基于雙回波的單掃描定量磁共振擴(kuò)散成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及磁共振成像的方法，尤其是涉及單掃描定量磁共振表觀擴(kuò)散系數(shù) (apparent diffusion coefficient，ADC)成像的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 擴(kuò)散成像作為核磁共振定量成像的一種，提供了用于以非入侵的方式分析正常和 病態(tài)活體組織的對(duì)比機(jī)制，目前已應(yīng)用于腦、心臟、脊髓微細(xì)結(jié)構(gòu)的研究。單掃描超快速核 磁共振成像（MRI)在活體擴(kuò)散研究中非常重要。這要求要克服磁體中的自發(fā)運(yùn)動(dòng)，在無 外部干擾的實(shí)驗(yàn)中測量任意微秒量級(jí)的位移。然而，擴(kuò)散成像在其成像過程中需要獲取 一系列對(duì)比加權(quán)的圖像，通過兩個(gè)或兩個(gè)以上不同擴(kuò)散因子（b值）的擴(kuò)散加權(quán)像，才可 計(jì)算出水分子的表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC)?，F(xiàn)有的擴(kuò)散成 像的方法不能實(shí)現(xiàn)一次掃描的得到所有的擴(kuò)散加權(quán)像，都是通過多次掃描來實(shí)現(xiàn)對(duì)多方 向擴(kuò)散或多梯度場的值下的擴(kuò)散進(jìn)行探測，多次掃描使得獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間很長，造成采集 到的加權(quán)像容易受到采樣標(biāo)本運(yùn)動(dòng)的干擾。現(xiàn)有的縮小采樣時(shí)間的方法，主要是通過限 制F0V，并行成像和部分傅里葉重建等方法，在某種程度上最小化擴(kuò)散的檢測時(shí)間，使之在 時(shí)間上符合傳統(tǒng)傅里葉的多掃描MRI方法的要求。比如：下采樣自旋回波磁共振成像[1](Spin-Echo MRI)、梯度自旋回波磁共振成像[2] (Gradient Spin Echo MRI)等等。但是，多 次激發(fā)的磁共振參數(shù)成像方法在獲取階段仍然需要耗費(fèi)數(shù)秒的時(shí)間。1977年，英國的諾丁 漢（Nottingham)大學(xué)物理系Petter Mansfield博士與他的同伴I.L Pykett提出的平面 回波成像（echo-planar imaging, EPI)，可以作為單掃描快速成像方法用于擴(kuò)散成像，但也 至少需要兩次的EPI采樣才能得到ADC圖。之后，單掃描的多回波的EPI[3]方法被提出，此 方法通過將一系列對(duì)比加權(quán)圖像的獲取包含在一次掃描中所獲得的多個(gè)回波中。然而這種 方法存在局限性，一方面是這種方法需要延長回波鏈，必然導(dǎo)致增加獲取的時(shí)間與信號(hào)的 衰減；另一方面這種方法的實(shí)現(xiàn)與常規(guī)EPI方法相比是以延長重復(fù)時(shí)間（TR)為代價(jià)的，這 就可能需要犧牲所得回波圖像的空間分辨率；而且這種方法目前只能用于T2*定量成像， 不能用于ADC定量成像。之后盡管有不同的快速定量成像方法相繼被提出，但是這些方法 都是用多次激發(fā)序列來進(jìn)行定量成像，這樣不僅效果不夠好，成像效率并沒有較大的提升。
[0003] 參考文獻(xiàn)
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供基于雙回波的單掃描定量磁共振擴(kuò)散成像方法（DM-0LED 方法）。
[0008] 本發(fā)明包含如下步驟：
[0009] (1)在磁共振成像儀操作臺(tái)上，打開磁共振成像儀中的操作軟件，首先對(duì)成像物體 進(jìn)行感興趣區(qū)域定位，然后進(jìn)行調(diào)諧、勻場、功率校正和頻率校正；
[0010] (2)導(dǎo)入事先編譯好的DM-0LED序列：設(shè)置脈沖序列的各個(gè)參數(shù)；
[0011] 所述DM-0LED序列的結(jié)構(gòu)如圖1依次為：翻轉(zhuǎn)角為α的激發(fā)脈沖、脈沖間距 STE\(該時(shí)間間隔中包含了移位梯度和擴(kuò)散梯度）、翻轉(zhuǎn)角為α的激發(fā)脈沖、移位梯度、 180°的重聚脈沖、采樣回波鏈；
[0012] 兩個(gè)小角度的激發(fā)脈沖結(jié)合頻率維即X方向的兩個(gè)移位梯度Grol和G ro2，和相位維 即y方向的兩個(gè)移位梯度6_和G _，使兩個(gè)激發(fā)脈沖產(chǎn)生的回波在信號(hào)空間即k空間的中 心產(chǎn)生偏移，180°的重聚脈沖以及兩個(gè)激發(fā)脈沖都與層選方向即z方向的層選梯度Gss相 結(jié)合進(jìn)行層選；第二個(gè)激發(fā)脈沖前后分別施加回波延時(shí)，其中S TE的長度為1/4回波鏈長， 180°的重聚脈沖前后有X，y，z三個(gè)方向的破壞梯度作用；
[0013] 采樣回波鏈?zhǔn)怯煞謩e作用在X，y方向的梯度鏈組成；X方向的梯度鏈由一系列大 小相等的正負(fù)采樣梯度構(gòu)成，且每個(gè)梯度的面積是所述移位梯度Grol的三倍；y方向的梯度 鏈?zhǔn)怯梢幌盗写笮∠嗟鹊募夥逄荻葮?gòu)成，且尖峰梯度的面積和等于移位梯度面積的四 倍；
[0014] 在采樣回波鏈之前，頻率和相位方向分別施加了重聚梯度，頻率維的重聚梯度的 面積是Gra面積的一半，方向與G 相反；相位維的重聚梯度的面積是所述所有尖峰梯度面 積和的一半，方向與尖峰梯度相反；
