一種磁共振成像中的DIXON水脂分離方法發(fā)明專利

一種磁共振成像中的DIXON水脂分離方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種磁共振成像中的水脂分離方法，尤其涉及一種改進(jìn)的DIXON水脂分離方法。背景技術(shù)人體MRI(磁共振成像)信號(hào)主要來源于兩種成分：水和脂肪。水分子中的氫質(zhì)子的化學(xué)鍵為O-H鍵，而脂肪分子中氫質(zhì)子的化學(xué)鍵為C-H鍵。由于這兩種結(jié)構(gòu)中氫質(zhì)子周圍電子云分布的不同，造成水分子中氫質(zhì)子所感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度稍高些，最終導(dǎo)致水分子中氫質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率要比脂肪分子中氫質(zhì)子稍快些，其差別為3.5ppm，相當(dāng)于150Hz/T，這種進(jìn)動(dòng)頻率差異隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大而加大。例如場(chǎng)強(qiáng)為1.5T，水分子比脂肪分子中的氫質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率快225Hz。在磁共振成像常用的GRET1WI序列中，可以通過選擇不同的回波時(shí)間(TE)得到水與脂肪信號(hào)正反相位圖像。第一個(gè)同相位TE=1000ms-[150Hz/Tx場(chǎng)強(qiáng)]第一個(gè)反相位TE=第一個(gè)同相位TE+2對(duì)于場(chǎng)強(qiáng)為1.5T,第一個(gè)同相位TE=1000+(150X1.5)=4.4ms第一個(gè)反相位TE=2.2ms利用同相位和反相位圖像，可產(chǎn)生單獨(dú)的“水”或“脂肪”信號(hào)的圖像：W:水的信號(hào)強(qiáng)度；F:脂肪的信號(hào)強(qiáng)度I同：水與脂肪同相位信號(hào)；I反：水與脂肪反相位信號(hào)那么：I同=W+F；I反=W-F這樣，兩式分別相加和相減，得出：W=(I同+I反)/2；F=(1同-限)/2就可以進(jìn)行單獨(dú)的水或脂肪的成像，也叫水脂分離成像，即原始DIXON技術(shù)[DixonWT,Simpleprotonspectroscopicimaging,Radiology153:189-194(1984)1DIXON技術(shù)也可用干SE或FSE序列。但是，在主磁場(chǎng)不均勻的情況下，原始DIXON技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)水脂分離.只有采用改進(jìn)后的DIXON方法，通過分析處理多回波磁共振信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)主磁場(chǎng)不均勻情況下的水脂分離。相關(guān)的文獻(xiàn)有：GloverGH,SchneiderE,Three-pointDixontechniquefortruewater/fatdecompositionwithBoinhomogeneitycorrection,MagneticResonanceinMedicine18:371-383(1991);ZhangW,GoldhaberDM,KramerDM,SeparationofWaterandFatMRImagesinaSingleScanat35TUsing“Sandwich”Echoes,JournalofMagneticResonanceImaging6:909-917(1996)。傳統(tǒng)的DIXON方法一般都要求所有回波信號(hào)中水脂信號(hào)相位成同相或反相的關(guān)系,因而對(duì)成像脈沖序列所能采用的回波時(shí)間(TE)及相關(guān)參數(shù)有嚴(yán)格的限制。例如在1.5T場(chǎng)強(qiáng)條件下,水脂反相的相位進(jìn)動(dòng)時(shí)間只能采用2.2毫秒,6.6毫秒，11.0毫秒等,而同相的回波時(shí)間只能采用4.4毫秒,8.8毫秒，13.2毫秒等。這種要求對(duì)用戶在成像序列參數(shù)的選擇帶來了不必要的限制。對(duì)場(chǎng)回波而言，相位進(jìn)動(dòng)時(shí)間等于回波時(shí)間；然而對(duì)于自旋回波序列，相位進(jìn)動(dòng)時(shí)間為實(shí)際回波時(shí)間與理想自旋回波時(shí)間的偏差。