一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法。超極化氣體造影劑的出現(xiàn)使得肺部磁共振成像成為可能。成像過程中需要成像對象屏住呼吸減少運(yùn)動(dòng)偽影的產(chǎn)生，同時(shí)超極化氣體的極化度會(huì)隨時(shí)間迅速衰減，降低圖像的信噪比。因此加快成像速度有很大意義。本發(fā)明公開的成像方法首先對肺部區(qū)域進(jìn)行氫質(zhì)子磁共振成像，隨后通過圖像處理方法提取肺部區(qū)域信號(hào)分布的先驗(yàn)信息。據(jù)此生成自適應(yīng)的超極化氣體稀疏采樣脈沖序列，并在成像對象吸入超極化氣體后對肺部進(jìn)行成像。由于采樣點(diǎn)數(shù)量的減少縮短了成像時(shí)間。同時(shí)由于先驗(yàn)信息的指導(dǎo)，氣體造影劑的極化度得到了更加合理的利用，圖像質(zhì)量和全采樣相比相當(dāng)甚至更佳。
【專利說明】一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磁共振成像領(lǐng)域，具體涉及一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法。適用于肺部結(jié)構(gòu)和功能檢測，肺部疾病診斷，及肺部手術(shù)術(shù)前規(guī)劃等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和大氣環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，肺癌已經(jīng)成為發(fā)病率和死亡率增長最快，對人群健康和生命威脅最大的惡性腫瘤。近50年來許多國家都報(bào)道肺癌的發(fā)病率和死亡率均明顯增高，男性肺癌發(fā)病率和死亡率均占所有惡性腫瘤的第一位，女性發(fā)病率占第二位，死亡率占第二位。
[0003]磁共振成像(MagneticResonanceImaging,簡稱 MRI),是利用核磁共振(NuclearMagnetic Resonance,簡稱匪R)原理,依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，進(jìn)而通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，了解構(gòu)成該物質(zhì)原子核的位置和種類,據(jù)此呈現(xiàn)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的技術(shù)。
[0004]MRI因?yàn)槠錈o放射、非侵入等諸多無法比擬的優(yōu)越性在醫(yī)學(xué)診斷和研究中占據(jù)著重要位置，并已經(jīng)在人類健康和公共衛(wèi)生事業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用。然而傳統(tǒng)的MRI都是針對人體中的水質(zhì)子(1H)信號(hào)進(jìn)行成像，對于充滿氣體和空腔結(jié)構(gòu)的肺部，其質(zhì)子濃度約為正常組織的千分之一，所以肺部是人體中唯一被傳統(tǒng)MRI技術(shù)視為“盲區(qū)”的器官。
[0005]為了克服傳統(tǒng) MRI技術(shù)在肺部不能進(jìn)行成像的困難，科學(xué)家們發(fā)展了利用超極化惰性氣體(如3He和129Xe)作為造影劑，通過人吸入造影劑氣體來對肺部進(jìn)行磁共振成像的新技術(shù)。因?yàn)槌瑯O化氣體的磁共振信號(hào)能夠被極大的增強(qiáng)，所以超極化氣體MRI的信號(hào)強(qiáng)度能夠達(dá)到與傳統(tǒng)1H相當(dāng)?shù)乃?，從而獲得肺部清晰的圖像。
[0006]一般來說，磁共振成像的時(shí)間相對其他影像技術(shù)較長，病人在吸入超極化氣體后需要屏氣相當(dāng)長的時(shí)間并保持身體靜止等待磁共振掃描完成。這個(gè)要求對于幼兒、危重病人或失去知覺的病人有很大難度。對于這類的病人需要通過麻醉和呼吸機(jī)來輔助成像。同時(shí)超極化氣體造影劑的極化度隨時(shí)間會(huì)迅速下降，過長的掃描時(shí)間會(huì)造成氣體造影劑極化度的顯著下降，降低磁共振信號(hào)的信噪比，使得圖像質(zhì)量變差。
