多层并行激发弥散成像的激发翻转角度确定方法和装置与流程

本发明涉及弥散成像技术领域，特别是涉及多层并行激发弥散成像的激发翻转角度确定方法和装置。

背景技术：

磁共振(magneticresonance，mr)成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。它利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核(即h+)发生振动产生射频信号，经计算机处理而成像。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。

mr通过h+的磁化来标记分子而不干扰它的弥散过程。在任一常规mr成像序列中加入弥散梯度突出弥散效应，即可执行弥散加权成像(diffusion-weightedmrimaging，dwi)，可以对组织中水分子的弥散行为直接进行检测。

近期，多层并行激发技术被成功引入了单次激发平面回波成像(ss-epi)和读方向分段平面回波成像(rs-epi)中，从而降低了弥散加权成像的扫描时间。多层并行激发技术通过同时激发n层(n即为层加速因子)以降低扫描所有层的重复时间(tr)来加速扫描，理论上扫描时间可以降至n分之一。通常，弥散加权成像中采用90度的激发翻转角来最大化信号强度，因此为了使纵向磁化矢量在激发后能够充分回复到平衡态，重复时间(tr)需要远大于成像组织的纵向弛豫时间(t1)。

然而，如果某些成像组织的纵向磁化矢量无法完全回复，那么在接下来的扫描中，这些成像组织的信号就会衰减从而影响最终的图像对比度。

技术实现要素：

本发明实施方式提出一种多层并行激发弥散成像的激发角度确定方法和装置，从而提高图像对比度。

本发明实施方式的技术方案如下：

根据本发明实施方式的一方面，一种多层并行激发弥散成像的激发翻转角度确定方法，包括：

确定第一待成像区域和第二待成像区域，其中所述第一待成像区域和所述第二待成像区域具有不同的纵向弛豫时间；

确定当执行多层并行激发弥散成像时，所述第一待成像区域与所述第二待成像区域之间的图像对比度函数；

基于所述图像对比度函数确定弥散加权序列的激发翻转角度。

在一个实施方式中，所述基于图像对比度函数确定弥散加权序列的激发翻转角度包括：

确定当执行单层激发弥散成像时，所述第一待成像区域与所述第二待成像区域之间的图像对比度值；

确定当所述图像对比度函数的函数值等于所述图像对比度值时的激发翻转角度。

在一个实施方式中，所述弥散加权序列为读方向分段平面回波成像序列；

所述激发翻转角度为θ1opt，其中：

e为自然底数；trshort为所述多层并行激发弥散成像的重复时间；trlong为所述单层激发弥散成像的重复时间；t1a为第一待成像区域的纵向弛豫时间；t1b为第二待成像区域的纵向弛豫时间。

在一个实施方式中，所述基于图像对比度函数确定所述弥散加权序列的激发翻转角度包括：

确定当所述图像对比度函数的函数值为极大值时的激发翻转角度；或

确定当所述图像对比度函数的函数值为预定值时的激发翻转角度。

在一个实施方式中，所述确定当执行多层并行激发弥散成像时，第一待成像区域与第二待成像区域之间的图像对比度函数包括：

基于所述弥散加权序列的重复时间、所述弥散加权序列的回波时间、所述第一待成像区域的纵向弛豫时间和所述第一待成像区域的横向弛豫时间，确定第一待成像区域的信号强度函数；

基于所述弥散加权序列的重复时间、所述弥散加权序列的回波时间、所述第二待成像区域的纵向弛豫时间和所述第二待成像区域的横向弛豫时间，确定第二待成像区域的信号强度函数；

基于所述第一待成像区域的信号强度函数与所述第二待成像区域的信号强度函数，确定所述图像对比度函数。

根据本发明实施方式的一方面，一种多层并行激发弥散成像的激发翻转角度确定装置，包括：

待成像区域确定模块，用于确定第一待成像区域和第二待成像区域，其中所述第一待成像区域和第二待成像区域具有不同的纵向弛豫时间；

图像对比度函数确定模块，用于确定当执行多层并行激发弥散成像时，所述第一待成像区域与所述第二待成像区域之间的图像对比度函数；

激发翻转角度确定模块，用于基于所述图像对比度函数确定所述弥散加权序列的激发翻转角度。

在一个实施方式中，激发翻转角度确定模块，用于确定当执行单层激发弥散成像时，所述第一待成像区域与所述第二待成像区域之间的图像对比度值；确定当所述图像对比度函数的函数值等于所述图像对比度值时的激发翻转角度。

