一种磁共振平面回波成像伪影仿真方法及系统与流程

1.本发明涉及磁共振成像技术领域，具体涉及一种磁共振平面回波成像伪影仿真方法及系统。


背景技术：

2.在临床医学成像应用中，伪影（artifacts）常常出现且几乎无法完全避免。磁共振成像伪影也是如此，这是指磁共振图像中的一些结构或信号强度是由于成像设备或成像技术而非源自成像物体中对应的解剖学基础结构产生的。这样的伪影信息很容易在临床医生的诊断中造成误导。因此，为了避免误诊，必须要有根据伪影图像识别伪影类型的能力。另一方面，优质的伪影影像数据集对于找到消除或减弱伪影的办法而言十分重要。
3.当下各种磁共振成像序列的开发都以追求快速成像为宗旨，其中平面回波成像技术（echo-planar imaging, epi）是目前最快速的磁共振成像方法之一。它在颅脑、心脏等器官的磁共振影像中均有着广泛的应用，尤其对于弥散张量磁共振成像（diffusion tensor imaging, dti）、脑功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fmri）等技术具有不可替代的作用。得益于快速的梯度切换以及高超的数控采集技术，epi序列具有扫描速度快、对运动不敏感的特点。但是，这样的成像方法往往对梯度场或主磁场的异常极其敏感，这也是实际过程中epi序列产生的伪影现象的概率要远大于其它序列的原因。
4.以下介绍几种临床磁共振成像系统中epi序列常见的伪影。
5.在任何一个磁共振成像系统中，模拟信号与数字信号转换的出错是难免的，因为每对一个病人的成像需要的模数转换次数高达上千万次。这其中某一数据点数字化转变时发生错误就显得较为常见。单数据点数字化错误发生的原因往往与静电有关，尤其是在干燥的冬天，静电放电很容易发生。其次，射频线圈错误放置带来的感应电流也有概率使得这样的问题发生。由磁共振k空间单数据点数字化错误导致的磁共振成像伪影被称为条纹伪影（stripe artifact）。
6.在磁共振成像中，k空间中一行或多行数据丢失会引起程度不同的伪影，通常在相位编码步最弱（k空间中央）处丢失会产生最大的伪影，这样的伪影被称为莫尔伪影（moer artifact）。莫尔伪影产生的原因主要与梯度不稳定及过量的接收机噪声有关。
7.由于磁场的不均匀性，以及epi序列通过正反梯度切换快速的读出信号，产生的涡流和化学位移等因素，使得其k空间的奇、偶回波之间容易积累相位差，容易在相位编码方向上产生伪影。当k空间数据的采样不满足奈奎斯特定理时，就会发生图像的混叠，称为奈奎斯特伪影（nyquist artifact）。
8.磁共振成像过程中相邻组织往往有着不同的磁化率，同时病理性对组织的改变如出血或组织铁沉积等都会引起局部的磁场不均匀，从而导致总磁场分布不均匀。在epi序列中，由于相位编码方向带宽很小，在有偏共振效应的区域（局部磁场剧烈变化区域），就会产生图像的畸变。这样的伪影称为磁化率伪影（susceptibility artifact）。
9.传统的伪影仿真往往是在图像上根据不同伪影的表现方式主观地进行对图像的修改。而这样的方式往往会面临解释性不强、仿真结果失真、仿真结果单一等问题，使得目前的伪影数据集一直处于较低的质量与数量。
10.为了更好地了解epi序列伪影的产生机制以及其对医学临床应用及科学研究的影像，同时为进一步通过深度学习的方法将临床或科研中伪影图像复原的研究创建数据集，本发明根据epi序列伪影产生的原理设计了仿真多种最常见的epi伪影的算法，能够对epi序列现有常用磁共振设备硬件条件下最常见的上述几种伪影进行很好地仿真。


技术实现要素：

11.针对现有技术的不足，本发明提出了一种磁共振平面回波成像伪影仿真方法及系统。
