本發(fā)明涉及磁共振成像和數(shù)字圖像技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種超極化氣體磁共振影像處理方法。

背景技術(shù)：

空氣污染(如霧霾等)加速肺部疾病問題的惡性發(fā)展，尤其對老人、兒童及孕婦等的健康影響更為嚴(yán)重。研究數(shù)據(jù)表明，PM2.5每增加10μg/m³可使總死亡率、心血管疾病死亡率和肺癌死亡率分別增高4％、6％和8％。目前肺癌已取代肝癌成為我國首位惡性腫瘤死亡原因，預(yù)計到2025年，每年僅死于肺癌的人數(shù)將達(dá)到100萬。然而，目前肺癌早期診斷率僅為15％，尤其是0期患者因常無任何癥狀，其確診率還不到肺癌患者總數(shù)的0.6％。醫(yī)學(xué)影像學(xué)診斷是肺部疾病最常用、也是最直觀的一種診斷方式，但是，傳統(tǒng)的肺部影像學(xué)方法(如胸部X線透視、計算機(jī)X射線斷層掃描、正電子發(fā)射計算機(jī)斷層、磁共振成像)均無法從結(jié)構(gòu)和功能上全面評價肺部生理狀態(tài)?；诔瑯O化惰性氣體(¹²⁹Xe和³He)的磁共振，不僅能提供肺部結(jié)構(gòu)信息，還能提供肺部功能信息(肺組織氣-氣交換和氣-血交換功能)，給臨床肺部醫(yī)學(xué)研究引入了一種新的研究手段。

超極化氣體磁共振利用自旋交換光抽運(yùn)技術(shù)增強(qiáng)電子自旋信號，然后將電子信號轉(zhuǎn)移增強(qiáng)惰性氣體(¹²⁹Xe或³He)的磁共振信號(極化度增強(qiáng)10³～10⁵倍)，使得對肺部超極化氣體成像成為可能。然而，超極化氣體的非平衡核自旋極化度在信號采樣過程中具有不可再生性，導(dǎo)致其可用的超極化磁化矢量強(qiáng)度隨每一次射頻脈沖的發(fā)生而快速衰減。此外，超極化氣體磁共振成像敏感度∝γ×Q×P，其中，γ為惰性氣體原子核的旋磁比，Q為自旋密度，P為惰性氣體原子核自旋極化度。因此，超極化氣體磁共振成像敏感度隨激發(fā)次數(shù)和采集時間急劇下降。超極化氣體磁共振k空間的中心決定重建影像的信噪比，而影像的細(xì)節(jié)信息取決于k空間的邊緣。因此，如何在有限的屏氣時間和受限的超極化磁化矢量條件下，提高超極化氣體磁共振影像的信噪比和分辨率/細(xì)節(jié)，是超極化氣體磁共振成像技術(shù)應(yīng)用研究的關(guān)鍵問題。

目前用于改善超極化氣體磁共振影像質(zhì)量方法主要有線圈B1場均勻度的改進(jìn)，惰性氣體核自旋極化度的提高，以及類似并行成像、壓縮感知等快速成像方法。但是，高質(zhì)量超極化氣體磁共振影像的獲取依然面臨很大的難度和復(fù)雜性。因此，如何改善影像質(zhì)量是超極化氣體磁共振成像技術(shù)向臨床肺部醫(yī)學(xué)研究轉(zhuǎn)變所面臨的重大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對現(xiàn)有超極化氣體磁共振成像方法存在的上述技術(shù)問題，提供了一種超極化氣體磁共振影像處理方法。

一種超極化氣體磁共振影像處理方法，包括以下步驟：

步驟1、選擇成像序列、設(shè)置回波時間、設(shè)置激發(fā)角度，獲得原始的超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)；

步驟2、求解系數(shù)權(quán)重矩陣，原始的超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)與系數(shù)權(quán)重矩陣進(jìn)行點(diǎn)乘運(yùn)算獲得修改后的超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)，

步驟3、修改后的超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)經(jīng)傅立葉變換獲得優(yōu)化后的磁共振影像，利用BM3D算法對優(yōu)化后的磁共振影像進(jìn)行處理獲得質(zhì)量改善后的核磁共振影像。

如上所述的步驟2中系數(shù)權(quán)重矩陣依據(jù)以下公式獲得：

其中，C為系數(shù)權(quán)重矩陣，大小為m×n，p,q為系數(shù)權(quán)重矩陣元素索引，θ為設(shè)定的角度，TR是重復(fù)時間，T1是自旋-晶格弛豫時間。

