一种采用Radial 3DTOF获取颈动脉磁共振血管图像的方法及磁共振成像系统
阅读说明：本技术 一种采用Radial 3DTOF获取颈动脉磁共振血管图像的方法及磁共振成像系统 (Method for acquiring carotid magnetic resonance blood vessel image by adopting Radial 3DTOF and magnetic resonance imaging system ) 是由 李鹏宇 丁少伟 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种采用Radial 3DTOF获取颈动脉磁共振血管图像的方法及磁共振成像系统,该方法在3DTOF序列中应用Golden-Angle Radial采集技术实现磁共振血管成像扫描；对采集到的K空间信号数据做插值、梯度延迟与相位校正处理获取优化的K空间数据；运用非均匀快速傅里叶变换NUFFT进行图像重建,对原始裁剪图像做RAIN射频非均匀性校正获取均匀图像；对均匀图像做块间均匀性校正获取最终的3D血管原始图像。本方法可以有效解决常规2DTOF或3DTOF在颈动脉采集中受吞咽、心脏搏动或脑脊液搏动以及线圈单元分布不理想等影响导致的颈动脉血管不连续、不均匀等问题。(The invention discloses a method for acquiring a carotid magnetic resonance blood vessel image by adopting Radial 3DTOF and a magnetic resonance imaging system, wherein the method realizes magnetic resonance blood vessel imaging scanning by applying Golden-Angle Radial acquisition technology in a 3DTOF sequence; carrying out interpolation, gradient delay and phase correction processing on the acquired K space signal data to obtain optimized K space data; performing image reconstruction by using non-uniform fast Fourier transform (NUFFT), and performing RAIN radio frequency non-uniformity correction on the original cut image to obtain a uniform image; and performing inter-block uniformity correction on the uniform image to obtain a final 3D blood vessel original image. The method can effectively solve the problems of discontinuity and nonuniformity of carotid vessels and the like caused by the influence of swallowing, heart pulsation or cerebrospinal fluid pulsation, non-ideal coil unit distribution and the like of the conventional 2DTOF or 3DTOF in carotid artery acquisition.)
技术领域
本发明属于磁共振成像领域，具体涉及一种采用Radial 3DTOF获取颈动脉磁共振血管图像的方法及应用它的磁共振成像系统。
背景技术
在磁共振血管成像(Magnetic Resonance Angiography, MRA)中常用的方法有TOF(Time Of Flight)、CEMRA(Contrast Enhance MRA)和PC(Phase-Contrast)等。CEMRA在扫描时需注入对比剂，对扫描时间有精确要求，因而限制图像分辨率提升；PC扫描和重建时间过长，且受血液流动和成像区覆盖窄等缺陷而不常用；因而在颈部MRA成像中临床上最常用的是时间飞逝法TOF。TOF技术是基于血流的流入增强效应，根据血液流速使用具有短重复时间(TR)的射频脉冲序列采集颈部血管原始图像。临床上利用常规2DTOF或3DTOF在颈动脉采集过程中经常因吞咽、心脏搏动或脑脊液搏动导致颈动脉原始图像血管不连续，MIP后容易在颈总动脉分叉处等关键位置出现不连续。由于常规TOF序列采用笛卡尔K空间采集方式，因此受运动影响较为敏感，且采集时增加分辨率会延长扫描时间；然而非笛卡尔采集方式，如Radial通过不断采集更新K空间中心数据，且图像分辨率是由回波采样点数决定，这样会一定程度上提高图像分辨率，同时Radial采集对呼吸运动、刚体运动或脉动较为不敏感。目前各厂家临床机器、文献或专利中尚未发现将Radial采集技术应用于颈动脉3DTOF脉冲序列。
