一种变回波个数的磁共振指纹成像方法

1.本发明属于磁共振成像技术领域，具体涉及一种变回波个数的磁共振指纹成像方法。


背景技术：

2.磁共振指纹成像(magnetic resonance fingerprinting，mrf)是一种较为精确的磁共振定量采集方式，它通过引入序列参数的伪随机变化来对信号进行编码，通过一次采集就可以获得含有多种组织参数的信号，再通过建立信号演化的字典、模式匹配等步骤，就可以得到采集到的图像信号每一个像素点的定量参数值，包括t1(纵向驰豫)、t2和(横向驰豫)等，这些参数用于刻画组织器官的生理特性，对于科学研究和临床诊断都有重要的意义和参考价值。然而在磁共振成像系统中，诸多因素会对磁共振指纹成像的精确度产生影响，首要因素则为系统误差：主磁场b0和射频磁场b1+的不均匀性。
3.为了解决b0的不均匀性问题，从硬件上可以利用匀场线圈来改善，但是依赖于硬件，成本较高；或者利用ir-truefisp-mrf等相关序列来得到，但结果存在带状伪影。为了解决b1+不均匀的问题，从硬件上可以利用并行发射系统来将b1+的影响嵌入mrf的系统流程中，或者额外采集b1+的分布图来提高mrf的定量精度。在同一个mrf序列中同时考虑系统参数b0、b1+以及组织参数t1、等值得探究；为了同时定量这四个参数，在磁共振指纹成像方法变化序列的扫描参数如翻转角(fa)、重复时间(tr)、回波时间(te)的基础上，提出增加一个变化参数即回波个数，来增加序列的随机变化程度和编码维度。目前已有的研究常使用固定回波数，如所有tr中均使用一个回波。
4.另一个会影响磁共振指纹定量精度的来源是脂肪，脂肪的共振频率相对于水来说有一定的频移，且两者的驰豫时间也是不同的，因此实际采集到的信号是水和脂肪的信号之和；如果忽略脂肪，会影响含脂肪组织的定量精度。目前主要的解决方案包括以下两种：第一种是将脂肪和水的信号用一个多成分模型来表示，然后建立一个庞大的字典来与所得的信号进行匹配，字典中会包含脂肪和水的各自的参数(t1、t2等)，最终通过字典匹配得到感兴趣的参数分布图；这种方法是非常耗时的，往往会结合一些字典压缩的方法来加速。第二种是借助经典的水脂分离方法，如dixon等，通过采集多个回波来收集水和脂肪同相、反相的信号来对脂肪和水的信号做一个预分离，然后分别对水和脂肪进行字典匹配。


