CN1827038A - 磁共振多通道成像水脂分离重建算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种磁共振多通道成像水脂分离重建算法，该算法包括以下步骤：取得一幅同相位图像和两幅反相位图像；求各通道的线圈灵敏度分布；合成各通道图像；求两幅反相位图像的相位差；检测同相位图像中的一些特征区域以作为修正相位的判据；以及修正反相位图像的相位，计算出水和脂肪的图像。本发明成像稳定可靠、重建时间短，同时解决了现有重建算法中水和脂肪图像调换的问题。

Description

磁共振多通道成像水脂分离重建算法

(一)技术领域

本发明涉及一种磁共振多通道成像水脂分离重建算法，更具体地说涉及一种基于Dixon法的磁共振多通道成像水脂分离重建算法。

(二)背景技术

在磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)中，由于人体内脂肪组织中的氢质子和其它组织中的氢质子所处的分子环境不同，使得它们的共振频率不相同；当脂肪和其它组织的氢质子同时受到射频脉冲激励后，它们的弛豫时间也不一样。在不同的回波时间采集信号，脂肪组织和非脂肪组织表现出不同的信号强度。

Dixon法是在磁共振成像中用以产生纯水质子影像的方法，其基本原理是分别采集水和脂肪质子的同相位(In Phase)和反相位(Opposed-phase)两种回波信号，两种不同相位的信号通过运算，去除脂肪信号，产生一幅纯水质子的影像，从而达到脂肪抑制的目的。Dixon法的缺点是受磁场不均匀性影响较大，易受呼吸运动影响，计算方法复杂并容易出现错误。

为了同时得到水和脂肪的图像，一种改进的三点Dixon法(Three-point Dixon)被广泛使用，该方法的原理是同时取得一幅同相位图像S₀(x，y)和两幅反相位图像S₁(x，y)与S₂(x，y)，根据两幅反相位图像，求得磁场不均匀导致的附加相位，对两幅反相位图像进行相位纠正，然后与同相位图像一起求得水的图像及脂肪的图像。

该三点Dixon法的不足之处在于：由两幅反相位图像求得的附加相位不能直接用来对其相位进行纠正，因为由磁场不均匀导致的附加相位可能超过±π，即发生相位缠绕现象，因此必须对相位进行反缠绕。然而，相位反缠绕在数学上是一个无解问题，在水脂分离法中，为了对相位进行反缠绕，假设磁场不均匀在空间上的变化是缓慢的，其求解过程相当费时。

在使用多通道线圈成像时，为了得到水和脂肪的合成图像，分别求每个通道的水和脂肪的图像，即分别利用每个通道得到的两幅反相位图像求不均匀磁场导致的附加相位，进行相位反缠绕，用反缠绕后的相位对两幅反相位图像进行相位纠正，最后得到水和脂肪的图像，然后分别合成各通道的水和脂肪的图像得到最终结果。

但是在上述种方案中，存在以下几个问题：

(1)重建时间过长；

(2)图像信噪比差的通道，得到的水和脂肪的图像不可靠；以及

(3)由于相位反缠绕固有的不稳定性，有些通道计算出的水和脂肪的图像可能调换，导致合成后的水和脂肪的图像出错。

因为相位反缠绕的固有缺点，有人提出一种新的方案，即采集0，π/2，π三幅图像，根据这三幅图像，解出代表脂肪和水信号的方向矢量，根据其物理特征，判断出正确解，再由脂肪和水信号矢量得出不均匀场导致的相位差，纠正后两幅图像相位差后，计算出水和脂肪的图像。

