一種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及信息處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建技術(shù)。該技術(shù)沿采集信號(hào)時(shí)間軸方向的滑動(dòng)窗重建圖像序列并生成對(duì)應(yīng)窗寬的字典元素。該技術(shù)可以縮短總采集時(shí)間，在相同的采集時(shí)間下能獲得更精確的定量參數(shù)成像結(jié)果以及更小的誤差。另一方面，由于這一方法采用的是非迭代方法，所需重建時(shí)間和傳統(tǒng)磁共振指紋識(shí)別技術(shù)相近，因此有較大的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】
一種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建技術(shù)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及信息處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建 技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁共振成像(MRI)是一種無電離輻射的多參數(shù)成像技術(shù)，有著廣泛的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng) 用。磁共振定量成像作為磁共振技術(shù)的一個(gè)研究方向，主要利用不同射頻脈沖序列激發(fā)后 接收到的信號(hào)強(qiáng)度的變化，計(jì)算出身體不同組織的弛豫時(shí)間以及質(zhì)子密度等定量參數(shù) 的圖譜。這種定量的圖譜能夠直觀的反映出組織的不同生理和物理特性，因此在醫(yī)學(xué)診斷 方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。由于常規(guī)定量成像技術(shù)需要分別設(shè)計(jì)不同的射頻脈沖序列分別獲 得!^、!^、質(zhì)子密度和偏共振等定量圖譜，因此存在易受運(yùn)動(dòng)偽影影響、總掃描時(shí)間長(zhǎng)等問 題。這一瓶頸限制了定量成像在臨床上的應(yīng)用。
[0003] 磁共振指紋識(shí)別技術(shù)(MRF)是一種快速同時(shí)獲得多參數(shù)定量成像(如T^Ts、質(zhì)子密 度和偏共振圖譜）的新方法(Ma D et al.Nature 495:187-92;2013.)。這一技術(shù)包括以下 步驟：（1)在脈沖序列的每一次激發(fā)中采用不同的重復(fù)時(shí)間（TR)、回波時(shí)間（TE)和翻轉(zhuǎn)角 (FA)，并用多次激發(fā)螺旋軌跡(multi-interleaf spiral)采集數(shù)據(jù)并重建得到欠采樣的圖 像序列。（2)根據(jù)脈沖序列的參數(shù)(TR、TE和FA)，基于擴(kuò)展相位圖技術(shù)(EPG)計(jì)算出字典。（3) 將重建的圖像序列與字典元素逐點(diǎn)匹配識(shí)別，即可同時(shí)獲得多參數(shù)定量成像結(jié)果。
[0004] 然而由于傳統(tǒng)的磁共振指紋識(shí)別技術(shù)在每個(gè)TR內(nèi)只采集一條螺旋線，因此每次激 發(fā)采集信號(hào)是高度欠采樣的，用其重建得到的圖像充滿不相干欠采樣偽影。這種類似噪聲 的欠采樣偽影會(huì)影響字典識(shí)別的準(zhǔn)確性，因此傳統(tǒng)的磁共振指紋識(shí)別技術(shù)需要保證足夠大 的激發(fā)次數(shù)(一般激發(fā)數(shù)L大于1000)來保證準(zhǔn)確的多參數(shù)識(shí)別結(jié)果，這樣總采集時(shí)間就會(huì) 增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提供一種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建 技術(shù)。
[0006] 為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建技術(shù)，該技術(shù)沿采集信號(hào)時(shí)間軸方向的滑 動(dòng)窗重建圖像序列并生成對(duì)應(yīng)窗寬的字典元素。
