基于非线性梯度编码的磁共振快速成像方法研究

It is a bottleneck that the scanning time of Magnetic Resonance Imaging (MRI) is long in clinical application, and gradient magnetic field coding is one of the key roles in fast imaging. Currently, conventional linear gradient magnetic field coding has achieved the imaging speed of "limit", and researching nonlinear gradient magnetic field coding has become one of the latest trends to further improve the imaging speed. The preliminary research has shown that nonlinear gradient magnetic field can reduce the scanning time, but the imaging mechanism not only becomes more nonlinear and complex, but also images create more image artifacts. This project is proposed to improve image quality under the nonlinear gradient magnetic fields by optimizing the wave gradient, so as to effectively reduce image artifacts in fast imaging, and realize in vivo fast imaging. The project includes: 1) to study the model and mechanism of nonlinear gradient magnetic field coding; 2) to proposed the optimized trajectory in k-space and pulse sequence of nonlinear gradient magnetic field coding; 3) to develop the image reconstruction algorithm which is suitable for nonlinear gradient coding in the highly under-sampling; 4) to experimentally evaluate the effectiveness of the proposed nonlinear gradient imaging method. The implementation of this project will provide a systematic and effective theory and method for the development of nonlinear gradient fast imaging, and promote its effective application in clinical applications.

磁共振成像扫描时间长一直是限制其在临床应用的瓶颈问题，其中梯度磁场编码是实现快速成像的关键角色之一。目前依靠线性梯度磁场编码已经基本达到了成像速度的“极限”，而研究非线性梯度磁场编码已经成为进一步提高成像速度的最新趋势之一。先期研究已经表明，通过引入非线性梯度磁场，虽然可以缩减扫描时间，但是其成像机制不仅变得更加非线性和复杂，而且图像中伪影也大增。本项目拟通过优化的波浪梯度来改进非线性梯度磁场下的成像机制，以有效减少快速成像时的伪影，从而实现活体下的高质量快速成像。具体包括：1）研究非线性梯度磁场编码的模型和机制；2）提出优化的非线性梯度磁场编码的欠采样成像轨迹和序列；3）设计和开发高度欠采样下适合非线性梯度编码的图像重建算法；4）实验评估在高度欠采样下非线性梯度成像方法的有效性。本项目的实施将为非线性梯度快速成像的发展提供系统而且有效的理论和方法，从而推动其在临床上的有效应用化。

医用磁共振成像的扫描时间长一直是限制其在临床应用的瓶颈问题, 其中梯度磁场及其编码方法是实现快速成像的关键角色之一。目前依靠线性梯度磁场编码已经基本达到了成像速度的极限，而研究新型编码机制和方法是提高磁共振成像速度的研究趋势之一。本项目结合国产医用高端磁共振装备的研发需求研究非线性、梯度编码与快速成像以满足临床医学应用需求。在本项目的研究内容中，具体地包括了以下几个方面：1）提出了应用于非线性梯度O-Space成像的双平面矩阵开放式结构的Z2非线性梯度线圈，以及建立基于原对偶算法的非线性梯度O-Space快速成像方法；2）基于非线性波浪梯度的磁共振快速成像模型，以及实现了三维快速成像的梯度回波序列；3）优化了基于非线性波浪梯度的磁共振快速成像的k空间轨迹，以及研制了基于截断式非线性波浪梯度的平衡稳态自由进动脉冲序列；4）研究了基于低秩拓普利兹结构的子空间模型，以及研制了基于非线性螺旋梯度的快速多参数成像的图像重建算法；5）实验评估在高度欠采样下快速成像方法的有效性，实现了磁共振快速三维全脑高分辨成像（12倍加速，0.8毫米ISO），以及腹部和脊髓成像（6倍加速，1.4毫米ISO）。本项目的实施为新型快速成像的发展提供系统而且有效的理论和方法，并且结合国产医用高端磁共振装备的研发需求，推动其在临床上的有效应用。