单扫描时空编码灵活小视野磁共振成像与图像畸变校正

摘要

在众多的超快速成像方法中，单扫描平面回波成像(echo planar imaging，EPI)，因其在速度和分辨率方面的突出表现，成为最受欢迎的成像方法之一。然而，EPI图像容易受到B0场不均匀和单次k空间采样中相位误差累积的影响而出现严重的几何形状畸变。最近以色列威兹曼研究所的Frydman小组提出了一种基于线性扫频激发的时空编码(spatiotemporally encoded，SPEN)磁共振成像方法，该方法可以减弱EPI因非均匀场引起的伪影与图像畸变。本文首先基于SPEN成像方法的特点提出了两种小视野(reduced field-of-view, rFOV)成像方法，然后基于正交时空编码(biaxial spafiotemporal encoded，bi-SPEN)成像方法的特点提出了一种无需额外B0场图扫描的图像畸变校正方法。主要的研究内容归纳如下:
　　一、SPEN成像中的静态相位点赋予了SPEN方法特有的rFOV成像能力。本文提出了一种基于灵活解码的rFOV成像方法，并展示了SPEN方法在rFOV成像方面的优势。该rFOV方法分别采用水模型实验和活体大鼠实验中进行验证，并且与正交激励的EPI成像结果进行比较。通过对比可以发现本文提出的rFOV方法在选择合适的实验参数时可以获得比EPI图像更好的信噪比(signal-to-noiseratio，SNR)，并且在大鼠心脏实验中给出更好的图像质量。该方法还可以在单次激发下获得多个分立区域的rFOV图像，且图像的空间分辨率也得到了提高。
　　二、chirp脉冲的边带选择特性赋予了SPEN方法另一种rFOV成像的能力。在激发阶段我们通过幅值调制的chirp脉冲有选择地激发位于一个或者多个感兴趣区域(region-of-interest，ROI)内的质子自旋来实现感兴趣区域的rFOV成像，并采用傅里叶变换对SPEN数据进行高分辨重建。我们对该rFOV成像方法进行了详细的理论推导和说明，并通过水模型和活体大鼠实验进行验证。此外，我们通过点扩散函数对该rFOV成像方法进行了可行性分析。为进一步评估该rFOV成像方法，我们将相应的成像结果与EPI成像结果进行了比较，无论是仿真实验结果还是真实的实验结果都验证了该方法可以在一次激发的情况下对一个或多个ROI进行rFOV成像，并且相应的rFOV图像具有更高的空间分辨率、良好的鲁棒性和较少的混叠伪影。该方法有望应用于存在严重磁化率差异部位的磁共振成像，并且可对多个分立区域同时进行成像，大大提高成像效率。
　　三、尽管SPEN方法比EPI具有更好的非均匀场鲁棒性，但是在非均匀场下SPEN图像也会发生畸变。本文提出了bi-SPEN序列，基于该序列开发了一种无需额外B0场图扫描的畸变校正方法。该方法通过对畸变的bi-SPEN图像进行多次迭代重建实现畸变校正。在进行畸变校正前，首先对原始的畸变的bi-SPEN图像进行超分辨重建得到超分辨的bi-SPEN图像，然后对超分辨的bi-SPEN图像进行相位解缠绕处理获得相应的B0场图，再对B0场图进行多项式拟合获得相应的磁化率梯度值，最后将磁化率梯度值代入下一次的超分辨重建中，如此多次迭代操作就能对畸变的bi-SPEN图像进行有效的校正。

目录

声明

专用缩写词英汉对照表

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 磁共振成像原理

1．2．1 层面选择

1．2．2 频率编码

1．2．3 相位编码

1．2．4 图像重建方法

1．3 EPI脉冲序列

1．4 SPEN脉冲序列

1．5 论文结构

第二章 基于灵活采样的SPEN小视野成像

2．1 引言

2．2 原理与方法

2．2．1 理论分析

2．2．2 实验准备

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 模型实验

2．3．2 活体大鼠实验

2．4 本章小结

第三章 基于幅值可调制chirp脉冲激发的SPEN小视野成像

3．1 引言

3．2 原理与方法

3．2．1 幅值调制的chirp脉冲

3．2．2 FT重建及其特性

3．2．3 时空编码成像的局部自旋贡献性

3．2．4 小视野SPEN成像

3．2．5 实验准备

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 单一感兴趣区域的小视野成像

3．3．2 含有双感兴趣区域的小视野成像

3．4 本章小结

第四章 单扫描bi-SPEN成像

4．1 引言

4．2 原理与方法

4．2．1 bi-SPEN成像原理

4．2．2 SNR

4．2．3 灵活ROI成像

4．2．4 实验准备

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 SNR对比实验

4．3．2 灵活ROI成像

4．4 本章小结

第五章 基于bi-SPEN MRI的图像畸变校正

5．1 引言

5．2 原理与方法

5．2．1 无参考扫描的畸变校正方法

5．2．2 实验准备

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 模拟实验

5．3．2 水模型实验

5．3．3 活体大鼠实验

5．3．4 与其他校正方法的对比实验

5．4 本章小结

5．5 附录

5．5．1 附录A 获取非均匀B0场梯度矢量Ginh

5．5．2 附录B 非均匀场下bi-SPEN成像信号表达式的推导

5．5．3 附录C 对bi-SPEN成像数据进行相位平滑处理

5．5．4 附录D 忽略二阶△B0项的影响

第六章 全文总结和展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

论文发表情况

致谢