一种超快速磁共振水脂分离成像方法与流程

本发明涉及核磁成像技术领域，尤其涉及一种超快速磁共振水脂分离成像方法。

背景技术：

dixon水脂分离成像技术已逐渐代替早期压脂成像技术成为一种临床上应用较多的高级磁共振影像诊断手段，对病灶及其周围组织在脂肪抑制条件下的清晰显影和脂肪类疾病的确诊都具有独特的价值。相比两点dixon技术，三点dixon技术有利于准确归属在水脂分界处的像素，消除沟边效应，而这两种技术在相位正确解缠的基础上实际上都能精确计算回波的初始φ0和相位误差φ以排除硬件缺陷和场不均匀效应的干扰。dixon水脂分离成像技术是利用水和脂肪的化学位移差进行相位编码以实现不同波谱成份的独立成像。对于三点dixon成像技术而言，相位编码包括三个相位，临床上常用的有(0,π,2π)，(-π,0,π)，甚至(θ0+θ,θ0+2θ,θ0+3θ)；尽管这里的三个相位在磁共振成像理论上可以任意选择，但在临床上需要有利于水脂信号通过某些相位差实现有效分离，同时需要保持较高信噪比，还需要保证图像数据分析的算法效率足够高以达到临床上实时应用要求。三点dixon成像技术的实现主要分为两种方式：一种是三次扫描分别获得三张相位编码的图像(包括两张同相图和一张反相图)，另一种是通过单次激发三个回波方式实现一次扫描获得三张相位编码的图像，后者比前者在扫描效率上提高了三倍。采用单次激发方式的三点dixon成像技术又可以分为基于梯度回波和基于自旋回波两种，前者在临床上效率更高，相当于基于spgr的t1加权成像的效率，但在腹部成像情况下尤其是对于婴幼儿和躁动不安的病患扫描速度仍然难以充分满足临床诊断需要。并且，目前所用的单次激发方式的三点dixon成像技术以双极性梯度进行频率编码，这要求各方向梯度的强度和线性具有各向同性特征且没有涡流场等干扰，但实际的梯度系统在不同方向会产生不同的零阶、线性和高阶涡流场以及麦克斯韦场，这使得水脂分离所需的回波信号的相位误差校正有时会相当复杂并依赖于梯度系统的性能参数。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种即可提高扫描效率或信噪比又能避免梯度极性反转的三点dixon水脂分离技术。

本发明提供了一种超快速磁共振水脂分离成像方法，包括二维/三维成像序列和数据处理算法执行所必需的磁共振成像系统，该系统由产生均匀磁场的磁体，产生空间编码梯度的梯度系统，发射射频脉冲并接受磁共振信号的射频系统以及临床操作软件构成，其特征在于，所述成像序列和数据处理算法具有临床扫描加速或图像信噪比提高功能且可消除场不均匀效应，可产生同相图、反相图、水像和脂肪像以及场分布图δb0和精确的分布图。

成像序列采用分段式激发方式，每次sinc或slr脉冲激发后采集n组回波，每组三个回波基于化学组分的化学位移差进行相位编码；频率编码梯度由一个预备梯度和一系列等间隔且同极性的梯形梯度构成，分为n组，每组三个梯形梯度，并在相邻的梯形梯度之间施加一个极性相反且积分面积相等的三角形梯度，每组三个回波信号总是在同极性梯形梯度施加期间采集。

优选的，在快速扫描方案中每次激发产生的n组回波分别进行相位编码，相位编码梯度由预备相位编码梯度gp0和一系列极性相反的三角形相位编码梯度gδp构成，每个相位编码梯度gδp的位置对应于紧邻的同极性梯形梯度的中间位置，gp0进行相位编码循环，每组三个回波共享每步相位编码。