[0015] (3)執(zhí)行步驟（2)設(shè)置好的所述DM-0LED序列，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣；數(shù)據(jù)采樣完成后， 得到兩個(gè)回波信號(hào)的混合信號(hào)。
[0016] (4)對(duì)步驟（3)得到的兩個(gè)回波信號(hào)的混合信號(hào)進(jìn)行分析。兩個(gè)回波信號(hào)由于演 化時(shí)間相同導(dǎo)致T2加權(quán)相同。通過理論推導(dǎo)可得要分離的兩個(gè)回波信號(hào)SJP 52的表達(dá)式 如下：
[0019] 式中
是擴(kuò)散因子，
通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)α = 45°時(shí)，兩個(gè)回波信號(hào)的強(qiáng)度都相對(duì)較高。
[0020] (5)對(duì)步驟（4)得到的兩個(gè)回波信號(hào)的混合信號(hào)用分離算法進(jìn)行處理，根據(jù)傅里 葉變換理論，混合信號(hào)中的兩個(gè)回波信號(hào)在圖像域的線性相位是不一樣的，但是它們是來 自同一個(gè)圖像層，利用兩者的圖像結(jié)構(gòu)相似的先驗(yàn)信息可以對(duì)兩個(gè)回波信號(hào)SJP S2進(jìn)行聯(lián) 合重建，分離用的重建算法如下：
[0022] 其中Xl是從回波信號(hào)S i中重建出來的圖像，X 2是從回波信號(hào)S 2中重建出來的圖 像；
是尺度因子，χ1(]，χ2(]分別是回波信號(hào)3 1和回波信號(hào)S2的初始圖像；λ ρ 入2和λ 3分別是拉格朗日乘數(shù)法可調(diào)整約束權(quán)重；▽是梯度算子，第一項(xiàng)是保真項(xiàng)，第二項(xiàng) 和第三項(xiàng)是對(duì)第一幅和第二幅圖像的稀疏性約束，最后一項(xiàng)是兩幅圖像輪廓相似性約束； Xl和X 2有如下關(guān)系：
[0024] 其中
分別是x#Px2的線性相位，
都是關(guān)于空間 位置矢量r的函數(shù)；X。是用采樣到的兩個(gè)回波信號(hào)的混合信號(hào)傅里葉逆變換得到的圖像。 通過迭代算法求解上述式子就可以得到分離后的回波信號(hào)Si和回波信號(hào)S 2產(chǎn)生的圖像X i 和x2。
[0025] (6)對(duì)步驟（5)分離出來的圖像xJP X 2進(jìn)行ADC成像計(jì)算，對(duì)于單掃描的ADC成 像方法來說，只需要兩幅不同b值圖像就足夠了，ADC的值直接通過ADC弛豫方程求得：
[0027] 其中
是校正因子。這里加入了全變分（Total Variation, TV)外推 法來增強(qiáng)圖像的分辨率，而且設(shè)定了一個(gè)閾值，當(dāng)?shù)玫降臄?shù)值低于閾值時(shí)會(huì)被認(rèn)為噪聲而 忽略，同樣當(dāng)計(jì)算出的ADC值過大時(shí)也是不合理的，也會(huì)被省略。最后通過ADC成像計(jì)算得 到了具有較好分辨率的高品質(zhì)的ADC圖像。
[0028] 本發(fā)明在一次掃描的情況下，獲得含有兩個(gè)重疊的回波信號(hào)的混合信號(hào)，然后利 用分離算法對(duì)兩個(gè)重疊的信號(hào)進(jìn)行分離重建，從而獲得與常規(guī)單掃描EPI序列所需要的 獲取時(shí)間和分辨率相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)分離信號(hào)的重建圖像，最后對(duì)兩個(gè)分離信號(hào)的重建圖像進(jìn)行 ADC計(jì)算，實(shí)現(xiàn)單掃描下獲得ADC圖像。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明中DM-0LED序列結(jié)構(gòu)圖。
[0030] 圖2是DM-0LED序列的模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比圖。其中：
[0031] (a)是分離之前DM-0LED序列重建出的包含兩個(gè)回波信號(hào)的圖像；
[0032] (b)是從（a)中分離之后第一個(gè)回波信號(hào)圖像；
[0033] (c)是從（a)中分離之后第二個(gè)回波信號(hào)圖像；
[0034] (d)ADC 模型；
[0035] (g)普通EPI擴(kuò)散序列（b值與DM-0LED序列相同）采樣的幅值圖；
[0036] (f)是從（a)中重建出來的ADC圖像；
[0037] (h)是⑷和（e)中分別沿著水平中線和垂直中線剖面的ADC值。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：
[0039] 本發(fā)明具體實(shí)施過程中的各個(gè)步驟如下：
[0040] (1)在磁共振成像儀操作臺(tái)上，打開磁共振成像儀中的操作軟件，首先對(duì)成像物體 進(jìn)行感興趣區(qū)域定位，然后進(jìn)行調(diào)諧、勻場、功率校正和頻率校正；
[0041 ] (2)導(dǎo)入事先編譯好的DM-0LED序列：根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)情況，設(shè)置脈沖序列的各個(gè) 參數(shù)；
[0042] 所述DM-0LED序列的結(jié)構(gòu)如圖1依次為：翻轉(zhuǎn)角為α的激發(fā)