磁共振成像方法及系统与流程

本发明涉及磁共振成像技术，特别是涉及化学饱和脂肪抑制成像技术。

背景技术：

在磁共振成像中，由于人体内脂肪组织中的氢质子和其他组织中的氢质子所处的分子环境不同，使得它们的共振频率不相同；当脂肪和其他组织的氢质子同时受到射频脉冲激励后，它们的弛豫时间也不一样。在不同的回波时间采集信号，脂肪组织和非脂肪组织表现出不同的信号强度。脂肪组织的这些特性一方面为病变的检出提供了良好的天然对比，而另一方面，脂肪组织的这些特性可能会降低MR图像的质量，从而影响病变的检出，具体表现为：(1)脂肪组织引起的运动伪影，MRI扫描过程中，如果被检组织出现宏观运动，则图像上会出现不同程度的运动伪影，而且组织的信号强度越高，运动伪影越明显；(2)水脂肪界面上的化学位移伪影；(3)脂肪组织的存在降低了图像的对比度，如骨髓腔中的病变在T2W1上呈现高信号，而骨髓由于富含脂肪组织也呈现高信号，两者之间缺乏对比，从而掩盖了病变；(4)脂肪组织的存在降低增强扫描的效果，在T1W1上脂肪组织呈现高信号，而注射对比剂后被增强的组织或病变也呈现高信号，两者之间对比降低，脂肪组织将可能掩盖病变。

化学饱和脂肪抑制技术为磁共振(Magnetic Resonance Imaging，MRI)检查中非常重要的一种技术，其用于消除运动伪影、化学位移伪影等的影响，具有高选择性或特异性，使解剖结构和病变的轮廓和边缘能更清楚的显示，能够显示平扫不能显示的病变和一些特征性图象。在磁共振化学饱和脂肪抑制技术中，频率选择饱和法是最常用的技术之一。这种技术利用的是水和脂肪的化学 位移。具体地，水分子中的氢质子的化学键为O-H键，而脂肪分子中氢质子的化学键为C-H键，两种结构中氢质子周围电子云分布不同，水分子中氢质子所受到的磁场强度稍高些，处于水分子和脂肪分子中的质子的进动频率相差约3.5PPM，在1.5T的场强下相差约220Hz。根据这个差异，我们可以在成像序列的激发脉冲施加前，先施加数个频率与脂肪中质子进动频率一致的预脉冲，如果预脉冲的频率与脂肪中质子进动频率一致，脂肪组织将被连续激发而发生饱和现象，而水分子中的质子由于进动频率不同而不被激发，然后再施加真正的激发射频脉冲，这时脂肪组织因为饱和不会再产生信号，而水中的质子可以被激发产生信号，从而达到脂肪抑制的目的。

在上述过程中，频率校正是非常重要的一个步骤，即通过预扫描数据找到准确的水信号和脂肪信号的频率位置。频率校正技术的一般过程是：首先采集感兴趣区域的磁共振信号，然后将信号转化到频谱空间，最后在频谱曲线上检测到水信号和脂肪信号的峰值位置。通常的频率校正技术是根据频谱曲线的形状特征，结合水脂的固定化学频率位移来识别水峰和脂肪峰。在绝大多数组织中，脂肪峰和水峰都比较容易识别，但在某些特殊的人体组织中，例如颈部组织，该部位脂肪含量较少，没有明显的脂肪峰，且颈部的解剖结构的复杂性及不规则性使磁场的不均匀现象变得更加明显，最终频谱空间上往往存在水信号散布在多个较明显峰上的现象。正是由于这种个体的复杂性使传统频率校正方法(如基于频谱曲线的形状及水、脂肪的化学位移的方法)发生较大误差，从而导致磁共振压脂图像肌肉组织被压制的现象，给最后的诊断造成了非常大的干扰。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种准确度高、可避免水组织信号被压 制的化学饱和脂肪抑制的频率校正方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种磁共振成像方法，包括：