优选的，将k空间上下部分均划分n个区域，npe为所有相位编码步数dim2的一半，每个区域填充有npe/n条k空间线，设置gδp＝±gp/n，gp0的起始值加上j·gδp，j＝0至n-1，决定相位循环时第j个区域的k空间线的起始位置，在中心向外周填充模式下±gp/npe·i+gδp·j，i＝1至npe/n，j＝0至n-1，决定当前k空间线的位置，在外周向中心填充模式下i＝1至npe/n，j＝n-1至0，决定当前k空间线的位置，这里正号对应k空间上半部，负号对应k空间下半部。

优选的，n组回波，每组三个回波基于化学组分的化学位移差进行相位编码，三个回波的相位分别可设为φ0，φ0+δφ，φ0+2δφ，其中φ0优选为0，δφ优选为π，这三个回波采集完成后分别构造三个k空间复数矩阵，分别对应于两优选的，数据处理算法在快速扫描方案中当δτ＝1/δf/2且n＝1时，水像和脂肪像计算如下：

其中，κ＝re(s2)/|s2|，s1表示第一个同相图、s2表示反相

图，s3表示第二个同相图。

优选的，数据处理算法，在快速扫描方案中当δτ＝1/δf/2且n>1时，如果第n组回波填充k空间中心线，即t2*加权情况，则s1、s2和s3可用下式描述：

将s1、s2和s3分别乘以e^i·(2n-2)φ、e^i·(2n-1)φ和e^i·(2n)φ，从而消除场不均匀效应，再通过φ0＝arctan[im(s1)/re(s1)]计算初始相位φ0，再将s1、s2和s3分别乘以从而消除初始相位，然后按权利要求5所述方式计算得到水像和脂肪像。

优选的，数据处理算法，在信噪比增强扫描方案中采用常规方式进行相位编码和k空间填充，每个扫描层面获得2n个同相图和n个反相图，基于同相图和反相图产生的n个水像和n个脂肪像分别进行累加实现信噪比增强，数据处理方式如下：

上式中和分别表示第m组三点dixon回波的第一个同相回波、第一个反相回波和第二个同相回波。

优选的，相位校正方法将和分别乘以e^i·(2m-2)φ、e^i·(2m-1)φ和e^i·(2m)φ，其中通过常用的多项式拟合或区域增长法进行相位解缠，再通过计算初始相位φ0，然后和分别乘以

优选的，对同相图和反相图进行相位校正后按下式获得信噪比增强的水脂分离图像：

其中κ可基于信噪比最高的反相图在相位校正后计算为并在n较大情况下将2n个同相图中每个像素或体素的幅值作为回波时间的函数通过单指数拟合产生精确的二维或三维分布图。

优选的，二维或三维分布图，从权利要求7所述的第一个同相图复数矩阵和第二个同相图复数矩阵中分别提取像素(i,j)的幅值或这里m表示dixon回波的组号，并将或按图5所示序列的回波时间t＝(3m-2)·δτ或3m·δτ依次构成一个数列；其次，将该数列作为t＝(3m-2)·δτ或3m·δτ的函数拟合到获得值；然后，遍历同相图中所有像素，按上述方式获得它们对应的值并绘制分布图；同样，在权利要求7所述的扫描方案中施加一个重聚脉冲后采集m组三点dixon回波，则回波时间是t＝(3m-3)·δτ或(3m-1)·δτ，我们可按同样方式获得图像域复数矩阵和并计算分布图。

有益效果：上述水脂分离技术可提高扫描效率n倍，同时获得信噪比增强无场不均匀效应的同相图、反相图、水像和脂肪像，还可以获得场分布图δb0和精确的分布图，也可专门用于增强水脂分离图像信噪或进行薄层扫描，满足多种种临床应需要。

附图说明

图1为本发明二维水脂分离序列(版本i)。

其中，二维水脂分离序列，序列的起始部分是由基于梯度回波的单次激发三点dxion序列构成，包括n个序列重复单元。gp0是预备相位编码梯度，gδp是三角形相位编码梯度，gspoiler是损相梯度，te是回波时间，δτ是回波顶点之间的时间间隔。

