基于鄰域共享壓縮感知的動(dòng)態(tài)對比增強(qiáng)磁共振快速成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種集成壓縮感知（compressed sensing, CS)技術(shù)的鄰域共享（view sharing)K空間采樣軌跡優(yōu)化采集方法，屬于磁共振醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，能夠提供高時(shí)間分 辨率和高信噪比的臟器動(dòng)態(tài)對比增強(qiáng)（DCE-MRI)圖像，可以用于腹部臟器等的疾病診斷、 功能參數(shù)定量測量和預(yù)后評價(jià)等。
【背景技術(shù)】
[0002] 慢性腎臟病和肝癌已經(jīng)成為全球性公共健康問題，在發(fā)達(dá)國家，普通人群的慢性 腎病患病率高達(dá)6. 5 %~16 %，給全球衛(wèi)生財(cái)政帶來了沉重負(fù)擔(dān)。根據(jù)2012年一項(xiàng)《中國慢 性腎臟病流行病學(xué)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(dá)10. 8%， 預(yù)計(jì)全國現(xiàn)有成年慢性腎臟病患者1. 2億人。此外，發(fā)達(dá)國家普通人群的肝癌發(fā)病率高達(dá) ASR 2. 7~8. 6,且發(fā)病率在逐年提高，患者死亡率高達(dá)ASR 2. 5~7.1。肝癌已經(jīng)成為世界 范圍內(nèi)男性癌癥致死的第二大疾病，僅2012年全球新增肝癌患者78萬，死亡74萬，其中， 中國肝癌患病人數(shù)和死亡人數(shù)約占到50%。腹部臨床診斷中，基于磁共振成像技術(shù)的動(dòng)態(tài) 對比增強(qiáng)檢查是診斷腎臟疾病和肝臟疾病的有效手段。因此，改善腹部動(dòng)態(tài)對比增強(qiáng)磁共 振成像的時(shí)間分辨率和圖像質(zhì)量，以達(dá)到更加準(zhǔn)確的臟器功能定量測量，對于腹部臟器疾 病的臨床診斷及預(yù)后評價(jià)具有非常重要的意義。
[0003] 在腹部動(dòng)態(tài)對比增強(qiáng)DCE-MRI成像中，由于三維成像技術(shù)能夠更好的顯示整個(gè)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序列以及三維隨機(jī)軌跡時(shí)間分辨TWIST 序列進(jìn)行腹部動(dòng)態(tài)對比增強(qiáng)磁共振成像。
[0004] 三維快速擾相梯度回波3D FSPGR序列采用小角度射頻脈沖激發(fā)信號，然后進(jìn)行相 位編碼采集信號，最后在梯度編碼方向上加入擾相位梯度將殘留的橫向磁化矢量散相，以 縮短序列采集時(shí)間。3D FSPGR序列通常需要結(jié)合并行成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)較快的腹部動(dòng)態(tài)對比 增強(qiáng)掃描，臨床上由于腹部成像覆蓋范圍大，相位編碼步數(shù)多，成像時(shí)間分辨率受到很大限 制。
[0005] TWIST序列采用鄰域共享（view sharing)的三維偽隨機(jī)軌跡序列，數(shù)據(jù)采集時(shí)K 空間中心區(qū)域（A)進(jìn)行密集采樣而外周區(qū)域（B)進(jìn)行亞采樣，并在數(shù)據(jù)重建時(shí)將相鄰K空 間數(shù)據(jù)進(jìn)行合并共享（view-shared)重建，從而縮短每一幀圖像的采集時(shí)間。在三維K空 間中，TWIST采樣機(jī)制在相位編碼梯度k y和層選相位編碼梯度k z上執(zhí)行，采用極坐標(biāo)方式 表達(dá)，采樣軌跡隨著輻射半徑I以及方位角Θ (〇〈 Θ〈2 π )增加逐漸向外周進(jìn)行，設(shè)定一個(gè) 輻射半徑的閾值k。，在閾值k。之內(nèi)K空間密集采樣，k。之外K空間偽隨機(jī)亞采樣。K空間外 周亞采樣方式首先將外周K空間區(qū)域B隨機(jī)分成相互不重疊的N個(gè)子集B 1Q = Ρ··Ν)，在 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先采集一個(gè)K空間點(diǎn)為全采樣的數(shù)據(jù)集#0,然后依次采集A，B1, A，B2, A，B1…區(qū)域數(shù)據(jù)點(diǎn)獲得#1，#2, #3, #4, #5, #6…數(shù)據(jù)集。在重建時(shí)，將奇數(shù)次采集的#1，#3 和#5前后兩個(gè)偶數(shù)K空間數(shù)據(jù)集合并到當(dāng)前數(shù)據(jù)集，組合成一個(gè)完整的全采樣K空間進(jìn)行 圖像重建，如圖1所示。所以，TWIST重建圖像的圖像幀率取決于區(qū)域A采集的幀數(shù)。
