快速磁共振三维成像

【摘要】：磁共振成像能够提供丰富而优异的组织对比度,是一种强大而无电离辐射的医学成像技术。磁共振三维成像相比于二维成像具有诸多优势,如具有更大的覆盖范围、更高的层方向分辨率且没有层间隔、更高的信噪比和三维重建和任意方位可视化。然而三维成像需要采集远多于二维成像的k空间数据,扫描时间长,至今没有在临床中得到广泛应用。本论文研究快速磁共振三维成像方法,并进行了临床应用实验。具体地,我们围绕一种新型的三维并行成像技术——波浪可控混叠并行成像方法(Wave-CAIPI),在多个层次进行了深入研究。在原理上,研究了Wave-CAIPI的加速性能与参数的关系,并从理论上推导了其关系式;提出了一种新的成像模型,引入相关矩阵的理论框架研究新模型中的先验知识。在技术上,提出了Wave-CAIPI的参数优化框架;提出了改进的重建算法用于VCC-Wave模型;在应用上,将Wave-CAIPI应用于两个颇具挑战的三维成像场景——三维b SSFP序列和高分辨率三维血管壁成像。本论文的主要研究工作和贡献如下:(1)Wave-CAIPI的参数优化:完善理论和提升性能通过理论计算推导出Wave-CAIPI的几何因子与参数之间的关系式,并通过仿真实验进行验证。基于这个关系式,提出了一个参数优化框架,通过参数优化提升Wave-CAIPI的性能和稳定性,优于经验选择参数的情形。(2)VCC-Wave:结合虚拟共轭线圈和波浪梯度编码的并行成像方法提出了一种新的成像模型(VCC-Wave)。VCC-Wave不但结合了虚拟共轭线圈和波浪梯度编码的优势,而且在新模型中挖掘波浪梯度编码更多的先验知识,因此缓解了波浪梯度编码在高分辨率和高带宽场景下的缺陷。此外,本论文引入相关矩阵的理论框架,研究VCC-Wave模型中的先验知识。(3)Wave-b SSFP:Wave-CAIPI加速三维平衡稳态自由进动序列提出了Wave-b SSFP序列,将Wave-CAIPI应用于三维b SSFP序列的加速采集。针对原有波浪梯度场零阶矩不为零所带来的偏共振相位对b SSFP序列的影响,提出了一种截断式的波浪梯度场,在保持波浪梯度编码能力的同时,消除原有波浪梯度场零阶矩不为零导致的带状伪影。此外,将Wave-b SSFP应用于大脑成像、脊椎成像和腹部成像的高倍加速采集,推广三维b SSFP序列的临床应用。(4)CS-Wave VWI:CS-Wave加速高分辨率三维血管壁成像引入了变换域几何因子的概念和工具,定量分析不同的采样模式对高分辨率三维成像的影响。基于这些分析,将采用CAIPIRINHA采样的压缩感知技术(CS-CAIPI)应用于加速高分辨率三维血管壁成像(CS-CAIPI VWI),提升重建图像的清晰度和血管壁显示的锐利度。进一步地,将结合压缩感知和WaveCAIPI的CS-Wave应用于加速高分辨率三维血管壁成像,消除CAIPIRINHA采样导致的残留混叠伪影,并保持同样的图像清晰度和血管壁锐利度;在各向同性0.6毫米的分辨率下,取得高达11倍的加速,将扫描时间缩短至3.5分钟。本文首先系统地探究了Wave-CAIPI的性能与参数的关系,并通过参数优化提升其性能。然后提出一种结合虚拟共轭线圈和波浪梯度编码的成像模型,缓解Wave-CAIPI在高分辨率和高带宽场景下的缺陷。最后将Wave-CAIPI应用于加速三维b SSFP序列和三维血管壁成像。