然而，上述方案同样存着以下几个问题：

(1)因为必须分别处理每个通道的信号，重建时间长；以及

(2)图像信噪比差的通道或区域，得到的水和脂肪的图像不可靠，由其合成的水和脂肪的图像也不可靠。

因此，如何提供一种基于Dixon法的水脂分离重建算法，以解决使用多通道线圈时重建水脂图像不稳定，用时长的问题，已成为磁共振成像技术中亟待解决的问题。

(三)发明内容

本发明的一个主要目的是在于提供一成像稳定可靠、重建时间短的磁共振多通道成像水脂分离重建算法。

本发明的另一个目的是在于提供一种具有最佳相位反缠绕图像信噪比的磁共振多通道成像水脂分离重建算法。

本发明的又一个目的是在于提供一种避免水脂分离重建中易发生水和脂肪的图像调换问题的磁共振多通道成像水脂分离重建算法。

为达到上述目的，本发明提出一种磁共振多通道成像水脂分离重建算法，该算法包括以下步骤：

(1)取得一幅同相位图像和两幅反相位图像；

(2)求各通道的线圈灵敏度分布(Profile)；

(3)合成各通道图像；

(4)求两幅反相位图像的相位差；

(5)检测同相位图像中的一些特征区域以作为修正相位的判据；以及

(6)修正反相位图像的相位，计算出水(water)和脂肪(fat)的图像。

上述步骤(2)进一步包括求各通道同相位图像模值平方和，然后开方；取同相位图像中一个信噪比较好的通道信号或者各通道信号的一种线性组合，对模值进行归一化；以及计算各通道的线圈灵敏度分布。

在本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法的另一个实施例中，步骤(2)也可以采用修正空间匹配滤波器法求各通道的线圈灵敏度分布，即利用各通道图像每个象素点及其邻域点信号，计算信号及噪声相关矩阵，通过求信号相关矩阵的特征值及特征向量得出各通道线圈的灵敏度分布。

步骤(3)中将各通道的图像合成得到最优信噪比合成图像，同时保存图像的相位。

步骤(4)中使用相位反缠绕算法对该相位差进行相位反缠绕，得到修正后的相位。

步骤(5)中利用大部分图像中脂肪信号比较高的特点，检测图像的脂肪，或者用边缘检测方法，检测皮下脂肪，利用这些脂肪点做为判据，修正相位。

本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法先合成图像，合成方法非普通的模值合成，而是在复数的基础上合成图像。结果图像不但信噪比达到最佳，而且还保存了Dixon方法中最重要的相位信息，用合成图像计算反映场不均匀的相位，进行相位反缠绕后的结果可靠性极大提高。

本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法中，只计算合成图像的水和脂肪的图像，不管有多少个通道，只进行一次相位反缠绕，因此在多通道系统的Dixon成像过程中，可以节省很多时间。

本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法利用合成图像求水和脂肪的图像，其情况和单通道情况相似，能得到纯粹的水和脂肪的图像，再利用上述算法中步骤(5)的判据，即可得到正确的水和脂肪的图像，从而解决了由于相位反缠绕算法不稳定，结果极易偏离而导致利用该结果计算脂肪和水的图像，会使水和脂肪的图像调换的问题。

(四)附图说明

图1A是一个实施例中显示出水和脂肪的图像。

图1B是应用本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法得到的图1A中的水的图像。

图1C是应用本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法得到的图1A中的脂肪的图像。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法包括以下的步骤：

(1)取得一幅同相位图像和两幅反相位图像。

假设S₀ ⁱ(x，y)，S₁ ⁱ(x，y)和S₂ ⁱ(x，y)分别表示i通道的同相位图像和两反相位图像，其中i＝1...n，n为总通道数。

(2)求各通道的线圈灵敏度分布(Profile)。

本步骤的求解过程可以分为以下几步：

(a)求各通道同相位图像模值平方和，然后开方：

$\mathrm{SOS}(x,y)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|S_0^i(x,y)\right|}^2}$

(b)取同相位图像中一个信噪比较好的通道信号S₀ ^I(x，y)，对模值进行归一化：

$S_0^{\′}(x,y)=\frac{S_0^I(x,y)}{\left|S_0^I(x,y)\right|}$

在本发明的另外一个实施例中，(b)步骤的运算也可以为：取各通道信号的一种线性组合，对模值进行归一化：

$S_0^{\′}(x,y)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_0^i(x,y)\·W_i}{|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_0^i(x,y)\·W_i|},$ 式中W_i表示权重。