在一个实施方式中，所述弥散加权序列为读方向分段平面回波成像序列；

所述激发翻转角度为θ1opt，其中：

e为自然底数；trshort为所述多层并行激发弥散成像的重复时间；trlong为所述单层激发弥散成像的重复时间；t1a为第一待成像区域的纵向弛豫时间；t1b为第二待成像区域的纵向弛豫时间。

在一个实施方式中，激发翻转角度确定模块，用于确定当所述图像对比度函数的函数值为极大值时的激发翻转角度；或，确定当所述图像对比度函数的函数值为预定值时的激发翻转角度。

在一个实施方式中，图像对比度函数确定模块，用于基于所述弥散加权序列的重复时间、所述弥散加权序列的回波时间、所述第一待成像区域的纵向弛豫时间和所述第一待成像区域的横向弛豫时间，确定第一待成像区域的信号强度函数；基于所述弥散加权序列的重复时间、所述弥散加权序列的回波时间、所述第二待成像区域的纵向弛豫时间和所述第二待成像区域的横向弛豫时间，确定第二待成像区域的信号强度函数；基于所述第一待成像区域的信号强度函数与所述第二待成像区域的信号强度函数，确定所述图像对比度函数。

从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，确定第一待成像区域和第二待成像区域，其中第一待成像区域和第二待成像区域具有不同的纵向弛豫时间；确定当执行多层并行激发弥散成像时，第一待成像区域与第二待成像区域之间的图像对比度函数；基于图像对比度函数确定弥散加权序列的激发翻转角度。由此可见，本发明实施方式不将激发翻转角度限定为90度，而是通过图像对比度函数确定弥散加权序列的激发翻转角度，可以在多层并行激发弥散成像时得到与单层激发弥散成像相同或类似的成像组织对比度。

而且，本发明实施方式不仅可以应用于rs-epi序列，还可以应用于ss-epi序列等其它的弥散加权序列。另外，本发明实施方式可以广泛应用于不同部位的弥散加权扫描中。

附图说明

图1为根据本发明实施方式多层并行激发弥散加权成像的激发角度确定方法的流程图；

图2为单极弥散模式的rs-epi序列的序列图；

图3为根据本发明实施方式的采集样图与现有技术的采集样图的示范性对比图；

图4为根据本发明实施方式的多层并行激发弥散成像的激发角度确定装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细 说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以阐述性说明本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。

在现有技术的多层并行激发弥散成像中，通常采用90度的激发翻转角来最大化信号强度。为了使纵向磁化矢量在激发后能够充分回复到平衡态，重复时间(tr)需要远大于成像组织的t1。如果某些成像组织的纵向磁化矢量无法完全回复，那么在接下来的扫描中，这些成像组织的信号就会衰减，从而影响最终的图像对比度。可见，在实际扫描中，tr的降低不仅与层加速因子有关，还与纵向磁化矢量的回复有关。

例如，在头部单层激发弥散成像中，为了得到合适的组织对比度，tr至少需要大于3秒。然而，采用多层并行激发弥散成像后，激发所有层所需的tr可能远小于3秒。为了保证弥散加权成像中b0或是低b值下的t2对比度，多层并行激发弥散成像的最小tr无法被利用，实际扫描中tr依旧取决于感兴趣组织的t1值。

申请人发现：在多层并行激发弥散成像(即短tr弥散成像)时，通过降低激发翻转角可以加速纵向磁化矢量的回复，从而增大信号强度或最大化特定成像组织之间的对比度。

实际上，在目前的多层并行激发弥散成像中，并没有基于激发翻转角优化来保持感兴趣的组织对比度的技术方案。

申请人还发现：通过优化激发翻转角，可以在多层并行激发弥散成像(即短tr)时得到与单层激发弥散成像(即长tr弥散成像)相同或类似的成像组织对比度。

图1为根据本发明实施方式多层并行激发弥散成像的激发角度确定方法的流程图。

如图1所示，该方法包括：

步骤101：确定第一待成像区域和第二待成像区域，其中第一待成像区域和第二待成像区域具有不同的纵向弛豫时间。

在这里，第一待成像区域和第二待成像区域可以为具有不同纵向弛豫时间的各自的成像组织。比如，第一待成像区域和第二待成像区域可以分别为灰白质和脑脊液，等等。

步骤102：确定当执行多层并行激发弥散成像时，第一待成像区域与所述第二待成像区域之间的图像对比度函数。

第一待成像区域与第二待成像区域之间的图像对比度函数，用于反映第一待成像区域的信号强度与第二待成像区域的信号强度之间的对比程度。

在一个实施方式中，步骤102具体包括：

首先，基于弥散加权序列的重复时间、弥散加权序列的回波时间、第一待成像区域的纵向弛豫时间和第一待成像区域的横向弛豫时间，确定第一待成像区域的信号强度；基于弥散加权序列的重复时间、弥散加权序列的回波时间、第二待成像区域的纵向弛豫时间和第二待成像区域的横向弛豫时间，确定第二待成像区域的信号强度。

