一种正对比磁共振成像方法及装置

摘要

本发明涉及一种正对比磁共振成像方法及装置，其中，方法包括：对同一目标的同一层面进行两次数据采集，分别获得具有回波读出梯度偏移的TSE数据和没有回波读出梯度偏移的TSE数据；在同一目标的同一层面上，所述具有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位减去所述没有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位，获得局部磁场影响而产生的相位差；利用所述相位差获得目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场；极化核与磁化率矩阵的卷积表示目标局部磁场表达式，对目标局部磁场表达式进行傅里叶转换，利用所述局部磁场，对傅里叶转换后的目标局部磁场表达式进行正则化约束重建，获得目标的磁化率矩阵，实现正对比磁共振成像。

权利要求

1.一种正对比磁共振成像方法，其特征在于，包括：

对同一目标的同一层面进行两次数据采集，分别获得具有回波读出梯度偏移的TSE数据和没有回波读出梯度偏移的TSE数据；

在同一目标的同一层面上，所述具有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位减去所述没有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位，获得局部磁场影响而产生的相位差；

利用所述相位差获得目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场；

采用极化核与磁化率矩阵的卷积表示目标局部磁场表达式，对目标局部磁场表达式进行傅里叶转换，利用所述局部磁场，对傅里叶转换后的目标局部磁场表达式进行正则化约束重建，获得目标的磁化率矩阵，实现正对比磁共振成像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部磁场的表达式为：ΔB＝Δθ/γB0Tshift

其中，Δθ表示相位差；γ表示旋磁比，为常数；B0表示磁共振成像的主磁场；Tshift表示回波读出梯度偏移时间；ΔB表示目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场，也即局部场图。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标局部磁场表达式为：其中，ΔB(r)表示目标局部磁场，即为目标区域内金属装置对距离其位置r处的氢质子产生的局部磁场的大小；χ(r)表示目标区域内金属装置对距离其位置r处的磁化率矩阵，d(r)是目标区域内金属装置对距离其位置r处的成像目标的极化核。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述傅里叶转换后的目标局部磁场表达式为：其中，D表示极化核矩阵， kx表示成像目

标在三维成像空间中x方向的坐标值，ky表示成像目标在三维成像空间中y方向的坐标值，kz表示成像目标在三维成像空间中z方向的坐标值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述傅里叶转换后的目标局部磁场表达式采用正则化约束，其表示式为：其中，ΔB＝Δθ/γB0Tshift；Δθ表示相位差；γ表示旋磁比，为常数；B0表示磁共振成像的主磁场；Tshift表示回波读出梯度偏移时间；ΔB表示目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场，也即局部场图；λ表示正则化参数；W为加权矩阵，M为掩膜矩阵；G表示在三维空间中三个方向的梯度算子。

6.一种正对比磁共振成像装置，其特征在于，包括：

数据采集单元，用于对同一目标的同一层面进行两次数据采集，分别获得具有回波读出梯度偏移的TSE数据和没有回波读出梯度偏移的TSE数据；

相位差获取单元，用于在同一目标的同一层面上，所述具有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位减去所述没有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位，获得局部磁场影响而产生的相位差；

局部磁场确定单元，用于利用所述相位差获得目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场；

成像单元，用于采用极化核与磁化率矩阵的卷积表示目标局部磁场表达式，对目标局部磁场表达式进行傅里叶转换，利用所述局部磁场，对傅里叶转换后的目标局部磁场表达式进行正则化约束重建，获得目标的磁化率矩阵，实现正对比磁共振成像。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述局部磁场确定单元获得的局部磁场的表达式为：ΔB＝Δθ/γB0Tshift

其中，Δθ表示相位差；γ表示旋磁比，为常数；B0表示磁共振成像的主磁场；Tshift表示回波读出梯度偏移时间；ΔB表示目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场，也即局部场图。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述成像单元获得的目标局部磁场表达式为：其中，ΔB(r)表示目标局部磁场，即为目标区域内金属装置对距离其位置r处的组织产生的局部磁场的大小；χ(r)表示目标区域内金属装置对距离其位置r处的磁化率矩阵，d(r)是目标区域内金属装置对距离其位置r处成像目标的极化核。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述成像单元对目标局部磁场表达式傅里叶转换之后的表达式为：其中，D表示极化核矩阵， kx表示成像目标

