CN113017596A - 一种磁共振多参数定量方法及其应用 - Google Patents

一种磁共振多参数定量方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本申请属于图像成像技术领域，特别是涉及一种磁共振多参数定量方法及其应用。现有的方法压缩感知重建计算复杂，只能离线完成；而且没有考虑射频发射场B1+不均匀对T1定量的影响。本申请提供了一种磁共振多参数定量方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：序列采集数据，得到受激回波信号和自由衰减信号，根据所述受激回波信号和所述自由衰减信号计算得到射频发射场信息；步骤2：对所述数据进行水脂分离计算得到不同翻转角下的水信号；步骤3：根据所述水信号和所述射频发射场信息计算水组织的纵向弛豫时间。利用射频发射场校准方法针对B1 +不均匀性进行了校准，以提高T1定量的准确性。

Description

一种磁共振多参数定量方法及其应用
技术领域
本申请属于图像成像技术领域，特别是涉及一种磁共振多参数定量方法及其应用。
背景技术
异位脂肪的定义是过量的脂肪酸在非脂肪组织中的积累。异位脂肪会通过氧化应激反应等过程造成细胞的炎性反应以及细胞凋亡。磁共振水脂分离技术可以准确的定量脂肪囤积，并且其准确性已在相关研究中已得到了验证。但是仅仅定量脂肪脂肪囤积在临床上是不够的，其他与脂肪囤积相关的生理过程对于疾病的预后和管理相当重要。
近年来有许多研究利用多参数的磁共振成像，包括脂肪质子密度分数(protondensity fat fraction，PDFF)，纵向弛豫时间T1，T2*，以全面描述脂肪囤积以及其他的生理变化。腹部多参数磁共振成像的挑战主要在于以下三点：单次屏息内全肝覆盖，高场(3T及以上)射频发射场B1+不均匀性，水脂二义性。单次屏息内完成全肝覆盖对扫描时间提出了较高的要求，射频发射场B1+不均匀性会决定纵向弛豫时间T1定量的精度，而水脂分离的准确性是方法后续定量正确的基础。
腹部多参数磁共振成像已有较多的相关研究。Tamada等人在2018年提出了可变翻转角梯度回波T1定量方法框架下，结合多回波采集以同时定量T1，PDFF和R2*。通过并行成像和压缩感知的方法完成了4.5倍的加速，使得全肝数据采集可以在一次屏息内完成。方法具体内容如下：不同翻转角下六回波绕相梯度回波序列分别采集以形成原始数据，通过加速使得总采集时间为18秒；不同翻转角下的多回波信号根据Reeder等人提出的IDEAL方法算出水脂信号以及R2*；依据不同翻转角下的水信号反算出水组织的纵向弛豫时间。
但是现有的方法压缩感知重建计算复杂，只能离线完成；而且没有考虑射频发射场B1+不均匀对T1定量的影响。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于现有定量技术水脂分离结果不稳定且易受到B1场不均匀影响的问题，本申请提供了一种磁共振多参数定量方法及其应用。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种磁共振多参数定量方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：序列采集数据，得到受激回波信号和自由衰减信号，根据所述受激回波信号和所述自由衰减信号计算得到射频发射场信息；步骤2：对所述数据进行水脂分离计算得到不同翻转角下的水信号；步骤3：根据所述水信号和所述射频发射场信息计算水组织的纵向弛豫时间。
本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤1中数据为多回波梯度回波数据。
本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤1中序列采集多回波梯度回波数据，对所述多回波梯度回波数据进行水脂分离计算得到不同翻转角下的水信号和主磁场信息，根据所述主磁场信息计算得到脂肪质子密度分数和T2*定量结果。
本申请提供的另一种实施方式为：所述序列包括第一部分、第二部分和第三部分；