[0007]雖然肺部的氫質(zhì)子成像不能提供肺部的空腔信息，但是仍然可以提供肺部輪廓和血管等組織的結(jié)構(gòu)信息。本發(fā)明公開的基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部磁共振快速成像方法，希望通過肺部的氫質(zhì)子成像為超極化氣體造影劑成像過程提供先驗(yàn)知識(shí)，據(jù)此合理利用超極化氣體的極化度，從而在圖像質(zhì)量不變甚至更佳的情況下縮短使用超極化氣體造影劑成像的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速成像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對技術(shù)背景中描述的問題，加快使用超極化氣體對肺部進(jìn)行磁共振成像的速度有著非常重要的意義。本發(fā)明通過肺部的氫質(zhì)子成像獲取肺部的先驗(yàn)知識(shí)，據(jù)此在利用超極化氣體造影劑對肺部成像的過程中使用稀疏采樣技術(shù)，在減少采樣點(diǎn)的同時(shí)合理利用造影劑的極化度，從而實(shí)現(xiàn)高成像質(zhì)量的快速成像。
[0009]一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法，包含以下步驟:
[0010]步驟1、對成像對象肺部區(qū)域進(jìn)行質(zhì)子磁共振成像；
[0011]步驟2、通過圖像處理的方法識(shí)別肺部區(qū)域肺泡及血管的輪廓位置，然后通過灰度反轉(zhuǎn)和傅里葉變換將肺部圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的k空間數(shù)據(jù)并篩選獲取k空間中大信號(hào)的分布情況，并作為先驗(yàn)信息；
[0012]步驟3、根據(jù)步驟2所獲得的先驗(yàn)信息，通過對掃描區(qū)域和掃描軌跡的調(diào)整生成調(diào)整后的肺部超極化氣體的稀疏采樣掃描脈沖序列，對大信號(hào)集中的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)掃描，對于信號(hào)較小或?yàn)榱愕膮^(qū)域少掃描或者不掃描；
[0013]步驟4、成像對象吸入超極化氣體造影劑，在肺部充滿超極化氣體后成像對象屏氣，使用步驟3生成的稀疏采樣脈沖序列進(jìn)行掃描；
[0014]步驟5、將步驟4中所獲得的肺部欠采樣數(shù)據(jù)通過插值方法恢復(fù)為滿采樣數(shù)據(jù)，并重建肺部圖像。
[0015]如上所述的步驟I中對肺部進(jìn)行氫質(zhì)子磁共振成像時(shí)所使用的脈沖序列為SE類型序列。
[0016]如上所述的步驟2中對先驗(yàn)信息進(jìn)行提取包括以下步驟:
[0017]步驟2.1、通過中值濾波對肺部質(zhì)子圖像進(jìn)行濾波降噪；
[0018]步驟2.2、通過閾值分割、紋理分割相結(jié)合的方式提取肺部區(qū)域肺泡及血管輪廓信息，去除非肺部圖像信息；
[0019]步驟2.3、將去除非肺部圖像信息但包含肺部肺泡及血管輪廓信息的圖像進(jìn)行灰度反轉(zhuǎn)，通過傅里葉變換將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的k空間數(shù)據(jù)；
[0020]步驟2.4、篩選并識(shí)別k空間數(shù)據(jù)中大信號(hào)的分布情況，并作為先驗(yàn)信息。
[0021]如上所述的步驟2.4中k空間數(shù)據(jù)中大信號(hào)分布情況通過以下方式獲得，將k空
間數(shù)據(jù)的按照的大小排序，并按照設(shè)定的稀疏采樣比例選取較大的k空
間數(shù)據(jù)作為大信號(hào)，其中a和b分別為k空間數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部。
[0022]如上所述的步驟4中的稀疏采樣脈沖序列為UTE類型的脈沖序列。
[0023]如上所述的步驟4中輸送超極化氣體的管路和閥門采用的是非磁性材料，并且閥門開關(guān)控制方式為氣動(dòng)。
[0024]如上所述的步驟5中插值方法為Hermite插值法。
[0025]本方法中對肺部氫質(zhì)子圖像的分析和后續(xù)自適應(yīng)掃描脈沖序列的生成自動(dòng)完成，無需人為干預(yù)。這個(gè)過程所耗費(fèi)時(shí)間取決于掃描圖像的復(fù)雜程度。可以通過對病人不同層面掃描順序的合理安排消除這一過程對總掃描時(shí)間的影響。
[0026]上述成像方法利用了多種原子核對肺部進(jìn)行成像。通過氫質(zhì)子成像為使用超極化氣體造影劑成像提供了先驗(yàn)知識(shí)?？梢栽趫D像質(zhì)量相近甚至更高的情況下，有效縮短使用造影劑成像過程的成像時(shí)間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部磁共振快速成像方法流程圖；[0028]圖2肺部成像分步結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實(shí)例給出本發(fā)明的具體實(shí)施過程以及效果。
[0030]本發(fā)明公開的快速磁共振成像方法包括以下具體步驟:
