二参数加权图像更新数据分别作为下一次迭代的第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据，并与欠采k空间数据输入到所述重建网络中，以得到下一次迭代的第一参数加权图像数据，并将所述下一次迭代的第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到下一次迭代的第二参数加权图像更新数据；
按照预定迭代次数重复上述步骤，以获得预定迭代次数的第二参数加权图像更新数据。
优选地，根据获取的全采加权图像数据以及所述第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新的方法为：根据获取的全采加权图像数据和所述预定迭代次数的第二参数加权图像数据对损失函数进行更新。
本发明还公开了一种磁共振参数成像方法，所述磁共振参数成像方法包括：
获取待重建图像的欠采k空间数据以及获取根据上述的训练方法训练得到的磁共振参数成像模型；
将所述待重建图像的欠采k空间数据输入到所述重建网络，以得到第一参数加权图像；
将所述第一参数加权图像输入到所述参数拟合网络，得到第二参数加权图像，所述第二参数加权图像为最终重建图像。
本发明还公开了一种磁共振参数成像模型的训练装置，所述训练装置包括：
数据输入模块，用于将获取的欠采k空间数据、第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据输入到所述重建网络，以得到第一参数加权图像更新数据，并用于将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到第二参数加权图像更新数据；
损失函数计算模块，用于根据获取的全采加权图像数据以及所述第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新；
网络参数更新模块，用于根据更新后的损失函数对所述重建网络和所述参数拟合网络的网络参数进行调整。
优选地，所述参数拟合网络包括拟合子网络和信号弛豫物理模型，所述数据输入模块还用于：
将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述拟合子网络，以得到参数图像数据和基准图像数据；
将所述参数图像数据和所述基准图像数据输入到所述信号弛豫物理模型，以得到第二参数加权图像更新数据。
优选地，所述数据输入模块还用于：
将作为下一次迭代的第一参数加权图像初始数据的所述第一参数加权图像更新数据、作为下一次迭代的第二参数加权图像初始数据的所述第二参数加权图像更新数据以及新获取的欠采k空间数据输入到所述重建网络中，以得到下一次迭代的第一参数加权图像数据，以及
用于将所述下一次迭代的第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到下一次迭代的第二参数加权图像更新数据。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有磁共振参数成像模型的训练程序，所述磁共振参数成像模型的训练程序被处理器执行时实现上述的磁共振参数成像模型的训练方法。
本发明还公开了一种计算机设备，所述计算机设备包括计算机可读存储介质、处理器和存储在所述计算机可读存储介质中的磁共振参数成像模型的训练程序，所述磁共振参数成像模型的训练程序被处理器执行时实现上述的磁共振参数成像模型的训练方法。
(三)有益效果
本发明公开了一种磁共振参数成像模型的训练方法，相对于传统的训练方法，具有如下技术效果：
通过信号驰豫物理模型连接图像重建网络和参数拟合网络，两个子任务相辅相成，交互学习，可获得比单独实现一个子任务更好的效果。通过引入信号驰豫物理模型，将拟合网络生成的参数图像通过信号驰豫物理模型再生成第二参数加权图像更新数据，而参数拟合网络采用了网络参数共享，当进行网络训练时，通过信号驰豫物理模型生成的第二参数加权图像与输入拟合子网络的第一参数加权图像逐渐趋于一致，这种加入信号驰豫物理模型使参数拟合网络的输出和输入趋于相同的做法提供了一种自监督的学习模式，使得采用全采参数加权图像即可对参数拟合网络进行训练而无需使用全采k空间数据对应的参考参数图。
附图说明
图1为本发明的实施例的磁共振参数成像模型的训练方法的流程图；
图2为本发明的实施例的第二参数加权图像更新数据的计算流程图；
图3为本发明的实施例的磁共振参数成像模型的训练架构图；
图4为本发明的实施例的重建网络的结构示意图；
图5为本发明的实施例的拟合子网络的结构示意图；
图6为本发明的实施例的磁共振参数成像模型的训练装置的示意图；
图7为本发明的实施例的计算机设备原理框图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在详细描述本申请的各个实施例之前，首先简单描述本申请的发明构思：基于深度学习的磁共振参数成像模型在进行训练时往往需要采用全采的参数图，一方面由于全采的k空间数据不容易获取，并且根据全采的k空间数据不同拟合方法生成的参考参数图会有一定的误差，为了解决这一技术问题，本申请将图像重建和参数拟合两个任务结合，利用全采的参数加权图像数据、根据欠采k空间数据得到的训练用的参数加权图像数据共同更新损失函数，进而完成对成像模型的参数更新，从而在不需要使用参数图的情况下完成对成像模型的训练。
