本發(fā)明涉及磁共振領(lǐng)域，具體涉及一種磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)壓縮加速重建方法。

背景技術(shù)：

基于多通道線圈采集的并行成像技術(shù)近年來(lái)已經(jīng)成為磁共振領(lǐng)域最為高效和主流的技術(shù)之一。并行成像技術(shù)的作用在于有效減少了磁共振成像的采集時(shí)間，從而促進(jìn)了磁共振技術(shù)的發(fā)展和臨床應(yīng)用。伴隨著并行成像技術(shù)的發(fā)展，多線圈陣列設(shè)計(jì)也成為磁共振研究的一個(gè)工程門(mén)類。在合理設(shè)計(jì)的前提下，線圈陣列通道數(shù)目越多，所能夠提供的信噪比就越高，并行成像技術(shù)的采集加速倍數(shù)就可以越大。但是，采用多通道線圈采集會(huì)使得數(shù)據(jù)量增大，增加重建時(shí)間，并且占用更多的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。這些問(wèn)題在三維動(dòng)態(tài)成像以及磁共振擴(kuò)散成像等技術(shù)中尤為突出。為了解決多通道采集帶來(lái)的計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，近年來(lái)多線圈采集數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)被提出。該技術(shù)的理論基礎(chǔ)為多通道線圈數(shù)據(jù)具有較高的冗余性，可以在保證保留有效數(shù)據(jù)、減少信噪比損失、不破壞后續(xù)重建過(guò)程的情況下減少冗余數(shù)據(jù)，從而加速重建計(jì)算速度，減少數(shù)據(jù)占用空間。

在磁共振擴(kuò)散成像中，為了獲得高分辨率的磁共振擴(kuò)散圖像，減少圖像的幾何形變，需要使用多次激發(fā)的磁共振序列采集技術(shù)。多次激發(fā)序列采集會(huì)通過(guò)多次對(duì)圖像進(jìn)行激發(fā)，每次激發(fā)采集一部分?jǐn)?shù)據(jù)，最終通過(guò)特定的整合重建算法得到高分辨率的擴(kuò)散圖像。對(duì)于多次激發(fā)序列采集的數(shù)據(jù)，需要使用多次激發(fā)的多線圈數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，較多的激發(fā)次數(shù)會(huì)進(jìn)一步使得數(shù)據(jù)規(guī)模擴(kuò)大。在這種情況下，即使使用傳統(tǒng)的線圈壓縮技術(shù)對(duì)多線圈數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，較多的激發(fā)次數(shù)仍然會(huì)導(dǎo)致較大的數(shù)據(jù)量，以及計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、內(nèi)存占用大等問(wèn)題，阻礙高分辨率磁共振擴(kuò)散成像技術(shù)在臨床和科研工作中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問(wèn)題之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)壓縮加速重建方法，減少重建所需時(shí)間和內(nèi)存占用。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例公開(kāi)了一種磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)壓縮加速重建方法，包括以下步驟：S1：將多次激發(fā)序列采集的不同采集坐標(biāo)的磁共振數(shù)據(jù)排列到相同的k空間坐標(biāo)下，對(duì)圖像回波信號(hào)及導(dǎo)航回波信號(hào)同時(shí)進(jìn)行排列；S2：根據(jù)預(yù)設(shè)的壓縮之后的數(shù)據(jù)規(guī)模，利用二維導(dǎo)航回波信號(hào)的k空間數(shù)據(jù)計(jì)算得到壓縮矩陣；S3：利用得到的壓縮矩陣對(duì)圖像回波數(shù)據(jù)和導(dǎo)航信號(hào)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行壓縮。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)壓縮加速重建方法，對(duì)于磁共振多次激發(fā)采集的擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)進(jìn)行重排操作，整合多次激發(fā)采集和多通道線圈采集得到的數(shù)據(jù)，構(gòu)造“激發(fā)-線圈”維度進(jìn)行壓縮，有效減少數(shù)據(jù)規(guī)模；為后續(xù)的磁共振重建算法提供有效加速，同時(shí)減少內(nèi)存占用；高效加速的同時(shí)減少圖像噪聲，保證圖像質(zhì)量。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)壓縮加速重建方法，還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

進(jìn)一步地，對(duì)多次激發(fā)平面回波序列進(jìn)行排列時(shí)，對(duì)不同次激發(fā)采集的不同坐標(biāo)數(shù)據(jù)在k空間相位編碼方向移動(dòng)相應(yīng)的相位編碼步數(shù)，使不同次激發(fā)得到的數(shù)據(jù)具有相同的k空間采樣坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，在步驟S2中，通過(guò)以下公式得到所述壓縮矩陣：

s.t. AA^H＝I

其中，是重排二維導(dǎo)航信號(hào)的k空間數(shù)據(jù)，為壓縮矩陣，N_v為所述預(yù)設(shè)的壓縮之后的數(shù)據(jù)規(guī)模，圖像數(shù)據(jù)的通道線圈數(shù)為N_c，多次激發(fā)次數(shù)為N_s。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)重排之后，構(gòu)造得到整合多次激發(fā)和多通道線圈數(shù)據(jù)的“激發(fā)-線圈”維度，即維數(shù)為N_e＝N_c×N_s的相同采樣坐標(biāo)的k空間數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，根據(jù)以下公式利用所述壓縮矩陣對(duì)多次激發(fā)多線圈數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮：

d'(k)＝Ad(k)

