磁共振成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于三維數(shù)據(jù)集采集的磁共振成像方法，其中執(zhí)行根據(jù)三個(gè)相互正交 的磁場(chǎng)梯度的空間編碼使得在一個(gè)空間方向ki上在讀取梯度下讀出信號(hào)，而通過(guò)在信號(hào)采 集之前在另外兩個(gè)空間方向匕和k3上應(yīng)用相位編碼梯度來(lái)執(zhí)行所述另外兩個(gè)空間方向上 的空間編碼，并且以順序方式執(zhí)行數(shù)據(jù)采集使得在每個(gè)采集步驟中在所述讀出梯度下但是 利用兩個(gè)相位編碼梯度的不同組合來(lái)采集信號(hào)。
[0002] 這種類型的方法被稱為是在參考文獻(xiàn)[0]M.Bomans，K.Hohne，G.Laub，A.Pommert， U.Tiede,Improventof3DacquisitionandvisualizationinMRI.Magn.Reson. Imaging9,597-609(1991)中描述的3DFT(或體）成像。
【背景技術(shù)】
[0003] 本發(fā)明的一般背景
[0004] 本發(fā)明一般涉及磁共振成像（=MRI)技術(shù)。它具體涉及數(shù)據(jù)采集和圖像重建方 法以及用于MRI的空間編碼。
[0005] 與計(jì)算機(jī)斷層掃描（=CT)相比，磁共振成像是相對(duì)新的技術(shù)，而第一張MR圖像 由P.C.Lauterbur于 1973 年發(fā)表在''ImageFormationbyInducedLocalInteractions： ExamplesofEmployingNuclearMagneticResonance''，Nature242,190491 中。它最初 是醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，最常用在放射學(xué)中以使身體的結(jié)構(gòu)和功能可視化。它可以提供身體在任 何平面中的細(xì)節(jié)圖像。與CT相比，MRI提供身體的不同軟組織之間的大得多的對(duì)比度，使 MRI在神經(jīng)學(xué)、心血管和腫瘤學(xué)成像中尤其有用。它使用強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)排列身體中水的氫原 子的核磁化。射頻場(chǎng)用來(lái)系統(tǒng)地改變這種磁化的排列，從而使氫原子核產(chǎn)生可被掃描儀檢 測(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該信號(hào)可以由另外的磁場(chǎng)操作以建立足夠的信息來(lái)重建身體的圖像。
[0006] 通常，MRI系統(tǒng)一般沿著經(jīng)受MRI過(guò)程的對(duì)象的中心軸建立均勻磁場(chǎng)。該均勻主磁 場(chǎng)通過(guò)排列形成身體組織的原子和分子中的核自旋來(lái)影響要成像的對(duì)象的磁性能。如果核 自旋的取向混亂不齊，則原子核試圖通過(guò)場(chǎng)來(lái)重新排列它們的自旋。核自旋取向的混亂通 常由調(diào)諧至感興趣材料的拉莫爾頻率的射頻（RF)脈沖的施加引起。在重新排列處理期間， 原子核圍繞主磁場(chǎng)的方向進(jìn)動(dòng)（precess)并且發(fā)射電磁信號(hào)，這些電磁信號(hào)可以由放置在 對(duì)象上或在對(duì)象周?chē)囊粋€(gè)或多個(gè)RF檢測(cè)器線圈檢測(cè)。
