一种基于预扫描和非均匀采样的薄层快速磁共振成像方法

摘要

本发明公开了一种基于预扫描和非均匀采样的薄层快速磁共振成像方法，此方法适用于层厚较薄的多层磁共振成像过程。在成像过程中，由于层厚薄磁共振信号的信噪比较差，通常需要使用对同一层面信号进行多次采集然后平均的方式来提高信噪比，这使得成像时间较长。本发明公开的成像方法首先通过对各扫描层的单次预扫描获取各层信噪比较低的数据，然后对各层k空间数据进行分析，提取各层k空间数据中大信号的位置信息。在接下来的重复扫描过程中，结合非均匀采样方法只对各层k空间中的大信号区域多次采样提高信噪比，而不是对整个k空间进行多次采样。通过这种方法实现在更短时间内获取和传统方法相比质量相当或更高质量的图像。

权利要求

1.一种基于预扫描和非均匀采样的薄层快速磁共振成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对需要扫描的各层进行单次预扫描，获得各层k空间的低信噪比数据；

步骤2、通过对预扫描结果的k空间的低信噪比数据进行统计，提取各层中大信号的位置信息；

步骤3、根据步骤2获取的各层大信号的位置信息，为各层选择在相同的频率编码和相位编码数量下能够覆盖更多的大信号区域的非均匀采样轨迹和轨迹参数；

步骤4、根据步骤3得到的非均匀采样轨迹及轨迹参数对各层进行多次扫描；

步骤5、将步骤4中非均匀采样获得的数据分配到等间距均匀网格点上，通过傅里叶逆变换得到各层图像，步骤2中对k空间数据进行统计的具体筛选标准包括：按照a的大小筛选、按照b的大小筛选、按照a的绝对值大小筛选、按照b的绝对值筛选、按照 的大小筛选、按照a/b的大小筛选和按照a/b的绝对值的大小筛选；其中，a和b为k空间数据的实部和虚部，针对采集的目标物理量不同，采用不同的筛选标准进行筛选。

2.根据权利要求1所述的一种基于预扫描和非均匀采样的薄层快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步骤1中预扫描所采用的扫描轨迹为均匀笛卡尔采样轨迹。

3.根据权利要求1所述的一种基于预扫描和非均匀采样的薄层快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步骤3中使用的采样序列为UTE类型的脉冲序列。

4.根据权利要求1所述的一种基于预扫描和非均匀采样的薄层快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步骤3中的非均匀采样轨迹包括：非均匀笛卡尔采样轨迹、辐射形采样轨迹、螺旋形采样轨迹和渐开线形采样轨迹。

5.根据权利要求1所述的一种基于预扫描和非均匀采样的薄层快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步骤5中，对于非均匀采样获得的数据分配到等间距均匀网格点上采用点扩散函数法，使用的点扩散函数为卡塞尔-贝塞尔函数。

说明书

一种基于预扫描和非均匀采样的薄层快速磁共振成像方法

技术领域

[0001] 本发明属于磁共振成像领域，涉及一种基于预扫描和非均匀采样的薄层快速磁共振成像方法。适用于要求扫描层厚较薄，扫描层数较多或要求扫描时间较短的磁共振成像场合。技术背景

[0002] MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)技术是一种从20世纪80年代开始在医疗机构中投入临床应用的一种影像诊断技术。其基本原理是利用NMR(Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振)现象，通过不同的RF(Radio Frequency，射频)脉冲序列对生物组织进行激励，使其原子核共振并产生可以探测的核磁共振信号。同时利用梯度磁场对组织信号进行空间定位，并利用接收线圈检测组织的磁共振信号，最终形成磁共振图像。

[0003] 磁共振成像设备昂贵，同时由于其成像原理的限制，和CT等医学影像技术相比，成像时间相对较长。这些因素使得磁共振成像技术的使用成本非常高，限制了磁共振成像技术在临床诊断中更广泛的使用。同时由于现有的商用磁共振成像仪多为半封闭结构，成像过程中病人需要呆在一个狭小的半封闭空间中，忍受成像时仪器产生的噪声。过长的成像时间可能会使病人的身心产生不良感受，有的病人甚至会产生听力损伤和幽闭症。缩短磁共振扫描时间对降低磁共振成像成本、减少成像对病患产生的不良感受有很大意义。