[0031]步驟1、在成像對象呼吸空氣的情況下，對成像對象肺部區(qū)域進(jìn)行磁共振成像獲取肺部的氫質(zhì)子圖像。質(zhì)子成像過程中由于肺部氫質(zhì)子含量非常少，采用SE(SpinEcho，自旋回波)類型的序列與其他類型序列相比有利于提高信噪比，得到更好的圖像；
[0032]步驟2、通過圖像處理的方法識(shí)別肺部區(qū)域肺泡及血管的輪廓位置，然后通過灰度反轉(zhuǎn)和傅里葉變換將肺部圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為其對應(yīng)的k空間數(shù)據(jù)，接著篩選獲取k空間中大信號(hào)的分布情況。
[0033]步驟2的具體操作步驟如下:
[0034]步驟2.1、通過中值濾波對肺部氫質(zhì)子圖像進(jìn)行濾波降噪。中值濾波為非線性濾波方法，和其他線性濾波方法相比，中值濾波在去除噪聲的同時(shí)能夠很好的保留圖像中肺部區(qū)域和血管的輪廓；
[0035]步驟2.2、通過閾值分割、紋理分割相結(jié)合的方式提取肺部區(qū)域肺泡及血管輪廓信息。同時(shí)使用閾值分割或紋理分割可以更加準(zhǔn)確的將肺部區(qū)域從圖像中準(zhǔn)確的分割出來，有效降低分割的錯(cuò)誤率；
[0036]步驟2.3、將去除非肺部圖像信息但包含肺部肺泡及血管輪廓信息的圖像進(jìn)行灰度反轉(zhuǎn)，通過傅里葉變換將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為其對應(yīng)的k空間數(shù)據(jù)。在質(zhì)子圖像中肺泡由于含水量少，表現(xiàn)為黑色，而肺部組織含水量多表現(xiàn)為白色。在超極化氣體成像過程中這一情況將正好相反，肺部組織表現(xiàn)為黑色，肺泡表現(xiàn)為白色。在這一步中通過對質(zhì)子圖像的灰度反轉(zhuǎn)預(yù)測了超極化氣體的成像結(jié)果，同時(shí)通過傅里葉變換得到了可能的k空間數(shù)據(jù)分布，為稀疏采樣脈沖序列的生成提供了先驗(yàn)性的指導(dǎo)；
[0037]步驟2.4、篩選并識(shí)別k空間中大信號(hào)的分布情況(k空間數(shù)據(jù)為復(fù)數(shù)即a+bi形式
的數(shù)據(jù))，按照的大小篩選大信號(hào)。篩選的過程即按照作為標(biāo)準(zhǔn)對k空間
所有的信號(hào)值進(jìn)行排序。后續(xù)的掃描過程中，不會(huì)對全部信號(hào)點(diǎn)位置都進(jìn)行掃描，只會(huì)按照
設(shè)定的稀疏采樣比例選取其中排序靠前(數(shù)值較大)的那部分信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行掃描。
表征了成像過程中所針對的原子核自旋密度的大小。這個(gè)步驟所獲得的k空間的大信號(hào)的分布情況，作為先驗(yàn)信息指導(dǎo)后續(xù)掃描過程。
[0038]步驟3、根據(jù)步驟2所獲得的先驗(yàn)信息，調(diào)整后續(xù)脈沖序列中的掃描軌跡，對大信號(hào)集中的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)掃描，而對于信號(hào)較小或?yàn)榱愕膮^(qū)域少掃描或者不掃描。通過對掃描區(qū)域和掃描軌跡的針對性調(diào)整生成調(diào)整后的肺部超極化氣體的稀疏采樣掃描脈沖序列。肺部超極化氣體的稀疏采樣掃描脈沖序列為UTE(ultrashort TE,超短回波)類型的脈沖序列。超極化氣體的極化度在肺部會(huì)非常迅速的降低，采用UTE類型的脈沖序列可以獲得具有更高性噪比的圖 像；
[0039]步驟4、成像對象吸入超極化造影劑氣體，在肺部充滿超極化氣體后對肺部使用步驟3生成的稀疏采樣掃描脈沖序列進(jìn)行掃描，獲得肺部欠采樣數(shù)據(jù)。不均勻的磁場會(huì)迅速降低超極化氣體的極化度，所以在超極化氣體的輸送過程中，其管道和閥門都應(yīng)該采用非磁性材料，例如聚四氟乙烯，同時(shí)閥門應(yīng)該采用氣動(dòng)閥門而不是電磁類閥門。
[0040]步驟5、將步驟4中所獲得的肺部欠采樣數(shù)據(jù)通過插值恢復(fù)為滿采樣數(shù)據(jù)并重建肺部圖像。通過實(shí)驗(yàn)證明和其他插值方法相比，Hermite插值獲得的圖像更加平滑，圖像質(zhì)
量更好。
[0041 ] 實(shí)例中是對成像對象肺部進(jìn)行磁共振成像，由于肺部和其他部位相比水含量很少所以難以獲取肺部的空腔信息，而需要借助超極化氣體進(jìn)行成像，超極化氣體的極化度在制備完成后隨時(shí)間會(huì)不斷下降。并且肺部在成像過程中由于呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影造成圖像模糊。所以快速成像對肺部磁共振成像和身體其他部位相比具有更大的意義。
