CN112965018B - 基于时空编码螺旋磁共振成像的多回波采样及重建方法 - Google Patents
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Abstract
基于时空编码螺旋磁共振成像的多回波采样及重建方法，涉及磁共振成像方法。使用Matlab生成Chirp线性扫频脉冲和每个回波的采样梯度；将准备好的待测实验样品固定在实验床上，送入磁共振成像仪的检测腔；在磁共振成像仪操作台上打开操作软件，找到成像区域，再对磁共振成像仪进行调谐、频率校正、功率校正及自动匀场；打开编译好的多回波时空编码磁共振成像序列，导入回波采样梯度，设置好回波间的180°重聚脉冲及破坏梯度；设置多回波时空编码非笛卡尔成像序列的采样参数，开始采样，得到多回波信号；对多回波信号进行网格化处理，并进行去卷积的超分辨率重建，得到高质量的图像。有效减小横向弛豫衰减调制以及偏共振效应的影响。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像方法，尤其是涉及一种基于时空编码螺旋磁共振成像的多回波采样及重建方法。
背景技术
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)可以在无创条件下对人体或生物体的内部组织的结构和功能进行成像，与CT等成像技术相比，它具有多参数成像，对人体没有电离辐射的优点，因此在临床上得到广泛应用，并成为当今医学诊断领域最重要的方法之一。缩短成像时间一直是MRI的热点研究方向。目前，应用最广泛的超快速磁共振成像方法是平面自旋回波的成像方法(Echo Planar Imaging,EPI)[1]，EPI可以使得采样时间大大缩短，能在一秒钟内完成采样，极大的提高采样效率。然而EPI仍有着其局限性，其很容易受到不均匀场的影响，特别是在高场条件下，磁场不均匀会使得图像产生严重的扭曲[2]。
而由以色列Frydman小组提出的单扫描时空编码成像方法(SpatiotemporalEncoding,SPEN)[3]通过Chirp脉冲引入一个与空间位置相关的二次相位分布，在某一采样时刻，信号只来自于抛物线顶点附近位置的质子自旋，而不是与空间所有位置关联，因此能够抵抗B0不均匀场带来的影响[4-5]。另外，SPEN MRI具备一些线性编码下无法实现的特性，例如空间选择性采样等[6]。凭借这些特性，时空编码磁共振成像技术在过去几年中迅速发展。厦门大学磁共振成像组对时空编码的非笛卡尔成像进行相关实验，螺旋时空编码成像[7]能够在普通的梯度系统下快速成像，极大的降低对硬件的要求，同时能够提高图像的空间分辨率和并且具有较好的空间选择性，结合超分辨率重建[8]后可以得到高质量的图像。
然而目前的单扫描时空编码成像还存在一些限制。例如，由于T2弛豫的影响，回波时间不能过长，否则会使得采样信号衰减大、图像信噪比低；这使得采样点数受限，直接限制图像固有分辨率，导致一些结构信息可能会丢失。因此开发一种能够减少T2弛豫影响并且提供高采样灵活性的时空编码非笛卡尔采样序列是十分有必要的。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于时空编码螺旋磁共振成像的多回波采样及重建方法。该方法通过设计多回波螺旋时空编码成像脉冲序列，缩短单次采样的回波长度，在保证信噪比的同时提高图像的分辨率；利用180°脉冲的重聚作用，减少T2弛豫影响，并更好地抵抗不均匀场的影响；结合去卷积重建技术，得到高质量无畸变的图像。
本发明包括以下步骤：
