一种磁共振系统b0场图的校正方法
阅读说明：本技术 一种磁共振系统b0场图的校正方法 (Correction method of B0 field map of magnetic resonance system ) 是由 杨刚 张龙江 张志强 卢光明 许强 戚荣丰 张运明 张其锐 程晓青 邱连丽 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种磁共振系统B0场图的校正方法,首先获取磁共振系统的三维B0场图,并沿每个维度划分为若干层；然后沿三维B0场图至少其中两个维度分别逐层进行2D相位去卷绕,获取中间B0场图；最后选定所述至少两个维度的其中一个作为基准方向,获取沿所述基准方向上B0场图中相邻两层的相位差,且该相位差满足全局优化规则。该方法基于对3D相位每个层面逐一做2D去卷的结果再做3D相位去卷绕计算,并引入了全局优化规则,因此匀场结果具有优良的稳定性和准确性；而且,本发明的方法计算效率高,更加符合实际应用中的快速响应需求,具有更好的临床应用前景。(The invention provides a correction method of a magnetic resonance system B0 field pattern, which comprises the steps of firstly obtaining a three-dimensional B0 field pattern of the magnetic resonance system, and dividing the field pattern into a plurality of layers along each dimension; then respectively carrying out 2D phase unwrapping layer by layer along at least two dimensions of the three-dimensional B0 field map to obtain a middle B0 field map; and finally, selecting one of the at least two dimensions as a reference direction, and acquiring the phase difference of two adjacent layers in the B0 field pattern along the reference direction, wherein the phase difference meets the global optimization rule. The method is based on the results of performing 2D deconvolution on each layer of the 3D phase one by one, then performing 3D phase deconvolution calculation, and introducing a global optimization rule, so that shimming results have excellent stability and accuracy; moreover, the method of the invention has high calculation efficiency, better meets the rapid response requirement in practical application and has better clinical application prospect.)
技术领域
本发明涉及一种B0场图的校正方法，其中应用了3D相位去卷绕方法；属于磁共振成像技术领域。
背景技术
在磁共振的成像系统中，磁体本身能够在一定的空间里提供较为均匀的静态磁场B0，而该磁场的均匀性是磁共振图像质量的关键因素。然而由于组织的磁化率差异，会在交界处产生局部磁场变化（即不均匀性），导致磁敏感伪影、压脂效果差、图像变形等问题。因此，为了提高图像的质量，需要减少磁场的非均匀性（即匀场），使其变成空间连续分布、颜色不跳变得均匀图像。现有技术中，一般采用二维或三维相位去卷绕技术进行B0匀场，即对B0场图进行校正。一般来说，三维相位去卷绕相比二维相位去卷绕算法，难度更大，稳定性更难保证，计算时间更长，在实践中较难应用。
场图的去卷绕技术是校正的核心，现有的3D去卷绕算法包括路径导向法、最小p范数法等。在最小p范数法中，首先预设一个目标相位图，对原始相位图（卷绕相位图）逐点求三方向差分，再将此差分减去预设目标相位图对应的差分做差，这样对于每个像素点会得到三个此差值，接着将所有点的三方向此差值的p次方相加构造目标函数，这样问题将转变为一个优化目标函数的问题。此方法准确性和稳定性较佳，计算过程中会构造N*N的方阵，N为参与计算的像素点数，这将导致三维去卷绕计算量远大于二维去卷绕。在路径导向法中，首先选择一个相位图质量的评估函数，全卷绕从三维数据的一个点开始，沿着各个方向计算评估函数，选择评估值最高的方向，再沿着此方向做一维相位去卷绕，此方法的准确性取决于相位图质量函数的选取，如果质量图的选取不合理会导致算法计算结果的不准确。而路径导向法缺乏对相位图的全局计算，某条路径出错时可能会导致路径上的后续像素点计算出错，也缺乏实际应用价值。
