基于壓縮感知的腹部器官動態(tài)對比增強磁共振成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于壓縮感知(CS)優(yōu)化序列的腹部器官動態(tài)對比增強磁共振成像方法，能夠提供高時間分辨率和高信噪比的腹部器官動態(tài)對比增強圖像，屬于磁共振醫(yī)學成像技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]腹部器官疾病，例如慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)已經(jīng)成為全球性公共健康問題，在發(fā)達國家，普通人群的患病率高達6.5%?16%，且發(fā)病率在逐年提高，給全球衛(wèi)生財政帶來了沉重負擔。根據(jù)2012年《中國慢性腎臟病流行病學調(diào)查》結(jié)果顯示，我國成年人群中慢性腎臟病的患病率已經(jīng)高達10.8%，預(yù)計全國現(xiàn)有成年慢性腎臟病患者
1.2 億人。腎小球濾過率(glomerular filtrat1n rate，GFR)和腎灌注量(renal bloodflow, RBF)是反映腎功能最重要的指標，GFR已被國際上認可作為CKD診斷和分期的標準。GFR的下降預(yù)示著重要的腎臟疾病或者隨之而來的腎灌注下降和腎毒性，加速其向終末期腎病發(fā)展，導致腎衰竭，最終形成尿毒癥。因此，改善腹部動態(tài)對比增強磁共振成像的時間分辨率和圖像質(zhì)量，以達到更加準確的臟器功能定量測量，對于腹部器官疾病的臨床診斷及預(yù)后評價具有非常重要的意義。
[0003]在腹部動態(tài)對比增強DCE-MRI成像中，由于三維成像技術(shù)能夠更好的顯示整個腎臟、肝臟等器官的形態(tài)，并提供更多的圖像信息及灌注曲線，從而被臨床廣泛應(yīng)用。目前，在臨床中主要采用三維快速擾相梯度回波3D FSPGR序列結(jié)合并行成像技術(shù)進行動態(tài)對比增強磁共振成像。如圖1所示，快速擾相梯度回波序列相比于臨床常規(guī)的GRE序列，在下一次α脈沖激發(fā)前施加了擾相位梯度(spoiled gradient) 0該擾相位梯度能夠消除由前一次α脈沖激發(fā)后殘留的橫向磁化矢量，避免了圖像出現(xiàn)偽影。工作時，通過設(shè)置在X，y, ζ三個梯度編碼方向上的擾相位梯度場，將殘留的橫向磁化矢量散相，節(jié)省了這些磁化矢量衰減為零的弛豫等待時間；同時，射頻脈沖激發(fā)為小角度激發(fā)(α <20° )，α越小，縱向磁化矢量恢復越快，從而實現(xiàn)了該序列的快速采集(通常不到Is采集一層圖像)，并且圖像對比度得到提高，RF功率沉積降低。然而較小的翻轉(zhuǎn)角α和較短的TR導致圖像Tl權(quán)重較低，因此，臨床上通過注射釓造影劑來縮短組織Tl弛豫，增強圖像Tl權(quán)重，采用該序列采集臟器在增強前、動脈期、排泄期的增強圖像用于臨床診斷，同時將所有動態(tài)對比增強圖像采集得到的時間-信號強度曲線用于臟器功能參數(shù)的定量測量。
[0004]但是，臨床上腹部三維成像為了實現(xiàn)大范圍覆蓋，通常設(shè)定較多層數(shù)(多16層)、小翻轉(zhuǎn)角(α =15° )以及最小的TR和TE值之后，由于3D FSPGR序列在執(zhí)行時相位編碼ky、kz以及頻率編碼kx均為全采樣，序列時間分辨率在10?60秒，使得采集得到的時間-信號強度曲線分辨率低，遠不能滿足功能參數(shù)的精確測量。所以，研究一種既提高時間分辨率又能保證足夠高的空間分辨率的磁共振成像方法是提高腹部器官疾病診斷和精確測量的重要前提。目前，常用的加速技術(shù)是并行成像技術(shù)(parallel imaging)，并行成像技術(shù)首先需要采集一個低分辨率、全傅立葉編碼的參考圖像用于線圈空間敏感性評估，然后采用并行加速的3D FSPGR序列采集并行采樣圖像數(shù)據(jù)，最后結(jié)合相控陣線圈的空間敏感信息與采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)SENSE算法重建出圖像。該序列工作時，由于并行成像在采集時減少了相位編碼方向上k-space米樣點數(shù)(Δ 1^為等間距)，縮短了米集時間，提尚了序列的時間分辨率。然而，并行成像技術(shù)導致圖像信噪比SNR降低，且加速倍數(shù)通常限制在三倍以內(nèi)，加速倍速越高，信噪比越低，阻礙了時間分辨率的進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種既能夠提高時間分辨率又能夠保證足夠高圖像質(zhì)量的基于壓縮感知的腹部器官動態(tài)對比增強磁共振成像方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種基于壓縮感知的腹部器官動態(tài)對比增強磁共振成像方法，包括磁共振成像脈沖序列生成、腹部器官數(shù)據(jù)采樣和圖像重建三部分，具體內(nèi)容為:1)磁共振成像脈沖序列包括三維梯度回波激發(fā)脈沖、空間編碼梯度和信號弛豫序列，下面分別進行說明:1.D三維梯度回波序列的射頻激發(fā)脈沖各參數(shù)設(shè)置；1.2)空間編碼梯度包括層面選擇梯度、相位編碼梯度和頻率編碼梯度，分別對層選相位編碼kz和層內(nèi)相位編碼ky兩個維度進行優(yōu)化，即兩個維度依據(jù)CS理論分別進行亞采樣，頻率編碼方向匕為全采樣，具體實現(xiàn)過程為:①采用蒙特卡洛法獲得滿足獨立同分布的高斯分布二維觀測矩陣，使得該觀測矩陣與稀疏變換矩陣高度不相干，且高斯分布與k-space數(shù)據(jù)分布特點一致對空間編碼梯度進行CS優(yōu)化，具體優(yōu)化過程為:依據(jù)觀測矩陣對ky方向進行隨機編碼，即Aky為隨機的不等間距，kz方向也同時進行隨機編碼，S卩Akz為隨機的不等間距，kx方向進行順序編碼；1.3)信號弛豫序列，即在X、1、ζ三個梯度方向上分別施加擾相位梯度；2)磁共振成像系統(tǒng)基于步驟I)生成的磁共振成像脈沖序列，對腹部器官DCE-MRI掃描各個時相的k-space數(shù)據(jù)進行壓縮采樣獲得時間序列的原始采樣數(shù)據(jù)；3)對原始采樣數(shù)據(jù)進行CS重建，即基于I1范式最小化的非線性算法重建獲得腹部器官的DICOM圖像。
