一种磁共振成像中的DIXON水脂分离方法发明专利

一种磁共振成像中的DIXON水脂分离方法技术领域本发明涉及一种磁共振成像中的水脂分离方法，尤其涉及一种改进的DIXON水脂分离方法。背景技术人体MRI(磁共振成像)信号主要来源于两种成分：水和脂肪。水分子中的氢质子的化学键为O-H键，而脂肪分子中氢质子的化学键为C-H键。由于这两种结构中氢质子周围电子云分布的不同，造成水分子中氢质子所感受到的磁场强度稍高些，最终导致水分子中氢质子的进动频率要比脂肪分子中氢质子稍快些，其差别为3.5ppm，相当于150Hz/T，这种进动频率差异随着场强的增大而加大。例如场强为1.5T，水分子比脂肪分子中的氢质子进动频率快225Hz。在磁共振成像常用的GRET1WI序列中，可以通过选择不同的回波时间(TE)得到水与脂肪信号正反相位图像。第一个同相位TE=1000ms-[150Hz/Tx场强]第一个反相位TE=第一个同相位TE+2对于场强为1.5T,第一个同相位TE=1000+(150X1.5)=4.4ms第一个反相位TE=2.2ms利用同相位和反相位图像，可产生单独的“水”或“脂肪”信号的图像：W:水的信号强度；F:脂肪的信号强度I同：水与脂肪同相位信号；I反：水与脂肪反相位信号那么：I同=W+F；I反=W-F这样，两式分别相加和相减，得出：W=(I同+I反)/2；F=(1同-限)/2就可以进行单独的水或脂肪的成像，也叫水脂分离成像，即原始DIXON技术[DixonWT,Simpleprotonspectroscopicimaging,Radiology153:189-194(1984)1DIXON技术也可用干SE或FSE序列。但是，在主磁场不均匀的情况下，原始DIXON技术无法实现水脂分离.只有采用改进后的DIXON方法，通过分析处理多回波磁共振信号，来实现主磁场不均匀情况下的水脂分离。相关的文献有：GloverGH,SchneiderE,Three-pointDixontechniquefortruewater/fatdecompositionwithBoinhomogeneitycorrection,MagneticResonanceinMedicine18:371-383(1991);ZhangW,GoldhaberDM,KramerDM,SeparationofWaterandFatMRImagesinaSingleScanat35TUsing“Sandwich”Echoes,JournalofMagneticResonanceImaging6:909-917(1996)。传统的DIXON方法一般都要求所有回波信号中水脂信号相位成同相或反相的关系,因而对成像脉冲序列所能采用的回波时间(TE)及相关参数有严格的限制。例如在1.5T场强条件下,水脂反相的相位进动时间只能采用2.2毫秒,6.6毫秒，11.0毫秒等,而同相的回波时间只能采用4.4毫秒,8.8毫秒，13.2毫秒等。这种要求对用户在成像序列参数的选择带来了不必要的限制。对场回波而言，相位进动时间等于回波时间；然而对于自旋回波序列，相位进动时间为实际回波时间与理想自旋回波时间的偏差。XiangQing-San和AnLi发明了一种称作DPE的方法，见XiangQS,AnL,Water-FatImagingwithDirectPhaseEncoding,JournalofMagneticResonanceImaging7:1002-1015(1997)。DPE方法不再对回波信号中水脂相位的绝对关系进行限制，而只要求水脂信号在回波之间的相位进动差为固定量。这虽然给脉冲序列的回波时间及相关参数设置提供了灵活性，但对所得到数据必须进行与传统DIXON不同的特殊处理。ReederSB等在2005年采用命名为IDEAL的迭代算法处理回波信号实现水脂分离，见ReederSB,PinedaAR,WenZ,ShimakawaA,YuH,BrittainJH,GoldGE,BeaulieuCHandPelcNJ,Iterativedecompositionofwaterandfatwithechoasymmetryandleast-squaresestimation(IDEAL):applicationwithfastpin-echoimaging,MagneticResonanceinMedicine54:636-644(2005)。IDEAL对回波时间原则上不作限制,因而提供了最为灵活的序列参数中回波时间的设置。但是，因为水脂成像所涉及的二元系统为非线性，IDEAL所采用的最小二乘法优化算法容易受局部最小的干扰而出错，导致水脂分离的失败。虽然近几年出现了许多改进方法，用以减少出错的可能，但还是不能完全解决因局部谷底所造成水脂分离失败的根本问题。