脑功能磁共振成像方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种新的脑功能磁共振成像方法和系统，其方法包括：获取基于多通道并行且稀疏采样获得的每一个相控阵线圈对应的动态数据图像和第一参考图像；根据所述第一参考图像，获得每个相控阵线圈在每个动态数据图像获取时刻处的基准图像；根据所述基准图像，获得高阶广义级模型的基函数；利用L2范数对高阶广义级模型的级系数进行约束，基于所述动态数据图像和所述基函数估计获得所述级系数；根据所述级系数的估计值和所述基准图像，基于高阶广义级模型重建出每个通道各个时间点对应的中间图像；基于相控阵线圈的敏感度矩阵，对所述中间图像进行并行重建，获得重建后的动态脑功能磁共振图像。其解决了现有技术成像技术中存在图像几何畸变以及奈奎斯采样伪影问题。
【专利说明】脑功能磁共振成像方法和系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及脑功能磁共振成像技术，特别是涉及一种基于广义级模型的脑功能磁 共振成像方法和系统。
【背景技术】
[0002]脑功能磁共振成像（function magnetic resonance imaging, fMRI)是在大脑神 经活动情况下测量大脑的血液动力学反应。目前常用的EPI (Echo-planar imaging)成像 能够在几百毫秒内采集一个层面，空间分辨率可以达到2-3毫米，然而随着功能成像研究 的不断深入和发展，基于EPI的脑功能成像由于其本身硬件条件的限制，很难进一步的提 高空间和时间分辨率。
[0003] BOLD效应fMRI是基于神经元功能活动对局部氧耗量和脑血流影响程度不匹配所 导致的局部磁场性质变化的原理。由于这种信号强度较弱，且神经元活动引起局部力流增 加是短暂的，普通的MRI成像速度较慢，很难捕捉到神经电活动引起的这种瞬时变化，目前 各种各样的fMRI成像方法相继提出来进一步的提高分辨率和信号强度。例如，并行成像技 术中的SMASH (SMASH技术主要利用相阵控线圈敏感度的线性组合代替由梯度产生的相位 编码的空间调节，从而减少了图像采集时间。）等，可以联合EPI技术，在保证一定的时间 分辨率的前提下提高空间分辨率，由于读出时间的减少，减少了磁敏感度伪影，并且EPI噪 声也由于减少了梯度间的频繁切换而随之减少。然而在高场fMRI情况下，T2*衰减时间很 短，在单次激发很难在保证图像质量的前提下采集大量的相位编码线，为了解决这些问题， 研究者们提出采用分段的k空间获取，部分傅里叶采集（partial Fourier sampling),外部 容积压制（outer volume suppression)和内部容积选择（inner volume selection)等。 除此之外，基于单击发多回波的EPI和非笛卡尔采样原理提出了多种快速磁共振BOLD功能 成像序列。如2008年Rabrait等提出的单激发体回波成像（single shot echo-volumar imaging, EVI)技术、2009年Grotz等提出的降采样投影成像技术（projection imaging)、 2010年Feinberg等提出的multiplexed EPI技术、2011年Zahneisen等提出的三维 rosette 轨迹米样成像以及 2012 年 Stefan 等提出的 multi-slab echo-volumar imaging 技术等。这些技术能将BOLD功能成像的时间分辨率从常规的2?3s提高至几百毫秒。然 而由于这些方法均以EPI序列为基础，依然存在着EPI固有的成像缺点，需要矫正Nyquist 伪影和几何形变，其时间分辨率的提高是以增加图像几何畸变或牺牲空间分辨率为代价换 来的。
[0004] 在现有的磁共振硬件条件下，目前脑功能磁共振成像方法主要是采用最快的EPI 序列采集方式进行成像，由于该序列本身对磁场硬件梯度的要求过高，以及图像空间分辨 率较低，容易出现图像几何畸变以及Nyquist (奈奎斯采样）伪影。
【发明内容】
[0005] 基于此，有必要针对现有技术成像技术中存在图像几何畸变以及奈奎斯采样伪影 问题，提供一种新的脑功能磁共振成像方法和系统。
[0006] 本发明的一种脑功能磁共振成像方法，其包括：
[0007] 获取基于多通道并行且稀疏采样获得的每一个相控阵线圈对应的动态数据图像 和第一参考图像；
[0008] 根据所述第一参考图像，获得每个相控阵线圈在每个动态数据图像获取时刻处的 基准图像；
