磁共振成像方法
【專利摘要】本發明提供一種磁共振成像方法，該方法基于圖像域和K空間域的迭代計算獲得圖像。根據本發明的方法包括以下步驟：S1:沿著指定編碼方向對K空間進行有規律的欠采樣；和S2：基于圖像域和K空間域通過迭代計算獲得未采集的K空間數據，以獲得磁共振圖像。本發明的該磁共振成像方法不僅能夠用多通道來實現，也可以用單通道來實現，僅采集部分欠采樣數據，通過在圖像域和K空間域之間進行迭代計算實現快速的磁共振成像，使得圖像的采集時間大大縮短，并可獲得較高的成像質量。本發明的磁共振成像方法可用于縮短掃描時間，或在同樣掃描時間的情況下改善信噪比。
【專利說明】磁共振成像方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及磁共振成像技術，更具體地，涉及一種基于圖像域和K空間域迭代的快速磁共振成像方法。
【背景技術】
[0002]掃描速度是磁共振成像發展的瓶頸。如何有效地提高磁共振的成像速度一直是研發方面的重點項目。直接提高梯度線圈性能或主磁場強度，需要更高的硬件設備成本，并且受到物理、工程、生理、安全等諸多方面的限制。因此，改進掃描或重建算法等途徑越來越受到國內外學者的重視。
[0003]近年來，發展較活躍的快速成像方法主要包括壓縮感知、并行成像以及SPEED (Skipped Phase Encoding and Edge Deghosting)方法等。
[0004]壓縮感知成像技術突破了香農-奈奎斯特的采樣定理關于采樣頻率必須高于2倍信號帶寬的限制，成為近年來研究的熱點。雖然壓縮感知在理論上能夠實現快速成像，但是還有許多實際問題有待解決，例如缺乏穩定的抗噪聲稀疏分解算法、圖像臨床應用的限制及重建時間的考慮等。
[0005]并行成像技術利用線圈的空間敏感度信息，由多個接收線圈同時進行獨立采樣和編碼，節約了空間定位所需梯度編碼數目，加快了成像速度。目前主要的并行成像技術有SMASH、GRAPPA及SENSE等。并行成像很大程度上有賴于線圈敏感度的恰當分布和準確估測，面臨難以避免的信噪比損失，并且無法實現單通道的掃描加速。
[0006]SPEED算法利用信號的稀疏特性，通過采集若干組有規律跳躍的相位編碼數據，利用線性方程逐點解析重建出圖像。傳統的SPEED方法可以單通道實現磁共振的快速掃描。然而，傳統的SPEED方法需要沿相位編碼(PE)方向分別采集三組欠采樣數據，這三組欠采樣數據具有相同的PE間隔和不同的PE偏移量d，通過求解最小二乘誤差問題來實現混疊圖像的分離。由于多組數據的采集以及逐點的解析計算，在加速效率和成像質量方面仍有待改進。
[0007]因此，需要一種更加有效實用的快速磁共振掃描成像方法。
【發明內容】
[0008]為了解決上述問題，本發明提供一種基于圖像域和K空間域迭代的磁共振成像方法，即全息高效成像方法 HEIGHT (Highly Efficient Imaging with Global HarmonicTransformations)。
[0009]根據本發明的磁共振成像方法包括以下步驟:S1:沿著指定編碼方向對K空間進行有規律的欠采樣；和S2:基于圖像域和K空間域通過迭代計算獲得未采集的K空間數據，以獲得磁共振圖像。
[0010]進一步地，指定編碼方向為相位編碼方向或者3D序列層編碼方向。
[0011]可選地，指定編碼方向包括相位編碼和3D序列層編碼，從而實現相位編碼方向和3D序列層編碼方向上的共同加速。
[0012]進一步地，欠采樣步驟SI包括以下步驟:S10:沿著指定編碼方向每N行跳躍采集一行的欠采樣K空間數據S(I)，其余數據用O填充；S11:在K空間的中心區域完整采集低頻信息，以獲得中心數據S(C);和S12:生成N-1組K空間數據S(2)，S(3)，一S(N),分別以相同的跳躍間隔N，不同的編碼偏移量1，2…N-1，拷貝采集K空間S(C)對應位置的低頻數據，其它未采集部分全部用O填充。
