專利名稱：一種磁共振成像水脂分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種能夠基于欠采樣方式采集k空間原始數(shù)據(jù)的磁共振成像水脂分離方法。
背景技術(shù)：
在磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)中，由于人體內(nèi)脂肪組織中的氫質(zhì)子和其它組織中的氫質(zhì)子所處的分子環(huán)境不同，使得它們的共振頻率不相同；當(dāng)脂肪和其它組織的氫質(zhì)子同時受到射頻脈沖激勵后，它們的弛豫時間也不一樣。在不同的回波時間采集信號，脂肪組織和非脂肪組織表現(xiàn)出不同的相位以及信號強度。狄克遜(Dixon)法是在磁共振成像中用以產(chǎn)生純水質(zhì)子圖像的方法，其基本原理是分別采集水和脂肪質(zhì)子的同相位(In Phase)和反相位(Out phase)兩種回波信號，兩種不同相位的信號通過運算，各產(chǎn)生一幅純水質(zhì)子的圖像和純脂肪質(zhì)子的圖像，從而在水質(zhì)子圖像上達(dá)到脂肪抑制的目的。本領(lǐng)域具有多種與Dixon法相結(jié)合的k空間數(shù)據(jù)采集方法，例如笛卡爾 (Cartesian)軌跡采集，徑向(radial)或螺旋(spiral)軌跡采集。其中，笛卡爾軌跡采集是指以笛卡爾軌跡來采集k空間數(shù)據(jù)，并利用快速傅立葉變換(FFT)來產(chǎn)生坐標(biāo)空間的圖像，然后根據(jù)所采集的圖像來計算水和脂肪的圖像。單點Dixon法、兩點Dixon法、三點以及多點Dixon法簡單且節(jié)省時間，但是對運動偽影非常敏感，并且自旋回波序列對運動偽影也非常敏感，所以基于笛卡爾軌跡采集的Dixon法所得到的圖像中經(jīng)常存在運動偽影。在徑向或螺旋軌跡采集方法中，k空間數(shù)據(jù)是以非笛卡爾軌跡來采集的，例如徑向軌跡或者螺旋軌跡?；谠摬杉椒ǎ梢栽趫D像域和k空間進行相位校正和化學(xué)位移校正，以避免重建后的圖像模糊。此類方法的優(yōu)點是，運動在重建后的圖像中引入了模糊而不是偽影，這對識別圖像中物體的影響較小，但是采用徑向或螺旋軌跡采集通常會增加重建圖像的計算復(fù)雜度，耗費較多時間。如上所述，笛卡爾軌跡采集方法簡單且節(jié)省時間，但是對剛體運動及脈動等運動非常敏感。徑向或螺旋軌跡采集方法會將運動偽影轉(zhuǎn)化為重建后圖像中的模糊，但是計算復(fù)雜并且耗時嚴(yán)重?？傊?，上述兩類方法都不能消除剛體運動偽影。在一篇與本申請同日遞交的、申請人為西門子邁迪特(深圳)磁共振有限公司、發(fā)明人為翁得河的中國專利申請“一種實現(xiàn)水脂分離的磁共振成像方法”中，公開了一種磁共振成像方法，該方法利用刀鋒偽影校正(BLADE)軌跡采集一幅同相位圖像原始數(shù)據(jù)和兩幅反相位圖像原始數(shù)據(jù)，在重建反相位圖像時利用同相位圖像原始數(shù)據(jù)對所述反相位圖像原始數(shù)據(jù)進行相位校正，從而在計算得到的水和脂肪的圖像中消除了運動偽影。然而，在利用常規(guī)BLADE軌跡采集時，先通過網(wǎng)格化重建方法重建一幅正相位圖像和兩幅反相位圖像，然后進行水脂分離計算。然而，網(wǎng)格化重建方法需要足夠的采樣率 (通常是100%采樣率)來消除條狀偽影，那么就需要較長的掃描時間來采集k空間原始數(shù)據(jù)，使得整個成像時間比較長，降低了磁共振成像設(shè)備的效率。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提出了一種磁共振成像水脂分離方法，用以降低磁共振成像的掃描時間，提高磁共振成像設(shè)備的效率。因此，本發(fā)明提供了一種磁共振成像水脂分離方法，該方法包括磁共振成像設(shè)備采集同相位圖像原始數(shù)據(jù)和反相位圖像原始數(shù)據(jù)；利用罰函數(shù)正則迭代重建方法，根據(jù)一系統(tǒng)矩陣和上述原始數(shù)據(jù)，重建同相位圖像和反相位圖像；根據(jù)所述同相位圖像和反相位圖像計算水和脂肪的圖像。優(yōu)選地，該方法采用欠采樣方式采集原始數(shù)據(jù)。在上述技術(shù)方案中，欠采樣的螺旋軌跡、徑向軌跡、笛卡爾軌跡、或BLADE軌跡采集原始數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，該方法采集一幅同相位圖像的原始數(shù)據(jù)和兩幅反相位圖像的原始數(shù)據(jù)， 并重建一幅同相位圖像和兩幅反相位圖像。