1)使用Matlab生成Chirp线性扫频脉冲和每个回波的采样梯度；
2)将准备好的待测实验样品固定在实验床上，送入磁共振成像仪的检测腔；
3)在磁共振成像仪操作台上打开操作软件，找到成像区域，再对磁共振成像仪进行调谐、频率校正、功率校正及自动匀场；
4)打开编译好的多回波时空编码螺旋磁共振成像序列，导入回波采样梯度，设置好回波间的180°重聚脉冲及破坏梯度；
5)设置多回波时空编码非笛卡尔成像序列的采样参数，开始采样，得到多回波信号；
6)对步骤5)得到的多回波信号进行网格化处理，并进行去卷积的超分辨率重建，得到高质量的图像。
在步骤1)中，所述采样梯度由设计出的K空间采样轨迹经过最优化算法拟合得到，所设计每个回波的采样轨迹都需要从K空间原点出发，采样结束后回到K空间原点；这需要在前一个采样回波梯度末尾和后一个采样回波的开头加入偏置梯度。偏置梯度的计算公式是：
其中，k(t)为K空间偏移量，t为偏置梯度的持续时间，γ是磁旋比；每段回波末尾的偏置梯度面积应与该段回波采样梯度的累加面积相等，每段回波起始的偏置梯度应与上一段回波采样梯度的累加面积相等；采样梯度和偏置梯度的生成需满足仪器最大梯度幅值以及最大切换率的规定。
在步骤4)中，所述多回波时空编码螺旋磁共振成像序列包含：90°激发脉冲、频率维180°线性扫频编码脉冲、相位维180°线性扫频编码脉冲、相位重聚180°脉冲、破环梯度以及采样回波链等；
在步骤5)中，所述参数可包括Chirp脉冲的扫频带宽、持续时间和功率、180°重聚脉冲持续时间，螺旋解码梯度的功率等；可用一维氢谱序列测量180°脉冲持续时间；用测量线性扫频脉冲功率的一维时空编码序列测量180℃hirp脉冲所需功率；
所述180°重聚脉冲前后的两个破坏梯度需满足梯度面积一致，作用是将残余的横向磁化矢量散相以保证不影响后续编码与采样的进行。
在步骤6)中，所述超分辨率重建的具体方法可为：首先将采集得到的多回波信号按照回波数进行分割得到每个回波的k空间数据；处理后的数据进行相位平滑处理，再网格化到同一笛卡尔坐标上并用快速凸包算法对K空间进行插值，最后再进行去卷积处理的高分辨率重建。
本发明先将成像视野分为内外环状的几个区域，由每个回波对应每块区域。一次激发整个成像视野，通过频率维和相位维的180°线性扫频脉冲对选定区域核自旋进行二维时空编码，用180°脉冲结合破坏梯度使信号非成像段的核自旋回到热平衡态，采集回波数据，每个回波数据采集结束后再用180°脉冲对核自旋信号进行重聚。将采集的多回波数据按回波数进行分割，平滑化处理后插入同一网格，再经去卷积超分辨率重建后得到高质量磁共振图像。
本发明提供的基于时空编码螺旋磁共振成像的多回波采样及重建方法利用180°重聚脉冲，使得每个回波上信号得到重聚，有效的减小横向弛豫衰减调制以及偏共振效应的影响。较单扫描时空编码螺旋磁共振成像，本发明结合信号重聚技术，加强抗不均匀磁场和化学位移效应的能力，在保持信噪比同时增强图像的对比度和分辨率，并对提高成像灵活性提供新的方式。
附图说明
图1为本发明提出的多回波螺旋时空编码成像脉冲序列图。
图2为水模磁共振成像图。在图2中，分别采用GEMS序列，单回波螺旋时空编码成像序列和多回波螺旋时空编码成像序列进行成像。
图3为鼠脑磁共振成像图。在图3中，分别采用GEMS序列，单回波螺旋时空编码成像序列和多回波螺旋时空编码成像序列进行成像。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。
本发明实施例包括以下步骤：
1)使用Matlab生成Chirp线性扫频脉冲和每个回波的采样梯度；
2)将准备好的待测实验样品固定在实验床上，送入磁共振成像仪的检测腔；