[0004] 在层厚较薄的多层磁共振成像过程中，由于层厚较薄，单次扫描所获得的图像信噪比不高，难以满足诊断需要，通常需要对同一层进行多次扫描累加然后平均的方式提高信噪比。信噪比提高的倍数和扫描次数的关系为 其中R为信噪比提高的倍数，n为扫描次数，因此成像时间过长的问题在层厚较薄的多层扫描过程中尤其突出。

[0005] 磁共振成像过程中的k空间数据有较强的稀疏性，即k空间中大信号数量较少，小信号甚至零信号数量较多。k空间中有非常多的小信号和零信号，它们对图像质量贡献微弱，对这些信号的反复采集浪费了大量的采集时间。如果能够将这些采集时间节省下来或者分配到大信号的采集过程中，将更快更好的获得扫描图像。

[0006] 随意减少k空间采样点的数量，不一定能显著减少采样时间。因为采样时间和采样过程中的TR(Time of Repetition,重复时间)数量密切相关，但是和一次TR中的采样点数关系不大。所以如果只是减少了TR中的采样点数，而没有减少TR的数量，对大幅减少采样时间意义不大。采用非均匀采样轨迹可以很好的在减少采样点的同时减少TR次数，从而大幅减少采样时间。

[0007] 本发明公开的成像方法希望同时利用k空间信号的稀疏性和非均匀采样方法在更短时间内获取与传统成像方法相比同等或更高质量的磁共振图像。

发明内容

[0008] 针对技术背景中描述的多层磁共振成像速度慢的问题，本发明通过利用磁共振成像k空间数据较为稀疏的特点结合非均匀采样技术提出一种新的快速成像方法。

[0009] 一种基于预扫描和非均匀采样的薄层快速磁共振成像方法，包括以下步骤：

[0010] 步骤1、对需要扫描的各层进行单次预扫描，获得各层k空间数据；

[0011] 步骤2、通过对预扫描结果的k空间数据进行统计，提取各层中大信号的位置信息；

[0012] 步骤3、根据步骤2获取的各层大信号的位置信息，为各层选择在相同的频率编码和相位编码数量下能够覆盖更多的大信号区域的非均匀采样轨迹和轨迹参数；

[0013] 步骤4、根据步骤3得到的非均匀采样轨迹及轨迹参数对各层进行多次扫描；

[0014] 步骤5、将步骤4中非均匀采样获得的数据分配到等间距均匀网格点上，通过傅里叶逆变换得到各层图像。

[0015] 如上所述的步骤1中预扫描所采用的扫描轨迹为均匀笛卡尔采样轨迹。

[0016] 如上所述的步骤2中对k空间数据进行统计的具体筛选标准包括：按照a的大小筛选、按照b的大小筛选、按照a的绝对值大小筛选、按照b的绝对值筛选、按照 的大小筛选、按照a/b的大小筛选和按照a/b的绝对值的大小筛选；其中，a和b为k空间数据的实部和虚部，针对采集的目标物理量不同，采用不同的筛选标准进行筛选。