[0007]所述步驟3)對原始采樣數(shù)據(jù)進行CS重建，即基于I1范式最小化的非線性算法重建獲得腹部器官的DICOM圖像，具體過程為:3.1)將原始采樣數(shù)據(jù)解碼得到頻域信號的實部和虛部，重新排列成三維k-space數(shù)據(jù)；3.2)對三維k-space數(shù)據(jù)做zero-filled后，x方向做一維傅立葉變換；3.3)對三維k-space的亞采樣數(shù)據(jù)在y-ζ平面內(nèi)進行基于I1范式最小化的非線性重建得到圖像數(shù)據(jù)，重建公式為:
[0008]minimize λ w φ f ^ λ TVTV (f)
[0009]subject to Fuf-Si |2< ε，
[0010]式中，f為目標圖像數(shù)據(jù)，λ0Ρ λ τν表示φ稀疏表達和有限差分稀疏表達TV之間的權(quán)重，F(xiàn)u表示與亞采樣對應(yīng)的傅立葉變換，S 1表示不同CS加速倍數(shù)采集到的k-space數(shù)據(jù)，ε為閾值；3.4)將圖像數(shù)據(jù)以三維矩陣的形式存儲，x-y平面即為成像層面，ζ方向為選層方向，對每個時相的目標圖像數(shù)據(jù)，以DICOM格式進行重寫恢復得到腹部器官的DICOM圖像。
[0011]所述1.1)三維梯度回波序列的射頻激發(fā)脈沖的各參數(shù)設(shè)置為:激發(fā)角α設(shè)為15°，帶寬設(shè)為125kHz，序列重復時間TR為4.9毫秒，回波時間TE為1.6毫秒。
[0012]所述1.3)信號弛豫序列，即在X，y, ζ三個梯度方向上分別施加擾相位梯度，每個擾相位梯度的爬升率為120mT/m/ms，梯度面積為800mT.ms/m，幅值取系統(tǒng)梯度場強最大值。
[0013]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明包括磁共振成像脈沖序列生成、腹部器官數(shù)據(jù)采樣和圖像重建三部分，磁共振成像脈沖序列包括三維梯度回波激發(fā)脈沖、空間編碼梯度和信號弛豫序列，三維梯度回波激發(fā)脈沖采用小角度激發(fā)縮短了采集時間；CS優(yōu)化后的相位編碼實現(xiàn)了隨機亞采樣，k-space填充點數(shù)顯著減少，提高了序列的時間分辨率并保證了圖像信息不丟失；由于在數(shù)據(jù)采集部分讀梯度之后加入了擾相位梯度，使得信號弛豫時間大大縮短；非線性重建算法能夠?qū)啿蓸拥玫降臄?shù)據(jù)可靠地重建出腹部器官的DICOM圖像，因此重建得到的動態(tài)對比增強圖像可以用于疾病的診斷，以及定量參數(shù)的測量和研究。2、本發(fā)明基于壓縮感知技術(shù)的隨機亞采樣方法對層選相位編碼kz和層內(nèi)相位編碼ky兩個維度進行優(yōu)化，即兩個維度依據(jù)CS理論分別進行亞采樣，因此該序列能夠?qū)崿F(xiàn)2倍、3倍、4倍加速掃描，提高了成像的時間分辨率和圖像信噪比，從而保證了圖像質(zhì)量，使得圖像診斷和功能參數(shù)測量更加準確。3、本發(fā)明在X、y、ζ三個梯度方向上分別施加擾相位梯度，每個擾相位梯度的爬升率為120mT/m/ms，梯度面積為800mT.ms/m,幅值取系統(tǒng)梯度場強最大值，因此該序列有效-縮短了采集時間，呼吸運動偽影得到抑制，更加適用于臨床腹部器官成像。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于腹部器官動態(tài)對比增強磁共振成像中。
【附圖說明】
[0014]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的3D FSPGR序列示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明CS優(yōu)化相位編碼后的3D FSPGR序列示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明CS重建算法示意圖。
【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖來對本發(fā)明進行詳細地描繪。然而應(yīng)當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對本發(fā)明的限制。
[0018]本發(fā)明的基于壓縮感知的腹部器官動態(tài)對比增強磁共振成像方法包括脈沖序列生成、腹部器官數(shù)據(jù)采樣和圖像重建三部分內(nèi)容，具體內(nèi)容為:
[0019]1、如圖2所示，磁共振成像脈沖序列是由一系列預(yù)脈沖、射頻激發(fā)脈沖、空間編碼梯度和信號弛豫等部分組成。本發(fā)明的磁共振成像脈沖序