3)在磁共振成像仪操作台上打开操作软件，找到成像区域，再对磁共振成像仪进行调谐、频率校正、功率校正及自动匀场；
4)打开编译好的多回波时空编码磁共振成像序列，导入回波采样梯度，设置好回波间的180°重聚脉冲及破坏梯度；
5)设置多回波时空编码非笛卡尔成像序列的采样参数，开始采样，得到多回波信号；
6)对步骤5)得到的多回波信号进行网格化处理，并进行去卷积的超分辨率重建，得到高质量的图像。
在步骤1)中，所述采样梯度由设计出的K空间采样轨迹经过最优化算法拟合得到，值得一提的是，所设计每个回波的采样轨迹都需要从K空间原点出发，采样结束后回到K空间原点。这需要在前一个采样回波梯度末尾和后一个采样回波的开头加入偏置梯度。偏置梯度的计算公式是：
其中，k(t)为K空间偏移量，t为偏置梯度的持续时间，γ是磁旋比。每段回波末尾的偏置梯度面积应与该段回波采样梯度的累加面积相等，每段回波起始的偏置梯度应与上一段回波采样梯度的累加面积相等。采样梯度和偏置梯度的生成需满足仪器最大梯度幅值以及最大切换率的规定。
在步骤4)中，所述多回波时空编码螺旋磁共振成像序列包含：90°激发脉冲、频率维180°线性扫频编码脉冲、相位维180°线性扫频编码脉冲、相位重聚180°脉冲、破环梯度以及采样回波链等；
在步骤5)中，参数可包括Chirp脉冲的扫频带宽、持续时间和功率、180°重聚脉冲持续时间，螺旋解码梯度的功率等。可用一维氢谱序列测量180°脉冲持续时间；用测量线性扫频脉冲功率的一维时空编码序列测量180℃hirp脉冲所需功率；
所述180°重聚脉冲前后的两个破坏梯度需满足梯度面积一致，作用是将残余的横向磁化矢量散相以保证不影响后续编码与采样的进行。
在步骤6)中，将采样得到的多回波信号进行图像重建的具体方法可为：首先将采集得到的多回波信号按照回波数进行分割得到每个回波的k空间数据；处理后的数据进行相位平滑处理，再网格化到同一笛卡尔坐标上并用快速凸包算法对K空间进行插值，最后再进行去卷积处理的高分辨率重建。
以下给出具体实施应用例。
本发明是在核磁共振Varian 7T成像仪(Agilent Technologies,Santa Clara,CA,USA)上进行的，分别对水模和活体SD大鼠进行成像实验。所采用步骤为：将待测样品放入成像仪中，选取成像区域，对成像仪进行调谐、频率校正、功率校正、自动匀场，导入成像序列后进行采样。在进行大鼠实验的整个过程中活体大鼠需保持麻醉状态，在实验前用异氟烷混合氧气对大鼠进行快速麻醉，而后将大鼠置于实验床上继续使用低浓度异氟烷混合氧气保持大鼠麻醉状态。为了有效证明本发明的可行性，在相同条件下进行GEMS成像和单扫描时空编码螺旋成像实验作为对比。
在序列实验之前，用一维氢谱序列测量180°脉冲持续时间；用测量线性扫频脉冲功率的一维时空编码序列测量180℃hirp脉冲所需功率，本发明使用的是频率32kHz扫频时间3ms的Chirp脉冲。本实验中水模和鼠脑的成像视野是50mm×50mm，导入编译好的如图1所示的序列脉冲，本实施例采用两回波采样，每个回波的采样点数均为3300，回波间隔为5ms。重聚脉冲的翻转角度是180°，设置破坏梯度功率强度为5Gauss/cm。总的采样时间为27ms。将所得到的数据进行超分辨率重建，得到高分辨率图像。在相同实验条件下，采集相同层选信息下GEMS图像，采样矩阵为128×128；采集单扫描螺旋时空编码成像，采样点数为6996，采样时间分别为10s和27ms。图2和3展示的为三种采样下水膜及鼠脑对比结果。
需要说明的是，本发明不仅限于两螺旋回波，也可以是三螺旋回波或者更多回波形式。即，任何次数的螺旋回波采样，均在本发明的保护范围内。
