腦功能磁共振成像方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新的腦功能磁共振成像方法和系統(tǒng)，其方法包括：獲取基于多通道并行且稀疏采樣獲得的每一個(gè)相控陣線圈對應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像和第一參考圖像；根據(jù)所述第一參考圖像，獲得每個(gè)相控陣線圈在每個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像獲取時(shí)刻處的基準(zhǔn)圖像；根據(jù)所述基準(zhǔn)圖像，獲得高階廣義級模型的基函數(shù)；利用L2范數(shù)對高階廣義級模型的級系數(shù)進(jìn)行約束，基于所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像和所述基函數(shù)估計(jì)獲得所述級系數(shù)；根據(jù)所述級系數(shù)的估計(jì)值和所述基準(zhǔn)圖像，基于高階廣義級模型重建出每個(gè)通道各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的中間圖像；基于相控陣線圈的敏感度矩陣，對所述中間圖像進(jìn)行并行重建，獲得重建后的動(dòng)態(tài)腦功能磁共振圖像。其解決了現(xiàn)有技術(shù)成像技術(shù)中存在圖像幾何畸變以及奈奎斯采樣偽影問題。
【專利說明】腦功能磁共振成像方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及腦功能磁共振成像技術(shù)，特別是涉及一種基于廣義級模型的腦功能磁 共振成像方法和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]腦功能磁共振成像（function magnetic resonance imaging, fMRI)是在大腦神 經(jīng)活動(dòng)情況下測量大腦的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。目前常用的EPI (Echo-planar imaging)成像 能夠在幾百毫秒內(nèi)采集一個(gè)層面，空間分辨率可以達(dá)到2-3毫米，然而隨著功能成像研究 的不斷深入和發(fā)展，基于EPI的腦功能成像由于其本身硬件條件的限制，很難進(jìn)一步的提 高空間和時(shí)間分辨率。
[0003] BOLD效應(yīng)fMRI是基于神經(jīng)元功能活動(dòng)對局部氧耗量和腦血流影響程度不匹配所 導(dǎo)致的局部磁場性質(zhì)變化的原理。由于這種信號強(qiáng)度較弱，且神經(jīng)元活動(dòng)引起局部力流增 加是短暫的，普通的MRI成像速度較慢，很難捕捉到神經(jīng)電活動(dòng)引起的這種瞬時(shí)變化，目前 各種各樣的fMRI成像方法相繼提出來進(jìn)一步的提高分辨率和信號強(qiáng)度。例如，并行成像技 術(shù)中的SMASH (SMASH技術(shù)主要利用相陣控線圈敏感度的線性組合代替由梯度產(chǎn)生的相位 編碼的空間調(diào)節(jié)，從而減少了圖像采集時(shí)間。）等，可以聯(lián)合EPI技術(shù)，在保證一定的時(shí)間 分辨率的前提下提高空間分辨率，由于讀出時(shí)間的減少，減少了磁敏感度偽影，并且EPI噪 聲也由于減少了梯度間的頻繁切換而隨之減少。然而在高場fMRI情況下，T2*衰減時(shí)間很 短，在單次激發(fā)很難在保證圖像質(zhì)量的前提下采集大量的相位編碼線，為了解決這些問題， 研究者們提出采用分段的k空間獲取，部分傅里葉采集（partial Fourier sampling),外部 容積壓制（outer volume suppression)和內(nèi)部容積選擇（inner volume selection)等。 除此之外，基于單擊發(fā)多回波的EPI和非笛卡爾采樣原理提出了多種快速磁共振BOLD功能 成像序列。如2008年Rabrait等提出的單激發(fā)體回波成像（single shot echo-volumar imaging, EVI)技術(shù)、2009年Grotz等提出的降采樣投影成像技術(shù)（projection imaging)、 2010年Feinberg等提出的multiplexed EPI技術(shù)、2011年Zahneisen等提出的三維 rosette 軌跡米樣成像以及 2012 年 Stefan 等提出的 multi-slab echo-volumar imaging 技術(shù)等。這些技術(shù)能將BOLD功能成像的時(shí)間分辨率從常規(guī)的2?3s提高至幾百毫秒。然 而由于這些方法均以EPI序列為基礎(chǔ)，依然存在著EPI固有的成像缺點(diǎn)，需要矯正Nyquist 偽影和幾何形變，其時(shí)間分辨率的提高是以增加圖像幾何畸變或犧牲空間分辨率為代價(jià)換 來的。
