一種超快速磁共振水脂分離成像方法與流程

2023-07-20 18:01:12 3

本發明涉及核磁成像技術領域，尤其涉及一種超快速磁共振水脂分離成像方法。

背景技術：

dixon水脂分離成像技術已逐漸代替早期壓脂成像技術成為一種臨床上應用較多的高級磁共振影像診斷手段，對病灶及其周圍組織在脂肪抑制條件下的清晰顯影和脂肪類疾病的確診都具有獨特的價值。相比兩點dixon技術，三點dixon技術有利於準確歸屬在水脂分界處的像素，消除溝邊效應，而這兩種技術在相位正確解纏的基礎上實際上都能精確計算回波的初始φ0和相位誤差φ以排除硬體缺陷和場不均勻效應的幹擾。dixon水脂分離成像技術是利用水和脂肪的化學位移差進行相位編碼以實現不同波譜成份的獨立成像。對於三點dixon成像技術而言，相位編碼包括三個相位，臨床上常用的有(0,π,2π)，(-π,0,π)，甚至(θ0+θ,θ0+2θ,θ0+3θ)；儘管這裡的三個相位在磁共振成像理論上可以任意選擇，但在臨床上需要有利於水脂信號通過某些相位差實現有效分離，同時需要保持較高信噪比，還需要保證圖像數據分析的算法效率足夠高以達到臨床上實時應用要求。三點dixon成像技術的實現主要分為兩種方式：一種是三次掃描分別獲得三張相位編碼的圖像(包括兩張同相圖和一張反相圖)，另一種是通過單次激發三個回波方式實現一次掃描獲得三張相位編碼的圖像，後者比前者在掃描效率上提高了三倍。採用單次激發方式的三點dixon成像技術又可以分為基於梯度回波和基於自旋迴波兩種，前者在臨床上效率更高，相當於基於spgr的t1加權成像的效率，但在腹部成像情況下尤其是對於嬰幼兒和躁動不安的病患掃描速度仍然難以充分滿足臨床診斷需要。並且，目前所用的單次激發方式的三點dixon成像技術以雙極性梯度進行頻率編碼，這要求各方向梯度的強度和線性具有各向同性特徵且沒有渦流場等幹擾，但實際的梯度系統在不同方向會產生不同的零階、線性和高階渦流場以及麥克斯韋場，這使得水脂分離所需的回波信號的相位誤差校正有時會相當複雜並依賴於梯度系統的性能參數。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種即可提高掃描效率或信噪比又能避免梯度極性反轉的三點dixon水脂分離技術。

本發明提供了一種超快速磁共振水脂分離成像方法，包括二維/三維成像序列和數據處理算法執行所必需的磁共振成像系統，該系統由產生均勻磁場的磁體，產生空間編碼梯度的梯度系統，發射射頻脈衝並接受磁共振信號的射頻系統以及臨床操作軟體構成，其特徵在於，所述成像序列和數據處理算法具有臨床掃描加速或圖像信噪比提高功能且可消除場不均勻效應，可產生同相圖、反相圖、水像和脂肪像以及場分布圖δb0和精確的分布圖。

成像序列採用分段式激發方式，每次sinc或slr脈衝激發後採集n組回波，每組三個回波基於化學組分的化學位移差進行相位編碼；頻率編碼梯度由一個預備梯度和一系列等間隔且同極性的梯形梯度構成，分為n組，每組三個梯形梯度，並在相鄰的梯形梯度之間施加一個極性相反且積分面積相等的三角形梯度，每組三個回波信號總是在同極性梯形梯度施加期間採集。

優選的，在快速掃描方案中每次激發產生的n組回波分別進行相位編碼，相位編碼梯度由預備相位編碼梯度gp0和一系列極性相反的三角形相位編碼梯度gδp構成，每個相位編碼梯度gδp的位置對應於緊鄰的同極性梯形梯度的中間位置，gp0進行相位編碼循環，每組三個回波共享每步相位編碼。