[0013]更進一步地，迭代計算步驟S2包括以下步驟:S20:將K空間數據S(I)沿指定編碼方向高通濾波，并經過傅氏變換(Fourier Transform)后獲得邊緣增強圖像I(I) ；S21:將N-1組K空間數據S (2)-S (N)中的第η組沿指定編碼方向高通濾波，并經過傅氏變換后獲得混疊圖像I (η) ;522:將混疊圖像1(11)的幅度替換為當前幅度和邊緣增強圖像I (I)的幅度值的均值；S23:將獲得的混疊圖像I (η)的幅度反傅氏變換為新的K空間數據S(n)'；S24:利用中心數據S(C)更新K空間S(n)'的中心數據，并在K空間S (η)對應的跳躍間隔處填O ;S25:重復步驟S21-S24，直到所有的N-1組數據都達到收斂狀態為止；和S26:合并所有的N組K空間數據，并對合并后的K空間數據進行高通濾波的逆運算，然后經過傅氏變換獲得最終的磁共振圖像。
[0014]欠采樣步驟S20的K空間S(I)低頻信息直接跳躍拷貝S(C)對應的數據，無需重復米集。
[0015]中心區域為在K空間中心的L行范圍內的區域，L為整數。 [0016]當采集256點的原始數據時，中心區域為在K空間中心的8-64行范圍內的區域。
[0017]加速因子通過以下公式獲得:f = 1/N+L/M-L/M/N，其中，f為加速因子，N為跳躍采集的跳躍寬度，L為K空間中心區域完整采樣行數，M為原始編碼方向數據長度。
[0018]根據本發明的該磁共振成像方法不僅能夠用多通道來實現，也可以用單通道來實現，僅采集部分欠采樣數據，通過在圖像域和K空間域之間進行迭代計算實現快速的磁共振成像，從而縮短掃描時間以使圖像的采集時間大大縮短，或者在同樣掃描時間的情況下改善信噪比，并可獲得較高的成像質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]本發明的上述及其它方面和特征將從以下結合附圖對實施例的說明清楚呈現，其中:
[0020]圖1A和圖1B顯示沿編碼方向以等間隔N = 4跳躍采集的兩組欠采樣數據重建的圖像，其中這兩組欠采樣數據具有不同的編碼偏移量；
[0021]圖1C和圖1D分別顯示對圖1A和圖1B所示的圖像進行高通濾波后獲得的邊緣增強圖像；
[0022]圖2E-2H是通過本發明的HEIGHT方法對小腿進行掃描和重建的結果圖，其中圖2E是顯示偽影的通過傅氏變換重建得到的圖像，圖2F是完整K空間中間的圖像，圖2G是相位編碼跳躍間隔N = 4時重建的圖像，以及圖2H是跳躍間隔加大到N = 8時重建的圖像；以及
[0023]圖3是0.3T低場永磁系統通過本發明的HEIGHT方法采集單通道的圖像數據的結果圖，其中圖31和圖3L是完整K空間重建的圖像，圖3J和圖3M是通過根據本發明的方法重建的圖像。
【具體實施方式】
[0024]下面參照附圖詳細描述本發明的說明性、非限制性實施例，對根據本發明的磁共振成像方法進行進一步說明。
[0025]根據本發明的磁共振成像方法是基于圖像域和K空間域迭代的快速磁共振成像技術，該方法沿編碼方向對K空間有規律地采集欠采樣數據，并將采集到的欠采樣數據通過圖像域和K空間域之間的迭代計算得到未采集的K空間數據以獲得最終的圖像。
[0026]參照圖1A-1D示例性地說明跳躍采集獲得的圖像。圖1A和圖1B分別由兩組欠采樣數據重建而來，這兩組數據在編碼方向均以等間隔N = 4跳躍采集，但具有不同的編碼偏移量d。從圖1A和圖1B中可以看出，由于編碼偏移量不同，圖1A和圖1B的對比度明顯不同，這是因為圖中重疊的鬼影具有不同的相位。此時，如果對圖1A和圖1B所示的圖像施以高通濾波，則分別生成圖1C和圖1D中所示的兩個邊緣圖像。由于邊緣圖像是稀疏的，因此有效地減少了圖像內信號的混疊，從而可見這兩個邊緣圖像具有很高的相似性。這種沿編碼方向跳躍間隔為N而偏移量d不同的圖像共有N個。所述N個圖像的稀疏邊緣圖像具有幾乎相等的幅度。這種圖像固有的自然屬性使得本發明的磁共振成像方法只需要采集一組欠采樣數據，便可基于圖像域和K空間域之間的迭代計算外推出其它N-1組數據，從而實現快速的磁共振掃描成像。 [0027]接下來，將詳細說明根據本發明的磁共振成像方法。本發明的磁共振成像方法首先沿指定編碼方向每N行采集一組欠采樣K空間數據，然后基于圖像域和K空間域之間的迭代計算獲得未采集的N-1組K空間數據，從而獲得最終的圖像。