然后，基于第一待成像区域的信号强度与第二待成像区域的信号强度，确定第一待成像区域与第二待成像区域之间的图像对比度函数。比如，将第一待成像区域的信号强度与第二待成像区域的信号强度相比，从而得到第一待成像区域与第二待成像区域之间的图像对比度函数。

步骤103：基于图像对比度函数确定弥散加权序列的激发翻转角度。

在一个实施方式中，步骤103包括：确定当执行单层激发弥散成像时，第一待成像区域与第二待成像区域之间的图像对比度值；确定当图像对比度函数的函数值等于该图像对比度值时的激发翻转角度。

具体地，可以首先确定当执行单层激发弥散成像时第一待成像区域与第二待成像区域之间的图像对比度值，然后将图像对比度函数的函数值等于该图像对比度值，并确定此时的激发翻转角度。这样，确定出的激发翻转角度可以保证多层并行激发弥散成像时第一待成像区域与第二待成像区域的图像对比度值，等同于单层激发弥散成像时第一待成像区域与第二待成像区域之间的图像对比度值。

因此，应用本发明实施方式之后，在短tr扫描时也可以获得与长tr扫描等同或类似的成像组织图像对比度，从而便于工作人员基于已有的针对长tr扫描的图像分析经验，对短tr扫描出的图像进行分析。

在一个实施方式中，步骤102具体包括：确定当图像对比度函数的函数值为极大值时的激发翻转角度。

在这里，通过计算图像对比度函数的函数值为极大值时的激发翻转角度，可以保证在短tr扫描时获得最高的成像组织图像对比度，从而便于工作人员更好地观察和分析扫描图像。

在一个实施方式中，步骤102具体包括：确定当图像对比度函数的函数值为预定值时的激发翻转角度。

在这里，通过计算图像对比度函数的函数值为预定值时的激发翻转角度，可以基于工作人员设定的预定值扫描出相应的图像对比度值，从而便于工作人员基于各自的图像对比度感知习惯，对短tr扫描出的图像进行分析。

在一个实施方式中，弥散加权序列为读方向分段平面回波成像(rs-epi)序列；

激发翻转角度为θ1opt，其中：

其中e为自然底数；trshort为多层并行激发弥散成像的重复时间；trlong为单层激发弥散成像的重复时间；t1a为第一待成像区域的纵向弛豫时间；t1b为第二待成像区域的纵向弛豫时间。

在本发明实施方式中，弥散加权序列除可以实施为rs-epi序列之外，还可以实施为单次激发平面回波成像序列等其它的弥散加权系列。

基于图1所示方法确定出激发翻转角度之后，即可以根据该激发翻转角度执行具体的多层并行激发弥散成像扫描。多层并行激发弥散成像扫描处理是本领域成熟技术，本发明实施方式对此不再赘述。

弥散加权采集的信号可以用序列不同时间处的纵向磁化矢量推导得出。下面以采用单极弥散模式的rs-epi序列为例，对本发明实施方式的具体实现进行细化描述。

图2为单极弥散模式的rs-epi序列的序列图。如图2所示，在rs-epi序列采集中，不同时间点的稳态纵向磁化矢量可用a-g标记。假设因为损毁梯度的存在以及可以忽略射频(rf)脉冲激发时的t1弛豫，所以g点处的横向磁化矢量可以忽略不计。

设稳态时的纵向磁化矢量为m0；a点处的纵向磁化矢量为ma；b点处的纵向磁化矢量为mb；c点处的纵向磁化矢量为mc；d点处的纵向磁化矢量为md；e点处的纵向磁化矢量为me；f点处的纵向磁化矢量为mf；g点处的纵向磁化矢量为mg；θ1为激发翻转角度；θ2为重聚脉冲角度。那么：

mb＝macosθ1

mc＝mbe1+m0(1-e1)

md＝mccosθ2

me＝mde2+m0(1-e2)

mf＝mecosθ2

mg＝mfe3+m0(1-e3)