[0008] 優(yōu)選的，該技術(shù)具體包括以下步驟：
[0009] (1)磁共振信號(hào)采集:在磁共振成像儀中使用基于磁共振指紋識(shí)別技術(shù)架構(gòu)的脈 沖序列米集圖像；
[0010] (2)基于滑動(dòng)窗的圖像重建:沿采集數(shù)據(jù)的時(shí)間維度建立滑動(dòng)窗，重建采集信號(hào)得 到混合加權(quán)的圖像序列；
[0011] (3)基于滑動(dòng)窗的字典生成:根據(jù)步驟(2)中選定的滑動(dòng)窗窗寬，生成對(duì)應(yīng)的字典 元素；
[0012] (4)計(jì)算定量多參數(shù)成像:將步驟（2)基于滑動(dòng)窗的圖像重建的圖像序列和步驟 (3)生成的字典元素匹配識(shí)別，得到定量參數(shù)成像。
[0013] 所述的磁共振信號(hào)采集，是在磁共振成像儀中使用基于磁共振指紋識(shí)別技術(shù)架構(gòu) 的脈沖序列采集圖像，其中在脈沖序列的每一次激發(fā)中采用不同的重復(fù)時(shí)間（TR)、回波時(shí) 間（TE)和翻轉(zhuǎn)角(FA)，采集方式為多次激發(fā)變密度螺旋軌跡(multi-interleaf variable d e n s i t y s p i r a 1)采集?；诖殴舱裰讣y識(shí)別技術(shù)架構(gòu)的脈沖序列，包括但不限于 inversion prepared FISP、balanced SSFP、彌散加權(quán)（diffusion-weighted)的穩(wěn)態(tài)序列 和自旋回波(spin echo)序列。
[0014] 步驟(2)的圖像重建和步驟(3)的字典生成不同于傳統(tǒng)的磁共振指紋識(shí)別技術(shù)，本 方案使用一個(gè)沿采集信號(hào)時(shí)間軸方向的滑動(dòng)窗重建圖像序列以及生成對(duì)應(yīng)窗寬的字典元 素。
[0015] 所述的步驟(4)的計(jì)算定量多參數(shù)成像，是指將步驟(2)中基于滑動(dòng)窗的重建圖像 序列和步驟(3)中生成的字典進(jìn)行逐點(diǎn)識(shí)別，得到定量參數(shù)成像。其中識(shí)別的算法采用點(diǎn)積 法，即將像素點(diǎn)的時(shí)間序列分別與（3)中所有字典元素點(diǎn)乘，點(diǎn)乘值最大的字典元素所對(duì)應(yīng) 的參數(shù)值即為該點(diǎn)的定量參數(shù)值。將(2)中重建得到的圖像序列逐點(diǎn)識(shí)別，最終即可獲得定 量多參數(shù)成像圖譜。
[0016] 優(yōu)選的，步驟(2)具體為:設(shè)置一個(gè)滑動(dòng)窗，沿采集信號(hào)的時(shí)間軸滑動(dòng)，并將窗內(nèi)不 同時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)重建成一張圖像。所述步驟(2)的基于滑動(dòng)窗的圖像重建，是設(shè)置一個(gè)沿采 集信號(hào)的時(shí)間軸滑動(dòng)的滑動(dòng)窗，并將窗內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)用不均勻反傅里葉變換 (INUFFT)重建成一張圖像。這樣重建得到的圖像序列是混合加權(quán)的，并且由變密度螺旋軌 跡欠采樣引起的偽影會(huì)減小。
[0017]優(yōu)選的，步驟(3)中，首先基于擴(kuò)展相位圖技術(shù)生成磁共振指紋識(shí)別技術(shù)所需要的 字典元素，然后根據(jù)步驟(2)選定的滑動(dòng)窗寬沿該字典矩陣的時(shí)間軸相加，得到基于滑動(dòng)窗 的新字典。基于滑動(dòng)窗的字典生成技術(shù)，是指首先根據(jù)步驟(1)中脈沖序列的參數(shù)(TR、TE和 FA)和擴(kuò)展相位圖（EPG)技術(shù)計(jì)算出磁共振指紋識(shí)別技術(shù)所需要的字典元素;然后根據(jù)(2) 中選定的滑動(dòng)窗寬沿該字典矩陣的時(shí)間軸相加，得到基于滑動(dòng)窗的新字典。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是:該方法可以縮短總采集時(shí)間，在相同的采集 時(shí)間下能獲得更精確的定量參數(shù)成像結(jié)果以及更小的誤差。另一方面，由于這一方法采用 的是非迭代重建方法，所需重建時(shí)間和傳統(tǒng)磁共振指紋識(shí)別技術(shù)相近，因此有較大的應(yīng)用 價(jià)值。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0020] 圖2是傳統(tǒng)磁共振指紋識(shí)別技術(shù)圖像重建和本發(fā)明的基于滑動(dòng)窗的圖像重建示意 圖；
