腦功能磁共振成像方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新的腦功能磁共振成像方法和系統(tǒng)，其方法包括：獲取基于多通道并行且稀疏采樣獲得的每一個相控陣線圈對應的動態(tài)數(shù)據(jù)圖像和第一參考圖像；根據(jù)所述第一參考圖像，獲得每個相控陣線圈在每個動態(tài)數(shù)據(jù)圖像獲取時刻處的基準圖像；根據(jù)所述基準圖像，獲得高階廣義級模型的基函數(shù)；利用L2范數(shù)對高階廣義級模型的級系數(shù)進行約束，基于所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像和所述基函數(shù)估計獲得所述級系數(shù)；根據(jù)所述級系數(shù)的估計值和所述基準圖像，基于高階廣義級模型重建出每個通道各個時間點對應的中間圖像；基于相控陣線圈的敏感度矩陣，對所述中間圖像進行并行重建，獲得重建后的動態(tài)腦功能磁共振圖像。其解決了現(xiàn)有技術成像技術中存在圖像幾何畸變以及奈奎斯采樣偽影問題。
【專利說明】腦功能磁共振成像方法和系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及腦功能磁共振成像技術，特別是涉及一種基于廣義級模型的腦功能磁 共振成像方法和系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]腦功能磁共振成像（function magnetic resonance imaging, fMRI)是在大腦神 經(jīng)活動情況下測量大腦的血液動力學反應。目前常用的EPI (Echo-planar imaging)成像 能夠在幾百毫秒內(nèi)采集一個層面，空間分辨率可以達到2-3毫米，然而隨著功能成像研究 的不斷深入和發(fā)展，基于EPI的腦功能成像由于其本身硬件條件的限制，很難進一步的提 高空間和時間分辨率。
[0003] BOLD效應fMRI是基于神經(jīng)元功能活動對局部氧耗量和腦血流影響程度不匹配所 導致的局部磁場性質(zhì)變化的原理。由于這種信號強度較弱，且神經(jīng)元活動引起局部力流增 加是短暫的，普通的MRI成像速度較慢，很難捕捉到神經(jīng)電活動引起的這種瞬時變化，目前 各種各樣的fMRI成像方法相繼提出來進一步的提高分辨率和信號強度。例如，并行成像技 術中的SMASH (SMASH技術主要利用相陣控線圈敏感度的線性組合代替由梯度產(chǎn)生的相位 編碼的空間調(diào)節(jié)，從而減少了圖像采集時間。）等，可以聯(lián)合EPI技術，在保證一定的時間 分辨率的前提下提高空間分辨率，由于讀出時間的減少，減少了磁敏感度偽影，并且EPI噪 聲也由于減少了梯度間的頻繁切換而隨之減少。然而在高場fMRI情況下，T2*衰減時間很 短，在單次激發(fā)很難在保證圖像質(zhì)量的前提下采集大量的相位編碼線，為了解決這些問題， 研究者們提出采用分段的k空間獲取，部分傅里葉采集（partial Fourier sampling),外部 容積壓制（outer volume suppression)和內(nèi)部容積選擇（inner volume selection)等。 除此之外，基于單擊發(fā)多回波的EPI和非笛卡爾采樣原理提出了多種快速磁共振BOLD功能 成像序列。如2008年Rabrait等提出的單激發(fā)體回波成像（single shot echo-volumar imaging, EVI)技術、2009年Grotz等提出的降采樣投影成像技術（projection imaging)、 2010年Feinberg等提出的multiplexed EPI技術、2011年Zahneisen等提出的三維 rosette 軌跡米樣成像以及 2012 年 Stefan 等提出的 multi-slab echo-volumar imaging 技術等。這些技術能將BOLD功能成像的時間分辨率從常規(guī)的2?3s提高至幾百毫秒。然 而由于這些方法均以EPI序列為基礎，依然存在著EPI固有的成像缺點，需要矯正Nyquist 偽影和幾何形變，其時間分辨率的提高是以增加圖像幾何畸變或犧牲空間分辨率為代價換 來的。
[0004] 在現(xiàn)有的磁共振硬件條件下，目前腦功能磁共振成像方法主要是采用最快的EPI 序列采集方式進行成像，由于該序列本身對磁場硬件梯度的要求過高，以及圖像空間分辨 率較低，容易出現(xiàn)圖像幾何畸變以及Nyquist (奈奎斯采樣）偽影。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 基于此，有必要針對現(xiàn)有技術成像技術中存在圖像幾何畸變以及奈奎斯采樣偽影 問題，提供一種新的腦功能磁共振成像方法和系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的一種腦功能磁共振成像方法，其包括：
[0007] 獲取基于多通道并行且稀疏采樣獲得的每一個相控陣線圈對應的動態(tài)數(shù)據(jù)圖像 和第一參考圖像；
[0008] 根據(jù)所述第一參考圖像，獲得每個相控陣線圈在每個動態(tài)數(shù)據(jù)圖像獲取時刻處的 基準圖像；
[0009] 根據(jù)所述基準圖像，獲得高階廣義級模型的基函數(shù)；
[0010] 利用L2范數(shù)對高階廣義級模型的級系數(shù)進行約束，基于所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像和所述 基函數(shù)估計獲得所述級系數(shù)；