目前在颈部MRA扫描中常用的接收线圈为头颈联合线圈或颈胸联合线圈，由于颈动脉覆盖范围较广（从主动脉弓到大脑动脉环），在颈动脉采集过程中由于通道单元布局不理想容易出现靠近主动脉弓处或大脑动脉环处信号变差，这样导致整体血管不均匀。在磁共振成像系统中体线圈一般作为发射线圈应用于所有脉冲序列，然而考虑到体线圈作为接收线圈时，其接收范围较广且接收信号均匀性较好，这样通过利用体线圈的信号均匀性优势，可有效解决头颈联合线圈或颈胸联合线圈由于通道单元布局不理想导致的图像不均匀。
为减弱血流饱和效应，采用多个块(Slab)重叠式的方法实现3DTOF成像扫描。然而采用多个Slab的3DTOF成像时为保证信噪比，单个Slab厚度一般为16mm-64mm。当血流流入成像区后，随着流入深度的增加，会经历不同的射频脉冲激发，从而导致血流信号强度随着流入的加深而衰减，这就导致不同Slab拼接时由于Slab边缘信号比中间暗，在Slab间拼接处会出现一条穿过血管的暗线，即为百叶窗伪影，同时背景不连续，这样严重影响了临床诊断。实际应用中，为消除百叶窗伪影，多个Slab之间重叠扫描（20%-40%左右），重建时将重叠区数据直接扔掉，因此无法很好地解决拼接带来的伪影问题。
鉴于此，本发明提出了一种获取颈动脉磁共振3D原始图像和MIP 3D血管图像的新方法，有效地解决常规方法导致的血管不连续、不均匀等问题。
发明内容
本发明目的是：提供一种采用Radial 3DTOF获取颈动脉磁共振血管图像的方法及应用它的磁共振成像系统，利用Radial采集优势、RAIN和块间均匀性校正处理可有效解决常规2DTOF或3DTOF在颈动脉采集中受吞咽、心脏搏动或脑脊液搏动以及线圈单元分布不理想等影响导致的颈动脉血管不连续、不均匀等问题。
本发明的技术方案是：一种采用Radial 3DTOF获取颈动脉磁共振血管图像的方法，应用于磁共振成像系统中，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：在3DTOF序列中采用Golden-Angle Radial采集法，通过变换梯度方向矩阵而非梯度三个方向梯度值的方式对颈动脉成像区实现Radial 3DTOF磁共振成像扫描；
步骤2：对步骤1中采用Golden-Angle Radial采集法采集到的每个辐条Spoke K空间回波数据做三线性插值处理，对插值后的每个辐条Spoke回波数据分别做梯度延迟和累积相位校正处理；
步骤3：运用非均匀快速傅里叶变换NUFFT获得3D原始图像；
步骤4：对3D原始图像在磁共振成像系统中进行最大密度投影MIP，并裁剪去除背景组织，进行三个方位360°投影获取最终颈动脉3D血管图像。
在3DTOF序列中采用Golden-Angle Radial采集技术，具体地，在平面内采用Radial K空间采集，在方向依然采用笛卡尔采集方式，其中旋转Golden-Angle黄金角大小为：，通过变换梯度方向矩阵而非梯度三个方向梯度值的方式对颈动脉成像区实现Radial 3DTOF磁共振成像扫描；Radial采集时图像分辨率是由读出行采样点数决定，加之TOF本身流入效应对背景有所抑制使得Radial条纹状Streak伪影不明显，因此可对辐条数Spokes作理论缩减实现欠采样加速扫描。
进一步地，所述步骤2中对采集到的每个辐条Spoke K空间回波数据首先进行了三线性插值处理，具体地，在非笛卡尔K空间中对每个辐条Spoke回波数据先进行两倍复数三线性插值求得插值后回波数据的相位，再进行回波数据两倍模值三线性插值，最后用所求插值后模值数据及相位数据算出每个辐条Spoke的插值回波数据。接着对回波数据进行梯度延迟处理，具体地，将每一个Spoke回波数据通过一维快速反傅里叶变换得到每一个Spoke的时域数据，设置K空间起始偏移，将每个施加不同产生的相位得到，再进行一维快速傅里叶变换获得不同的Radial K空间数据，将不同的K空间数据分别进行NUFFT变换并进行SOS(Sum Of Square)通道合成得到不同的Radial 2D图像，由可以得到不同的校正函数从而确定校正的Radial K空间偏移大小，最后将乘以所产生的相位补偿，再进行一维快速傅里叶变换获得的Radial K空间数据。由于涡流的线性项产生K空间偏移，在梯度延时处理中已校正，但涡流B0项会产生K空间的相位累积，导致图像出现伪影，这里做累积相位校正处理；对每一黄金角施加一校正相位获得：
其中，根据计算出的相位校正系数。
进一步地，所述步骤3中先求取Radial密度补偿函数和Golden-Angle Radial采集轨迹，再运用非均匀快速傅里叶变换NUFFT获得3D原始图像；
进一步地，由于Spoke回波信号被截断和采集噪声的影响，对重建图像做快速傅里叶变换FFT得到笛卡尔下的K空间，进行汉宁滤波再反傅里叶变换获得滤波图像，并进行图像裁剪进一步获取3D原始图像。
进一步地，由于线圈单元布局的不理想，对原始裁剪图像做RAIN射频非均匀性校正处理，先进行体线圈和成像线圈的校准预扫描，获取低分辨下各个通道的线圈敏感谱，再利用三线性插值计算出3DTOF对应层的敏感谱信息，最后采用RAIN校正算法获取均匀的原始图像。
其中，为预扫描成像线圈图像，为预扫描体线圈图像，为线圈通道单元。
其中，为插值后敏感谱的逆谱，为待校正图像，为所有通道数。
