磁共振成像方法
【专利摘要】本发明提供一种磁共振成像方法，该方法基于图像域和K空间域的迭代计算获得图像。根据本发明的方法包括以下步骤：S1:沿着指定编码方向对K空间进行有规律的欠采样；和S2：基于图像域和K空间域通过迭代计算获得未采集的K空间数据，以获得磁共振图像。本发明的该磁共振成像方法不仅能够用多通道来实现，也可以用单通道来实现，仅采集部分欠采样数据，通过在图像域和K空间域之间进行迭代计算实现快速的磁共振成像，使得图像的采集时间大大缩短，并可获得较高的成像质量。本发明的磁共振成像方法可用于缩短扫描时间，或在同样扫描时间的情况下改善信噪比。
【专利说明】磁共振成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁共振成像技术，更具体地，涉及一种基于图像域和K空间域迭代的快速磁共振成像方法。
【背景技术】
[0002]扫描速度是磁共振成像发展的瓶颈。如何有效地提高磁共振的成像速度一直是研发方面的重点项目。直接提高梯度线圈性能或主磁场强度，需要更高的硬件设备成本，并且受到物理、工程、生理、安全等诸多方面的限制。因此，改进扫描或重建算法等途径越来越受到国内外学者的重视。
[0003]近年来，发展较活跃的快速成像方法主要包括压缩感知、并行成像以及SPEED (Skipped Phase Encoding and Edge Deghosting)方法等。
[0004]压缩感知成像技术突破了香农-奈奎斯特的采样定理关于采样频率必须高于2倍信号带宽的限制，成为近年来研究的热点。虽然压缩感知在理论上能够实现快速成像，但是还有许多实际问题有待解决，例如缺乏稳定的抗噪声稀疏分解算法、图像临床应用的限制及重建时间的考虑等。
[0005]并行成像技术利用线圈的空间敏感度信息，由多个接收线圈同时进行独立采样和编码，节约了空间定位所需梯度编码数目，加快了成像速度。目前主要的并行成像技术有SMASH、GRAPPA及SENSE等。并行成像很大程度上有赖于线圈敏感度的恰当分布和准确估测，面临难以避免的信噪比损失，并且无法实现单通道的扫描加速。
[0006]SPEED算法利用信号的稀疏特性，通过采集若干组有规律跳跃的相位编码数据，利用线性方程逐点解析重建出图像。传统的SPEED方法可以单通道实现磁共振的快速扫描。然而，传统的SPEED方法需要沿相位编码(PE)方向分别采集三组欠采样数据，这三组欠采样数据具有相同的PE间隔和不同的PE偏移量d，通过求解最小二乘误差问题来实现混叠图像的分离。由于多组数据的采集以及逐点的解析计算，在加速效率和成像质量方面仍有待改进。
[0007]因此，需要一种更加有效实用的快速磁共振扫描成像方法。
【发明内容】
[0008]为了解决上述问题，本发明提供一种基于图像域和K空间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]根据本发明的磁共振成像方法包括以下步骤:S1:沿着指定编码方向对K空间进行有规律的欠采样；和S2:基于图像域和K空间域通过迭代计算获得未采集的K空间数据，以获得磁共振图像。
[0010]进一步地，指定编码方向为相位编码方向或者3D序列层编码方向。
[0011]可选地，指定编码方向包括相位编码和3D序列层编码，从而实现相位编码方向和3D序列层编码方向上的共同加速。
[0012]进一步地，欠采样步骤SI包括以下步骤:S10:沿着指定编码方向每N行跳跃采集一行的欠采样K空间数据S(I)，其余数据用O填充；S11:在K空间的中心区域完整采集低频信息，以获得中心数据S(C);和S12:生成N-1组K空间数据S(2)，S(3)，一S(N),分别以相同的跳跃间隔N，不同的编码偏移量1，2…N-1，拷贝采集K空间S(C)对应位置的低频数据，其它未采集部分全部用O填充。