因此有必要改进DIXON方法，既能应用成熟的传统DIXON算法处理数据，同时减少对成像序列参数设置的限制，进而使DIXON方法能更灵活地得到应用。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种磁共振成像中的DIXON水脂分离方法，回波时间可根据序列要求灵活设定，既能应用传统的DIXON算法处理数据，同时减少对成像序列参数设置的限制。本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种磁共振成像中的DIXON水脂分离方法，包括如下步骤：a)在磁共振扫描过程中，采集第一至第三共三个不同的回波信号S1、S2和S3，其中第一回波信号S1和第三回波信号S3的水脂信号进动相位差为2nn,n为自然数；b)将采集的k空间信号通过傅立叶变换转成图像信号；c)在图像域提取有效图像信号像素,并取所述有效图像信号像素复合信号的相位图;对所述相位图进行相位展开，得到静磁场分布图AB。；d)利用静磁场分布图AB。,将所述回波信号中水图像和脂肪图像分离。一进一步地，所述步骤a)中的三个不同回波信号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分别为水信号和脂肪信号的幅值，Af为脂肪与水质子共振频率之差，T1,T2和T3分别为所述回波信号S1、S2和S3的相位进动时间。进一步地，所述步骤c)中的提取有效图像信号，是将图像信号的幅值与预先设定的阈值进行比较，大于所述阈值的即为有效图像信号。进一步地，所述步骤c)中的静磁场分布图AB。按如下式[2计算得到：S3xS1*=A2ivAB0(T3-T1) [2]]]>其中，A=IW+Fei2nAfT1|=|W+Fei2KAfT3I则，静磁场分布图AB0=unwrap(arg[S3SX*]}/(T3-\T]1]》/式中为s1的复数共轭，arg[为复数求相位角,nwrap{代表相位展开。进一步地，所述步骤d)水图像的幅值W和脂肪图像的幅值F通过以下线性方程式[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(分别代表余弦和正弦函数；real和imag()分别代表求输入复数的实部和虚部。进一步地，所述步骤a)中的三个不同回波信号S1、S2和S3为场回波信号[a,B,a+2nn]，其中2nAfT1=a,2nAfT2=B，2nAfT3=a+2nn。进一步地，所述步骤a)中的回波信号为平面场回波信号，三个不同回波信号S1、S2和S3通过一次激发后改变有效回波时间获取。进一步地，所述步骤a)中的三个不同回波信号S1、S2和S3为自旋回波信号[a,B,a+2nn],其中2nAfT1=a,2nAfT2=B，2nAfT3=a+2nn,T1,T2和T3分别为各回波时间点与理想自旋回波位置的偏差。进一步地，所述三个不同自旋回波信号S1、S2和S3通过调整梯度场平衡改变回波位置后一次激发获取。本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的磁共振成像中的DIXON水脂分离方法，可在扫描时间T1、T2及T3=T1+2nn时采集三个不同回波信号S1、S2和S3,只要第一回波信号S1和第三回波信号S3的水脂信号进动相位差为n的偶数倍即可，对整个回波群及中间回波的时间，没有传统的DIXON算法中的时间间隔的严格限制，不仅保留了传统的DIXON算法的优点，而且提高了采集时间的灵活性，减少了对成像序列参数设置的限制。附图说明图1为本发明磁共振DIXON水脂分离流程图；图2为本发明实施例中磁共振三个场回波成像序列示意图；图3为本发明实施例中采用三个场回波实现水脂分离效果图，其中，图3a为水脂加和在一起的图像，图3b为分离后水图像，图3c为分离后脂肪图像；图4为本发明另一实施例中磁共振三个自选回波成像序列示意图；图5为本发明实施例中采用三个自旋回波实现水脂分离效果图，其中，图5a为水脂加和在一起的图像，图5b为分离后水图像，图5c为分离后脂肪图像。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。图1为本发明磁共振DIXON水脂分离流程示意图；请参照图1,本发明提供的成像参数可调的磁共振DIXON水脂分离方法，包括如下步骤：步骤S101,在磁共振扫描过程中，采集第一至第三共三个不同的回波信号S1、S2和S3，其中第一回波信号S1和第三回波信号S3的水脂信号进动相位差为2nn,n为自然数；回波信号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分别为水和脂肪信号幅值，Af为脂肪与水质子共振频率之差，AB0为静磁场分布图，T1,T2和T3分别为回波信号中相位进动时间。