[0017] 如上所述的步骤3中使用的采样序列为UTE类型的脉冲序列。

[0018] 如上所述的步骤3中的非均匀采样轨迹包括：非均匀笛卡尔采样轨迹、辐射形采样轨迹、螺旋形采样轨迹和渐开线形采样轨迹。

[0019] 如上所述的步骤5中，对于非均匀采样获得的数据分配到等间距均匀网格点上采用点扩散函数法，使用的点扩散函数为卡塞尔-贝塞尔函数。

[0020] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：

[0021] 1、如果所使用的扫描时间相同，本发明公开的成像方法和现有技术相比能够得到更优的图像质量；

[0022] 2、在扫描图像质量相近的情况下，本发明公开的成像方法和现有技术相比所花费的扫描时间更短。

附图说明

[0023] 图1本发明方法流程图；

[0024] 图2成像对象某层单次扫描图像；

[0025] 图3成像对象某层k空间幅值较大数据点的位置分布图；

[0026] 图4(a)为非均匀笛卡尔采样轨迹；

[0027] 图4(b)为辐射形采样轨迹；

[0028] 图4(c)为螺旋形采样轨迹；

[0029] 图4(d)为渐开线形采样；

[0030] 图5某层图像最终采集效果对比，a传统成像方法，b本发明公开的方法。

具体实施方式

[0031] 下面结合具体实例给出本发明的具体实施过程以及效果。

[0032] 本发明公开的快速磁共振成像方法的具体步骤如下：

[0033] 步骤1、对需要扫描的各层进行单次预扫描，获取各层k空间的低信噪比数据。在预扫描过程中需要采用均匀的采样轨迹，从而全面均等的获取k空间各个部分的信号强弱分布信息。由于扫描的层面厚度较薄，所以信号信噪比低，这个和采样轨迹均匀与否无关。与步骤1中的单次相对应，传统方法中是通过多次扫描，然后将各次扫描结果平均的方式提高信噪比的。

[0034] 步骤2、通过对预扫描结果的k空间的低信噪比数据进行统计，提取各层中的大信号位置信息。对k空间中大信号进行统计的具体标准包括(k空间数据为复数即a+bi形式的数据)：按照a的大小筛选、按照b的大小筛选、按照a的绝对值大小筛选、按照b的绝对值筛选、按照 的大小筛选、按照a/b的大小筛选、按照a/b的绝对值的大小筛选。按照上述标准对k空间数据按照从大到小排序。采用不同的筛选标准，表示在扫描过程中针对的目标物理量不同，例如组织的T1值、T2值、磁导率等。

[0035] 步骤3、根据步骤2获取的各层大信号位置信息，通过不同的非均匀采样轨迹对k空间的大信号区域进行覆盖，非均匀采样轨迹包括：非均匀笛卡尔采样、辐射形采样、螺旋形采样、渐开线形采样。在选择过程中，比较不同的采样轨迹，在相同的频率编码和相位编码数量下，哪种轨迹能够覆盖更多的大信号区域。同时优化轨迹参数，例如在大信号的密集区，加大采样密度，在小信号密集区，降低采样密度。最终为每一层选定合适的扫描轨迹和参数。应采用UTE类型脉冲序列来实现各种非均匀采样轨迹，因为这种序列和其他序列相比更方便实现非均匀采样轨迹；

[0036] 步骤4、根据步骤3所得到的优化后的采样轨迹及参数对各层进行多次扫描，获得非均匀采样的数据。将多次扫描的数据点进行累加和平均，获得最终的k空间数据。由于扫描过程中TR(Time ofRepetition,重复时间)的减少，扫描时间得到缩短。但是通过预扫描获取信息的指导，k空间中的大信号区域得到了更加充分的采集，所以获得的图像质量和全采样相比相近或更优。

[0037] 步骤5、通过卡塞尔-贝塞尔点扩散函数，如公式1所示，将步骤4中非均匀采样获得的数据分配到等间距网格点上。通过傅里叶逆变换得到各层图像。

[0038]

[0039] N为窗口大小，I0为0阶第一类修正贝塞尔函数，α函数形状因子。在实验过程中通过比较，使用卡塞尔-贝塞尔点扩散函数和其他点扩散函数相比，重建图像的质量更优。

[0040] 实例中对成像对象进行了多层磁共振成像。实例中采用的快速磁共振成像方法流程图，如图1所示。首先通过单次预扫描获取各层信噪比较低的图像。图2显示了其中一层的单次扫描效果。然后对各层单次扫描得到的k空间数据按照幅值大小进行排序，确定各层k空间中大信号的位置。图3显示了其中一层，信号幅值较大采样点的位置。接着按照图4所示的各种非均匀采样轨迹对各层k空间进行覆盖，并对轨迹参数进行模拟与优化，例如采样密度等，从覆盖结果中优选出消耗时间最少，覆盖大信号区域最多的采样轨迹。最后按照优选的采样轨迹及参数对各层多次采集，并重建各层图像。图5展示了通常情况下对整个k空间进行多次采集并平均所得图像和本发明公开的方法进行针对性多次采集和平均后所得图像对比。在实例中使用本发明公开的快速成像方法，在图像质量相同的情况下，显著降低了成像消耗的时间。