在三维成像空间中x方向的坐标值，ky表示成像目标在三维成像空间中y方向的坐标值，kz表示成像目标在三维成像空间中z方向的坐标值。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述成像单元正则化约束重建的目标局部磁场表达式为：其中，ΔB＝Δθ/γB0Tshift；Δθ表示相位差；γ表示旋磁比，为常数；B0表示磁共振成像的主磁场；Tshift表示回波读出梯度偏移时间；ΔB表示目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场，也即局部场图；λ表示正则化参数；W为加权矩阵，M为掩膜矩阵；G表示在三维空间中三个方向的梯度算子。

说明书

一种正对比磁共振成像方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及磁共振成像技术领域，特别涉及一种正对比磁共振成像方法及装置。

背景技术

[0002] 磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)的无辐射，良好软组织对比及任意平面成像使得它成为目前最为流行的临床诊断工具之一。MRI是利用人体内某些氢质子在主磁场(即外磁场)以及激发脉冲的作用下发生共振并产生信号来进行成像的，而大部分的金属在磁场中极易被磁化，会产生局部磁场，从而会对主磁场产生干扰，这种干扰在成像中称为金属的磁化率伪影。由于人体植入的磁共振兼容装置一般为金属材质，装置及其周围邻域在图像中表现出黑洞现象(负对比)。这种黑洞跟组织空隙和较低信噪比区域很难区分，从而无法进行装置的精准定位和评估。

[0003] 目前，我国北京协和医学院的蒋世良医生和德国的雷根斯堡大学Lenhart博士等人采用CE-MRA技术对支架进行磁共振无创检查，研究发现CE-MRA技术可以用于评估镍钛合金支架腔内是否通畅，但由于存在磁化率伪影，无法对管腔的狭窄程度进行准确分级。然而这些研究的一个共同点是只能得到支架的负对比图像。近年来，为了准确定位和评估这些金属植入物，研究者们提出了一系列磁共振正(亮)对比成像技术，这些技术主要分为两类。第一类是通过修改脉冲序列来产生正对比成像，例如2003年Seppenwoolde JH等人提出的white marker和2006年Venkatesh Mani等人提出的GRASP技术，这些技术只是对层方向的梯度进行改变，较容易实施，但是只对低浓度的SPIO(0.8浓度)可以产生正对比，并且只在层方向上进行梯度补偿，所以正对比的准备性还需考证。在2007年，Stuber M等人相继提出了IRON(Inversion-Recovery With ON-Resonant Water Suppression)技术，虽然能够获得很好的正对比图像效果，但是该技术操作较为复杂，在临床中未能得到广泛应用。第二类是通过后处理的方法，对GRE序列扫描得到的数据进行后处理，采用特有的重建算法产生正对比成像,如Liu T等人提出定量磁化率成像(Quantitative Susceptibility Mapping,QSM)，但现存的QSM方法大部分是适用于超顺磁氧化铁，以及对组织内部顺磁性物质进行定量评估，而不适用于定位这种超高磁性的金属植入器。在2008年，Dahnke,H等人提出了一种磁化率梯度成像技术(susceptibility gradient mapping，SGM)，是对三个方向的局部磁场梯度进行成像，但是该技术正对比成像的区域要大于实际植入装置的真实位置区域。在
2014年，Dong Ying等提出一种正对比成像SE(spin echo)序列，与经典的SE序列不同，其
180°脉冲不在TE中心，而是向90°脉冲移动了Tshift单位，因此磁化率引起的相位改变作用在
2Tshift单位，但SE序列成像序列扫描时间比较长。

[0004] 由于传统的QSM是以梯度回波(GRE)作为数据采集基础，对相位信息采取去除背景场处理后得到一张局部场图，再结合特有的重建算法重建出磁化率图像，对组织内部顺磁性物质进行定量评估并正对比的显示出金属粒子位置。但对于磁化率较大的介入装置而言，由于其高的磁敏感性，使得植入金属粒子周围组织快速失相位，因为很难用其邻域信息去重建磁化率值，因此无法准确的定位植入装置。

发明内容

[0005] 为解决现有技术的问题，本发明提出一种正对比磁共振成像方法及装置，基于一种改进的快速自旋回波(Turbo spin echo：TSE)序列采集数据，并利用改进的定量磁化率成像(Quantitative Susceptibility Mapping,QSM)技术，实现高分辨正对比磁共振成像，准确显示出植入装置的大小和位置。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种正对比磁共振成像方法，包括：

[0007] 对同一目标的同一层面进行两次数据采集，分别获得具有回波读出梯度偏移的TSE数据和没有回波读出梯度偏移的TSE数据；

[0008] 在同一目标的同一层面上，所述具有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位减去所述没有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位，获得局部磁场影响而产生的相位差；

