CN104714199B - 一种磁共振成像方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁共振成像方法和装置。其中，该磁共振成像方法包括如下步骤：进行一三维磁共振扫描序列并采集多个K空间数据；在所述K空间数据上采用一二维CAIPIRINHA欠采样方法提取多个采样数据；利用所述采样数据重建一磁共振图像。根据本发明实施例，二维CAIPIRINHA欠采样方法配合相应重组的“数据块”，应用于三维扫描序列，尤其是SPACE扫描序列，对于提高受检对象的舒适程度和受检对象整体的图像质量具有重大改进作用。

Description

一种磁共振成像方法和装置
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，特别是三维磁共振成像方法和装置。
背景技术
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)是利用磁共振现象进行成像的一种技术。磁共振现象的原理主要包括：包含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子具有自旋运动，犹如一个小磁体，并且这些小磁体的自旋轴没有一定的规律，如果施加外在磁场，这些小磁体将按外在磁场的磁力线重新排列，具体为在平行于或反平行于外在磁场磁力线的两个方向排列，将上述平行于外在磁场磁力线的方向称为正纵向轴，将上述反平行于外在磁场磁力线的方向称为负纵向轴；原子核只具有纵向磁化分量，该纵向磁化分量既具有方向又具有幅度。用特定频率的射频(Radio Frequency，RF)脉冲激发处于外在磁场中的原子核，使这些原子核的自旋轴偏离正纵向轴或负纵向轴，产生共振，这就是磁共振现象。上述被激发的原子核的自旋轴偏离正纵向轴或负纵向轴之后，该原子核就具有了横向磁化分量。
停止发射射频脉冲后，被激发的原子核发射回波信号，将吸收的能量逐步以电磁波的形式释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态，将原子核发射的回波信号经过空间编码等进一步处理即可重建图像。
针对三维磁共振成像扫描方法，现有技术在两个编码方向上进行并行编码(即，二维并行成像)。因此，可以利用两个编码方向上的敏感性变化进行图像重建，例如2D SENSE欠采样方法和2D GRAPPA欠采样方法。事实证明上述两种欠采样方法可以显著提高重建图像质量并且加快重建图像速度。但是，上述两种欠采样方法需要在两个编码方向上具备充足的敏感性变化从而成功重建图像，并且，因此上述两种欠采样方法也就严重地依赖于线圈的排布。此外，标准2D SENSE欠采样方法和2D GRAPPA欠采样方法采用矩形欠采样模型，而矩形欠采样模型在各个方向以简单的整数个减少采样的方式进行。
具体而言，图1A是根据现有技术的K空间数据的二维SENSE欠采样方法的模型示意图；图1B是根据图1A的欠采样模型的重建图像。图2A是根据现有技术的K空间数据的二维GRAPPA欠采样方法的模型示意图；图2B是根据图2A的欠采样模型的重建图像。如图1A所示，根据现有技术的K空间数据的二维SENSE欠采样方法是K空间数据在Ky方向欠采样，即在Ky方向上间隔一个数据读取一个数据(圆点为读取的数据)，如图1B所示，以如图1A所示的模型进行欠采样(即，在Ky方向上进行欠采样)会导致出现在Ky方向上出像伪影；同理，如图2A所示，根据现有技术的K空间数据的二维GRAPPA欠采样方法是K空间数据在Kz方向欠采样，即在Kz方向上间隔一个数据读取一个数据(圆点为读取的数据)，如图2B所示，以如图2A所示的模型进行欠采样(即，在Kz方向上进行欠采样)会导致出现在Kz方向上出像伪影。
综上所述，根据现有技术在三维快速自旋回波序列中，采用标准2D SENSE欠采样方法和2D GRAPPA欠采样方法进行图像重建会造成伪影。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种三维磁共振成像方法，包括如下步骤：进行一三维磁共振扫描序列并采集多个K空间数据；在所述K空间数据上采用一二维CAIPIRINHA欠采样方法提取多个采样数据；利用所述采样数据重建一磁共振图像。
优选地，所述三维磁共振扫描序列包括一三维时间飞跃扰相稳态梯度回波扫描序列或一三维快速自旋回波扫描序列。
优选地，所述提取多个采样数据包括：根据所述二维CAIPIRINHA欠采样方法在相位编码方向上的加速因子，将K空间数据重组为多个基本并行重建数据提取单元，其中各个所述基本并行重建数据提取单元分别包括一个所述采样数据；按照预定顺序提取多个所述基本并行重建数据提取单元。
优选地，所述相位编码方向包括一第一相位编码方向和一第二相位编码方向，所述基本并行重建数据提取单元是包括所述第一相位编码方向上的加速因子个K空间数据×所述第二相位编码方向上的加速因子个K空间数据的矩阵。
本发明提供一种三维磁共振成像装置，包括如下部件：一扫描及采集设备，用于进行一三维磁共振扫描序列并采集多个K空间数据；一欠采样及提取设备，用于在所述K空间数据上采用一二维CAIPIRINHA欠采样方法提取多个采样数据；一图像重建设备，用于利用所述采样数据重建一磁共振图像。