[0013]更进一步地，迭代计算步骤S2包括以下步骤:S20:将K空间数据S(I)沿指定编码方向高通滤波，并经过傅氏变换(Fourier Transform)后获得边缘增强图像I(I) ；S21:将N-1组K空间数据S (2)-S (N)中的第η组沿指定编码方向高通滤波，并经过傅氏变换后获得混叠图像I (η) ;522:将混叠图像1(11)的幅度替换为当前幅度和边缘增强图像I (I)的幅度值的均值；S23:将获得的混叠图像I (η)的幅度反傅氏变换为新的K空间数据S(n)'；S24:利用中心数据S(C)更新K空间S(n)'的中心数据，并在K空间S (η)对应的跳跃间隔处填O ;S25:重复步骤S21-S24，直到所有的N-1组数据都达到收敛状态为止；和S26:合并所有的N组K空间数据，并对合并后的K空间数据进行高通滤波的逆运算，然后经过傅氏变换获得最终的磁共振图像。
[0014]欠采样步骤S20的K空间S(I)低频信息直接跳跃拷贝S(C)对应的数据，无需重复米集。
[0015]中心区域为在K空间中心的L行范围内的区域，L为整数。 [0016]当采集256点的原始数据时，中心区域为在K空间中心的8-64行范围内的区域。
[0017]加速因子通过以下公式获得:f = 1/N+L/M-L/M/N，其中，f为加速因子，N为跳跃采集的跳跃宽度，L为K空间中心区域完整采样行数，M为原始编码方向数据长度。
[0018]根据本发明的该磁共振成像方法不仅能够用多通道来实现，也可以用单通道来实现，仅采集部分欠采样数据，通过在图像域和K空间域之间进行迭代计算实现快速的磁共振成像，从而缩短扫描时间以使图像的采集时间大大缩短，或者在同样扫描时间的情况下改善信噪比，并可获得较高的成像质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]本发明的上述及其它方面和特征将从以下结合附图对实施例的说明清楚呈现，其中:
[0020]图1A和图1B显示沿编码方向以等间隔N = 4跳跃采集的两组欠采样数据重建的图像，其中这两组欠采样数据具有不同的编码偏移量；
[0021]图1C和图1D分别显示对图1A和图1B所示的图像进行高通滤波后获得的边缘增强图像；
[0022]图2E-2H是通过本发明的HEIGHT方法对小腿进行扫描和重建的结果图，其中图2E是显示伪影的通过傅氏变换重建得到的图像，图2F是完整K空间中间的图像，图2G是相位编码跳跃间隔N = 4时重建的图像，以及图2H是跳跃间隔加大到N = 8时重建的图像；以及
[0023]图3是0.3T低场永磁系统通过本发明的HEIGHT方法采集单通道的图像数据的结果图，其中图31和图3L是完整K空间重建的图像，图3J和图3M是通过根据本发明的方法重建的图像。
【具体实施方式】
[0024]下面参照附图详细描述本发明的说明性、非限制性实施例，对根据本发明的磁共振成像方法进行进一步说明。
[0025]根据本发明的磁共振成像方法是基于图像域和K空间域迭代的快速磁共振成像技术，该方法沿编码方向对K空间有规律地采集欠采样数据，并将采集到的欠采样数据通过图像域和K空间域之间的迭代计算得到未采集的K空间数据以获得最终的图像。
[0026]参照图1A-1D示例性地说明跳跃采集获得的图像。图1A和图1B分别由两组欠采样数据重建而来，这两组数据在编码方向均以等间隔N = 4跳跃采集，但具有不同的编码偏移量d。从图1A和图1B中可以看出，由于编码偏移量不同，图1A和图1B的对比度明显不同，这是因为图中重叠的鬼影具有不同的相位。此时，如果对图1A和图1B所示的图像施以高通滤波，则分别生成图1C和图1D中所示的两个边缘图像。由于边缘图像是稀疏的，因此有效地减少了图像内信号的混叠，从而可见这两个边缘图像具有很高的相似性。这种沿编码方向跳跃间隔为N而偏移量d不同的图像共有N个。所述N个图像的稀疏边缘图像具有几乎相等的幅度。这种图像固有的自然属性使得本发明的磁共振成像方法只需要采集一组欠采样数据，便可基于图像域和K空间域之间的迭代计算外推出其它N-1组数据，从而实现快速的磁共振扫描成像。 [0027]接下来，将详细说明根据本发明的磁共振成像方法。本发明的磁共振成像方法首先沿指定编码方向每N行采集一组欠采样K空间数据，然后基于图像域和K空间域之间的迭代计算获得未采集的N-1组K空间数据，从而获得最终的图像。
