專利名稱：磁共振彈性成像重建方法及成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁共振彈性成像，尤其涉及一種磁共振彈性成像重建方法及成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
磁共振彈性成像(MRE,Magnetic Resonance Elastography)是一種新型、無創(chuàng)性的成像技術(shù)，其利用磁共振(MRI)技術(shù)檢測體內(nèi)組織在某種外力作用下產(chǎn)生的質(zhì)點位移，通過運動敏感梯度的作用來獲取MR相位圖像，再利用重建算法得到組織內(nèi)各點的彈性系數(shù)分布圖，作為醫(yī)學(xué)診斷的依據(jù)。目前，MRE彈性重建算法主要圍繞求解亥姆霍茲(Helmholtz)方程展開。假設(shè)剪切波在各向同性的無限大介質(zhì)中傳播，并忽略縱波的影響，則粒子運動滿足亥姆霍茲方程
5其中U為位移矢量，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率，μ為剪切方
向的拉梅常數(shù)。目前主要采用下述兩種情況求出彈性分布圖一是不考慮介質(zhì)振動的衰減因素，則剪切方向的拉梅常數(shù)μ可表示為μ = V2P/f2，V是激勵的頻率，f是剪切波的局部頻率，由于介質(zhì)密度和激勵頻率已知,可采用圖像處理手段從位移圖中估算出每點的局部頻率值，進(jìn)而求出彈性分布圖，例如，局部頻率估計和相位梯度法。但實際上，剪切波在傳播過程中存在明顯衰減，高頻時衰減加劇，使得估計出的彈性模量出現(xiàn)明顯偏差，且由于頻率估計方法的限制，導(dǎo)致彈性圖的空間分辨率較低，也未考慮多個位移方向的影響；二是在有衰減情況下。例如，采用直接求逆法，有限元法等，該方法精確度較高，也可對多位移方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。但直接求逆法需對數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)，對噪聲較為敏感；有限元法在15%噪聲的情況下，仍然可獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但其采用迭代方法求解，耗時過多。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要針對上述磁共振彈性成像重建方法存在的缺陷，提供一種能精確重現(xiàn)組織的彈性分布的磁共振彈性成像重建方法。一種磁共振參數(shù)重建方法，包括下述步驟利用三維多方向MRE序列采集圖像；基于所述圖像獲取相位圖，其中，所述相位圖中包含物質(zhì)的位移矢量U;定義第一目標(biāo)函數(shù)mm ||^V2U +(^ +Λ) V(V-U) +ρ 2υ|其中，U為位移矢量，λ和μ分別為所述圖像的的縱向和剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率；采用最優(yōu)化問題求解方法計算所述第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)；對所述第二目標(biāo)函數(shù)加入約束條件并得到第三目標(biāo)函數(shù)；求解所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)μ，并使所述第三目標(biāo)函數(shù)最小。在本實施例中，所述采用最優(yōu)化問題求解方法計算所述第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)，包括步驟定義▽ _ll=0,其中，所述第二目標(biāo)函數(shù)為mm |//￥2U + 辦2Il|;
上述式中，U為位移矢量，μ為所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率。在本實施例中，所述約束條件為采用全局方差作為正則化條件。在本實施例中，所述第三目標(biāo)函數(shù)為mm ||/iV2U + 辦2U!: +ο Υ β)上述式中，U為位移矢量，μ為所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率，α為權(quán)重系數(shù)，TV為全局方差。在本實施例中，求解所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)μ，并使所述第三目標(biāo)函數(shù)最小，還包括采用共軛梯度下降法，模擬退火方法等求解所述第三目標(biāo)函數(shù)最小值。另外本發(fā)明還提供了一種磁共振彈性成像系統(tǒng)，至少包括 采集模塊，用于采集三維多方向圖像；重建模塊，用于對采集到的圖像進(jìn)行重建，獲取相位圖，所述相位圖中包含物質(zhì)的位移矢量U;建模模塊，用于定義第一目標(biāo)函數(shù)，采用最優(yōu)計算所述第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)，并對所述第二目標(biāo)函數(shù)加入約束條件并得到第三目標(biāo)函數(shù)，其中，所述第一目標(biāo)函數(shù)為mm ||//V2TJ + (μ+Λ)Ψ(V U) + pm2U |其中，其中，U為位移矢量，λ和μ分別為所述圖像的的縱向和剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率；及運算模塊，求解所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)μ，并使所述第三目標(biāo)函數(shù)最小。在本實施例中，所述采用最優(yōu)計算所述第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)具體為定義V ·υ=ο,其中，所述第二目標(biāo)函數(shù)為mm ||/iVaU + 辦2U忙上述式中，U為位移矢量，μ為所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率。在本實施例中，所述約束條件為采用全局方差作為正則化條件。在本實施例中，所述第三目標(biāo)函數(shù)為mm | 卜V2U + pdU!:上述式中，U為位移矢量，μ為所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率，α為權(quán)重系數(shù)，TV為全局方差。上述磁共振彈性成像重建方法及成像系統(tǒng)結(jié)合彈性力學(xué)的相關(guān)原理，利用三維多方向的磁共振序列采集圖像，從而獲取三維物質(zhì)的位移矢量U，并定義第一目標(biāo)函數(shù)，基于第一目標(biāo)函數(shù)精確求解介質(zhì)的拉梅常數(shù)，進(jìn)而得到介質(zhì)的彈性分布圖。上述磁共振彈性成像重建方法準(zhǔn)確度高，精確的重現(xiàn)組織的彈性分布，顯著提高了彈性測量的準(zhǔn)確性；同時該磁共振彈性成像重建過程簡單、可操作性強。