(c)计算各通道的线圈灵敏度分布(Profile)：

$P^i(x,y)=\frac{S_0^i(x,y)\·{\left[S_0^{\′}(x,y)\right]}^{*}}{\mathrm{SOS}(x,y)},$ 式中[ ]^·表示求共轭。

由步骤(a)～(c)实现的求各通道的线圈灵敏度分布的过程还可以由其它优化算法代替，比如修正空间匹配滤波器法，即利用各通道图像每个象素点及其邻域点信号，计算信号及噪声相关矩阵，通过求信号相关矩阵的特征值及特征向量，从而得出各通道线圈的灵敏度分布。

(3)合成各通道图像。

$S_0(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[P^i(x,y)\right]}^{*}\·S_0^i(x,y)$

$S_1(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[P^i(x,,y)\right]}^{*}\·S_1^i(x,y)$

$S_2(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[P^i(x,y)\right]}^{*}\·S_2^i(x,y)$

本步骤把各通道的图像合成得到最优信噪比合成图像，同时保存了图像的相位。

(4)求两幅反相位图像的相位差。

式中angle[ ]表示取相角算子。

使用相位反缠绕算法对(x，y)进行相位反缠绕，得到修正后的相位′(x，y)。

(5)检测同相位图像中的一些特征区域以作为修正相位的判据。

在本步骤中，可利用大部分图像中脂肪信号比较高的特点，检测图像的脂肪，或者用边缘检测方法，检测皮下脂肪，利用这些脂肪点做为判据，修正相位′(x，y)。

(6)修正反相位图像的相位，计算出水(water)和脂肪(fat)的图像。

I_fat(x，y)＝0.5·[S₀(x，y)-0.5·(S₁(x，y)·e^{j·0.5·′(x，y)}+S₂(x，y)·e^{-j·0.5·′(x，y)})]

本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法通过上述步骤(1)～(6)实现了下列的功能：

(1)成像稳定可靠。

在现有方法中，相位反缠绕都分别在各个通道的图像上进行，这对于远离成像兴趣区(field of view，FOV)的通道，由于接受到的信号比较弱，信噪比差，对这个通道的图像进行计算求水和脂肪的图像时，由信噪比差的图像取得的相位信噪比差，在相位反缠绕时候容易出错，结果得到的水和脂肪图经常局部或者整体出错，最终导致合成图像结果不可靠。而本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法先合成图像，合成方法非普通的模值合成，而是在复数的基础上合成图像。结果图像不但信噪比达到最佳，而且还保存了Dixon方法中最重要的相位信息，用合成图像计算反映场不均匀的相位，进行相位反缠绕后的结果可靠性极大提高。

(2)重建时间短。

三点Dixon方法中，为了得到正确地反映不均匀场的相位信息，必须采用复杂的相位反缠绕方法，该过程相当费时，可以说，Dixon方法中的重建时间大部分为相位反缠绕时间。现有的方法分别计算每个通道的水和脂肪的图像，即有多少个通道，就要进行多少次相位反缠绕，而后再进行图像合成，重建时间和通道数成正比。而本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法中，只计算合成图像的水和脂肪的图像，不管有多少个通道，只进行一次相位反缠绕，因此在多通道系统的Dixon成像过程中，可以节省很多时间。

(3)解决水和脂肪的图像调换的问题。

由于相位反缠绕算法不稳定，结果极易偏离±2π，利用该结果计算脂肪和水的图像，会使水和脂肪的图像调换。在单通道的情况下问题不大，但在多通道的情况下，现有的重建方法因为先单独求每个通道的水和脂肪的图像，假如其中部分通道计算得到的水和脂肪发生调换，那么合成得到的将是错误的水和脂肪的图像。而本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法利用合成图像求水和脂肪的图像，其情况和单通道情况相似，能得到纯粹的水和脂肪的图像，再利用上述算法中步骤(5)的判据，即可得到正确的水和脂肪的图像。

