一種基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方法
2024-01-26 04:47:15 2
一種基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方法。與現有的相位差成像的梯度勻場技術相比，本發明提出的圖像重建的優化方法通過三次相位差掃描成像獲取初始場圖，採用加入「平滑」和「先驗」勢函數的罰似然估計方法建立場圖數據的罰似然估計函數，並通過優化變換進行函數的最小化，從而獲得最終的場圖。本方法一方面能有效考慮像素點的連續性，抑制噪聲和圖像毛刺；另一方面，先驗勢函數能預估數據的目標形狀，避免優化變換過程走向錯誤的方向，針對較不均勻的磁場引起的圖像畸變和纏繞有很好的校正效果。本方法保證了場圖的完整性、提高了信噪比，使得即使在磁場均勻性極差的條件(如「冷場」等)也能獲得一定的勻場效果。
【專利說明】一種基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及核磁共振波譜儀的梯度勻場技術，更具體涉及一種核磁共振波譜儀上 基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場的方法。
【背景技術】
[0002] 對於現代核磁共振波譜儀來說，靜磁場的均勻性直接影響採集信號的解析度。為 了提高靜磁場的均勻性，大多數的譜儀都會採用一系列通有電流的勻場線圈從而產生特定 的空間磁場來消除靜磁場的不均勻分量（主動勻場）。由於勻場線圈正交設計和空間磁 場分布所具有的複雜性，傳統的手動勻場方式往往需要實驗者過多的人為幹預，繁瑣的操 作和大量寶貴機時的耗費都不利於實驗的順利進行。最早的自動勻場方法出現於1968年 (R. R. Ernst. Measurement and control of magnetic field homogeneity, The review of scientific instruments. 39, 1968, 998-1012)，其通過判斷採樣信號的特性來搜索迭代勻 場。隨著梯度在核磁共振成像中的應用和發展，1994年Zijl首次提出了應用於核磁共振波 譜儀的梯度勻場方法（P.C.M. Van Zijl，S. Sukumar，M. O'Neil Johnson，et al. Optimized shimming for high-resolution NMR using three-dimensional image-based field mapping, Journal of magnetic resonance A. Ill, 1994, 203-207)，由於所米用的梯度回波 脈衝序列能夠測量並擬合靜磁場不均勻性的空間分布，梯度勻場被認為是核磁共振技術中 最直接、有效的自動勻場方法。
[0003] 梯度勻場必須首要獲得靜磁場不均勻性的像（靜磁場場圖）和勻場線圈的單位 電流作用的磁場影響（勻場線圈場圖），能否準確表徵所需的場圖（包括靜磁場場圖和特 定勻場線圈場圖）是梯度勻場是否有效的關鍵。通常的磁場場圖測量方法是，執行兩次梯 度回波脈衝序列採樣，通過計算兩次掃描的相位差和成像回波時間差來擬合場圖的頻率數 據。這種直接通過相位差擬合場圖數據的方式存在兩個問題：1)沒有考慮噪聲的影響。通 常來說，在場圖的擬合計算時，噪聲會被近似忽略，但是實際測量過程中，其是真實存在甚 至是很大的（例如樣品氘含量很弱的情況），這樣往往會使像的質量變差，特別是針對自旋 密度較低的成像區域，容易使得較弱的有用信號埋沒在噪聲中。2)不適用於極差的磁場條 件。傳統的相位差重建算法為了不考慮採樣期間靜磁場空間不均勻性自身對信號產生的 幹擾，因此會在進行梯度勻場前將磁場調整到一個較為均勻的狀態。但是對於極差的條件 (如"冷場"環境等），磁場不均勻性會使得最終擬合的場圖分布不連續、畸變，從而直接影 響勻場效果。