12.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种磁共振平面回波成像伪影仿真方法，该方法包括以下步骤：步骤1：图像采集；基于磁共振成像对成像目标进行epi序列的扫描，从而获取正常不带有伪影的epi序列影像；步骤2：k空间伪影仿真；基于正常不带有伪影的epi序列影像还原k空间数据，针对条纹伪影、莫尔伪影和奈奎斯特伪影三种仿真情况，对k空间数据进行修改，然后重建出带有伪影的影像；步骤3：磁化率伪影仿真；基于正常不带有伪影的epi序列影像构建磁化率模型，重建磁场分布，然后重建出带有畸变伪影的影像。
13.进一步地，对于不同类型的k空间伪影，对扫描得到的正常不带有伪影的epi序列影像进行三维傅里叶逆变换得到k空间数据。
14.进一步地，对于条纹伪影的k空间伪影仿真，在获得的k空间中随机取一点，使其数值变为某一正常值的100倍以上的随机大值，从而模拟单数据点数字化错误的k空间。
15.进一步地，对于莫尔伪影的k空间伪影仿真，在获得的k空间中随机选择某一相位编码步强度处于15%以下的相位编码行然后使其数据丢失，从而模拟射频线圈梯度不稳定情况。
16.进一步地，对于奈奎斯特伪影的k空间伪影仿真，仿照产生的方式在k空间中进行隔行欠采样修改，从而使其奇偶回波不相匹配。
17.进一步地，对于采集的正常不带有伪影的epi序列影像，首先对正常不带有伪影的epi序列影像的三维影像通过人工勾画或自动分割方式勾画感兴趣区域，进行不同组织及空气区域的分割与识别；对不同组织感兴趣区域roi赋予相应的磁化率值建立磁化率分布模型，通过磁源-场分布公式由磁化率图生成场图。
18.进一步地，对于磁化率伪影仿真，理想情况下磁共振成像测量得到的k空间数据表示为：其中，， m, n分别是k空间中不同编码方向的步长，为
频率编码采样间隔，是对应图像空间的坐标，是相位编码梯度，是相位编码采样间隔，为相位编码双极脉冲包络面积，是氢原子的磁旋比；当成像的物体的某个空间区域处于偏离共振的状态，此时k空间引入额外的相位信息，当局部磁场变化量为的时候，每次激发下epi序列影像获得的k空间数据由下式描述：其中，是频率编码梯度，为回波时间间隔，此时原本位于（x, y）位置处的像素在变形的图像中会出现在位置(x’, y’)：通过上式对局部磁场变化导致的连续像素错位带来的图像畸变进行计算，从而对磁化率伪影进行仿真。
19.另一方面，本发明还提供了一种磁共振平面回波成像伪影仿真系统，该系统包括图像采集模块、k空间伪影仿真模块和磁化率伪影仿真模块；所述图像采集模块用于基于磁共振成像对成像目标进行epi序列的扫描，从而获取正常不带有伪影的epi序列影像；所述k空间伪影仿真模块用于进行k空间伪影仿真；基于图像采集模块得到的正常不带有伪影的epi序列影像还原k空间数据，针对条纹伪影、莫尔伪影和奈奎斯特伪影三种仿真情况，对k空间数据进行修改，然后重建出带有伪影的影像；所述磁化率伪影仿真模块用于进行磁化率伪影仿真；基于图像采集模块得到的正常不带有伪影的epi序列影像构建磁化率模型，重建磁场分布，然后重建出带有畸变伪影的影像。
20.本发明与传统伪影仿真技术相比，具有的有益效果：（1） 本发明具有良好的科学性、准确性与可解释性。传统的伪影仿真往往是在图像上根据不同伪影的表现方式主观地进行对图像的修改，而这样的方式往往会面临主观性过强、仿真结果失真、仿真结果单一等问题，使得产生的伪影图片过于生硬且不能准确还原真实场景下的伪影形态。而在本发明所采用的方法中，k空间伪影的仿真直接从成像原理角度出发，逐个模拟磁共振成像系统容易出现的问题在k空间上的表现，这样的好处在于其仿真出的伪影与真实临床扫描面临的情况几乎没有差异；磁化率伪影的仿真则从扫描组织的内禀特性出发，探索磁化率差异对局部磁场的改变方式，从而计算畸变的程度。这样的仿真结果不仅具有良好的科学性与可解释性，同时较大地提高了仿真结果地准确性。
21.（2）本发明的方法具备良好的通用性。对于不同组织的磁共振成像扫描，如颅脑、腹部、关节等均可使用该方法来进行良好的伪影仿真。进一步地，对于不同的伪影的程度的
