基于射频编码脉冲的高信噪比薄层T1参数定量成像方法

技术领域

本发明属于MRI成像技术领域，具体涉及一种基于射频编码脉冲的高信噪比薄层T

背景技术

定量磁共振成像是一种无创成像方式，可以提供反映大脑组织生理特性的定量参数图像。传统磁共振图像是一种定性的加权图像，容易受到序列参数设置、硬件配置等因素的影响，无法准确测量组织参数，而定量图像可以更好监测病理组织的变化，其结果具有更高的可重复性和可比性，在临床诊断中具有重要应用价值。

纵向弛豫时间T

二维采集方式的层面方向的分辨率也无法设置太高，但对于某些临床成像的应用，需要更高的层面方向分辨率来辅助诊断。为了兼顾层面方向分辨率和信噪比，可以引入一种基于幅值和相位编码的新型射频脉冲编码技术，该技术通过对层面信号进行射频编码的方式，同时采集一个厚层的混合信号，然后重建出高信噪比的薄层信号，将该技术与二维梯度回波序列结合，不仅可以提高薄层信号的信噪比，还可以通过优化激发脉冲翻转角组合的方式来均衡不同激励脉冲之间的功率，从而降低磁化转移对T

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于射频编码脉冲的高信噪比薄层T

一种基于射频编码脉冲的高信噪比薄层T

(1)针对所需定量的组织参数和扫描参数设计生成基于M个薄层的射频脉冲经过幅值调制和相位调制后叠加而成的二维射频编码脉冲，所述组织参数为纵向弛豫时间T

(2)将所述二维射频编码脉冲与二维梯度回波序列结合生成磁共振数据采集序列并导入磁共振扫描仪，利用磁共振扫描仪将被试者大脑部位分成多个由位于不同层面位置的薄层组合而成的厚层区域，然后同时进行扫描和重建，得到L个由不同射频编码脉冲激励的大脑厚层图像，L＝M*N，N为翻转角数量；

(3)将L个大脑厚层图像采用矩阵求逆重建方式进行分离，得N个不同翻转角激励下的M个薄层图像；

(4)考虑射频激发场B

(5)基于矩阵求逆重建方式对厚层字典进行分离，获得反映信号强度随翻转角变化且关于不同B

(6)将所述薄层图像中每一像素点信号大小随翻转角的变化关系与薄层字典中的翻转角信号逐一进行匹配，从而为每一像素点索引得到具体的组织参数T

进一步地，所述步骤(1)设计的二维射频编码脉冲由沿层面方向分布的M个二维薄层脉冲叠加而成，一次可以同时激励由这些薄层所在位置组成的厚层区域内的所有组织，这些薄层的位置分布是连续或不连续的；每个二维薄层脉冲的幅度和相位根据所需参数进行设计，包括翻转角数量N、翻转角大小α

进一步地，所述幅值调制一共有(N！)

进一步地，所述相位调制即对每一个厚层区域中的任一个二维薄层脉冲进行相对其他薄层大小为π的相位调制，依此对厚层区域中的每一二维薄层脉冲进行一次相位调制，总共需要进行M次相位调制。

进一步地，所述步骤(1)中的幅值和相位调制过程，对一个厚层区域内的所有M个二维薄层脉冲同时进行，即对于每种幅值组合方式所包含的N种幅值调制模式都需要分别进行M次相位调制，共得到L＝M*N个射频编码脉冲；然后利用这些射频编码脉冲对需要扫描的组织进行激励，每次激励时同一层面相邻两次相邻二维射频编码脉冲之间的重复间隔为一个TR，在同一个TR中采用不同厚层交错激励的方式以实现全脑覆盖扫描。

进一步地，所述步骤(3)中采用的矩阵求逆重建方式基于Tikhonov正则重建，具体表达式如下：

X＝(A

其中：Y为大脑厚层图像，X为薄层图像，A为射频编码矩阵(根据射频编码脉冲的相位得到)，λ为Tikhonov正则参数，I为单位矩阵。

进一步地，所述步骤(4)中射频激发场B

其中：E

进一步地，所述步骤(4)中建立关于不同B

其中：α

进一步地，所述步骤(5)中的大脑B

本发明设计了一种基于幅值和相位编码的新型二维射频编码序列，将所采集到的图像进行Tikhonov正则重建后，与同样进行Tikhonov正则重建后的薄层字典进行匹配，就可以得到准确的高信噪比薄层T

附图说明

图1为采用表1实例一中的翻转角交替变化的幅值调制方式结合相位调制设计的8个新型二维射频编码脉冲的激发轮廓示意图，其中被激发的厚层由4个层面位置连续分布的薄层组成。

图2为本发明基于字典匹配的高信噪比薄层T

图3(a)为在水膜实验上采用传统未进行校正的变翻转角法(2D VFA)得到的T

图3(b)为在水膜实验上采用基于字典匹配方法的校正变翻转角法(DM basedVFA)得到的T

图3(c)为在水膜实验上采用本发明方法得到的T

图3(d)为在水膜实验上采用金标准方法(IR)得到的T

图4(a)为在人体大脑上进行实验并选取其中第19层(上行)和第23层(下行)采用DM based VFA方法得到的T

图4(b)为在人体大脑上进行实验并选取其中第19层(上行)和第23层(下行)采用本发明方法得到的T

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于新型射频编码脉冲的高分辨薄层T

(1)基于幅值和相位调制的新型二维射频编码脉冲序列设计。

1.1一个射频编码脉冲由沿层面方向分布的M个二维薄层脉冲组成，一次可以同时激发一个由这些薄层所在位置组成的厚层区域内的所有组织，这些薄层的位置分布可以是连续或不连续的；每个二维薄层脉冲的幅值和相位可以根据所需参数进行设计，包括翻转角数量N(N>＝2)、翻转角大小α

