基于雙回波的單掃描定量磁共振擴散成像方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及磁共振成像的方法，尤其是涉及單掃描定量磁共振表觀擴散系數 (apparent diffusion coefficient，ADC)成像的方法。
【背景技術】
[0002] 擴散成像作為核磁共振定量成像的一種，提供了用于以非入侵的方式分析正常和 病態活體組織的對比機制，目前已應用于腦、心臟、脊髓微細結構的研究。單掃描超快速核 磁共振成像（MRI)在活體擴散研究中非常重要。這要求要克服磁體中的自發運動，在無 外部干擾的實驗中測量任意微秒量級的位移。然而，擴散成像在其成像過程中需要獲取 一系列對比加權的圖像，通過兩個或兩個以上不同擴散因子（b值）的擴散加權像，才可 計算出水分子的表觀擴散系數（apparent diffusion coefficient，ADC)。現有的擴散成 像的方法不能實現一次掃描的得到所有的擴散加權像，都是通過多次掃描來實現對多方 向擴散或多梯度場的值下的擴散進行探測，多次掃描使得獲取數據的時間很長，造成采集 到的加權像容易受到采樣標本運動的干擾。現有的縮小采樣時間的方法，主要是通過限 制F0V，并行成像和部分傅里葉重建等方法，在某種程度上最小化擴散的檢測時間，使之在 時間上符合傳統傅里葉的多掃描MRI方法的要求。比如：下采樣自旋回波磁共振成像[1](Spin-Echo MRI)、梯度自旋回波磁共振成像[2] (Gradient Spin Echo MRI)等等。但是，多 次激發的磁共振參數成像方法在獲取階段仍然需要耗費數秒的時間。1977年，英國的諾丁 漢（Nottingham)大學物理系Petter Mansfield博士與他的同伴I.L Pykett提出的平面 回波成像（echo-planar imaging, EPI)，可以作為單掃描快速成像方法用于擴散成像，但也 至少需要兩次的EPI采樣才能得到ADC圖。之后，單掃描的多回波的EPI[3]方法被提出，此 方法通過將一系列對比加權圖像的獲取包含在一次掃描中所獲得的多個回波中。然而這種 方法存在局限性，一方面是這種方法需要延長回波鏈，必然導致增加獲取的時間與信號的 衰減；另一方面這種方法的實現與常規EPI方法相比是以延長重復時間（TR)為代價的，這 就可能需要犧牲所得回波圖像的空間分辨率；而且這種方法目前只能用于T2*定量成像， 不能用于ADC定量成像。之后盡管有不同的快速定量成像方法相繼被提出，但是這些方法 都是用多次激發序列來進行定量成像，這樣不僅效果不夠好，成像效率并沒有較大的提升。
[0003] 參考文獻
[0004] [1]IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING, VOL. 33, NO. 12, DECEMBER 2014,Fast T2 Mapping With Improved Accuracy Using Undersampled Spin-Echo MRI and Model-Based Reconstructions With a Generating Function. Tilman J. Sumpf*，Andreas Petrovic，Martin Uecker，Florian Knoll，and Jens Frahm〇
[0005] [2]Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance (2015)17:12, Gradient Spin Echo (GraSE)imaging for fast myocardial T2mapping，Alois M Sprinkartl，2耐， Julian A Luetkenslf, Frank Traberl, Jonas Doernerl,Jurgen Giesekel，3,Bernhard Schnackenburg3,Georg Schmitz2,Daniel Thomas1, Rami Homsil，Wolfgang Blockl, Hans Schildl and Claas P Naehlel〇
[0006] [3]Neuroimage 98 (2014) 258 - 265, , Signal contributions to heavily diffusion-weighted functional magnetic resonance imaging investigated with multi-SE-EPI acquisitions, Daigo Kuroiwa a, Takayuki Obata a，b，Hiroshi Kawaguchib,Joonas Autio b, Masaya Hirano c，Ichio Aoki b,Iwao Kanno b，Jeff Kershaw b〇
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供基于雙回波的單掃描定量磁共振擴散成像方法（DM-0LED 方法）。
[0008] 本發明包含如下步驟：