仿真，只需对k空间扰乱位置、扰乱程度，局部磁场变化位置、变化程度等施加不同的参数，便可以对一份正常的磁共振影像轻易实现大量的优质伪影数据集。
附图说明
22.图1为本发明实施在颅脑磁共振平面回波成像中条纹伪影的仿真流程图。
23.图2为本发明实施在颅脑磁共振平面回波成像中莫尔伪影的仿真流程图。
24.图3为本发明实施在颅脑磁共振平面回波成像中奈奎斯特伪影的仿真流程图。
25.图4为本发明实施在颅脑磁共振平面回波成像中磁化率伪影仿真流程图。
26.图5为单一磁源在磁场中的局部磁场分布示意图。
27.图6为本发明实施在颅脑磁共振平面回波成像中不同类型伪影的仿真结果示例。
具体实施方式
28.结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
29.本发明提出了一个基于磁共振平面回波成像序列重建原理的伪影仿真方法。在epi序列扫描中，往往会发现成像中很容易出现异常的伪影，其中最为常见的有k空间重建伪影及磁化率伪影。这些伪影会在临床上影响人们的判断。为了更好地了解epi序列伪影的产生机制以及其对医学临床应用及科学研究的影像，同时为进一步通过深度学习的方法将临床或科研中伪影图像复原的研究创建数据集，根据epi序列伪影产生的原理设计了仿真多种最常见的epi伪影的方法。
30.对于k空间伪影的仿真，通过对采集得到的正常epi序列图像进行傅里叶逆变换等技术得到磁共振k空间，再对其施加人为干扰从而模拟真实k空间伪影的产生形式，最终可以重建出带有特定伪影的图像；对于磁化率伪影，通过对颅脑不同组织磁化率差异构造磁化率仿真模型，通过磁化率-场图计算、图像畸变计算等方法进行磁化率伪影的仿真。该方法能从伪影产生的原理上对其进行仿真，使得产生的伪影图像与临床扫描可能出现的情况几乎一致。具体步骤为：步骤1：图像采集通过磁共振成像系统对成像目标进行epi序列的扫描，从而获取正常不带有伪影的epi序列。
31.健康志愿者的颅脑epi序列扫描实验在西门子3t磁共振成像扫描仪(magnetom prisma, 德国西门子医疗)上进行。实验均使用64通道头/颈线圈进行信号的收集。所使用的序列及参数为标准西门子临床颅脑3d-epi序列。
32.步骤2：k空间伪影仿真在磁共振中，k空间是一个数字阵列，是寻常空间在傅里叶转换下的对偶空间，代表了磁共振图像中的空间频率信息。其中，k空间中每一个点的灰度值表示了该空间频率对最终图像的相对贡献程度。
33.由于设备本身的限制或者磁共振扫描过程中环境条件的变化，又或是患者情况的不同以及所采用序列本身编码机制设计，有时在采集k空间中每一个频率信息的时候，会不
经意间丢失部分信息或意外引入不合理的信息，这个时候就常常会对最终生成的磁共振影像造成影响，被称为k空间伪影。
34.获得epi序列颅脑影像数据后，可以人为地模拟这样k空间可能发生的不利因素，通过磁共振k空间重建成像方法对条纹伪影、莫尔伪影及奈奎斯特伪影进行仿真。
35.图1，图2以及图3分别表示了通过磁共振k空间重建成像方法对条纹伪影、莫尔伪影及奈奎斯特伪影进行仿真的流程图。流程图中，从左向右看，第一幅图均表示初始没有伪影的正常影像，第二幅图均表示正常影像经过傅里叶逆变换在k空间中的形式，第三幅图均表示不同伪影对正常影像的k空间数据的处理方式，第四幅图均表示经过处理后的不同k空间通过傅里叶变换重建的带有磁化率伪影的影像。
36.2.1：读取扫描得到的正常epi序列影像，对其进行三维傅里叶逆变换得到k空间数据。3维图像矩阵img的离散傅里叶逆变换k定义为；其中，表示k空间中第k维度的信息，分别代表k空间中第k维度；表示图像域中第k维度的信息，分别表示图像域中第k维度；分别代表每个维度的长度；分别表示每个维度的复单位根，其中i是虚数单位。
