一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法及系統(tǒng)，其中，該方法包括：在(k,t)空間采集高時(shí)間低空間分辨率的導(dǎo)航數(shù)據(jù)SNAV與高空間低時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)SIMG；采用奇異值對(duì)所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)SNAV進(jìn)行分解獲得模型階數(shù)L和時(shí)間基函數(shù)再結(jié)合所述圖像數(shù)據(jù)SIMG進(jìn)行Tikhonov正則化約束求解出空間基函數(shù)cl(k)；利用所述模型階數(shù)L、時(shí)間基函數(shù)及空間基函數(shù)cl(k)對(duì)所述(k,t)空間進(jìn)行高時(shí)間高空間覆蓋密度的插值恢復(fù)，再進(jìn)行傅里葉逆變換，從而獲得高時(shí)間分辨率高空間分辨率的動(dòng)態(tài)腦功能磁共振圖像。通過采用本發(fā)明公開的方法及系統(tǒng)，提高了重建圖像質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高時(shí)間和高空間分辨率動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像。
【專利說明】一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁共振成像【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]功能性磁共振成像(functionalMagnetic Resonance Imaging, fMRI)是當(dāng)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)應(yīng)用于腦神經(jīng)科學(xué)研究最為迅速的領(lǐng)域之一。其原理是利用磁振造影來測(cè)量神經(jīng)元活動(dòng)所引發(fā)血液動(dòng)力的改變。目前主要是運(yùn)用在研究人及動(dòng)物的腦或脊髓。可以顯示大腦各個(gè)區(qū)域內(nèi)靜脈毛細(xì)血管中血氧合狀態(tài)所起的磁共振信號(hào)的微小變化。fMRI作為無損的探測(cè)技術(shù)，已成為觀察大腦活動(dòng)和揭示腦和思維關(guān)系的一種重要方法，幾乎應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，如:神經(jīng)生理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)、神經(jīng)病理生理學(xué)、神經(jīng)解剖學(xué)、神經(jīng)生化、神經(jīng)免疫、神經(jīng)電生理等。它為神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用，根據(jù)功能磁共振成像的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)一步深入研究，無論對(duì)于功能磁共振成像技術(shù)本身的發(fā)展還是功能磁共振成像在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用和對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展都具有重要的意義。
[0003]目前，fMRI掃描通常采用回波平面成像技術(shù)(Echo Planar Imaging, EPI)、梯度回?fù)苊}沖序列(GRE)或螺旋成像技術(shù)(SPIRAL)。梯度回波脈沖序列的成像速度較慢，易受運(yùn)動(dòng)影響產(chǎn)生偽影，一般只用于單一刺激的簡單運(yùn)動(dòng)研究。
[0004]由于EPI序列采樣時(shí)間短，能夠在幾秒內(nèi)得到整個(gè)頭部的圖像，是fMRI通常采用的一種掃描技術(shù)。EPI序列在一次激發(fā)后，采集所需的回波或回波中重要的部分產(chǎn)生一副圖像，使用極性相反的讀出梯度形成回波鏈中的梯度回波。因此，長的回波鏈對(duì)于不完善的梯度和其他誤差，如不準(zhǔn)確的采集時(shí)序、靜磁場(chǎng)的不均勻性、開關(guān)梯度場(chǎng)產(chǎn)生的渦流效應(yīng)等非常敏感，導(dǎo)致k空間相鄰波之間呈現(xiàn)一定的相位差，經(jīng)過傅里葉變換后，重建圖像在相位編碼方向存在N/2鬼影(ghost)偽影，會(huì)直接影響功能激活區(qū)域的準(zhǔn)確檢測(cè)。理論上腦功能成像的時(shí)間分辨極限為lOOus，而且只有時(shí)間分辨在Is以上時(shí)才能成功探測(cè)到任務(wù)開始前的負(fù)激活信號(hào)(I~2s)，而目前時(shí)間分辨為3s左右，這使得fMRI具有自身的時(shí)間限制。同樣，fMRI的空間分辨率可達(dá)到理論上腦功能空間分辨的極限為1mmX ImmX 1臟，此時(shí)可以大幅減少部分容積效應(yīng)，避免BOLD (血氧水平依賴)信號(hào)受到腦脊液的影響，而目前只有3mmX3mmX3mm。雖然,近年來很多研究致力于提高fMRI成像的時(shí)間或空間分辨率,但是成像的時(shí)空分辨率依然不足，這使得fMRI具有自身的時(shí)間限制。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法及系統(tǒng)，提高了重建圖像質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高時(shí)間和高空間分辨率動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007] 一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法，該方法包括:[0008]在(k，t)空間采集高時(shí)間低空間分辨率的導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav與高空間低時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)Sik ；