[0028]具體地，根據本發明的磁共振成像方法包括以下步驟:S1:沿著指定編碼方向對K空間進行有規律的欠采樣；和S2:基于圖像域和K空間域通過迭代計算獲得未采集的K空間數據，以獲得磁共振圖像。
[0029]根據本發明的磁共振成像方法具有三種加速方式:僅在相位編碼方向上加速；僅在3D層編碼方向上加速；或者同時在相位編碼和3D層編碼方向上加速。也就是說，在此所述的“指定編碼方向”可以為相位編碼方向或者3D序列層編碼方向。可選地，指定編碼方向也可以同時包括相位編碼方向和3D序列層編碼方向，從而實現相位編碼方向和3D序列層編碼方向上的共同加速。
[0030]欠采樣步驟SI進一步包括以下步驟:S10:沿著指定編碼方向每N行跳躍采集一行的欠采樣K空間數據S (I)，其余數據用O填充；S11:在K空間的中心區域完整采集低頻信息，以獲得中心數據S(C);和S12:生成N-1組K空間數據S (2)，S (3)，…S(N)，分別以相同的跳躍間隔N，不同的編碼偏移量1，2...Ν-1，拷貝采集K空間S(C)對應位置的低頻數據，其它未采集部分全部用O填充。K空間的中心區域為在K空間中心的L行范圍內的區域，其中L為整數。例如，當采集256點的原始數據時，所述中心區域為在K空間中心的8-64行范圍內的區域。
[0031]在步驟SlO和步驟Sll中，部分中心數據是重疊的，K空間S(I)低頻信息直接跳躍拷貝S(C)對應的數據，因此無需重復采集。此外，加速因子可以通過以下公式獲得:f =1/N+L/M-L/M/N，其中f為加速因子，N為跳躍采集的跳躍寬度，L為K空間中心區域完整采樣行數，M為原始編碼方向數據長度。
[0032]迭代計算步驟S2進一步包括以下步驟:S20:將K空間數據S(I)沿指定編碼方向高通濾波，并經過傅氏變換后獲得邊緣增強圖像I (I) ;S21:將N-1組K空間數據S (2)-S (N)中的第η組沿指定編碼方向高通濾波，并經過傅氏變換后獲得混疊圖像I (n) ；S22:將混疊圖像I (η)的幅度替換為當前幅度和邊緣增強圖像I (I)的幅度值的均值；S23:將獲得的混疊圖像Ku)的幅度反傅氏變換為新的K空間數據S(n)' ;S24:利用中心數據S(C)更新K空間S (η)'的中心數據，并在K空間S (η)對應的跳躍間隔處填O ;S25:重復步驟S21-S24，直到所有的N-1組數據都達到收斂狀態為止；和S26:合并所有的N組K空間數據，并對合并后的K空間數據進行高通濾波的逆運算，然后經過傅氏變換獲得最終的磁共振圖像。
[0033]下面，將參照圖2和圖3示例性地說明根據本發明的磁共振成像方法。
[0034]圖2E-2H是通過本發明的HEIGHT方法以256 X 256分辨率對小腿進行掃描和重建的結果圖，其中K空間S(C)所采集的中心數據為64行。圖2E是直接通過簡單傅氏變換重建得到的圖像，可以明顯地看到偽影。作為對比，圖2F是完整K空間中間的圖像。圖2G是相位編碼跳躍間隔N = 4時重建的圖像，此時加速因子為f = 1/4+64/256-64/256/4 =
0.4375，即，相應的掃描時間可以減少至原掃描時間的0.4375倍。圖2H是跳躍間隔加大到N = 8時重建的圖像，此時加速因子為f = 1/8+64/256-64/256/8 = 0.34375，相應的掃描時間僅為原掃描時間的0.34375倍。雖然掃描速度加快了近3倍，卻沒有產生肉眼可見的偽影。
[0035]圖3是在低場0.3T系統的方法驗證實例，以256X256分辨率采集單通道的圖像數據。圖31和圖3L是完整K空間重建的圖像，其中31是3個NEX的FSET2W圖像，掃描時間為4分6秒，3L是2個NEX的SE Tlff圖像，掃描時間為2分24秒。圖3J和圖3M是利用本發明的方法重建的圖像，K空間S(C)所采集的中心行為64行。圖3J消耗的掃描時間為I分47秒，圖3M消耗的掃描時間是I分3秒，掃描速度大幅度提高，并且在圖中看不到明顯的偽影或分辨率的丟失。