根据目标检测部位的脂水含量比例校正水信号峰和脂肪信号峰的频率位置；

根据校正的脂肪信号峰的频率采用频率选择法抑制脂肪信号，并设定校正的水信号峰的频率为化学饱和发射频率；

采用所述化学饱和发射频率激发目标扫描序列，得到磁共振数据；

重建磁共振数据得到磁共振图像。

进一步地，根据目标扫描部位的脂水含量比例来校正水信号峰和脂肪信号峰的频率位置的具体步骤为：

预扫描目标检测部位，获得时间域的预扫描磁共振数据；

将所述预扫描磁共振数据变换得到预扫描频谱空间曲线，并在所述预扫描频谱空间曲线上确定初始水信号峰频率位置和初始脂肪信号峰频率位置；

分别计算初始脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量和初始水信号峰频率位置处的水含量，并得到目标扫描部位脂水含量比例；

根据脂水含量比例与参考阈值调整所述初始水信号峰频率位置或所述初始脂肪信号峰频率位置，得到校正的水信号峰频率位置和校正的脂肪信号峰频率位置。

进一步地，在预扫描频谱空间曲线上初始脂肪信号峰频率位置积分获得脂肪含量，在预扫描频谱空间曲线上初始水信号峰频率位置反向积分获得水含量。

进一步地，通过对预扫描频谱空间曲线进行一阶导和过零点计算在所述预扫描频谱空间曲线上确定初始水信号峰频率位置和初始脂肪信号峰频率位置。

进一步地，所述参考阈值包含最大参考阈值T₁和最小参考阈值T₂，且T₁＞T₂。

进一步地，所述参考阈值通过如下步骤获得：

扫描若干个样本目标扫描部位，获得样本磁共振数据；

将所述样本磁共振数据变换得到样本频谱空间曲线，并在样本频谱空间曲线上确定水信号峰和脂肪信号峰的频率位置；

计算所述样本频谱空间曲线上脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与水信号峰频率位置处的水含量比值，获取样本脂水含量比例；

令所述样本脂水含量比例的最大值为最大参考阈值T₁，令所述样本脂水含量比例的最小值为最小参考阈值T₂。

进一步地，根据脂水含量比例与参考阈值调整初始水信号峰值频率位置或初始脂肪信号峰值频率位置，得到校正的水信号峰值频率位置和校正的脂肪信号峰值频率位置，具体为：

令T表示脂水含量比例；

若满足T₁＜T＜T₂，则令初始脂肪信号峰值频率位置为校正的脂肪信号峰频率位置，令初始水信号峰值频率位置为校正的水信号峰频率位置；

若T＜T₁，则将初始脂肪信号峰值和初始水信号峰值频率位置同时向频率增大的方向移动，直到满足T₁＜T＜T₂，且令移动后的脂肪信号峰值频率位置为校正的脂肪信号峰频率位置，令移动后的水信号峰值频率位置为校正的水信号峰频率位置；

若T＞T₂，则将初始脂肪信号峰值和初始水信号峰值频率位置同时向频率减小的方向移动，直到满足T₁＜T＜T₂，且令移动后的脂肪信号峰值频率位置为校正的脂肪信号峰频率位置，令移动后的水信号峰值频率位置为校正的水信号 峰频率位置。

进一步地，还包括，判断校正的脂肪信号峰频率位置或校正的水峰频率位置是否为过零点位置，如果校正的脂肪信号峰频率位置或所述校正的水峰频率位置为过零点位置，输出校正的脂肪信号峰频率位置或校正的水信号峰频率位置；如果校正的脂肪信号峰频率位置不是过零点，则令距离校正的脂肪信号峰频率位置最近的过零点频率为脂肪信号峰频率位置；如果校正的水信号峰频率位置不是过零点，则令距离校正的水信号峰频率位置最近的过零点频率为水信号峰频率位置。