对于场回波来说,T1,T2和T3与相应的回波时间一致;而对于自旋回波而言,T1,T2和T3对应的是各回波时间点与理想自旋回波位置的偏差。步骤S102，将采集的k空间信号通过傅立叶变换转成图像；步骤S103，在图像域提取有效图像信号像素，并取所述有效图像信号像素复合信号的相位图；对所述相位图进行相位展开，得到静磁场分布图AB。；提取有效图像信号，是将图像信号的幅值与预先设定的阈值进行比较，大于所述阈值的即为有效图像信号。静磁场分布图AB0按如下式[2计算得到：S3xS1*=A2ivAB0(T3-T1) [2]]]>其中，A=IW+Fei2nAfT1|=|W+Fei2KAfT3I则，静磁场分布图AB0=unwrap(arg[S3SX*]}/(T3-Y1•]》/式中 为S1的复数共轭，arg[为复数求相位角7口亚好口{代表相位展开。有关相位展开的参考资料有：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)。步骤S104，利用静磁场分布图AB0,将所述回波信号中水图像和脂肪图像分离。。水图像的幅值W和脂肪图像的幅值F通过以下线性方程式[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＞别代表余弦和正弦函数；realCfOimag()分别代表求输入复数的实部和虚部。式［3中除W和F外,其他参数都是已知。对式［3线性方程求解，可得W和F值。通过对每一个像数求解式［3所示线性方程组得W和F值,可以分别得到水图像和脂肪图像。实施例1图2为本发明实施例中磁共振三个场回波成像序列示意图。图3为本发明实施例中采用三个场回波实现水脂分离效果图，其中，图3a为水和脂肪在一起的图像，图3b为分离后水图像，图3c为分离后脂肪图像。请参照图1和图2，本发明实施例提供的磁共振DIXON水脂分离方法采用三个场回波实现水脂分离，具体包括如下步骤：步骤S101：应用如图2所示磁共振场回波成像序列，通过设置使2nAfT1=a,2nAfT2=B和2nAfT3=a+2nn,可采集得到［a,B,a+2nn］组合的三个场回波数据。［a,B,a+2nn］组合指的是在三个回波信号中，水信号与脂肪信号的相位关系分别为a,P和a+2nn,其中n为自然数。针对1.5T场强，满足以上条件的(T1,T2,T3)选择可以是(t1,t2,t1+4.4)或(t1,t2,t1+8.8)毫秒等。针对3T场强，(T1,T2,T3选择可以是(t1,t2,t1+2.2)或(t1,t2,t1+4.5)毫秒等，其中t1,t2可根据序列要求灵活设定；步骤S102:将所采集的k空间信号通过傅里叶变换转成图像；步骤S103:在图像域提取有效图像信号像素，并取所述有效图像信号像素复合信号的相位图；对所述相位图进行相位展开，得到静磁场分布图AB。；提取有效图像信号，是将每个图像像素信号的幅值与预先设定的阈值进行比较，大于所述阈值的即为有效图像信号。静磁场分布图AB。根据上述式［2计算得到。步骤S104:利用静磁场分布图AB。,将所述回波信号中水图像和脂肪图像分离。根据展开的相位图计算得上述式［3线性方程组各参数；线性求解式［3得水和脂肪信号幅度；最后得到水和脂肪图像，如图3b和图3c所示。实施例2图4为本发明另一实施例中磁共振三个自旋回波成像序列示意图；图5为本发明实施例中采用三个自旋回波实现水脂分离效果图，其中，图5a为水和脂肪在一起的图像，图5b为分离后的水图像，图5c为分离后的脂肪图像。请参照图1和图4，本发明实施例提供的磁共振DIXON水脂分离方法采用三个自旋回波实现水脂分离，具体包括如下步骤：步骤S101：选用图4所示磁共振成像序列，通过设置使2n△fT1=a,2nAfT2=p和2nAfT3=a+2nn,可得到［a,B,a+2nn］组合的三个自旋回波数据。［a£a+2nn］组合指的是在三个回波信号中，水信号与脂肪信号的相位关系分别为a,p和a+2nn。针对1.5T场强，满足以上条件的(T1,T2,T3)选择可以是(t1,t2,t1+4.4)或(t1,t2,t1+8.8)毫秒等。针对3T场强，(T1,T2,T3)选择可以是(t1,t2,t1+2.2)或(t1,t2,t1+4.4)毫秒等，其中t1,t2可根据序列要求灵活设定。步骤S102:将所采集的k空间信号通过傅里叶变换转成图像。步骤S103:在图像域提取有效图像信号像素，并取所述有效图像信号像素复合信号的相位图；对所述相位图进行相位展开，得到静磁场分布图AB。；提取有效图像信号，是将每个图像像素信号的幅值与预先设定的阈值进行比较，大于所述阈值的即为有效图像信号。，静磁场分布图AB。根据上述式［2计算得到。步骤S104:利用静磁场分布图AB0,将所述回波信号中水图像和脂肪图像分离。根据展开的相位图计算