[0009] (1)在磁共振成像儀操作臺上，打開磁共振成像儀中的操作軟件，首先對成像物體 進行感興趣區域定位，然后進行調諧、勻場、功率校正和頻率校正；
[0010] (2)導入事先編譯好的DM-0LED序列：設置脈沖序列的各個參數；
[0011] 所述DM-0LED序列的結構如圖1依次為：翻轉角為α的激發脈沖、脈沖間距 STE\(該時間間隔中包含了移位梯度和擴散梯度）、翻轉角為α的激發脈沖、移位梯度、 180°的重聚脈沖、采樣回波鏈；
[0012] 兩個小角度的激發脈沖結合頻率維即X方向的兩個移位梯度Grol和G ro2，和相位維 即y方向的兩個移位梯度6_和G _，使兩個激發脈沖產生的回波在信號空間即k空間的中 心產生偏移，180°的重聚脈沖以及兩個激發脈沖都與層選方向即z方向的層選梯度Gss相 結合進行層選；第二個激發脈沖前后分別施加回波延時，其中S TE的長度為1/4回波鏈長， 180°的重聚脈沖前后有X，y，z三個方向的破壞梯度作用；
[0013] 采樣回波鏈是由分別作用在X，y方向的梯度鏈組成；X方向的梯度鏈由一系列大 小相等的正負采樣梯度構成，且每個梯度的面積是所述移位梯度Grol的三倍；y方向的梯度 鏈是由一系列大小相等的尖峰梯度構成，且尖峰梯度的面積和等于移位梯度面積的四 倍；
[0014] 在采樣回波鏈之前，頻率和相位方向分別施加了重聚梯度，頻率維的重聚梯度的 面積是Gra面積的一半，方向與G 相反；相位維的重聚梯度的面積是所述所有尖峰梯度面 積和的一半，方向與尖峰梯度相反；
[0015] (3)執行步驟（2)設置好的所述DM-0LED序列，進行數據采樣；數據采樣完成后， 得到兩個回波信號的混合信號。
[0016] (4)對步驟（3)得到的兩個回波信號的混合信號進行分析。兩個回波信號由于演 化時間相同導致T2加權相同。通過理論推導可得要分離的兩個回波信號SJP 52的表達式 如下：
[0019] 式中
是擴散因子，
通過實驗發現， 當α = 45°時，兩個回波信號的強度都相對較高。
[0020] (5)對步驟（4)得到的兩個回波信號的混合信號用分離算法進行處理，根據傅里 葉變換理論，混合信號中的兩個回波信號在圖像域的線性相位是不一樣的，但是它們是來 自同一個圖像層，利用兩者的圖像結構相似的先驗信息可以對兩個回波信號SJP S2進行聯 合重建，分離用的重建算法如下：
[0022] 其中Xl是從回波信號S i中重建出來的圖像，X 2是從回波信號S 2中重建出來的圖 像；
是尺度因子，χ1(]，χ2(]分別是回波信號3 1和回波信號S2的初始圖像；λ ρ 入2和λ 3分別是拉格朗日乘數法可調整約束權重；▽是梯度算子，第一項是保真項，第二項 和第三項是對第一幅和第二幅圖像的稀疏性約束，最后一項是兩幅圖像輪廓相似性約束； Xl和X 2有如下關系：
[0024] 其中
分別是x#Px2的線性相位，
都是關于空間 位置矢量r的函數；X。是用采樣到的兩個回波信號的混合信號傅里葉逆變換得到的圖像。 通過迭代算法求解上述式子就可以得到分離后的回波信號Si和回波信號S 2產生的圖像X i 和x2。
[0025] (6)對步驟（5)分離出來的圖像xJP X 2進行ADC成像計算，對于單掃描的ADC成 像方法來說，只需要兩幅不同b值圖像就足夠了，ADC的值直接通過ADC弛豫方程求得：
[0027] 其中
是校正因子。這里加入了全變分（Total Variation, TV)外推 法來增強圖像的分辨率，而且設定了一個閾值，當得到的數值低于閾值時會被認為噪聲而 忽略，同樣當計算出的ADC值過大時也是不合理的，也會被省略。最后通過ADC成像計算得 到了具有較好分辨率的高品質的ADC圖像。
[0028] 本發明在一次掃描的情況下，獲得含有兩個重疊的回波信號的混合信號，然后利 用分離算法對兩個重疊的信號進行分離重建，從而獲得與常規單掃描EPI序列所需要的 獲取時間和分辨率相當的兩個分離信號的重建圖像，最后對兩個分離信號的重建圖像進行 ADC計算，實現單掃描下獲得ADC圖像。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發明中DM-0LED序列結構圖。
[0030] 圖2是DM-0LED序列的模型實驗的結果對比圖。其中：
[0031] (a)是分離之前DM-0LED序列重建出的包含兩個回波信號的圖像；
[0032] (b)是從（a)中分離之后第一個回波信號圖像；
[0033] (c)是從（a)中分離之后第二個回波信號圖像；
[0034] (d)ADC 模型；
[0035] (g)普通EPI擴散序列（b值與DM-0LED序列相同）采樣的幅值圖；
[0036] (f)是從（a)中重建出來的ADC圖像；
[0037] (h)是⑷和（e)中分別沿著水平中線和垂直中線剖面的ADC值。
【具體實施方式】
[0038] 以下將結合附圖及實施例對本發明做進一步說明：
[0039] 本發明具體實施過程中的各個步驟如下：
[0040] (1)在磁共振成像儀操作臺上，打開磁共振成像儀中的操作軟件，首先對成像物體 進行感興趣區域定位，然后進行調諧、勻場、功率校正和頻率校正；
[0041 ] (2)導入事先編譯好的DM-0LED序列：根據具體的實驗情況，設置脈沖序列的各個 參數；
[0042] 所述DM-0LED序列的結構如圖1依次為：翻轉角為α的激發