[0036]由此可見，根據本發明的磁共振成像方法可以實現單通道掃描加速，利用較少的數據采集量也可以獲得高質量的圖像。對信噪比較低的圖像加速時，該方法仍能表現出良好的穩定性。
[0037]根據本發明的磁共振成像方法也可應用在多通道線圈上，這樣可以更快地提高磁共振的成像速度。本發明的方法不僅能夠快速的掃描，并且在重建過程中，由于緊密的約束條件，不會出現現有的磁共振成像方法的長時間迭代過程，通常在10次以內便可達到收斂，有較快重建速度。
[0038]盡管對本發明的典型實施例進行了說明，但是顯然本領域技術人員可以理解，在不背離本發明的精神和原理的情況下可以進行改變，其范圍在權利要求書以及其等同物中進行了限定。
【權利要求】
1.一種磁共振成像方法，包括以下步驟: S1:沿著指定編碼方向對K空間進行有規律的欠采樣；和 S2:基于圖像域和K空間域通過迭代計算獲得未采集的K空間數據，以獲得磁共振圖像。
2.根據權利要求1所述的磁共振成像方法，其中，所述指定編碼方向為相位編碼方向或者3D序列層編碼方向。
3.根據權利要求1所述的磁共振成像方法，其中，所述指定編碼方向包括相位編碼方向和3D序列層編碼方向，從而實現所述相位編碼方向和所述3D序列層編碼方向上的共同加速。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的磁共振成像方法，其中，所述欠采樣步驟SI包括以下步驟: 510:沿著所述指定編碼方向每N行跳躍采集一行的欠采樣K空間數據S (I)，其余數據用O填充； 511:在K空間的中心區域完整采集低頻信息，以獲得中心數據S(C);和 512:生成N-1組K空間數據S (2)，S (3)，…S (N)，分別以相同的跳躍間隔N，不同的編碼偏移量1，2…N-1，拷 貝采集K空間S(C)對應位置的低頻數據，其它未采集部分全部用O填充。
5.根據權利要求4所述的磁共振成像方法，其中，所述迭代計算步驟S2包括以下步驟: 520:將所述K空間數據S(I)沿所述指定編碼方向高通濾波，并經過傅氏變換后獲得邊緣增強圖像I (I); 521:將所述N-1組K空間數據S(2)-S(N)中的第η組沿所述指定編碼方向高通濾波，并經過傅氏變換后獲得混疊圖像I (η)； 522:將所述混疊圖像I (η)的幅度替換為當前幅度和所述邊緣增強圖像I (I)的幅度值的均值； 523:將獲得的所述混疊圖像I (η)的幅度反傅氏變換為新的K空間數據S(n)'； 524:利用所述中心數據S(C)更新K空間S (η),的中心數據，并在K空間S (η)對應的跳躍間隔處填O ; 525:重復步驟S21-S24，直到所有的N-1組數據都達到收斂狀態為止；和 526:合并所有的N組K空間數據，并對合并后的K空間數據進行高通濾波的逆運算，然后經過傅氏變換獲得最終的磁共振圖像。
6.根據權利要求4所述的磁共振成像方法，其中，所述欠采樣步驟SlO的K空間S(I)低頻信息直接跳躍拷貝S(C)對應的數據，無需重復采集。
7.根據權利要求4所述的磁共振成像方法，其中，所述中心區域為在K空間中心的L行范圍內的區域，其中L為整數。
8.根據權利要求7所述的磁共振成像方法，其中，當采集256點的原始數據時，所述中心區域為在K空間中心的8-64行范圍內的區域。
9.根據權利要求4所述的磁共振成像方法，其中，加速因子通過以下公式獲得: f = 1/N+L/M-L/M/N,其中，f為加速因子，N為跳躍采集的跳躍寬度，L為K空間中心區域完整采樣行數，M為原始編碼方向 數據長度。
【文檔編號】G01R33/561GK103995244SQ201410175413
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】向清三 申請人:包頭市稀寶博為醫療系統有限公司