快速高分辨率磁共振成像中噪声抑制问题研究

Obtaining a high spatial and temporal resolution, and a high signal to noise ratio (SNR) is the most important goal in the technological developments and medical applications of magnetic resonance imaging (MRI). To shorten the scan time and to improve the image quality are always a pair of unsolved problems and unmet needs in MRI. This project focuses on improving the theories and methods of noise suppression in fast high-resolution MRI. It includes three parts. The first part describes how to optimize the contrast-to-noise ratio (CNR) of two pulse sequences, i.e. the FLASH (Fast Low Angle SHot) and bSSFP (balanced Steady State Free Precession). The second part addresses on the studies of pMRI based on radial trajectory sampling in order to accelerate the speed of data acquisition and reduce the phase encoding error. Several techniques will be examined to suppress the noise amplification of the pMRI reconstruction, which include the time-interleaved acquisition scheme, super-resolution technique, accurate estimation of temporal-variant coil sensitivity, the spatial-variant kernel function, the gridding method, self-calibrating GRAPPA (GeneRalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions) operator, methods for improving fast robust image reconstruction based on the TGRAPPA algorithm. The last part focuses on how to reduce the raw-data noise by exploring the inherent redundancy in k-spac raw data acquired by multiple-channel phased-array coils and methods to take advantages of spatio-temporal structural self-similarities for removing image noise. And this task aslo focuses on how to use the numerical simulation and volunteer study to validate the proposed methods. The validation indicates that the proposed method can successfully enhance the SNR of real-time high-resolution dynamic MRI. The project tackles the key problems in real-time MRI technology, and the results can greatly promote the applications of MRI in clinical diagnoses and treatments.

时间、空间分辨率不足和信噪比偏低是磁共振成像(MRI)技术发展和医学应用的主要障碍。本项目将致力于修正和完善快速高分辨率磁共振成像中噪声抑制的理论和方法。研究内容包括：根据成像参数和临床应用要求，研究基于FLASH和bSSFP的对比噪声比(CNR)优化的特殊脉冲序列；为加快数据采集速度和降低相位编码误差，研究多通道径向(Radial)轨迹采样的数据结构及可用于并行成像的采样特性，研究时域交叉采样、超分辨率技术、可变核函数、网格化方法等技术用于改进TGRAPPA方案来抑制原始数据的残余噪声传播；研究如何利用并行磁共振成像(pMRI)数据固有冗余来消除原始数据噪声和利用时空域结构自相似性来消除重建图像噪声。利用计算机仿真和MRI实验来验证所提出的磁共振噪声消除方法，实现人体组织器官实时高分辨率成像。本项目研究结果将极大提高成像速度和改善图像质量，并且促进MRI在临床诊断和治疗中的应用。

针对当今磁共振成像技术存在时间、空间分辨率不足和信噪比偏低等关键问题，本项目深入研究快速高分辨率磁共振成像中噪声抑制的理论和方法。研究内容主要包括: 颈动脉磁共振成像的射频线圈阵列的设计优化；特殊脉冲序列设计及并行磁共振成像重建算法优化；磁共振图像降噪方法及超分辨率技术。现有临床应用的商业颈动脉线圈阵列通常是4通道且分为2组的相控阵线圈，即每组由2个通道单元组成。当遇到人颈部较短或颈动脉深度较大的情况时，这种射频线圈的穿透深度、覆盖面积和信噪比有时难以满足要求。在本项目中，我们研制出一种用于磁场强度为3T的磁共振成像扫描仪的8通道相控阵接收线圈。所研制的射频线圈原型分为2组，每组由3个重叠的回路和1个蝶形回路构成。通过模体和人体实验初步发现，相比现有Machnet BV公司的商业4通道射频线圈，本项目所研制的颈动脉射频线圈在很多情况下能够显著提高信噪比，明显改善了穿透深度和覆盖面积。为了解决现有磁共振成像技术存在时间、空间分辨率偏低以及图像重建算法的噪声传播效应等问题，在本项目中，结合并行成像技术，我们提出了一种基于部分可分离函数模型的图像重建算法及其对应的特殊脉冲序列。仿真和实验结果表明，本项目所研制的脉冲序列能够有效地采集训练数据和图像数据，极大地减少了数据采集时间，基于部分可分离模型的图像重建算法能够有效地利用时空域数据结构模式来实现动态磁共振成像，明显地降低了噪声传播效应，显著地提高了磁共振成像的时间和空间分辨率。由于图像重建算法的噪声传播效应，磁共振图像依然存在噪声。在本项目中，我们提出一种基于低秩逼近的图像降噪方法，借助块匹配方法来搜索相似图相片，采用平行分析法来提取信号维度，利用加权平均法来生成参考图像，再使用维纳滤波去除噪声。随后，引入形状自适应核函数，提出一种新颖的基于核维纳滤波的图像降噪算法，进一步提高噪声消除效果。为了方便观察人体的解剖结构或病变，我们提出一种基于结构约束稀疏表示的图像超分辨率方法，根据图像不同尺度之间的固有冗余，设计逐级放大策略来初步估计高分辨率图像，然后利用不同分辨率图像之间的梯度分布相似性约束来建立图像超分辨率问题的稀疏模型，通过交替最小化方法求解目标高分辨率图像。仿真和实验结果表明，本项目所提图像复原方法有效地消除磁共振图像噪声，进一步提高了磁共振图像分辨率，为磁共振成像在临床诊断和治疗的应用提供支撑。