鉴于上述原因，有必要对B0场图提出一种更优的校正方法。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种稳定、准确且计算效率高的B0场图矫正方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
本发明公布了一种磁共振系统B0场图的校正方法，包括如下步骤：
S1、获取磁共振系统的三维B0场图，并沿每个维度划分为若干层；
S2、沿所述三维B0场图至少其中两个维度分别逐层进行2D相位去卷绕，获取中间B0场图，即为中间相位图；
S3、选定所述至少两个维度的其中一个作为基准方向，获取沿所述基准方向上B0场图中相邻两层的相位差作为匀场参数以实现去卷绕，且所述相邻两层的相位差满足全局优化规则。
优选地，前述全局优化规则为：采用不同于所述基准方向的其他方向对相位差进行验证，验证结果理想则取该相位差进行匀场；否则对目标函数Z进行优化，得到优化后的相位差进行匀场。
优选地，以X方向作为基准方向，采用Y及Z方向对相位差是否理想进行验证。当然，也可以Y方向作为基准方向，采用X及Z方向对相位差是否理想进行验证。
更优选地，前述验证方式为：若：
且
（2）
则表示验证结果理想，此时结束该相位的去卷绕并输出相位差 作为匀场参数，接着进行下一相位数据的去卷绕操作，直至完成所有计算；
其中，FX是沿X方向的中间相位图；FY是沿着Y方向的中间相位图；FZ是沿着Z方向的中间相位图；i是在X方向的坐标；j是在Y方向的坐标，k是Z方向的坐标。因此，FX（i，j，K+1）与FY（i，K+1，j）的坐标是一样的，仅仅是沿不同方向的中间相位图的相位值而已。
进一步优选地，若验证结果不理想，即所述等式（1）和（2）不能同时严格成立，则对目标函数Z进行优化：（3）
求解出使目标函数Z取最小值的，即为修正后的匀场参数。
更优选地，具体优化过程为：
最终，得到修正后的匀场参数为：
（4）。
本发明的有益之处在于：
（1）本发明提出了一种B0场图的校正方法，其中应用了3D相位去卷绕方法，能够对磁共振系统的B0场图进行匀场，基于对3D相位每个层面逐一做2D去卷的结果再做3D相位去卷绕计算，充分利用2D去卷绕结果的信息，不改变2D去卷绕在每一层的计算结果，利用已有的2D去卷绕结果在第三个维度上进行一个1D的相位去卷绕，同时还引入了全局优化规则，使得校正结果更具有优良的稳定性和准确性，从而有效改善成像质量；
（2）本发明的方法计算效率高，更加符合实际应用中的快速响应需求。待去卷绕的3D相位数据的尺寸为M*M*M, 对一个M*M的2D相位图去卷绕的计算时间为t0，则现有技术中完成3D相位去卷绕的总时间大约为3*M*t0。而本申请另辟蹊径，并没有在一开始就全局考虑所有像素点去进行3D去卷绕，而是逐层进行2D去卷绕，最后在此基础上利用2D信息进行1D去卷绕，这种2+1的方法在计算效率具有极大的优势。
附图说明
图1是对3D相位数据矩阵沿X方向逐层2D相位去卷绕后的数据示意图；
图2是对3D相位数据矩阵沿Y方向逐层2D相位去卷绕后的数据示意图；
图3是对3D相位数据矩阵沿Z方向逐层2D相位去卷绕后的数据示意图；
图4是FX中第k层的去卷绕数据图；
图5是FX中第k+1层的去卷绕数据图；
图6是本发明实施例的32*32*32数据相位矩阵沿着X方向展示的卷绕相位图；
图7是本发明实施例的32*32*32数据相位矩阵沿着Y方向展示的卷绕相位图；
图8是本发明实施例的32*32*32数据相位矩阵沿着Z方向展示的卷绕相位图；
图9是本发明实施例的32*32*32数据相位矩阵沿着X方向层面2D去卷绕后FX沿着X方向的展示图；
图10是本发明实施例的32*32*32数据相位矩阵沿着X方向层面2D去卷绕后FX沿着Z方向的展示图；
图11是图9的基于FX的3D去卷绕计算结果沿着X方向的层面展示图；
图12是图9的基于FX的3D去卷绕计算结果沿着Z方向的层面展示图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明的B0场图校正方法适用于对磁共振系统进行B0匀场，具体包括如下步骤：
S1、获取磁共振系统的三维B0场图，并沿每个维度划分为若干层。
通常，我们是直接采集原始数据来获取B0场图，本实施例中可以用快速梯度回波序列采集得到三维B0场相位图M*M*M。利用快速梯度回波，在频率编码梯度处于同方向时采集两个回波，回波时间分别为TE1和TE2，将两个回波分别填充于K空间1和K空间2，由傅里叶重建得到两个不同回波时间的复数图像，用于B0场相位图计算。
