專利名稱：一種磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法，屬于磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁共振成像(MRI)由于它的無(wú)輻射，分辨率高，多方位、多參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，目前在臨床上已得到廣泛使用。圖像均勻性是衡量MRI成像系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。圖像不均勻不僅會(huì)直接影響醫(yī)生診斷的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)圖像自動(dòng)分割等圖像后處理技術(shù)的使用也會(huì)產(chǎn)生不良影響。圖像不均勻是指在圖像中相同組織的不同局部區(qū)域，圖像像素灰度值或其他圖像特性的均值、方差有很大偏差。MRI圖像的均勻性通常會(huì)受到很多因素的影響，比如主磁場(chǎng)的均勻性，射頻發(fā)射場(chǎng)的均勻性，梯度場(chǎng)的均勻性，以及接收線圈的敏感度等。在眾多因素中，與相控陣線圈相關(guān)的接收線圈敏感度分布是一個(gè)主要因素。相控陣線圈就是將多個(gè)線性極化線圈或正交線圈組成一個(gè)相控陣，每一個(gè)組成元素稱為線圈單元。目前，相控陣線圈已經(jīng)被廣泛使用在MRI設(shè)備中，因?yàn)樗芴峁└蟮膾呙枰曇?，更高的信噪比。特別是使用相控陣線圈的并行成像技術(shù)能夠大幅縮短掃描時(shí)間，在動(dòng)態(tài)成像中能有效抑制偽影。相控陣線圈最常用的圖像重建、合成算法是SOS算法，SOS算法是用所有線圈單元圖像的平方和開方后的圖像作為最后的重建圖像。然而，由于組成相控陣線圈的線圈單元的敏感度分布本身是不均勻的，一般在靠近線圈的區(qū)域信號(hào)強(qiáng)一些；隨著離線圈的距離的增加，信號(hào)不斷降低。因此合成圖像會(huì)受到與空間位置相關(guān)信號(hào)的調(diào)制，出現(xiàn)不均性。目前， 大量方法可用于相控陣線圈圖像的不均勻性校正，主要有基于后處理濾波的校正算法和基于線圈敏感圖的方法?；诤筇幚頌V波的方法，假定引起圖像不均勻的偏差場(chǎng)信號(hào)是隨空間變化的低頻信號(hào)，所以當(dāng)偏差場(chǎng)信號(hào)頻率變化較快時(shí)，該方法往往會(huì)失效，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人體圖像，這類方法校正效果要差一些；而傳統(tǒng)基于線圈敏感圖的方法，首先需要根據(jù)重建圖像得到線圈的敏感圖，再進(jìn)行一些復(fù)雜的后處理，使得圖像重建時(shí)間加長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明提供一種磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法，其目的在于解決磁共振中使用相控陣線圈作為接收線圈時(shí)由于接收信號(hào)受到線圈單元與位置相關(guān)的敏感度的調(diào)制，重建圖像出現(xiàn)不均勻，從而影響醫(yī)生診斷和后期圖像自動(dòng)分割、配準(zhǔn)等問(wèn)題。技術(shù)方案一種磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法，其特征在于該方法按以下步驟進(jìn)行a、線圈敏感度體數(shù)據(jù)的計(jì)算使用適用于超導(dǎo)磁共振的均勻的大體線圈和成像線圈進(jìn)行3D序列的低分辨率多層預(yù)掃描，為了減小空間位置對(duì)圖像造成的影響，需要對(duì)預(yù)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，然后利
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用公式&，求得每個(gè)線圈單元的敏感度體數(shù)據(jù)，其中 表示低通濾波，Mi是相控