[0009] 利用所述相位差获得目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场；

[0010] 极化核与磁化率矩阵的卷积表示目标局部磁场表达式，对目标局部磁场表达式进行傅里叶转换，利用所述局部磁场，对傅里叶转换后的目标局部磁场表达式进行正则化约束重建，获得目标的磁化率矩阵，实现正对比磁共振成像。

[0011] 优选地，所述局部磁场的表达式为：

[0012] ΔB＝Δθ/γB0Tshift

[0013] 其中，Δθ表示相位差；γ表示旋磁比，为常数；B0表示磁共振成像的主磁场；Tshift表示回波读出梯度偏移时间；ΔB表示目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场，也即局部场图。

[0014] 优选地，所述目标局部磁场表达式为：

[0015]

[0016] 其中，ΔB(r)表示目标局部磁场，即为目标区域内金属装置对距离其位置r处的氢质子产生的局部磁场的大小；χ表示目标的磁化率矩阵，d(r)是成像目标的极化核。

[0017] 优选地，所述傅里叶转换后的目标局部磁场表达式为：

[0018]

[0019] 其中，D表示极化核矩阵， kx表示成像目标在三维成像空间中x方向的坐标值，ky表示成像目标在三维成像空间中y方向的坐标值，kz表示成像目标在三维成像空间中z方向的坐标值。

[0020] 优选地，所述傅里叶转换后的目标局部磁场表达式采用正则化约束，其表示式为：

[0021]

[0022] 其中，ΔB＝Δθ/γB0Tshift；λ表示正则化参数；W为加权矩阵，M为掩膜矩阵；G表示在三维空间中三个方向的梯度算子。

[0023] 对应地，为实现上述目的，本发明还提供了一种正对比磁共振成像装置，包括：

[0024] 数据采集单元，用于对同一目标的同一层面进行两次数据采集，分别获得具有回波读出梯度偏移的TSE数据和没有回波读出梯度偏移的TSE数据；

[0025] 相位差获取单元，用于在同一目标的同一层面上，所述具有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位减去所述没有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位，获得局部磁场影响而产生的相位差；

[0026] 局部磁场确定单元，用于利用所述相位差获得目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场；

[0027] 成像单元，用于极化核与磁化率矩阵的卷积表示目标局部磁场表达式，对目标局部磁场表达式进行傅里叶转换，利用所述局部磁场，对傅里叶转换后的目标局部磁场表达式进行正则化约束重建，获得目标的磁化率矩阵，实现正对比磁共振成像。

[0028] 优选地，所述局部磁场确定单元获得的局部磁场的表达式为：

[0029] ΔB＝Δθ/γB0Tshift

[0030] 其中，Δθ表示相位差；γ表示旋磁比，为常数；B0表示磁共振成像的主磁场；Tshift表示回波读出梯度偏移时间；ΔB表示目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场，也即局部场图。

[0031] 优选地，所述成像单元获得的目标局部磁场表达式为：

[0032]

[0033] 其中，ΔB(r)表示目标局部磁场，即为目标区域内金属装置对距离其位置r处的组织产生的局部磁场的大小；χ表示目标的磁化率矩阵，d(r)是成像目标的极化核。

[0034] 优选地，所述成像单元对目标局部磁场表达式傅里叶转换之后的表达式为：

[0035]

[0036] 其中，D表示极化核矩阵， kx表示成像目标在三维成像空间中x方向的坐标值，ky表示成像目标在三维成像空间中y方向的坐标值，kz表示成像目标在三维成像空间中z方向的坐标值。

[0037] 优选地，所述成像单元正则化约束重建的目标局部磁场表达式为：

[0038]

[0039] 其中，ΔB＝Δθ/γB0Tshift；λ表示正则化参数；W为加权矩阵，M为掩膜矩阵；G表示在三维空间中三个方向的梯度算子。

[0040] 上述技术方案具有如下有益效果：

[0041] 1、与现存的QSM不同，本发明可应用于磁化率较大的介入/植入金属装置成像，适用性好。

[0042] 2、本发明的TSE序列在传统的TSE序列基础上对回波读出梯度进行改进，使得它适应于正对比的数据采集，只需采集两个不同Tshift的图像来产生一个只有磁化率引起的相位差，通过该相位得到一个场图来求解金属植入装置的磁化率。