S2、对3D相位数据矩阵沿着X、Y及Z三个方向分别逐层进行2D相位去卷绕，得到三个方向的层面去卷绕相位数据，结果分别如图1、图2和图3所示。其中，正方形虚线框表示2D去卷绕的层面，空心圆圈表示2D去卷绕后的数据，可见，三次去卷绕的层面方向相互垂直。为方便表述，将去卷绕后的三个方向的相位图依次记为FX、FY及FZ，具体地，以X方向为例，其中第k层第i行第j列的数据记为FX（i,j,k），其他相位点的记录同理。
具体地，本步骤中的逐层2D相位去卷绕包括如下子步骤：
（1）获取待处理的相位图；
（2）对相位图进行预处理，得到与相位图对应的相位蒙版（mask）；
（3）根据相位蒙版，对相位图至少沿第一方向和第二方向分别进行分段，得到至少两个分段相位图，分段相位图与分段的方向相对应；
（4）对至少两个分段相位图分别进行相位去卷绕处理，得到至少两个中间相位图；
（5）根据至少两个中间相位图，确定相位图对应的去卷绕相位图。
对于本实施例的二维相位图，其中一个维度对应相位编码方向，另一个维度对应频率编码方向。
S3、选定所述至少两个维度的其中一个作为基准方向，获取沿所述基准方向上B0场图中相邻两层的相位差作为匀场参数以实现去卷绕，且所述相邻两层的相位差满足全局优化规则。
此处以基于X方向进行层间去卷绕为例进行说明，从X的第一层数据开始，通过计算FX第二层与第一层的差值，并且采用Y及Z方向进行对比验证，得到第二层2D去卷绕结果需要加上的相位差，这样依次计算直至得到最后一层的相位差，完成计算。
为了更加清楚地理解和实施本发明，下面以FX中的第k层和k+1层的层间去卷绕为例进行说明。如图4和图5所示，星号对应的点均为第i行第j列的点，分别处于k层和k+1层中，其相位值分别记为FX（i，j，k）和FX（i，j，k+1），计算k+1层和k层的相位值差值，得到偏置值。
如果该相位差的验证结果理想，则可将其直接作为匀场参数；如果验证结果不理想，则需要进行全局优化。因此，通过下面的方法对相位差进行对比验证。
在验证时，是采用和基准方向不同的其他方向进行对比验证。在本实施例中，以X方向作为基准方向进行层间去卷绕的话，则通过Y和Z两个方向对去卷绕结果进行验证，若：
（1）
且
（2）
则表示验证结果理想，此时结束该相位的去卷绕并输出计算结果，接着进行下一相位数据的去卷绕操作。
若去卷绕的相位数据不理想，即以上等式（1）和（2）不能同时严格成立，则要进行目标函数的优化，待优化的目标函数Z为：
（3）
在上式（3）中，只要求解出使得目标函数Z取最小值的delta(k)，即为优化后的匀场参数。
为了求解使得Z取极小值的delta(k)，即要求出目标函数Z对delta(k)的导数,并使其等于0：
即可求得：
（5）
按照上述方法，得到全局优化后的相邻层之间的delta(k)，最后针对每个FX中的第k+1层数据加上delta(k)即可得到最终的3D去卷绕相位数据，完成B0匀场。
为了更好地理解和实施本发明，本实施例构造了一个3D相位数据32*32*32（即M取值为32），图6至图8分别为该矩阵沿着X、Y及Z方向展示的卷绕相位图，可见其颜色跳变明显，卷绕程度较为严重。
首先，使用2D去卷绕算法分别得到沿着X、Y和Z三个方向去卷绕后的层面去卷绕相位数据，图9为本实施例的数据矩阵沿着X方向进行层面2D去卷绕后，沿着X方向的展示图。从图9中可见，沿着X方向层面2D去卷绕数据在不同的2D去卷绕层面之间存在亮度的跳变（忽明忽暗），这是因为各层2D去卷绕计算是相互独立的。如果将FX沿着Y方向或者Z方向展示便可以更加清楚地看到这种跳变，图10即为沿着X方向层面2D去卷绕后FX沿着Z方向的展示图，图中可以清晰地看出明暗跳变。因此，2D去卷绕后尚不能满足B0匀场要求。
接着，对矩阵数据进行基于X方向的3D去卷绕计算，此处应遵循前述的全局优化规则。图11为沿着X方向展示基于FX的3D去卷绕层面展示图，从图中清晰可见，层面之间沿着层面方向的相位具有渐变趋势，但不存在图9中的不同层面亮度跳变。
最后，为了验证匀场效果，沿着Z方向展示基于FX的3D去卷绕的效果，如图12所示，层面之间也是明显的渐变趋势，空间呈连续分布，不存在颜色跳变，因此本发明的方法具有极好的B0匀场效果。
综上，本发明提出的B0场图的校正方法充分利用2D去卷绕结果的信息，在第三个维度上进行1D去卷绕，且利用了全局优化规则，使得计算结果具有极好的稳定性和准确性。而且，本发明的计算方法效率大大提高，举例来说，对一个M*M的2D相位图去卷绕的计算时间为t0,则完成3D相位去卷绕的总时间大约为3*M*t0，如果定义计算时间/像素点数，则做3D相位去卷绕的计算时间/像素点数仅仅为2D相位去卷绕的3倍（与像素点无关），而对于很多2D/3D的通用算法，3D和2D计算时间/像素点数的比值的往往随着像素点数直线上升。但本算法另辟蹊径，并没有在一开始就全局考虑所有像素点而进行3D去卷绕，只是逐层进行2D去卷绕，最后在此基础上利用2D信息进行1D去卷绕，这种2+1的方法在计算效率上大有优势。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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