所述第一部分为双聚焦回波采集模式序列，所述第二部分为第一不同翻转角下的多回波梯度绕向回波序列，所述第三部分为第二不同翻转角下的多回波梯度绕向回波序列；所述第二部分和所述第三部分的回波间隔保持一致。
本申请提供的另一种实施方式为：基于所述双聚焦回波采集模式序列的射频发射场校准方法，采集所述受激回波信号和所述自由衰减信号，并且所述自由衰减信号中水信号和脂信号同相位。
本申请提供的另一种实施方式为：所述水脂分离为双翻转角水脂分离。
本申请提供的另一种实施方式为：所述水脂分离包括将主磁场B0场图的候选解分为水占主导的解和脂肪占主导的解；
将像素点分为第一类像素点和第二类像素点，对所述第一类像素点以空间连续性为依据进行聚类；
将所述第一类像素点依据空间连续性形成的集合定义为子区域，根据所述子区域确定当前区域的正确场图解；
对场图进行修正，采用不同翻转角下的水信号进行纵向弛豫时间定量。
本申请提供的另一种实施方式为：所述场图的解包括正确解和分反解，所述正确解与所述分反解相对应，对于任意的等间距回波时间组合，所述正确解与所述分反解之间的关系由水脂比例决定，并且与回波时间的选择有关；
在不同翻转角下，所述分反解不一致。
本申请提供的另一种实施方式为：所述正确解与所述分反解可以用以下公式表示：
Figure BDA0002967985980000021
其中，ψt为正确解，ψa为分反解，
Figure BDA0002967985980000022
ΔTE为回波间隔时间，fF脂肪峰相对水峰的偏移(单位ppm)，TE2为第二个回波信号对应的回波时间，Wt和Ft分别为真实的水和脂肪信号。
本申请还提供一种磁共振多参数定量方法的应用，将所述的磁共振多参数定量方法应用于全肝多参数定量。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种磁共振多参数定量方法的有益效果在于：
本申请提供的磁共振多参数定量方法，通过对现有商用梯度回波(gradientecho，GRE)序列进行优化，提出一种成像序列，能够在B1+/主磁场B0不均匀的情况下，完成一次屏息内的全肝T1/PDFF/T2*定量。
本申请提供的磁共振多参数定量方法，为一种能够稳定完成全肝T1/PDFF/T2*定量的方法，同时校正B1+/B0场对结果的影响。
本申请提供的磁共振多参数定量方法，利用射频发射场校准方法针对B1 +不均匀性进行了校准，以提高T1定量的准确性。
本申请提供的磁共振多参数定量方法，针对三点水脂分离信号模型进行了研究，并得出了三点水脂分离的场图理论解。
本申请提供的磁共振多参数定量方法，基于场图理论解公式的影响，提出了一种基于双翻转角信息解水脂二义性的方法，并且在腹部和脊柱中完成了准确的水脂分离。
本申请提供的磁共振多参数定量方法，创新性的提出了引入双翻转角先验信息解决水脂二义性的问题；同时考虑了射频发射场的不均匀，对T1定量进行了校正。
本申请提供的磁共振多参数定量方法的应用，对比B1校正前后的T1定量结果，本申请提出的方法有着明显的提升。
附图说明
图1是本申请的磁共振多参数定量方法的序列时序示意图；
图2是本申请的磁共振多参数定量方法的水脂分离方法流程示意图；
图3是本申请的水脂仿体实验结果示意图；
图4是本申请的志愿者扫描结果示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
横向弛豫是在横向xy平面上，磁矩由最大值逐渐消失的过程。也称T2弛豫。横向弛豫也需要很长时间，所以在横向磁矩衰减到37％的时间。称为横向弛豫时间
纵向弛豫指90°射频脉冲后纵向磁化矢量由零增长到它的最大值的63％所需要的时间,又称T1弛豫，T1弛豫时间是磁共振成像的重要成像参数之一。T1值长短反映在荧光屏上，显示为灰度明暗的差异，T1时间短呈亮的灰度，T1时间长则呈暗淡的灰度。
IDEAL水脂分离方法的稳定性有待提升。
梯度回波(GRE，gradient echo)就是通过有关梯度场方向的翻转而产生的回波信号。梯度回波又叫场回波(filed echo)，它与自旋回波的主要区别在于二者产生回波的激励方式不同。GRE序列总是以一个小于90°的RF脉冲开始。
T2*时间为横向磁化衰减时由于磁场不均匀度等因素导致更快散相后磁化矢量强度由最大值衰减到37％所需的时间，组织的T2*小于组织的T2弛豫时间。
