定义
通过共享相邻帧的高频信息,来加快磁共振的成像速度。
在腹部动态对比增强DCE-MRI成像中,由于三维成像技术能够更好的显示整个肾脏、肝脏等器官的形态,并提供更多的图像信息及灌注曲线,从而被临床广泛应用。目前,在临床中主要采用三维快速扰相梯度回波3D FSPGR序列以及三维随机轨迹时间分辨TWIST序列进行腹部动态对比增强磁共振成像。
三维快速扰相梯度回波3D FSPGR序列采用小角度射频脉冲激发信号,然后进行相位编码采集信号,最后在梯度编码方向上加入扰相位梯度将残留的横向磁化矢量散相,以缩短序列采集时间。3D FSPGR序列通常需要结合并行成像技术,实现较快的腹部动态对比增强扫描,临床上由于腹部成像覆盖范围大,相位编码步数多,成像时间分辨率受到很大限制。
TWIST序列采用邻域共享(view sharing)的三维伪随机轨迹序列,如图1所示[1],数据采集时K空间中心区域(A)进行密集采样而外周区域(B)进行亚采样,并在数据重建时将相邻K空间数据进行合并共享(view-shared)重建,从而缩短每一帧图像的采集时间。
图 1 TWIST序列邻域共享采集轨迹序列示意
临床3D FSPGR序列扫描是全采样方式,通常需要结合并行成像技术(parallel imaging)进行图像信号采集,然而,并行成像技术导致图像信噪比SNR降低,且加速倍数通常限制在三倍以内,加速倍速越高,信噪比越低,阻碍了时间分辨率的进一步提高。另一方面,TWIST序列扫描方式是间隔采样K空间中心区域和外周区域,重建过程中需要将相邻K空间数据集进行合并,保证了图像较高的空间分辨率,但是使得图像帧率降低,限制了其时间分辨率的提高。
图 2 VCS采样和重建策略示意图[3]
为了解决上述问题,Levine et al. [2]对TWIST序列邻域共享的采集方式进行了改进,提出了将压缩感知技术和邻域共享策略相结合的邻域共享压缩感知方法(VCS),并在乳腺成像中展示了良好的效果。压缩感知和邻域共享的结合,可以用来在时间footprint和k空间采样密度之间进行权衡,提高了动态对比增强磁共振成像的时间分辨率,同时保证了较高的图像信噪比和图像质量。由于其高时间分辨率和对运动的鲁棒性,这项技术对腹部成像特别有用。随后,Kong, Hanjing, et al.[3]评估了VCS DCE-MRI对兔单侧动脉粥样硬化性肾脏疾病的诊断性能。
VCS方法巧妙地实现了压缩感知技术和邻域共享策略的结合。具体来说,如图2a所示,将典型的k空间中的kx-kz平面划分成两个独立的区域:中心区域A和外周区域B。其中,中心区域A采用全采样,而外周区域B则进行伪随机部分采样。首先,将区域B随机地分为N个互不重叠的子集。然后,如图2b所示,每个子集Bi结合一个区域A产生一个初始的亚采样空间。通过共享B区域的数据点,所有连续的Ki可以累加成一个完整采样的K空间。接着,根据压缩感知理论,设计一个两倍的CS亚采样矩阵,如图2c所示,CS矩阵作用于Ki 得到邻域共享的CS观测。CS矩阵采用非均匀变密度采样,其在接近K空间中心区域采样更为密集。当N=3时,Mvcs1、Mvcs2 、Mvcs3 连续采集获得K空间原始数据,对于每一帧来说,大大降低了采集时间。最后,如图2d所示,依据VCS采样机制,首先将采集得到的原始数据di进行相邻数据集的共享(view-shared),重组成符合CS采样轨迹的重建数据,然后,对这些重组的重建数据进行基于L1范式最小化的非线性算法重建,重建公式如下:
这里,S为目标图像,λ1和λ2表示稀疏表达和有限差分稀疏表达TV之间的权重,F表示与亚采样对应的傅立叶变换,di 表示VCSi采集到的k-space数据,ε 通常设置在背景噪声水平之下来保证重建图像的保真度。
参考文献
[1] Patent:陈斌, 张珏, 王霄英, et al. 基于邻域共享压缩感知的动态对比增强磁共振快速成像方法
[2] Levine E, Daniel B, Vasanawala S, et al. 3D Cartesian MRI with compressed sensing and variable view sharing using complementary poisson‐disc sampling[J]. Magnetic resonance in medicine, 2017, 77(5): 1774-1785.
[3] [J] 2020 , Hanjing Kong, Jue Zhang et al. Quantitative renal function assessment of atheroembolic renal disease using view-shared compressed sensing based dynamic-contrast enhanced MR imaging: An in vivo study
参阅:压缩感知、DCE-MRI、TWIST