優選的，將k空間上下部分均劃分n個區域，npe為所有相位編碼步數dim2的一半，每個區域填充有npe/n條k空間線，設置gδp＝±gp/n，gp0的起始值加上j·gδp，j＝0至n-1，決定相位循環時第j個區域的k空間線的起始位置，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，決定當前k空間線的位置，在外周向中心填充模式下i＝1至npe/n，j＝n-1至0，決定當前k空間線的位置，這裡正號對應k空間上半部，負號對應k空間下半部。

優選的，n組回波，每組三個回波基於化學組分的化學位移差進行相位編碼，三個回波的相位分別可設為φ0，φ0+δφ，φ0+2δφ，其中φ0優選為0，δφ優選為π，這三個回波採集完成後分別構造三個k空間複數矩陣，分別對應於兩優選的，數據處理算法在快速掃描方案中當δτ＝1/δf/2且n＝1時，水像和脂肪像計算如下：

其中，κ＝re(s2)/|s2|，s1表示第一個同相圖、s2表示反相

圖，s3表示第二個同相圖。

優選的，數據處理算法，在快速掃描方案中當δτ＝1/δf/2且n>1時，如果第n組回波填充k空間中心線，即t2*加權情況，則s1、s2和s3可用下式描述：

將s1、s2和s3分別乘以ei·(2n-2)φ、ei·(2n-1)φ和ei·(2n)φ，從而消除場不均勻效應，再通過φ0＝arctan[im(s1)/re(s1)]計算初始相位φ0，再將s1、s2和s3分別乘以從而消除初始相位，然後按權利要求5所述方式計算得到水像和脂肪像。

優選的，數據處理算法，在信噪比增強掃描方案中採用常規方式進行相位編碼和k空間填充，每個掃描層面獲得2n個同相圖和n個反相圖，基於同相圖和反相圖產生的n個水像和n個脂肪像分別進行累加實現信噪比增強，數據處理方式如下：

上式中和分別表示第m組三點dixon回波的第一個同相回波、第一個反相回波和第二個同相回波。

優選的，相位校正方法將和分別乘以ei·(2m-2)φ、ei·(2m-1)φ和ei·(2m)φ，其中通過常用的多項式擬合或區域增長法進行相位解纏，再通過計算初始相位φ0，然後和分別乘以

優選的，對同相圖和反相圖進行相位校正後按下式獲得信噪比增強的水脂分離圖像：

其中κ可基於信噪比最高的反相圖在相位校正後計算為並在n較大情況下將2n個同相圖中每個像素或體素的幅值作為回波時間的函數通過單指數擬合產生精確的二維或三維分布圖。

優選的，二維或三維分布圖，從權利要求7所述的第一個同相圖複數矩陣和第二個同相圖複數矩陣中分別提取像素(i,j)的幅值或這裡m表示dixon回波的組號，並將或按圖5所示序列的回波時間t＝(3m-2)·δτ或3m·δτ依次構成一個數列；其次，將該數列作為t＝(3m-2)·δτ或3m·δτ的函數擬合到獲得值；然後，遍歷同相圖中所有像素，按上述方式獲得它們對應的值並繪製分布圖；同樣，在權利要求7所述的掃描方案中施加一個重聚脈衝後採集m組三點dixon回波，則回波時間是t＝(3m-3)·δτ或(3m-1)·δτ，我們可按同樣方式獲得圖像域複數矩陣和並計算分布圖。

有益效果：上述水脂分離技術可提高掃描效率n倍，同時獲得信噪比增強無場不均勻效應的同相圖、反相圖、水像和脂肪像，還可以獲得場分布圖δb0和精確的分布圖，也可專門用於增強水脂分離圖像信噪或進行薄層掃描，滿足多種種臨床應需要。

附圖說明

圖1為本發明二維水脂分離序列(版本i)。

其中，二維水脂分離序列，序列的起始部分是由基於梯度回波的單次激發三點dxion序列構成，包括n個序列重複單元。gp0是預備相位編碼梯度，gδp是三角形相位編碼梯度，gspoiler是損相梯度，te是回波時間，δτ是回波頂點之間的時間間隔。