优选地，所述三维磁共振扫描序列包括一三维时间飞跃扰相稳态梯度回波扫描序列或一三维快速自旋回波扫描序列。
优选地，所述欠采样及提取设备包括：一数据重组部件，用于根据所述二维CAIPIRINHA欠采样方法在相位编码方向上的加速因子，将K空间数据重组为多个基本并行重建数据提取单元，其中各个所述基本并行重建数据提取单元分别包括一个所述采样数据；一数据提取部件，按照预定顺序提取多个所述基本并行重建数据提取单元。
优选地，所述相位编码方向包括一第一相位编码方向和一第二相位编码方向，所述基本并行重建数据提取单元是包括所述第一相位编码方向上的加速因子个K空间数据×所述第二相位编码方向上的加速因子个K空间数据的矩阵。
从上述方案中可以看出，由于将二维CAIPIRINHA欠采样方法应用于三维扫描序列在PE或SL方向上进行错位，因此可以控制并行成像的混叠，因此视场(FOV)中心的更多区域免受混叠的干扰；同时，线圈的敏感性也得到提升，从而可以进一步加速；第三，二维CAIPIRINHA欠采样方法通常应用较小的加速因子，因此保证了较高信噪比；最后，在以三维快速自旋序列扫描方式进行磁共振成像方法中应用二维CAIPIRINHA欠采样方法，大幅度减少了K空间数据提取时间从而缩短了扫描时间，并且通过应用“数据块”重组提高了图像质量。
总之，根据本发明实施例，二维CAIPIRINHA欠采样方法配合相应重组的“数据块”，应用于三维扫描序列，尤其是SPACE扫描序列，对于提高受检对象的舒适程度和受检对象整体的图像质量具有重大改进作用。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1A是根据现有技术的K空间数据在Ky方向欠采样的模型示意图；
图1B是根据图1A的欠采样模型的重建图像；
图2A是根据现有技术的K空间数据在Kz方向欠采样的模型示意图；
图2B是根据图2A的欠采样模型的重建图像；
图3A是根据本发明具体实施方式的K空间数据欠采样的模型示意图；
图3B是根据图3A的欠采样模型的重建图像；
图4是根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法的步骤图；
图5是现有技术的三维磁共振成像方法采用的二维GRAPPA欠采样方法的示意图；
图6是根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第一种二维CAIPIRINHA欠采样方法的示意图；
图7是根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第二种二维CAIPIRINHA欠采样方法的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举具体实施例对本发明进一步详细说明。
根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法的技术方案的核心在于将二维CAIPIRINHA方法应用于三维扫描序列得到的K空间数据中，即通过经修改的相位编码策略控制二维并行成像的混叠。具体而言，经修改的相位编码策略是将经采样的二维相位编码图案中的采样位置进行错位而形成的，以下将此称为经修改的采样策略。通过经修改的采样策略，在多维扫描序列中，可以使线圈灵敏性变化更加高效，从而使并行成像的重建条件更加稳健，进而生成质量更好的图像。
针对扫描序列，三维磁共振成像扫描序列包括三维时间飞跃扰相稳态梯度回波(3D-TOF-SPGR)序列和三维快速自旋回波(Three Dimensional Turbo Spin-Echo，SPACE)序列等扫描序列，其中三维快速自旋回波(Three Dimensional Turbo Spin-Echo，SPACE)序列是较为典型的扫描序列。根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法以三维快速自旋回波序列为例介绍本发明的技术方案，但是，如上所述，三维磁共振成像方法不仅限于三维快速自旋回波序列。
图4是根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法的步骤图，如图4所示，根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法包括：步骤S101，进行三维快速自旋序列扫描并采集K空间数据。具体而言，在三维快速自旋回波序列中，首先在射频信号RF上施加一个90°的激发射频脉冲，然后在该90°的激发射频脉冲后施加一个180°的重聚相射频脉冲，然后再施加随后的其他射频脉冲；在片层选择梯度(slice-select gradient)Gs、相位编码梯度(phase encoding gradient)Gp以及读出梯度(readout gradient)Gr方向上分别施加相应的片层选择梯度、相位编码梯度以及读出梯度。在扫描过程中，模数转换器(AnalogDigital Converter)ADC采集信号，其中，在阴影部分所示的数据获取(Acquisition)时隙ACST中模数转换器ADC采集回波信号，并且生成K空间数据。