在腹部参数定量中，经常会利用磁共振多参数定量方法特异性的获取腹部水组织信号，以排除脂肪对于后续数据处理的影响。
参见图1～4，本申请提供一种磁共振多参数定量方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：序列采集数据，得到受激回波信号和自由衰减信号，根据所述受激回波信号和所述自由衰减信号计算得到射频发射场信息；
步骤2：对所述数据进行水脂分离计算得到不同翻转角下的水信号；
步骤3：根据所述水信号和所述射频发射场信息计算水组织的纵向弛豫时间。
进一步地，所述步骤1中数据为多回波梯度回波数据。
进一步地，所述步骤1中序列采集多回波梯度回波数据，对所述多回波梯度回波数据进行水脂分离计算得到不同翻转角下的水信号和主磁场信息，根据所述主磁场信息计算得到脂肪质子密度分数和T2*定量结果。
进一步地，所述序列包括第一部分、第二部分和第三部分；所述第一部分为双聚焦回波采集模式序列，所述第二部分为第一不同翻转角下的多回波梯度绕向回波序列，所述第三部分为第二不同翻转角下的多回波梯度绕向回波序列；所述第二部分和所述第三部分的回波间隔保持一致。
如图1所示，序列包含以下三个部分：A:基于DREAM序列的B1+场校准方法，采集受激回波信号(STE)和自由衰减信号(FID)，并且FID中水、脂信号同相位。B和C:不同翻转角下的多回波梯度绕向回波序列。等间距采集(间隔时间为ΔTE)的信号使用单极读出。B与C中的回波间隔保持一致，但第二个回波时间会往后挪ΔTE/2。层选梯度和相位编码梯度此处省略。
信号模型
射频发射场B1+可以通过以下公式得出：
Figure BDA0002967985980000051
其中
Figure BDA0002967985980000052
和SFID分别为采集到的受激回波信号的复共轭和自由衰减信号，由序列图1中的A部分采集得到。因而当设定的翻转角为θ时，实际的翻转角大小为B1·θ。
对于由图1中的B-C部分采集得到的，不同翻转角下的梯度绕向回波序列信号，使用本申请所提出的双翻转角水脂分离方法(如后续‘水脂分离’部分以及图2所述)，完成水脂分离，得到不同翻转角下的水信号W1和W2。通过下面所述公式，拟合得到纵向弛豫时间常数T1：
Figure BDA0002967985980000053
Figure BDA0002967985980000054
对等间距采样(回波时间[TE2-ΔTE，TE2，TE2+ΔTE])的信号，其信号模型如下所示：
Figure BDA00029679859800000511
Figure BDA00029679859800000510
Figure BDA0002967985980000059
其中W和F分别为水脂信号的幅度，ψ为主磁场不均匀性。通过合适的水脂分离方法，低翻转角下的信号可以用来估计质子密度脂肪分数：
Figure BDA0002967985980000055
双翻转角采集中，水脂信号的比例同时也会受到翻转角的影响，而T1也会同时编码到水脂信号中(考虑B1不均匀性)：
Figure BDA0002967985980000056
Figure BDA0002967985980000057
其中TR为重复时间，Mw和Mf与水脂稳态纵轴磁化矢量成正比；B1为射频发射场不均匀；θ为翻转角。T1拟合问题可以被转换为线性拟合问题：
Figure BDA0002967985980000058
其中C为常数项。只要计算得到E1，纵向磁化矢量可以通过以下公式表达：
T1＝-TR/ln(E1) (9)
水脂二义性问题
需首先采集两组不同翻转角下的多回波信号。对等间距采样的信号公式(4)中，令
Figure BDA0002967985980000061
公式(4)可以转化为：
Figure BDA0002967985980000062
Figure BDA0002967985980000063
Figure BDA0002967985980000064
以上公式为基于对称回波时间[-ΔTE，0，ΔTE]的信号模型正确解分反解之间的理论关系式。因此，对于任意的等间距回波时间组合，假设ψt为场不均匀性的正确解，与之对应的分反解可用以下公式表示：
