[发明专利]一种通用的三维欠采样轨迹设计方法

说明书

本发明涉及磁共振成像，更具体地涉及一种通用的三维欠采样轨迹设计方法。提供了一种通用的三维欠采样轨迹设计方法，所述方法包括以下步骤：i)生成径向或螺旋轨迹线；ii)网格化轨迹空间；iii)从n＝1开始，依次将轨迹线上的轨迹点映射到笛卡尔网格点上；以及iv)重复步骤iii)直到所有轨迹点映射到笛卡尔网格点上。所述方法可以灵活地根据重建算法、成像序列以及图像对比的要求，直接计算出K空间的填充顺序，并用于序列设计。同时，所述方法满足重建算法的要求，能通过CS和PI联合算法、半傅立叶重建算法等重建图像。本发明提出的方法可以提高成像质量，可用于医学成像等。

技术领域

本发明涉及磁共振成像，更具体地涉及一种通用的三维欠采样轨迹设计方法。

背景技术

磁共振成像(MRI)是一种强大的医用成像模式，它没有电离辐射，而且能提供多种图像对比度，可用于人体解剖结构、生理功能、血流和代谢信息的成像。然而，与其他成像模式如计算机断层扫描(CT)相比，MRI的成像速度较慢，检查一次约为几分钟至十几分钟，这极大的限制了图像的时间和空间分辨率。而且由于成像过程中需保持静止状态，成像时间过长增加了病人的不舒适感，并且容易受到呼吸运动的影响，产生运动伪影。

为了形成MR图像，需要对信号进行空间定位。三维磁共振成像中，每个体素的信号的位置坐标由相位编码、频率编码以及层编码确定。频率编码梯度场(G_fE)通过使该方向不同位置的自旋有不同的频率来对信号进行一个方向上的空间定位，一般是在读出数据(采集数据)时接通。相位编码梯度场(G_PE)改变不同位置的回波信号的相位，使质子轻微散相。梯度场打开后，由于不同位置的自旋所处的局部磁场不一样，因而进动频率有差异，一段时间后，形成一定的相位关系。梯度场关闭以后，自旋保持相位关系继续以相同的进动频率进动，相位与相位编码梯度场方向的坐标关系一一对应，因而可以确定一个维度的坐标。层编码(G_SS)为另一方向的相位编码，作用原理与前述相位编码一致。但只有一次编码很难兼顾图像对信噪比和空间分辨率的需求，因而需要进行多个幅度不同的相位编码及层编码。每个TR周期内进行层编码，相位编码和频率编码后的信号包含了位置信息。下一TR只改变层编码梯度场和相位编码梯度场幅度。总体采集时间＝重复时间(TR)×相位编码线×层编码线。由于频率编码(FE)方向欠采并不影响总的采集时间，因而三维采集的加速主要发生在相位编码(PE)方向和层编码(SS)方向上。采集轨迹由梯度场的切换来控制，但梯度场受到硬件和电生理的约束，所以采样轨迹需要设计的尽量平滑。

随着磁共振扫描设备硬件的发展，以及新的采集轨迹和重建方法组合的提出，MRI成像所需时间已经大幅度降低。20世纪90年代末，并行成像的出现打破了磁共振梯度和脉冲序列对MRI扫描速度的限制。并行成像技术利用阵列接收线圈的灵敏度信息减少相位编码条数从而加速了MRI数据的采集。并行成像已成为目前的主流技术，在临床上广泛应用，几乎所有的常规序列都能使用并行成像加速。并行成像主要应用的算法是灵敏度编码(SENSE)算法和广义自动校准部分并行采集(GRAPPA)算法。但是，并行成像加速倍数受接收线圈限制，理论上加速倍数不能超过阵列线圈个数。实际应用时，加速倍数通常为两倍。

压缩感知(CS)是近年来提出的一种新的采样理论，可以突破奈奎斯特采样定理的限制，较好的恢复出原始信号。压缩感知磁共振成像(CSMRI)利用k空间信息冗余特性，经过稀疏变换、不相干欠采样、非线性重建三个部分，实现部分k空间数据重建图像的过程，从而加快成像速度。根据CS理论，要完全恢复欠采图像需要满足下列三个条件：(1)MRI图像是可稀疏的；(2)采样域(k空间)与稀疏变换域是高度不相干的；(3)受稀疏变换约束的非线性重建方法。因为图像具有分段光滑的特性，存在大量的冗余信息，所以满足第一个条件。稀疏变换域一般采用小波变换、有限差分或者离散余弦变换，具体使用哪种变换域需要根据信号本身特性来选择。而稀疏程度决定着欠采样数据量的数目。稀疏变换域是确定的，为了满足不相干特性，因而需要在k空间进行随机采样，并且采样越随机，CS重建的效果越好。