同时，本发明还提供一种磁共振成像系统，包括：

预扫描模块，用于激发目标检测部位，获得预扫描磁共振数据；

频率校正模块，与所述预扫描模块连接，用于根据目标检测部位脂水含量比例与参考阈值对预扫描模块获得的预扫描磁共振数据的水信号峰和脂肪信号峰进行频率位置校正；

脂肪抑制模块，与所述频率校正模块连接，用于根据校正的脂肪信号峰的频率来抑制脂肪信号，并设定校正的水信号峰的频率为化学饱和发射频率；

扫描模块，与所述脂肪抑制模块连接，用于利用所述化学饱和发射频率激发目标扫描序列，获得磁共振数据；

重建模块，与所述扫描模块连接，用于利用磁共振数据重建得到压脂图像。

进一步地，所述频率校正模块包括：

参考阈值获取模块，用于根据若干样本目标扫描部位脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与水信号峰频率位置处的水含量比值设定参考阈值；

初始位置确定模块，用于根据对受检者预扫描磁共振数据在频谱空间内的一阶导和过零点运算获取水信号峰和脂肪信号峰的预扫描频率位置；

脂水比例计算模块，用于根据初始脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与初始水信号峰频率位置处的水含量得到目标检测部位脂水含量比例；

频率调整模块，用于根据所述脂水比例计算模块获得的脂水含量比例和参考阈值校正水信号峰和脂肪信号峰的频率位置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：统计若干个样本目标检测部位脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与水信号峰频率位置处的水含量比值，得到参考阈值，然后比较受检者目标扫描部位的脂水含量比例与参考阈值的关系，如果受检者目标扫描部位的脂水含量比例大于参考阈值，则减小受检者目标部位的水信号峰频率与脂肪信号峰频率；如果受检者目标扫描部位的脂水含量比例小于参考阈值，则增大受检者目标部位的水信号峰频率与脂肪信号峰频率，通过受检者目标扫描部位脂水含量比例与参考阈值的比较，可以准确定位水信号和脂肪信号峰的频率位置，排除明显的校正错误，避免水信号被压制。

【附图说明】

图1为本发明磁共振成像方法流程图；

图2为本发明校正水信号峰和脂肪信号峰的频率位置方法流程图；

图3为本发明一实施例中校正的水信号和脂肪信号峰频率位置；

图4为本发明另一实施例中校正的水信号和脂肪信号峰频率位置；

图5为本发明磁共振成像系统结构框图；

图6a为采用现有技术中磁共振成像系统的颈部磁共振压脂图；

图6b为采用本发明磁共振成像系统的颈部磁共振压脂图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

现有技术中的化学饱和脂肪抑制的频率校正方法一般是结合了磁共振数据频谱曲线的形状与水脂的化学位移信息来进行频率校准。该类方法对大部分人体组织化学饱和脂肪抑制过程中都有较好的频率校正效果，但是当扫描某些特殊的人体组织时由于脂肪含量较少或结构的复杂性容易产生错误。例如，人体颈部扫描中，一方面人体颈部的脂肪含量较少，没有明显的脂肪峰；另一方面，颈部解剖结构的不规则使磁场的不均匀现象变得更加明显。上述原因最终会在频谱空间上出现水信号散布在多个较明显峰上的现象，在这种情况下往往容易将水信号峰误认为脂肪峰，从而产生水组织(肌肉组织)信号被压制的现象，给最终的诊断造成极大干扰。