[0009]采用奇異值對(duì)所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav進(jìn)行分解獲得模型階數(shù)L和時(shí)間基函數(shù)約⑴，再結(jié)合所述圖像數(shù)據(jù)Simg進(jìn)行Tikhonov正則化約束求解出空間基函數(shù)C1 (k)；
[0010]利用所述模型階數(shù)L、時(shí)間基函數(shù)約(O及空間基函數(shù)C1GO對(duì)所述(k，t)空間進(jìn)行 高時(shí)間高空間覆蓋密度的插值恢復(fù)，再進(jìn)行傅里葉逆變換，從而獲得高時(shí)間分辨率高空間分辨率的動(dòng)態(tài)腦功能磁共振圖像。
[0011 ] 一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0012]數(shù)據(jù)采集模塊，用于在(k，t)空間采集高時(shí)間低空間分辨率的導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav與高空間低時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)Sik ；
[0013]計(jì)算模塊，用于采用奇異值對(duì)所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav進(jìn)行分解獲得模型階數(shù)L和時(shí)間基函數(shù)灼⑴，再結(jié)合所述圖像數(shù)據(jù)Simg進(jìn)行Tikhonov正則化約束求解出空間基函數(shù)C1 (k)；
[0014]成像模塊，用于利用所述模型階數(shù)L、時(shí)間基函數(shù)約(O及空間基函數(shù)C1 (k)對(duì)所述
(k, t)空間進(jìn)行高時(shí)間高空間覆蓋密度的插值恢復(fù)，再進(jìn)行傅里葉逆變換，從而獲得高時(shí)間分辨率高空間分辨率的動(dòng)態(tài)腦功能磁共振圖像。
[0015]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，通過以部分可分離函數(shù)算法為理論框架，基于動(dòng)態(tài)圖像低秩特性，設(shè)計(jì)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)腦功能成像序列及圖像重建方法，消除了時(shí)間和空間此消彼長的約束關(guān)系，提高了重建圖像質(zhì)量，以及提高了腦功能成像的時(shí)間和空間分辨率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法的流程圖；
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種psf_EPI序列的示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種基于PSF模型的(k，t)空間數(shù)據(jù)采集示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明實(shí)施例二提供的又一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法的流程圖；
[0021]圖5為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果的示意圖；
[0022]圖6為本發(fā)明實(shí)施例三提供的一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。[0024]實(shí)施例一
[0025]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法的流程圖。如圖1所示，該方法主要包括如下步驟:
[0026]步驟11、在(k，t)空間采集高時(shí)間低空間分辨率的導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav與高空間低時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)SIMe。
[0027]所述(k，t)空間中，沿時(shí)間軸t每一個(gè)時(shí)刻即是一個(gè)完整的k空間，此處的k是一個(gè)二維空間。
[0028]本發(fā)明實(shí)施例中，基于預(yù)設(shè)的相位編碼步數(shù)和回波鏈長度(ETL)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的激發(fā)次數(shù)；其中，每次射頻脈沖激發(fā)后填充K空間相位編碼線條數(shù)，且在同一射頻周期內(nèi)將導(dǎo)航數(shù)據(jù)SNAV與圖像數(shù)據(jù)SIMG進(jìn)行同步采集。
[0029]步驟12、采用奇異值對(duì)所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav進(jìn)行分解獲得模型階數(shù)L和時(shí)間基函數(shù)(P人η，再結(jié)合所述圖像數(shù)據(jù)Simg進(jìn)行Tikhonov正則化約束求解出空間基函數(shù)C1 (k)。
[0030]所述采用奇異值對(duì)所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav進(jìn)行分解獲得模型階數(shù)L和時(shí)間基函數(shù)約⑴的公式包括:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像方法，其特征在于，該方法包括: 在(k，t)空間采集高時(shí)間低空間分辨率的導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav與高空間低時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)Sik ； 采用奇異值對(duì)所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav進(jìn)行分解獲得模型階數(shù)L和時(shí)間基函數(shù)仍(O，再結(jié)合所述圖像數(shù)據(jù)Simg進(jìn)行Tikhonov正則化約束求解出空間基函數(shù)C1 (k)； 