[0043] 3、TSE成像序列速度快，比Dong Ying等提出的SE成像序列，在不损失信噪比、图像质量较高等前提下采集速度提高2到3倍，结合鲁棒的图像后处理重建算法，提高了装置定位与评估的准确性。

附图说明

[0044] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0045] 图1为本发明提出的一种正对比磁共振成像方法流程图；

[0046] 图2为传统TSE序列采集示意图；

[0047] 图3为传统TSE序列k空间填充图；

[0048] 图4为传统TSE序列与本技术方案涉及的TSE序列对比图；

[0049] 图5为本发明提出的一种正对比磁共振成像装置框图；

[0050] 图6为本实施例的序列采集幅值图之一；

[0051] 图7为本实施例的正对比成像图之一；

[0052] 图8为本实施例的序列采集幅值图之二；

[0053] 图9为本实施例的正对比成像图之二。

具体实施方式

[0054] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0055] 本技术方案的工作原理：由于传统的QSM是以梯度回波(GRE)作为数据采集基础，对相位信息采取去除背景场处理后得到一张局部场图，再结合特有的重建算法重建出磁化率图像，对组织内部顺磁性物质进行定量评估并正对比的显示出金属粒子位置。但对于磁化率较大的介入装置而言，由于其高的磁敏感性，使得植入金属粒子周围组织快速失相位，因为很难用其邻域信息去重建磁化率值，因此无法准确的定位植入装置。针对上述问题，本技术方案是以QSM为基础展开的，提出一种基于快速自旋回波的正对比磁共振成像方法，相比于GRE序列，有着较高的信噪比和较少的图像形变。在传统的TSE序列的基础上巧妙地将回波读出梯度的位置进行偏移，可以在很短的Tshift时间采集数据，对相位信息进行一定的预处理，包括对相位信息进行解缠绕。利用提出的TSE序列采集两个不同时刻的图像，通过对相位做差值可以避免做背景场处理，再结合特有的QSM重建算法，重建出磁化率图像。获得稳定的植入金属装置的正对比度图像，最终形成具有临床应用价值的正对比磁共振成像技术，为植入装置的准确定位与评估提供了一种安全无创的技术保障。

[0056] 基于上述工作原理，本发明提出一种正对比磁共振成像方法，如图1所示。包括：

[0057] 步骤101)：对同一目标的同一层面进行两次数据采集，分别获得具有回波读出梯度偏移的TSE数据和没有回波读出梯度偏移的TSE数据；

[0058] 相比于传统的QSM不同之处在于，不使用梯度回波(GRE)作为数据采集，而是以TSE(Fast spin echo)作为序列基础。TSE是在SE序列的基础上发展起来的。如图2所示，为传统TSE序列采集示意图。如图3所示，为传统TSE序列k空间填充图。与自旋回波序列相比，其在90°射频脉冲激发后利用多个(2个以上)180°回聚脉冲产生多自旋回波，并对每个回波进行相位编码，实现一次激发多条相位线的采集，因此具有数据采集速度快、信噪比高等优点。
但该序列的180°回聚脉冲使得所有因主磁场不均匀性造成的失相位信号进行回聚，不能用于正对比磁共振成像。

[0059] 步骤102)：在同一目标的同一层面上，所述具有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位减去所述没有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位，获得局部磁场影响而产生的相位差；

[0060] 我们在传统TSE序列基础上将回波读出梯度偏移很短的Tshift(0.2ms～0.7ms)时间，如图4所示，为传统TSE序列与本技术方案涉及的TSE序列对比图。使得有效回波时间很短(为Tshift)，在避免信号严重缺失的同时得到因组织本身磁化率的差异造成的相位变化，实现植入装置的正对比磁共振成像的数据采集。为了消除磁共振系统本身磁场不均匀性造成的相位变换，我们还采集一组回波读出梯度没有任何偏移的TSE序列数据，通过这两组数据相减得到由组织本身磁化率差异(局部磁场影响)而产生的相位对比。这种变化正好体现在相位图中。因此，利用图像的相位信息，并结合没有回波读出梯度偏移的TSE数据的幅值图，以QSM为算法基础，可求解出组织的磁化率图，实现以组织磁化率强度为对比度的正对比磁共振成像。

[0061] 步骤103)：利用所述相位差获得目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场；

[0062] 其中，局部磁场的表达式为：

[0063] ΔB＝Δθ/γB0Tshift

[0064] 其中，Δθ表示相位差；γ表示旋磁比，为常数；B0表示磁共振成像的主磁场；Tshift表示回波读出梯度偏移时间；ΔB表示目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场，也即局部场图。