[0021] 圖3是本發(fā)明使用不同滑動(dòng)窗寬得到的多定量參數(shù)結(jié)果、重建圖像以及信號(hào)曲線 與傳統(tǒng)磁共振指紋識(shí)別技術(shù)的比較圖；
[0022]圖4是本發(fā)明與傳統(tǒng)磁共振指紋識(shí)別技術(shù)在兩種激發(fā)次數(shù)(L = 300和500)下的得 到的結(jié)果以及和參考值的定量比較。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述說明。
[0024]如果無特殊說明，本發(fā)明的實(shí)施例中所采用的原料均為本領(lǐng)域常用的原料，實(shí)施 例中所采用的方法，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。
[0025] 實(shí)施例：
[0026] -種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建技術(shù)，該技術(shù)沿采集信號(hào)時(shí)間軸方向的滑 動(dòng)窗重建圖像序列并生成對(duì)應(yīng)窗寬的字典元素，如圖1所示，該技術(shù)具體包括以下步驟：
[0027] (1)磁共振信號(hào)采集:在磁共振成像儀中使用基于磁共振指紋識(shí)別技術(shù)架構(gòu)的脈 沖序列采集圖像;本發(fā)明中的磁共振信號(hào)采集是在德國西門子公司的MAGNETOM Prisma 3T 磁共振成像儀中完成的。使用基于磁共振指紋識(shí)別技術(shù)架構(gòu)的脈沖序列采集圖像，其中在 脈沖序列的每一次激發(fā)中采用不同的TR(范圍從10ms到12ms，以Perlin噪聲模式變化)和FA (范圍從5度到80度，以正弦方式變化）。變密度螺旋采集包括30條已經(jīng)做0階梯度補(bǔ)償?shù)穆?旋線，每條線采集800點(diǎn)。每次激發(fā)內(nèi)采集一條螺旋線，并且每一條線旋轉(zhuǎn)較上次激發(fā)的軌 跡旋轉(zhuǎn)360/30 = 12度。所以30條螺旋線可以覆蓋整個(gè)k空間。本發(fā)明使用的脈沖序列是基于 西門子IDEA序列開發(fā)平臺(tái)自主編寫的。
[0028] (2)基于滑動(dòng)窗的圖像重建:沿采集數(shù)據(jù)的時(shí)間維度建立滑動(dòng)窗，重建采集信號(hào)得 到混合加權(quán)的圖像序列；
[0029] 如圖2所示，其中，圖2(a)是傳統(tǒng)磁共振指紋識(shí)別技術(shù)的重建示意圖，圖2(b)是基 于滑動(dòng)窗的圖像重建示意圖。設(shè)置一個(gè)沿采集信號(hào)的時(shí)間軸滑動(dòng)的滑動(dòng)窗，并將窗內(nèi)不同 激發(fā)點(diǎn)的信號(hào)用不均勻反傅里葉變換(INUFFT)重建成一張圖像。設(shè)窗寬為N，激發(fā)次數(shù)為L(zhǎng)， 如果采用滑動(dòng)窗沿采集時(shí)間軸滑動(dòng)重建，第一步第1到N次采集的螺旋線用NUFFT重建成第1 張圖像，第二步第2到N+1次采集的螺旋線重建成第2張圖像，以此類推，最后第L-N+1步第L-N+1到L次采集的螺旋線重建成第L-N+1張圖像。由于在每個(gè)TR內(nèi)只采集一條螺旋線，每次激 發(fā)采集信號(hào)是高度欠采樣的。而采用滑動(dòng)窗方法重建得到的圖像由欠采樣引起的偽影會(huì)減 小，能提高識(shí)別準(zhǔn)確度?；瑒?dòng)窗的每一步重建，窗內(nèi)的每條螺旋線對(duì)重建圖像的貢獻(xiàn)是相等 的，那么重建圖像的混合權(quán)重等于窗內(nèi)所有激發(fā)的權(quán)重（由TR、TE和FA決定)之和。本發(fā)明所 開發(fā)的圖像重建算法是在美國MathWork公司的MATLAB軟件上完成的。
[0030] (3)基于滑動(dòng)窗的字典生成:根據(jù)步驟(2)中選定的滑動(dòng)窗窗寬，生成對(duì)應(yīng)的字典 元素；