[0004] 隨著磁共振成像技術在醫療中的廣泛應用，對於磁共振信號和圖像質量要求 越來越高，各種針對圖像畸變偽影校正的研究快速發展。2008年，Funai利用成像的像 素點自身具有連續性這一性質校正了噪聲很大的圖像數據（Amanda K.Funai, Jeffrey A. Fessler, Desmond T.B. Yeo, et al.Regularized Field Map Estimation in MRI, IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING. 27, 2008, 1484-1494)，具體做法是多次掃描的 相位差和成像回波時間差來擬合初始圖像，利用罰似然估計（Penalized-Likelihood Estimation)的方法（加入"平滑"的勢函數）抑制噪聲影響，通過優化變換方式 (Optimization Transformation, 0T)來迭代優化並提高圖像的質量。這種方式能有效校正 場圖像素點鄰近區域的不連續性使其平滑，但是當該區域的磁場不均勻過大時，畸變、纏繞 的信號也無法恢復成理想的狀態，有時甚至會使優化變換過程沿著"畸變"點的方向使之更 嚴重。
[0005] 本專利提出一種核磁共振波譜儀上基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方 法，通過三次掃描相位差成像獲取初始場圖，利用罰似然估計的方法，以平滑和先驗函數作 為雙重評價標準來迭代優化場圖數據：一方面"平滑"函數能考慮像素點的連續性，抑制噪 聲和圖像毛刺；另一方面，"先驗"函數能預估數據的目標形狀，避免了優化變換過程走向錯 誤的方向，針對較不均勻的磁場引起的圖像畸變和纏繞有很好的校正效果。採用本正則化 算法重建磁場分布圖像並進行梯度勻場，和常規梯度勻場相比，保證了場圖的完整性、提高 了信噪比，並且獲得了很好的勻場效果。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種磁共振波譜儀上基於正則化磁場分布圖像重建的梯度 勻場方法，為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
[0007] -種基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1、根據需要進行梯度勻場的N個勻場線圈選擇相應的梯度回波脈衝序列；
[0009] 步驟2、對初始化勻場線圈的磁場狀態執行梯度回波脈衝序列採樣，根據回波採樣 數據初始化勻場線圈場圖，並通過正則化磁場分布圖像重建獲得最終的勻場線圈場圖； [0010] 步驟3、對待勻場的磁場狀態執行梯度回波脈衝序列採樣，根據回波採樣數據初始 化待勻場的靜磁場場圖，並通過正則化磁場分布圖像重建獲得最終的靜磁場場圖；
[0011] 步驟4、將步驟2獲得的最終的勻場線圈場圖表示為矩陣A，將步驟3獲得的最終 的靜磁場場圖數據標識為向量b，求解線性方程組Ax = b得到待勻場線圈的電流改變量；
[0012] 步驟5、將計算的勻場線圈電流改變量分別加至各待勻場的勻場線圈電流值上，若 磁場均勻度無改善或是均勻度滿足預定設置的要求，則完成所有勻場；否則將當前N個待 勻場的勻場線圈的電流值作為新的待勻場的N個勻場線圈的電流值返回步驟3。
[0013] 如上所述的步驟2中包括以下步驟：
[0014] 步驟2. 1、初始化N個勻場線圈的電流值Value(j)，j = 1，2, 3. . . N，將初始化通有 勻場線圈電流的磁場狀態設為基礎磁場狀態，即磁場狀態〇,進行梯度回波採樣，獲得成像 回波數據；
[0015] 步驟2. 2、設置所選的各個勻場線圈在採樣過程中的電流變化量Λ Change (j);
[0016] 步驟2. 3、將每個勻場線圈對應電流變化量Λ Change (j)依次疊加在基礎磁場狀 態下對應的勻場線圈上，得到磁場狀態1?N，並進行採樣，得到疊加電流變化量後的成像 回波數據；
[0017] 步驟2. 4、對磁場狀態0?磁場狀態N的成像回波數據進行傅立葉變換，得到各個 磁場狀態下的信號強度和相位：