[0042]實(shí)例中的所使用的快速成像方法操作流程如圖1所示。實(shí)例首先采集了肺部針對氫質(zhì)子的磁共振圖像，如圖2(a)所示。利用圖像處理算法對其進(jìn)行分析后提取了肺部區(qū)域，并通過灰度反轉(zhuǎn)使圖像表現(xiàn)出肺部的輪廓信息，如圖2(b)所示。通過傅里葉變換將處理后的氫質(zhì)子掃描圖像映射到k空間，并以幅值作為標(biāo)準(zhǔn)篩選出對圖像空間肺部區(qū)域影響較大的點(diǎn)，如圖2(c)所示。通過掃描軌跡優(yōu)化計(jì)算，生成自適應(yīng)的稀疏采樣脈沖序列。在成像對象吸入超極化氣體后，利用新的脈沖序列對肺部進(jìn)行掃描。得到掃描數(shù)據(jù)后，通過插值將數(shù)據(jù)恢復(fù)為滿采樣水平并重建圖像，如圖2(d)所示。
[0043]本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明 的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法，其特征在于，包含以下步驟: 步驟1、對成像對象肺部區(qū)域進(jìn)行質(zhì)子磁共振成像； 步驟2、通過圖像處理的方法識(shí)別肺部區(qū)域肺泡及血管的輪廓位置，然后通過灰度反轉(zhuǎn)和傅里葉變換將肺部圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的k空間數(shù)據(jù)并篩選獲取k空間中大信號(hào)的分布情況，作為先驗(yàn)信息； 步驟3、根據(jù)步驟2所獲得的先驗(yàn)信息，通過對掃描區(qū)域和掃描軌跡的調(diào)整生成調(diào)整后的肺部超極化氣體的稀疏采樣掃描脈沖序列，對大信號(hào)集中的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)掃描，對于信號(hào)較小或?yàn)榱愕膮^(qū)域少掃描或者不掃描； 步驟4、成像對象吸入超極化氣體造影劑，在肺部充滿超極化氣體后成像對象屏氣，使用步驟3生成的稀疏采樣脈沖序列進(jìn)行掃描； 步驟5、將步驟4中所獲得的肺部欠采樣數(shù)據(jù)通過插值方法恢復(fù)為滿采樣數(shù)據(jù)，并重建肺部圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步驟I中對肺部進(jìn)行氫質(zhì)子磁共振成像時(shí)所使用的脈沖序列為SE類型序列。
3.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步驟2中對先驗(yàn)信息進(jìn)行提取包括以下步驟: 步驟2.1、通過中值濾波對肺部質(zhì)子圖像進(jìn)行濾波降噪； 步驟2.2、通過閾值分割、紋理分割相結(jié)合的方式提取肺部區(qū)域肺泡及血管輪廓信息，去除非肺部圖像信息； 步驟2.3、將去除非肺部圖像信息但包含肺部肺泡及血管輪廓信息的圖像進(jìn)行灰度反轉(zhuǎn)，通過傅里葉變換將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的k空間數(shù)據(jù)； 步驟2.4、篩選并識(shí)別k空間數(shù)據(jù)中大信號(hào)的分布情況，并作為先驗(yàn)信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步驟2.4中k空間數(shù)據(jù)中大信號(hào)分布情況通過以下方式獲得，將k空間數(shù)據(jù)的按照的大小排序，并按照設(shè)定的稀疏采樣比例選取較大的k空間數(shù)據(jù)作為大信號(hào)，其中a和b分別為k空間數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步驟4中的稀疏采樣脈沖序列為UTE類型的脈沖序列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步驟4中輸送超極化氣體的管路和閥門采用的是非磁性材料，并且閥門開關(guān)控制方式為氣動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于先驗(yàn)知識(shí)和稀疏采樣的肺部快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步驟5中插值方法為Hermite插值法。
【文檔編號(hào)】A61B5/055GK104027113SQ201410310987
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】周欣, 呂植成, 孫獻(xiàn)平, 劉買利, 葉朝輝 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所