快速高角分辨率磁共振扩散成像关键技术研究

高角分辨率扩散成像(HARDI)有重要临床意义，但因扫描时间过长尚未用于临床诊断。本项目研究快速HARDI成像的关键技术问题，显著缩短扫描时间。研究内容包括：加入高效率交错扩散敏感梯度磁场的多层面同步激发EPI方法；优化各层面激发次序，使各层面同步进入扩散效应准备阶段，保证各层面扩散权重相同，减小扩散梯度与成像梯度磁场之间的交叉项；针对HARDI数据集的特点，以压缩传感(CS)理论为基础，开发全采样与欠采样结合的快速信号采集及图像重建方法；HARDI数据中各方向扩散加权图像的畸变校正方法；利用球谐函数快速处理HARDI数据得到准确的体内水分子扩散信息，提出新的导出量准确描述水分子的各向异性扩散水平；结合多通道线圈及并行成像算法实现HARDI快速成像，满足临床应用的要求。本项目研究结果不仅可用于HARDI快速成像及数据分析，对其它MRI快速成像也有帮助。

高角分辨率扩散成像(HARDI)在临床及科研工作中有重要意义，但HARDI需要在数百甚至上千方向上采集扩散加权信息，导致其十分耗时且极易受运动影响。本项目研究快速HARDI成像的关键技术问题，经过四年的研究，本项目实现了预期目标。提出了一种基于压缩传感的快速高角分辨率扩散成像方法，使用交错螺旋可变密度方法，确定HARDI扩散敏感梯度磁场施加方向方案，相邻两个扩散加权图像差异很小，可使用基于参考图的CS方法，在保证图像质量的情况下有效缩短采集时间，此方法已经获得国家发明专利。为了保证HARDI使用的扩散敏感梯度磁场空间均匀性，以广义Fibonacci 数列为基础, 提出新的可以产生连续方向数目的扩散敏感梯度磁场方向分布方案, 整个方案的方向均匀性较好, 数据集内的部分数据仍然具有很好的空间均匀性, 而且本方案中相邻两个扩散敏感梯度磁场方向接近相反, 可以减小快速变化的高强度梯度磁场产生的涡流对结果的影响。为了准确得到人体内水分子的两种扩散系数，我们根据扩散加权成像数据特点，提出了双线性拟合(TLF)算法，TLF算法克服了常用L-M算法的初始值依赖性，而且计算速度快没有增解。缩短激发时间可以有效提高信号采集效率并可以减少病人的SAR，我们使用超短回波时间方法中的半SINC函数形激发方法，提出偏移轮辐线(SP)k空间采集方案，SP方法在k空间中心交错偏移各次扫描得到的数据，通过欠采样有效提高时间分辨率，同时减低混叠伪影的影响。HARDI得到的数据量巨大，我们提出一种运行于普通个人电脑平台上的并行方法，用于求解磁共振扩散张量成像中的超定线性方程组。利用CUDA使CPU与图形处理器(GPU)协同求解超定线性方程组。CPU用于数据准备与生成扩散矩阵。GPU中的大量流处理器并行用于迭代计算。基于扩散张量椭球的几何学信息,我们提出利用扩散椭球几何比(EGR)定量描述水分子扩散的各向异性程度, 实验发现EGR在不同级别噪声影响下的对比度效果和抗噪性都优于FA及EAR.而且EGR对于各向异性扩散程度较高的白质深层和相对均质的表层都有较好的量化区分结果。为了提高HARDI图像处理效率，辅助临床医生通过HARDI结果图像进行诊断，我们提出了多种图像分割算法。本项目共发表SCI收录论文7篇，国内重要期刊论文多篇，获得国家发明专利1个，出版学术专著1册，培养硕士研究生2个，博士研究生1人。