在上述技術(shù)方案中，該方法先采集兩個反相位的回波，然后采集一個同相位的回波；或者，先采集一個同相位的回波，然后采集兩個反相位的回波；或者，先采集一個反相位的回波，然后采集一個同相位的回波，再采集另一個反相位的回波。該方法進一步包括根據(jù)采集數(shù)據(jù)時所用的k空間軌跡生成所述系統(tǒng)矩陣。該方法利用如下公式實現(xiàn)所述罰函數(shù)正則迭代重建方法，jc* = argmin - yfLn + A1^1 (χ) + A2R2 (χ) + …+ AnRn (x)|
Vjc ""I其中，χ*表示重建后的圖像，A為系統(tǒng)矩陣，χ為待重建的圖像，y為原始數(shù)據(jù)， I I ILn表示η-范數(shù)算子，folO為罰函數(shù)，λ n為加權(quán)因子，為最小優(yōu)化算子。優(yōu)選地，該方法采用全變分函數(shù)作為罰函數(shù)。優(yōu)選地，該方法使用離散非均勻快速傅立葉變換算法計算Αχ。優(yōu)選地，該方法并行地重建所述同相位圖像和反相位圖像。在上述技術(shù)方案中，該方法進一步對反相位圖像進行相位校正。從上述方案中可以看出，由于本發(fā)明采用罰函數(shù)正則迭代方法重建同相位圖像和反相位圖像，從而不需要100%采樣率的k空間原始數(shù)據(jù)，降低了磁共振成像的掃描時間， 縮短了整個成像時間，提高了磁共振成像設(shè)備的效率。另外，本發(fā)明重建同相位圖像和反相位圖像的過程是獨立的，從而能夠并行地重建同相位圖像和反相位圖像，能夠進一步減少成像的時間，提高磁共振成像設(shè)備的成像效率。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的方法的流程示意圖。圖2A為常規(guī)BLADE軌跡的示意圖，圖2B為本發(fā)明采用的欠采樣BLADE軌跡的示意圖。圖3A和圖;3B為利用三點Dixon法采集反相位圖像原始數(shù)據(jù)和同相位圖像原始數(shù)據(jù)的序列示意圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明提出的一種重建正相位圖像和重建反相位圖像的方法的流程示意圖。圖5為根據(jù)本發(fā)明的方法從正相位圖像和反相位圖像進行水脂分離計算的流程示意圖。圖6A至圖6G為根據(jù)不同方法得到的水和脂肪的圖像。其中，圖6A和圖6D分別為根據(jù)本發(fā)明的方法得到的脂肪圖像和水圖像，圖6B和圖6E分別為根據(jù)常規(guī)網(wǎng)格化重建方法重建得到的脂肪圖像和水圖像，圖6C和圖6F分別為根據(jù)快速自旋回波(TSE)Dixon 序列采集、Dixon法重建得到的脂肪圖像和水圖像，圖6G為標(biāo)準(zhǔn)TSE序列采集、脂肪飽和 (FatSat)技術(shù)得到的水圖像。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下舉實施例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。圖1示例性地給出了本發(fā)明一個實施例的流程示意圖，在該實施例中，采用欠采樣的BLADE軌跡來采集k空間原始數(shù)據(jù)，并且基于三點Dixon法來計算水和脂肪的圖像。然而本發(fā)明不限于上述技術(shù)手段，可以采用其它k空間軌跡來采集原始數(shù)據(jù)，并且可以基于其它算法(例如兩點Dixon法等)來計算水和脂肪的圖像。參見圖1，根據(jù)本發(fā)明實施例的磁共振成像水脂分離方法包括如下步驟步驟101，磁共振成像設(shè)備采集一幅同相位圖像的原始數(shù)據(jù)和兩幅反相位圖像的原始數(shù)據(jù)。為了便于理解，這里以刀鋒偽影校正(BLADE)軌跡采集k空間原始數(shù)據(jù)為例來具體說明本發(fā)明的方案。需要指出的是，本發(fā)明的方法同樣可以適用于其它k空間軌跡，例如螺旋軌跡、徑向軌跡、笛卡爾軌跡等。所述BLADE 技術(shù)，也被稱為螺旋漿(I^ROPELLER，Periodically Rotated OverlappingParallEL Lines with Enhanced Reconstruction)技術(shù)，可參見 James G. Pipe ^i^^;"MotionCorrection With PROPELLER MRI =Application to head motion and free-breathing cardiacimaging" (Magnetic Resonance in Medicine, 42 :963-969, 1999 年 11 月)。