一种用于多核的磁共振指纹成像方法

技术领域

本发明属于多核磁共振成像技术领域，具体涉及一种用于多核的磁共振指纹成像方法，适用于完成T

背景技术

磁共振成像可以非侵入、无电离辐射获得组织高分辨率和高对比度的影像信息。磁共振信号来源于自旋不为零的原子核，目前常规磁共振成像方法基于质子(自旋为1/2)进行成像，主要利用水分子中的质子获得生物组织的结构及功能信息。质子磁共振成像，包括T

然而，质子磁共振成像难以获得组织的内部微环境和功能代谢信息；此外，在肺部等组织中质子密度低，难以获得肺部结构和功能信息。活体磁共振研究具有丰富的多核资源，如

多核磁共振的发展受限于灵敏度与磁共振成像方法。灵敏度可以通过超极化方法得到改善，基于自旋交换光抽运(Spin exchange optical pumping,SEOP)的超极化技术可以大幅提高

Dan Ma等人[Magnetic resonance fingerprinting[J].Nature,2013,495(7440):187-192.]提出的磁共振指纹(Magnetic resonance fingerprinting,MRF)技术是一种基于模式识别的快速多参数定量磁共振成像方法，可以在数十秒到数分钟时间内获得组织质子的T

和质子不同，多核磁共振成像常常结合SEOP、DNP等超极化技术，其极化度在组织中不可恢复。同时，多核磁共振成像常常面临T

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种用于多核的磁共振指纹成像方法。

本发明的上述目的通过以下技术手段来实现：

一种用于多核的磁共振指纹成像方法，包括以下步骤：

步骤1、构建用于多核的磁共振指纹成像脉冲序列；

步骤2、构建优化磁共振指纹成像脉冲序列的序列参数的目标函数，根据目标函数计算得到实验序列参数，再根据实验序列参数计算得到磁共振指纹成像脉冲序列的单次扫描时间；

磁共振指纹成像脉冲序列的序列参数包括翻转角FA、重复时间TR、以及回波时间TE；

步骤3、使用步骤2中实验序列参数扫描步骤1中磁共振指纹成像脉冲序列，获得多核原始磁共振数据；

步骤4、根据步骤2得到的实验序列参数，使用布鲁克方程模拟不同T

步骤5、使用非均匀快速傅立叶变换将步骤3得到的多核原始磁共振数据重建为图像数据集，并使用奇异值分解方法对图像数据集进行压缩；

步骤6、压缩后的图像数据集中每个体素与压缩后的指纹字典进行匹配，使用矩阵最小二乘法获得与体素信号差别最小的信号指纹，得到体素的T

如上所述步骤1中构建的磁共振指纹成像脉冲序列为：

磁共振指纹成像脉冲序列包括设定循环次数的脉冲序列集合，每个脉冲序列集合包括一个T

脉冲序列集合的时序为先施加T

磁共振指纹成像脉冲序列的采样轨迹为分段激发的变密度SPIRAL螺旋轨迹，再结合欠采样以进一步减少采样时间。

如上所述T

第一个绝热半通过脉冲采用双曲正切方程tank和正切方程tan调制，第一个绝热半通过脉冲的脉冲强度调制和脉冲频率调制分别为：

式中，B

第二个绝热半通过脉冲的脉冲强度调制与脉冲频率调制和第一个绝热半通过脉冲的脉冲强度调制与脉冲频率调制在时间轴上左右对称；在每次循环中修改第一个绝热半通过脉冲的脉冲最大强度和第二个绝热半通过脉冲的脉冲最大强度。

如上所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、构建磁共振指纹成像脉冲序列的序列参数下T

其中，μ[n]是磁共振指纹成像脉冲序列的序列参数，μ[n]＝[TR

步骤2.2、根据费雪儿信息矩阵得到费雪儿信息矩阵的逆矩阵I

s.t.TR

TE

式中，tr是求解矩阵(W×I

步骤2.3、最后根据构建优化序列参数的目标函数，使用MATLAB的非线性最小化函数计算得到优化后的翻转角FA、重复时间TR、以及回波时间TE的实验序列参数，再根据实验序列参数计算得到磁共振指纹成像脉冲序列的单次扫描时间。

如上所述步骤4中使用奇异值分解方法对指纹字典进行压缩具体包括以下过程：

指纹字典通过奇异值分解方法分解后，得到300列右特征向量，将指纹字典与前30列右特征向量相乘，得到压缩10倍的指纹字典。

如上所述步骤5中使用奇异值分解方法对图像数据集进行压缩具体包括以下过程：

图像数据集与前30列右特征向量相乘，得到压缩10倍的图像数据集。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)、本发明设计的磁共振指纹成像脉冲序列可以用于超极化状态下多核的弛豫参数定量；

(2)、本发明可进行T

(3)、本发明通过绝热脉冲调制T

附图说明

图1是本发明的方法的流程图；

图2是本发明的方法的磁共振指纹脉冲序列的示意图；

图3是本发明的方法中序列参数优化后的翻转角FA、重复时间TR、以及回波时间TE的一种方案(纵坐标的括号里是单位，翻转角FA的单位为度(degree)，重复时间TR和回波时间TE的单位均为毫秒(ms))；

