一种超极化气体肺部磁共振图像重建方法与流程

本发明涉及一种磁共振成像图像重建方法，特别是应用于基于超极化气体的低场肺部成像系统。

背景技术：

核磁共振技术(mri)作为一种放射性、无侵入式的成像技术已被广泛应用于临床检测中。但在一些泛水器官中如肺部的诊断中显得无能为力。这主要是由于目前的磁共振成像技术是以h质子作为检测核；而肺部是由肺泡组成的空腔体，是典型的乏水器官。因此，常规的磁共振成像技术不能应用于肺部组织成像。

由此引入了超极化惰性气体作为介质，用激光泵浦技术使之极化；通过吸入超极化气体，实现肺部等乏水器官的清晰成像。另外由于在常规的1.5t或更高磁场下，肺部组织会感应一个附加磁场而叠加到观测信号上，降低信噪比。因此，引入低磁场的超极化气体的肺部磁共振成像系统。但同时也必须考虑超极化气体的另一特性，即当气体进入人体肺部后，极化气体的极化度会快速降低并且不可再生性，需要采用快速且有效的图像成像方式。

常用的快速成像序列如epi序列，通常采用90°偏转脉冲激励，这种单一的激励方法引出了一个问题，即如果没有得到满意的磁共振信号或磁共振系统的软件硬件设置不当，在最坏的情况下，整个过程必须重新开始；显然这是不可取的。目前已提出的一个有效的解决方案就是增加脉冲激发次数，即采用多个脉冲序列周期，每次采用小角度的脉冲激发。这种方案能增加总的信号振幅，也为获取有用的数据提供更好的可能性。常用的小角度脉冲序列根据偏转角度形式的不同分别有恒定偏转角度序列和变角度序列。变偏转角度序列的特点是偏转角度随着序列周期的递进逐渐发生非线性变化，而产生的磁共振信号强度则保持恒定不变。恒定偏转角度的特点是射频脉冲产生的偏转角度一直保持恒定不变，而磁共振信号则成非线性递减，并且一直使用同一偏转角度，则在极化度的利用方面相对低于变偏转角度序列。

在磁共振成像过程中，脉冲偏转角度与信号填充方式的选择对图像重建有着重要影响。当采用k空间中心填充方式，恒定偏转角度序列下填充在k空间中心部分的信号强度最强，能提升磁共振图像总体的信噪比值，但由于边缘部分信号强度过低，相对的会牺牲掉图像的空间分辨率。变偏转角度序列下各个脉冲激励产生的信号强度不变，因此填充在整个k空间的信号强度保持一致，从而能保证磁共振图像较好的空间细节信息，但相对于恒定偏转角度序列，其图像整体的信噪比值较低。因此，在使用k空间中心填充方式下，单一地采用恒定偏转角度序列或变偏转角度序列无法同时兼顾磁共振成像的信噪比值与空间分辨率。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术的不足之处，提供一种超极化气体肺部磁共振图像重建方法，以期能在重建图像的过程中，既能保证图像的信噪比值，同时保证图像的细节信息，从而使得重建后的图像能更好的反应肺部的气管堵塞情况。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种超极化气体肺部磁共振图像重建方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、设定总的梯度回波序列周期数为n，利用式(1)所示的信号强度公式对恒定偏转角度值α进行偏导计算，得到恒定偏转角度值α：

式(1)中，s表示信号强度；k表示梯度回波序列周期的序号，1≤k≤n，tr表示梯度回波序列的持续时间，t1表示纵向弛豫时间；

步骤2、利用式(2)得到恒定角度脉冲序列的周期数n：

式(2)中，令θ(n+1)＝α，在前n个梯度回波序列周期内采用恒定角度脉冲激励，即第1次至第n次脉冲激励的恒定偏转角度值中第j个恒定偏转角度值θ(j)＝α；1≤j≤n；在第n-n个至第n个梯度回波序列周期内采用变角度脉冲激励；令第n+1次至第n次脉冲激励的变偏转角度值中第i个变偏转角度值为θ(i)；n+1≤i≤n；

步骤3、利用式(3)得到第i个变偏转角度值θ(i)，从而递推出第n+1次至第n-1次脉冲激励的下的变偏转角度值θ(n+1)、θ(n+2)、θ(n+3)...θ(n-1)，并令θ(n)＝90°；

tanθ(i)＝e1sin(i+1)(3)

步骤4、在第k个梯度回波序列周期内，采用的脉冲偏转角度值为θ(k)，由射频线圈对肺部的超极化气体进行激励，并在第k个梯度回波序列周期内，采集第k条回波信号；从而得到n个梯度回波序列周期内的n条回波信号；

步骤5、将所述第1条回波信号从k空间的中心区域的相位编码线开始填充，其余的n-1条回波信号依次向k空间的两侧边缘方向进行填充，从而得到回波成像数字信号；

步骤6、对所述回波成像数字信号沿相位编码方向进行傅里叶变换，从而得到磁共振图像。

本发明所述的超极化气体肺部磁共振图像重建方法的特点也在于：采集第k条回波信号后，在x、y、z轴方向施加扰相梯度，用于消除残余的回波信号。

应用于多种超极化气体的低场肺部磁共振成像系统中。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明通过先施加n个恒定偏转角度序列，再施加n-n个变偏转角度序列；并在每个序列周期内采集一条回波信号，该方法使得k空间中心位置的回波信号强度最高，保证了最终图像的信噪比；且k空间边缘位置的回波信号强度比只采用变角度序列的信号强度高出数倍，保证了最终图像的空间分辨率。通过这种方式，使最终图像同时具有高信噪比和较好图像分辨率，有效结合了恒定偏转角度序列与变偏转角度序列的优点。令最后一个脉冲偏转角θ(n)＝90，能完全偏转剩余的纵向磁化矢量，做到最大化地利用超级化气体的极化度。

