专利名称：一种基于欠采样k-空间数据的水脂分离方法
技术领域：
本发明属于医学图像处理领域，涉及一种基于欠采样k-空间数据的水脂分离方法。
背景技术：
在核磁共振成像中，由于局部非均匀场的存在，常规的脂肪抑制方法、水激发方法以及短反转恢复(STIR)会在这些区域抑制脂肪失败，从而导致某些病理结构被高亮的脂肪信号遮盖。基于水脂化学位移的多点Dixon方法在这种条件下具有更好的鲁棒性。常规的多点Dixon方法是基于笛卡尔k-空间填充的数据进行重建的，这些数据的采集通常是结合自旋回波，快速自旋回波，梯度回波等得到的。这种方法通常需要做完整的k-空间填充 以避免出现欠采样伪影，扫描时间过长。同时这种笛卡尔填充方式对于病人移动、脉搏等运动敏感，会在图像的相位编码方向产生伪影。有人提出对k-空间进行欠采样以缩短时间，并结合对于运动较为不敏感的k-空间填充模式，如radial或者PR0PELL0R的填充模式，然后对各个回波的图像利用格点化法或者迭代重建方法重建，最后用常规的多点水脂分离方法结合区域增长的BO场图分析方法获取水像和脂肪像。这种方法可以缩短扫描时间并且获得比较好的图像，但是区域增长方法具有一定的不稳定性并且需要耗费较大的计算机资源，很有可能导致局部的水脂分离失败。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种欠采样k_空间数据的水脂分离方法，该方法可以分离出与主磁场不均匀性不相关的相位图、BO场图以及水像和脂肪像。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。一种基于欠采样k_空间数据的水脂分离方法，包括以下步骤步骤一，根据MR原始数据分别获取k_空间轨迹参数和k_空间原始数据；步骤二，根据所述k_空间轨迹参数选取参数系统矩阵；步骤三，根据所述k_空间原始数据获取每个通道的回波数据；步骤四，利用所述参数系统矩阵和每个通道的回波数据执行正则化迭代图像重建；步骤五，将重建后的图像进行VARPRO水脂分离计算，获得最终图像。 作为本发明的一种优选方案，步骤五中，先将重建后的图像进行VARPRO水脂分离计算，然后将经水脂分离后的图像进行图像合并，最后获得最终图像。作为本发明的另一种优选方案，步骤五中，先将重建后的图像进行图像合并，然后再将合并后的图像进行VARPRO水脂分离计算，最后获得最终图像。作为本发明的再一种优选方案，步骤四中，所述正则化迭代图像重建的方法包括以下步骤I)估计初始图像；
2)估计当前图像；3)确定搜索方向；4)根据系统矩阵、MR原始数据和搜索方向执行线搜索以更新步长；5)更新图像；6)更新搜索方向；7)判断是否满足内部迭代终止判据，若不满足则返回步骤4);若满足则继续执行步骤8)；8)估计改善后的图像；
9)判断是否达到设定的最大迭代步数，若达到则执行步骤10);否则判断是否满足外部迭代终止判据，若满足则执行步骤10)，否则返回步骤2)；10)输出最终图像；作为本发明的再一种优选方案，步骤五中，所述VARPRO水脂分离计算包括以下步骤
,0".0、第I步、初始场图估计，设置为矩阵fB°。= : _··;;
I0"'0Jnxn第2步、针对一组不均匀值e[fB。Mn，fB。Max ]，对所有像素点预计算代价函数休(I1)L，其中&。_为场不均匀性的下限，fB。,Max为场不均匀性的上限，范围
被分割为L个点；表示第I个点，即I e [1，L];第3步、对于图像中的每一像素q按公式Tew = argminfq^ R(f^。) + μXieSqWqij |位。-f^ur| 更新场图估计,其中 δ q 是像素 q 的 JX J 临
域，μ为控制Markov随机场引入的平滑因子总量的权重，g为像素q的场不均匀性，f表示像素j的场不均匀性当前值，巧-表示像素Q的新场不均匀性估计值，Wy表示控制像素q与j之间差异的权重因子；第4步、重复第3步直至总的场图变化小于阈值ξ，ξ >