图2为本发明二维水脂分离序列(版本ii)。

其中，二维水脂分离序列，序列的起始部分是由基于自旋回波的单次激发三点dxion序列构成，包括n个序列重复单元。gp0是预备相位编码梯度，gδp是三角形相位编码梯度，gspoiler是损相梯度，te是回波时间，δτ是回波顶点之间的时间间隔。

图3为本发明三维水脂分离序列(版本i)。

其中，三维水脂分离序列，序列的起始部分是由基于梯度回波的单次激发三点dxion序列构成，包括n个序列重复单元，gp0是预备相位编码梯度，gδp是三角形相位编码梯度，gspoiler是损相梯度，te是回波时间，δτ是回波顶点之间的时间间隔。选层方向相位编码梯度包括相位重聚梯度在内，射频激发脉冲也可以选用小角度软脉冲。

图4为本发明三维水脂分离序列(版本ii)。

其中，三维水脂分离序列，序列的起始部分是由基于自旋回波的单次激发三点dxion序列构成，包括n个序列重复单元，gp0是预备相位编码梯度，gδp是三角形相位编码梯度，gspoiler是损相梯度，te是回波时间，δτ是回波顶点之间的时间间隔。选层方向相位编码梯度包括相位重聚梯度在内。

图5为本发明二维水脂分离序列(版本i)

其中，二维水脂分离序列，序列的起始部分是由基于梯度回波的单次激发三点dxion序列构成，包括n个序列重复单元。gspoiler是损相梯度，te是回波时间，δτ是回波顶点之间的时间间隔。

图6为本发明二维水脂分离序列(版本ii)。

其中，二维水脂分离序列，序列的起始部分是由基于自旋回波的单次激发三点dxion序列构成，包括n个序列重复单元。gspoiler是损相梯度，te是回波时间，δτ是回波顶点之间的时间间隔。

图7为本发明工作流程图。

其中，工作流程图。ss表示选层梯度方向，ro表示频率编码梯度方向，pe表示相位编码梯度方向，a表示回波幅度衰减比例，n是序列重复单元数或dixon回波组数。在二维成像模式下，dim3设置为1。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

本发明的一种超快速磁共振水脂分离成像方法，包括成像序列和数据处理算法执行所必需的磁共振成像系统，该系统由产生均匀磁场的磁体，产生三维空间编码梯度的梯度系统，发射射频脉冲并接受磁共振信号的射频系统以及临床操作软件构成，其特征在于，成像序列(见图1至图6)采用单次sinc(或slr)脉冲激发和n组回波采集方式，每组三个回波基于化学组分(例如，水和脂肪)的化学位移差进行相位编码，三个回波的相位分别设为φ0，φ0+δφ，φ0+2·δφ，其中φ0优选为0，δφ优选为π，并配有三个扫描方案和数据处理模块，其工作流程如图7所示。对于这些成像序列，选层梯度和选层脉冲用于成像厚块或层面选择，其设计方式与常规梯度回波序列一样，频率编码梯度由一个预备梯度和一系列等间隔的梯形梯度构成，并在相邻的梯形梯度之间施加一个极性相反且积分面积相等的三角形梯度，相位编码梯度由预备相位编码梯度gp0和一系列极性相反的三角形相位编码梯度gδp构成，每个相位编码梯度gδp的位置对应于相邻的同极性梯形梯度的中间位置，回波信号总是在同极性梯形梯度施加期间采集。

