CN117233674B - 基于单激发buda采集和联合约束重建的mr成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法及系统，其中方法，首先利用回波平移EPI技术，通过一次激发采集一对相位编码方向相反的多回波数据集，并在层面编码方向采用CAIPI/SMS激发技术加速采集；然后将采集的多回波数据集进行SENSE重建，获得形变相反的图像，以获得磁场不均匀分布情况的场图；最后利用获得的场图和采集的多回波数据集作为基于联合稀疏和低秩约束的磁共振平面回波成像重建模型的输入，获得无形变的磁共振图像，本发明能够降低扫描时间、提高成像时间分辨率。
Description
本申请要求于2023年3月27日提交的申请号为202310301887.7、名称为“基于3D-BUDA采集和联合低秩约束重建的MR成像方法及系统”的中国专利申请的优先权，该中国专利申请的全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法及系统。
背景技术
平面回波成像(echo planar imaging,EPI)是一种快速的编码方式，在功能成像、扩散成像、定量参数成像中得到广泛应用，具有重要的临床应用价值。然而，EPI序列内在的对磁场均匀性敏感的特性，使得其重建的图像常常包含形变，高的图像分辨率会使得形变的影响更严重，而分辨率低、形变大的图像也会影响与临床有关的小病灶的诊断，这限制了该技术在临床中的广泛应用。
EPI技术和多通道采集并行成像技术(SENSE:sensitivity encoding、GRAPPA:generalized autocalibrating partially parallel acquisitions等)结合可以缩短相邻相位编码空间线间的等效时间，从而在一定程度上缓解了图像的形变。但是，这些并行成像技术受到线圈几何因子(g-factor)的限制，高加速倍数下，图像的噪声大，并且欠采样引起的混叠伪影难以消除，因此降低形变的效果有限。基于场图矫正形变的BUDA(Blip-Upand-DownAcquisition)技术，通过利用相位编码反向的一对数据集获得磁场不均匀分布的场图，随后将场图与传统的SENSE重建技术结合从而可获得无形变的图像(Chen Z et al.,MRM2023,89(5),1961-1974)。然而，该技术采用多次激发，是一种比较耗时的成像方法，高分辨率成像时时间分辨率低，易导致扫描时间大大延长，不适合于fMRI等应用场景。
鉴于此，本发明针对上述现有成像技术存在的时间分辨率低、长扫描时间的问题，提出一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法及系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法及系统，旨在解决先前多激发MR成像技术扫描时间长、时间分辨率低的技术问题，使其具有更广泛的实用性。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，其步骤包括：
S1：利用EPI序列每次激发均采集一对相位编码方向相反的多回波数据集，并在层面编码方向采用CAIPI/SMS(ControlledAliasing In Parallel Imaging控制并行成像混叠，SMS:Simultaneous Multi-Slice)激发技术加速采集；
S2：将步骤S1采集的多回波数据集进行SENSE重建，获得形变相反的图像，以获得磁场不均匀分布情况的场图；
S3：将步骤S2获得的场图和步骤S1采集的多回波数据集作为基于稀疏约束和LORAKS低秩约束的磁共振平面回波成像重建模型的输入，获得无形变的磁共振图像。
作为上述方案进一步的改进，利用单激发EPI序列采集一对相位编码方向相反的多回波数据集的方法步骤为：
利用回波平移EPI技术，在单次激发中，沿相位编码方向的反极性交错采集获得多回波EPI，并产生相反的失真方向以获得B0场图。
作为上述方案进一步的改进，在步骤S2之前还包括：
