基于离散余弦变换的speed快速磁共振成像方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于离散余弦变换的SPEED快速磁共振成像方法。本发明主要包括八大步骤：k空间数据采集、填零傅立叶重建、离散余弦变换、确立离散余弦变换域双层稀疏鬼影模型、基于最小平方误差法（LeastSquareError，LSE）的重叠鬼影分离、离散余弦逆变换、多个鬼影子图的配准求和图像重建。采用本发明方法可以将离散余弦变换用于SPEED的数据稀疏表示，通过离散余弦变换来提高图像的稀疏性，进而提高SPEED重建图像的质量。
【专利说明】 基于离散余弦变换的SPEED快速磁共振成像方法
【技术领域】
[0001]本发明属于磁共振的图像成像领域，涉及一种基于离散余弦变换的SPEED快速磁共振成像方法。
【背景技术】
[0002]由于磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)对机体没有不良影响和较强的软组织分辨能力等优点，目前已在临床疾病检测中得到广泛应用。但是，MRI在临床应用中还常受到数据采集时间过长的限制。研究人员已通过提高MRI硬件性能、采用高效的k-空间(频率空间)数据采集轨迹、研制快速序列和并行数据采集等方式来极大地提高了MRI数据采集的速度，但是很多应用中，还是不能完全满足临床对快速数据采集的需求，例如脑功能成像，三维高分辨率磁敏感加权成像和动态数据采集等场合。MRI的数据采集是在k-空间进行的，在k-空间的相位编码(Phase Encoding, PE)方向上减少数据采集点数,可以有效地缩短数据采集时间。近年来，如何在不降低图像质量条件下减少数据采集总量成为进一步快速磁共振成像的研究热点，如压缩感知(Compressed Sensing, CS)技术，SPEED(Skipped Phase Encoding and Edge Deghosting)技术等。
[0003]CS技术利用信号自身或其在变换域中的稀疏性，通过随机采集少量的k_空间数据点和非线性迭代优化等算法来重建出高质量的图像(M Lustig, et.al.，Sparse MR1: TheApplication of Compressed Sensing for Rapid MR Imaging, Magnetic Resonance inMedicine, 58:1182-1195, 2007)。然而，由于受到硬件扫描系统有规律往返轨迹的限制，在实际应用中难以满足CS技术要求完全随机数据采集，不能满足压缩感知重建时需要的不相关性(Incoherent)，从而影响了图像的质量；此外，基于非线性迭代的重建方式使得CS技术的图像重建时间很长，制约了其临床普及应用。
[0004]SPEED技术也是一种通过减少数据采集总量来缩短数据采集时间的MRI快速成像方法(QS Xiang, Accelerating MRI by skipped phase encoding and edgedeghosting (SPEED) ,Magnetic Resonance in Medicine, 53:1112-1117，2005)。和CS 类似,SPEED也利用了信号在变换域的稀疏特性，但是，与CS技术不同，SPEED通过简单有规则的欠采样来采集数据，然后基于解析法来重建图像，相比CS技术中的非线性迭代重建，SPEED解析求解过程非常快速。此外，由于SPEED采集数据时无需CS那种复杂的随机采样，只需简单有规律的欠采样，不但易于实现，也易于和现有的采集方式结合，是一种很有应用潜力的成像方式。
[0005]目前已申请的关于快速成像方面的MRI专利有:快速磁共振成像方法及系统(申请号:201210013858.2)，一种基于部分回波压缩感知的快速磁共振血管成像方法(申请号:201010272089.8);一种基于CS压缩感知技术的快速磁共振成像方法(申请号:201010272095.4)等。基于小波域稀疏表示的SPEED快速磁共振成像方法(申请号:2013102071971)，提出基于小波域的数据稀疏特性来提高常规的基于差分变换的SPEED成像质量。但是目前还未能查询到任何关于基于离散余弦变换的SPEED快速成像方面的授权发明专利或申请。
[0006]国内外已发表的SPEED快速成像方面的文章有:2013年，金朝阳和向清三提出了通用 G-SPEED (General-SPEED)采样方法(Jin Z, Xiang QS.Accelerated MRI by SPEEDwith Generalized Sampling Schemes.Magnetic Resonance in Medicine.70:1674—1681，2013 )，突破了传统SPEED方法的采样间隔周期N必须是质数(例如:N=5、7、11)的限制，通过秩判据的方式，使得N不但可为质数，也可为合数(例如:N=2、4、6、8、9)。