如上所述的步驟2中系數(shù)權(quán)重矩陣依據(jù)以下公式獲得：

其中，C為系數(shù)權(quán)重矩陣，大小為m×n，p,q為系數(shù)權(quán)重矩陣元素索引，θ為設(shè)定的角度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.引入系數(shù)權(quán)重矩陣，有針對性地修改超極化氣體磁共振的k空間數(shù)據(jù)，然后通過傅立葉反變換重建影像，從而改善影像信噪比或細(xì)節(jié)等信息。如為了改善影像信噪比，可以通過增加系數(shù)權(quán)重矩陣中心區(qū)域的權(quán)重實現(xiàn)；為了改善影像細(xì)節(jié)，可以通過增加系數(shù)權(quán)重矩陣邊緣區(qū)域的權(quán)重實現(xiàn)。

2.為了改善超極化氣體磁共振影像的細(xì)節(jié)信息，本發(fā)明首先針對常規(guī)磁共振和超極化氣體磁共振信號特點(diǎn)，構(gòu)建系數(shù)權(quán)重矩陣(系數(shù)權(quán)重矩陣邊緣區(qū)域的權(quán)重高于中心區(qū)域的權(quán)重)；其次，依據(jù)構(gòu)建的系數(shù)權(quán)重矩陣修改超極化氣體磁共振的k空間數(shù)據(jù)；然后，通過傅立葉反變換重建影像，并通過影像后處理算法去除噪聲，實現(xiàn)影像細(xì)節(jié)信息的增強(qiáng)。

3.本發(fā)明引入一種超極化氣體磁共振影像質(zhì)量刻畫指標(biāo)，能有效度量超極化氣體磁共振影像質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程框圖。

圖2為實施例1獲得的超極化氣體老鼠肺部磁共振影像。

圖3為實施例2獲得的超極化氣體人體肺部磁共振影像(存在通氣缺陷，女性，34歲)。

圖4為實施例3獲得的超極化氣體人體肺部磁共振影像(存在通氣缺陷，女性，56歲)。

具體實施方式

下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明一種超極化氣體磁共振影像處理方法的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。

實施例1：

圖1為本發(fā)明一種超極化氣體磁共振影像處理方法的示意框圖，主要包括—超極化氣體磁共振成像參數(shù)確定(包括回波時間、重復(fù)時間、矩陣大小、層數(shù)、層厚、視野等)、k空間數(shù)據(jù)采集(定角激發(fā)/中心編碼)、系數(shù)權(quán)重矩陣確定、k空間數(shù)據(jù)變換、磁共振影像重建(傅立葉反變換)，以及影像后處理(去噪)，獲得質(zhì)量改善后的超極化氣體磁共振影像。

具體為：

步驟1，選擇成像序列、設(shè)置回波時間、設(shè)置激發(fā)角度，獲得原始的超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)。

由于超極化氣體磁共振的縱向磁化矢量具有不可再生性，超極化氣體磁共振成像一般采用梯度回波序列(如FLASH成像序列)、小角度激發(fā)(如定角激發(fā))方式。

在本實施例中，如圖2所示，老鼠肺部磁共振的成像序列選擇為FLASH成像序列、回波時間為4.035ms、定角激發(fā)角度為10度。

步驟2，求解系數(shù)權(quán)重矩陣：

常規(guī)質(zhì)子磁共振成像(梯度回波序列)，第l次射頻脈沖激發(fā)后的k空間信號可以表示為(忽略頻率編碼項)

其中，M₀是初始的縱向磁化矢量，l是激發(fā)次數(shù)索引，N是總的激發(fā)次數(shù)，x∈[0,N-1]是空間像素索引，exp(j2πl(wèi)x/N)是相位編碼項。每一次射頻脈沖激發(fā)后，縱向磁化矢量經(jīng)過T1弛豫時間(自旋-晶格弛豫時間)可以恢復(fù)到M₀。

不同于常規(guī)質(zhì)子磁共振成像方法，超極化氣體磁共振的縱向磁化矢量具有不可恢復(fù)性，且極化度隨激發(fā)次數(shù)快速衰減。超極化氣體磁共振成像(梯度回波序列，定角激發(fā))，第l次射頻脈沖激發(fā)后的k空間信號表示為(忽略頻率編碼項)