圖2為本發明二維水脂分離序列(版本ii)。

其中，二維水脂分離序列，序列的起始部分是由基於自旋迴波的單次激發三點dxion序列構成，包括n個序列重複單元。gp0是預備相位編碼梯度，gδp是三角形相位編碼梯度，gspoiler是損相梯度，te是回波時間，δτ是回波頂點之間的時間間隔。

圖3為本發明三維水脂分離序列(版本i)。

其中，三維水脂分離序列，序列的起始部分是由基於梯度回波的單次激發三點dxion序列構成，包括n個序列重複單元，gp0是預備相位編碼梯度，gδp是三角形相位編碼梯度，gspoiler是損相梯度，te是回波時間，δτ是回波頂點之間的時間間隔。選層方向相位編碼梯度包括相位重聚梯度在內，射頻激發脈衝也可以選用小角度軟脈衝。

圖4為本發明三維水脂分離序列(版本ii)。

其中，三維水脂分離序列，序列的起始部分是由基於自旋迴波的單次激發三點dxion序列構成，包括n個序列重複單元，gp0是預備相位編碼梯度，gδp是三角形相位編碼梯度，gspoiler是損相梯度，te是回波時間，δτ是回波頂點之間的時間間隔。選層方向相位編碼梯度包括相位重聚梯度在內。

圖5為本發明二維水脂分離序列(版本i)

其中，二維水脂分離序列，序列的起始部分是由基於梯度回波的單次激發三點dxion序列構成，包括n個序列重複單元。gspoiler是損相梯度，te是回波時間，δτ是回波頂點之間的時間間隔。

圖6為本發明二維水脂分離序列(版本ii)。

其中，二維水脂分離序列，序列的起始部分是由基於自旋迴波的單次激發三點dxion序列構成，包括n個序列重複單元。gspoiler是損相梯度，te是回波時間，δτ是回波頂點之間的時間間隔。

圖7為本發明工作流程圖。

其中，工作流程圖。ss表示選層梯度方向，ro表示頻率編碼梯度方向，pe表示相位編碼梯度方向，a表示回波幅度衰減比例，n是序列重複單元數或dixon回波組數。在二維成像模式下，dim3設置為1。

具體實施方式

為使本發明解決的技術問題、採用的技術方案和達到的技術效果更加清楚，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部內容。

本發明的一種超快速磁共振水脂分離成像方法，包括成像序列和數據處理算法執行所必需的磁共振成像系統，該系統由產生均勻磁場的磁體，產生三維空間編碼梯度的梯度系統，發射射頻脈衝並接受磁共振信號的射頻系統以及臨床操作軟體構成，其特徵在於，成像序列(見圖1至圖6)採用單次sinc(或slr)脈衝激發和n組回波採集方式，每組三個回波基於化學組分(例如，水和脂肪)的化學位移差進行相位編碼，三個回波的相位分別設為φ0，φ0+δφ，φ0+2·δφ，其中φ0優選為0，δφ優選為π，並配有三個掃描方案和數據處理模塊，其工作流程如圖7所示。對於這些成像序列，選層梯度和選層脈衝用於成像厚塊或層面選擇，其設計方式與常規梯度回波序列一樣，頻率編碼梯度由一個預備梯度和一系列等間隔的梯形梯度構成，並在相鄰的梯形梯度之間施加一個極性相反且積分面積相等的三角形梯度，相位編碼梯度由預備相位編碼梯度gp0和一系列極性相反的三角形相位編碼梯度gδp構成，每個相位編碼梯度gδp的位置對應於相鄰的同極性梯形梯度的中間位置，回波信號總是在同極性梯形梯度施加期間採集。