利用所述模型階數(shù)L、時(shí)間基函數(shù)的的及空間基函數(shù)C1GO對(duì)所述(k，t)空間進(jìn)行高時(shí)間高空間覆蓋密度的插值恢復(fù)，再進(jìn)行傅里葉逆變換，從而獲得高時(shí)間分辨率高空間分辨率的動(dòng)態(tài)腦功能磁共振圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用奇異值對(duì)所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav進(jìn)行分解獲得模型階數(shù)L和時(shí)間基函數(shù)的(0的公式包括:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述結(jié)合所述圖像數(shù)據(jù)Sik進(jìn)行Tikhonov正則化約束求解出空間基函數(shù)C1QO包括:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述模型階數(shù)L、時(shí)間基函數(shù)約(O及空間基函數(shù)C1 (k)對(duì)所述(k，t)空間進(jìn)行高時(shí)間高空間覆蓋密度的插值恢復(fù)包括: 利用下述公式，并結(jié)合模型階數(shù)L、時(shí)間基函數(shù)的⑴及空間基函數(shù)C1 (k)對(duì)所述(k，t)空間進(jìn)行高時(shí)間高空間覆蓋密度的插值恢復(fù)，其公式為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采集所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav與圖像數(shù)據(jù)Sik包括: 基于預(yù)設(shè)的相位編碼步數(shù)和回波鏈長度ETL，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的激發(fā)次數(shù)； 其中，每次射頻脈沖激發(fā)后填充K空間相位編碼線條數(shù)，且在同一射頻周期內(nèi)將導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav與圖像數(shù)據(jù)Sik進(jìn)行同步采集。
6.一種動(dòng)態(tài)腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)采集模塊，用于在(k，t)空間采集高時(shí)間低空間分辨率的導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav與高空間低時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)Sik ； 計(jì)算模塊，用于采用奇異值對(duì)所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav進(jìn)行分解獲得模型階數(shù)L和時(shí)間基函數(shù)約⑴，再結(jié)合所述圖像數(shù)據(jù)Simg進(jìn)行Tikhonov正則化約束求解出空間基函數(shù)C1 (k)； 成像模塊，用于利用所述模型階數(shù)L、時(shí)間基函數(shù)的⑴及空間基函數(shù)C1QO對(duì)所述(k, t)空間進(jìn)行高時(shí)間高空間覆蓋密度的插值恢復(fù)，再進(jìn)行傅里葉逆變換，從而獲得高時(shí)間分辨率高空間分辨率的動(dòng)態(tài)腦功能磁共振圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算模塊包括: 模型階數(shù)和時(shí)間基函數(shù)計(jì)算模塊，用于采用奇異值對(duì)所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav進(jìn)行分解獲得模型階數(shù)L和時(shí)間基函數(shù)的⑴，其公式包括:
Tnm(MjAZ) Snm =藝 A1U1V1 ；
I I 其中，λ i是導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav的奇異值按降序排列，Ul和V1分別為左奇異向量和右奇異向量，M表示(k，t)空間 中沿時(shí)間軸時(shí)間點(diǎn)總數(shù)，N表示(k，t)空間中每一個(gè)時(shí)刻的k空間點(diǎn)數(shù)目； 所述時(shí)間基函數(shù)的⑴由所述左奇異向量U1計(jì)算得到，所述模型階數(shù)L由所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav的最佳估計(jì)得到。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算模塊包括: 空間基函數(shù)計(jì)算模塊，用于結(jié)合所述圖像數(shù)據(jù)Simg進(jìn)行Tikhonov正則化約束求解出空間基函數(shù)C1GO:
ML2
arg Mina || c^k) ||2 subject to ^ Simg工C1 (^φ}(tm) < ε ；
m~/=1 其中，α表示正則約束項(xiàng)參數(shù)，ε表示噪聲因子，I C1 (k) I |2表示空間基函數(shù)C1 (k)的2范數(shù)，tm為特定時(shí)刻； 利用非線性迭代方法求解上述公式，獲得空間基函數(shù)C1 (k)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述成像模塊包括: 插值恢復(fù)模塊，用于利用下述公式，并結(jié)合模型階數(shù)L、時(shí)間基函數(shù)的⑴及空間基函數(shù)C1GO對(duì)所述(k，t)空間進(jìn)行高時(shí)間高空間覆蓋密度的插值恢復(fù)，其公式為:S(kJ) = ^jCl(Ji)Cpl(J)、
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括: 同步采集模塊，用于基于預(yù)設(shè)的相位編碼步數(shù)和回波鏈長度ETL，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的激發(fā)次數(shù)；其中，每次射頻脈沖激發(fā)后填充K空間相位編碼線條數(shù)，且在同一射頻周期內(nèi)將導(dǎo)航數(shù)據(jù)Snav與圖像數(shù)據(jù)Sik進(jìn)行同步采集。
【文檔編號(hào)】A61B5/055GK103932710SQ201410178606
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】張曉詠, 李超, 邱本勝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)