1.2幅值调制方式共有(N！)

1.3相位调制是通过将每一个厚层区域中的其中一个二维薄层脉冲设置为相对于其他薄层的相位为π的方式进行的；依此对厚层中的每一薄层均进行一次相位调制，总共需要进行M次相位调制。

1.4上述幅值和相位调制过程需要对一个厚层内的所有M个二维薄层脉冲同时进行，即对于每种幅值组合方式所包含的N种幅值调制模式都需要分别进行M次相位调制，一共可以得到L＝M*N个射频编码脉冲。

表1所示为采用N＝2个翻转角(翻转角大小分别为α

表1

(2)将所设计的基于幅值和相位调制的新型二维射频编码脉冲与二维梯度回波序列结合，生成磁共振数据采集序列导入磁共振扫描仪对被试者进行扫描，一共可以采集到L个厚层图像。

我们分别对水膜和人体大脑进行实验来验证本发明的有效性，并与传统未进行校正的变翻转角法(2D VFA)、基于本发明字典匹配方法的校正变翻转角法(DM based VFA)以及金标准方法(IR)的T

2.1水膜实验验证。

本发明序列的扫描实验参数：TR＝0.194s，平面内分辨率＝1×1mm

传统未进行校正的变翻转角法(2D VFA)的扫描实验参数除了射频脉冲持续时间＝2ms，射频脉冲时间带宽积＝2.7外，其他实验参数与本发明基于字典匹配的校正方法相同，二者的区别在于T

金标准方法(IR)的扫描实验参数：TR＝5000ms，层面内分辨率1×1mm

2.2人体大脑实验验证。

在伦理委员会的同意批准下，我们对一名健康的志愿者进行了磁共振数据扫描。

基于本发明字典匹配方法的校正变翻转角法(DM based VFA)的扫描实验参数除了翻转角＝[5°,20°,34°,50°]外，其他参数与上述水膜中采用的设置相同。

为了保证传统未进行校正的变翻转角法(2D VEA)在人体大脑实验中的信噪比，将其层厚设置为3mm，其他参数与上述水膜实验中采用的设置相同。

金标准方法(IR)直接采用文献(Dieringer MA,Deimling M,Santoro D,WuerfelJ,Madai VI,et al.:Rapid Parametric Mapping of the Longitudinal RelaxationTime T1 Using Two-Dimensional Variable Flip Angle Magnetic Resonance Imagingat 1.5Tesla,3Tesla,and 7Tesla.PLoS ONE.9,e91318(2014))中的结果，层厚同样为5mm。

(3)将用于B

(4)通过Bloch方程仿真模拟得到当前扫描参数(包括翻转角大小、薄层层厚、一个厚层中的薄层数量、射频脉冲持续时间、射频脉冲的带宽)设置下翻转角沿层面方向的分布情况，得到的层面激发翻转角轮廓如图1所示。

(5)基于字典匹配方法得到高信噪比薄层T

5.1先将步骤(2)中采集到的L个厚层图像采用Tikhonov正则进行分离重建，得到分离后的高信噪比薄层图像，分离重建模型如下：

X＝(A

其中：Y为采集到的L个射频编码厚层图像，X为分离重建后的关于N个不同翻转角的薄层图像，A为射频编码矩阵，λ是Tikhonov正则参数，I为单位矩阵。

5.2考虑二维采集模式存在的层间串扰的问题，设计新型二维射频编码脉冲层间串扰校正稳态信号方程，其表达式如下：

其中：E

5.3基于上述层间串扰校正稳态信号方程，利用步骤(4)得到的模拟层面激发翻转角轮廓以及参数T

其中：α

然后基于上述T

以下我们是对水膜和人体大脑进行实验来验证本发明方法结果的准确性和信噪比提升。图3(a)～图3(d)分别为在水膜上实验验证得到的不同方法T

表2

如图4(a)和图4(b)所示分别为基于本发明字典匹配方法的校正变翻转角法(DMbased VFA)和本发明方法在人体大脑实验中得到的第19层和23层的T1参数定量结果，我们选取了图中4个感兴趣区域ROI进行统计分析，结果如表3所示，证明了本发明方法框架也适用于传统的变翻转角法，且在相同的方法框架下采用本发明序列在1.5mm层厚下可以得到与传统方法3mm层厚相当的信噪比，也进一步证明了本发明方法与引用文献方法的结果具有良好的一致性。

上述实验均在西门子3T Prisma扫描仪上完成，实施例中参数定义如下：

T

TR：重复时间(repetition time)，指序列两次相邻激发之间的时间间隔。

TI：180°反转脉冲到90°激发脉冲之间的时间间隔。

B

表3

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。