[0028]具体地，根据本发明的磁共振成像方法包括以下步骤:S1:沿着指定编码方向对K空间进行有规律的欠采样；和S2:基于图像域和K空间域通过迭代计算获得未采集的K空间数据，以获得磁共振图像。
[0029]根据本发明的磁共振成像方法具有三种加速方式:仅在相位编码方向上加速；仅在3D层编码方向上加速；或者同时在相位编码和3D层编码方向上加速。也就是说，在此所述的“指定编码方向”可以为相位编码方向或者3D序列层编码方向。可选地，指定编码方向也可以同时包括相位编码方向和3D序列层编码方向，从而实现相位编码方向和3D序列层编码方向上的共同加速。
[0030]欠采样步骤SI进一步包括以下步骤:S10:沿着指定编码方向每N行跳跃采集一行的欠采样K空间数据S (I)，其余数据用O填充；S11:在K空间的中心区域完整采集低频信息，以获得中心数据S(C);和S12:生成N-1组K空间数据S (2)，S (3)，…S(N)，分别以相同的跳跃间隔N，不同的编码偏移量1，2...Ν-1，拷贝采集K空间S(C)对应位置的低频数据，其它未采集部分全部用O填充。K空间的中心区域为在K空间中心的L行范围内的区域，其中L为整数。例如，当采集256点的原始数据时，所述中心区域为在K空间中心的8-64行范围内的区域。
[0031]在步骤SlO和步骤Sll中，部分中心数据是重叠的，K空间S(I)低频信息直接跳跃拷贝S(C)对应的数据，因此无需重复采集。此外，加速因子可以通过以下公式获得:f =1/N+L/M-L/M/N，其中f为加速因子，N为跳跃采集的跳跃宽度，L为K空间中心区域完整采样行数，M为原始编码方向数据长度。
[0032]迭代计算步骤S2进一步包括以下步骤:S20:将K空间数据S(I)沿指定编码方向高通滤波，并经过傅氏变换后获得边缘增强图像I (I) ;S21:将N-1组K空间数据S (2)-S (N)中的第η组沿指定编码方向高通滤波，并经过傅氏变换后获得混叠图像I (n) ；S22:将混叠图像I (η)的幅度替换为当前幅度和边缘增强图像I (I)的幅度值的均值；S23:将获得的混叠图像Ku)的幅度反傅氏变换为新的K空间数据S(n)' ;S24:利用中心数据S(C)更新K空间S (η)'的中心数据，并在K空间S (η)对应的跳跃间隔处填O ;S25:重复步骤S21-S24，直到所有的N-1组数据都达到收敛状态为止；和S26:合并所有的N组K空间数据，并对合并后的K空间数据进行高通滤波的逆运算，然后经过傅氏变换获得最终的磁共振图像。
[0033]下面，将参照图2和图3示例性地说明根据本发明的磁共振成像方法。
[0034]图2E-2H是通过本发明的HEIGHT方法以256 X 256分辨率对小腿进行扫描和重建的结果图，其中K空间S(C)所采集的中心数据为64行。图2E是直接通过简单傅氏变换重建得到的图像，可以明显地看到伪影。作为对比，图2F是完整K空间中间的图像。图2G是相位编码跳跃间隔N = 4时重建的图像，此时加速因子为f = 1/4+64/256-64/256/4 =
0.4375，即，相应的扫描时间可以减少至原扫描时间的0.4375倍。图2H是跳跃间隔加大到N = 8时重建的图像，此时加速因子为f = 1/8+64/256-64/256/8 = 0.34375，相应的扫描时间仅为原扫描时间的0.34375倍。虽然扫描速度加快了近3倍，却没有产生肉眼可见的伪影。
[0035]图3是在低场0.3T系统的方法验证实例，以256X256分辨率采集单通道的图像数据。图31和图3L是完整K空间重建的图像，其中31是3个NEX的FSET2W图像，扫描时间为4分6秒，3L是2个NEX的SE Tlff图像，扫描时间为2分24秒。图3J和图3M是利用本发明的方法重建的图像，K空间S(C)所采集的中心行为64行。图3J消耗的扫描时间为I分47秒，图3M消耗的扫描时间是I分3秒，扫描速度大幅度提高，并且在图中看不到明显的伪影或分辨率的丢失。