具体地，如图1所示，本申请磁共振参数成像模型的训练方法包括如下步骤：
步骤S10：将获取的欠采k空间数据、第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据输入到所述重建网络，以得到第一参数加权图像更新数据，并将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到第二参数加权图像更新数据。
在本实施例中，欠采k空间数据可通过多种实施方式获取，例如从全采k空间数据中手动欠采获得，或者直接采集设备获取欠采k空间数据，在此不做具体限定。进一步地，每次迭代得到的第一参数加权图像更新数据和第二参数加权图像更新数据可以作为下一次迭代的第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据，从而经过多次迭代得到需要的第二参数加权图像更新数据。
步骤S20：根据获取的全采加权图像数据以及所述第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新。
在本实施例中，损失函数的具体形式并不做具体限制，只要能够利用全采加权图像数据和第二参数加权图像更新数据进行更新的损失函数即可采用。
步骤S30：根据更新后的损失函数对所述重建网络和所述参数拟合网络的网络参数进行调整。
示例性地，在步骤S10中，首先获取全采k空间数据，通过手动欠采的方式从全采k空间数据中获取欠采k空间数据，并对全采k空间数据进行傅里叶变换得到全采加权图像数据，以便于后续更新损失函数。
进一步地，如图2和图3所示，本实施例的磁共振参数成像模型包括重建网络(Recon-net)和参数拟合网络(Mapping)，其中参数拟合网络包括拟合子网络(Mapping-net)和信号弛豫物理模型(MR signal model)，将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到第二参数加权图像更新数据的方法包括：
步骤S101：将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述拟合子网络，以得到参数图像数据和基准图像数据。
步骤S102：将所述参数图像数据和所述基准图像数据输入到所述信号弛豫物理模型，以得到第二参数加权图像更新数据。
进一步地，在得到所述第二参数加权图像更新数据之后，所述训练方法还包括：
将本次迭代得到的所述第一参数加权图像更新数据和所述第二参数加权图像更新数据分别作为下一次迭代的第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据，并与欠采k空间数据输入到所述重建网络中，以得到下一次迭代的第一参数加权图像数据，并将所述下一次迭代的第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到下一次迭代的第二参数加权图像更新数据；
按照预定迭代次数重复上述步骤，以获得预定迭代次数的第二参数加权图像更新数据。
具体地，上述迭代过程可采用如下形式表示：
Figure BDA0002765733670000071
其中，n为迭代次数，m为第一参数加权图像更新数据，f为欠采k空间数据，Π表示重建网络，M0，T1ρ分别为由拟合子网络U生成的基准图像数据和参数图像数据，
Figure BDA0002765733670000072
表示由基准图像数据和参数图像数据经信号弛豫物理模型S生成的第二参数加权图像更新数据。其中，首次迭代时采用的第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据根据行业经验进行设置。
进一步地，重建网络的网络结构如图4所示，重建网络采用改进的原始对偶算法网络化方法，将传统原始对偶算法展开到网络上，通过神经网络学习算法中的近似算子和参数间的组合关系，从而可以直接从欠采的k空间数据重建得到参数加权图像。具体重建过程可表示为如下形式：
Figure BDA0002765733670000073
其中，dn+1为第n+1迭代的对偶参数，Γ和Λ分别为两个子网络，网络结构如图4所示，每个网络层上的数字表示该层的通道数，为更好地训练网络，采用了残差网络。
进一步地，拟合子网络采用优化的端到端的Unet网络，具体网络结构如图5所示。为降低训练参数量，网络生成的参数图通过信号驰豫模型生成第二参数加权图像进行下一步迭代，拟合子网络采用参数共享。
作为一个实施例，在步骤S20中，根据获取的全采加权图像数据和所述预定迭代次数的第二参数加权图像数据更新损失函数。其中，预定迭代次数优选为5次。
在一个实施例中，磁共振参数成像模型的损失函数采用如下形式：
Figure BDA0002765733670000081
其中