圖1為本發(fā)明實施例提供的磁共振參數(shù)重建方法的步驟流程圖。圖2為本發(fā)明實施例提供的磁共振參數(shù)重建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。請參閱圖1為本發(fā)明實施例提供的磁共振彈性成像重建方法的步驟流程圖，包括下述步驟步驟SllO :利用三維多方向MRE序列采集圖像。步驟S120 :基于圖像獲取相位圖， 其中，相位圖中包含物質(zhì)的位移矢量U?？梢岳斫?，由于MRE采集的圖像中包括的相位圖中包含不同時間點的波動圖像，將相位圖沿測量方向做傅立葉變換，取其中的一次諧波，即可得到包含物質(zhì)的位移矢量U。步驟S130 :定義第一目標(biāo)函數(shù)mm |^￥2U + (^ + l)￥(V.U) +ρ 3π|[其中，U為位移矢量，λ和μ分別為圖像的的縱向和剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率，V為偏微分，▽ 2為二次偏導(dǎo)，V ■為散度。步驟S140 :采用最優(yōu)化問題求解方法計算第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)。在本發(fā)明提供的實施例中，采用最優(yōu)化問題求解方法計算第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)，還包括步驟定義·υ=ο,由于在實際情況中成像介質(zhì)不可壓縮，因此·υ=0成立，此時，第一目標(biāo)函數(shù)mm U + (, + J) V (V U) +p 2Il|J簡化為第二目標(biāo)函數(shù)mm ^iVjU+ puJ2U ^上述第二目標(biāo)函數(shù)式中U為位移矢量，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率,V為偏微分。步驟S150 :對第二目標(biāo)函數(shù)加入約束條件并得到第三目標(biāo)函數(shù)。在本發(fā)明提供的實施例中，約束條件優(yōu)選為采用全局方差作為正則化條件，由于在實際中，成像介質(zhì)的密度變化波動范圍不是很大，一般為均勻介質(zhì)，彈性值分布變化較小，即可采用全局方差(totalvariance)作為正則化條件。此時，第二目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為第三目標(biāo)函數(shù)
2mm //V2U + 辦2U ^ +QfIV(Jj)上述式中，U為位移矢量，μ為所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率，α為權(quán)重系數(shù)，TV為全局方差。步驟S160 :求解圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)μ，并使第三目標(biāo)函數(shù)最小?？梢岳斫?，當(dāng)?shù)谌繕?biāo)函數(shù)最小時，此時求解圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)μ為全局最優(yōu)，準(zhǔn)確度最高，由于拉梅常數(shù)μ表征了物質(zhì)的彈性分布圖，從而完成了圖像重建。在本發(fā)明提供的實施例中，求取第三目標(biāo)函數(shù)最小值得步驟還包括采用共軛梯度下降法，模擬退火方法等。請參閱圖2，為本發(fā)明實施例提供的磁共振參數(shù)重建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖100。該磁共振參數(shù)重建系統(tǒng)至少包括采集模塊110、重建模塊120、建模模塊130及運算模塊140。采集模塊110用于采集三維多方向圖像。在本發(fā)明提供的實施例中，采集模塊110采用MRE。
重建模塊120，用于對采集到的圖像進(jìn)行重建，獲取相位圖，相位圖中包含物質(zhì)的位移矢量U。重建模塊120用于接收采集模塊110采集的圖像，并對該圖像進(jìn)行重建。由于MRE采集的圖像中包括的相位圖中包含不同時間點的波動圖像，重建模塊120將相位圖沿測量方向做傅立葉變換，取其中的一次諧波，即可得到包含物質(zhì)的位移矢量U，完成重建。建模模塊130用于定義第一目標(biāo)函數(shù)，采用最優(yōu)計算第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)，并對第二目標(biāo)函數(shù)加入約束條件并得到第三目標(biāo)函數(shù)，其中，第一目標(biāo)函數(shù)為mm U + (/i+Λ)￥(7*U) + |其中，其中，U為位移矢量，λ和μ分別為所述圖像的的縱向和剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率。在本發(fā)明實施例中，采用最優(yōu)計算第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)具體為定義V ·υ=0，其中，第二目標(biāo)函數(shù)為: min ||// 2U +上述式中，U為位移矢量，μ為所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率。其中，約束條件為采用全局方差作為正則化條件，并對第二目標(biāo)函數(shù)加入該約束條件并得到第三目標(biāo)函數(shù)mm | 卜V2U ++ο Γ7{μ)上述式中，U為位移矢量，μ為所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率，α為權(quán)重系數(shù)，TV為全局方差。