[0011] 根據(jù)所述級系數(shù)的估計值和所述基準圖像，基于高階廣義級模型重建出每個通道 各個時間點對應的中間圖像；
[0012] 基于相控陣線圈的敏感度矩陣，對所述中間圖像進行并行重建，獲得重建后的動 態(tài)腦功能磁共振圖像。
[0013] 在其中一個實施例中，所述第一參考圖像包括：針對每一個相控陣線圈在采集所 述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像前后分別采集的至少兩個K空間欠采樣圖像。
[0014] 在其中一個實施例中，所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像為K空間欠采樣、且邊緣未采集的圖像。
[0015] 在其中一個實施例中，所述根據(jù)所述基準圖像獲得高階廣義級模型的基函數(shù)的過 程包括：
[0016] 給定控制參數(shù)U;
[0017] 調(diào)用下述公式（1)計算獲得所述高階廣義級模型的基函數(shù)：
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 一種腦功能磁共振成像方法，其包括： 獲取基于多通道并行且稀疏采樣獲得的每一個相控陣線圈對應的動態(tài)數(shù)據(jù)圖像和第 一參考圖像； 根據(jù)所述第一參考圖像，獲得每個相控陣線圈在每個動態(tài)數(shù)據(jù)圖像獲取時刻處的基準 圖像； 根據(jù)所述基準圖像，獲得高階廣義級模型的基函數(shù)； 利用L2范數(shù)對高階廣義級模型的級系數(shù)進行約束，基于所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像和所述基函 數(shù)估計獲得所述級系數(shù)； 根據(jù)所述級系數(shù)的估計值和所述基準圖像，基于高階廣義級模型重建出每個通道各個 時間點對應的中間圖像； 基于相控陣線圈的敏感度矩陣，對所述中間圖像進行并行重建，獲得重建后的動態(tài)腦 功能磁共振圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述第一參考圖像包 括：針對每一個相控陣線圈在采集所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像前后分別采集的至少兩個K空間欠采 樣圖像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像為K 空間欠采樣、且邊緣未采集的圖像。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述根據(jù)所述基準圖 像獲得高階廣義級模型的基函數(shù)的過程包括： 給定控制參數(shù)U ; 調(diào)用下述公式（1)計算獲得所述高階廣義級模型的基函數(shù)： %?=(〇>+/你-公式⑴ 其中，奶U(X)表示高階廣義級模型的基函數(shù)；/Cif OO表示第1個相控陣線圈在第q個時 間點對應的基準圖像；1 = 1，...，L，L表示相控陣線圈的個數(shù)，每一個相控陣線圈采集的數(shù) 據(jù)對應一個輸出通道；U是個控制參數(shù)，Ak滿足奈奎斯采樣率的采樣間隔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述根據(jù)所述級系數(shù)、 基于高階廣義級模型重建出每個通道各個時間點對應的中間圖像的過程包括： 獲取控制參數(shù)U ; 調(diào)用下述公式（3)計算每個通道各個時間點對應的中間圖像：
其中，Cn表示所述級系數(shù)；表示第1個相控陣線圈在第q個時間點對應的中間 圖像；M表示采集所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像的相位編碼數(shù)，n表示相位編碼數(shù)變量，其取值范圍為
;P=(X)表示第1個相控陣線圈在第q個時間點對應的基準圖像；ii是個控 制參數(shù)，Ak滿足奈奎斯采樣率的采樣間隔。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述利用L2范數(shù)對高 階廣義級模型的級系數(shù)進行約束、基于所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像和所述基函數(shù)估計獲得所述級系 數(shù)的過程包括： 根據(jù)獲得的基函數(shù)生成矩陣向量； 依據(jù)欠采樣因子構(gòu)成的欠采樣矩陣乘以所述矩陣向量獲得中間矩陣向量； 調(diào)用下述公式（4)計算所述級系數(shù)： = (AJ#A+21)-，公式（4) 其中，4表示所述級系數(shù)的估計值;A表示所述中間矩陣向量，Ah表示矩陣A的共軛矩 陣；A表示正則化參數(shù)；D表示所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像，即針對第1個相控陣線圈的T個采樣時 間幀對應的K空間欠采樣圖像D1, i (k)，…，DT，i (k)，I = I，. . .，L，L表示相控陣線圈的個數(shù)； /:cix￡ 4<C1XjL是單位算子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述利用靈敏度編碼 技術對所述中間圖像進行并行重建的過程包括： 根據(jù)針對每一個相控陣線圈采集的一個或多個全采樣的參考圖像，獲得敏感度矩陣； 結(jié)合所述敏感度矩陣和所述中間圖像，采用最小二乘法估計每個時間點對應的初始重 建圖像； 基于高階廣義級模型，利用L2范數(shù)對所述初始重建圖像進行約束，估計獲得每個時間 點對應的重建后的腦功能磁共振圖像； 匯總各個時間點對應的重建后的腦功能磁共振圖像，形成所述重建后的動態(tài)腦功能磁 共振圖像。