基于上述问题，本发明提出一种磁共振成像方法，其化学饱和脂肪抑制的频率校准过程结合了脂肪和水含量比例信息方法，图1为本发明方法的流程图，主要包括以下步骤：

根据目标检测部位的脂水含量比例校正水信号峰和脂肪信号峰的频率位置。

根据校正的脂肪信号峰的频率采用频率选择法抑制脂肪信号，并设定校正的水信号峰的频率为化学饱和发射频率；

采用所述化学饱和发射频率激发目标扫描序列，得到磁共振数据；

重建磁共振数据得到磁共振图像。

图2为本发明校正水信号峰和脂肪信号峰的频率位置方法流程图，其主要包括以下步骤：预扫描受检者的目标检测部位(通过激发频率校准序列)，得到预扫描磁共振数据。此时的预扫描磁共振数据为时间域数据，然后将预扫描磁共振数据变换得到预扫描频谱空间曲线，并在预扫描频谱空间曲线上确定初始水信号峰频率位置和初始脂肪信号峰频率位置。接着分别计算预扫描频谱空 间曲线上初始脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与初始水信号峰频率位置处的水含量，两者比值即为受检者目标检测部位脂水含量比例。最后根据受检者目标部位脂水含量比例与参考阈值调整初始水信号峰频率位置或初始脂肪信号峰频率位置，从而得到校正的水信号峰频率位置和校正的脂肪信号峰频率位置。

在实际临床检测中，由于大部分个体颈部的脂肪含量较少，没有明显的脂肪峰；另一方面，颈部的解剖结构较一般组织复杂，由于结构不规则性导致的磁场不均匀现象变得更加明显。因此，在颈部磁共振检测中很容易产生水组织信号被压制的情况。在此具体实施例中，我们选择受检者颈部组织为目标检测部位，并采用1.5T磁共振设备对受检者颈部检测得到n点预扫描磁共振数据。将n点预扫描磁共振数据转换到频域得到对应的n点频谱空间数据集合，其中D(i)表示第i点的频谱空间数据信号强度，i＝1，2，…，n。该n点频谱空间数据形成预扫描频谱空间曲线。进一步地，本实施例中还包括对预扫描频谱空间曲线进行初步处理。在一个实施例中，初步处理包括对预扫描空间曲线的数据作高斯卷积平滑处理，然后对平滑处理的数据作归一化处理。在此实施例中平滑处理还可采用均值平滑或中值平滑实现，其具体过程为本领域公知技术，在此不再赘述。

对经过初步处理的预扫描频谱空间曲线求一阶导和过零点计算，以确定初始水信号峰频率位置和初始脂肪信号峰频率位置。其中求一阶导通过如下操作实现：D_dx(i)＝D(i)-D(i-1)，其中i＝2，…，n。然后判断通过一阶导计算得到的D_dx(i)作如下处理，若D_dx(i)同时满足D_dx(i)≥0且D_dx(i+1)≤0，则判定该D_dx(i)对应的频率位置为过零点；否则，则判定该D_dx(i)对应的频率位置为非过零点。根据上述方法可以在预扫描频谱空间曲线得到一个或多个过零点。本实施例中选 择第一个过零点(峰值)位置作为初始脂肪信号峰频率位置i_0脂，又1.5T磁共振设备中，脂肪和水的共振频率相差220Hz左右，将初始脂肪信号峰向高频率递推220Hz的频率位置为初始水信号峰频率位置i_0水。

在预扫描频谱空间曲线上初始脂肪信号峰频率位置i_0脂处积分获得脂肪含量，具体公式为：j为整数。在预扫描频谱空间曲线上初始水信号峰频率位置i_0水处反向积分获得水含量，具体公式为：j为整数，n为预扫描频谱空间曲线上的磁共振数据点总数。由上述数据可得出受检者目标检测部位的脂水含量脂水含量比例需要说明的是，预扫描频谱空间曲线实际上是水信号曲线和脂肪信号曲线的叠加，脂肪信号峰频率的左侧信号大都是脂肪形成的，而水信号峰的右侧基本都是水信号形成的，因此在上述实施例中，脂肪含量的计算采用积分运算，而水含量的计算采用反向计分法，这种单边方法得到的结果更准确。而另一方面，水信号曲线和脂肪信号曲线在一定范围内都是对称的，水含量和脂肪含量的计算也可以采用双边计算法。在另一实施例中，通过计算初始脂肪信号峰频率位置i_0脂附近的面积得到脂肪含量，计算初始水信号峰频率位置i_0水附近的面积获得水含量，脂肪含量为水含量为：进而得到受检者目标扫描部位的脂水含量比例，在此具体实施例中d的范围为50-100Hz，优选为60Hz。