将三维低分辨率快速低角度(FLASH)采集与BUDA序列绑定在一起，并在BUDA序列之前进行采集，以获得扫描视野FOV(Field of View)匹配的线圈灵敏度图。
作为上述方案进一步的改进，在步骤S1中所述在层面编码方向采用CAIPI/SMS激发技术加速采集为一次激发同时采集多个层面的数据，以在加速数据采集的同时还能改善图像的信噪比。
作为上述方案进一步的改进，在步骤S1中所述的单激发EPI序列用于采集数据集，用单激发EPI序列代替传统的多激发EPI序列采集，以缩短相应的扫描时间。
作为上述方案进一步的改进，在步骤S2中，利用反向的编码方式获得形变信息互补的图像集，以获得磁场不均匀分布情况的场图。
作为上述方案进一步的改进，分别使用相位编码梯度Gy和选层梯度Gz的预相位部分中的附加梯度为每个回波获取沿ky和层面维度具有交错k空间轨迹的不同采集位置，从而为每个回波实施向上/向下相位不同编码，从而获得形变信息互补的图像集；
为了减少高加速倍数采集数据的线圈几何因子(g-factor)制约带来的信噪比损失并改善重建的条件，在不同的向上/向下编码blip-up/down的回波中也采用了ky-kz维度中的不同CAIPI/SMS偏移。
作为上述方案进一步的改进，在步骤S3中所述的基于稀疏约束和LORAKS低秩约束的磁共振平面回波成像重建模型为：
其中，t表示激发回波索引，U为采样模板，F为快速傅里叶变换，E为步骤S2计算的场图及相关失真校正操作，S为线圈敏感度信息，I为待重建的图像，d为采集的k空间数据，为目标图像的低秩(LORAKS等)约束矩阵，Ψ(I)为目标图像的稀疏约束矩阵，λ，μ为正则化参数。
作为上述方案进一步的改进，采用基于POCS算法对所述的基于稀疏约束和LORAKS低秩约束的磁共振平面回波成像重建模型进行求解。
作为上述方案进一步的改进，采用前后两次的均方根误差用来判断所述基于POCS算法的收敛性。
作为上述方案进一步的改进，所述均方根误差(root-mean-square-error，RMSE)公式如下：
其中Iref(r)是全采样数据重建得到的图像，I(r)是降采样数据用不同重建方法重建的图像。
作为上述方案进一步的改进，在步骤S3中，将形变反向的数据和不同回波数据联合起来构建稀疏矩阵和LORAKS低秩矩阵，使其具有更好的稀疏性和低秩特性，从而获得更好的重建效果。
第二方面，本发明还提供一种MR成像系统，包括：
至少一个存储器和至少一个处理器，其中：
所述至少一个存储器用于存储计算机程序；
所述至少一个处理器用于调用所述至少一个存储器中存储的计算机程序，以执行上述基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法。
由于本发明采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：
本发明提供一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，具体的涉及一种基于单激发BUDA采集和联合稀疏约束和LORAKS低秩约束重建的MR成像方法，首先利用EPI采集效率高的优势，又在每次激发中引入相位方向相反的两个序列编码，从而提高扫描效率，提高时间分辨率；同时校正了EPI采集的失真问题。通过形变方向相反的采集图像，可以推算出B0场图，而后将该信息引入SENSE并行成像模型，并加入联合稀疏约束和LORAKS低秩约束。本发明巧妙应用相位相反的编码方式来获得形变方向相反的EPI采集图像，从而推导出实时的B0场的变化信息。该信息被引入重建模块从而能在联合稀疏约束和LORAKS低秩模型的每一次迭代中校正EPI的失真问题；通过该采集方案及联合稀疏约束和LORAKS低秩重建模型可以得到快速无失真的多回波高清成像，如此的设置，2D/3D成像技术以及CAIPI/SMS激发技术来改善图像的信噪比，同时将基于LORAKS的低秩约束方法嵌套到传统的SENSE并行成像图像重建框架中，对形变反向的数据以及不同回波图像间的低秩特性进行约束，从而提高图像重建质量；相比传统的SENSE方法，本发明具有更高的精度，具体表现为更低的均方根误差(root-mean-square-error，RMSE)；