ο，即，其中，Q表示场图的总像素数，巧广表示像素q的场不均勻性当前值；第5步、根据= ( )1/4计算相位％，S-T和S+,为在正常TE/2回波两侧的TE/2- τ和ΤΕ/2+ τ处的信号；第6步、对于图像中的每个像素，按公式F= (pw,pf)fin = Ψ+( |0η)5结合 f 和计算Pf;其中忠= argminfB。R(fB。)irfmi,-
B0Β°，
(ei2ufBot1 ei2u(fBo+fwf)t1 \
e'2 °t2 el2"(fB+fWf)t2 ) v+是v的伪逆矩阵，I是NXN单位矩阵，表示最终
ei2ufBotM ei2u(fBo+fwf)tM/ffm
JbO
输出场图，fB。表示场图函数，F表示水与脂肪的密度像，R(fB。)为以fB(1为变量的信号成本函数；t2，…tM表不信号回波时间；§表不不同回波时间获取的信号集，P W表不为水成分的信号强度，Pf表示脂肪成分的信号强度。作为本发明的再一种优选方案，步骤一中，所述MR原始数据是在MR扫描仪上按设定的序列及k-空间填充轨迹获得的。作为本发明的再一种优选方案，步骤二中，所述系统矩阵是根据k_空间轨迹参数生成的非均匀FFT系统矩阵以及逆运算矩阵。本发明的有益效果在于本发明所述方法适用的扫描轨迹更多，其采用VARPRO的分离算法，可以分离出与主磁场不均匀性不相关的相位图、BO场图以及水像和脂肪像；还利用VARPRO不采用区域增长法的特征，继承了 VARPOR的迭代场图计算的优势，不需要选取种子点，对种子点不敏感；而且计算量和计算需求更低，更易于完成图像合并以及引入并行 成像的系统函数。
图I为快速自旋回波的脉冲序列示意图；图2为本发明所述的机遇欠采样k_空间数据的水脂分离方法的流程示意图；图3为实施例二所述的水脂分离方法的流程示意图；图4为正则化迭代图像重建算法的流程示意图；图5为VARPRO水脂分离算法的流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。实施例一本实施例提供一种欠采样k_空间数据的水脂分离方法，具体实现过程如下快速自旋回波简称为FSE(Fast Spin Echo)或Turbo SE(TSE)。在普通SE序列中，在一个TR周期内首先发射一个90° RF脉冲，然后发射一个180° RF脉冲，形成一个自旋回波。FSE序列与多回波序列一样，也是在一个TR周期内首先发射一个90° RF脉冲，然后相继发射多个180° RF脉冲，形成多个自旋回波。但是，二者有着本质的区别。在多回波SE序列中，每个TR周期获得一个特定的相位编码数据，即每个TR中相位梯度以同一强度扫描，采集的数据只填充k-空间的一行，每个回波参与产生一幅图像，最终可获得多幅不同加权的图像。而FSE序列中，每个TR时间内获得多个彼此独立的不同的相位编码数据，SP形成每个回波所要求的相位梯度大小不同，采集的数据可填充k-空间的几行，最终一组回波结合形成一幅图像。由于一个TR周期获得多个相位编码数据，可以使用较少的TR周期形成一幅图像，从而缩短了扫描时间。图I显示了基于快速自旋回波序列的多点Dixon采集,如图所示,本发明中论及的多点Dixon采集指在一个重聚RF脉冲后，采用预散相和重聚相的梯度在正常回波TE/2位置前后以相邻时间间隔为τ的多个回波采集，即时间间隔集合为ΤΕ/2;τ，TE/2-(k_l)τ，…ΤΕ/2- τ，TE/2, TE/2+ τ，…，TE/2+(h_l) τ，TE/2+h τ ;其中 k 与 h 的设置由需要获取的回波数目和相对正常回波TE所具有的对称性决定。通过相位编码梯度(GPE)和频率编码梯度(GRO)的组合形成不同的二维k-空间轨迹，如螺旋形的(spiral)，放射型的(radial)，以及PROPELLOR(绕k空间中心以等角度间隔旋转的平行相位编码线集)等。对于同一次重聚RF脉冲，相位编码梯度一致，因此对于不同回波，在同一重聚RF脉冲后采集的数据在各自填充的k-空间中位置一致。如图I所示，在每个180°回聚脉冲以后，连续采集几个回波，其中时间距为180°的回波为自旋回波，定义为k0，其他几个回波以相同间隔τ出现在自旋回波的前后，即定义为k-1，k-2，kl，k2，…，也就是说这些回波对应的回波时间为