[0031]首先根據(jù)脈沖序列的參數(shù)(TR、TE和FA)和擴(kuò)展相位圖（EPG)技術(shù)計(jì)算出磁共振指 紋識(shí)別技術(shù)所需要的字典元素。字典矩陣大小為N1XN2XL，其中N1和N2是^和^值的可能 范圍。由于步驟(2)中混合加權(quán)的圖像序列是滑動(dòng)窗內(nèi)各激發(fā)點(diǎn)權(quán)重之和，所以字典也需要 沿采集時(shí)間軸L方向按照步驟(2)中設(shè)定的窗寬N相加，以識(shí)別出最終定量多參數(shù)圖譜。經(jīng)過 滑動(dòng)窗相加后的字典矩陣大小為N1XN2X(L-N+1)，時(shí)間點(diǎn)個(gè)數(shù)與步驟(2)中重建的圖像序 列一致。
[0032] (4)計(jì)算定量多參數(shù)成像:將步驟（2)基于滑動(dòng)窗的圖像重建的圖像序列和步驟 (3)生成的字典元素匹配識(shí)別，得到定量參數(shù)成像。
[0033]首先將步驟(2)中基于滑動(dòng)窗的重建圖像序列和步驟(3)中生成的字典歸一化，然 后進(jìn)行逐點(diǎn)識(shí)別，得到定量多參數(shù)成像(如I^TdP質(zhì)子密度圖譜）。其中識(shí)別的算法采用點(diǎn) 積法，即將圖像每一像素點(diǎn)的時(shí)間序列分別與步驟(3)中所有字典元素點(diǎn)乘，值最大的字典 元素所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值(如^和^值)即為該點(diǎn)的定量參數(shù)值。將步驟(2)中重建得到的圖像序 列逐點(diǎn)識(shí)別，最終即可獲得定量TjPT 2圖譜。另一方面，質(zhì)子密度圖譜反映了采集信號(hào)強(qiáng)度 的分布，因此可以由每一像素點(diǎn)的信號(hào)曲線與字典匹配的曲線的比值得到。
[0034]傳統(tǒng)的指紋識(shí)別技術(shù)在激發(fā)次數(shù)L=1000時(shí)可以獲得相對(duì)穩(wěn)定和準(zhǔn)確的結(jié)果。然 而當(dāng)激發(fā)次數(shù)減小時(shí)，由于欠采樣偽影的干擾，得到的結(jié)果會(huì)有較為嚴(yán)重偽影。以激發(fā)次數(shù) 為L(zhǎng)= 1000次作為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激發(fā)次數(shù)L = 500時(shí)，相當(dāng)于總采集時(shí)間僅為原來的一半。圖3為在 激發(fā)次數(shù)L = 500時(shí)，本發(fā)明使用不同滑動(dòng)窗寬(N = 5、10、20和30)得到的多定量參數(shù)結(jié)果、 重建圖像以及信號(hào)匹配曲線與傳統(tǒng)磁共振指紋識(shí)別技術(shù)的比較。圖3(d)可以看出隨窗寬增 加，單張重建圖像的偽影明顯減小。當(dāng)N = 30時(shí)，由于滑動(dòng)窗完整覆蓋整個(gè)k空間，欠采樣偽 影幾乎完全消失。圖3(a)到(c)分別是用上述不同方法識(shí)別得到的T^TdP質(zhì)子密度圖譜。從 圖3(b)到(c)的方框可以看出，隨著窗寬的增加，T 2圖譜和質(zhì)子密度圖譜結(jié)果中由于欠采樣 導(dǎo)致的環(huán)狀偽影明顯減輕，因此本發(fā)明提出的方法可以在較短的掃描時(shí)間內(nèi)獲得更準(zhǔn)確的 結(jié)果。圖3(e)為圖3(d)中圈內(nèi)所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)用上述不同方法處理分別得到的信號(hào)曲線以 及用對(duì)應(yīng)字典識(shí)別的匹配曲線?？梢钥闯鲭S著滑動(dòng)窗寬的增加，信號(hào)曲線逐漸平滑，時(shí)間域 的噪聲也逐漸減少，可以獲得更好的匹配準(zhǔn)確度。
[0035]圖4為本發(fā)明與傳統(tǒng)磁共振指紋識(shí)別技術(shù)在兩種激發(fā)次數(shù)(L = 300和500)下的得 到的結(jié)果以及與參考值的定量比較，從上到下依次為Ti圖譜、T2圖譜和質(zhì)子密度圖譜。其中， 激發(fā)次數(shù)L = 300次表示總采集時(shí)間僅為傳統(tǒng)指紋識(shí)別技術(shù)時(shí)間的3/10，L = 500次表示總采 集時(shí)間僅為傳統(tǒng)指紋識(shí)別技術(shù)時(shí)間的1/2。定義圖像的歸一化的平方和誤差(normalized sum-of-square error，NSSE)為：