技术实现要素：

5.鉴于上述，本发明提供了一种变回波个数的磁共振指纹成像方法，通过变化不同tr中使用的回波个数，可以实现b0、b1+、t1、的同时定量。
6.一种变回波个数的磁共振指纹成像方法，包括如下步骤：
7.(1)针对所需定量的组织参数和系统参数设计并生成基于变回波个数的磁共振指纹成像序列，所述组织参数包括纵向驰豫时间t1和有效横向驰豫时间所述系统参数包
括主磁场b0和射频磁场b1+；
8.(2)将上述磁共振指纹成像序列导入磁共振扫描仪，并对被试者进行扫描，得到原始的k空间数据；
9.(3)将所述原始k空间数据进行重建得到一系列图像；
10.(4)给定所需定量的组织参数和系统参数的动态变化范围以及离散化步长，基于bloch方程建立反映回波信号时序变化的字典；
11.(5)将步骤(3)重建得到图像的每一像素点的时序变化信号与字典中的回波信号逐一进行匹配，从而为每一像素点索引得到具体的组织参数值，进而得到上述组织参数和系统参数的定量图像。
12.进一步地，所述步骤(1)中设计的磁共振指纹成像序列基于反转脉冲准备的损毁梯度回波序列，主要包括反转脉冲激发模块和变回波个数梯度回波信号采集模块；变回波个数梯度回波信号采集模块中每个tr(即一个脉冲起始时刻至下一个脉冲起始时刻)的时长并不完全相同，且每个tr包含的回波个数也不完全相同，同时需优化设计每个tr使用的激发脉冲的翻转角和同一tr中各回波时间tes(即回波发生时刻至该tr起始时刻的时长)。
13.进一步地，所述bloch方程描述步骤(1)所设计的磁共振指纹成像序列，给定需定量的组织参数和系统参数，给定序列参数作为bloch方程的输入，输出反映给定参数在所设计磁共振指纹成像序列下的回波信号时间序列，序列参数包括tr时长、fas、每个tr中使用的回波个数及各回波的tes。
14.进一步地，所述变回波个数梯度回波信号采集模块中部分tr中使用4个回波，对应tr为长tr，其余tr中使用1个回波，对应tr为短tr，相邻的一个短tr和一个长tr组成双tr模块。
15.进一步地，所述短tr的时长为12ms，长tr的时长为48ms。
16.进一步地，当本发明方法应用于水脂分离成像情况下，所述长tr中前三个回波分别取水脂同相位、反相位和同相位的回波时间。
17.进一步地，所述长tr中4个回波的tes依次为2.4ms、13.2ms、24ms、31ms，短tr中回波的tes为2.4ms。
18.进一步地，当本发明方法应用于水脂分离成像情况下，在步骤(3)重建得到一系列图像后，利用dixon方法将图像分解成水信号图、脂肪信号图和主磁场b0分布图，进一步利用水和脂肪的信号图通过以下公式计算出脂肪分数分布图，并将脂肪分数纳入bloch方程中；
[0019][0020]
其中：ff为脂肪分数，f为脂肪信号，w为水信号。
[0021]
本发明方法除了通过变换激发脉冲角度等常规mrf编码之外，还引入了回波个数的改变，使得单次扫描即可获得b0、b1+、t1和的定量图。进一步地，如果给三个连续的回波设定对应于水和脂肪同相位、反相位和同相位的回波时间，本发明还可以对水和脂肪进行成像，实现b0、b1+、的精确定量。通过活体实验和模拟，证明了本发明的有效性，由此本发明可以为常见的脑部疾病(胶质瘤)，以及脂肪类疾病(如脂肪瘤
和脂肪肝等)提供多种信息表征，有利于临床的诊断和治疗。
附图说明
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图1为本发明变回波个数的磁共振指纹成像序列示意图。
[0023]
图2a为本发明变回波个数mrf序列实例的示意图。
[0024]
图2b为本发明变回波个数mrf序列实例中每一个tr所对应的激发脉冲角度示意图。
[0025]
图3为变回波个数mrf序列实例的数据处理流程示意图。
[0026]
图4为变回波个数mrf序列实例在人体上的实验结果示意图。
[0027]
图5a为本发明变回波个数mrf序列实例应用于水脂成像情况下模拟实验采用的数字模板。
[0028]
图5b为本发明变回波个数mrf序列实例应用于水脂成像情况下的数据处理流程示意图。
[0029]
图6为本发明变回波个数mrf序列实例应用于水脂成像情况下的模拟实验结果示意图。
具体实施方式
[0030]
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的计数方案进行详细说明。
[0031]
本发明核心在于设计并实现变回波个数磁共振指纹成像的序列，变回波个数mrf的关键在于每个tr中回波个数的不同，如图1所示，每一个tr的时长不同，包含回波的个数也不同；因此在具体实现过程中除了传统方法中对射频脉冲的翻转角度(fas，flip angles)、重复时间trs、回波时间tes的优化之外，还需要对回波个数等参数进行设计和优化。
[0032]
本实施例磁共振指纹成像方法的具体实现主要包括两个部分：变回波个数mrf序列的设计、数据的采集与处理。
[0033]
变回波个数mrf序列的设计
[0034]
图2a展示了序列的基本结构，序列一共包含两个部分，反转脉冲激发模块和变回波信号采集模块。
[0035]
(1)反转脉冲激发模块包含了一个180度射频激发脉冲和若干个变角度的激发脉冲，这些变角度的激发脉冲所对应的tr为12ms，角度如图2b所示，为半个正弦波形；反转脉冲激发模块主要是用来对t1和b1+进行编码。
[0036]