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陣成像線圈第i個(gè)單元的重建圖像，B是均勻體線圈的重建圖像或成像線圈單元的均方根圖像；b、根據(jù)待校正的掃描圖像的位置信息計(jì)算其對(duì)應(yīng)的敏感度圖像由于待校正圖像在空間位置上不可能與豕中的圖像完全重合，所以必須根據(jù)待校正圖像的位置信息和方位參數(shù)，使用3D線性插值算法從敏感度體數(shù)據(jù)及,中插值出待校正圖像對(duì)應(yīng)的線圈敏感圖譜si;C、使用正則化方法對(duì)重建圖像進(jìn)行均勻性校正使用正則化校正公式/ = (ShWS + JSC)-1 ShWR，可以實(shí)行對(duì)原始采集圖像R的均勻性校正，其中β是正則參數(shù)，C為正則化函數(shù)，W為接收線圈的噪聲協(xié)方差矩陣；d、在磁共振成像設(shè)備的掃描重建模塊中嵌入該算法，對(duì)受相控陣線圈單元的敏感度調(diào)制而造成的圖像不均勻進(jìn)行校正。優(yōu)點(diǎn)及效果本發(fā)明為解決磁共振成像中使用相控陣線圈時(shí)，成像圖像往往由于受到線圈敏感度的調(diào)制而出現(xiàn)不均的現(xiàn)象采用一種全新的磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的新穎之處在于它從相控陣線圈接收信號(hào)的原理出發(fā)，充分利用磁共振掃描過(guò)程中提供的信息。構(gòu)造了一個(gè)合適的代價(jià)函數(shù)，然后通過(guò)最小二乘法最小化該代價(jià)函數(shù)，得到反映掃描物體真實(shí)均勻性的理想圖像。為了抑制噪聲放大提高算法的魯棒性還在代價(jià)函數(shù)中引入正則函數(shù)項(xiàng)。而在正則化函數(shù)中又充分利用超導(dǎo)磁共振中特有的大體線圈能夠提供均勻性非常好的圖像這一特點(diǎn)，把大體線圈的均勻性圖像作為參考圖像。本發(fā)明方法計(jì)算簡(jiǎn)單，與圖像來(lái)源的掃描序列類型無(wú)關(guān)。此外，可以通過(guò)正則參數(shù)調(diào)節(jié)校正圖像的信噪比和均勻性，在較好信噪比下獲得很好的均勻性。通過(guò)在實(shí)際的磁共振掃描設(shè)備中使用多種類型相控陣線圈掃描水模和人體，然后使用本發(fā)明的方法進(jìn)行校正大幅度的提高了圖像的均勻性。


圖1為使用四通道相控制線圈掃描均勻模體得到的不均勻圖像；圖2為圖1中圖像中間行的灰度分布曲線；圖3為體線圈的低分辨率水模圖像；圖4為成像線圈各單元的低分辨率水模圖像；圖5為3D插值示意圖；圖6為本發(fā)明方法對(duì)均勻水模圖像的校正結(jié)果；圖7為圖6中圖像中間行的灰度投影曲線；圖8為SPM軟件對(duì)均勻水模圖像的校正結(jié)果；圖9為圖8中圖像中間行的灰度投影曲線；圖10為本發(fā)明方法和SPM軟件對(duì)人體頭部掃描圖像的校正結(jié)果比較。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明主要是通過(guò)一種全新的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)磁共振成像中因相控陣線圈引起的圖像不均勻進(jìn)行校正。圖像均勻性是衡量MRI成像系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。圖像不均勻不僅會(huì)直接影響醫(yī)生診斷的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)圖像自動(dòng)分割等圖像后處理技術(shù)的使用也會(huì)產(chǎn)生不良影響。目前，可用于相控陣線圈圖像的不均勻性校正的方法，主要有基于后處理濾波的校正算法和基于線圈敏感圖的方法。基于后處理濾波的方法，假定引起圖像不均勻的偏差場(chǎng)信號(hào)是隨空間變化的低頻信號(hào)，所以當(dāng)偏差場(chǎng)信號(hào)頻率變化較快時(shí)，該方法往往會(huì)失效，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人體圖像，這類方法校正效果要差一些；而傳統(tǒng)基于線圈敏感圖的方法，首先需要根據(jù)重建圖像得到線圈的敏感圖，再進(jìn)行一些復(fù)雜的后處理，使得圖像重建時(shí)間加長(zhǎng)。下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施例使用四個(gè)通道的相控陣頭線圈對(duì)充有CuSO4溶液的F23均勻水模在1. 5T MRI 下進(jìn)行成像，掃描序列是 FSE 序列(TR/TE = 3000/100, ETL = 20，Matrix size = 256X256，F(xiàn)OV = 220mm)，圖1為未使用本發(fā)明方法掃描后的不均勻圖像，圖2為該圖像中間行的灰度分布曲線，從圖中看出對(duì)于均勻水模得到的圖像出現(xiàn)了較大的不均勻。磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法該發(fā)明主要涉及的技術(shù)要點(diǎn)有1、線圈敏感度體數(shù)據(jù)的計(jì)算使用均勻的大體線圈(超導(dǎo)磁共振中)和成像線圈分別進(jìn)行3D序列的低分辨率多層預(yù)掃描。為提高預(yù)掃描速度和減少磁場(chǎng)不均對(duì)預(yù)掃描圖像的影響，本發(fā)明使用的預(yù)掃描3D序列使用掃描矩陣為32的自旋回波序列。是為了減小空間位置對(duì)圖像造成的影響， 需要對(duì)預(yù)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波。本發(fā)明使用漢寧低通濾波器，因?yàn)闈h寧低通濾波器具有更寬的主瓣寬度和更小的旁瓣幅度，可以減小濾波圖像的截?cái)鄠斡?。然后利用公?1)，求得每個(gè)線圈單元的敏感度體數(shù)據(jù)