，其中x和y是圖像的像 素點(diǎn)位置，Ire。是識(shí)別的圖像，Irrf是參考圖像，由全采樣圖像(重復(fù)30次，激發(fā)次數(shù)L=1000) 識(shí)別獲得。從圖4可以看出，當(dāng)L=1000時(shí)，傳統(tǒng)方法和本發(fā)明提出的方法都可以獲得較小的 偽影和穩(wěn)定的結(jié)果;在激發(fā)次數(shù)L小于1000次時(shí)，使用同一組采集數(shù)據(jù)重建，采用滑動(dòng)窗重 建的結(jié)果比傳統(tǒng)磁共振指紋識(shí)別技術(shù)環(huán)狀偽影更少，而且NSSE也變得更小。如圖4*T 2圖譜 中的方框所示，當(dāng)激發(fā)次數(shù)L從500減少到300時(shí)，傳統(tǒng)的磁共振指紋識(shí)別技術(shù)得到的1~2圖譜 環(huán)狀偽影更加嚴(yán)重，但滑動(dòng)窗重建的結(jié)果偽影較小。因此相較于傳統(tǒng)的磁共振指紋識(shí)別技 術(shù)，基于滑動(dòng)窗重建的磁共振指紋識(shí)別技術(shù)在激發(fā)次數(shù)較少時(shí)更有優(yōu)勢(shì)。因此，這一方法可 以大大減少總采集時(shí)間。
[0036]基于滑動(dòng)窗重建的磁共振指紋識(shí)別技術(shù)可以減少欠采樣偽影，在相同激發(fā)次數(shù)下 獲得相較于傳統(tǒng)磁共振指紋識(shí)別技術(shù)更高的識(shí)別準(zhǔn)確率。同時(shí)，基于滑動(dòng)窗重建的磁共振 指紋識(shí)別技術(shù)可以在較少的激發(fā)次數(shù)情況下獲得更準(zhǔn)確的定量多參數(shù)成像，因此可以加速 磁共振指紋識(shí)別技術(shù)的采集，減小總采集時(shí)間，有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建技術(shù)，其特征在于，該技術(shù)沿采集信號(hào)時(shí)間 軸方向的滑動(dòng)窗重建圖像序列并生成對(duì)應(yīng)窗寬的字典元素，最后將該圖像序列和字典匹配 得到定量多參數(shù)圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建技術(shù)，其特征在于，具 體包括以下步驟： (1) 磁共振信號(hào)采集:在磁共振成像儀中使用基于磁共振指紋識(shí)別技術(shù)架構(gòu)的脈沖序 列米集圖像； (2) 基于滑動(dòng)窗的圖像重建:沿采集數(shù)據(jù)的時(shí)間維度建立滑動(dòng)窗，重建采集信號(hào)得到混 合加權(quán)的圖像序列； (3) 基于滑動(dòng)窗的字典生成:根據(jù)步驟(2)中選定的滑動(dòng)窗窗寬，生成對(duì)應(yīng)的字典元素； (4) 計(jì)算定量多參數(shù)成像:將步驟(2)基于滑動(dòng)窗的圖像重建的圖像序列和步驟(3)生 成的字典元素匹配識(shí)別，得到定量參數(shù)成像。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建技術(shù)，其特征在于，步 驟(2)具體為:設(shè)置一個(gè)滑動(dòng)窗，沿采集信號(hào)的時(shí)間軸滑動(dòng)，并將窗內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)重 建成一張圖像。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于滑動(dòng)窗的磁共振指紋識(shí)別重建技術(shù)，其特征在于，步 驟(3)中，首先基于擴(kuò)展相位圖技術(shù)生成磁共振指紋識(shí)別技術(shù)所需要的字典元素，然后根據(jù) 步驟(2)選定的滑動(dòng)窗寬沿該字典矩陣的時(shí)間軸相加，得到基于滑動(dòng)窗的新字典。
【文檔編號(hào)】G06K9/00GK105869192SQ201610182334
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月28日
【發(fā)明人】鐘健暉, 何宏建, 曹笑之, 廖聰裕, 王郅幸, 陳穎, 葉慧慧, 丁秋萍
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)