其中：

e1＝e^-te1/2t1；e2＝^e-te2/2t1；e为自然对数；te1和te2分别为rs-epi序列的回波时间；t1为纵向弛豫时间。

利用稳态的条件ma＝mg，并设定θ2＝180度，g点处纵向磁化矢量mg与此时的信号强度sdiffusion可以用下式表示：

sdiffusion＝mgdinθ1sin²(θ2/2)e^-te1/t2e^-bd。

其中:t2为横向弛豫时间；b为弥散敏感因子，d是所加弥散梯度方向上的弥散系数。在这里，第二 个回聚脉冲用于得到导航数据来进行相位校正，因此只影响纵向磁化矢量的回复，对信号强度并没有影响。

因此，一个包含组织a(即待成像区域a)和组织b((即待成像区域b)的感兴趣组织对之间的对比度可以用下式表示：

其中mga(t1a,tr,te1,te2,θ1)是组织a在g点处的纵向磁化矢量,自变量包括t1a,tr,te1,te2,θ1；mgb(t1b,tr,te1,te2,θ1)是组织b在g点处的纵向磁化矢量，自变量包括t1b,tr,te1,te2,θ1；t1a为组织a的t1值；t1b为组织b的t1值；t2a为组织a的t2值；t2b为组织b的t2值；da是组织a在所加弥散梯度方向上的弥散系数；db是组织b在所加弥散梯度方向上的弥散系数。可以基于计算出mga(t1a,tr,te1,te2,θ1)和mgb(t1b,tr,te1,te2,θ1)。

设定θ1的优化条件为：长tr(trlong)且θ1等于90度时的对比度，等于短tr(trshort)且θ1为最优时的对比度。

如果te1，te2<<tr，可以得到如下的最佳翻转角θ1opt：

其中：e为自然底数；trshort为多层并行激发弥散成像的重复时间；trlong为单层激发弥散成像的重复时间；t1a为第一待成像区域的t1值；t1b为第二待成像区域的t1值。

以上以rs-epi序列为例，详细描述了计算最佳翻转角θ1opt的具体公式。本领域技术人员可以意识到：通过简单的适配回聚脉冲的个数，基于rs-epi序列推导最优激发翻转角的方法也可以推广到ss-epi弥散序列中。总的来说，本发明实施方式适用于所有在再次激发前横向磁化矢量可以忽略不计的序列中。

本发明提出的激发翻转角优化算法可以广泛的应用到多层并行激发弥散成像中，可以在短tr下得到和传统长tr下相同或相似的图像对比度，使得多层并行激发下的最小tr可以应用到实际扫描中。

在具体实施本发明的过程中，通过在弥散加权序列的参数卡中调节相应的参数(比如，在优化选项框中调整一对感兴趣组织的t1值、长tr值以及期望希望优化得到的等同对比度)，基于上述推导过程可以自动计算出最优激发翻转角。

比如：采用rs-epi序列实现本发明，其中头部扫描中的参数如下：

te＝79ms；视野为252mm×252mm；带宽为530hz/pixel；层厚为5mm；采集矩阵为224×224；扫描层数为20；分段数为11；回波间距为0.36ms；弥散模式(diffusionmode)为4-scan-trace；弥散方案(diffusionscheme)为单极(monopolar)；b＝0,1000s/mm²；层面内一般性自动校准部分并行采集因子(grappafactor) 为2；层加速因子为2。

使用现有技术的双层并行激发采集方案(tr＝4800)作为参考，其总扫描时间是4分12秒；在tr＝2000的双层并行激发采集中，分别采用现有技术的90度激发翻转角和本发明的最优激发翻转角，总扫描时间是1分52秒。

图3为根据本发明实施方式的采集样图与现有技术的采集样图的示范性对比图。图3包括子图3(a)-3(h)，总共八张子图。在图3中，对rs-epi序列的不同tr下，激发翻转角为90度时双层并行激发采集样图与最优激发翻转角时采集得到的样图进行对比。

图3(a)是采用现有技术的双层并行激发弥散成像所采集得到的图像，其中tr＝4800ms，扫描时间为4分12秒，b＝0s/mm²，激发翻转角为90度；图3(b)是采用现有技术的双层并行激发弥散成像所采集得到的图像，其中tr＝2000ms,扫描时间＝1分52秒,b＝0s/mm²，激发翻转角为90度；图3(c)是采用本发明后，利用计算出的最优激发翻转角的双层并行激发弥散成像所采集得到的图像，其中tr为2000ms,扫描时间为1分52秒,b＝0s/mm²，t1a为1500ms,t1b为4000ms,长tr为4800ms，最优激发翻转角为49度；图3(d)是相应的ss-epi采集得到的图像，采集矩阵＝192*192,tr＝5200ms,扫描时间为1分14秒。图3(e)-图3(f)分别为图3(a)-图3(d)所对应的高b值图像，其中b等于1000s/mm²。图3中的所有子图均用自动窗宽窗位显示。