[0065] 步骤104)：极化核与磁化率矩阵的卷积表示目标局部磁场表达式，对目标局部磁场表达式进行傅里叶转换，利用所述局部磁场，对傅里叶转换后的目标局部磁场表达式进行正则化约束重建，获得目标的磁化率矩阵，实现正对比磁共振成像。

[0066] 对于任意形状目标的局部磁场都可以写成它的磁化率特性和极化核的卷积：

[0067]

[0068] 其中，ΔB(r)表示目标局部磁场，即为目标区域内金属装置对距离其位置r处的氢质子产生的局部磁场的大小；χ表示目标的磁化率矩阵，d(r)是成像目标的极化核。

[0069] 由于上式中，卷积不方便计算，因此，我们将上述卷积公式转化成傅里叶域中的乘积来求解。所述目标局部磁场表达式傅里叶转换之后的表达式为：

[0070]

[0071] 其中，D表示极化核矩阵， kx表示成像目标在三维成像空间中x方向的坐标值，ky表示成像目标在三维成像空间中y方向的坐标值，kz表示成像目标在三维成像空间中z方向的坐标值。

[0072] 上述乘积公式可以简化为ΔB＝Dχ。如果从公式ΔB＝Dχ直接求解出χ，会涉及到求解矩阵的可逆,但矩阵D在 的时候是离散的。因此直接求解χ是一个病态问题，会使得噪声扩大化。必须引入一个正则化方式约束求解，来得到一个准确的近似解。鉴于植入的金属装置的磁化率远大于人体组织的特点，增加两个约束矩阵并采用L1范数约束以提高图像重建质量，其正则化约束表达式为：

[0073]

[0074] 其中，ΔB＝Δθ/γB0Tshift；λ表示正则化参数；W为加权矩阵，该加权矩阵是通过没有回波读出梯度偏移的TSE数据的幅值进行归一化获得。M为掩膜矩阵；G表示在三维空间中三个方向的梯度算子。与QSM不同，M可以与物质的位置精准相符。这个凸规划类似于压缩传感法(Compressed Sensing，CS)中为了在欠采样K空间数据中重建出目标图像而引入的正则化约束。由CS理论可以知道，当欠采样数据在变换域近似稀疏时，可以利用非线性重建法从随机欠采的K空间数据中重建出图像。

[0075] 本技术方案涉及一种改进型的TSE正对比采集序列，对相位解缠绕后做差值，去除背景场得到场图；在此基础上，对原有的QSM成像算法做了新的改进，采用改进型的QSM算法实现正对比磁共振成像，提高定位精准度。

[0076] 对应地，基于上述工作原理，本发明还提出一种正对比磁共振成像装置，如图5所示。包括：

[0077] 数据采集单元501，用于对同一目标的同一层面进行两次数据采集，分别获得具有回波读出梯度偏移的TSE数据和没有回波读出梯度偏移的TSE数据；

[0078] 相位差获取单元502，用于在同一目标的同一层面上，所述具有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位减去所述没有回波读出梯度偏移的TSE数据的相位，获得局部磁场影响而产生的相位差；

[0079] 局部磁场确定单元503，用于利用所述相位差获得目标区域内金属装置对周围组织产生的局部磁场；

[0080] 成像单元504，用于极化核与磁化率矩阵的卷积表示目标局部磁场表达式，对目标局部磁场表达式进行傅里叶转换，利用所述局部磁场，对傅里叶转换后的目标局部磁场表达式进行正则化约束重建，获得目标的磁化率矩阵，实现正对比磁共振成像。

[0081] 如图6所示，为本实施例的序列采集幅值图之一。把直径为2mm的穿刺针置于1mg/ml的硫酸铜溶液的瓶中，钛针产生了很大的伪影，该伪影在图6中显示为黑洞。经过本技术方案的处理，获得最终的正对比结果，如图7所示。在图中，伪影的黑洞变成一亮点。

[0082] 如图8所示，为本实施例的序列采集幅值图之二。在猪肉中，从上到下依次插入钛针、牙签、塑料棒和另一枚钛针。在图8中可以看出，磁敏感高的钛针能很好的正对比显示出来，磁敏感低的牙签、塑料棒则显示不出来。经过本技术方案的处理，获得最终的正对比结果。如图9所示。从重建结果来看，本技术方案确实有效的抑制了金属伪影，实现高时空分辨率的前提下，获得清晰的正对比图像，有利于装置定位与评估。

[0083] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。