[0007] 磁共振成像采用時(shí)間上和空間上可變的磁場(chǎng)，以通過(guò)影響自旋的局部拉莫爾頻 率來(lái)對(duì)位置編碼。通常用于該目的的梯度線圈產(chǎn)生疊加在主磁場(chǎng)上的空間編碼磁場(chǎng)（= SEM)。這使得可以選擇圖像切片的局部化，并且還可以提供相位編碼和頻率編碼。這種編 碼允許在圖像重建期間識(shí)別共振信號(hào)的來(lái)源。圖像質(zhì)量和分辨率顯著地依賴于所施加的編 碼場(chǎng)的強(qiáng)度和可被控制的方式。一般根據(jù)預(yù)建立的協(xié)議或事件的順序（被稱為脈沖順序） 來(lái)執(zhí)行梯度線圈的控制，從而使不同類型的對(duì)比度機(jī)制得以成像。
[0008] 具體背景摶術(shù)
[0009] 在半傅里葉成像中，留下k空間數(shù)據(jù)的一部分不采集以便縮短MRI中的測(cè)量時(shí)間， 而缺少的數(shù)據(jù)通過(guò)在重建期間利用k空間的共軛對(duì)稱性來(lái)合成（也稱為部分傅里葉成像）。 矩形采樣圖案常常用于多維半傅里葉成像（參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]、[2])。
[0010] 偏共振效應(yīng)和技術(shù)缺陷可能導(dǎo)致所采集的MR圖像中的空間相位變化，這破壞k空 間的共軛對(duì)稱性。開(kāi)發(fā)了兩種類型的相位校正方法來(lái)合成未采集數(shù)據(jù)（參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]、 [4])。在這些方法中，在數(shù)據(jù)合成期間，中間結(jié)果中的相位圖像完全由估計(jì)值替代。
[0011] 近來(lái)開(kāi)發(fā)的k空間隨機(jī)采樣技術(shù)（也被稱為"壓縮感測(cè)"，參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5])與 半傅里葉采集組合以加速M(fèi)RI(參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]、[6])。在參考文獻(xiàn)[2]中，使用參考文 獻(xiàn)[3]中所提出的零差檢測(cè)（Homodynedetection)方法來(lái)在單獨(dú)的步驟中重建半傅里葉 成像中的缺少的數(shù)據(jù)。在參考文獻(xiàn)[6]中，使用參考文獻(xiàn)[4]中所提出的迭代P0CS方法來(lái) 在單獨(dú)的步驟中重建半傅里葉成像中的缺少的數(shù)據(jù)。在所有以上的方法中，重建的圖像相 位直接由估計(jì)相位替代，估計(jì)相位在具有快速相位變化的一些區(qū)域中可能不準(zhǔn)確。在利用 "直接"相位替代的這些方法中，在具有不良相位估計(jì)的區(qū)域中存在顯著的重建誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 發(fā)明目的
[0013] 本發(fā)明提出了一種基本上克服以上所討論的現(xiàn)有方法的一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)的方式。
[0014] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提出一種用于3DMRI中的半傅里葉成像的數(shù)據(jù)采集方法，其 中針對(duì)第一空間維度（被稱為1〇中的空間編碼在讀出梯度下采集數(shù)據(jù)。通過(guò)使用兩個(gè)相 互正交的相位編碼梯度（被稱為匕和1^3)來(lái)對(duì)第二空間維度和第三空間維度中的數(shù)據(jù)進(jìn)行 空間編碼。在k2-k3平面中執(zhí)行k空間欠采樣（undersampling)。
[0015] 所述匕；3平面中的k空間包括五部分
[0016] -部分1 :中心k空間中的對(duì)稱采集區(qū)域。
[0017]-部分2 :具有比部分1中更高的空間頻率的對(duì)稱采集區(qū)域。
[0018]-部分3 :具有比部分2中更高的空間頻率的下半k空間中的采集區(qū)域。
[0019]-部分4 :具有比部分2中更高的空間頻率的上半k空間中的采集區(qū)域。