[0036]由此可见，根据本发明的磁共振成像方法可以实现单通道扫描加速，利用较少的数据采集量也可以获得高质量的图像。对信噪比较低的图像加速时，该方法仍能表现出良好的稳定性。
[0037]根据本发明的磁共振成像方法也可应用在多通道线圈上，这样可以更快地提高磁共振的成像速度。本发明的方法不仅能够快速的扫描，并且在重建过程中，由于紧密的约束条件，不会出现现有的磁共振成像方法的长时间迭代过程，通常在10次以内便可达到收敛，有较快重建速度。
[0038]尽管对本发明的典型实施例进行了说明，但是显然本领域技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和原理的情况下可以进行改变，其范围在权利要求书以及其等同物中进行了限定。
【权利要求】
1.一种磁共振成像方法，包括以下步骤: S1:沿着指定编码方向对K空间进行有规律的欠采样；和 S2:基于图像域和K空间域通过迭代计算获得未采集的K空间数据，以获得磁共振图像。
2.根据权利要求1所述的磁共振成像方法，其中，所述指定编码方向为相位编码方向或者3D序列层编码方向。
3.根据权利要求1所述的磁共振成像方法，其中，所述指定编码方向包括相位编码方向和3D序列层编码方向，从而实现所述相位编码方向和所述3D序列层编码方向上的共同加速。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的磁共振成像方法，其中，所述欠采样步骤SI包括以下步骤: 510:沿着所述指定编码方向每N行跳跃采集一行的欠采样K空间数据S (I)，其余数据用O填充； 511:在K空间的中心区域完整采集低频信息，以获得中心数据S(C);和 512:生成N-1组K空间数据S (2)，S (3)，…S (N)，分别以相同的跳跃间隔N，不同的编码偏移量1，2…N-1，拷 贝采集K空间S(C)对应位置的低频数据，其它未采集部分全部用O填充。
5.根据权利要求4所述的磁共振成像方法，其中，所述迭代计算步骤S2包括以下步骤: 520:将所述K空间数据S(I)沿所述指定编码方向高通滤波，并经过傅氏变换后获得边缘增强图像I (I); 521:将所述N-1组K空间数据S(2)-S(N)中的第η组沿所述指定编码方向高通滤波，并经过傅氏变换后获得混叠图像I (η)； 522:将所述混叠图像I (η)的幅度替换为当前幅度和所述边缘增强图像I (I)的幅度值的均值； 523:将获得的所述混叠图像I (η)的幅度反傅氏变换为新的K空间数据S(n)'； 524:利用所述中心数据S(C)更新K空间S (η),的中心数据，并在K空间S (η)对应的跳跃间隔处填O ; 525:重复步骤S21-S24，直到所有的N-1组数据都达到收敛状态为止；和 526:合并所有的N组K空间数据，并对合并后的K空间数据进行高通滤波的逆运算，然后经过傅氏变换获得最终的磁共振图像。
6.根据权利要求4所述的磁共振成像方法，其中，所述欠采样步骤SlO的K空间S(I)低频信息直接跳跃拷贝S(C)对应的数据，无需重复采集。
7.根据权利要求4所述的磁共振成像方法，其中，所述中心区域为在K空间中心的L行范围内的区域，其中L为整数。
8.根据权利要求7所述的磁共振成像方法，其中，当采集256点的原始数据时，所述中心区域为在K空间中心的8-64行范围内的区域。
9.根据权利要求4所述的磁共振成像方法，其中，加速因子通过以下公式获得: f = 1/N+L/M-L/M/N,其中，f为加速因子，N为跳跃采集的跳跃宽度，L为K空间中心区域完整采样行数，M为原始编码方向 数据长度。
【文档编号】G01R33/561GK103995244SQ201410175413
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】向清三 申请人:包头市稀宝博为医疗系统有限公司