常規(guī)BLADE軌跡如圖2A所示，以N (N為正整數(shù)，圖1中N取10)個數(shù)據(jù)帶(strip) 來采集k空間數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)帶沿圓周方向等角度旋轉(zhuǎn)分布，每個數(shù)據(jù)帶包括L(L為正整數(shù)，圖1中L取9)行平行的數(shù)據(jù)線(line)。如圖2A所示，常規(guī)BLADE軌跡采集具有100% 的覆蓋率，那么會需要很長的掃描時間。如圖2B所示，本發(fā)明提供了欠采樣方式的采集手段，以減少采集k空間數(shù)據(jù)的時間。作為示例，圖2B所示的欠采樣BLADE軌跡包括12個數(shù)據(jù)帶，這些數(shù)據(jù)帶之間存在沒有采集數(shù)據(jù)的空隙。圖2B所示的欠采樣BLADE軌跡的覆蓋率為52. 2%，相應(yīng)地，采用圖2B 所示的欠采樣BLADE軌跡與采用圖2A所示的常規(guī)BLADE軌跡相比，掃描時間大約節(jié)省了 52%。除圖2B所示欠采樣BLADE軌跡，根據(jù)本發(fā)明的方法也可以采用其它欠采樣的軌跡來采集k空間數(shù)據(jù)。圖3A和圖;3B示意性給出了三點Dixon法在采集BLADE軌跡中各個數(shù)據(jù)帶時的序列，其中圖3A采集的是反相位圖像的原始數(shù)據(jù)，圖:3B采集的是同相位圖像的原始數(shù)據(jù)。在圖3A和圖;3B中，RF和RO分別表示射頻脈沖和讀出梯度。如圖3A所示，磁共振成像設(shè)備首先發(fā)射一個90度射頻脈沖RF_0，然后再發(fā)射一個 180度重聚相射頻脈沖RF_1。在距離90度射頻脈沖RF_0的回波時間(TE)之后，磁共振成像設(shè)備在讀出梯度方向上施加讀出梯度，分別讀取兩根數(shù)據(jù)線0ut_l和0ut_2。接著再發(fā)射一個180度重聚相射頻脈沖RF_2，得到第二個回波，并在讀出梯度方向上施加讀出梯度，分別讀取兩根數(shù)據(jù)線0ut_3和0ut_4 ；重復(fù)上述操作，直至讀取BLADE軌跡中所有的數(shù)據(jù)線， 得到兩幅反相位圖像的原始數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)線0ut_l、0ut_3、0ut_5……等構(gòu)成一幅反相位圖像的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)線0ut_2、0ut_4、0ut_6……等構(gòu)成另一幅反相位圖像的原始數(shù)據(jù)。如圖;3B所示，磁共振成像設(shè)備首先發(fā)射一個90度射頻脈沖RF_0，然后再發(fā)射一個 180度重聚相射頻脈沖RF_1。在距離90度射頻脈沖RF_0的回波時間(TE)之后，磁共振成像設(shè)備在讀出梯度方向上施加讀出梯度，讀取一根數(shù)據(jù)線In_l。接著再發(fā)射一個180度重聚相射頻脈沖RF_2，得到第二個回波，并在讀出梯度方向上施加讀出梯度，讀取一根數(shù)據(jù)線 In_2 ；重復(fù)上述操作，直至讀取BLADE軌跡中所有的數(shù)據(jù)線，得到一幅同相位圖像的原始數(shù)據(jù)。需要說明的是圖3A和圖:3B只是示意性地給出了一種采集次序，本發(fā)明并不局限于此。例如，根據(jù)本發(fā)明磁共振成像設(shè)備可以先采集一個同相位的回波，然后采集兩個反相位的回波，得到相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)?；蛘撸诓杉瘍蓚€反相位的回波的中間采集一個同相位的回波，在這種方式下，每個重聚相脈沖之后采集三個回波，即，一個同相位回波和兩個反相位回波，得到相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。步驟102，磁共振成像設(shè)備根據(jù)同相位圖像原始數(shù)據(jù)重建同相位圖像，并且根據(jù)反相位圖像原始數(shù)據(jù)重建反相位圖像。即，獨立地重建同相位圖像和反相位圖像，這一點與背景技術(shù)部分描述的中國專利申請不同。本發(fā)明在Dixon水脂分離計算中結(jié)合了罰函數(shù)正則迭代重建方法，該罰函數(shù)正則迭代重建方法是一個優(yōu)化問題，可以表達(dá)為公式(1)。