本发明设计的基于时空编码螺旋磁共振成像的多回波采样，缩短单次采样的回波链长度，在保证信噪比的同时提高图像的分辨率。从图2和图3可以看出：在相同条件下，第两回波螺旋采样能够利用180°脉冲的重聚作用，改善来自于图像外围的采样信号，相较于单扫描时空编码磁共振螺旋成像，最终的成像效果两回波成像在对比度和分辨率上要优于单回波；能够结合信号重聚技术，更好地抵抗不均匀场的影响，减少图像的扭曲，在外圈展现出更多的图像细节；并且这种从K空间原点出发再回至K空间原点的采样方式，使得每个回波的采样是相对独立的，可以进一步提高采样的灵活性。
Claims (4)
1.基于时空编码螺旋磁共振成像的多回波采样及重建方法，其特征在于包括以下步骤：
1)使用Matlab生成Chirp线性扫频脉冲和每个回波的采样梯度；
所述采样梯度由设计出的K空间采样轨迹经过最优化算法拟合得到，所设计每个回波的采样轨迹都需要从K空间原点出发，采样结束后回到K空间原点；在前一个采样回波梯度末尾和后一个采样回波的开头加入偏置梯度；偏置梯度的计算公式是：
其中，k(t)为K空间偏移量，t为偏置梯度持续时间，γ是磁旋比；每段回波末尾的偏置梯度面积应与该段回波采样梯度的累加面积相等，每段回波起始的偏置梯度应与上一段回波采样梯度的累加面积相等；采样梯度和偏置梯度的生成需满足仪器最大梯度幅值以及最大切换率的规定；
2)将准备好的待测实验样品固定在实验床上，送入磁共振成像仪的检测腔；
3)在磁共振成像仪操作台上打开操作软件，找到成像区域，再对磁共振成像仪进行调谐、频率校正、功率校正及自动匀场；
4)打开编译好的多回波时空编码螺旋磁共振成像序列，导入回波采样梯度，设置好回波间的180°重聚脉冲及破坏梯度；
5)设置多回波时空编码非笛卡尔成像序列的采样参数，开始采样，得到多回波信号；
6)对步骤5)得到的多回波信号进行网格化处理，并进行去卷积的超分辨率重建，得到高质量的图像；
所述超分辨率重建的具体方法为：首先将采集得到的多回波信号按照回波数进行分割得到每个回波的k空间数据；处理后的数据进行相位平滑处理，再网格化到同一笛卡尔坐标上并用快速凸包算法对K空间进行插值，最后再进行去卷积处理的高分辨率重建。
2.如权利要求1所述基于时空编码螺旋磁共振成像的多回波采样及重建方法，其特征在于在步骤4)中，所述多回波时空编码螺旋磁共振成像序列包括：90°激发脉冲、频率维180°线性扫频编码脉冲、相位维180°线性扫频编码脉冲、相位重聚180°脉冲、破环梯度以及采样回波链。
3.如权利要求1所述基于时空编码螺旋磁共振成像的多回波采样及重建方法，其特征在于在步骤5)中，所述采样参数包括Chirp脉冲的扫频带宽、持续时间和功率、180°重聚脉冲持续时间、螺旋解码梯度的功率。
4.如权利要求1所述基于时空编码螺旋磁共振成像的多回波采样及重建方法，其特征在于在步骤5)中，所述设置多回波时空编码非笛卡尔成像序列的采样参数的具体方法为：用一维氢谱序列测量180°重聚脉冲持续时间；用测量线性扫频脉冲功率的一维时空编码序列测量180°Chirp脉冲所需功率；180°重聚脉冲前后的两个破坏梯度需满足梯度面积一致，用于将残余的横向磁化矢量散相以保证不影响后续编码与采样的进行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| 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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