XiangQing-San和AnLi發(fā)明了一種稱作DPE的方法，見XiangQS,AnL,Water-FatImagingwithDirectPhaseEncoding,JournalofMagneticResonanceImaging7:1002-1015(1997)。DPE方法不再對(duì)回波信號(hào)中水脂相位的絕對(duì)關(guān)系進(jìn)行限制，而只要求水脂信號(hào)在回波之間的相位進(jìn)動(dòng)差為固定量。這雖然給脈沖序列的回波時(shí)間及相關(guān)參數(shù)設(shè)置提供了靈活性，但對(duì)所得到數(shù)據(jù)必須進(jìn)行與傳統(tǒng)DIXON不同的特殊處理。ReederSB等在2005年采用命名為IDEAL的迭代算法處理回波信號(hào)實(shí)現(xiàn)水脂分離，見ReederSB,PinedaAR,WenZ,ShimakawaA,YuH,BrittainJH,GoldGE,BeaulieuCHandPelcNJ,Iterativedecompositionofwaterandfatwithechoasymmetryandleast-squaresestimation(IDEAL):applicationwithfastpin-echoimaging,MagneticResonanceinMedicine54:636-644(2005)。IDEAL對(duì)回波時(shí)間原則上不作限制,因而提供了最為靈活的序列參數(shù)中回波時(shí)間的設(shè)置。但是，因?yàn)樗上袼婕暗亩到y(tǒng)為非線性，IDEAL所采用的最小二乘法優(yōu)化算法容易受局部最小的干擾而出錯(cuò)，導(dǎo)致水脂分離的失敗。雖然近幾年出現(xiàn)了許多改進(jìn)方法，用以減少出錯(cuò)的可能，但還是不能完全解決因局部谷底所造成水脂分離失敗的根本問題。因此有必要改進(jìn)DIXON方法，既能應(yīng)用成熟的傳統(tǒng)DIXON算法處理數(shù)據(jù)，同時(shí)減少對(duì)成像序列參數(shù)設(shè)置的限制，進(jìn)而使DIXON方法能更靈活地得到應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種磁共振成像中的DIXON水脂分離方法，回波時(shí)間可根據(jù)序列要求靈活設(shè)定，既能應(yīng)用傳統(tǒng)的DIXON算法處理數(shù)據(jù)，同時(shí)減少對(duì)成像序列參數(shù)設(shè)置的限制。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種磁共振成像中的DIXON水脂分離方法，包括如下步驟：a)在磁共振掃描過程中，采集第一至第三共三個(gè)不同的回波信號(hào)S1、S2和S3，其中第一回波信號(hào)S1和第三回波信號(hào)S3的水脂信號(hào)進(jìn)動(dòng)相位差為2nn,n為自然數(shù)；b)將采集的k空間信號(hào)通過傅立葉變換轉(zhuǎn)成圖像信號(hào)；c)在圖像域提取有效圖像信號(hào)像素,并取所述有效圖像信號(hào)像素復(fù)合信號(hào)的相位圖;對(duì)所述相位圖進(jìn)行相位展開，得到靜磁場(chǎng)分布圖AB。；d)利用靜磁場(chǎng)分布圖AB。,將所述回波信號(hào)中水圖像和脂肪圖像分離。一進(jìn)一步地，所述步驟a)中的三個(gè)不同回波信號(hào)S1、S2和S3按如下式[1版示：TOC\o"1-5"\h\zS 1 = ( W + Fe iMT 1 ) iyA B 0 T 1 ]]>S 2 = ( W + Fe irtAfT 2 ) iyA B 0 T 2 ]]>S 3 = ( W + Fe irtAfT 3 ) iyA B 0 T 3 [ 1 ]]]>其中W和F分別為水信號(hào)和脂肪信號(hào)的幅值，Af為脂肪與水質(zhì)子共振頻率之差，T1,T2和T3分別為所述回波信號(hào)S1、S2和S3的相位進(jìn)動(dòng)時(shí)間。進(jìn)一步地，所述步驟c)中的提取有效圖像信號(hào)，是將圖像信號(hào)的幅值與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，大于所述閾值的即為有效圖像信號(hào)。