另外本发明提供的基于单激发BUDA采集和联合稀疏和LORAKS低秩约束重建的MR成像方法扩展性强，可以用于其他基于EPI序列的成像技术，如扩散成像、磁敏感成像、功能磁共振成像等，对于2D/3D-EPI的成像技术都适用。
再者还可以应用于任意数量的满足并行成像的多通道线圈阵列，从2到128个线圈通道均可。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明公开的BUDA单激发采集序列图；
图2为本发明公开的BUDA重建过程示意图；
图3为本发明实施实例中一组层内加速2倍的模体数据集用不同方法重建的结果：
图4为本发明实施实例中公开的方法计算的定量QSM图；
图5为本发明在fMRI中应用实施实例中视觉皮层激活的6个不同层面的图像示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1：
参照图1和图2，本发明提供一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，其步骤包括：
S1：利用EPI序列每次激发均采集一对相位编码方向相反的多回波数据集，并在层面编码方向采用CAIPI/SMS技术加速采集；所述多回波数据集是通过沿相位编码方向的反极性交错EPI采集获得的，产生相反的失真方向以获得B0场图，以便用于基于模型的失真校正；
为了获得FOV匹配的线圈灵敏度图，三维低分辨率快速低角度采集(FLASH)与BUDA序列绑定在一起，并在BUDA序列之前进行采集；
S2：将步骤S1采集的多回波数据集进行SENSE重建，获得形变相反的图像，进而获得磁场不均匀分布情况的场图；
具体的，分别使用Gy和Gz的预相位部分中的附加梯度为每个回波获取沿ky和层面维度具有交错k空间轨迹的不同采集位置，从而为每个回波实施向上/向下相位不同编码；
为了减少高倍率欠采数据的g-factor制约带来的信噪比损失并改善重建的条件，在不同的blip-up/down的回波中也采用了ky-kz维度中的不同CAIPI/SMS偏移；
S3：利用S1、S2分别获得的线圈灵敏度图、场图和S1采集的多回波数据作为基于稀疏和LORAKS低秩约束的磁共振平面回波成像重建模型的输入，获得无形变的磁共振图像；
本发明在单次激发中同时采集一组极性相反的数据集来减低扫描时间，引入EPI成像技术以及结合CAIPI/SMS的层面激发技术来改善图像的信噪比，同时将基于稀疏约束和LORAKS低秩约束方法嵌套到传统的SENSE并行成像图像重建框架中，对不同形变以及不同回波图像间的低秩特性进行约束，从而降低欠采样引起的图像混叠伪影和重建噪声，提高图像重建质量；相比传统的SENSE方法，本发明具有更高的时间分辨率以及更高的精度，具体表现为更低的均方根误差(Root-Mean-Square-Error，RMSE)。
作为优选的实施例，在步骤S1中所述在层面编码方向采用CAIPI/SMS激发技术加速采集为一次激发同时采集多个层面的数据，以在加速数据采集的同时还能改善图像的信噪比。
作为优选的实施例，在步骤S1中所述的EPI序列用于采集数据集，用单激发EPI序列代替传统的多激发EPI序列采集，以降低扫描时间，提高时间分辨率。
作为优选的实施例，在步骤S2中，利用反向的编码方式获得形变信息互补的图像集，以获得磁场不均匀分布情况的场图。
作为优选的实施例，在步骤S3中所述的基于稀疏和LORAKS低秩约束的磁共振平面回波成像重建模型为：
其中，t表示激发回波索引，U为采样模板，F为快速傅里叶变换，E为步骤S2计算的场图及相关失真校正操作，S为线圈敏感度信息，I为待重建的图像，d为采集的k空间数据，为目标图像的低秩(LORAKS等)约束矩阵，Ψ(I)为目标图像的稀疏约束矩阵，λ，μ为正则化参数。
作为优先的实施例，采用基于POCS算法对所述的基于稀疏和LORAKS低秩约束的磁共振平面回波成像重建模型进行求解。
作为优先的实施例，采用前后两次的均方根误差用来探测所述基于POCS算法的收敛性；在本实施例中，前后两次的均方根误差小于0.1％时认为算法达到收敛性。
作为优先的实施例，所述均方根误差(root-mean-square-error，RMSE)公式如下：
其中Iref(r)是全采样数据重建得到的参考图像，I(r)是降采样数据用不同重建方法重建的图像。