對於掃描方案(一)，圖1和圖2所示序列均採用快速掃描方式進行分段相位編碼，相位編碼方式和k空間填充方式如下所述：

將k空間上下部分均劃分n個區域，npe為所有相位編碼步數(dim2)的一半，每個區域填充有npe/n條k空間線，每條k空間線的數據點數為3·dim1，其中dim1為頻率編碼數。相位編碼循環次數為npe/n，相位循環時gp0的幅值從零逐步遞增或遞減直到相位編碼梯度最大值±gp的1/n，步進為±gp/npe，且n>1時設置gδp＝±gp/n，gp0的起始值加上j·gδp(j＝0至n-1)決定相位循環時第j個區域的k空間線的起始位置，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)決定當前k空間線的位置，在外周向中心填充模式下(i＝1至npe/n，j＝n-1至0)決定當前k空間線的位置，這裡正號對應k空間上半部，負號對應k空間下半部。每三點dixon序列單元採集一組dixon回波，第一組回波填充中心區域，第二組回波填充緊鄰區域，以此類推，直到k空間填充完。然後，從k空間文件中按單個回波數據點數(dim1)提取第一個同相回波數據、反相回波數據、第二個同相回波數據，分別構建三個k空間數據矩陣，先沿頻率編碼方向分別進行一維逆傅立葉變換，接著沿相位編碼方向分別進行一維逆傅立葉變換得到圖像域三個二維複數數組，每個數組大小均為dim1·2npe。

當回波頂點之間的時間間隔設為δτ＝1/δf/2且n＝1時，第一個同相圖s1、反相圖s2和第二個同相圖s3的數據分析基於下式：

這裡，其中是表觀橫向弛豫時間常數。在n＝1情況下，a可基於前面兩個同相圖的各像素強度測定，即，

通過四象限反正切函數計算通過常用的多項式擬合或區域增長法進行相位解纏，並基於δb0＝φ/(2πγδτ)按實際回波時間計算場分布圖δb0。再將s1、s2和s3分別乘以消除初始相位，並分別乘以1、ei·φ和ei·2φ從而消除場不均勻效應。另外，根據消除相位誤差後的s2計算κ＝re(s2)/|s2|，用於確定水或脂肪像素在交界處的歸屬。

於是，按照下式將水像和脂肪像進行分離並分別累加平均：

當δτ＝1/δf/2且n>1時，只要第一組回波填充k空間中心線(即t1加權情況)，同相圖和反相圖仍可以基於式(1)至式(3)進行數據分析，並基於式(4)和式(5)獲得信噪比增強的水像和脂肪像。

當δτ＝1/δf/2且n>1時，如果第n組回波填充k空間中心線(即t2*加權情況)，則s1、s2和s3可用下式描述：

由上式可得並根據可計算分布圖。通過四象限反正切函數計算並通過常用的多項式擬合或區域增長法進行相位解纏，並基於δb0＝φ/(2πγδτ)按時間回波時間計算獲得場分布圖δb0。將s1、s2和s3分別乘以ei·(2n-2)φ、ei·(2n-1)φ和ei·(2n)φ，從而消除場不均勻效應，再通過φ0＝arctan[im(s1)/re(s1)]計算初始相位φ0，然後s1、s2和s3分別乘以從而消除初始相位。另外，根據消除相位誤差後的s2計算κ＝re(s2)/|s2|，用於確定水或脂肪像素在交界處的歸屬。最後，按照式(4)和式(5)獲得水像和脂肪像。

對於掃描方案(二)，圖1和圖2所示序列均在選層方向增加一個額外的相位編碼梯度並按同樣方式採集信號，如圖3和圖4所示，配套的數據處理模塊在圖像重建時增加一個沿選層方向的一維離散傅立葉變換，然後按同樣方式進行相位校正，最後獲得薄層水脂分離圖像。

對於掃描方案(三)，圖1和圖2所示序列採用常規t1加權成像的相位編碼和k空間填充方式執行，專門用於圖像信噪比增強掃描，如圖5和圖6所示。n個序列重複單元一共採集2n個同相回波和n個反相回波，配套的數據處理模塊通過離散逆傅立葉變換進行圖像重建後仍按同樣方式進行相位校正和水脂分離，詳見下文。並且，在n取較大值(如n>4)且δτ＝1/δf/2情況下，通過下述方式可獲得精確的分布圖：