進(jìn)一步地，所述步驟c)中的靜磁場(chǎng)分布圖AB。按如下式[2計(jì)算得到：S3xS1*=A2ivAB0(T3-T1) [2]]]>其中，A=IW+Fei2nAfT1|=|W+Fei2KAfT3I則，靜磁場(chǎng)分布圖AB0=unwrap(arg[S3SX*]}/(T3-\T]1]》/式中為s1的復(fù)數(shù)共軛，arg[為復(fù)數(shù)求相位角,nwrap{代表相位展開。進(jìn)一步地，所述步驟d)水圖像的幅值W和脂肪圖像的幅值F通過以下線性方程式[3求解得到：W+a1F=b1W+a2F=b2W+a3F=b3W+a4F=b4[3]式中：a1=cos(2nAfT1)三cos(2nAfT3)a2=sin(2nAfT1)=sin(2nAfT3)a3=cos(2nAfT2)a4=sin(2nAfT2)TOC\o"1-5"\h\zb1 = real { S 1e x-yA B 0T 1 +S3(X4yAB0 T 3} / 2]]>b2 = imag { S 1 x4yAB0 T 1+S3 x4yAB 0 T3 } /2]]>b3 = real { S 2e x-yA B 0T 2 }]]>b4 = imag S 2 x 4yA B 0T 2 }]]>其中cos()和$皿(分別代表余弦和正弦函數(shù)；real和imag()分別代表求輸入復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。進(jìn)一步地，所述步驟a)中的三個(gè)不同回波信號(hào)S1、S2和S3為場(chǎng)回波信號(hào)[a,B,a+2nn]，其中2nAfT1=a,2nAfT2=B，2nAfT3=a+2nn。進(jìn)一步地，所述步驟a)中的回波信號(hào)為平面場(chǎng)回波信號(hào)，三個(gè)不同回波信號(hào)S1、S2和S3通過一次激發(fā)后改變有效回波時(shí)間獲取。進(jìn)一步地，所述步驟a)中的三個(gè)不同回波信號(hào)S1、S2和S3為自旋回波信號(hào)[a,B,a+2nn],其中2nAfT1=a,2nAfT2=B，2nAfT3=a+2nn,T1,T2和T3分別為各回波時(shí)間點(diǎn)與理想自旋回波位置的偏差。進(jìn)一步地，所述三個(gè)不同自旋回波信號(hào)S1、S2和S3通過調(diào)整梯度場(chǎng)平衡改變回波位置后一次激發(fā)獲取。本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明提供的磁共振成像中的DIXON水脂分離方法，可在掃描時(shí)間T1、T2及T3=T1+2nn時(shí)采集三個(gè)不同回波信號(hào)S1、S2和S3,只要第一回波信號(hào)S1和第三回波信號(hào)S3的水脂信號(hào)進(jìn)動(dòng)相位差為n的偶數(shù)倍即可，對(duì)整個(gè)回波群及中間回波的時(shí)間，沒有傳統(tǒng)的DIXON算法中的時(shí)間間隔的嚴(yán)格限制，不僅保留了傳統(tǒng)的DIXON算法的優(yōu)點(diǎn)，而且提高了采集時(shí)間的靈活性，減少了對(duì)成像序列參數(shù)設(shè)置的限制。附圖說明圖1為本發(fā)明磁共振DIXON水脂分離流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中磁共振三個(gè)場(chǎng)回波成像序列示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中采用三個(gè)場(chǎng)回波實(shí)現(xiàn)水脂分離效果圖，其中，圖3a為水脂加和在一起的圖像，圖3b為分離后水圖像，圖3c為分離后脂肪圖像；圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例中磁共振三個(gè)自選回波成像序列示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中采用三個(gè)自旋回波實(shí)現(xiàn)水脂分離效果圖，其中，圖5a為水脂加和在一起的圖像，圖5b為分離后水圖像，圖5c為分離后脂肪圖像。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。