[0018] 信號強度：（Sl (r，i)，TEJ，（s2 (r，i)，TE2)，（s3 (r，i)，TE3)
[0019] 相位：（φ i (r，i)，TE)，（ Φ 2 (r，i)，TE2)，（ Φ 3 (r，i)，TE3)
[0020] 其中，信號強度Si?s3、相位數據t?Φ3均和回波米樣的時間TEi?TE 3相關 聯；當i = 〇時為基礎磁場採樣得到的信號強度和相位數據，i = 1，2, 3…N時表示依次改 變N個勻場線圈電流值後採樣得到的信號強度和相位數據；r表示計算的有效像素點，r的 個數為N P ;
[0021] 步驟2. 5、將磁場狀態1?N狀態下採樣得到的信號強度和相位數據與磁場狀態0 採樣得到的信號強度和相位數據分別做差，得到表徵每個勻場線圈單獨作用效果的信號強 度y k(r, j)和相位phk(r, j) ;k = 1，2, 3表示單個勻場線圈所對應的三次掃描的成像回波時 間 ΤΕρ TE2 和 TE3 ;
[0022] 步驟2. 6、將步驟2. 5中的獲得的表徵各個勻場線圈單獨作用的相位中的第二次 成像回波時間TE2和第一次成像回波時間TEi對應得到的相位數據ph 2和phi作差，得到成 像的相位差並進行相位解纏
【權利要求】
1. 一種基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方法，其特徵在於，包括以下步驟： 步驟1、根據需要進行梯度勻場的N個勻場線圈選擇相應的梯度回波脈衝序列； 步驟2、對初始化勻場線圈的磁場狀態執行梯度回波脈衝序列採樣，根據回波採樣數據 初始化勻場線圈場圖，並通過正則化磁場分布圖像重建獲得最終的勻場線圈場圖； 步驟3、對待勻場的磁場狀態執行梯度回波脈衝序列採樣，根據回波採樣數據初始化待 勻場的靜磁場場圖，並通過正則化磁場分布圖像重建獲得最終的靜磁場場圖； 步驟4、將步驟2獲得的最終的勻場線圈場圖表示為矩陣A，將步驟3獲得的最終的靜 磁場場圖數據標識為向量b，求解線性方程組Ax = b得到待勻場線圈的電流改變量； 步驟5、將計算的勻場線圈電流改變量分別加至各待勻場的勻場線圈電流值上，若磁場 均勻度無改善或是均勻度滿足預定設置的要求，則完成所有勻場；否則將當前N個待勻場 的勻場線圈的電流值作為新的待勻場的N個勻場線圈的電流值返回步驟3。
2. 根據權利要求1所述的一種基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方法，其特徵 在於，所述的步驟2中包括以下步驟： 步驟2. 1、初始化N個勻場線圈的電流值Value(j)，j = 1，2, 3. . . N，將初始化通有勻場 線圈電流的磁場狀態設為基礎磁場狀態，即磁場狀態0,進行梯度回波採樣，獲得成像回波 數據； 步驟2.2、設置所選的各個勻場線圈在採樣過程中的電流變化量八〇^1^6(」_); 步驟2. 3、將每個勻場線圈對應電流變化量Λ Change (j)依次疊加在基礎磁場狀態下 對應的勻場線圈上，得到磁場狀態1?N，並進行採樣，得到疊加電流變化量後的成像回波 數據； 步驟2. 4、對磁場狀態0?磁場狀態N的成像回波數據進行傅立葉變換，得到各個磁場 狀態下的信號強度和相位： 信號強度：（s! (r，i)，TEJ，（s2 (r，i)，TE2)，（s3 (r，i)，TE3) 相位 "ΦΑ，i)，TEi)，（Φ2(ι·，i)，TE2)，（Φ3(ι·，i)，TE 3) 其中，信號強度Sl?s3、相位數據Φ i?Φ 3均和回波採樣的時間TEi?TE3相關聯；當 i = 0時為基礎磁場採樣得到的信號強度和相位數據，i = 1，2, 3…N時表示依次改變N個 勻場線圈電流值後採樣得到的信號強度和相位數據；r表示計算的有效像素點，r的個數為 NP； 步驟2. 5、將磁場狀態1?N狀態下採樣得到的信號強度和相位數據與磁場狀態0採 樣得到的信號強度和相位數據分別做差，得到表徵每個勻場線圈單獨作用效果的信號強度 yk(r, j)和相位phk(r, j) ;k = 1，2, 3表示單個勻場線圈所對應的三次掃描的成像回波時間 TEpTEjPTEs ; 步驟2. 6、將步驟2. 