[0020]-部分5 :具有比部分4中更高的空間頻率的上半k空間中的未采集區(qū)域。
[0021] 對(duì)所述k空間中的部分1進(jìn)行完全采樣。
[0022] 用均勻采樣密度對(duì)所述k空間中的部分2進(jìn)行欠采樣。
[0023] 用比部分2中更低的均勻采樣密度對(duì)所述k空間中的部分3進(jìn)行欠采樣。
[0024] 用比部分3中更低的均勻采樣密度對(duì)所述k空間中的部分4進(jìn)行欠采樣。
[0025] 完全不采集所述k空間中的部分5。
[0026] 所述部分2和部分4的形狀的一種選擇是橢圓。
[0027] 所述部分2和部分4的形狀的一種選擇是矩形。
[0028] 數(shù)據(jù)采集的一種選擇是在所述部分2、部分3和部分4中應(yīng)用矩形欠采樣（參見(jiàn)參 考文獻(xiàn)[7])。
[0029] 對(duì)數(shù)據(jù)采集的一種選擇是在所述部分2、部分3和部分4中應(yīng)用隨機(jī)欠采樣。
[0030] 本發(fā)明的另一目的是提出一種用于通過(guò)所述k空間采樣圖案來(lái)采集的數(shù)據(jù)集的 圖像重建方法。
[0031]發(fā)明概要
[0032] 這些目的通過(guò)對(duì)以上討論的方法進(jìn)行如下修改來(lái)實(shí)現(xiàn)：對(duì)被稱為部分1的k2_k# 面的第一子集進(jìn)行完全采樣，部分1關(guān)于k空間中心對(duì)稱；用均勻密度對(duì)被稱為部分2的 k2-k3平面的第二子集進(jìn)行欠采樣，部分2具有比部分1中更高的空間頻率且關(guān)于k空間中 心對(duì)稱；用均勻密度對(duì)被稱為部分3的下半匕；3平面中的第三子集進(jìn)行欠采樣，部分3具 有比部分2中更高的空間頻率；用均勻密度對(duì)被稱為部分4的上半k2-k3平面中的第四子集 進(jìn)行欠采樣，部分4具有比部分2中更高的空間頻率；完全不采集被稱為部分5的上半k2-k3 平面中的第五子集，部分5具有比部分4中更高的空間頻率；
[0033] 部分2中的采樣密度比部分1中低，部分3中的采樣密度比部分2中低，部分4中 的采樣密度比部分3中低，部分5中不采集數(shù)據(jù)；以及
[0034] 通過(guò)像在非線性共軛梯度方法中那樣用下降算法對(duì)代價(jià)函數(shù)迭代地進(jìn)行最小化 來(lái)重建圖像，該代價(jià)函數(shù)是多個(gè)正則項(xiàng)（regularizationterm)的加權(quán)和，相位約束項(xiàng)被引 入該代價(jià)函數(shù)，被稱為Rp。的該相位約束項(xiàng)為
，其中x 表示迭代最小化中的中間解，IlglliiEk|gk|，gk是矩陣g的第k個(gè)元素；A〇B表示矩陣A和矩陣B的Hadamard乘積；|x|表示x的幅值；PK表示要被重建的圖像的相位的估計(jì)值； W表示權(quán)重圖（weightingmap)。
[0035] 本發(fā)明提出用于以上所討論的圖像重建的下列步驟：
[0036] 通過(guò)僅使用所述部分1和部分2中的采集數(shù)據(jù)來(lái)重建圖像（被稱為IK)。在所述 ^的重建中，將所述部分3、部分4和部分5中的數(shù)據(jù)設(shè)置為零。提取所述IK中的相位圖像 (被稱為PK)。
[0037]通過(guò)使用下降算法對(duì)代價(jià)函數(shù)f。迭代地進(jìn)行最小化來(lái)獲得最終圖像（被稱為IF)， 下降算法例如參考文獻(xiàn)[5]本身提出的非線性共軛梯度方法。
[0038] 所述代價(jià)函數(shù)f?？梢员硎緸橄铝姓齽t項(xiàng)的加權(quán)和，但不限于列出的項(xiàng)：
[0040] x表示所述迭代最小化處理中IF的中間解；y是所采集的k空間數(shù)據(jù)；F是傅里葉 變換運(yùn)算符；U表示具有二進(jìn)制元（binaryentry)的k空間采樣掩碼；W是稀疏變換運(yùn)算