超短回波时间MRI中k空间轨迹失真校正方法的研究

Ultra-short echo-time (UTE) magnetic resonance imaging method could obtain ultra-fast relaxation sample images compare with conventional magnetic resonance imaging method which couldn’t get any signal, it has a good application prospect in scientific research and clinical diagnosis field. However, UTE pulse sequences begin to fill the k-space from edge of the gradient along the radial path, it makes UTE methods extremely sensitive to gradient eddy current and gradient delay which lead to serious artifact and affect the quality of images. This project will aim at the above problems, first analyze the effects of trajectory errors on UTE image, and second propose a correction method of k-space trajectory errors based on multi-objective optimization method. The proposed methods incorporate minimizing k-space trajectory curve and eddy current curve as two objective function to solve inaccurate calculation of gradient eddy current and delay and distinguish their impact. The methods could be used for improving image quality of UTE sequences, reducing scan time and developing new NMR methods. Finally, this project will establish a whole correction method of k-space trajectory errors for UTE MRI and provide more effective approach for experimental research and application on ultra-fast relaxation sample MRI.

超短回波时间（ultra-short echo-time，UTE）磁共振成像方法能够获得常规磁共振成像方法无法获取的超快弛豫样品图像，在科学研究和临床诊断上有着良好的应用前景。但是UTE 序列从梯度边沿开始沿射线轨迹采集数据填充k 空间，对梯度涡流和梯度延时等因素引起的k空间轨迹失真极度敏感，导致引入严重的图像伪影，降低磁共振图像重建的质量。针对UTE磁共振成像k空间轨迹失真的问题，本项目拟建立基于多目标优化问题的k空间轨迹失真校正方法，将最小化k空间轨迹曲线和梯度涡流曲线这两个目标函数相结合，引入多目标优化方法来解决梯度涡流和梯度延时计算不准确和难以区分二者影响的问题，用于改善UTE磁共振成像图像质量、减少扫描时间以及发展核磁共振实验新方法，本项目最终将建立一套完整的用于超短回波时间MRI中k空间轨迹失真校正的方法，为超快弛豫样品的磁共振成像实验研究及开发应用提供更高效的手段。

核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）方法与技术由于具有无损伤、无辐射、高分辨等优点，已广泛应用于医疗卫生、科学研究、工业生产、资源环境等领域。近年来基于UTE（Ultra-short TE imaging）序列的原位状态下超快弛豫样品的磁共振成像得到了快速发展，但与常规MRI成像方法相比，UTE序列从梯度边沿开始沿射线轨迹采集FID填充k空间，对梯度延时和梯度涡流等因素引起的k空间轨迹失真极度敏感，将会引起严重的图像伪影，包括模糊、阴影和几何变形等。针对UTE序列的上述问题，本项目开展了超短回波时间MRI脉冲序列中k空间轨迹失真校正方法的研究。主要研究内容包括：（1）梯度涡流与梯度延时分别对k空间轨迹失真影响的机理研究。（2）快速精确测量涡流曲线和k空间轨迹的实验方法研究。（3）基于多目标优化问题的k空间轨迹失真校正方法研究。项目基于自主研发的磁共振成像仪，获得了一些重要研究结果，包括：（1）完成了MRI系统中涡流的产生原因、表现形式和补偿模块的理论模型分析，基于该方法提出了一种基于分时复用技术的梯度预加重方法及装置，在0.35T MRI系统上验证了分时复用梯度预加重方法的可行性。（2）提出了一种采用激发对称偏中心的两个层面和正负梯度相结合的轨迹测量方法，结合UTE序列数据采集和图像重建方法，在自主研制的磁共振微成像系统中，实现了完整的2D-UTE序列编译、数据采集、K空间轨迹校正和图像重建方法，并基于该方法获得了无轨迹失真伪影的2D-UTE MRI图像，验证了本项目提出的超短回波时间MRI中K空间轨迹失真校正方法的有效性。本项目提出的分时复用梯度预加重方法和正负梯度相结合的轨迹测量方法能够有效的克服传统方法过于依赖测算准确性和信噪比的问题，为改善磁共振成像图像质量、降低扫描时间以及发展核磁共振实验方法提供了新途径。