基于数据稀疏表示的实时G-SPEED磁共振成像技术研究

The scanning time of magnetic resonance imaging (MRI) is relatively long. This is due to the limitations of gradient system performance and physiological considerations. The original G-SPEED technique proposed here can largely shorten the scanning time of MRI by reducing the amount of acquired data. It overcomes the Shannon-Nyquist sampling limitation based on sparse representation of data in some transform domain. The reconstruction of G-SPEED is very fast with analytical solution and could be easily implemented with parallel computation. Real time reconstruction can be achieved by using graphic processing unit (GPU). This proposal is aimed to shorten the time of data acquisition and reconstruction, achieving real time monitoring and examination of patients, improving survival rate of emergency patients and the utilization of expensive MRI scanner. The study will mainly focus on 1) Sparse data representation of G-SPEED based on multi-resolution ghost model; 2) Mechanism of minor ghost and its suppression methods; 3) Objective quantification of ghosts for image evaluation and optimization of sampling scheme; 4) Parallel implementation based on GPU; 5) Optimization and combination with other fast imaging methods for practical applications.

磁共振扫描速度长期受到梯度系统性能和人体生理条件的限制，存在数据采集时间过长的问题。课题组前期研究的G-SPEED技术，基于数据在变换域的稀疏特性，突破了香农-奈奎斯特采样定理的限制，通过灵活地减少数据采集总量来缩短扫描时间；基于解析求解的过程使得G-SPEED的重建快速且易于并行实现；结合GPU图形处理器的并行加速，能获得实时的重建速度。本项目旨在通过基于数据稀疏表示的实时G-SPEED磁共振成像技术研究，减少磁共振成像的数据采集和重建时间，实现对病人实时监护和检查，以减少检查时间，提高重危病人的存活率,提高医院昂贵MRI设备的利用率。本项目主要研究1）基于多分辨率鬼影模型的G-SPEED数据稀疏表示方式；2）图像弱小鬼影的来源与抑制方法；3）鬼影敏感的图像客观量化准则和优化采集方案；4）基于GPU的并行加速实现；5）G-SPEED理论技术与其他快速成像方法的组合优化与应用。

本项目对基于数据稀疏表示的G-SPEED 磁共振成像技术进行了广泛深入的研究，主要包括以下几个方面的内容：1）研究适用于G-SPEED多分辨率鬼影模型的多种数据稀疏表示方式。提出了新的在离散小波变换域和离散余弦变换域进行多分辨率鬼影模型求解的G-SPEED的成像方法。研究结果表明离散差分变换、离散小波变换、离散余弦变换及其组合均可用于G-SPEED的稀疏数据表示，而在变换域缺失原图空间结构关系的变换，例如主分量分析、奇异值分解等稀疏变换不能用于G-SPEED的数据稀疏表示。此外，不同类型的数据适用于多分辨率鬼影模型的最优数据稀疏表示方式有所区别。2）研究图像弱小鬼影的来源与抑制方法。提出了基于迭代的iC-SPEED和基于奇异谱分析的SFA-SPEED成像方法，通过抑制低分辨率图像中的吉布斯环状伪影来提高鬼影阶数的预测精度，抑制弱小鬼影。3）研究鬼影敏感的图像客观量化准则和G-SPEED优化采集方案。提出基于秩判据和总相对误差最小的图像客观量化准则，研究了新的基于双组数据采集的C-SPEED优化采集方案，进一步提高了G-SPEED的数据采集速度。4）研究了基于奇异谱分析的部分k空间数据采集和重建算法、基于相位编码方向伪影抑制的压缩感知重建方法、和基于运动估计/运动补偿的动态磁共振成像方法。5）对研究的多种重建方法进行基于GPU的并行加速。本项目的研究可以进一步减少G-SPEED的数据采集和重建时间，提高G-SPEED成像质量，有助于显著减少病人做磁共振检查的时间，促进我国磁共振成像领域的发展。核心研究成果已发表于国际磁共振领域一流期刊Magnetic Resonance in Medicine；相关研究成果共发表文章16篇，其中SCI论文3篇，申请发明专利5项，其中已授权发明专利2项。