对于扫描方案(一)，图1和图2所示序列均采用快速扫描方式进行分段相位编码，相位编码方式和k空间填充方式如下所述：

将k空间上下部分均划分n个区域，npe为所有相位编码步数(dim2)的一半，每个区域填充有npe/n条k空间线，每条k空间线的数据点数为3·dim1，其中dim1为频率编码数。相位编码循环次数为npe/n，相位循环时gp0的幅值从零逐步递增或递减直到相位编码梯度最大值±gp的1/n，步进为±gp/npe，且n>1时设置gδp＝±gp/n，gp0的起始值加上j·gδp(j＝0至n-1)决定相位循环时第j个区域的k空间线的起始位置，在中心向外周填充模式下±gp/npe·i+gδp·j(i＝1至npe/n，j＝0至n-1)决定当前k空间线的位置，在外周向中心填充模式下(i＝1至npe/n，j＝n-1至0)决定当前k空间线的位置，这里正号对应k空间上半部，负号对应k空间下半部。每三点dixon序列单元采集一组dixon回波，第一组回波填充中心区域，第二组回波填充紧邻区域，以此类推，直到k空间填充完。然后，从k空间文件中按单个回波数据点数(dim1)提取第一个同相回波数据、反相回波数据、第二个同相回波数据，分别构建三个k空间数据矩阵，先沿频率编码方向分别进行一维逆傅立叶变换，接着沿相位编码方向分别进行一维逆傅立叶变换得到图像域三个二维复数数组，每个数组大小均为dim1·2npe。

当回波顶点之间的时间间隔设为δτ＝1/δf/2且n＝1时，第一个同相图s1、反相图s2和第二个同相图s3的数据分析基于下式：

这里，其中是表观横向弛豫时间常数。在n＝1情况下，a可基于前面两个同相图的各像素强度测定，即，

通过四象限反正切函数计算通过常用的多项式拟合或区域增长法进行相位解缠，并基于δb0＝φ/(2πγδτ)按实际回波时间计算场分布图δb0。再将s1、s2和s3分别乘以消除初始相位，并分别乘以1、e^i·φ和e^i·2φ从而消除场不均匀效应。另外，根据消除相位误差后的s2计算κ＝re(s2)/|s2|，用于确定水或脂肪像素在交界处的归属。

于是，按照下式将水像和脂肪像进行分离并分别累加平均：

当δτ＝1/δf/2且n>1时，只要第一组回波填充k空间中心线(即t1加权情况)，同相图和反相图仍可以基于式(1)至式(3)进行数据分析，并基于式(4)和式(5)获得信噪比增强的水像和脂肪像。

当δτ＝1/δf/2且n>1时，如果第n组回波填充k空间中心线(即t2^*加权情况)，则s1、s2和s3可用下式描述：

由上式可得并根据可计算分布图。通过四象限反正切函数计算并通过常用的多项式拟合或区域增长法进行相位解缠，并基于δb0＝φ/(2πγδτ)按时间回波时间计算获得场分布图δb0。将s1、s2和s3分别乘以e^i·(2n-2)φ、e^i·(2n-1)φ和e^i·(2n)φ，从而消除场不均匀效应，再通过φ0＝arctan[im(s1)/re(s1)]计算初始相位φ0，然后s1、s2和s3分别乘以从而消除初始相位。另外，根据消除相位误差后的s2计算κ＝re(s2)/|s2|，用于确定水或脂肪像素在交界处的归属。最后，按照式(4)和式(5)获得水像和脂肪像。

对于扫描方案(二)，图1和图2所示序列均在选层方向增加一个额外的相位编码梯度并按同样方式采集信号，如图3和图4所示，配套的数据处理模块在图像重建时增加一个沿选层方向的一维离散傅立叶变换，然后按同样方式进行相位校正，最后获得薄层水脂分离图像。

对于扫描方案(三)，图1和图2所示序列采用常规t1加权成像的相位编码和k空间填充方式执行，专门用于图像信噪比增强扫描，如图5和图6所示。n个序列重复单元一共采集2n个同相回波和n个反相回波，配套的数据处理模块通过离散逆傅立叶变换进行图像重建后仍按同样方式进行相位校正和水脂分离，详见下文。并且，在n取较大值(如n>4)且δτ＝1/δf/2情况下，通过下述方式可获得精确的分布图：