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(1)其中 <> 表示低通濾波，Mi是相控陣成像線圈第i個(gè)單元的重建圖像，B是均勻體線圈的重建圖像。圖3是體線圈的低分辨率水模圖像，圖4是用四個(gè)線圈單元的相控陣頭線圈得到的低分辨率成像線圈圖像。2、根據(jù)待校正的掃描圖像的位置信息計(jì)算其對(duì)應(yīng)的敏感度圖像通過(guò)低分辨率的預(yù)掃描得到敏感圖體數(shù)據(jù)后，接下來(lái)需要根據(jù)待校正某層圖像的位置信息、敏感度體數(shù)據(jù)的位置信息來(lái)得到該層對(duì)應(yīng)的敏感度圖像。實(shí)際上就是從已知體數(shù)據(jù)中插值得到空間任意一點(diǎn)P(x，y，z)的值，所以利用3D線性插值算法公式(7)，很容易得到Vp = V0 (1-x) (1-y) (l_z) +V1 (l_x) y (l_z) +V2 (l_x) (l_y) (l~z) +
V3 (1-x) yz+V4x (1-y) (l_z) +V5xy (l_z) +V6X (1-y) z+V7xyz
(7)
其中Vi (i = 0，1，. .，7)為P點(diǎn)所在的立方體的8個(gè)頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這8個(gè)頂點(diǎn)位于已知的體數(shù)據(jù)上。如圖5中所示。為了提高插值算法的速度，在從體數(shù)據(jù)中插值得到空間任意一點(diǎn)的值時(shí)，本發(fā)明將所有計(jì)算統(tǒng)一放到體數(shù)據(jù)所在的坐標(biāo)系中，即進(jìn)行從空間坐標(biāo)系變換到體數(shù)據(jù)所在坐標(biāo)系，且把該坐標(biāo)系原點(diǎn)平移到和物理坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合。假設(shè)某層圖像I中的任意一點(diǎn)q在物理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x' ,1' ,ζ')，通過(guò)所在層的方向矩陣A，層的中心點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0， zO)，以及該點(diǎn)在層中的坐標(biāo)(x，y)計(jì)算得到，那么(x'，1'，ζ' ) = A(x,y,0) + (x0,y0, z0)。而已知構(gòu)成體數(shù)據(jù)的低分辨率掃描層圖像的方向矩陣為B，于是q點(diǎn)在體數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)可按公式(8)計(jì)算(x〃，y〃，z〃 ) = B_1(x' ,1' , ζ' ) = B^1A(χ, y,0)+B"1 (x0, y0, z0)(8)通過(guò)以上算法分別對(duì)待校正圖像中的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算后，從敏感度體數(shù)據(jù)豕中插
值出待校正圖像對(duì)應(yīng)的線圈敏感圖譜Si。3、使用正則化方法對(duì)重建圖像進(jìn)行均勻性校正假設(shè)在MRI成像過(guò)程中，接收線圈是具有η個(gè)線圈單元的相控陣線圈，那么第i個(gè)線圈單元獲得的復(fù)數(shù)圖像中的像素~ WitRi(Xj)可以表示為Ri (Xj) = Si (Xj) I (Xj) +Ni (Xj), i = 1. . . η ;j = 1, . . . , m(2)是I真實(shí)圖像，Si是第i個(gè)線圈單元的復(fù)數(shù)敏感度圖，Ni是該線圈單元中的加性高斯噪聲。用矩陣形式可以表示為R = SI+N(3)其中，R=[R1, R2, -,RJtjS= [SijS2,…，Sn]T，I = [I (X1)，I (X2)，...，I(xm)]T，S1 = [S1 (X1)，S1 (X2)，...，S1 (Xm) ]，R1 = [R1 (X1)，R1 (X2)，...