其中，為壓縮之后的數(shù)據(jù)。這里包含了經(jīng)過(guò)k空間重排的圖像信號(hào)數(shù)據(jù)和導(dǎo)航信號(hào)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶有二維導(dǎo)航信號(hào)的擴(kuò)散成像多次激發(fā)平面回波序列示意圖；

圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多次激發(fā)數(shù)據(jù)可壓縮性分析圖；

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)壓縮加速重建方法的流程圖；

圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多次激發(fā)-多通道線圈采集的數(shù)據(jù)壓縮算法流程示意圖；

圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的壓縮算法誤差分析圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實(shí)施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開(kāi)了本發(fā)明的實(shí)施例中的一些特定實(shí)施方式，來(lái)表示實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例的原理的一些方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的實(shí)施例包括落入所附加權(quán)利要求書(shū)的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。

在介紹本發(fā)明的實(shí)施例的磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)壓縮加速重建方法之前，首先對(duì)多次激發(fā)序列采集數(shù)據(jù)的可壓縮性進(jìn)行分析。

多次激發(fā)采集序列有多種，包括了多次激發(fā)平面回波序列(multi-shot echo planar imaging,MS-EPI)，多次激發(fā)螺旋(spiral)采集序列等。本發(fā)明以磁共振掃描中較為常用的多次激發(fā)平面回波序列為例，結(jié)合磁共振擴(kuò)散成像技術(shù)，進(jìn)行多次激發(fā)數(shù)據(jù)的可壓縮性分析以及后續(xù)計(jì)算流程的闡述。

本發(fā)明中采用的應(yīng)用于磁共振擴(kuò)散成像的多次激發(fā)平面回波序列主要包括三部分：磁共振擴(kuò)散梯度，圖像回波信號(hào)采集以及二維導(dǎo)航信號(hào)采集。第一部分的磁共振擴(kuò)散梯度的作用為對(duì)圖像進(jìn)行擴(kuò)散編碼，得到圖像的擴(kuò)散加權(quán)對(duì)比度，是所有磁共振擴(kuò)散成像中的必要部分。第二部分的圖像回波采集序列采集一部分的磁共振圖像數(shù)據(jù)，即k空間(k-空間是磁共振采集數(shù)據(jù)空間)部分?jǐn)?shù)據(jù)，這種采集模式能夠有效提高圖像的分辨率，減少幾何形變帶來(lái)的偽影。第三部分的二維導(dǎo)航信號(hào)采集跟隨在圖像信號(hào)采集之后，通過(guò)180°脈沖形成同一次激發(fā)中的第二次回波，該導(dǎo)航信號(hào)僅僅采集圖像信號(hào)的低頻部分，用于后續(xù)的圖像重建，運(yùn)動(dòng)矯正，以及數(shù)據(jù)壓縮。多次激發(fā)平面回波序列的示意圖如圖1所示。

通過(guò)多通道線圈采集，多次激發(fā)序列能夠得到多線圈，多次激發(fā)的圖像和導(dǎo)航信號(hào)數(shù)據(jù)。本技術(shù)將對(duì)多次激發(fā)多通道采集的數(shù)據(jù)整合構(gòu)造新的數(shù)據(jù)維度，“激發(fā)-線圈”維度，進(jìn)行壓縮從而有效減少數(shù)據(jù)量。磁共振多通道線圈采集數(shù)據(jù)的可壓縮性已經(jīng)被證明并接受，但多次激發(fā)數(shù)據(jù)在不同次激發(fā)數(shù)據(jù)之間的可壓縮性并沒(méi)有得到驗(yàn)證，因此我們首先對(duì)多次激發(fā)數(shù)據(jù)的可壓縮性進(jìn)行分析。分析方法為對(duì)多次激發(fā)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值分解(singular value decomposition,SVD)，通過(guò)奇異值分解分析其奇異值的分布。一個(gè)例子為對(duì)于8次激發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行SVD，得到8個(gè)奇異值，如圖2所示。前5個(gè)奇異值的和大于所有奇異值總和的90％，證明了多次激發(fā)數(shù)據(jù)具有較高的冗余性，即可壓縮性較好，可以進(jìn)行壓縮。

