一種磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法
2023-04-29 23:53:01
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
技術領域：
本發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，屬於磁共振成像技術領域。
背景技術：
磁共振成像(MRI)由於它的無輻射，解析度高，多方位、多參數等優點，目前在臨床上已得到廣泛使用。圖像均勻性是衡量MRI成像系統的關鍵指標。圖像不均勻不僅會直接影響醫生診斷的準確性，同時對圖像自動分割等圖像後處理技術的使用也會產生不良影響。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受到很多因素的影響，比如主磁場的均勻性，射頻發射場的均勻性，梯度場的均勻性，以及接收線圈的敏感度等。在眾多因素中，與相控陣線圈相關的接收線圈敏感度分布是一個主要因素。相控陣線圈就是將多個線性極化線圈或正交線圈組成一個相控陣，每一個組成元素稱為線圈單元。目前，相控陣線圈已經被廣泛使用在MRI設備中，因為它能提供更大的掃描視野，更高的信噪比。特別是使用相控陣線圈的並行成像技術能夠大幅縮短掃描時間，在動態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後的圖像作為最後的重建圖像。然而，由於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域信號強一些；隨著離線圈的距離的增加，信號不斷降低。因此合成圖像會受到與空間位置相關信號的調製，出現不均性。目前， 大量方法可用於相控陣線圈圖像的不均勻性校正，主要有基於後處理濾波的校正算法和基於線圈敏感圖的方法。基於後處理濾波的方法，假定引起圖像不均勻的偏差場信號是隨空間變化的低頻信號，所以當偏差場信號頻率變化較快時，該方法往往會失效，特別是對於結構複雜的人體圖像，這類方法校正效果要差一些；而傳統基於線圈敏感圖的方法，首先需要根據重建圖像得到線圈的敏感圖，再進行一些複雜的後處理，使得圖像重建時間加長。
發明內容
發明目的本發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，其目的在於解決磁共振中使用相控陣線圈作為接收線圈時由於接收信號受到線圈單元與位置相關的敏感度的調製，重建圖像出現不均勻，從而影響醫生診斷和後期圖像自動分割、配準等問題。技術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，其特徵在於該方法按以下步驟進行a、線圈敏感度體數據的計算使用適用於超導磁共振的均勻的大體線圈和成像線圈進行3D序列的低解析度多層預掃描，為了減小空間位置對圖像造成的影響，需要對預掃描數據進行低通濾波，然後利
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用公式&，求得每個線圈單元的敏感度體數據，其中 表示低通濾波，Mi是相控
陣成像線圈第i個單元的重建圖像，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、根據待校正的掃描圖像的位置信息計算其對應的敏感度圖像由於待校正圖像在空間位置上不可能與豕中的圖像完全重合，所以必須根據待校正圖像的位置信息和方位參數，使用3D線性插值算法從敏感度體數據及,中插值出待校正圖像對應的線圈敏感圖譜si;C、使用正則化方法對重建圖像進行均勻性校正使用正則化校正公式/ = (ShWS + JSC)-1 ShWR，可以實行對原始採集圖像R的均勻性校正，其中β是正則參數，C為正則化函數，W為接收線圈的噪聲協方差矩陣；d、在磁共振成像設備的掃描重建模塊中嵌入該算法，對受相控陣線圈單元的敏感度調製而造成的圖像不均勻進行校正。優點及效果本發明為解決磁共振成像中使用相控陣線圈時，成像圖像往往由於受到線圈敏感度的調製而出現不均的現象採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，具有如下優點本發明的新穎之處在於它從相控陣線圈接收信號的原理出發，充分利用磁共振掃描過程中提供的信息。構造了一個合適的代價函數，然後通過最小二乘法最小化該代價函數，得到反映掃描物體真實均勻性的理想圖像。