其中，M₀是初始的縱向磁化矢量，l是激發(fā)次數(shù)索引，N是總的激發(fā)次數(shù)，x∈[0,N-1]是空間像素索引，exp(j2πl(wèi)x/N)是相位編碼項，TR是重復(fù)時間，T1是自旋-晶格弛豫時間，α是激發(fā)角度。一般地，T1遠(yuǎn)大于TR，因此指數(shù)項exp(-(l-1)TR/T1)可以忽略(即忽略T1弛豫)，則式(2)可以簡化為

磁共振k空間原點(diǎn)附近的數(shù)據(jù)主要反映影像信號的強(qiáng)度，決定重建影像的對比度；而遠(yuǎn)離原點(diǎn)的數(shù)據(jù)含有精確的定位信息，決定重建影像的細(xì)節(jié)。由于極化度具有不可恢復(fù)和快速衰減等特性，采用中心編碼的超極化氣體磁共振k空間邊緣區(qū)域的信號強(qiáng)度低，導(dǎo)致模糊的影像細(xì)節(jié)信息，不利于發(fā)現(xiàn)肺部可能存在的病灶。比較式(1)和式(2)，或式(1)和(3)，可知

s₁(l)＝s₂(l)·(exp(-(l-1)TR/T1)·sinα·cos^l-1α)^-1或s₁(l)＝s₂(l)·(sinα·cos^l-1α)^-1, (4)

于是，可以通過系數(shù)權(quán)重矩陣修改超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)增強(qiáng)影像的細(xì)節(jié)信息。

采用中心編碼，定角激發(fā)的超極化氣體磁共振成像方法(梯度回波序列)，修改后的超極化氣體磁共振k空間表示為

其中，S為原始的超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)，為修改后的超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)，C為系數(shù)權(quán)重矩陣，⊙為點(diǎn)乘算子。

若假設(shè)原始的超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)大小為m×n(一般設(shè)定為32×32，64×64，96×96，128×128，160×160，或256×256)，則對應(yīng)的系數(shù)權(quán)重矩陣大小也為m×n。當(dāng)m為奇數(shù)時，公式(6)中的m/2取整數(shù)。系數(shù)權(quán)重矩陣中的元素C(p,q)表示為：

其中，(p,q)為系數(shù)權(quán)重矩陣元素索引，θ為設(shè)定的角度。一般地，θ可設(shè)定為2°-10°。若忽略T1弛豫，式(6)可簡化為：

在本實施例中，如圖2所示，老鼠肺部的磁共振成像參數(shù)為：7T磁共振成像儀，回波時間為4.035ms，重復(fù)時間為11.355ms，系數(shù)權(quán)重矩陣大小為96×96，層數(shù)為1，層厚為30mm，視野為50×50mm²，帶寬為25kHz，總的掃描時間為1.09s,定角激發(fā)(激發(fā)角度為10°)，F(xiàn)LASH成像序列，中心編碼，系數(shù)權(quán)重矩陣依據(jù)式(7)，系數(shù)權(quán)重矩陣大小為96×96，系數(shù)權(quán)重矩陣中的角度θ設(shè)定為8°。

步驟3，影像后處理：

修改后的超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)經(jīng)傅立葉變換可以重建優(yōu)化后的磁共振影像。從式(7)可以看出，修改后的超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)中心的權(quán)重小于邊緣的權(quán)重。然而，原始超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)邊緣因信號強(qiáng)度低，受噪聲影響較大。若按照式(7)修改k空間數(shù)據(jù)，重建后磁共振影像更易受噪聲/偽影等不利因素的影響，因而需要影像后處理方法消除噪聲/偽影等不利因素的影響。本步驟中利用BM3D(Block-matching and 3D filtering)算法對優(yōu)化后的磁共振影像進(jìn)行處理獲得質(zhì)量改善后的核磁共振影像，質(zhì)量改善后的核磁共振影像抑制重建后磁共振影像中的噪聲/偽影等不利因素。

如圖2的A為原始超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)經(jīng)傅立葉變換重建的磁共振影像(老鼠肺部)，A圖中包含較多噪聲；圖2的B為A圖經(jīng)BM3D處理后濾波結(jié)果，可以看出，噪聲在很大程度上得到消除，但也在一定程度模糊老鼠肺部的細(xì)節(jié)信息；圖2的C為采用本實施例中的步驟1-步驟3對原始超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后獲得的質(zhì)量改善后的核磁共振影像，可以看出，老鼠肺部的細(xì)節(jié)信息得到增強(qiáng)。

