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基于单扫描时空编码的化学交换饱和转移成像和水脂分离成像重建

黄建攀  
【摘要】:超快速成像是磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)领域的研究热点之一,其良好的时间分辨率不仅能够提高磁共振成像的工作效率和减轻运动伪影,而且促使了许多动态成像技术的产生。平面回波成像(echo planar imaging,EPI)作为一种应用广泛的超快速成像技术,在时间和空间分辨率方面都有出色的表现。然而在高场条件下,EPI图像很容易受到不均匀场和化学位移效应的影响而产生伪影和畸变。由Frydman小组提出的单扫描时空编码磁共振成像(spatiotemporally encoded MRI,SPEN MRI)技术不仅保留了 EPI在时间分辨率方面的优势,而且具有较强的抵抗不均匀场和化学位移效应的能力。在超分辨率重建算法的辅助下,SPENMRI可以重建出与EPI空间分辨率相当的图像。凭借这些优势,SPENMRI迅速在众多动态成像领域得到应用。本文主要围绕单扫描SPENMRI的成像方法、重建和应用等方面展开了一系列研究,主要工作包括以下三个部分:一、全面地阐述了单扫描SPENMRI的成像原理、方法及特性。具体包括二次相位的产生机制、SPEN信号局部自旋贡献性、完全编解码的梯度要求及抗不均匀场和化学位移效应的机理。系统地分析了超分辨率重建的必要性和原理,介绍了五种目前已被证实可以取得良好结果的超分辨重建算法,包括奇异值分解(singular value decomposition,SVD)预处理的共轭梯度法、去卷积法、部分傅里叶法、随机采样和压缩感知相结合的混合算法以及超分辨率提升与边缘伪影去除法。二、提出一种基于单扫描SPENMRI的化学交换饱和转移(chemicalexchange saturation transfer,CEST)成像方法。CEST成像及其扩展出来的核间Overhauser加强(nuclear Overhauser enhancement,NOE)效应已被证明具有检测代谢物和识别肿瘤的能力。我们利用一个结合了全变分(total variation,TV)正则项和边缘加权约束的l1范数最优化问题来超分辨率重建SPEN图像。实验结果证明了这种CEST-SPEN MRI新方法不仅保持了 CEST-EPI的快速成像的能力,而且其对不均匀场和化学位移的抵抗能力可以帮助其获得比CEST-EPI更好的CEST/NOE对比图和更准确的Z谱。三、提出一种基于单扫描SPEN MRI的水脂分离重建方法。在利用单个回波求解包含水和脂两种成分的线性方程组时,方程的欠定性会导致重建出来的分离图像的空间分辨率减半。我们利用水脂条件下的SPEN点扩散函数来构造新的线性方程组,并结合化学位移相关的先验信息来重建水脂分离图像。实验结果证实了新方法可以提供比传统共轭梯度法空间分辨率更高、混叠伪影更少和信噪比更好的水脂分离图像。


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