為了抑制噪聲放大提高算法的魯棒性還在代價函數中引入正則函數項。而在正則化函數中又充分利用超導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，把大體線圈的均勻性圖像作為參考圖像。本發明方法計算簡單，與圖像來源的掃描序列類型無關。此外，可以通過正則參數調節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。通過在實際的磁共振掃描設備中使用多種類型相控陣線圈掃描水模和人體，然後使用本發明的方法進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為體線圈的低解析度水模圖像；圖4為成像線圈各單元的低解析度水模圖像；圖5為3D插值示意圖；圖6為本發明方法對均勻水模圖像的校正結果；圖7為圖6中圖像中間行的灰度投影曲線；圖8為SPM軟體對均勻水模圖像的校正結果；圖9為圖8中圖像中間行的灰度投影曲線；圖10為本發明方法和SPM軟體對人體頭部掃描圖像的校正結果比較。
具體實施例方式本發明主要是通過一種全新的方法實現對磁共振成像中因相控陣線圈引起的圖像不均勻進行校正。圖像均勻性是衡量MRI成像系統的關鍵指標。圖像不均勻不僅會直接影響醫生診斷的準確性，同時對圖像自動分割等圖像後處理技術的使用也會產生不良影響。目前，可用於相控陣線圈圖像的不均勻性校正的方法，主要有基於後處理濾波的校正算法和基於線圈敏感圖的方法。基於後處理濾波的方法，假定引起圖像不均勻的偏差場信號是隨空間變化的低頻信號，所以當偏差場信號頻率變化較快時，該方法往往會失效，特別是對於結構複雜的人體圖像，這類方法校正效果要差一些；而傳統基於線圈敏感圖的方法，首先需要根據重建圖像得到線圈的敏感圖，再進行一些複雜的後處理，使得圖像重建時間加長。下面通過實施例對本發明做進一步說明實施例使用四個通道的相控陣頭線圈對充有CuSO4溶液的F23均勻水模在1. 5T MRI 下進行成像，掃描序列是 FSE 序列(TR/TE = 3000/100, ETL = 20，Matrix size = 256X256，FOV = 220mm)，圖1為未使用本發明方法掃描後的不均勻圖像，圖2為該圖像中間行的灰度分布曲線，從圖中看出對於均勻水模得到的圖像出現了較大的不均勻。磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法該發明主要涉及的技術要點有1、線圈敏感度體數據的計算使用均勻的大體線圈(超導磁共振中)和成像線圈分別進行3D序列的低解析度多層預掃描。為提高預掃描速度和減少磁場不均對預掃描圖像的影響，本發明使用的預掃描3D序列使用掃描矩陣為32的自旋迴波序列。是為了減小空間位置對圖像造成的影響， 需要對預掃描數據進行低通濾波。本發明使用漢寧低通濾波器，因為漢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斷偽影。然後利用公式(1)，求得每個線圈單元的敏感度體數據
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^ _ ^ ^rj- 1 Z
(1)其中 表示低通濾波，Mi是相控陣成像線圈第i個單元的重建圖像，B是均勻體線圈的重建圖像。圖3是體線圈的低解析度水模圖像，圖4是用四個線圈單元的相控陣頭線圈得到的低解析度成像線圈圖像。2、根據待校正的掃描圖像的位置信息計算其對應的敏感度圖像通過低解析度的預掃描得到敏感圖體數據後，接下來需要根據待校正某層圖像的位置信息、敏感度體數據的位置信息來得到該層對應的敏感度圖像。實際上就是從已知體數據中插值得到空間任意一點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點所在的立方體的8個頂點的數據，這8個頂點位於已知的體數據上。如圖5中所示。為了提高插值算法的速度，在從體數據中插值得到空間任意一點的值時，本發明將所有計算統一放到體數據所在的坐標系中，即進行從空間坐標系變換到體數據所在坐標系，且把該坐標系原點平移到和物理坐標系的原點重合。假設某層圖像I中的任意一點q在物理坐標系下的坐標(x' ,1' ,ζ')，通過所在層的方向矩陣A，層的中心點坐標(x0，y0， zO)，以及該點在層中的坐標(x，y)計算得到，那麼(x'，1'，ζ' ) = A(x,y,0) + (x0,y0, z0)。而已知構成體數據的低解析度掃描層圖像的方向矩陣為B，於是q點在體數據中的坐標可按公式(8)計算(x〃，y〃，z〃 ) = B_1(x' ,1' , ζ' ) = B^1A(χ, y,0)+B"1 (x0, y0, z0)(8)通過以上算法分別對待校正圖像中的每個點進行計算後，從敏感度體數據豕中插
