磁共振成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于三维数据集采集的磁共振成像方法，其中执行根据三个相互正交 的磁场梯度的空间编码使得在一个空间方向ki上在读取梯度下读出信号，而通过在信号采 集之前在另外两个空间方向匕和k3上应用相位编码梯度来执行所述另外两个空间方向上 的空间编码，并且以顺序方式执行数据采集使得在每个采集步骤中在所述读出梯度下但是 利用两个相位编码梯度的不同组合来采集信号。
[0002] 这种类型的方法被称为是在参考文献[0]M.Bomans，K.Hohne，G.Laub，A.Pommert， U.Tiede,Improventof3DacquisitionandvisualizationinMRI.Magn.Reson. Imaging9,597-609(1991)中描述的3DFT(或体）成像。
【背景技术】
[0003] 本发明的一般背景
[0004] 本发明一般涉及磁共振成像（=MRI)技术。它具体涉及数据采集和图像重建方 法以及用于MRI的空间编码。
[0005] 与计算机断层扫描（=CT)相比，磁共振成像是相对新的技术，而第一张MR图像 由P.C.Lauterbur于 1973 年发表在''ImageFormationbyInducedLocalInteractions： ExamplesofEmployingNuclearMagneticResonance''，Nature242,190491 中。它最初 是医学成像技术，最常用在放射学中以使身体的结构和功能可视化。它可以提供身体在任 何平面中的细节图像。与CT相比，MRI提供身体的不同软组织之间的大得多的对比度，使 MRI在神经学、心血管和肿瘤学成像中尤其有用。它使用强大的磁场来排列身体中水的氢原 子的核磁化。射频场用来系统地改变这种磁化的排列，从而使氢原子核产生可被扫描仪检 测的旋转磁场。该信号可以由另外的磁场操作以建立足够的信息来重建身体的图像。
[0006] 通常，MRI系统一般沿着经受MRI过程的对象的中心轴建立均匀磁场。该均匀主磁 场通过排列形成身体组织的原子和分子中的核自旋来影响要成像的对象的磁性能。如果核 自旋的取向混乱不齐，则原子核试图通过场来重新排列它们的自旋。核自旋取向的混乱通 常由调谐至感兴趣材料的拉莫尔频率的射频（RF)脉冲的施加引起。在重新排列处理期间， 原子核围绕主磁场的方向进动（precess)并且发射电磁信号，这些电磁信号可以由放置在 对象上或在对象周围的一个或多个RF检测器线圈检测。
[0007] 磁共振成像采用时间上和空间上可变的磁场，以通过影响自旋的局部拉莫尔频 率来对位置编码。通常用于该目的的梯度线圈产生叠加在主磁场上的空间编码磁场（= SEM)。这使得可以选择图像切片的局部化，并且还可以提供相位编码和频率编码。这种编 码允许在图像重建期间识别共振信号的来源。图像质量和分辨率显著地依赖于所施加的编 码场的强度和可被控制的方式。一般根据预建立的协议或事件的顺序（被称为脉冲顺序） 来执行梯度线圈的控制，从而使不同类型的对比度机制得以成像。
[0008] 具体背景抟术
[0009] 在半傅里叶成像中，留下k空间数据的一部分不采集以便缩短MRI中的测量时间， 而缺少的数据通过在重建期间利用k空间的共轭对称性来合成（也称为部分傅里叶成像）。 矩形采样图案常常用于多维半傅里叶成像（参见参考文献[1]、[2])。
[0010] 偏共振效应和技术缺陷可能导致所采集的MR图像中的空间相位变化，这破坏k空 间的共轭对称性。开发了两种类型的相位校正方法来合成未采集数据（参见参考文献[3]、 [4])。在这些方法中，在数据合成期间，中间结果中的相位图像完全由估计值替代。
[0011] 近来开发的k空间随机采样技术（也被称为"压缩感测"，参见参考文献[5])与 半傅里叶采集组合以加速MRI(参见参考文献[2]、[6])。在参考文献[2]中，使用参考文 献[3]中所提出的零差检测（Homodynedetection)方法来在单独的步骤中重建半傅里叶 成像中的缺少的数据。在参考文献[6]中，使用参考文献[4]中所提出的迭代P0CS方法来 在单独的步骤中重建半傅里叶成像中的缺少的数据。在所有以上的方法中，重建的图像相 位直接由估计相位替代，估计相位在具有快速相位变化的一些区域中可能不准确。在利用 "直接"相位替代的这些方法中，在具有不良相位估计的区域中存在显著的重建误差。
