自适应变化选层方向补偿梯度的磁敏感伪影去除方法

摘要

本发明公开了一种基于多回波非对称自旋回波快速成像技术(MASE)，通过在选层方向施加自适应变化补偿梯度(Z-shimming Gradient)的磁敏感伪影去除的新方法。包括数据采集模块、ΔB信号衰减模型处理模块、去除磁敏感伪影模块三个部分。该系统很好地将优化的Z-Shimming梯度方法与磁敏感伪影造成的MR信号衰减sinc模型整合起来，根据不同ΔTE时间自适应施加Z-Shimming梯度，并最终用模型拟合方法提高了效率，在24秒内获得估算ΔB的数据，而且新方法中利用Z-MASE序列可以只用一次扫描同时获得估算ΔB的数据和估算氧摄取分数OEF等氧代谢指标的数据，这两种数据之间没有几何分布差异，使得磁敏感伪影去除处理更加方便，准确，鲁棒。

说明书

技术领域

本发明属于磁共振医学成像技术领域，具体是一种基于自适应变化选层方向补偿梯度(Z-shimming Gradient)的磁敏感伪影去除方法。

背景技术

生物组织磁化率的不同是与其自身的功能，生理或病理状态密切相关的，这个机制在MRI图像中形成有用的对比信息。由BOLD对比机制，可知脱氧血红蛋白作为内源性对比剂，在T2*加权图像上引起信号衰减(Ogawa et al，Biophysical Journal1993；Thulborn et al，Biochim Biophys Acta1982)。但人体组织中除了脱氧血红蛋白以外，还有其它导致信号衰减的原因，例如在空气组织之间的交界面附近，或本身主磁场的不均匀分布，形成磁敏感伪影，导致磁场不均匀，会影响对氧代谢指标如氧摄取分数OEF等氧代谢指标的定量测量。

本文提出的方法，可以去除这种磁敏感伪影造成的影响，从而得到对组织氧代谢指标，如氧摄取分数OEF等的更加准确的估算。该方法在多回波非对称自旋回波快速成像技术(MASE)的基础上，新施加随180度偏移时间变化的选层方向补偿梯度(ZShimming)，在选层梯度方向上MRI信号进行编码，利用这些信息，估算出磁场不均匀分布图ΔB，最后，ΔB被用于去除在原始信号中磁敏感伪影的影响。

发明内容

本发明结合Z-Shimming方法和后处理方法各自的优势，以多回波非对称自旋回波快速成像技术(MASE)为基础，提出了一种去除磁敏感伪影的新方法。通过在选层方向上施加数个补偿梯度(Z-Shimming Gradient)，接着利用采集到的信号，结合其信号按照sinc函数的变化规律，得到准确的磁场不均匀分布图ΔB，并最终去掉宏观磁场不均匀对氧代谢指标估算的影响。

本发明能够通过磁共振序列设计，在选层方向上施加数个补偿梯度，并利用后处理方法结合其信号按照sinc函数的变化规律，完成以下任务：

1.利用在选层方向上施加多个不同的选层回聚梯度来克服由于不完善的选层回聚机制造成的梯度回波图像在选层方向上的信号衰减，也即Z-Shimming方法；

2.对宏观不均匀磁场ΔB引起的MR信号衰减之间的关系进行分析，可知不同补偿梯度下的MR信号是补偿梯度dG_zj和ΔTE_i的sinc函数；

3.通过上述sinc方程，在已知补偿梯度及其施加时间的前提下，利用有限数量的补偿梯度获得的MR信号，估算出宏观不均匀磁场的分布ΔB。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：基于选层方向补偿梯度(Z-shimmingGradient)的磁敏感伪影去除方法，包括以下三个步骤：

1.将在选层方向上根据不同的ΔTE时间自适应地施加不同的Z-Shimming补偿梯度矩(gradient moment)；

2.建立相应的宏观不均匀磁场变化信号sinc模型，并利用最大期望估计方法准确估算出宏观不均匀磁场分布ΔB；

3.利用步骤2中得到的宏观不均匀磁场分布ΔB，进一步去除原始MR信号中磁敏感伪影的影响，最终使得MASE估算的氧摄取分数OEF结果达到最佳。

本发明通过采取以上技术方案，很好地将优化的Z-Shimming梯度方法与磁敏感伪影造成的MR信号衰减sinc模型整合起来，根据不同ΔTE时间自适应施加Z-Shimming梯度，并最终用模型拟合方法提高了效率，在24秒内获得估算ΔB的数据，而且新方法中利用Z-MASE序列可以只用一次扫描同时获得估算ΔB的数据和估算氧摄取分数OEF等氧代谢指标的数据，这两种数据之间没有几何分布差异，使得磁敏感伪影去除处理更加方便，准确。

本发明已在计算机模拟数据，磁敏感伪影水模实验和10个健康志愿者实验数据中做过测试；利用MRI造影剂和水的混合溶液作为磁敏感伪影信号源紧贴在圆柱体水模的底部，选择远离磁敏感源适当距离，成轴位像，ΔTE＝62的MR非对称自旋回波图像中心出现一个磁敏感伪影造成的信号衰减区域。相同成像位置的自旋回波图像，由于180度翻转恢复梯度的存在，不受磁敏感伪影的影响，没有信号衰减区域存在。利用我们提出的新方法估算的水模ΔB磁场分布，显示图像中心位置处ΔB达到最大值约为0.08ppm，校正磁敏感伪影后的MR非对称自旋回波图像中信号衰减被恢复。

由10个志愿者感兴趣区域数据分析的结果表明，去除磁敏感伪影前，4.38±0.61％(全脑)；但在去除磁敏感伪影以后，DBV减少为3.59±0.58％(全脑)，P值为＜0.00001(全脑)，表明去除磁敏感伪影前后，静脉血容积DBV存在显著性差异。这与前人的结果一致(An et al，MRM2002)。

附图说明

图1是本系统的三模块示意图。

图2是三回波Z-MASE序列Z-Shimming梯度分配方案示意图。

图3是模拟数据ΔB估算结果示意图。

图4是磁敏感伪影水模实验结果示意图。

图5是正常健康志愿者去除磁敏感伪影前后氧摄取分数OEF，DBV，R2及R2′估算结果对照示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，本发明共包含三个主要模块，如图1所示，具体如下：

1.数据采集模块：在实际扫描过程中，在MASE序列最大ΔTE时刻，自适应地得到Z-Shimming梯度G_zmax，同时保持ΔTE不变，通过将该最大Z-Shimming梯度矩在正负方向上平均分配，按照[0，-1/4，-2/4，-3/4，-4/4，1/4，2/4，3/4]×G_zmax的规律施加，进而施加该平均分配后的补偿梯度，从而获得多个由Z-Shimming梯度补偿的磁共振信号。

2.ΔB信号衰减模型处理模块：任意一个施加选层方向上的补偿梯度和原有宏观不均匀磁场ΔB共同作用下引起的MR信号衰减符合sinc函数模型，通过该模型，在已知补偿梯度以及时间的前提下，利用有限数量的补偿梯度获得的MR信号，可以通过最大似然参数估计方法估算出宏观不均匀磁场的分布ΔB。

3.去除磁敏感伪影模块：估算出宏观不均匀磁场ΔB后，可以按照如下方程式，在原始信号中去除磁敏感伪影ΔB的影响。

$>S_{\mathrm{carrected}}\left(\mathrm{\Delta TE}\right)=S_{\mathrm{\Delta B}}\left(\mathrm{\Delta TE}\right)/\sin c\left(\frac{\gamma ·\mathrm{\Delta B}·\mathrm{\Delta TE}}{2}\right)$>