Figure BDA0002765733670000082
为第二参数加权图像更新数据，
Figure BDA0002765733670000083
为相应的全采加权图像数据，N为训练样本数，Nb为迭代次数，
Figure BDA0002765733670000084
和
Figure BDA0002765733670000085
分别为第j次迭代中拟合子网络的输入和输出，λ为权重参数。利用全采加权图像数据和预定迭代次数的第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新，接着根据更新之后的损失函数对磁共振参数成像模型的网络参数进行更新，从而完成磁共振参数成像模型的一轮训练，可根据实际需要进行多轮训练。其中，利用损失函数对模型的网络参数进行更新的方法为现有技术，在此不进行赘述。
本实施例的训练方法通过信号驰豫物理模型连接重建网络和参数拟合网络，两个子任务相辅相成，交互学习，可获得比单独实现一个子任务更好的效果。通过引入信号驰豫物理模型，将拟合子网络的参数图像通过信号驰豫物理模型再生成第二参数加权图像更新数据，而参数拟合网络采用了网络参数共享，当进行网络训练时，通过信号驰豫物理模型生成的第二参数加权图像与输入拟合子网络的第一参数加权图像逐渐趋于一致，这种加入信号驰豫物理模型使参数拟合网络的输出和输入趋于相同的做法提供了一种自监督的学习模式，使得无需使用全采k空间数据对应的参考参数图进行网络训练。
进一步地，另一实施例还公开了一种磁共振成像方法，该磁共振成像方法包括如下步骤：
步骤S100：获取待重建图像的欠采k空间数据以及获取上述的训练方法训练得到的磁共振参数成像模型。
步骤S200：将所述待重建图像的欠采k空间数据输入到所述重建网络，以得到第一参数加权图像。
步骤S300：将所述第一参数加权图像输入到所述参数拟合网络，得到第二参数加权图像，所述第二参数加权图像为最终重建图像。
进一步地，另一实施例公开了一种磁共振参数成像模型的训练装置，如图6所示，所述训练装置包括：
数据输入模块100，用于将获取的欠采k空间数据、第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据输入到所述重建网络，以得到第一参数加权图像更新数据，并用于将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到第二参数加权图像更新数据；
损失函数计算模块200，用于根据获取的全采加权图像数据以及所述第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新；
网络参数更新模块300，用于根据更新后的损失函数对所述重建网络和所述参数拟合网络的网络参数进行调整。
其中，所述参数拟合网络包括拟合子网络和信号弛豫物理模型，所述数据输入模块100还用于：
将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述拟合子网络，以得到参数图像数据和基准图像数据；
将所述参数图像数据和所述基准图像数据输入到所述信号弛豫物理模型，以得到第二参数加权图像更新数据。
进一步地，所述数据输入模块还用于：将作为下一次迭代的第一参数加权图像初始数据的所述第一参数加权图像更新数据、作为下一次迭代的第二参数加权图像初始数据的所述第二参数加权图像更新数据以及新获取的欠采k空间数据输入到所述重建网络中，以得到下一次迭代的第一参数加权图像数据，以及用于将所述下一次迭代的第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到下一次迭代的第二参数加权图像更新数据。
进一步地，本实施例公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有磁共振参数成像模型的训练程序，所述磁共振参数成像模型的训练程序被处理器执行时实现上述的磁共振参数成像模型的训练方法。
进一步地，本申请还公开了一种计算机设备，在硬件层面，如图7所示，该计算机设备包括处理器12、内部总线13、网络接口14、计算机可读存储介质11。处理器12从计算机可读存储介质中读取对应的计算机程序然后运行，在逻辑层面上形成请求处理装置。当然，除了软件实现方式之外，本说明书一个或多个实施例并不排除其他实现方式，比如逻辑器件抑或软硬件结合的方式等等，也就是说以下处理流程的执行主体并不限定于各个逻辑单元，也可以是硬件或逻辑器件。所述计算机可读存储介质11上存储有磁共振参数成像模型的训练程序，所述磁共振参数成像模型的训练程序被处理器执行时实现上述的磁共振参数成像模型的训练方法。
计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机可读存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带、磁盘存储、量子存储器、基于石墨烯的存储介质或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种磁共振参数成像模型的训练方法，其特征在于，所述磁共振参数成像模型包括重建网络和参数拟合网络，所述训练方法包括：