實施例2：

如圖3所示，本實施例中步驟1～3與實施例1有以下區(qū)別：人體肺部的成像參數(shù)為：1.5T磁共振成像儀，回波時間為2.7ms，重復(fù)時間為6.8ms，矩陣大小為128×128，層數(shù)為7，層厚為20mm，視野為400×400mm²，帶寬為25.6kHz，總的掃描時間為6.1s,定角激發(fā)(激發(fā)角度為9°)，F(xiàn)LASH成像序列，中心編碼，系數(shù)權(quán)重矩陣大小為128×128，系數(shù)權(quán)重矩陣依據(jù)式(7)，系數(shù)權(quán)重矩陣中的角度θ設(shè)定為6°。其他與實施例1相同。

圖3A、圖3B和圖3C分別為依據(jù)第四層、第五層和第六層原始超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)重建的磁共振影像；圖3D、圖3E和圖3F為對應(yīng)于圖3A、圖3B和圖3C經(jīng)BM3D處理后的濾波結(jié)果；圖3G、圖3H和圖3I分別為采用本實施例的步驟1～3對第四層、第五層和第六層原始超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)處理后獲得的第四層、第五層和第六層磁共振影像。

超極化氣體磁共振影像質(zhì)量評估可以從定性角度出發(fā)(如比較噪聲的幅度，感興趣區(qū)域的細(xì)節(jié)信息等)，也可以從定量角度出發(fā)考慮(一般采用特定的度量指標(biāo)評估影像質(zhì)量)。本發(fā)明引入一種超極化氣體磁共振影像質(zhì)量度量指標(biāo)，該指標(biāo)首先把超極化氣體磁共振影像分解為s×t個影像塊，其次計算每個影像塊的度量指標(biāo)值，然后計算所有影像塊的度量指標(biāo)值的均值，作為最終的度量結(jié)果。超極化氣體磁共振影像質(zhì)量度量指標(biāo)如下所示：

其中，I_max是影像塊內(nèi)像素點(diǎn)的最大灰度值，I_med是影像塊內(nèi)像素點(diǎn)灰度中值，I_min是影像塊內(nèi)像素點(diǎn)的最小灰度值，β是正的常數(shù)(一般取值為0.1-0.3)。

依據(jù)式(8)，圖3A，圖3B和圖3C的度量值分別為0.2394，0.2379，0.2455；圖3D，圖3E和圖3F的度量值分別為0.2509，0.2512，0.2548；圖3G，圖3H和圖3I的度量值分別為0.2638，0.2604，0.2725。

實施例3

如圖4所示，本實施例中步驟1～3與實施例1有以下區(qū)別：人體肺部的成像參數(shù)為：1.5T磁共振成像儀，回波時間為2.7ms，重復(fù)時間為6.8ms，矩陣大小為128×128，層數(shù)為8，層厚為20mm，視野為400×400mm²，帶寬為25.6kHz，總的掃描時間為6.97s，定角激發(fā)(激發(fā)角度為9°)，F(xiàn)LASH成像序列，中心編碼，系數(shù)權(quán)重矩陣大小為128×128，系數(shù)權(quán)重矩陣依據(jù)式(7)，系數(shù)權(quán)重矩陣中的角度θ設(shè)定為6°。其他與實施例1相同。

圖4A、圖4B和圖4C分別為依據(jù)第五層、第六層和第七層原始超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)重建的磁共振影像；圖4D、圖4E和圖4F為對應(yīng)于圖4A、圖4B和圖4C經(jīng)BM3D處理后的濾波結(jié)果；圖4G、圖4H和圖4I分別為采用本實施例的步驟1～3對第五層、第六層和第七層原始超極化氣體磁共振k空間數(shù)據(jù)處理后獲得的第五層、第六層和第七層磁共振影像。

本實施例表明可以得到較好的細(xì)節(jié)信息影像。

圖4A，圖4B和圖4C的度量值分別為0.2261，0.2305，0.2347；圖4D，圖4E和圖4F的度量值分別為0.2272，0.2432，0.2474；圖4G，圖4H和圖4I的度量值分別為0.2639，0.2588，0.2603。本實施例方法獲得較高的度量指標(biāo)值，說明本發(fā)明一種超極化氣體磁共振影像處理方法實施例獲得了具有較好質(zhì)量的影像。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(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。