一种超极化气体肺部变采样率快速磁共振扩散加权成像方法技术

本发明专利技术公开了一种超极化气体肺部变采样率快速磁共振扩散加权成像方法，受试者吸入超极化气体并屏气，在屏气过程中采集变采样率的肺部多b值加权成像数据，扩散加权成像的每个b值采用不同的采样率，对应采集的K空间采样矩阵也是不同的，在缩短扫描时间的同时保证图像质量。数据采集后结合压缩感知进行图像重建，并通过肺部气道微结构模型提取肺部微结构参数。本发明专利技术该方法能无侵入性、无电离辐射地实现肺泡气道微结构的定量评估。现肺泡气道微结构的定量评估。现肺泡气道微结构的定量评估。

【技术实现步骤摘要】
一种超极化气体肺部变采样率快速磁共振扩散加权成像方法


[0001]本专利技术属于核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)
，具体涉及一种超极化气体肺部变采样率快速磁共振扩散加权成像方法，该方法可缩短磁共振扩散加权成像的扫描时间。适用于超极化气体如
129
Xe或3He或
83
Kr成像。

技术介绍

[0002]传统的磁共振成像是以人体内的水质子为信号来源，可以获得人体除肺部以外大部分组织的功能和结构信息。但是，由于肺部是空腔结构，整体水质子自旋密度远低于其他组织，因此肺部是传统MRI的盲区。超极化气体MRI提供了一种新的成像技术，凭借气体的易扩散，良好的化学位移敏感性与脂溶性等优势，可以实现肺部的可视化、肺部结构和功能的定量评估。惰性气体如
129
Xe或3He可以通过自旋交换光泵成为超极化气体，其磁共振灵敏度比热平衡状态下可以提高4～5个数量级。扩散加权成像(Diffusion Weighted Imaging，DWI)可以对分子的扩散进行测量，基于超极化气体磁共振DWI方法，可以实现肺部微结构的定量评估。常规的DWI扫描时间长，对于肺部有疾病的患者，无法耐受长时间的屏气扫描。
[0003]为了缩短扫描时间，加速MRI数据采集的技术在不断发展。目前应用最广泛的加速技术是压缩感知(Compressed Sensing，CS)，其利用MRI数据固有的稀疏性，通过随机欠采样K空间实现了MRI的加速采集，且不需要昂贵的硬件和复杂的采集方案。CS已被用于超极化气体磁共振DWI数据的加速采集。目前，该领域已发展了一些用于肺部扩散加权成像的快速磁共振方法，通常这些方法使用的是固定的加速因子结合固定的欠采样K空间采样矩阵，或是固定的加速因子结合变化的欠采样K空间采样矩阵。对于恒定加速度因子的采集策略，会限制加速因子的大小，当其增大时，K空间的欠采样采集不可避免地会造成图像损失，从而在重建图像中引入伪影。
[0004]针对本专利技术应用背景的已有相关的技术方案如下：
[0005]1)固定的加速因子和固定的K空间采样矩阵(Magnetic Resonance in Medicine,2010,63:1059
‑
1069)。由于DWI信号随b值增大而衰减，更难精确地对肺部微观结构参数进行测量。
[0006]2)固定的加速因子和变化的K空间采样矩阵(Magnetic Resonance in Medicine,2020,84:416
‑
426)。不同b值对应的K空间采样矩阵不同，但是其加速因子的大小会受限，加速因子小时，缩短扫描时间受限；加速因子大时，导致图像引入重建伪影。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提出一种超极化气体肺部变采样率快速磁共振扩散加权成像方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种超极化气体肺部变采样率快速磁共振扩散加权成像方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1、受试者吸入超极化气体，随后在单次屏气中进行成像扫描，根据不同b值的
设定对应的不同的加速因子和不同的采样矩阵，进行变加速因子采样，得到变采样率的肺部多b值加权成像数据；
[0011]步骤2、将步骤1中得到的变采样率的肺部多b值加权成像数据进行重建，得到肺部重建多b值扩散加权图像；
[0012]步骤3、基于肺部气道微结构模型对肺部重建多b值扩散加权图像进行拟合得到肺部微结构参数。
[0013]如上所述的步骤1中不同b值对应的加速因子和不同的采样矩阵通过如下步骤获得：
[0014]步骤1.1、在能长时间屏气的受试者中进行单次屏气下超极化气体磁共振多b值扩散加权成像，获得各个b值对应的全采样磁共振图像；
[0015]步骤1.2、对单个b值对应的全采样磁共振图像施加不同的采样率和采样矩阵进行欠采样回顾性重建，获得b值对应的不同采样率下的欠采样重建图像；