将获取的欠采k空间数据、第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据输入到所述重建网络，以得到第一参数加权图像更新数据，并将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到第二参数加权图像更新数据；
根据获取的全采加权图像数据以及所述第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新；
根据更新后的损失函数对所述重建网络和所述参数拟合网络的网络参数进行调整；
所述参数拟合网络包括拟合子网络和信号弛豫物理模型，其中，将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到第二参数加权图像更新数据的方法包括：
将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述拟合子网络，以得到参数图像数据和基准图像数据；
将所述参数图像数据和所述基准图像数据输入到所述信号弛豫物理模型，以得到第二参数加权图像更新数据。
2.根据权利要求1所述的磁共振参数成像模型的训练方法，其特征在于，在得到所述第二参数加权图像更新数据之后，所述训练方法还包括：
将本次迭代得到的所述第一参数加权图像更新数据和所述第二参数加权图像更新数据分别作为下一次迭代的第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据，并与欠采k空间数据输入到所述重建网络中，以得到下一次迭代的第一参数加权图像更新数据，并将所述下一次迭代的第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到下一次迭代的第二参数加权图像更新数据；
按照预定迭代次数重复上述步骤，以获得预定迭代次数的第二参数加权图像更新数据。
3.根据权利要求2所述的磁共振参数成像模型的训练方法，其特征在于，根据获取的全采加权图像数据以及所述第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新的方法为：根据获取的全采加权图像数据和所述预定迭代次数的第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新。
4.一种磁共振成像方法，其特征在于，所述磁共振成像方法包括：
获取待重建图像的欠采k空间数据以及获取根据权利要求1至3任一项所述的训练方法训练得到的磁共振参数成像模型；
将所述待重建图像的欠采k空间数据输入到所述重建网络，以得到第一参数加权图像；
将所述第一参数加权图像输入到所述参数拟合网络，得到第二参数加权图像，所述第二参数加权图像为最终重建图像。
5.一种磁共振参数成像模型的训练装置，其特征在于，所述训练装置包括：
数据输入模块，用于将获取的欠采k空间数据、第一参数加权图像初始数据和第二参数加权图像初始数据输入到重建网络，以得到第一参数加权图像更新数据，并用于将所述第一参数加权图像更新数据输入到参数拟合网络，以得到第二参数加权图像更新数据；
损失函数计算模块，用于根据获取的全采加权图像数据以及所述第二参数加权图像更新数据对损失函数进行更新；
网络参数更新模块，用于根据更新后的损失函数对所述重建网络和所述参数拟合网络的网络参数进行调整；
所述参数拟合网络包括拟合子网络和信号弛豫物理模型，所述数据输入模块还用于：
将所述第一参数加权图像更新数据输入到所述拟合子网络，以得到参数图像数据和基准图像数据；
将所述参数图像数据和所述基准图像数据输入到所述信号弛豫物理模型，以得到第二参数加权图像更新数据。
6.根据权利要求5所述的磁共振参数成像模型的训练装置，其特征在于，所述数据输入模块还用于：
将作为下一次迭代的第一参数加权图像初始数据的所述第一参数加权图像更新数据、作为下一次迭代的第二参数加权图像初始数据的所述第二参数加权图像更新数据以及欠采k空间数据输入到所述重建网络中，以得到下一次迭代的第一参数加权图像更新数据，以及
用于将所述下一次迭代的第一参数加权图像更新数据输入到所述参数拟合网络，以得到下一次迭代的第二参数加权图像更新数据。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有磁共振参数成像模型的训练程序，所述磁共振参数成像模型的训练程序被处理器执行时实现权利要求1至3任一项所述的磁共振参数成像模型的训练方法。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括计算机可读存储介质、处理器和存储在所述计算机可读存储介质中的磁共振参数成像模型的训练程序，所述磁共振参数成像模型的训练程序被处理器执行时实现权利要求1至3任一项所述的磁共振参数成像模型的训练方法。
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