以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明。

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)壓縮加速重建方法的文字概括算法流程圖，圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的流程示意圖，較為形象的闡釋了數(shù)據(jù)壓縮相關(guān)流程。如圖3和圖4所示，在圖4中，以兩次激發(fā)采集為例，黑色點(diǎn)代表已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)，透明點(diǎn)代表未采集數(shù)據(jù)，首先經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)重排，得到相同坐標(biāo)的k空間數(shù)據(jù)，構(gòu)造整合多次激發(fā)多通道線圈的數(shù)據(jù)，利用導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行壓縮矩陣計(jì)算之后，對(duì)重排數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，最終經(jīng)過(guò)壓縮得到的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行后續(xù)的重建過(guò)程。

本發(fā)明實(shí)施例的磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)壓縮加速重建方法，包括以下步驟：

S1：將多次激發(fā)序列采集的不同采集坐標(biāo)的磁共振數(shù)據(jù)排列到相同的k空間坐標(biāo)下，對(duì)圖像回波信號(hào)及導(dǎo)航回波信號(hào)同時(shí)進(jìn)行排列；

具體地，壓縮的磁共振數(shù)據(jù)需要具有相同的采集坐標(biāo)，否則將會(huì)造成壓縮之后的數(shù)據(jù)坐標(biāo)混亂，因此在進(jìn)行壓縮之前需要對(duì)多次激發(fā)不同坐標(biāo)的磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，將其排列到相同的k空間采樣坐標(biāo)下。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)多次激發(fā)平面回波序列進(jìn)行排列時(shí)，對(duì)不同次激發(fā)采集的不同坐標(biāo)數(shù)據(jù)在k空間相位編碼方向移動(dòng)相應(yīng)的相位編碼步數(shù)，使不同次激發(fā)得到的數(shù)據(jù)具有相同的k空間采樣坐標(biāo)。重排操作需要對(duì)圖像回波和導(dǎo)航回波信號(hào)同時(shí)進(jìn)行，從而保證兩者數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)性。假設(shè)圖像數(shù)據(jù)的通道線圈數(shù)為N_c，多次激發(fā)次數(shù)為N_s，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)重排之后，得到數(shù)量為N_e＝N_c×N_s的相同采樣坐標(biāo)的k空間數(shù)據(jù)。

S2：根據(jù)預(yù)設(shè)的壓縮之后的數(shù)據(jù)規(guī)模，利用二維導(dǎo)航回波信號(hào)的k空間數(shù)據(jù)計(jì)算得到壓縮矩陣。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)以下公式得到壓縮矩陣：

s.t. AA^H＝I

其中，是二維導(dǎo)航信號(hào)的k空間數(shù)據(jù)，為壓縮矩陣，N_v為預(yù)設(shè)的壓縮之后的數(shù)據(jù)維度數(shù)目，通常遠(yuǎn)小于N_e。通過(guò)求解該最優(yōu)化函數(shù)即可得到所需的壓縮矩陣。解決該最優(yōu)化問(wèn)題的可以直接對(duì)重排數(shù)據(jù)在采用奇異值分解，得到相應(yīng)的壓縮矩陣。

S3：利用得到的壓縮矩陣對(duì)圖像回波數(shù)據(jù)和導(dǎo)航信號(hào)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行壓縮。

具體地，通過(guò)二維導(dǎo)航信號(hào)計(jì)算得到壓縮矩陣A之后，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮：

d'(k)＝Ad(k)

為壓縮之后的數(shù)據(jù)，稱之為虛擬線圈(virtual coil)。該壓縮過(guò)程需要對(duì)圖像回波數(shù)據(jù)以及導(dǎo)航信號(hào)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，以保證后續(xù)重建過(guò)程的正確性。壓縮之后的數(shù)據(jù)量將會(huì)大大減少。在本發(fā)明的一個(gè)示例中：32通道線圈采集的多線圈數(shù)據(jù)，8次激發(fā)平面回波序列，在未壓縮時(shí)多次激發(fā)多通道數(shù)據(jù)的維度數(shù)目為256，經(jīng)過(guò)壓縮之后可降低至12-16，并且保證誤差在3％以內(nèi)的水平，同時(shí)有效減少圖像噪聲。該例子的后續(xù)重建圖像及壓縮誤差分析如圖5所示。該壓縮算法能夠在不降低圖像質(zhì)量的情況下，加速圖像重建時(shí)間100倍以上(視具體后續(xù)重建算法而定，對(duì)于所測(cè)試重建算法計(jì)算時(shí)間由1小時(shí)減少為30s)，并且有效減少內(nèi)存占用。在測(cè)試中，該壓縮算法的計(jì)算時(shí)間主要在于利用奇異值分解計(jì)算壓縮矩陣的時(shí)間，通常在5秒以內(nèi)。

另外，本發(fā)明實(shí)施例的磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)壓縮加速重建方法的其它構(gòu)成以及作用對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。