[0004] 在現(xiàn)有的磁共振硬件條件下，目前腦功能磁共振成像方法主要是采用最快的EPI 序列采集方式進(jìn)行成像，由于該序列本身對磁場硬件梯度的要求過高，以及圖像空間分辨 率較低，容易出現(xiàn)圖像幾何畸變以及Nyquist (奈奎斯采樣）偽影。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 基于此，有必要針對現(xiàn)有技術(shù)成像技術(shù)中存在圖像幾何畸變以及奈奎斯采樣偽影 問題，提供一種新的腦功能磁共振成像方法和系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的一種腦功能磁共振成像方法，其包括：
[0007] 獲取基于多通道并行且稀疏采樣獲得的每一個(gè)相控陣線圈對應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像 和第一參考圖像；
[0008] 根據(jù)所述第一參考圖像，獲得每個(gè)相控陣線圈在每個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像獲取時(shí)刻處的 基準(zhǔn)圖像；
[0009] 根據(jù)所述基準(zhǔn)圖像，獲得高階廣義級模型的基函數(shù)；
[0010] 利用L2范數(shù)對高階廣義級模型的級系數(shù)進(jìn)行約束，基于所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像和所述 基函數(shù)估計(jì)獲得所述級系數(shù)；
[0011] 根據(jù)所述級系數(shù)的估計(jì)值和所述基準(zhǔn)圖像，基于高階廣義級模型重建出每個(gè)通道 各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的中間圖像；
[0012] 基于相控陣線圈的敏感度矩陣，對所述中間圖像進(jìn)行并行重建，獲得重建后的動(dòng) 態(tài)腦功能磁共振圖像。
[0013] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一參考圖像包括：針對每一個(gè)相控陣線圈在采集所 述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像前后分別采集的至少兩個(gè)K空間欠采樣圖像。
[0014] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像為K空間欠采樣、且邊緣未采集的圖像。
[0015] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述根據(jù)所述基準(zhǔn)圖像獲得高階廣義級模型的基函數(shù)的過 程包括：
[0016] 給定控制參數(shù)U;
[0017] 調(diào)用下述公式（1)計(jì)算獲得所述高階廣義級模型的基函數(shù)：
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 一種腦功能磁共振成像方法，其包括： 獲取基于多通道并行且稀疏采樣獲得的每一個(gè)相控陣線圈對應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像和第 一參考圖像； 根據(jù)所述第一參考圖像，獲得每個(gè)相控陣線圈在每個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像獲取時(shí)刻處的基準(zhǔn) 圖像； 根據(jù)所述基準(zhǔn)圖像，獲得高階廣義級模型的基函數(shù)； 利用L2范數(shù)對高階廣義級模型的級系數(shù)進(jìn)行約束，基于所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像和所述基函 數(shù)估計(jì)獲得所述級系數(shù)； 根據(jù)所述級系數(shù)的估計(jì)值和所述基準(zhǔn)圖像，基于高階廣義級模型重建出每個(gè)通道各個(gè) 時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的中間圖像； 基于相控陣線圈的敏感度矩陣，對所述中間圖像進(jìn)行并行重建，獲得重建后的動(dòng)態(tài)腦 功能磁共振圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述第一參考圖像包 括：針對每一個(gè)相控陣線圈在采集所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像前后分別采集的至少兩個(gè)K空間欠采 樣圖像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像為K 空間欠采樣、且邊緣未采集的圖像。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述根據(jù)所述基準(zhǔn)圖 像獲得高階廣義級模型的基函數(shù)的過程包括： 給定控制參數(shù)U ; 調(diào)用下述公式（1)計(jì)算獲得所述高階廣義級模型的基函數(shù)： %?=(〇>+/你-公式⑴ 其中，奶U(X)表示高階廣義級模型的基函數(shù)；/Cif OO表示第1個(gè)相控陣線圈在第q個(gè)時(shí) 間點(diǎn)對應(yīng)的基準(zhǔn)圖像；1 = 1，...，L，L表示相控陣線圈的個(gè)數(shù)，每一個(gè)相控陣線圈采集的數(shù) 據(jù)對應(yīng)一個(gè)輸出通道；U是個(gè)控制參數(shù)，Ak滿足奈奎斯采樣率的采樣間隔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述根據(jù)所述級系數(shù)、 基于高階廣義級模型重建出每個(gè)通道各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的中間圖像的過程包括： 獲取控制參數(shù)U ; 調(diào)用下述公式（3)計(jì)算每個(gè)通道各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的中間圖像：