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述利用L2范數(shù)對所 述初始重建圖像進行約束、估計獲得每個時間點對應的重建后的腦功能磁共振圖像的步驟 通過調(diào)用下述公式（5)執(zhí)行計算獲得： Pr =pti+(sNs+r Iy1SliAd 公式（5) 其中，A表示每個時間點對應的重建后的腦功能磁共振圖像；P,表示所述初始 重建圖像；S表示所述敏感度矩陣，Sh表示S的共軛矩陣；Y表示正則化參數(shù)，Y可 在[Y min，Y m J之間取值，其中，Y min = 1〇_4 0 M，0 M為S的最大特征值，Y max = O M ; /:ClxI 是單位算子；A] = 3-3表示所述中間圖像。
9. 一種腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括： 數(shù)據(jù)提取模塊，用于獲取基于多通道并行且稀疏采樣獲得的每一個相控陣線圈對應的 動態(tài)數(shù)據(jù)圖像和第一參考圖像； 參考圖像提取模塊，用于根據(jù)所述第一參考圖像，獲得每個相控陣線圈在每個動態(tài)數(shù) 據(jù)圖像獲取時刻處的基準圖像； 基函數(shù)計算模塊，用于根據(jù)所述基準圖像，獲得高階廣義級模型的基函數(shù)； 級系數(shù)計算模塊，用于利用L2范數(shù)對高階廣義級模型的級系數(shù)進行約束，基于所述動 態(tài)數(shù)據(jù)圖像和所述基函數(shù)估計獲得所述級系數(shù)； 第一圖像重建模塊，用于根據(jù)所述級系數(shù)的估計值和所述基準圖像，基于高階廣義級 模型重建出每個通道各個時間點對應的中間圖像；及 第二圖像重建模塊，用于基于相控陣線圈的敏感度矩陣，對所述中間圖像進行并行重 建，獲得重建后的動態(tài)腦功能磁共振圖像。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述基函數(shù)計算模塊 包括： 設定單元，用于給定控制參數(shù)U ;和 基函數(shù)計算單元，用于調(diào)用下述公式（1)計算獲得所述高階廣義級模型的基函數(shù)： 隊M) = (p':U輛加一公式⑴ 其中，IW(X)表示高階廣義級模型的基函數(shù)；/〇( 00表示第1個相控陣線圈在第q個時 間點對應的基準圖像；1 = 1，...，L，L表示相控陣線圈的個數(shù)，每一個相控陣線圈采集的數(shù) 據(jù)對應一個輸出通道；U是個控制參數(shù)，Ak滿足奈奎斯采樣率的采樣間隔。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一圖像重建模 塊包括： 參數(shù)提取單元，用于獲取控制參數(shù)U ;和 中間圖像獲取單元，用于調(diào)用下述公式（3)計算每個通道各個時間點對應的中間圖 像：
其中，Cn表示所述級系數(shù)；#9J(X)表示第1個相控陣線圈在第q個時間點對應的中間 圖像；M表示采集所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像的相位編碼數(shù)，n表示相位編碼數(shù)變量，其取值范圍為
;(X)表示第1個相控陣線圈在第q個時間點對應的基準圖像；ii是個控 制參數(shù)，Ak滿足奈奎斯采樣率的采樣間隔。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述級系數(shù)計算模塊 包括： 特征向量提取單元，用于根據(jù)獲得的基函數(shù)生成矩陣向量； 中間向量計算單元，用于依據(jù)欠采樣因子構(gòu)成的欠采樣矩陣乘以所述矩陣向量獲得中 間矩陣向量；及 級系數(shù)提取單元，用于調(diào)用下述公式（4)計算所述級系數(shù)： cn ^(A11 A+AlY4 A11D 公式（4) 其中，A表示所述級系數(shù)的估計值；A表示所述中間矩陣向量，Ah表示矩陣A的共軛矩 陣；A表示正則化參數(shù)；D表示所述動態(tài)數(shù)據(jù)圖像，即針對第1個相控陣線圈的T個采樣時 間幀對應的K空間欠采樣圖像D1, i (k)，…，DT，i (k)，I = I，. . .，L，L表示相控陣線圈的個數(shù)；
是單位算子。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第二圖像重建模 塊包括： 敏感度矩陣提取單元，用于根據(jù)針對每一個相控陣線圈采集的一個或多個全采樣的參 考圖像，獲得敏感度矩陣； 初始重建單元，用于結(jié)合所述敏感度矩陣和所述中間圖像，采用最小二乘法估計每個 時間點對應的初始重建圖像； 再次重建單元，用于基于高階廣義級模型，利用L2范數(shù)對所述初始重建圖像進行約束， 估計獲得每個時間點對應的重建后的腦功能磁共振圖像；及 輸出單元，用于匯總各個時間點對應的重建后的腦功能磁共振圖像，形成所述重建后 的動態(tài)腦功能磁共振圖像。
【文檔編號】A61B5/055GK104323776SQ201410572855
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】史彩云, 謝國喜, 張曉詠, 張麗娟, 劉新 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院