值出待校正圖像對應的線圈敏感圖譜Si。3、使用正則化方法對重建圖像進行均勻性校正假設在MRI成像過程中，接收線圈是具有η個線圈單元的相控陣線圈，那麼第i個線圈單元獲得的複數圖像中的像素~ WitRi(Xj)可以表示為Ri (Xj) = Si (Xj) I (Xj) +Ni (Xj), i = 1. . . η ;j = 1, . . . , m(2)是I真實圖像，Si是第i個線圈單元的複數敏感度圖，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)]對式(3)，在已知R的情況下，可以利用最小二乘估計的方法來求解I，即最小化式 (4)所示的懲罰加權最小二乘代價函數Ψ (I)來得到I的最優估計/，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，用於控制代價函數中的兩個約束項，L(I)是正則化函數，一般取作L(I) = IHCI，本發明中取C為單位矩陣，W為接收線圈的噪聲協方差矩陣。所以校正圖像f可以按式(6)計算得到I = (SH WS+ PCY1Sh WR(6)。4、在磁共振成像設備的掃描重建模塊中，使用上述正則化校正方法，並通過適當的參數選擇，即可快速得到均勻性很好的圖像。圖6和圖7分別為使用本發明方法對均勻水模校正後的圖像和中間行的灰度投影曲線，圖8和圖9分別為使用國外SPM軟體方法對均勻水模校正後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軟體抬高了圖像邊緣的灰度。使用四個通道的相控陣頭線圈對志願者頭部進行橫斷掃描。使用本發明方法校正後發現頭部圖像中同一組織間的灰度基本達到一致。圖10(a)、(b)和(c)分別是不進行校正的圖像、使用本發明方法校正後的圖像和使用SPM軟體方法校正後的圖像，圖中的矩形為用於測量均值的兩個R0I。選定的兩個ROI內的灰度均值分別為84. 9和85. 8，而校正前分別為73. 2和83. 6。校正前後圖像的熵分別為5. 5462和4. 8420。使用SPM方法校正後的圖像均勻性也得到一定提高，矩形ROI內的灰度均值為72. 8和74. 3，校正後的圖像熵為 5. 0245o但是使用該方法後，圖像邊緣由於線圈單元分布引起的不均勻性並未得到校正，圖 10(c)的箭頭所示位置。相比之下，本發明提出的方法對這些部位的不均勻性校正非常成功。結論本發明涉及一種通過上述的簡便、快速算法對磁共振相控陣線圈採集圖像的不均勻進行校正，在將該算法集成到磁共振成像設備的掃描重建模塊中後，消除了相控陣線圈單元與位置相關的敏感度因子對接收信號調製的影響，得到了均勻的圖像。本發明採用懲罰加權正則化的方法對不均勻圖像進行校正。通過正則化參數可以在校正圖的均勻性和信噪比間折中。而在正則化函數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。在計算敏感度圖像時為了加快計算速度統一坐標繫到敏感圖體數據所在坐標系，並通過各坐標系間的關係，簡化了坐標計算。本發明方法計算簡單，與圖像來源的掃描序列類型無關。通過在實際的磁共振掃描設備中使用多種類型相控陣線圈掃描的大量水模和人體數據測試，採用本發明方法可以大幅度的提高圖像的均勻性。
權利要求
1. 一種磁共振相控陣線圈圖像均勻性的正則化校正方法，其特徵在於該方法按以下步驟進行a、線圈敏感度體數據的計算使用適用於超導磁共振的均勻的大體線圈和成像線圈進行3D序列的低解析度多層預掃描，為了減小空間位置對圖像造成的影響，需要對預掃描數據進行低通濾波，然後利用公式
全文摘要
本發明從磁共振中重建圖像受相控陣線圈單元敏感度調製的原理出發，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行預掃描獲得線圈敏感度，通過引入正則函數來抑制重建圖像的噪聲。同時在超導共振中將大體線圈預掃描圖像作為正則化函數中的參考圖像，獲得了更好的均勻性，而且計算速度非常快，對圖像重建的時間影響非常小。
文檔編號G06T5/00GK102521809SQ20111040626
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者郭紅宇 申請人:瀋陽工業大學