(2)变回波信号采集模块主要由多个双tr模块组成，每一个双tr模块采用短tr(12ms)与长tr(48ms)相结合的方式对信号进行进一步地编码。在短tr中，te为2.4ms，为不变值。在长tr中，会采集四个不同te的回波信号；如果是应用于脂肪和水的定量成像，则te为2.4ms、13.2ms、24ms、31ms，其中前三个信号分别对应水和脂肪信号同相位、反相位和同相位的情况，符合dixon方法的条件，可以分离出水和脂肪。变回波采集模块主要是用来对t1和进行编码，在变回波信号采集模块中，激发角度也是变化的，参见图2b所示。
[0037]
数据的采集与处理
[0038]
本序列为通用的变回波个数mrf序列，可以实现b0、b1+、t1、的定量成像。特别地，当长tr的前三个回波时间为水脂同相、反相、同相时，还可以用于脂肪和水同时定量成像，生成b0、b1+、分布图。为了详细解释这两种应用的数据采集与处理流程，现分开描述。
[0039]
(1)通用变回波个数mrf序列
[0040]
本序列在活体人脑中进行了数据的采集和处理，采用了spiral的轨迹进行采集(36个interleaves)，视野fov为220mm，分辨率为1mm，整个采集过程约为12ms，由此得到k空间的数据。
[0041]
接下来就是字典的建立；在整个变回波个数mrf的信号处理过程中，最重要的步骤就是字典的建立，这也是传统mrf流程中最关键的步骤之一。字典，顾名思义就是包含所有信息的典籍，在字典中可以查找到所有可能出现的信息。同样的，磁共振指纹成像的基本原理也是通过建立一个包含所有可能出现的mrf信号的指纹库来与实际采集的信号相匹配，一旦在指纹库中搜索到与实测信号一致性最高的指纹，就可以索引到其对应的组织生理参数，从而实现量化成像，这里的指纹实际上就是mrf信号的时间演化曲线。具体的字典建立过程如下：首先限定各项参数的变化范围，如t1(200:10：2300ms)、(50:5:600ms)、b1(0:0.1:1.4)；然后基于bloch方程，根据不同参数的动态范围，计算出所有可能出现的时间演化曲线，这个时间演化曲线的集合则为字典。
[0042]
最后是信号的处理与匹配；k空间的数据会在非均匀反傅里叶变换的作用下重建为一系列图像。如图3所示，对相同的te所对应的图像做平均后，可以得到对应于不同te的平均图像，以此求得b0的信息。为了能够尽可能减少字典匹配的难度，将每一个tr的第一个回波信号提取出来进行信号匹配，得到b1+、t1的分布图。最后，将求得的b0、b1+、t1代入生成的字典中，对所有信号进行最后的匹配，求得至此，b0、b1+、t1和则可以全部求得。
[0043]
图4左栏展示了传统金标准方法对每一个参数的定量结果，右栏则是本发明变回波个数mrf的结果。对传统方法来说，从上到下，对应于t1、b1+、b0的序列分别是mp2rage、multi te gre、turboflash b1和two-echo gre。可以看出，与传统方法相比，本发明所提出的序列可以利用单次扫描同时生成这四种定量图，验证了本发明方法的可行性。
[0044]
(2)水脂定量的变回波个数mrf序列
[0045]
本序列在通用变回波个数mrf序列的基础上，进一步限定了te的值使其符合dixon方法的条件，从而对水脂进行初步的分离，如图5a所示，采用简单的数字模板进行模拟实验。为了简化实验，设计了三个感兴趣区域，分别是单一水、单一脂肪、水和脂肪的混合；对水和脂肪设置了不同的t1和值和初始密度，这个数字模板将作为整个方法的输入来检测所提方法的有效性。为了模拟mrf信号产生的过程，我们在matlab中利用bloch方程，根据所提出的序列来模拟实际利用磁共振仪器扫描产生的k空间信号，采用spiral的轨迹采集，共36个interleaves，用时约为12m；之后利用非均匀的反傅里叶变换进行信号的重建，产生一系列动态变化的图像，后续处理的流程如图5b所示。
[0046]
如以上所述，双tr信号采集模块中的前三个信号对应水和脂肪信号同相位、反相位和同相位的情况，因此可以用dixon方法对其进行处理，得到水的图像w、脂肪的图像f和
b0分布图，那么ff的分布图则可以通过以下公式得到：
[0047][0048]
对于回波时间te，所得信号可表示为：
[0049][0050]
其中：m0为水和脂肪分子平衡状态的磁化强度，ff为脂肪分数，为多峰的脂肪模型，对应于第n个峰，αn、δfn分别为其权值系数和相对于水的化学位移，b0则是不均匀磁场，由dixon方法得到。此处为了简便，省略了水和脂肪的弛豫系数，分别为以及射频场的不均匀性b1+。
[0051]
具体的字典建立过程如下：首先限定各项参数的变化范围，如t1(200:10：2300ms)、(50:5:600ms)、b1(0:0.1:1.4)，对于水和脂肪，t1和的范围可以根据情况设置不同的范围和步长；然后基于bloch方程和上述公式，根据不同参数的动态范围，计算出所有可能出现的时间演化曲线，这个时间演化曲线的集合则为字典。
[0052]
最后一步则为信号的匹配；综上所述，我们已经获得了重建后的信号和字典，需要对重建后的图像进行逐像素点的字典匹配，具体方法为：对重建信号与字典中的信号集合依次求内积，内积最大者则为匹配的信号，其对应的参数则为该像素点的参数值，由此可以得到整个图像对应的定量参数得到整个图像对应的定量参数分布图，结合已经求得的ff分布图和b0分布图，用本发明方法可以比较完整对水和脂肪以及系统的各个参数进行定量。
[0053]
图6为模拟结果，图中第一行为真实值，第二行为字典匹配得到的结果，从左到右分别为：b0、b1+、ff、和由此结果可以看出，本发明方法可以初步实现水和脂肪各参数的定量。
[0054]
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。