其中，Cn表示所述級系數(shù)；表示第1個(gè)相控陣線圈在第q個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的中間 圖像；M表示采集所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像的相位編碼數(shù)，n表示相位編碼數(shù)變量，其取值范圍為
;P=(X)表示第1個(gè)相控陣線圈在第q個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的基準(zhǔn)圖像；ii是個(gè)控 制參數(shù)，Ak滿足奈奎斯采樣率的采樣間隔。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述利用L2范數(shù)對高 階廣義級模型的級系數(shù)進(jìn)行約束、基于所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像和所述基函數(shù)估計(jì)獲得所述級系 數(shù)的過程包括： 根據(jù)獲得的基函數(shù)生成矩陣向量； 依據(jù)欠采樣因子構(gòu)成的欠采樣矩陣乘以所述矩陣向量獲得中間矩陣向量； 調(diào)用下述公式（4)計(jì)算所述級系數(shù)： = (AJ#A+21)-，公式（4) 其中，4表示所述級系數(shù)的估計(jì)值;A表示所述中間矩陣向量，Ah表示矩陣A的共軛矩 陣；A表示正則化參數(shù)；D表示所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像，即針對第1個(gè)相控陣線圈的T個(gè)采樣時(shí) 間幀對應(yīng)的K空間欠采樣圖像D1, i (k)，…，DT，i (k)，I = I，. . .，L，L表示相控陣線圈的個(gè)數(shù)； /:cix￡ 4<C1XjL是單位算子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述利用靈敏度編碼 技術(shù)對所述中間圖像進(jìn)行并行重建的過程包括： 根據(jù)針對每一個(gè)相控陣線圈采集的一個(gè)或多個(gè)全采樣的參考圖像，獲得敏感度矩陣； 結(jié)合所述敏感度矩陣和所述中間圖像，采用最小二乘法估計(jì)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的初始重 建圖像； 基于高階廣義級模型，利用L2范數(shù)對所述初始重建圖像進(jìn)行約束，估計(jì)獲得每個(gè)時(shí)間 點(diǎn)對應(yīng)的重建后的腦功能磁共振圖像； 匯總各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的重建后的腦功能磁共振圖像，形成所述重建后的動(dòng)態(tài)腦功能磁 共振圖像。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦功能磁共振成像方法，其特征在于，所述利用L2范數(shù)對所 述初始重建圖像進(jìn)行約束、估計(jì)獲得每個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的重建后的腦功能磁共振圖像的步驟 通過調(diào)用下述公式（5)執(zhí)行計(jì)算獲得： Pr =pti+(sNs+r Iy1SliAd 公式（5) 其中，A表示每個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的重建后的腦功能磁共振圖像；P,表示所述初始 重建圖像；S表示所述敏感度矩陣，Sh表示S的共軛矩陣；Y表示正則化參數(shù)，Y可 在[Y min，Y m J之間取值，其中，Y min = 1〇_4 0 M，0 M為S的最大特征值，Y max = O M ; /:ClxI 是單位算子；A] = 3-3表示所述中間圖像。
9. 一種腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括： 數(shù)據(jù)提取模塊，用于獲取基于多通道并行且稀疏采樣獲得的每一個(gè)相控陣線圈對應(yīng)的 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像和第一參考圖像； 參考圖像提取模塊，用于根據(jù)所述第一參考圖像，獲得每個(gè)相控陣線圈在每個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù) 據(jù)圖像獲取時(shí)刻處的基準(zhǔn)圖像； 基函數(shù)計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述基準(zhǔn)圖像，獲得高階廣義級模型的基函數(shù)； 級系數(shù)計(jì)算模塊，用于利用L2范數(shù)對高階廣義級模型的級系數(shù)進(jìn)行約束，基于所述動(dòng) 態(tài)數(shù)據(jù)圖像和所述基函數(shù)估計(jì)獲得所述級系數(shù)； 第一圖像重建模塊，用于根據(jù)所述級系數(shù)的估計(jì)值和所述基準(zhǔn)圖像，基于高階廣義級 模型重建出每個(gè)通道各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的中間圖像；及 第二圖像重建模塊，用于基于相控陣線圈的敏感度矩陣，對所述中間圖像進(jìn)行并行重 建，獲得重建后的動(dòng)態(tài)腦功能磁共振圖像。