进一步地，为减少血流被饱和，对Radial 3DTOF进行多块(Slab)重叠式采集，常规方法在图像重建时将重叠层直接扔掉，这样会在块间出现拼接问题产生百叶窗伪影，因此需对重建出多个块原始图像做块间均匀性校正处理以消除百叶窗伪影。
具体地，保留每个Slab重叠区域的最后一层和第一层图像数据，对每个Slab流入和流出的第一层分别做校正处理。对于流入层，求得流入权重系数为前一个Slab重叠区流出第一层和当前流入层第一层的比值，对于流出层，求得流出权重系数为当前流出层第一层和下一个Slab重叠区流入最后一层的比值，依次处理所有Slab，第一个Slab的流入第一层和最后一个Slab流出第一层不做处理，通过所述方法获得了所有Slab校正数据，最后对所述所有Slab校正数据进行和方向的三线性插值获取最终的3D血管原始图像。
本发明还提供了一种磁共振成像系统，所述磁共振成像系统采用了上述任一项所述的采用Radial 3DTOF获取颈动脉磁共振血管图像的方法
本发明的优点是：采用了Radial 3DTOF序列采集颈动脉血管，有效地减弱或抑制了吞咽、心脏搏动或脑脊液搏动等影响；运用Radial插值、梯度延迟和累积相位校正方法有效保证了Radial采集K空间数据的准确性；利用RAIN射频非均匀性校正方法有效解决了线圈单元分布不理想带来的图像不均匀问题；多个Slab块间均匀性校正方法有效解决了拼接问题导致的百叶窗伪影；通过所述方法解决了颈动脉血管不连续、不均匀等问题，同时保证MIP后3D颈动脉血管的连续性和均匀性。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明Radial 3DTOF采集轨迹示意图。
图3为本发明校正层Radial K空间数据插值、梯度延迟和相位校正处理前后。
图4为本发明RAIN非均匀性校正方法的重建流程。
图5为本发明Radial 3DTOF多个Slab扫描拼接方法示意图。
图6为本发明Radial 3DTOF和常规3DTOF颈动脉血管MIP图像效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
采用Radial 3DTOF获取颈动脉磁共振血管图像的方法，包含以下步骤：
步骤1，图1给出了Radial 3DTOF获取颈动脉磁共振血管图像的方法的具体流程示意图，按照此流程在所述磁共振系统中可获得3D颈动脉血管图像。
步骤2在3DTOF序列中采用Radial采集技术实现颈动脉磁共振血管成像扫描，具体地，在平面内采用Golden-Angle Radial K空间采集，在方向依然采用笛卡尔采集方式，其中旋转Golden-Angle黄金角大小为：，通过变换梯度方向矩阵而非梯度三个方向梯度值的方式对实现Radial 3DTOF磁共振成像扫描；Radial采集时图像分辨率是由读出行采样点数决定，加之TOF本身流入效应对背景有所抑制使得Radial条纹状Streak伪影不明显，可对辐条数Spokes作理论缩减实现欠采样加速扫描，图2简单给出了前三个Spoke Golden-Angle Radial的采集轨迹。
步骤3对采集到的每个辐条Spoke K空间回波数据做三线性插值处理，对插值后的每个辐条Spoke回波数据分别做梯度延迟和累积相位校正处理，依次应用所述三步校正处理方法保证了Radial K空间数据的准确性，以此来获取优化的Radial K空间信号数据，图3给出了校正层校正前后Radial K空间信号数据的变化。
步骤4运用非均匀快速傅里叶变换NUFFT进行Radial图像重建，对重建图像做快速傅里叶变换FFT得到笛卡尔下的K空间，进行滤波后再反傅里叶变换获得滤波图像，并进行图像裁剪获取原始图像。所述NUFFT非笛卡尔网格化方法可参见论文“Jeffrey A.Fessler. On NUFFT-based gridding for non-Cartesian MRI. Journal of MagneticResonance,2007, 188(2): 191–195.”
步骤5对原始裁剪图像做RAIN射频非均匀性校正处理，先进行体线圈和成像线圈的校准预扫描，获取低分辨下各个通道的线圈敏感谱，再利用三线性插值计算出3DTOF对应层的敏感谱信息，最后采用RAIN校正算法获取均匀的原始图像，图4给出了RAIN射频非均匀性校正方法的重建流程。
步骤6由于血流饱和效应，对Radial 3DTOF进行多个Slab重叠式采集，常规方法在图像重建时将重叠层直接扔掉，这样会在块间出现拼接问题产生百叶窗伪影，因此需对所述重建出的多个Slab均匀图像做块间均匀性校正处理以消除百叶窗伪影来获取最终的3D血管原始图像，图5给出了Radial 3DTOF多个Slab扫描拼接方法示意图。
步骤7对所述最终的3D原始图像在磁共振成像系统中进行最大密度投影MIP，并裁剪去除背景组织，进行三个方位360°投影获取最终颈动脉3D血管图像。图6给出了冠状位某一角度的MIP颈动脉血管投影图像，同时对比了常规3DTOF和本发明所述方法的3D颈动脉图像效果。
当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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