[0009] 根据所述基准图像，获得高阶广义级模型的基函数；
[0010] 利用L2范数对高阶广义级模型的级系数进行约束，基于所述动态数据图像和所述 基函数估计获得所述级系数；
[0011] 根据所述级系数的估计值和所述基准图像，基于高阶广义级模型重建出每个通道 各个时间点对应的中间图像；
[0012] 基于相控阵线圈的敏感度矩阵，对所述中间图像进行并行重建，获得重建后的动 态脑功能磁共振图像。
[0013] 在其中一个实施例中，所述第一参考图像包括：针对每一个相控阵线圈在采集所 述动态数据图像前后分别采集的至少两个K空间欠采样图像。
[0014] 在其中一个实施例中，所述动态数据图像为K空间欠采样、且边缘未采集的图像。
[0015] 在其中一个实施例中，所述根据所述基准图像获得高阶广义级模型的基函数的过 程包括：
[0016] 给定控制参数U;
[0017] 调用下述公式（1)计算获得所述高阶广义级模型的基函数：
[0018]
【权利要求】
1. 一种脑功能磁共振成像方法，其包括： 获取基于多通道并行且稀疏采样获得的每一个相控阵线圈对应的动态数据图像和第 一参考图像； 根据所述第一参考图像，获得每个相控阵线圈在每个动态数据图像获取时刻处的基准 图像； 根据所述基准图像，获得高阶广义级模型的基函数； 利用L2范数对高阶广义级模型的级系数进行约束，基于所述动态数据图像和所述基函 数估计获得所述级系数； 根据所述级系数的估计值和所述基准图像，基于高阶广义级模型重建出每个通道各个 时间点对应的中间图像； 基于相控阵线圈的敏感度矩阵，对所述中间图像进行并行重建，获得重建后的动态脑 功能磁共振图像。
2. 根据权利要求1所述的脑功能磁共振成像方法，其特征在于，所述第一参考图像包 括：针对每一个相控阵线圈在采集所述动态数据图像前后分别采集的至少两个K空间欠采 样图像。
3. 根据权利要求1所述的脑功能磁共振成像方法，其特征在于，所述动态数据图像为K 空间欠采样、且边缘未采集的图像。
4. 根据权利要求1所述的脑功能磁共振成像方法，其特征在于，所述根据所述基准图 像获得高阶广义级模型的基函数的过程包括： 给定控制参数U ; 调用下述公式（1)计算获得所述高阶广义级模型的基函数： %?=(〇>+/你-公式⑴ 其中，奶U(X)表示高阶广义级模型的基函数；/Cif OO表示第1个相控阵线圈在第q个时 间点对应的基准图像；1 = 1，...，L，L表示相控阵线圈的个数，每一个相控阵线圈采集的数 据对应一个输出通道；U是个控制参数，Ak满足奈奎斯采样率的采样间隔。
5. 根据权利要求1所述的脑功能磁共振成像方法，其特征在于，所述根据所述级系数、 基于高阶广义级模型重建出每个通道各个时间点对应的中间图像的过程包括： 获取控制参数U ; 调用下述公式（3)计算每个通道各个时间点对应的中间图像：
其中，Cn表示所述级系数；表示第1个相控阵线圈在第q个时间点对应的中间 图像；M表示采集所述动态数据图像的相位编码数，n表示相位编码数变量，其取值范围为
;P=(X)表示第1个相控阵线圈在第q个时间点对应的基准图像；ii是个控 制参数，Ak满足奈奎斯采样率的采样间隔。
6. 根据权利要求1所述的脑功能磁共振成像方法，其特征在于，所述利用L2范数对高 阶广义级模型的级系数进行约束、基于所述动态数据图像和所述基函数估计获得所述级系 数的过程包括： 根据获得的基函数生成矩阵向量； 依据欠采样因子构成的欠采样矩阵乘以所述矩阵向量获得中间矩阵向量； 调用下述公式（4)计算所述级系数： = (AJ#A+21)-，公式（4) 其中，4表示所述级系数的估计值;A表示所述中间矩阵向量，Ah表示矩阵A的共轭矩 阵；A表示正则化参数；D表示所述动态数据图像，即针对第1个相控阵线圈的T个采样时 间帧对应的K空间欠采样图像D1, i (k)，…，DT，i (k)，I = I，. . .，L，L表示相控阵线圈的个数； /:cix￡ 4<C1XjL是单位算子。
7. 根据权利要求1所述的脑功能磁共振成像方法，其特征在于，所述利用灵敏度编码 技术对所述中间图像进行并行重建的过程包括： 根据针对每一个相控阵线圈采集的一个或多个全采样的参考图像，获得敏感度矩阵； 结合所述敏感度矩阵和所述中间图像，采用最小二乘法估计每个时间点对应的初始重 建图像； 基于高阶广义级模型，利用L2范数对所述初始重建图像进行约束，估计获得每个时间 点对应的重建后的脑功能磁共振图像； 汇总各个时间点对应的重建后的脑功能磁共振图像，形成所述重建后的动态脑功能磁 共振图像。