然后，如图4所示，根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法还包括：步骤S102，在K空间数据上采用二维CAIPIRINHA欠采样方法从而提取采样数据。
图5是现有技术的三维磁共振成像方法采用的二维GRAPPA欠采样方法的示意图；图6是根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第一种二维CAIPIRINHA欠采样方法的示意图；图7是根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第二种二维CAIPIRINHA欠采样方法的示意图。
根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第一种二维CAIPIRINHA欠采样方法，进行如下操作：首先，针对K空间数据采用二维CAIPIRINHA欠采样方法。如图5和图6所示，具体而言，根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第一种二维CAIPIRINHA欠采样方法是基于二维GRAPPA欠采样方法进行错位得到的。具体而言，首先，如图5所示，基于对K空间数据进行二位GRAPPA欠采样方法，即在PE方向上和SL方向上的加速因子都是2，也就是在PE方向上和SL方向上都是间隔一个K空间数据提取一个K空间数据进行欠采样；然后，如图6所示，在PE方向上间隔一个将采样的K空间数据在SL方向上错位一个K空间数据单元，换而言之，在PE方向上将采样的K空间数据1和K空间数据3之间的K空间数据2在SL方向上与K空间数据1和K空间数据3错位；同理，相应的K空间数据4、5和6以及K空间数据7、8和9。其中，PE方向和SL方向上的加速因子可以任意设置。
其次，提取欠采样的K空间数据。具体而言，如图5和图6所示，在现有技术的三维磁共振成像方法采用的二维GRAPPA欠采样方法，对K空间数据进行欠采样的过程中，按照从左到右、从上到下的顺序(或其他预定提取顺序)提取采样K空间数据，因此，提取出来的K空间数据依次是如图5所示的K空间数据1、2、3、4、5、6、7、8、9；在根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第一种二维CAIPIRINHA欠采样方法对K空间数据进行欠采样的过程中，按照从左到右、从上到下的顺序提取采样K空间数据，因此，提取出来的欠采样K空间数据依次是如图6所示的K空间数据1、3、2、4、6、5、7、9、8。由此可见，由于二维CAIPIRINHA欠采样方法相对于二维GRAPPA欠采样方法进行了错位，导致上述两种方法提取采样数据的顺序是不同的(以其他加速因子或错位模式进行二维CAIPIRINHA欠采样还会产生其他多种不同数据顺序)，而不同数据顺序对应于不同的信号衰减模式，因此会导致重建出的磁共振图像的抖动。
根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第二种二维CAIPIRINHA欠采样方法，进行如下操作：首先，针对K空间数据采用二维CAIPIRINHA欠采样方法。如图7所示，根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第二种二维CAIPIRINHA欠采样方法是基于根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第一种二维CAIPIRINHA欠采样方法对K空间数据进行重组。具体而言，如图7所示的虚线框，将K空间数据重组为“数据块”，其中一个“数据块”是指一个基本并行重建数据提取单元，各个基本并行重建数据单元包括一个将要采样的数据，同时，该基本并行重建数据提取单元的大小由两个相位编码方向(PE方向和SL方向)上的加速因子决定。换而言之，包括所述第一相位编码方向上的加速因子个K空间数据×所述第二相位编码方向上的加速因子个K空间数据的矩阵。例如：如果在PE方向上的加速因子是2，也就是如果在PE方向上间隔一个K空间数据提取一个K空间数据进行欠采样，同时，如果SL方向上的加速因子是2，也就是如果在SL方向上间隔一个K空间数据提取一个K空间数据进行欠采样，那么“数据块”的大小应该是2×2个K空间数据单元；如果在PE方向上的加速因子是3，也就是如果在PE方向上间隔两个K空间数据提取一个K空间数据进行欠采样，同时，如果SL方向上的加速因子是2，也就是如果在SL方向上间隔一个K空间数据提取一个K空间数据进行欠采样，那么“数据块”的大小应该是3×2个K空间数据单元。如图7所示，如果在PE方向上和SL方向上的加速因子都是2，那么将K空间数据重组为大小是2×2的“数据块”。数据块的大小还可以是更大的K空间数据矩阵，比如：如果在PE方向上和SL方向上的加速因子都是2，那么将K空间数据重组为大小是4×4的“数据块”，只要保证从“数据块”中提取K空间数据中的采样数据就不会导致因以不同加速因子或错位模式进行二维CAIPIRINHA欠采样方法而产生其他多种不同数据顺序即可。