2、本发明提供的肺部磁共振图像重建方法，可用于多种超极化气体介质，例如超极化氦气(3he)、超极化氙气(129xe、131xe)等，也可用于低场的肺部磁共振成像系统，其主磁场强度可为600gs-800gs。

附图说明

图1为现有技术中梯度回波序列图；

图2为本发明各成像序列参数计算流程图；

图3为本发明回波成像序列的图像重建方法流程图；

图4为本发明采用k空间填充方式示意图；

图5为本发明在总的回波周期n＝64产生的fid信号强度。

具体实施方式

本实施例中，图像重建方法采用常规的小角度梯度回波序列，如图1所示的梯度回波序列采集回波信号填充k空间，从而获得相应的k空间数据。在每个梯度回波周期内施加一次射频脉冲激励，采用的脉冲激发形式为矩形硬脉冲。在成像序列中，施加射频激发脉冲的同时选择适当的层面选择梯度；然后施加相位编码梯度，在射频激励后的te时间之后采集回波信号；在接受回波时，施加频率编码梯度。在采集完回波信号后，为了防止残留的磁化矢量对后续的回波信号产生混叠，采集第k条回波信号后，在x、y、z轴方向施加扰相梯度，用于消除残余的回波信号。

具体实施中，一种超极化气体肺部磁共振图像重建方法，如图2所示，是按如下步骤进行：

步骤1、设定总的梯度回波序列周期数为n，利用式(1)所示的信号强度公式对恒定偏转角度值α进行偏导计算，得到恒定偏转角度值α：

式(1)中，s表示信号强度；k表示梯度回波序列周期的序号，1≤k≤n,tr表示梯度回波序列的持续时间，t1表示纵向弛豫时间。对式(1)中的信号强度进行偏导运算，令运算结果为0，得到恒定偏转角度值α；即当恒定偏转角度值为α时，得到最大的回波信号强度。

步骤2、利用式(2)得到恒定角度脉冲序列的周期数n：

式(2)中，令θ(n+1)＝α，在前n个梯度回波序列周期内采用恒定角度脉冲激励，即第1次至第n次脉冲激励的恒定偏转角度值中第j个恒定偏转角度值θ(j)＝α；1≤j≤n；在第n-n个至第n个梯度回波序列周期内采用变角度脉冲激励；令第n-n次至第n次脉冲激励的变偏转角度值中第i个变偏转角度值为θ(i)；n+1≤i≤n；

为了使得到的回波信号强度保持连贯，令第1次变偏转角度值等于恒定偏转角度值，即θ(n+1)＝α；

步骤3、利用式(3)得到第i个变偏转角度值θ(i)，从而递推出第n-n次至第n-1次脉冲激励的下的变偏转角度值θ(n+1)、θ(n+2)、θ(n+3)...θ(n-1)，并令θ(n)＝90°；

tanθ(i)＝e1sin(i+1)(3)

为了能最大化的利用超极化气体的极化度，设置最后一次的脉冲偏转值为90°，将剩余的纵向磁化矢量完全偏转。

步骤4、由上述计算得到恒定偏转角度值、变偏转角度值与恒定角度脉冲序列周期数n，施加脉冲序列获取回波信号。如图3所示，施加n个恒定偏转角度序列，并在每个序列周期内采集一条回波信号；施加n-n个变偏转角度序列，并在每个序列周期内采集一条回波信号。其中，在第k个梯度回波序列周期内，采用的脉冲偏转角度值为θ(k)，由射频线圈对肺部的超极化气体进行激励，并在第k个梯度回波序列周期内，采集第k条回波信号；从而得到n个梯度回波序列周期内的n条回波信号；

步骤5、将n条回波信号依次填充在k空间内，如图4所示，将第1条回波信号从k空间的中心区域的相位编码线开始填充，其余的n-1条回波信号依次向k空间的两侧边缘方向进行填充，从而得到回波成像数字信号；即第1条回波信号填充在k空间中心区域(ky＝1)的相位编码线，随后的第2条至第n条采集信号依次填充在k空间边缘(ky＝2…ky＝n)的相位编码线。通过该填充方式使得在k空间中心位置的信号强度最强，能最大化图像的空间对比度；同时填充在k空间边缘位置的信号强度相比较单独采用恒定偏转角度序列产生的信号强度，能保证更好的图像空间分辨率。

步骤6、对回波成像数字信号沿相位编码方向进行傅里叶变换，从而得到磁共振图像。

本实施例中的图像重建方法可应用于多种超极化气体的低场肺部磁共振成像系统中。可应用的超极化气体例如有超极化氦气(3he)、超极化氙气(129xe、131xe)等。由于应用了超极化气体，回波信号强度就无需依赖磁场强度；因此本发明的图像重建方法可用于低场的肺部磁共振成像系统，其主磁场强度可为600gs-800gs。

在总梯度回波次数n＝64的情况下，设定超极化气体的极化度为单位1，如图5所示为采用本发明脉冲激励下的fid强度。根据图2所示的步骤，可计算得到n＝23。即在前23个序列周期内，采用恒定偏转角度(α＝13.33)脉冲激励；由于超极化气体极化度的不可逆特性，产生的信号强度逐渐降低。从第23次到第64次脉冲激励，采用变偏转角度的脉冲激励(θ(24)＝13.33)，产生的信号强度保持不变。在开始时信号强度最强，填充在k空间中心部分，保证了重建图像的snr值；且填充在k空间边缘部分的信号强度保证了重建图像的空间分辨率。