對於圖5所示序列採集的各組dixon回波，從第一個同相圖複數矩陣和第二個同相圖複數矩陣中分別提取像素(i,j)的幅值或這裡m表示dixon回波的組號，並將或按圖1所示序列的回波時間t＝(3m-2)·δτ或3m·δτ依次構成一個數列；其次，將該數列作為t＝(3m-2)·δτ或3m·δτ的函數擬合到獲得值；然後，遍歷同相圖中所有像素，按上述方式獲得它們對應的值並繪製分布圖。對於圖6所示序列採集的各組dixon回波，回波時間是t＝(3m-3)·δτ或(3m-1)·δτ，我們可按同樣方式獲得分布圖。

實施例1

在1.5t磁共振成像系統上裝載圖1(或圖2)所示序列，並設置參數表，其中dim1＝256，dim2＝192，npe＝96，n＝2，δτ＝2.3ms，tr＝160ms。執行序列並採集t1加權的兩組回波，每組由三個dixon回波構成。k空間上下部分按回波組數劃分兩個區域，區域編號j從1到2，每個區域填充有npe/n＝48條k空間線。

對於k空間上半部填充，設gp為相位編碼梯度最大值的1/2，相位編碼分為npe/n＝48步，循環次數i從1到48，第一組回波填充中心區域，gp0在相位編碼循環時依次取值為(i-1)·gp/96；第j組回波填充周邊第j個區域，相位編碼梯度為(i-1)·gp/96+(j-1)·gδp，其中gδp＝gp/2。對於k空間下半部填充，設gp為相位編碼梯度負最大值的1/2，且符號為負，相位編碼梯度按類似方式處理即可。在部分傅立葉重建情況下，設置npe＝dim2·x％＝115，其中x％＝55％。然後，從k空間文件中按單個回波數據點數(256)提取第一個同相回波數據、第一個反相回波數據、第二個同相回波數據和第二個反相回波數據，分別構造三個二維複數數組，大小均為256×105，沿頻率編碼方向進行一維離散逆傅立葉變換並對反相數據按前述方式進行相位校正，然後一維離散傅立葉變換到空間頻率域後進行部分傅立葉重建，或沿相位編碼方向充零後進行一維離散逆傅立葉變換，從而得到消除相位誤差的同相圖和以及反相圖並由此計算因子κ，最後按式(5)和式(6)獲得水像和脂肪像。所用掃描時間計算為160ms×192×55％/2＝8.4(s)。

實施例2

在0.35t磁共振成像系統上裝載圖5(或圖6)所示序列，並設置參數表，其中dim1＝256，dim2＝192，δτ＝9.8ms，tr＝160ms，並根據t2*加權程度設置n，例如，這裡n＝4。相位編碼循環時4組回波均共享一個相位編碼梯度，如圖5(或圖6)所示，並按常規方式填充k空間，獲得4組三點dixon回波。然後，按下式進行數據處理：

上式中和分別表示第m組三點dixon回波的第一個同相回波、第一個反相回波和第二個同相回波。a可基於前面兩個同相圖的各像素強度測定，即，

另外，計算並通過常用的多項式擬合或區域增長法進行相位解纏。將和分別乘以ei·(2m-2)φ、ei·(2m-1)φ和ei·(2m)φ，再通過計算初始相位φ0，然後和分別乘以另外，因水脂邊界的像素歸屬不依賴於m的選擇，故κ可基於信噪比最高的反相圖在上述相位校正後計算為

然後，按下式獲得信噪比增強的水脂分離圖像：

最後，選取同相圖逐一對這些同相圖中的第一個像素的幅值或按回波時間δτ，3δτ，4δτ，6δτ，7δτ，9δτ，10δτ，12δτ，......，(3n-2)·δτ，3n·δτ排成一個數列，並擬合到下式：

由此獲得第一個像素的值。同樣，對所有其它像素或用類似方式處理並擬合到下式：

由此獲得各像素的值並繪製分布圖。當採用容積掃描方式或在其它場強條件下，以類似方式可獲得三維分布圖。

最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。