jc* = argmin ‘ Ax - yfLn + A1R1 (χ) + A2R2 (χ) + ■ · ■ + XnRn (χ) j(1)
Vjc “其中，χ*表示重建后的圖像。A為系統(tǒng)矩陣，可以是線性算子，也可以是非線性算子。本發(fā)明根據(jù)實際k空間軌跡來生成系統(tǒng)矩陣A，例如，在本實施例中根據(jù)步驟101中的欠采樣BLADE軌跡生成該系統(tǒng)矩陣Α。χ為待重建的圖像。y為采集得到的原始數(shù)據(jù)。Illlta 表示η-范數(shù)(例如，2-范數(shù))算子。RnO為罰函數(shù)，由標(biāo)量因子λ η加權(quán)。通?？梢宰杂蛇x擇罰函數(shù)，以滿足重建圖像的需要。在本實施例中，使用全變分(total variation, VT)
函數(shù)作為罰函數(shù)。算子al^Jnin為最小優(yōu)化算子，該算子通過迭代步驟最小化范數(shù)和罰函數(shù)，
Vx
從而求解χ。另外，矩陣運算Ax可以替換為其它數(shù)值函數(shù)，從而可以優(yōu)化算法。在本實施例中，使用離散非均勻快速傅立葉變換(NUFFT)算法，該算法可用MathWorks公司的Matlab 軟件實現(xiàn)。基于上述公式(1)的算法，本發(fā)明優(yōu)選地利用并行計算并行地重建三點Dixon法所需的一幅正相位圖像和兩幅反相位圖像，從而進一步減少了所耗費的時間，提高了成像速度。圖4顯示了本發(fā)明提出的一種重建正相位圖像和重建反相位圖像的方法。以重建反相位圖像為例，如圖4所示，一幅反相位圖像的過程包括如下步驟對反相位圖像原始數(shù)據(jù)進行運動校正，包括旋轉(zhuǎn)校正、平移校正以及縮放校正，從而得到公式(1)中的y。此處引入縮放校正，用來校正某些部位的組織擴張和收縮運動，例如由于呼吸運動引起的腹部運動。與進行上述運動校正的同時，根據(jù)采集數(shù)據(jù)時所用的k空間軌跡，生成系統(tǒng)矩陣A。然后，根據(jù)公式(1)，通過迭代方法求解方程y = Ax，得到反相位圖像χ。由于在上述重建一幅正相位圖像和兩幅反相位圖像時，磁共振成像設(shè)備根據(jù)本發(fā)明可以利用不同的線程來獨立地并行地重建這些圖像，從而能夠進一步降低水脂分離成像所耗費的時間，提高成像速度，提高磁共振成像設(shè)備的效率。步驟103，根據(jù)上面所重建得到的正相位圖像和反相位圖像，計算出水的圖像和脂肪圖像。圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的方法從正相位圖像和反相位圖像進行水脂分離計算的示意圖。經(jīng)過如圖4所示的重建之后，得到兩幅反相位圖像hg_0ut_10和hg_0ut_20和一幅正相位圖像hg_In_l。分別對反相位圖像hg_0ut_10和hg_0ut_20進行相位校正， 以消除磁場不均勻引起的偽影，分別得到校正后的反相位圖像hg_0ut_l和hg_0ut_2。然后利用正相位圖像和反相位圖像hg_0ut_lJmg_0ut_2，根據(jù)公式⑵和(3)計算得到最終的水的圖像hg_Water和脂肪的圖像hg_Fat。Img_ffater = Img_In_l+(Img_0ut_l+Img_0ut_2)/2(2)Img_Fat = Img_In_l-(Img_0ut_l+Img_0ut_2)/2(3)需要注意的是，本發(fā)明并不限于公式(2)和(3)所示的計算方式，也可以根據(jù)具體情況采用其它水脂分離算法。本發(fā)明還比較了通過多種方法得到的水和脂肪圖像。圖6A至圖6G分別顯示了根據(jù)不同方法得到的水和脂肪的圖像。其中，圖6A、圖6B和圖6C為脂肪的圖像，圖6D、圖6E、 圖6F和圖6G為水的圖像。對于圖6A和圖6D，采用了 TSE BLADE Dixon序列欠采樣方式采集k空間原始數(shù)據(jù)，并采用上述全變分函數(shù)作為罰函數(shù)的迭代重建方法。對于圖6B和圖 6E，采用了 TSE BLADE Dixon序列以及常規(guī)的網(wǎng)格化采樣來采集k空間數(shù)據(jù)，并采用常規(guī)的網(wǎng)格化重建方法。對于圖6C和圖6F，采用了笛卡爾軌跡TSE Dixon序列采集k空間原始數(shù)據(jù)，并采用常規(guī)Dixon重建方法。對于圖6G，采用了標(biāo)準(zhǔn)TSE序列采集k空間原始數(shù)據(jù)，并采用脂肪飽和(FatMt)方法重建水的圖像。