权利要求
1.一种基于欠采样k-空间数据的水脂分离方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一，根据MR原始数据分别获取k-空间轨迹参数和k-空间原始数据； 步骤二，根据所述k-空间轨迹参数选取参数系统矩阵； 步骤三，根据所述k-空间原始数据获取每个通道的回波数据； 步骤四，利用所述参数系统矩阵和每个通道的回波数据执行正则化迭代图像重建； 步骤五，将重建后的图像进行VARPRO水脂分离计算，获得最终图像。
2.根据权利要求I所述的基于欠采样k-空间数据的水脂分离方法，其特征在于步骤五中，先将重建后的图像进行VARPRO水脂分离计算，然后将经水脂分离后的图像进行图像合并，最后获得最终图像。
3.根据权利要求I所述的基于欠采样k-空间数据的水脂分离方法，其特征在于步骤五中，先将重建后的图像进行图像合并，然后再将合并后的图像进行VARPRO水脂分离计算，最后获得最终图像。
4.根据权利要求I所述的基于欠采样k-空间数据的水脂分离方法，其特征在于，步骤四中，所述正则化迭代图像重建的方法包括以下步骤 1)估计初始图像； 2)估计当前图像； 3)确定搜索方向； 4)根据系统矩阵、MR原始数据和搜索方向执行线搜索以更新步长； 5)更新图像； 6)更新搜索方向； 7)判断是否满足内部迭代终止判据，若不满足则返回步骤4);若满足则继续执行步骤8)； 8)估计改善后的图像； 9)判断是否达到设定的最大迭代步数，若达到则执行步骤10);否则判断是否满足外部迭代终止判据，若满足则执行步骤10)，否则返回步骤2)； 10)输出最终图像。
5.根据权利要求I所述的基于欠采样k-空间数据的水脂分离方法，其特征在于，步骤五中，所述VARPRO水脂分离计算包括以下步骤第I步、初始场图估计，设置为矩阵fB° 第2步、针对一组不均匀值G [fBoMn .fB0^ax]，对所有像素点预计算代价函数休(I1)L，其中4。_为场不均匀性的下限，fB。,Max为场不均匀性的上限，范围被分割为L个点；表示第I个点，即I E [1，L]; 第3步、对于图像中的每一像素q按公式fAnew = argming。R(f^。)+ ^Xje6qWqij |位。-f^ur| 更新场图估计,其中 S q 是像素 q 的 JX J 临域，U为控制Markov随机场引入的平滑因子总量的权重，g为像素q的场不均匀性，f表示像素j的场不均匀性当前值，戌-表示像素q的新场不均匀性估计值，Wy表示控制像素q与j之间差异的权重因子；第4步、重复第3步直至总的场图变化小于阈值I, I >0，即
6.根据权利要求I所述的基于欠采样k-空间数据的水脂分离方法，其特征在于步骤一中，所述MR原始数据是在MR扫描仪上按设定的序列及k-空间填充轨迹获得的。
7.根据权利要求I所述的基于欠采样k-空间数据的水脂分离方法，其特征在于步骤二中，所述系统矩阵是根据k-空间轨迹参数生成的非均匀FFT系统矩阵以及逆运算矩阵。
全文摘要
本发明公开了一种基于欠采样k-空间数据的水脂分离方法，包括步骤一，根据MR原始数据分别获取k-空间轨迹参数和k-空间原始数据；步骤二，根据所述k-空间轨迹参数选取参数系统矩阵；步骤三，根据所述k-空间原始数据获取每个通道的回波数据；步骤四，利用所述参数系统矩阵和每个通道的回波数据执行正则化迭代图像重建；步骤五，将重建后的图像进行VARPRO水脂分离计算，获得最终图像。本发明所述方法适用的扫描轨迹更多，其采用VARPRO的分离算法，可以分离出与主磁场不均匀性不相关的相位图、B0场图以及水像和脂肪像；继承了VARPOR的迭代场图计算的优势，对种子点不敏感；而且计算量和计算需求更低，更易于完成图像合并以及引入并行成像的系统函数。
文档编号G06T5/00GK102779327SQ201110121988
公开日2012年11月14日 申请日期2011年5月12日 优先权日2011年5月12日
发明者张强 申请人:上海联影医疗科技有限公司