根据上述受检者目标部位脂水含量比例T与参考阈值调整初始水信号峰描频率位置或初始脂肪信号峰预扫描频率位置。其中参考阈值通过采集若干个样本目标扫描部位得到，具体步骤为：

采集频率校准序列激发若干个样本目标扫描部位得到样本磁共振数据数据。在此具体实施例中，采集了100套1.5T磁共振设备颈部数据作为样本。

将样本磁共振数据数据变换得到样本频谱空间曲线，并在样本频谱空间曲线上确定水信号峰和脂肪信号峰的频率位置。在此具体实施例中，水信号峰和脂肪信号峰的频率位置确定都是通过医生标定完成。

统计样本频谱空间曲线上脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与水信号峰频率位置处的水含量比值，根据统计的脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与水信号峰频率位置处的水含量比值设定参考阈值，考阈值包含最大参考阈值T₁和最小参考阈值T₂，且T₁＞T₂。需要指出的是，脂肪含量的确定方法可在脂肪信号峰频率处积分或计算脂肪信号峰下的面积获得；同理，水含量的获取方法可在计算在水信号峰频率位置处反向积分或计算水信号峰下的面积获得。通过样本数据，可以得到100个脂水含量比例，在此实施例中选择脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与水信号峰频率位置处的水含量比值的最大值为最大参考阈值T₁，脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与水信号峰频率位置处的水含量比值的最小值为最小参考阈值T₂。根据多次实验检测，最大参考阈值T₁范围在0.5-1之间，最小参考阈值T₂范围在0-0.2之间。

将受检者目标检测部位脂水含量比例T与参考阈值作比较，若满足T₁＜T＜T₂，则令初始脂肪信号峰值频率位置i_0脂为校正的脂肪信号峰频率位置，令初始水信号峰值频率位置i_0水为校正的水信号峰频率位置；若T＜T₁，则将初始脂肪信号峰值i_0脂和初始水信号峰值频率位置i_0水同时向频率增大的方向移动，直到满足T₁＜T＜T₂，且令移动后的脂肪信号峰值频率位置为校正的脂肪信号峰频率位置，令移动后的水信号峰值频率位置为校正的水信号峰频率位置；若T＞T₂，则将初始脂肪信号峰值i_0脂和初始水信号峰值频率位置i_0水同时向频 率减小的方向移动，直到满足T₁＜T＜T₂，且令移动后的脂肪信号峰值频率位置为校正的脂肪信号峰频率位置，令移动后的水信号峰值频率位置为校正的水信号峰频率位置。

进一步地，对于校正的脂肪信号峰频率位置和水信号峰频率位置进行微调，具体的步骤为：判断校正的脂肪信号峰频率位置或校正的水峰频率位置是否为过零点位置，如果校正的脂肪信号峰频率位置或所述校正的水峰频率位置为过零点位置，输出校正的脂肪信号峰频率位置或校正的水信号峰频率位置；如果校正的脂肪信号峰频率位置不是过零点，而距离校正的脂肪信号峰频率位置较近范围内有过零点，则输出距离校正的脂肪信号峰频率位置较近范围内最近的过零点频率为脂肪信号峰频率位置；如果校正的水信号峰频率位置不是过零点，而距离校正的水信号峰频率位置较近范围内有过零点，则输出距离校正的水信号峰频率位置较近范围内最近的过零点频率为水信号峰频率位置。其中判断过零点位置的方法在前面已阐述，在此不再赘述。另外需要说明的是，当校正的脂肪峰频率位置或校正的水信号频率位置不是过零点，但是与最近过零点的距离相差在一定范围内时(根据磁共振系统性能的不同略有差异，1.5T磁共振系统中，该范围一般在30Hz以内)，可无需对校正的脂肪峰频率位置或校正的水信号频率位置进行调整，即上述微调过程可省略。