37.2.2：条纹伪影（stripe artifact）产生于k空间的一个错误的数据点，最终成像的影像中会带来不同方向的条纹。这些条纹可以任意取向：水平，竖直，倾斜等，条纹之间有任意的间距，同时这样的条纹可能会很严重，也可能几乎不引起人的注意，这取决于原始数据中坏数据点落在什么地方，以及错误的程度。因此，对于条纹伪影的k空间仿真，在获得的k空间中随机取一点，使其数值变为某一正常值的100倍以上的随机大值，从而模拟单数据点数字化错误的k空间；k空间中一行或多行数据的丢失会引起不同程度的伪影，其中中央15%行数据的丢失会产生最大的伪影。因此，对于莫尔伪影的k空间仿真，可以在获得的k空间中随机选择某一相位编码步强度处于15%以下的相位编码行然后使其数据丢失，从而模拟射频线圈梯度不稳定的情况；著名的奈奎斯特伪影（nyquist artifact）可由许多可能的来源造成，包括不良匀场、梯度线圈加热、病人运动、接收器滤波器不对称、局部场变化和重建错误等。比如在快速变化的梯度脉冲的作用下，线圈和磁体外壳中感应出涡流，这些涡流反过来又会产生局部场，使总磁场发生改变，并使数据产生相位偏移。在epi序列中，这类伪影的产生很常见，最主要的原因与其独特的采样轨迹有关。epi序列在k空间通常是一个“之字形”的采样轨迹，每穿越一行k空间就产生一个回波，同时每隔一个回波就在另一个方向采集一次。为了重建图像，偶数回波必须进行时间反转，以便在傅里叶变换前与奇数回波相匹配。如果前向和后向回波不是彼此完美的镜像，那么就会在图像处理中引入奈奎斯特伪影。即使是第一个回波起点的简单延迟也会传播到所有后来的回波中，导致奇数和偶数回波的峰值之间出现轻微的时间差异。因此对于奈奎斯特伪影的k空间仿真而言，可以仿照它产生的方式在k空间中进行修改，从而使其奇偶回波不相匹配。具体地，将k空间中隔一行或每隔多行进行数据的删除或削弱，使其前向和后向回波不是彼此完美的镜像，就可以对奈奎斯特伪影进行k空间的仿真。
38.2.3：对修改后的k空间数据进行三维傅里叶变换重建成影像数据，所得到的影像数据即为对应伪影的仿真图像。3维k空间数据矩阵k的离散傅里叶变换img定义为：其中，表示图像域中第k维度的信息；表示k空间中第k维度的信息；分别代表每个维度的长度；分别表示每个维度的复单位根，其中i是虚数单位。
39.步骤3：磁化率伪影仿真相邻组织比如空气-组织界面或者骨头-组织界面等磁化率的不同，组织的诸如出血、铁沉积等病理性的改变等都会引起局部的磁场不均匀问题。组织或材料的原子、分子的顺磁磁化率用表示时，当在主磁场中它的磁化强度为，其中表示主磁场的磁感应强度，是真空磁导率，是主磁场的磁场强度。需要注意的是，这里的磁化强度并不是指人体中氢核的磁化强度，而是表示了由核外电子运动状态不同所造成的原子、分子级别的磁化率。主要是由组织或植入材料中的顺磁性离子，如铁离子（fe
3
,fe
2
）、钆(gd)离子、二价铜离子（cu
2
）、锰离子（mn
2
）等贡献的磁化率，这样的磁化率比原子核磁化率高出4~5个量级，在几个ppm到十几个ppm量级之间。倘若在局部出现出血等问题，出血处的铁离子就会出现聚集密度异常的现象，导致磁化率的大幅变化。对主磁场不均匀度敏感的序列，比如epi序列，所遭受的磁化率伪影也远比别的序列严重。
40.通过获得的影像信息构造磁化率模型，计算局部磁场变化，从而对磁场变化带来的图像畸变进行伪影仿真。图4表示了该实施例的颅脑磁共振平面回波成像磁化率伪影仿真流程图，其中从左向右，第一幅图表示初始没有伪影的正常影像，第二幅图表示建立的磁化率模型，第三幅图表示通过磁源-场分布公式得到的场图，第四幅图表示计算得到的具有磁化率伪影的影像。