5中獲得的表徵各個勻場線圈單獨作用的相位中的第二次成像回 波時間TE2和第一次成像回波時間TEi對應得到的相位數據ph2和phi作差，得到成像的相 位差並進行相位解纏 Δ φ21(ι·，j) = unwrap (ph2(r, j)-ph (r, j)); 步驟2.7、根據以下公式初始化各個勻場線圈的場圖（頻率數據）：《^"1(1%」_)= Δ Φ21(γ, jO/aVTE!)； 步驟2.8、建立勻場線圈場圖的罰似然估計函數屯1^(?^"1(1*，」)），然後通過優化 變換的方式最小化罰似然估計函數ψ^ω^πα·，」)）並獲得最終的勻場線圈場圖數據 (〇Z,.(f\j) β
3. 根據權利要求2所述的一種基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方法，其特徵 在於，所述的步驟2. 8中建立罰似然估計函數WPJc〇shim(r，j))包括以下步驟： 步驟2. 8. 1、擬合各勻場線圈場圖的最大似然估計函數Wa(coshim(r，j)); 步驟2. 8. 2、利用二次函數凹凸性質建立場圖數據c〇shim的勢函數，其中勢函數包括平 滑勢函數Rs_th(r, j)和先驗勢函數RpHOT(r, j); 步驟2.8.3、將勻場線圈場圖《^"1〇*，」）的最大似然估計函數與勢函數相加，建立 OshimO"，j)的罰似然估計函數WaOshimO"，j)): ψρι(ω8ωπ(Γ, j)) = Ψ^(ω8ΜΠ (Γ, j)) + a *Rsm〇〇th(r, jO + β ·ΚρΓ?οΓ(Γ, j), j = 1, 2, 3. . . N 其中，α、β為勢函數的係數。
4. 根據權利要求3所述的一種基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方法，其特徵 在於，所述的步驟3包括以下步驟： 步驟3. 1、記錄待勻場的Ν個勻場線圈的電流值CurrValue(j)，將此時通有勻場線圈電 流的磁場狀態設為待勻場的磁場狀態，並獲得採樣數據； 步驟3. 2、對步驟3. 1的採樣數據進行傅立葉變換，獲得表徵待勻場的靜磁場像的信號 強度和相位： 信號強度?（(ybOjrhTEi)，（yb02(r)，TE2)，（yb03(r)，TE 3)) 相位?（(phbOiCrhTEi)，（phb02(r)，TE2)，（phb03(r)，TE 3)) 其中，信號強度ybOi?yb03、相位數據phbOi?phb03均分別和回波採樣的時間TEi? TE3相關聯；r表示計算的有效像素點，r的個數為NP ; 步驟3. 3、將步驟3. 2獲得的第二次成像回波時間TE2和第一次成像回波時間TEi對應 得到的相位數據phb02和phbOi作差，得到成像的相位差並進行相位解纏，通過相位差和時 間差（TE^TEi)相除獲得表徵待勻場的靜磁場場圖的頻率數據
步驟3. 4、建立待勻場的靜磁場場圖《?.,(〃)的罰似然估計函數T".(iy/lb(r))，通過優化變 換的方式最小化罰似然估計函數，獲得最終的靜磁場場圖數據fiC(r) ?>
5. 根據權利要求4所述的一種基於正則化磁場分布圖像重建的梯度勻場方法，其特徵 在於，所述的步驟3. 4中建立罰似然估計函數+?.(%；,(0)包括以下步驟： 步驟3. 4. 1、擬合待勻場的靜磁場場圖氣·)的最大似然估計函數▼?(?%(『))； 步驟3. 4. 2、利用二次函數凹凸性質建立待勻場的靜磁場場圖6?(『)的勢函數,其中勢 函數為平滑勢函數(r); 步驟3. 4. 3、將靜磁場場圖《\0·)的最大似然估計函數與勢函數相加，建立6?(r)的罰 似然估計函數Ψ/ν.(氣(〃))：
其中，氣為勢函數的係數。
【文檔編號】G01R33/3875GK104297709SQ201410605619
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】劉朝陽, 宋侃, 鮑慶嘉, 陳方 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所