如图3(b)所示，随着tr的降低，灰白质和脑脊液的对比度也相应下降。采用了最优激发翻转角优化后，短tr的双层并行激发rs-epi可以得到与长tr类似的图像对比度，从而可以进一步降低扫描时间。

值得注意的是：在高b值下，本发明针对图像对比度的改进也同样明显(在图3中用白色圆圈标记)。通过采集相应的ss-epi弥散加权图像，发现优化激发翻转角后的短tr双层并行激发rs-epi可以在相似的扫描时间内得到明显优于ss-epi的图像质量。

基于上述分析，本发明还提出了一种多层并行激发弥散成像的激发角度确定装置。

图4为根据本发明实施方式的多层并行激发弥散成像的激发角度确定装置的结构图。

如图4所示，该装置400包括：

待成像区域确定模块401，用于确定第一待成像区域和第二待成像区域，其中第一待成像区域和第二待成像区域具有不同的纵向弛豫时间；

图像对比度函数确定模块402，用于确定当执行多层并行激发弥散成像时，第一待成像区域与第二待成像区域之间的图像对比度函数；

激发翻转角度确定模块403，用于基于图像对比度函数确定弥散加权序列的激发翻转角度。

在一个实施方式中，激发翻转角度确定模块403，用于确定当执行单层激发弥散成像时，第一待成像区域与第二待成像区域之间的图像对比度值；确定当图像对比度函数的函数值等于图像对比度值时的激发翻转角度。

在一个实施方式中，弥散加权序列为读方向分段平面回波成像序列；

激发翻转角度为θ1opt，其中：

e为自然底数；trshort为多层并行激发弥散成像的重复时间；trlong为单层激发弥散成像的重复时间；t1a为第一待成像区域的t1值，t1b为第二待成像区域的t1值。

在一个实施方式中，激发翻转角度确定模块403，用于确定当图像对比度函数的函数值为极大值时的激发翻转角度；或，确定当图像对比度函数的函数值为预定值时的激发翻转角度。

在一个实施方式中，图像对比度函数确定模块402，用于基于弥散加权序列的重复时间、弥散加权序列的回波时间、第一待成像区域的纵向弛豫时间和第一待成像区域的横向弛豫时间，确定第一待成像区域的信号强度函数；基于弥散加权序列的重复时间、弥散加权序列的回波时间、第二待成像区域的纵向弛豫时间和第二待成像区域的横向弛豫时间，确定第二待成像区域的信号强度函数；基于第一待成像区域的信号强度函数与第二待成像区域的信号强度函数，确定图像对比度函数。

在一个实施方式中，弥散加权序列包括rs-epi或ss-epi序列。

可以遵循一定规范的应用程序接口，将本发明实施方式所提出的多层并行激发弥散成像的激发角度确定方法编写为安装到磁共振弥散成像控制主机、个人电脑、移动终端等中的插件程序，也可以将其封装为应用程序以供用户自行下载使用。

可以通过指令或指令集存储的储存方式将本发明实施方式所提出的多层并行激发弥散成像的激发角度确定方法存储在各种存储介质上。这些存储介质包括但是不局限于：软盘、光盘、dvd、硬盘、闪存等。

另外，还可以将本发明实施方式所提出的多层并行激发弥散成像的激发角度确定方法应用到基于闪存(nandflash)的存储介质中，比如u盘、cf卡、sd卡、sdhc卡、mmc卡、sm卡、记忆棒、xd卡等。

综上所述，在本发明实施方式中，确定第一待成像区域和第二待成像区域，其中第一待成像区域和第二待成像区域具有不同的纵向弛豫时间；确定当执行多层并行激发弥散成像时，所述第一待成像区域与所述第二待成像区域之间的图像对比度函数；基于图像对比度函数确定所述弥散加权序列的激发翻转角度。可见，本发明实施方式可以在多层并行激发弥散成像时得到与单层激发弥散成像相同或类似的成像组织对比。

而且，本发明不仅可以应用于rs-epi序列，还可以应用于其它的弥散加权序列中。而且，本发明可以广泛应用于不同部位的弥散加权扫描中，只要可以获知感兴趣组织对的t1值即可。

以上所述，仅为本发明的较佳实施方式而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。