41.3.1：构造磁化率模型。以颅脑磁共振成像为例，首先对获取到的epi序列的三维影像进行不同组织及空气区域的分割与识别，可使用人工勾画或自动分割勾画感兴趣区域（regionofinterest,roi）的方式。例如可以使用itk-snap软件进行半自动勾画确定不同组织或不同成分的感兴趣区域（regionofinterest,roi）的方式。根据先验正常人组织磁化率研究成果对不同组织roi赋予相应的磁化率值。以自由水为参考，颅脑主要成分的roi及其磁化率值包括：脑组织（相对磁化率为0.2），耳道、鼻腔空腔（相对磁化率为9.4），外界区域空气（相对磁化率为9.4），前额空腔（相对磁化率为7），颅骨（相对磁化率为-2.1），表皮及皮下脂肪（相对磁化率为0.65），眼球（相对磁化率为0.1），其他组织如脑脊液等相对磁化率为0。此时，人为地对某些特殊区域（比如空腔）的放大或引入强磁化率物质（如种植牙金属牙托）便可以对磁化率伪影产生的条件进行磁化率模型建立。
42.3.2：图5表示了某一磁源磁化率分布到局部磁场分布的原理示意图。通过磁源-场分布公式将磁化率图生成场图。以临床常用3.0t磁共振成像系统为例，主磁场强度设为
3.0t，主磁场方向设为z轴。
43.磁源-场分布公式为：其中，是观测点磁场感应强度，是观测点位置的磁化率分布，表示观测点位置，表示磁化率源点位置，是磁化率源点位置的磁化率分布， 是方 向与外加磁场方向的夹角，是卷积操作。
44.3.3：磁化率伪影的仿真。由于epi序列相位编码方向带宽远小于常规序列，再由偏共振效应的区域，比如本发明方法中仿真的磁场局部变化，就会产生图像的畸变。理想情况下磁共振成像测量得到的k空间数据可以表示为 ：其中，，m, n分别是k空间中不同编码方向的步长，为频率编码采样间隔，是对应图像空间的坐标，是相位编码梯度，是相位编码采样间隔，为相位编码双极脉冲包络面积，是氢原子的磁旋比；当成像的物体的某个空间区域处于偏离共振的状态，此时k空间引入额外的相位信息，当局部磁场变化量为的时候，每次激发下epi序列影像获得的k空间数据由下式描述：其中，是频率编码梯度，为回波时间间隔。
45.不难发现，此时原本位于（x, y）位置处的像素在变形的图像中会出现在位置(x’, y’)：此时，由于读出梯度相对很大，此时沿频率编码方向的位移x’往往可以忽略不计，因此在仿真磁化率伪影的处理上，可以仅考虑相位编码方向位移y’。
46.获得生成的场图后，通过上式可以很好地对局部磁场变化导致的连续像素错位带来的图像畸变进行计算，具体表现为，对于每个像素进行畸变计算，正常影像中处于坐标(x, y)处的像素经仿真计算畸变错位到坐标(x, y’)，从而对磁化率伪影进行仿真。
47.图6展示了本实施在颅脑磁共振平面回波成像中不同类型伪影的仿真结果。该结
果说明，使用本发明可以生成多种临床磁共振平面回波成像中常见的伪影类型。这有助于医生在通过该序列进行弥散加权成像、血氧分数成像等临床技术碰到不正常影像时能有较好的判别错误类型，从而正确采取匀场、稳射频等措施；同时，该仿真结果说明使用本发明可以创建大批量优质的伪影数据集，从而对各种伪影矫正相关的机器学习算法提供数据基础。
48.另一方面，本发明还提供了一种磁共振平面回波成像伪影仿真系统，该系统包括图像采集模块、k空间伪影仿真模块和磁化率伪影仿真模块；所述图像采集模块用于基于磁共振成像对成像目标进行epi序列的扫描，从而获取正常不带有伪影的epi序列影像；该模块的具体实现过程参考本发明提供的一种磁共振平面回波成像伪影仿真方法的步骤。
49.所述k空间伪影仿真模块用于进行k空间伪影仿真；基于图像采集模块得到的正常不带有伪影的epi序列影像还原k空间数据，针对条纹伪影、莫尔伪影和奈奎斯特伪影三种仿真情况，对k空间数据进行修改，然后重建出带有伪影的影像；该模块的具体实现过程参考本发明提供的一种磁共振平面回波成像伪影仿真方法的步骤。
50.所述磁化率伪影仿真模块用于进行磁化率伪影仿真；基于图像采集模块得到的正常不带有伪影的epi序列影像构建磁化率模型，重建磁场分布，然后重建出带有畸变伪影的影像，该模块的具体实现过程参考本发明提供的一种磁共振平面回波成像伪影仿真方法的步骤。
51.上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。