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述基函數(shù)計(jì)算模塊 包括： 設(shè)定單元，用于給定控制參數(shù)U ;和 基函數(shù)計(jì)算單元，用于調(diào)用下述公式（1)計(jì)算獲得所述高階廣義級模型的基函數(shù)： 隊(duì)M) = (p':U輛加一公式⑴ 其中，IW(X)表示高階廣義級模型的基函數(shù)；/〇( 00表示第1個(gè)相控陣線圈在第q個(gè)時(shí) 間點(diǎn)對應(yīng)的基準(zhǔn)圖像；1 = 1，...，L，L表示相控陣線圈的個(gè)數(shù)，每一個(gè)相控陣線圈采集的數(shù) 據(jù)對應(yīng)一個(gè)輸出通道；U是個(gè)控制參數(shù)，Ak滿足奈奎斯采樣率的采樣間隔。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一圖像重建模 塊包括： 參數(shù)提取單元，用于獲取控制參數(shù)U ;和 中間圖像獲取單元，用于調(diào)用下述公式（3)計(jì)算每個(gè)通道各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的中間圖 像：
其中，Cn表示所述級系數(shù)；#9J(X)表示第1個(gè)相控陣線圈在第q個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的中間 圖像；M表示采集所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像的相位編碼數(shù)，n表示相位編碼數(shù)變量，其取值范圍為
;(X)表示第1個(gè)相控陣線圈在第q個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的基準(zhǔn)圖像；ii是個(gè)控 制參數(shù)，Ak滿足奈奎斯采樣率的采樣間隔。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述級系數(shù)計(jì)算模塊 包括： 特征向量提取單元，用于根據(jù)獲得的基函數(shù)生成矩陣向量； 中間向量計(jì)算單元，用于依據(jù)欠采樣因子構(gòu)成的欠采樣矩陣乘以所述矩陣向量獲得中 間矩陣向量；及 級系數(shù)提取單元，用于調(diào)用下述公式（4)計(jì)算所述級系數(shù)： cn ^(A11 A+AlY4 A11D 公式（4) 其中，A表示所述級系數(shù)的估計(jì)值；A表示所述中間矩陣向量，Ah表示矩陣A的共軛矩 陣；A表示正則化參數(shù)；D表示所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像，即針對第1個(gè)相控陣線圈的T個(gè)采樣時(shí) 間幀對應(yīng)的K空間欠采樣圖像D1, i (k)，…，DT，i (k)，I = I，. . .，L，L表示相控陣線圈的個(gè)數(shù)；
是單位算子。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的腦功能磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第二圖像重建模 塊包括： 敏感度矩陣提取單元，用于根據(jù)針對每一個(gè)相控陣線圈采集的一個(gè)或多個(gè)全采樣的參 考圖像，獲得敏感度矩陣； 初始重建單元，用于結(jié)合所述敏感度矩陣和所述中間圖像，采用最小二乘法估計(jì)每個(gè) 時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的初始重建圖像； 再次重建單元，用于基于高階廣義級模型，利用L2范數(shù)對所述初始重建圖像進(jìn)行約束， 估計(jì)獲得每個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的重建后的腦功能磁共振圖像；及 輸出單元，用于匯總各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的重建后的腦功能磁共振圖像，形成所述重建后 的動(dòng)態(tài)腦功能磁共振圖像。
【文檔編號】A61B5/055GK104323776SQ201410572855
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】史彩云, 謝國喜, 張曉詠, 張麗娟, 劉新 申請人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院