[0016]步骤1.3、计算同一b值对应的各个采样率下的欠采样重建图像和同一b值对应的全采样磁共振图像之间的平均绝对误差，选取其中一个平均绝对误差小于或等于误差阈值所对应的采样率的倒数作为b值对应的初筛加速因子，并获取对应的采样矩阵作为b值对应的初筛采样矩阵；
[0017]步骤1.4、重复步骤1.2和1.3，可以得到各个b值对应的初筛加速因子和初筛采样矩阵；
[0018]步骤1.5、更换受试者，重复步骤1.2、1.3和1.4，获得不同受试者的各个b值对应的初筛加速因子和初筛采样矩阵，选取b值对应的各个初筛加速因子中重复率最高的初筛加速因子作为最优加速因子，最优加速因子对应的初筛采样矩阵为最优采样矩阵，最优加速因子和最优采样矩阵分别作为步骤1中b值对应的加速因子和采样矩阵。
[0019]如上所述的误差阈值的范围为(0,+∞)。
[0020]如上所述的受试者为人或者实验动物，实验动物为鼠或兔或狗或猪；所述的超极化气体为
129
Xe或3He或
83
Kr。
[0021]本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：
[0022]1、本方法首次通过不同b值采取不同加速因子的方式实现了变采样率DWI，b值方向上采取变加速因子，对应的K空间采样矩阵也不同。实现了在缩短扫描时间的同时也保证了图像质量；
[0023]2、本方法操作简单、兼容性高，可以与压缩感知、深度学习、并行成像等现有的加速方法相结合，从而缩短了扫描时间；
[0024]3、本方法通过对不同b值下变采样率采集的扩散加权图像数据进行处理，可以获得表征肺部结构的生理学参数，进而对肺泡的微结构进行定量评估。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的流程图。
[0026]图2为实例中的扩散加权成像脉冲序列示意图。
[0027]图3为实例中不同b值对应的采样矩阵。
[0028]图4为实例中健康受试者的肺部重建多b值扩散加权图像。
具体实施方式
[0029]依据本专利技术所述技术方案，下面结合附图1
‑
4和3T成像仪下的受试者的超极化氙气体肺部多b值变采样率DWI为具体实施例，对本专利技术的技术方案和具体实施方案做进一步的详细说明：
[0030]一种超极化气体肺部变采样率快速磁共振扩散加权成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0031]步骤1、受试者吸入超极化气体，受试者为人或者实验动物，实验动物包括鼠、兔、狗、猪等，超极化气体可以为
129
Xe或3He或
83
Kr，本实施例中超极化气体为超极化氙气体，随后在单次屏气中进行成像扫描，根据不同b值(扩散敏感因子)的设定对应的不同的加速因子和不同的采样矩阵，进行变加速因子采样，得到变采样率的肺部多b值加权成像数据，本实施例中，b值包括0、10、20、3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超极化气体肺部变采样率快速磁共振扩散加权成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、受试者吸入超极化气体，随后在单次屏气中进行成像扫描，根据不同b值的设定对应的不同的加速因子和不同的采样矩阵，进行变加速因子采样，得到变采样率的肺部多b值加权成像数据；步骤2、将步骤1中得到的变采样率的肺部多b值加权成像数据进行重建，得到肺部重建多b值扩散加权图像；步骤3、基于肺部气道微结构模型对肺部重建多b值扩散加权图像进行拟合得到肺部微结构参数。2.根据权利要求1所述的一种超极化气体肺部变采样率快速磁共振扩散加权成像方法，其特征在于，所述的步骤1中不同b值对应的加速因子和不同的采样矩阵通过如下步骤获得：步骤1.1、在能长时间屏气的受试者中进行单次屏气下超极化气体磁共振多b值扩散加权成像，获得各个b值对应的全采样磁共振图像；步骤1.2、对单个b值对应的全采样磁共振图像施加不同的采样率和采样矩阵进行欠采样回顾性重建，获得b值对应的不同采样率下的欠采样重建图像；步骤1.3、计算同一b值对应的各个采样率下的欠采样重建图像和同一b值对应的全采样磁共...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海东，周欣，周倩，张鸣，赵修超，韩叶清，孙献平，叶朝辉，
申请(专利权)人：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：