基于MRA数据本身就非常稀疏的特性，常征和向清三将SPEED的双层模型简化到单层模型(Chang Zand Xiang QS.Simplified skipped phase encoding and edge deghosting (SPEED)forimaging sparse objects with applications to MRA.Med Phys.34:3173-3182，2007)，提出了 S-SPEED (Simplified-SPEED)算法，适用于数据本身就非常稀疏的场合，例如暗背景亮信号的 MRA 应用(Chang Z, Xiang QS, Shen H and Yin FF.Acceleratingnon-contrast-enhanced MR angiography with inflow inversion recovery imagingby skipped phase encoding and edge deghosting(SPEED).Journal of MagneticResonance Imaging.31:757-765，2010)。2006 年，常征和向清三将 SPEED 算法与并行成像技术进一步结合，提出了 SPEED-ACE成像法(Chang Z and Xiang QS.Highlyaccelerated MRI by skipped phase encoding and edge deghosting with array coilenhancement (SPEED-ACE).Med Phys.33:3758-3766，2006)，利用多个采集线圈共同采集k-空间欠采样数据，进一步提高成像速度。2009年，常征等人提出EMA-SPEED (EfficientMultiple Acquisition by SPEED)算法(Chang Z, Xiang QS, Ji J, and Yin FF.Efficientmultiple acquisitions by skipped phase encoding and edge deghosting(SPEED)usingshared spatial information.Magnetic Resonance in Medicine.61:229-233，2009),通过共享多个采集间的相似空间信息进一步缩短了 SPEED的数据采集时间，从而可获得比单次采集更高的加速比。
[0007]以上发表的关于SPEED快速磁共振成像方面的文章或已申请的发明专利，重建时是基于差分或小波变换的方式进行数据的稀疏表示，还未公开过任何基于离散余弦变换的SPEED快速成像方法。
【发明内容】
[0008]本发明针对现有SPEED技术的不足，将离散余弦变换用于SPEED快速磁共振成像中，提供了一种新的SPEED数据稀疏表示方法，提高了 SPEED快速成像技术的图像质量。本发明主要包括八个步骤:k空间数据采集、填零傅立叶重建、离散余弦变换、确立离散余弦变换域双层稀疏鬼影模型、基于最小平方误差法(Least Square Error, LSE)的重叠鬼影分离、离散余弦逆变换、多个鬼影子图的配准求和、图像重建。
[0009]1、k空间数据采集
[0010]在k_空间的相位编码PE方向每隔N行采集一行数据，共采集三组，分别用Sp S2和S3表不。用(I1, d2, (13表不每组欠米样数据在PE方向上的偏移量,米样方式用Nd d2, d3)表示。根据图像大小，在k-空间中心区域PE方向分别采集16至64行数据。
[0011]2、填零傅立叶重建
[0012]对于三组欠采样的数据，k-空间中没有采集的数据用O表示，进行常规的填零傅立叶重建，重建后图像分别为1:、12和13。
[0013]k-空间中每隔N行采集一行数据使得对应的填零傅立叶重建图像中有N层重叠的鬼影，每个像素点上最多可能有N个重叠的鬼影。例如，当N=5时，I1U2和I3上分别有5层重叠的鬼影。
[0014]3、离散余弦变换
[0015]对步骤2得到的图像1:、I2和I3分成若干个大小为NxXNy的图像子块，对各个图像子块的实部和虚部分别施加离散余弦变换(DCT)，例如，对任一图像子块I的DCT可表示
为:
【权利要求】
1.基于离散余弦变换的SPEED快速磁共振成像方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤1、k空间数据采集 在k-空间的相位编码PE方向每隔N行采集一行数据，共采集三组，分别用Sp S2和S3表不；用(I1, d2, (13表不每组欠米样数据在PE方向上的偏移量,米样方式用Nd d2, d3)表不；根据图像大小，在k-空间中心区域PE方向分别采集16至64行数据； 步骤2、填零傅立叶重建 对于三组欠采样的数据，k-空间中没有采集的数据用O表示，进行常规的填零傅立叶重建，重建后图像分别为Ip I2和I3 ; k-空间中每隔N行采集一行数据使得对应的填零傅立叶重建图像中有N层重叠的鬼影，每个像素点上最多可能有N个重叠的鬼影； 步骤3、离散余弦变换 对步骤2得到的图像Ip I2和I3分成若干个大小为NxXNy的图像子块，对各个图像子块的实部和虚部分别施加离散余弦变换，对任一图像子块I的离散余弦变换可表示为:
【文档编号】G01R33/56GK103728581SQ201310719667
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】金朝阳, 向清三 申请人:杭州电子科技大学