请参阅图1A至1C，在上述本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法的实际应用中，使用基于自旋回波的Dixon方法，在四通道的磁共振系统上取得一幅同相位，两幅反相位图像，由此重建出水和脂肪的图像，实验的结果表明，使用现有的重建方法，却经常出现部分通道重建出错的情况，且重建时间相当长；而本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法能在比较短的时间内得到正确的水和脂肪的图像，其中，图1A是一个实施例中显示出水和脂肪的图像；图1B是应用本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法得到的图1A中的水的图像；图1C是应用本发明磁共振多通道成像水脂分离重建算法得到的图1A中的脂肪的图像。

Claims (12)

1.一种磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于包含以下步骤：

(1)取得一幅同相位图像和两幅反相位图像；

(2)求各通道的线圈灵敏度分布；

(3)合成各通道图像；

(4)求两幅反相位图像的相位差；

(5)检测同相位图像中的一些特征区域以作为修正相位的判据；以及

(6)修正反相位图像的相位，计算出水和脂肪的图像。

2.根据权利要求1所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：步骤(2)进一步包括：求各通道同相位图像模值平方和，然后开方：

$\mathrm{SOS}(x,y)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|S_0^i(x,y)\right|}^2}$

其中，S₀ ⁱ(x，y)为通道的同相位图像，i＝1...n，n为总通道数。

3.根据权利要求2所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：步骤(2)进一步包括：取同相位图像中一个信噪比较好的通道信号S₀ ^I(x，y)，对模值进行归一化：

$S_0^{\′}(x,y)=\frac{S_0^I(x,y)}{\left|S_0^I(x,y)\right|}.$

4.根据权利要求2所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：步骤(2)进一步包括：取各通道信号的一种线性组合，对模值进行归一化：

$S_0^{\′}(x,y)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_0^i(x,y)\·W_i}{|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_0^i(x,y)\·W_i|}$

其中，W_i为权重。

5.根据权利要求3或4所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：步骤(2)进一步包括：计算各通道的线圈灵敏度分布：

$P^i(x,y)=\frac{S_0^i(x,y)\·{\left[S_0^{\′}(x,y)\right]}^{*}}{\mathrm{SOS}(x,y)}$

其中，[]^*表示求共轭。

6.根据权利要求1所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：步骤(2)是采用修正空间匹配滤波器法求各通道的线圈灵敏度分布，即利用各通道图像每个象素点及其邻域点信号，计算信号及噪声相关矩阵，通过求信号相关矩阵的特征值及特征向量得出各通道线圈的灵敏度分布。

7.根据权利要求5所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：步骤(3)中将各通道的图像合成得到最优信噪比合成图像，同时保存图像的相位：

$S_0(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[P^i(x,y)\right]}^{*}\·S_0^i(x,y)$

$S_1(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[P^i(x,y)\right]}^{*}\·S_1^i(x,y)$

$S_2(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[P^i(x,y)\right]}^{*}\·S_2^i(x,y)$

其中，S₁ ⁱ(x，y)和S₂ ⁱ(x，y)分别表示两反相位图像。

8.根据权利要求7所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：步骤(4)中的两幅反相位图像的相位差为：

其中，angle[]表示取相角算子。

9.根据权利要求8所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：使用相位反缠绕算法对该相位差(x，y)进行相位反缠绕，得到修正后的相位′(x，y)。

10.根据权利要求9所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：步骤(5)中利用大部分图像中脂肪信号比较高的特点，检测图像的脂肪，再利用这些脂肪点做为判据，修正该相位′(x，y)。

11.根据权利要求9所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：步骤(5)中采用边缘检测方法，检测皮下脂肪，再利用这些脂肪点做为判据，修正该相位′(x，y)。

12.根据权利要求9所述的磁共振多通道成像水脂分离重建算法，其特征在于：步骤(5)中水跟脂肪的图像为：

I_fat(x，y)＝0.5·[S₀(x，y)-0.5·(S₁(x，y)·e^{j·0.5·′(x，y)}+S₂(x，y)·e^{-j·0.5·′(x，y)})]。

Images