Figure BDA0002967985980000065
ψa也是公式(4)的解，但会造成最终的水脂结果相反，此即为水脂分离问题中经典的水脂二义性问题。ψa与ψt之间的关系由水脂比例决定，并且与TE的选择有关。为了避免解卷绕的问题，相位因子P＝eiψ将在后续部分中取代场ψ。场的真实解Pt固定，但是由公式(11)可知，在不同翻转角下由于水脂信号比例不同，场图的分反解会不一致。即：
Pt(θ1)＝Pt(θ2)
Pa(θ1)≠Pa(θ2) (12)
进一步地，基于所述双聚焦回波采集模式序列的射频发射场校准方法，采集所述受激回波信号和所述自由衰减信号，并且所述自由衰减信号中水信号和脂信号同相位。
进一步地，所述水脂分离为双翻转角水脂分离。引入双翻转角的先验信息解决水脂二义性的水脂分离方法。
进一步地，所述水脂分离包括将主磁场B0场图的候选解分为水占主导的解和脂肪占主导的解；
将像素点分为第一类像素点和第二类像素点，对所述第一类像素点以空间连续性为依据进行聚类；
将所述第一类像素点依据空间连续性形成的集合定义为子区域，根据后续所述“区域性解场图二义性”的方法确定当前区域的正确场图解；
对场图进行修正，采用不同翻转角下的水信号进行纵向弛豫时间定量。
如图2所示，场图候选解计算：
如公式(11)所示，对于公式(4)的信号模型，绝大多数情况下都有两组解。改变回波时间组合以及翻转角，均会带来分反解Pa的变化。信号模型(4)的两组解可算出，但无法直接得知哪个解是场图的正确解。将场图的候选解分为两类，Pw和Pf，分别会得到水占主导和脂肪占主导的解。如图2b中所示的”Candidate Phasor Calculation”部分。
像素点分类：
所有像素点依据以下标准分为两类：1.像素点与其3D空间内的6领域的场图解光滑；2.6领域内至少有一个像素点的场图解与当前像素点存在跳变。定义Pw解中，6领域内最大的场图变化为Dw(r)：
Dw(r)＝maxk{|angle[Pw(r)×conj(Pw(rk))]|} (13)
k为3D方向6领域内的像素点索引，|·|表示取绝对值，Df(r)以相同的方式定义。当某个像素点不同翻转角下的Dw(r)和Df(r)均小于一个给定的阈值DT，定义像素点r为”第一类像素点”，其余的像素点被定义为”第二类像素点”。所有的”第一类像素点”如图2c所示，这类像素点会被优先处理。通过MATLAB命令”conncomp”，对”第一类像素点”以空间连续性为依据进行了聚类，以减少计算量，并提升方法稳定性。
区域性解场图二义性：
第一类像素点依据空间连续性形成的集合被定义为子区域。这些区域的场图解可以全部同时来自于Pw和Pf。利用(12)式中的信息，可以解整个区域的场图二义性。当：
Figure BDA0002967985980000071
其中Θj为第j个子区域内的所有像素点，对子区域Θj的像素点，即选择Pw为场图解：
Figure BDA0002967985980000072
反之亦然。
场图修正及水脂分离：
余下像素点的场图解通过区域增长的方式解决，并考虑六峰脂肪模型及
Figure BDA0002967985980000073
衰减，对场图进一进修正。不同翻转角下的水信号被进一步应用于T1定量。
进一步地，所述场图的解包括正确解和分反解，所述正确解与所述分反解相对应，对于任意的等间距回波时间组合，所述正确解与所述分反解之间的关系由水脂比例决定，并且与回波时间的选择有关；在不同翻转角下，所述分反解不一致。
进一步地，所述正确解与所述分反解可以用以下公式表示：
Figure BDA0002967985980000081
其中，ψt为正确解，ψa为分反解，
Figure BDA0002967985980000082
ΔTE为回波间隔时间，fF脂肪峰相对水峰的偏移(单位ppm)，TE2为第二个回波信号对应的回波时间，Wt和Ft分别为真实的水和脂肪信号。
本申请还提供一种磁共振多参数定量方法的应用，将所述的磁共振多参数定量方法应用于全肝多参数定量。
为了验证所提出的方法，本申请在水脂仿体以及志愿者中均进行了实验。如图3所示，在水脂仿体中，用六回波水脂分离方法TREE[7]做对比，验证方法脂肪定量的准确性；对于T1定量，用反转恢复快速回波序列(IR-fSE)结合水脂分离方法进行了验证。B-A分析及线性回归拟合结果均证明了方法的准确性。