圖1為本發(fā)明磁共振DIXON水脂分離流程示意圖；請(qǐng)參照?qǐng)D1,本發(fā)明提供的成像參數(shù)可調(diào)的磁共振DIXON水脂分離方法，包括如下步驟：步驟S101,在磁共振掃描過程中，采集第一至第三共三個(gè)不同的回波信號(hào)S1、S2和S3，其中第一回波信號(hào)S1和第三回波信號(hào)S3的水脂信號(hào)進(jìn)動(dòng)相位差為2nn,n為自然數(shù)；回波信號(hào)S1、S2和S3按如下式[1表示：TOC\o"1-5"\h\zS 1 = ( W + Fe iMT 1 ) iyA B 0 T 1 ]]>S 2 = ( W + Fe irtAfT 2 ) iyA B 0 T 2 ]]>S 3 = ( W + Fe irtAfT 3 ) iyA B 0 T 3 [ 1 ]]]>其中W和F分別為水和脂肪信號(hào)幅值，Af為脂肪與水質(zhì)子共振頻率之差，AB0為靜磁場(chǎng)分布圖，T1,T2和T3分別為回波信號(hào)中相位進(jìn)動(dòng)時(shí)間。對(duì)于場(chǎng)回波來說,T1,T2和T3與相應(yīng)的回波時(shí)間一致;而對(duì)于自旋回波而言,T1,T2和T3對(duì)應(yīng)的是各回波時(shí)間點(diǎn)與理想自旋回波位置的偏差。步驟S102，將采集的k空間信號(hào)通過傅立葉變換轉(zhuǎn)成圖像；步驟S103，在圖像域提取有效圖像信號(hào)像素，并取所述有效圖像信號(hào)像素復(fù)合信號(hào)的相位圖；對(duì)所述相位圖進(jìn)行相位展開，得到靜磁場(chǎng)分布圖AB。；提取有效圖像信號(hào)，是將圖像信號(hào)的幅值與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，大于所述閾值的即為有效圖像信號(hào)。靜磁場(chǎng)分布圖AB0按如下式[2計(jì)算得到：S3xS1*=A2ivAB0(T3-T1) [2]]]>其中，A=IW+Fei2nAfT1|=|W+Fei2KAfT3I則，靜磁場(chǎng)分布圖AB0=unwrap(arg[S3SX*]}/(T3-Y1?]》/式中 為S1的復(fù)數(shù)共軛，arg[為復(fù)數(shù)求相位角7口亞好口{代表相位展開。有關(guān)相位展開的參考資料有：JenkinsonM,Fast,Automated,N-DimensionalPhase-UnwrappingAlgorithm,MagneticResonanceinMedicine49:193—197(2003);SzumowskiJ,CoshowWR,LiF,QuinnSFW,Phaseunwrappinginthethree-pointDixonmethodforfatsuppressionMRimaging, Radiology192:555—561(1994);SongSM-H,NapelS,PelcNJ,GloverGH,PhaseunwrappingofMRphaseimagesusingPoissonequation,IEEETransImageProcessing4:667—676(1995)。步驟S104，利用靜磁場(chǎng)分布圖AB0,將所述回波信號(hào)中水圖像和脂肪圖像分離。。水圖像的幅值W和脂肪圖像的幅值F通過以下線性方程式[3求解得到：W+a1F=b]W+a2F=b2W+a3F=b3W+a4F=b4[3]式中：a1=cos(2nAfT1)三cos(2nAfT3)a2=sin(2nAfT1)=sin(2nAfT3)a3=cos(2nAfT2)a4=sin(2nAfT2)b 1 = real { S 1e XyAB0 T 1 + S3 x-yA B 0 T 3}/2]]>b 2 = imag { S 1 x-yAB 0 T 1+S3 x-yA B 0 T3}/2]]>b 3 = real { S 2e XyAB0 T 2 }]]>b 4 = imag S 2 x -yAB0 T 2 }]]>其中cos()和sin0＞別代表余弦和正弦函數(shù)；realCfOimag()分別代表求輸入復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。式［3中除W和F外,其他參數(shù)都是已知。對(duì)式［3線性方程求解，可得W和F值。通過對(duì)每一個(gè)像數(shù)求解式［3所示線性方程組得W和F值,可以分別得到水圖像和脂肪圖像。實(shí)施例1圖2為本發(fā)明實(shí)施例中磁共振三個(gè)場(chǎng)回波成像序列示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中采用三個(gè)場(chǎng)回波實(shí)現(xiàn)水脂分離效果圖，其中，圖3a為水和脂肪在一起的圖像，圖3b為分離后水圖像，圖3c為分離后脂肪圖像。