【发明内容】
[0012] 发明目的
[0013] 本发明提出了一种基本上克服以上所讨论的现有方法的一个或多个缺点的方式。
[0014] 本发明的一个目的是提出一种用于3DMRI中的半傅里叶成像的数据采集方法，其 中针对第一空间维度（被称为1〇中的空间编码在读出梯度下采集数据。通过使用两个相 互正交的相位编码梯度（被称为匕和1^3)来对第二空间维度和第三空间维度中的数据进行 空间编码。在k2-k3平面中执行k空间欠采样（undersampling)。
[0015] 所述匕；3平面中的k空间包括五部分
[0016] -部分1 :中心k空间中的对称采集区域。
[0017]-部分2 :具有比部分1中更高的空间频率的对称采集区域。
[0018]-部分3 :具有比部分2中更高的空间频率的下半k空间中的采集区域。
[0019]-部分4 :具有比部分2中更高的空间频率的上半k空间中的采集区域。
[0020]-部分5 :具有比部分4中更高的空间频率的上半k空间中的未采集区域。
[0021] 对所述k空间中的部分1进行完全采样。
[0022] 用均匀采样密度对所述k空间中的部分2进行欠采样。
[0023] 用比部分2中更低的均匀采样密度对所述k空间中的部分3进行欠采样。
[0024] 用比部分3中更低的均匀采样密度对所述k空间中的部分4进行欠采样。
[0025] 完全不采集所述k空间中的部分5。
[0026] 所述部分2和部分4的形状的一种选择是椭圆。
[0027] 所述部分2和部分4的形状的一种选择是矩形。
[0028] 数据采集的一种选择是在所述部分2、部分3和部分4中应用矩形欠采样（参见参 考文献[7])。
[0029] 对数据采集的一种选择是在所述部分2、部分3和部分4中应用随机欠采样。
[0030] 本发明的另一目的是提出一种用于通过所述k空间采样图案来采集的数据集的 图像重建方法。
[0031]发明概要
[0032] 这些目的通过对以上讨论的方法进行如下修改来实现：对被称为部分1的k2_k# 面的第一子集进行完全采样，部分1关于k空间中心对称；用均匀密度对被称为部分2的 k2-k3平面的第二子集进行欠采样，部分2具有比部分1中更高的空间频率且关于k空间中 心对称；用均匀密度对被称为部分3的下半匕；3平面中的第三子集进行欠采样，部分3具 有比部分2中更高的空间频率；用均匀密度对被称为部分4的上半k2-k3平面中的第四子集 进行欠采样，部分4具有比部分2中更高的空间频率；完全不采集被称为部分5的上半k2-k3 平面中的第五子集，部分5具有比部分4中更高的空间频率；
[0033] 部分2中的采样密度比部分1中低，部分3中的采样密度比部分2中低，部分4中 的采样密度比部分3中低，部分5中不采集数据；以及
[0034] 通过像在非线性共轭梯度方法中那样用下降算法对代价函数迭代地进行最小化 来重建图像，该代价函数是多个正则项（regularizationterm)的加权和，相位约束项被引 入该代价函数，被称为Rp。的该相位约束项为
，其中x 表示迭代最小化中的中间解，IlglliiEk|gk|，gk是矩阵g的第k个元素；A〇B表示矩阵A和矩阵B的Hadamard乘积；|x|表示x的幅值；PK表示要被重建的图像的相位的估计值； W表示权重图（weightingmap)。
[0035] 本发明提出用于以上所讨论的图像重建的下列步骤：
[0036] 通过仅使用所述部分1和部分2中的采集数据来重建图像（被称为IK)。在所述 ^的重建中，将所述部分3、部分4和部分5中的数据设置为零。提取所述IK中的相位图像 (被称为PK)。
[0037]通过使用下降算法对代价函数f。迭代地进行最小化来获得最终图像（被称为IF)， 下降算法例如参考文献[5]本身提出的非线性共轭梯度方法。
[0038] 所述代价函数f。可以表示为下列正则项的加权和，但不限于列出的项：
[0040] x表示所述迭代最小化处理中IF的中间解；y是所采集的k空间数据；F是傅里叶 变换运算符；U表示具有二进制元（binaryentry)的k空间采样掩码；W是稀疏变换运算