，R1 (Xm)]對(duì)式(3)，在已知R的情況下，可以利用最小二乘估計(jì)的方法來(lái)求解I，即最小化式 (4)所示的懲罰加權(quán)最小二乘代價(jià)函數(shù)Ψ (I)來(lái)得到I的最優(yōu)估計(jì)/，即如式(5)Ψ (I) = Il R-SI Il W+3L(I) (4)I = arg min Ψ(/)( 5 )其中β是正則參數(shù)，用于控制代價(jià)函數(shù)中的兩個(gè)約束項(xiàng)，L(I)是正則化函數(shù)，一般取作L(I) = IHCI，本發(fā)明中取C為單位矩陣，W為接收線圈的噪聲協(xié)方差矩陣。所以校正圖像f可以按式(6)計(jì)算得到I = (SH WS+ PCY1Sh WR(6)。4、在磁共振成像設(shè)備的掃描重建模塊中，使用上述正則化校正方法，并通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)選擇，即可快速得到均勻性很好的圖像。圖6和圖7分別為使用本發(fā)明方法對(duì)均勻水模校正后的圖像和中間行的灰度投影曲線，圖8和圖9分別為使用國(guó)外SPM軟件方法對(duì)均勻水模校正后的圖像和中間行的灰度投影曲線。從圖中看出圖像非常均勻，整幅圖像灰度一致。而SPM軟件抬高了圖像邊緣的灰度。使用四個(gè)通道的相控陣頭線圈對(duì)志愿者頭部進(jìn)行橫斷掃描。使用本發(fā)明方法校正后發(fā)現(xiàn)頭部圖像中同一組織間的灰度基本達(dá)到一致。圖10(a)、(b)和(c)分別是不進(jìn)行校正的圖像、使用本發(fā)明方法校正后的圖像和使用SPM軟件方法校正后的圖像，圖中的矩形為用于測(cè)量均值的兩個(gè)R0I。選定的兩個(gè)ROI內(nèi)的灰度均值分別為84. 9和85. 8，而校正前分別為73. 2和83. 6。校正前后圖像的熵分別為5. 5462和4. 8420。使用SPM方法校正后的圖像均勻性也得到一定提高，矩形ROI內(nèi)的灰度均值為72. 8和74. 3，校正后的圖像熵為 5. 0245o但是使用該方法后，圖像邊緣由于線圈單元分布引起的不均勻性并未得到校正，圖 10(c)的箭頭所示位置。相比之下，本發(fā)明提出的方法對(duì)這些部位的不均勻性校正非常成功。結(jié)論本發(fā)明涉及一種通過(guò)上述的簡(jiǎn)便、快速算法對(duì)磁共振相控陣線圈采集圖像的不均勻進(jìn)行校正，在將該算法集成到磁共振成像設(shè)備的掃描重建模塊中后，消除了相控陣線圈單元與位置相關(guān)的敏感度因子對(duì)接收信號(hào)調(diào)制的影響，得到了均勻的圖像。本發(fā)明采用懲罰加權(quán)正則化的方法對(duì)不均勻圖像進(jìn)行校正。通過(guò)正則化參數(shù)可以在校正圖的均勻性和信噪比間折中。而在正則化函數(shù)中引入均勻的大體圖像作為參考圖像，使得算法更易收斂，也抑制了噪聲的放大。在計(jì)算敏感度圖像時(shí)為了加快計(jì)算速度統(tǒng)一坐標(biāo)系到敏感圖體數(shù)據(jù)所在坐標(biāo)系，并通過(guò)各坐標(biāo)系間的關(guān)系，簡(jiǎn)化了坐標(biāo)計(jì)算。本發(fā)明方法計(jì)算簡(jiǎn)單，與圖像來(lái)源的掃描序列類型無(wú)關(guān)。通過(guò)在實(shí)際的磁共振掃描設(shè)備中使用多種類型相控陣線圈掃描的大量水模和人體數(shù)據(jù)測(cè)試，采用本發(fā)明方法可以大幅度的提高圖像的均勻性。
權(quán)利要求
1. 一種磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法，其特征在于該方法按以下步驟進(jìn)行a、線圈敏感度體數(shù)據(jù)的計(jì)算使用適用于超導(dǎo)磁共振的均勻的大體線圈和成像線圈進(jìn)行3D序列的低分辨率多層預(yù)掃描，為了減小空間位置對(duì)圖像造成的影響，需要對(duì)預(yù)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，然后利用公式
全文摘要
本發(fā)明從磁共振中重建圖像受相控陣線圈單元敏感度調(diào)制的原理出發(fā)，提出一種磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法，在該方法中利用超導(dǎo)磁共振中敏感度均勻的大體線圈和各相控陣成像線圈通道進(jìn)行預(yù)掃描獲得線圈敏感度，通過(guò)引入正則函數(shù)來(lái)抑制重建圖像的噪聲。同時(shí)在超導(dǎo)共振中將大體線圈預(yù)掃描圖像作為正則化函數(shù)中的參考圖像，獲得了更好的均勻性，而且計(jì)算速度非?？?，對(duì)圖像重建的時(shí)間影響非常小。
文檔編號(hào)G06T5/00GK102521809SQ20111040626
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者郭紅宇 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)