請(qǐng)參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明實(shí)施例提供的磁共振DIXON水脂分離方法采用三個(gè)場(chǎng)回波實(shí)現(xiàn)水脂分離，具體包括如下步驟：步驟S101：應(yīng)用如圖2所示磁共振場(chǎng)回波成像序列，通過設(shè)置使2nAfT1=a,2nAfT2=B和2nAfT3=a+2nn,可采集得到［a,B,a+2nn］組合的三個(gè)場(chǎng)回波數(shù)據(jù)。［a,B,a+2nn］組合指的是在三個(gè)回波信號(hào)中，水信號(hào)與脂肪信號(hào)的相位關(guān)系分別為a,P和a+2nn,其中n為自然數(shù)。針對(duì)1.5T場(chǎng)強(qiáng)，滿足以上條件的(T1,T2,T3)選擇可以是(t1,t2,t1+4.4)或(t1,t2,t1+8.8)毫秒等。針對(duì)3T場(chǎng)強(qiáng)，(T1,T2,T3選擇可以是(t1,t2,t1+2.2)或(t1,t2,t1+4.5)毫秒等，其中t1,t2可根據(jù)序列要求靈活設(shè)定；步驟S102:將所采集的k空間信號(hào)通過傅里葉變換轉(zhuǎn)成圖像；步驟S103:在圖像域提取有效圖像信號(hào)像素，并取所述有效圖像信號(hào)像素復(fù)合信號(hào)的相位圖；對(duì)所述相位圖進(jìn)行相位展開，得到靜磁場(chǎng)分布圖AB。；提取有效圖像信號(hào)，是將每個(gè)圖像像素信號(hào)的幅值與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，大于所述閾值的即為有效圖像信號(hào)。靜磁場(chǎng)分布圖AB。根據(jù)上述式［2計(jì)算得到。步驟S104:利用靜磁場(chǎng)分布圖AB。,將所述回波信號(hào)中水圖像和脂肪圖像分離。根據(jù)展開的相位圖計(jì)算得上述式［3線性方程組各參數(shù)；線性求解式［3得水和脂肪信號(hào)幅度；最后得到水和脂肪圖像，如圖3b和圖3c所示。實(shí)施例2圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例中磁共振三個(gè)自旋回波成像序列示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中采用三個(gè)自旋回波實(shí)現(xiàn)水脂分離效果圖，其中，圖5a為水和脂肪在一起的圖像，圖5b為分離后的水圖像，圖5c為分離后的脂肪圖像。請(qǐng)參照?qǐng)D1和圖4，本發(fā)明實(shí)施例提供的磁共振DIXON水脂分離方法采用三個(gè)自旋回波實(shí)現(xiàn)水脂分離，具體包括如下步驟：步驟S101：選用圖4所示磁共振成像序列，通過設(shè)置使2n△fT1=a,2nAfT2=p和2nAfT3=a+2nn,可得到［a,B,a+2nn］組合的三個(gè)自旋回波數(shù)據(jù)。［a￡a+2nn］組合指的是在三個(gè)回波信號(hào)中，水信號(hào)與脂肪信號(hào)的相位關(guān)系分別為a,p和a+2nn。針對(duì)1.5T場(chǎng)強(qiáng)，滿足以上條件的(T1,T2,T3)選擇可以是(t1,t2,t1+4.4)或(t1,t2,t1+8.8)毫秒等。針對(duì)3T場(chǎng)強(qiáng)，(T1,T2,T3)選擇可以是(t1,t2,t1+2.2)或(t1,t2,t1+4.4)毫秒等，其中t1,t2可根據(jù)序列要求靈活設(shè)定。步驟S102:將所采集的k空間信號(hào)通過傅里葉變換轉(zhuǎn)成圖像。步驟S103:在圖像域提取有效圖像信號(hào)像素，并取所述有效圖像信號(hào)像素復(fù)合信號(hào)的相位圖；對(duì)所述相位圖進(jìn)行相位展開，得到靜磁場(chǎng)分布圖AB。；提取有效圖像信號(hào)，是將每個(gè)圖像像素信號(hào)的幅值與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，大于所述閾值的即為有效圖像信號(hào)。，靜磁場(chǎng)分布圖AB。根據(jù)上述式［2計(jì)算得到。步驟S104:利用靜磁場(chǎng)分布圖AB0,將所述回波信號(hào)中水圖像和脂肪圖像分離。根據(jù)展開的相位圖計(jì)算