作为优先的实施例，在步骤S3中，将不同形变和不同回波数据联合起来构建稀疏矩阵和LORAKS低秩矩阵，使其具有更好的低秩特性，从而获得更好的重建效果。
图3为本发明的一个单激发BUDA采集实施实例，数据来自于美国通用电气医疗公司的3.0T磁共振(Discovery MR750,General Electric,Milwaukee,WI)设备，DQA模体用于数据的收集所用序列为EPI脉冲序列，其成像参数包括：层内加速倍数为2倍，层间加速倍数为1倍，FOV＝180x180x128mm3，TR/TE＝100/40ms，分辨率为2.5x2.5x4mm3，翻转角为15°(Ernst角)。为了对比，用传统的blip up/downEPI采集了一对形变反向的数据，层内未开加速。3D-SPGR序列用于获取的无形变的图像用作参考标准。从本实例可以看出，blip up/down采集的图像存在明显形变(如图3中A、B、D、E视图)，利用传统FSL和本专利提到的BUDA联合重建方法均可以校准图像的形变(如图3中的C、F视图)，而BUDA的结果更接近参考图像图3中的G视图，NRMSE更低(0.06vs.0.08)。
图4所示为本发明的一个多回波采集实施实例，数据采集于德国西门子医疗公司的3.0T磁共振(Magnetom Trio System；Siemens Healthineers，Erlangen，Germany)设备，所用序列为EPI脉冲读出序列，其成像参数包括：层内加速倍数为8倍，层间加速倍数为2倍，FOV＝220x220x128mm3，TR＝86ms，TE＝{18,43.17,68.34}ms，分辨率为1.1x1.1x1.0mm3，翻转角为19°。同时用一组标准的3D-GRE序列来采集参考图像，其成像参数为：FOV＝220x220x128mm3，TR＝86ms，TE＝{6,18,30,43.17,55,68.34}ms，分辨率为1.1x1.1x1.0mm3，翻转角为19°。图4进行了定量QSM分析，由于结合了CAIPI/SMS和BUDA采集技术，本发明提供的基于BUDA采集和联合稀疏和LORAKS低秩约束重建的MR成像方法和西门子参考方法计算的结果具有很好的一致性。
图5所示为本发明在fMRI(fMRI,functional magnetic resonance imaging，功能性磁共振成像)中应用实施实例，数据来自于美国通用电气医疗公司的3.0T磁共振(Discovery MR750,Genera l Electric,Milwaukee,WI)设备，3D EPI序列用于数据采集，成像模式为每24s激发态采集后紧跟24s的静息态采集，其它成像参数包括：头部线圈通道为32通道，FOV＝220x220x128mm3，层内TR/TE＝75/30ms，α≈β＝15°(Ernst角)，分辨率为3.1x3.1x4.0mm3，层内相位编码方向加速因子为2。全采样的相位编码方向分别向上和向下的两组数据用于比较。图5显示了带有视觉刺激的fMRI实验的结果，其中六个层面的激活图叠加在相应的T1加权图像上。正如预期的那样，在视觉皮层中都观察到了fMRI激活。本发明所得到的激活图与T1加权结构图像中的视觉皮层区域比两个单独获取的全采样3D EPI图像更好地匹配脑实质。这说明了本发明在fMRI时间过程中动态校正畸变的能力优于传统方法。检测到受试者之间可比较的平均激活体积相当(单独的blip-up采集的3D全采样EPI：30.6cm3，单独的blip-down采集的3D全采样EPI：25.3cm3，本发明重建的结果：27.2cm3)。
需要说明的是，本发明提供的基于单激发BUDA采集和联合约束重建的无失真高清定量MR成像方法，其实质是通过引入回波平移EPI技术，实现在单次激发中同时采集一对极性相反的数据集的BUDA采集方法来降低扫描时间，引入EPI成像技术以及CAIPI/SMS激发技术来改善图像的信噪比，同时将基于联合稀疏约束和LORAKS低秩约束方法嵌套到传统的SENSE并行成像图像重建框架中，因此本MR成像重建方法称为BUDA，在附图中标注为BUDA也即采用本发明所提供的MR成像重建方法得到的相应结果。