对于图5所示序列采集的各组dixon回波，从第一个同相图复数矩阵和第二个同相图复数矩阵中分别提取像素(i,j)的幅值或这里m表示dixon回波的组号，并将或按图1所示序列的回波时间t＝(3m-2)·δτ或3m·δτ依次构成一个数列；其次，将该数列作为t＝(3m-2)·δτ或3m·δτ的函数拟合到获得值；然后，遍历同相图中所有像素，按上述方式获得它们对应的值并绘制分布图。对于图6所示序列采集的各组dixon回波，回波时间是t＝(3m-3)·δτ或(3m-1)·δτ，我们可按同样方式获得分布图。

实施例1

在1.5t磁共振成像系统上装载图1(或图2)所示序列，并设置参数表，其中dim1＝256，dim2＝192，npe＝96，n＝2，δτ＝2.3ms，tr＝160ms。执行序列并采集t1加权的两组回波，每组由三个dixon回波构成。k空间上下部分按回波组数划分两个区域，区域编号j从1到2，每个区域填充有npe/n＝48条k空间线。

对于k空间上半部填充，设gp为相位编码梯度最大值的1/2，相位编码分为npe/n＝48步，循环次数i从1到48，第一组回波填充中心区域，gp0在相位编码循环时依次取值为(i-1)·gp/96；第j组回波填充周边第j个区域，相位编码梯度为(i-1)·gp/96+(j-1)·gδp，其中gδp＝gp/2。对于k空间下半部填充，设gp为相位编码梯度负最大值的1/2，且符号为负，相位编码梯度按类似方式处理即可。在部分傅立叶重建情况下，设置npe＝dim2·x％＝115，其中x％＝55％。然后，从k空间文件中按单个回波数据点数(256)提取第一个同相回波数据、第一个反相回波数据、第二个同相回波数据和第二个反相回波数据，分别构造三个二维复数数组，大小均为256×105，沿频率编码方向进行一维离散逆傅立叶变换并对反相数据按前述方式进行相位校正，然后一维离散傅立叶变换到空间频率域后进行部分傅立叶重建，或沿相位编码方向充零后进行一维离散逆傅立叶变换，从而得到消除相位误差的同相图和以及反相图并由此计算因子κ，最后按式(5)和式(6)获得水像和脂肪像。所用扫描时间计算为160ms×192×55％/2＝8.4(s)。

实施例2

在0.35t磁共振成像系统上装载图5(或图6)所示序列，并设置参数表，其中dim1＝256，dim2＝192，δτ＝9.8ms，tr＝160ms，并根据t2^*加权程度设置n，例如，这里n＝4。相位编码循环时4组回波均共享一个相位编码梯度，如图5(或图6)所示，并按常规方式填充k空间，获得4组三点dixon回波。然后，按下式进行数据处理：

上式中和分别表示第m组三点dixon回波的第一个同相回波、第一个反相回波和第二个同相回波。a可基于前面两个同相图的各像素强度测定，即，

另外，计算并通过常用的多项式拟合或区域增长法进行相位解缠。将和分别乘以e^i·(2m-2)φ、e^i·(2m-1)φ和e^i·(2m)φ，再通过计算初始相位φ0，然后和分别乘以另外，因水脂边界的像素归属不依赖于m的选择，故κ可基于信噪比最高的反相图在上述相位校正后计算为

然后，按下式获得信噪比增强的水脂分离图像：

最后，选取同相图逐一对这些同相图中的第一个像素的幅值或按回波时间δτ，3δτ，4δτ，6δτ，7δτ，9δτ，10δτ，12δτ，......，(3n-2)·δτ，3n·δτ排成一个数列，并拟合到下式：

由此获得第一个像素的值。同样，对所有其它像素或用类似方式处理并拟合到下式：

由此获得各像素的值并绘制分布图。当采用容积扫描方式或在其它场强条件下，以类似方式可获得三维分布图。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。