利用上述化学饱和脂肪抑制的频率校正方法，我们测试了1.5T磁共振设备产生的105个颈部频谱数据，其中95％的频率自动校正结果与医生的手动结果吻合，另有5％的频率自动校正结果与医生手动校正的结果偏差在-130HZ～-60HZ之间，完全在可接受范围之内。为进一步说明，下面选择实验过程中的校正结果加以说明。如图3所示为一实施例采用本发明方法获取的水信号峰和脂肪信号峰频率校正图，图中横轴为频率(×10倍)，纵轴为对应频率 位置处的信号比例(或者信号的幅度)，为了使图像清晰，本实施例中截取有效的信号集中的部分。其中，M1和M2位置分别为医生标定的脂肪信号峰(频率为9930Hz)和水信号峰(频率为10150Hz)位置，N1和N2为采用本发明方法自动获取的脂肪信号峰(频率为9910Hz)和水信号峰频率(频率为10130Hz)位置，医生标定方法和本发明方法自动获取的误差为-20Hz。采用现有技术则会出现将水信号误判为脂肪信号，从而造成水信号被压脂的现象，而本发明方法则很少会出现水信号被压脂的情况，从而提高了后续压脂成像的质量。如图4所示为另一实施例采用本发明方法获取的水信号峰和脂肪信号峰频率校正图，为了使图像清晰，本实施例中同样截取有效的信号集中的部分。其中，P1和P2位置分别为医生标定的脂肪信号峰(频率为10000Hz)和水信号峰(频率为10220Hz)位置，Q1和Q2为采用本发明方法自动获取的脂肪信号峰(频率为10010Hz)和水信号峰频率位置(频率为10230Hz)，医生标定方法和本发明方法自动获取的误差保持在为10Hz之内。

相应地，本发明还提出一种磁共振成像系统，如图5所示主要包含以下几个部分：

预扫描模块100，用于激发受检者目标扫描部位(采用频率校准序列)，获得预扫描磁共振数据；

频率校正模块200，与预扫描模块100连接，用于根据受检者目标部位脂水含量比例与参考阈值对预扫描模块获得的预扫描磁共振数据的水信号峰和脂肪信号峰进行频率位置校正。

脂肪抑制模块300，与频率校正模块200连接，用于根据校正的脂肪信号峰的频率抑制脂肪信号，并设定校正的水信号峰的频率为化学饱和发射频率；

扫描模块400，与脂肪抑制模块300连接，用于利用所述化学饱和发射频 率激发目标扫描序列，获得磁共振数据；

重建模块500，与扫描模块400连接，用于利用磁共振数据重建得到压脂图像。需要指出的是，与预扫描模块100、频率校正模块200、脂肪抑制模块300、数据采集模块400以及重建模块500都由磁共振控制系统控制完成。

更具体地，频率校正模块200包括：初始位置确定模块，用于根据对受检者预扫描磁共振数据在频谱空间内的一阶导和过零点运算获取水信号峰的预扫描频率位置和脂肪信号峰的预扫描频率位置；脂水比例计算模块，用于根据初始脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与初始水信号峰频率位置处的水含量得到受检者目标检测部位脂水含量脂水含量比例；参考阈值获取模块，用于根据若干样本目标扫描部位脂肪信号峰频率位置处的脂肪含量与水信号峰频率位置处的水含量比值设定参考阈值；频率调整模块，用于根据所述脂水比例计算模块获得的脂水含量比例和参考阈值校正水信号峰位置和脂肪信号峰位置。

图6a为采用自旋回波或快速自旋回波加现有技术中的脂肪抑制成像图，从图可以看出，视野周边区域脂肪抑制差，出现了肌肉组织被压制的情况，图像的组织对比度不明显，出现化学位移伪影，压脂不均匀且双侧边缘压脂强度不一。图6b为采用本发明MRI系统对同一受检者的颈部磁共振图像压脂效果图，从图可以看出，视野周边区域脂肪抑制效果好，图像中的组织对比度明显，压脂均匀。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。