图4是本发明的实施例1中建立的指纹字典中三个样品的弛豫参数对应的信号指纹；

图5是本发明的方法的指纹字典匹配结果示例；

图6是本发明的实施例1中步骤6得到的三个样品的T

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并非是对本发明的限制。

实施例1：

一种用于多核的磁共振指纹成像方法，包括以下步骤：

步骤1、构建用于多核的磁共振指纹成像脉冲序列；

磁共振指纹成像脉冲序列包括设定循环次数的脉冲序列集合，每个脉冲序列集合包括一个T

每个快速小角度激发采样脉冲进行一次激发采样，故每个快速小角度激发采样脉冲集合中快速小角度激发采样脉冲的数量即为每个快速小角度激发采样脉冲集合的采样次数，也为每个脉冲序列集合的采样次数；磁共振指纹成像脉冲序列的采样次数为每个脉冲序列集合的采样次数乘以循环次数；

脉冲序列集合的时序为先施加T

在本实施例中，每个快速小角度激发采样脉冲集合的采样次数设置为30，脉冲序列集合的循环次数设置为10，故磁共振指纹成像脉冲序列共有300次激发采样；

T

第一个绝热半通过脉冲采用双曲正切方程tanh和正切方程tan调制，第一个绝热半通过脉冲的脉冲强度和脉冲频率的调制分别为：

式中，B

在本实施例中，第一个绝热半通过脉冲的设置为：最大频率ω

第二个绝热半通过脉冲的脉冲强度调制与脉冲频率调制和第一个绝热半通过脉冲的脉冲强度调制与脉冲频率调制在时间轴上左右对称。在每次循环中修改T

针对多核元素的T

M

其中，Mz[n]为第n个翻转角FA[n]和第n个重复时间TR[n]后的纵向磁化矢量的大小，且将初始纵向磁化矢量Mz[0]归一化为1。纵向磁化矢量Mz信号中引入了T

调节回波时间TE可以调节T

Mxy[n]＝sin(FA[n])×exp(-TE[n]/T

其中，Mxy[n]为第n个翻转角FA[n]和第n个重复时间TR[n]后的横向磁化矢量大小。横向磁化矢量Mxy信号中引入了T

多核(如

本实施例模拟的三个多核样品均处于超极化状态并向热极化状态弛豫，三个多核的样品的T

样品一：T

样品二：T

样品三：T

本实施例的采样过程使用MATLAB进行模拟计算，主要包括模拟多核样品在序列参数下采样得到的磁共振信号。磁共振指纹成像脉冲序列的采样轨迹为分段激发的变密度SPIRAL螺旋轨迹，并结合欠采样以进一步减少采样时间。本实施例的相关采样参数设置：视野(FOV)设置为10×10cm

步骤2、构建优化磁共振指纹成像脉冲序列的序列参数的目标函数，根据目标函数计算得到实验序列参数，再根据实验序列参数计算得到磁共振指纹成像脉冲序列的单次扫描时间；

磁共振指纹成像脉冲序列的序列参数包括翻转角FA、重复时间TR、以及回波时间TE；

步骤2.1、根据公式(3)和公式(4)构建磁共振指纹成像脉冲序列的序列参数下T

其中，μ[n]是磁共振指纹成像脉冲序列的序列参数，μ[n]＝[TR

步骤2.2、根据费雪儿信息矩阵得到费雪儿信息矩阵的逆矩阵I

s.t.TR

TE

(6)

式中，tr表示求解矩阵(W×I

在本实施例中，重复时间TR的取值范围设置为5至25ms，回波时间TE的取值范围设置为2至12ms，且重复时间TR至少比回波时间TE长3ms，翻转角FA每次变化的绝对值小于2度。

步骤2.3、最后根据构建优化序列参数的目标函数，使用MATLAB的非线性最小化函数(fmincon函数)计算得到优化后的翻转角FA、重复时间TR、以及回波时间TE的实验序列参数(如图3所示)，再根据实验序列参数计算得到磁共振指纹成像脉冲序列的单次扫描时间。

在本实施例中，磁共振指纹成像脉冲序列共有300次激发采样，计算得到的单次扫描时间为5842ms。

步骤3、使用步骤2中优化后的磁共振指纹成像序列的实验序列参数扫描步骤1中磁共振指纹成像脉冲序列，获得多核原始磁共振数据；

步骤4、根据步骤2得到的实验序列参数，使用布鲁克方程模拟不同T

在本实施例中，弛豫参数的取值范围设置为T

使用奇异值分解(SVD)方法对指纹字典进行压缩，具体为：指纹字典经SVD分解后，得到300列右特征向量，将指纹字典与前30列右特征向量相乘，得到压缩10倍的指纹字典；

步骤5、使用非均匀快速傅立叶变换将步骤3得到的多核原始磁共振数据重建为图像数据集，并使用奇异值分解(SVD)方法对图像数据集进行压缩；

使用奇异值分解(SVD)方法对图像数据集进行压缩，具体为：图像数据集与步骤4中的前30列右特征向量相乘，得到压缩10倍的图像数据集；

步骤6、压缩后的图像数据集中每个体素与压缩后的指纹字典进行匹配，使用矩阵最小二乘法获得与体素信号差别最小的信号指纹，从而得到体素的T

将图像数据集与指纹字典均使用奇异值分解方法进行压缩后再进行匹配，可以压缩10倍的匹配速度。

实施例2：

一种用于多核的磁共振指纹成像装置，包括：

磁共振指纹成像脉冲序列构建模块，用于实施上述实施例1的步骤1；

序列参数优化模块，用于实施实施例1的步骤2；

扫描模块，用于实施实施例1的步骤3；

指纹字典计算模块，用于实施实施例1的步骤4；

图像数据集重建模块，用于实施实施例1的步骤5；

图像数据集与指纹字典匹配模块，用于实施实施例1的步骤6；

一种终端，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行实施例1的步骤1—步骤6。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1的步骤1—步骤6。

需要指出的是，本发明中所描述的实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。