與其它方法得到的圖像(圖6B、圖6C、圖6E、圖6F、圖6G)相比，可以看出，本發(fā)明的方法正確地分離了水和脂肪的圖像(圖6A和圖6D)。在脂肪圖像中，從圖6B可以看到明顯的條狀偽影，從圖6C可以看到脈動的偽影；在水圖像中，從圖6G也可以看到脈動的偽影。另外，在水圖像中，圖6D比圖6E能夠顯示出更多的細(xì)節(jié)，圖6F和圖6G的結(jié)果與圖6D 的結(jié)果差不多。通過上面的比較可以看出，本發(fā)明的方法不僅能夠大幅減少了掃描時間，而且還保證了水脂分離的質(zhì)量以及圖像的質(zhì)量。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁共振成像水脂分離方法，該方法包括磁共振成像設(shè)備采集同相位圖像原始數(shù)據(jù)和反相位圖像原始數(shù)據(jù)； 利用罰函數(shù)正則迭代重建方法，根據(jù)一系統(tǒng)矩陣和上述原始數(shù)據(jù)，重建同相位圖像和反相位圖像；根據(jù)所述同相位圖像和反相位圖像計算水和脂肪的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法采用欠采樣方式采集原始數(shù)據(jù)；尤其用欠采樣的螺旋軌跡、徑向軌跡、笛卡爾軌跡、或刀鋒偽影校正軌跡采集原始數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法采集一幅同相位圖像的原始數(shù)據(jù)和兩幅反相位圖像的原始數(shù)據(jù)，并重建一幅同相位圖像和兩幅反相位圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，該方法先采集兩個反相位的回波，然后采集一個同相位的回波；或者，先采集一個同相位的回波，然后采集兩個反相位的回波；或者，先采集一個反相位的回波，然后采集一個同相位的回波，再采集另一個反相位的回波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括根據(jù)采集數(shù)據(jù)時所用的k空間軌跡生成所述系統(tǒng)矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法利用如下公式實現(xiàn)所述罰函數(shù)正則迭代重建方法，一 =argmin | 辦-yfLn + 從(x) + A2R2 (χ) + ··· + IllRn ⑵}其中，χ*表示重建后的圖像，A為系統(tǒng)矩陣，χ為待重建的圖像，y為原始數(shù)據(jù)，Il ||^表示η-范數(shù)算子，I^nO為罰函數(shù)，人11為加權(quán)因子，3@:111為最小優(yōu)化算子。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該方法采用全變分函數(shù)作為罰函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該方法使用離散非均勻快速傅立葉變換算法計算Αχ。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的方法，其特征在于，該方法并行地重建所述同相位圖像和反相位圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進一步對反相位圖像進行相位校正。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域，并公開了一種磁共振成像水脂分離方法，該方法包括磁共振成像設(shè)備采集同相位圖像原始數(shù)據(jù)和反相位圖像原始數(shù)據(jù)；利用罰函數(shù)正則迭代重建方法，根據(jù)一系統(tǒng)矩陣和上述原始數(shù)據(jù)，重建同相位圖像和反相位圖像；根據(jù)所述同相位圖像和反相位圖像計算水和脂肪的圖像。由于本發(fā)明采用罰函數(shù)正則迭代方法重建同相位圖像和反相位圖像，從而不需要100％采樣率的k空間原始數(shù)據(jù)，降低了磁共振成像的掃描時間，縮短了整個成像時間，提高了磁共振成像設(shè)備的效率。
文檔編號A61B5/055GK102232830SQ20101016044
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者翁得河, 賀強 申請人:西門子(深圳)磁共振有限公司