再者，本发明使用了联合LORAKS低秩约束重建，但本发明不局限于该图像重建技术，也可以用同类其他低秩重建算法，如压缩感知，Hankel，Subspace之类的方案。
实施例2：
第二方面，本发明还提供一种MR成像系统，包括：
至少一个存储器和至少一个处理器，其中：
所述至少一个存储器用于存储计算机程序；
所述至少一个处理器用于调用所述至少一个存储器中存储的计算机程序，以执行上述基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。
Claims (9)
1.一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，其特征在于，其步骤包括：
S1：利用回波平移EPI序列，每次激发均采集一对相位编码方向相反的多回波数据集，并在层面编码方向采用CAIPI/SMS激发技术加速采集；
S2：将步骤S1采集的多回波数据集进行SENSE重建，获得形变相反的图像，以获得磁场不均匀分布情况的场图；
S3：将步骤S2获得的场图和步骤S1采集的多回波数据集作为基于稀疏约束和LORAKS低秩约束的磁共振平面回波成像重建模型的输入，获得无形变的磁共振图像；
在步骤S3中，将形变反向的数据和不同回波数据联合起来构建稀疏矩阵和LORAKS低秩矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，其特征在于，利用EPI序列每次激发均采集一对相位编码方向相反的多回波数据集的方法，步骤为：
利用回波平移EPI技术实现在一次激发中，沿相位编码方向的反极性交错采集获得多回波EPI，并产生相反的失真方向以获得B0场图。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，其特征在于，在步骤S2之前还包括：
将三维低分辨率快速低角度采集与BUDA序列绑定在一起，并在BUDA序列之前进行采集，以获得FOV匹配的线圈灵敏度图。
4.根据权利要求1所述的一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，其特征在于，在步骤S1中所述在层面编码方向采用CAIPI/SMS激发技术加速采集为一次激发同时采集多个层面的数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，其特征在于，在步骤S2中，利用反向的编码方式获得形变信息互补的图像集，以获得磁场不均匀分布情况的场图。
6.根据权利要求5所述的一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，其特征在于，分别使用相位编码梯度Gy和选层梯度Gz的预相位部分中的附加梯度为每个回波获取沿ky和层面维度具有交错k空间轨迹的不同采集位置，为每个回波实施向上/向下相位不同编码，从而获得形变信息互补的图像集。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，其特征在于，在步骤S3中所述的基于稀疏约束和LORAKS低秩约束的磁共振平面回波成像重建模型为：
其中，t表示激发回波索引，U为采样模板，F为快速傅里叶变换，E为步骤S2计算的场图及相关失真校正操作，S为线圈敏感度信息，I为待重建的图像，d为采集的k空间数据，为目标图像的低秩约束矩阵，Ψ(I)为目标图像的稀疏约束矩阵，λ，μ为正则化参数。
8.根据权利要求7所述的一种基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法，其特征在于，采用基于POCS算法对所述的基于稀疏约束和LORAKS低秩约束的磁共振平面回波成像重建模型进行求解。
9.一种MR成像系统，其特征在于，包括：
至少一个存储器和至少一个处理器，其中：
所述至少一个存储器用于存储计算机程序；
所述至少一个处理器用于调用所述至少一个存储器中存储的计算机程序，以执行权利要求1-8任意一项所述的基于单激发BUDA采集和联合约束重建的MR成像方法。
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