此外，还征集了两名志愿者，扫描了腹部及脊柱，并完成了一次屏息内的全肝多参数定量。定量结果如图4所示。
在仿体及在体实验中，均得到了准确的结果。
如图3所示a，b为脂肪定量结果，本申请方法与现有方法具有较高的一致性。c，d为T1定量结果，本申请方法与基于反转恢复的T1定量方法亦取得了较为一致的结果。
如图4所示对比B1校正前后的T1定量结果，本申请方法有着明显的提升。
如结果所示，本申请方法可以在人体多个部位完成多参数磁共振成像。本申请所述水脂分离方法不仅可以用于双翻转角三回波GRE序列，亦可以在保留方法框架的前提下应用于其他定量序列。
本申请的方法利用射频发射场校准方法针对B1+不均匀性进行了校准，以提高T1定量的准确性；本本申请的方法针对三点水脂分离信号模型进行了研究，并得出了三点水脂分离的场图理论解；基于翻转角对场图理论解公式的影响，本申请提出了一种基于双翻转角信息解水脂二义性的方法，并且在腹部和脊柱中完成了准确的水脂分离。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种磁共振多参数定量方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：序列采集数据，得到受激回波信号和自由衰减信号，根据所述受激回波信号和所述自由衰减信号计算得到射频发射场信息；
步骤2：对所述数据进行水脂分离计算得到不同翻转角下的水信号；
步骤3：根据所述水信号和所述射频发射场信息计算水组织的纵向弛豫时间。
2.如权利要求1所述的磁共振多参数定量方法，其特征在于：所述步骤1中数据为多回波梯度回波数据。
3.如权利要求2所述的磁共振多参数定量方法，其特征在于：所述步骤1中序列采集多回波梯度回波数据，对所述多回波梯度回波数据进行水脂分离计算得到不同翻转角下的水信号和主磁场信息，根据所述主磁场信息计算得到脂肪质子密度分数和T2*定量结果。
4.如权利要求1所述的磁共振多参数定量方法，其特征在于：所述序列包括第一部分、第二部分和第三部分；
所述第一部分为双聚焦回波采集模式序列，所述第二部分为第一不同翻转角下的多回波梯度绕向回波序列，所述第三部分为第二不同翻转角下的多回波梯度绕向回波序列；所述第二部分和所述第三部分的回波间隔保持一致。
5.如权利要求4所述的磁共振多参数定量方法，其特征在于：基于所述双聚焦回波采集模式序列的射频发射场校准方法，采集所述受激回波信号和所述自由衰减信号，并且所述自由衰减信号中水信号和脂信号同相位。
6.如权利要求1～5中任一项所述的磁共振多参数定量方法，其特征在于：所述水脂分离为双翻转角水脂分离。
7.如权利要求6所述的磁共振多参数定量方法，其特征在于：所述水脂分离包括将主磁场B0场图的候选解分为水占主导的解和脂肪占主导的解；
将像素点分为第一类像素点和第二类像素点，对所述第一类像素点以空间连续性为依据进行聚类；
将所述第一类像素点依据空间连续性形成的集合定义为子区域，根据所述子区域确定当前区域的正确场图解；
对场图进行修正，采用不同翻转角下的水信号进行纵向弛豫时间定量。
8.如权利要求6所述的磁共振多参数定量方法，其特征在于：所述场图的解包括正确解和分反解，所述正确解与所述分反解相对应，对于任意的等间距回波时间组合，所述正确解与所述分反解之间的关系由水脂比例决定，并且与回波时间的选择有关；
在不同翻转角下，所述分反解不一致。
9.如权利要求8所述的磁共振多参数定量方法，其特征在于：所述正确解与所述分反解可以用以下公式表示：
Figure FDA0002967985970000021
其中，ψt为正确解，ψa为分反解，
Figure FDA0002967985970000022
ΔTE为回波间隔时间，fF脂肪峰相对水峰的偏移(单位ppm)，TE2为第二个回波信号对应的回波时间，Wt和Ft分别为真实的水和脂肪信号。
10.一种磁共振多参数定量方法的应用，其特征在于：将权利要求1～9中任一项所述的磁共振多参数定量方法应用于全肝、胰腺、脾脏、脑多参数定量。
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