8. 根据权利要求1所述的脑功能磁共振成像方法，其特征在于，所述利用L2范数对所 述初始重建图像进行约束、估计获得每个时间点对应的重建后的脑功能磁共振图像的步骤 通过调用下述公式（5)执行计算获得： Pr =pti+(sNs+r Iy1SliAd 公式（5) 其中，A表示每个时间点对应的重建后的脑功能磁共振图像；P,表示所述初始 重建图像；S表示所述敏感度矩阵，Sh表示S的共轭矩阵；Y表示正则化参数，Y可 在[Y min，Y m J之间取值，其中，Y min = 1〇_4 0 M，0 M为S的最大特征值，Y max = O M ; /:ClxI 是单位算子；A] = 3-3表示所述中间图像。
9. 一种脑功能磁共振成像系统，其特征在于，所述系统包括： 数据提取模块，用于获取基于多通道并行且稀疏采样获得的每一个相控阵线圈对应的 动态数据图像和第一参考图像； 参考图像提取模块，用于根据所述第一参考图像，获得每个相控阵线圈在每个动态数 据图像获取时刻处的基准图像； 基函数计算模块，用于根据所述基准图像，获得高阶广义级模型的基函数； 级系数计算模块，用于利用L2范数对高阶广义级模型的级系数进行约束，基于所述动 态数据图像和所述基函数估计获得所述级系数； 第一图像重建模块，用于根据所述级系数的估计值和所述基准图像，基于高阶广义级 模型重建出每个通道各个时间点对应的中间图像；及 第二图像重建模块，用于基于相控阵线圈的敏感度矩阵，对所述中间图像进行并行重 建，获得重建后的动态脑功能磁共振图像。
10. 根据权利要求9所述的脑功能磁共振成像系统，其特征在于，所述基函数计算模块 包括： 设定单元，用于给定控制参数U ;和 基函数计算单元，用于调用下述公式（1)计算获得所述高阶广义级模型的基函数： 队M) = (p':U辆加一公式⑴ 其中，IW(X)表示高阶广义级模型的基函数；/〇( 00表示第1个相控阵线圈在第q个时 间点对应的基准图像；1 = 1，...，L，L表示相控阵线圈的个数，每一个相控阵线圈采集的数 据对应一个输出通道；U是个控制参数，Ak满足奈奎斯采样率的采样间隔。
11. 根据权利要求9所述的脑功能磁共振成像系统，其特征在于，所述第一图像重建模 块包括： 参数提取单元，用于获取控制参数U ;和 中间图像获取单元，用于调用下述公式（3)计算每个通道各个时间点对应的中间图 像：
其中，Cn表示所述级系数；#9J(X)表示第1个相控阵线圈在第q个时间点对应的中间 图像；M表示采集所述动态数据图像的相位编码数，n表示相位编码数变量，其取值范围为
;(X)表示第1个相控阵线圈在第q个时间点对应的基准图像；ii是个控 制参数，Ak满足奈奎斯采样率的采样间隔。
12. 根据权利要求9所述的脑功能磁共振成像系统，其特征在于，所述级系数计算模块 包括： 特征向量提取单元，用于根据获得的基函数生成矩阵向量； 中间向量计算单元，用于依据欠采样因子构成的欠采样矩阵乘以所述矩阵向量获得中 间矩阵向量；及 级系数提取单元，用于调用下述公式（4)计算所述级系数： cn ^(A11 A+AlY4 A11D 公式（4) 其中，A表示所述级系数的估计值；A表示所述中间矩阵向量，Ah表示矩阵A的共轭矩 阵；A表示正则化参数；D表示所述动态数据图像，即针对第1个相控阵线圈的T个采样时 间帧对应的K空间欠采样图像D1, i (k)，…，DT，i (k)，I = I，. . .，L，L表示相控阵线圈的个数；
是单位算子。
13. 根据权利要求9所述的脑功能磁共振成像系统，其特征在于，所述第二图像重建模 块包括： 敏感度矩阵提取单元，用于根据针对每一个相控阵线圈采集的一个或多个全采样的参 考图像，获得敏感度矩阵； 初始重建单元，用于结合所述敏感度矩阵和所述中间图像，采用最小二乘法估计每个 时间点对应的初始重建图像； 再次重建单元，用于基于高阶广义级模型，利用L2范数对所述初始重建图像进行约束， 估计获得每个时间点对应的重建后的脑功能磁共振图像；及 输出单元，用于汇总各个时间点对应的重建后的脑功能磁共振图像，形成所述重建后 的动态脑功能磁共振图像。
【文档编号】A61B5/055GK104323776SQ201410572855
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】史彩云, 谢国喜, 张晓咏, 张丽娟, 刘新 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院