其次，提取欠采样的K空间数据。具体而言，如图7所示，在根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法采用的第二种二维CAIPIRINHA欠采样方法对K空间数据进行欠采样的过程中，按照从左到右、从上到下的顺序(或其他预定顺序)提取经重组的采样K空间数据的“数据块”，进而从“数据块”中提取欠采样K空间数据，因此，提取出来的欠采样K空间数据依次是如图7所示的K空间数据1、2、3、4、5、6、7、8、9。
由此可见，经过数据重组，无论二维CAIPIRINHA欠采样方法采用何种加速因子或错位模式，只要按照从左到右、从上到下的顺序提取经重组的K空间数据的“数据块”，进而从“数据块”中提取K空间数据中的采样数据就不会导致因以不同加速因子或错位模式进行二维CAIPIRINHA欠采样方法而产生其他多种不同数据顺序，也就不会导致不同的信号衰减模式，因此也就不会导致重建出的磁共振图像的抖动。简而言之，在通过这种重组方式形成的“数据块”可以避免由不同的二维CAIPIRINHA欠采样方法的位移导致的不同提取顺序，进而产生的不同的信号衰减模式，因此导致重建出的磁共振图像的抖动，从而进一步提高图像质量。
然后，如图4所示，根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法还包括：步骤S103，利用上述采样数据重建磁共振图像。
根据本发明的具体实施例的三维磁共振成像方法使用单独的Flash序列，或SpoilGRE序列用于参考矫正扫描，以此代替传统的集成模式的校准扫描，这样的做的好处在于参考扫描的信号更加稳定，并且更加节省时间。
采用何种欠采样方法与实际应用扫描中线圈和扫描对象的解剖位置相关，因此具体的欠采样方法应针对不同的实际应用而设计，总之，二维CAIPIRINHA欠采样方法配合相应重组的“数据块”，应用于三维扫描序列，尤其是SPACE扫描序列，是切实可行和实用的。
并且，由于将二维CAIPIRINHA欠采样方法应用于三维扫描序列在PE或SL方向上进行错位，因此可以控制并行成像的混叠，因此视场(FOV)中心的更多区域免受混叠的干扰；同时，线圈的敏感性也得到提升，从而可以进一步加速；第三，二维CAIPIRINHA欠采样方法通常应用较小的加速因子，因此保证了较高信噪比；最后，在以三维快速自旋序列扫描方式进行磁共振成像方法中应用二维CAIPIRINHA欠采样方法，大幅度减少了K空间数据提取时间从而缩短了扫描时间，并且通过应用“数据块”重组提高了图像质量。因此，如上所述，二维CAIPIRINHA欠采样方法配合相应重组的“数据块”，应用于三维扫描序列，尤其是SPACE扫描序列，对于提高受检对象的舒适程度和受检对象整体的图像质量具有重大改进作用。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维磁共振成像方法，包括如下步骤：
进行三维磁共振扫描序列并采集多个K空间数据；
在所述K空间数据上采用二维CAIPIRINHA欠采样方法提取多个采样数据；
利用所述采样数据重建一磁共振图像，
所述提取多个采样数据包括：
根据所述二维CAIPIRINHA欠采样方法在相位编码方向上的加速因子，将K空间数据重组为多个基本并行重建数据提取单元，其中各个所述基本并行重建数据提取单元分别包括一个所述采样数据；
按照预定顺序提取多个所述基本并行重建数据提取单元。
2.如权利要求1所述的三维磁共振成像方法，其特征在于，所述三维磁共振扫描序列包括三维时间飞跃扰相稳态梯度回波扫描序列或三维快速自旋回波扫描序列。
3.如权利要求1所述的磁共振成像方法，其特征在于，所述相位编码方向包括一第一相位编码方向和一第二相位编码方向，所述基本并行重建数据提取单元是包括所述第一相位编码方向上的加速因子个K空间数据×所述第二相位编码方向上的加速因子个K空间数据的矩阵。
4.一种三维磁共振成像装置，包括如下部件：
一扫描及采集设备，用于进行三维磁共振扫描序列并采集多个K空间数据；
一欠采样及提取设备，用于在所述K空间数据上采用二维CAIPIRINHA欠采样方法提取多个采样数据；
一图像重建设备，用于利用所述采样数据重建一磁共振图像，
所述欠采样及提取设备包括：
一数据重组部件，用于根据所述二维CAIPIRINHA欠采样方法在相位编码方向上的加速因子，将K空间数据重组为多个基本并行重建数据提取单元，其中各个所述基本并行重建数据提取单元分别包括一个所述采样数据；
一数据提取部件，按照预定顺序提取多个所述基本并行重建数据提取单元。
5.如权利要求4所述的磁共振成像装置，其特征在于，所述三维磁共振扫描序列包括三维时间飞跃扰相稳态梯度回波扫描序列或三维快速自旋回波扫描序列。
6.如权利要求4所述的磁共振成像装置，其特征在于，所述相位编码方向包括一第一相位编码方向和一第二相位编码方向，所述基本并行重建数据提取单元是包括所述第一相位编码方向上的加速因子个K空间数据×所述第二相位编码方向上的加速因子个K空间数据的矩阵。
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