[0006] 但是，臨床上腹部三維成像時(shí)為了實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋并獲得足夠高分辨率的增強(qiáng)圖 像，通常設(shè)定較多層數(shù)（彡32層）、較大采樣矩陣（相位編碼k y> 128,頻率編碼k 128) 和多次激發(fā)（Nex多1)，序列時(shí)間分辨率在10~60秒之間，使得采集得到的時(shí)間-信號強(qiáng) 度曲線分辨率低，遠(yuǎn)不能滿足功能參數(shù)的精確測量，或者以犧牲空間分辨率來進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo) 致圖像空間分辨率下降。臨床3D FSPGR序列掃描是全采樣方式，通常需要結(jié)合并行成像技 術(shù)（parallel imaging)進(jìn)行圖像信號采集，然而，并行成像技術(shù)導(dǎo)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(shí)間分辨率的進(jìn)一步 提高。另一方面，TWIST序列掃描方式是間隔采樣K空間中心區(qū)域和外周區(qū)域，重建過程中 需要將相鄰K空間數(shù)據(jù)集進(jìn)行合并，保證了圖像較高的空間分辨率，但是使得圖像幀率降 低，限制了其時(shí)間分辨率的提高。所以，研究一種既提高時(shí)間分辨率又能保證足夠高的空間 分辨率的磁共振快速成像方法是提高疾病診斷和功能參數(shù)精確測量的重要前提。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述問題，本發(fā)明提出了一種將壓縮感知技術(shù)集成到K空間鄰域共享采樣軌 跡中（view-shared compressed sensing, VCS)的K空間數(shù)據(jù)快速亞采樣方法，提高了腹部 動(dòng)態(tài)對比增強(qiáng)磁共振成像的時(shí)間分辨率，同時(shí)保證了較高的圖像信噪比和圖像質(zhì)量。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種動(dòng)態(tài)對比增強(qiáng)磁共振成像的快 速三維K空間亞采樣填充方法，包括K空間的隨機(jī)劃分、CS采樣矩陣設(shè)計(jì)、鄰域共享壓縮感 知采樣矩陣的獲取、基于鄰域共享壓縮感知方法的數(shù)據(jù)采集、基于鄰域共享壓縮感知方法 的數(shù)據(jù)重建五個(gè)部分。具體內(nèi)容為：首先，采用相鄰K空間外周數(shù)據(jù)共享采樣軌跡，一個(gè)K 空間中同時(shí)采集中心區(qū)域和部分外周區(qū)域數(shù)據(jù)，鄰域共享的K空間外周亞采樣軌跡相互間 無重疊，所有相鄰的亞采樣K空間數(shù)據(jù)組合可以構(gòu)成一個(gè)完整的K空間。其次，將壓縮感知 加速采樣技術(shù)嵌入到相鄰K空間的共享采樣軌跡中，每一個(gè)K空間填充軌跡由壓縮感知方 法設(shè)計(jì)確定，其中K空間的中心區(qū)域保留不共享，外周區(qū)域經(jīng)壓縮感知采樣矩陣設(shè)計(jì)后隨 機(jī)分成2~5個(gè)共享子集，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)多個(gè)K空間采樣軌跡的鄰域共享壓縮感知采樣。鄰 域共享壓縮感知采樣在一次K空間采樣時(shí)，同時(shí)采集壓縮感知K空間的中心區(qū)域和1個(gè)外 周共享子集。K空間數(shù)據(jù)在重建時(shí)，連續(xù)多個(gè)不相重疊的共享子集合并到當(dāng)前K空間，重組 成符合壓縮感知采樣矩陣軌跡的數(shù)據(jù)集用于進(jìn)一步壓縮感知圖像重建。集成到鄰域共享采 樣軌跡的壓縮感知加速倍數(shù)可以設(shè)置為2~8倍。壓縮感知采樣矩陣設(shè)計(jì)采用非均勻變密 度函數(shù)生成，且符合高斯分布，壓縮感知的稀疏轉(zhuǎn)換可以為傅里葉變換、小波變換、有限差 分變換等。最后，將鄰域共享重組的K空間亞采樣數(shù)據(jù)經(jīng)I 1范式最小化的非線性算法重建 得到圖像，重建公式如下：
[0011] 式中S為目標(biāo)圖像，λ Jp λ 2表示Φ稀疏表達(dá)和有限差分稀疏表達(dá)TV之間的權(quán) 重，F(xiàn)表示與亞采樣對應(yīng)的傅立葉變換，Cl1表示VCS 1采集到的k-space數(shù)據(jù)，ε通常設(shè)置在 背景噪聲水平之下來保證重建圖像的保真度。并按照DICOM格式重寫成臨床標(biāo)準(zhǔn)化醫(yī)學(xué)圖 像。
[0012] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明是一種高時(shí)間分辨率