運算模塊140，求解上述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)μ，并使第三目標(biāo)函數(shù)最小?？梢岳斫?，當(dāng)?shù)谌繕?biāo)函數(shù)最小時，此時求解圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)μ為全局最優(yōu)，準(zhǔn)確度最高，由于拉梅常數(shù)μ表征了物質(zhì)的彈性分布圖，從而完成了圖像重建。在本發(fā)明提供的實施例中，求取第三目標(biāo)函數(shù)最小值得步驟還包括采用共軛梯度下降法，模擬退火方法等。上述磁共振彈性成像重建方法及系統(tǒng)結(jié)合彈性力學(xué)的相關(guān)原理，利用三維多方向的磁共振序列采集圖像，從而獲取三維物質(zhì)的位移矢量U，并定義第一目標(biāo)函數(shù)，基于第一目標(biāo)函數(shù)精確求解介質(zhì)的拉梅常數(shù)，進(jìn)而得到介質(zhì)的彈性分布圖。上述磁共振彈性成像重建方法準(zhǔn)確度高，精確的重現(xiàn)組織的彈性分布，顯著提高了彈性測量的準(zhǔn)確性；同時該磁共振彈性成像重建過程簡單、可操作性強。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁共振彈性成像重建方法，其特征在于，包括下述步驟 利用三維多方向MRE序列采集圖像； 基于所述圖像獲取相位圖，其中，所述相位圖中包含物質(zhì)的位移矢量U; 定義第一目標(biāo)函數(shù)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振彈性成像重建方法，其特征在于，所述采用最優(yōu)化問題求解方法計算所述第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)，包括步驟定義V .1 -U W中，所述第二目標(biāo)函數(shù)為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振彈性成像重建方法，其特征在于，所述約束條件為采用全局方差作為正則化條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振彈性成像重建方法，其特征在于，所述第三目標(biāo)函數(shù)為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振彈性成像重建方法，其特征在于，求解所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)μ，并使所述第三目標(biāo)函數(shù)最小，還包括采用共軛梯度下降法，模擬退火方法等求解所述第三目標(biāo)函數(shù)最小值。
6.—種磁共振彈性成像系統(tǒng)，其特征在于，至少包括 采集模塊，用于采集三維多方向圖像； 重建模塊，用于對采集到的圖像進(jìn)行重建，獲取相位圖，所述相位圖中包含物質(zhì)的位移矢量U ; 建模模塊，用于定義第一目標(biāo)函數(shù)，采用最優(yōu)計算所述第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)，并對所述第二目標(biāo)函數(shù)加入約束條件并得到第三目標(biāo)函數(shù)，其中，所述第一目標(biāo)函數(shù)為
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁共振彈性成像系統(tǒng)，其特征在于，所述采用最優(yōu)計算所述第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)具體為定義V ·υ=0,其中，所述第二目標(biāo)函數(shù)為mm II^V2U + P 2 U 上述式中，U為位移矢量，μ為所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁共振彈性成像系統(tǒng)，其特征在于，所述約束條件為采用全局方差作為正則化條件。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁共振彈性成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第三目標(biāo)函數(shù)為min IiUV2U + 辦2U|: +OTVr(Jl) 上述式中，U為位移矢量，μ為所述圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)，P為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率，α為權(quán)重系數(shù)，TV為全局方差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁共振彈性重建方法，包括下述步驟利用三維多方向MRE序列采集圖像；基于圖像獲取相位圖，其中，相位圖中包含物質(zhì)的位移矢量U；定義第一目標(biāo)函數(shù)，其中，U為位移矢量，λ和μ分別為圖像的的縱向和剪切方向的拉梅常數(shù)，ρ為介質(zhì)密度，ω為激勵的角頻率；采用最優(yōu)化問題求解方法計算第一目標(biāo)函數(shù)并得到第二目標(biāo)函數(shù)；對第二目標(biāo)函數(shù)加入約束條件并得到第三目標(biāo)函數(shù)；求解圖像的剪切方向的拉梅常數(shù)μ，并使第三目標(biāo)函數(shù)最小。另外，本發(fā)明還提供了一種磁共振彈性成像系統(tǒng)。上述磁共振彈性成像重建方法準(zhǔn)確度高，精確的重現(xiàn)組織的彈性分布，顯著提高了彈性測量的準(zhǔn)確性。
文檔編號A61B5/055GK103006216SQ20121054437
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者朱燕杰, 蔡葳蕤, 鐘耀祖, 劉新, 鄭海榮 申請人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院