快速高分辨率高信噪比扩散成像的信号采样与重建方法研究

Diffusion imaging in MRI can probe microstructure of the tissue. It not only provides structural but also functional information, thus it has tremendous potentials in application of the clinical and neuroimaging. However, at the current momdent diffusion imaging uses single shot acqusitition method to suppress motion artifacts, which inevitably has low spatial resolution, low signal to noise ratio and image distortion artifacts. This hampers its wider and further development and application. This study proposed a novel signal acqusition and image reconstruction theory to address these issues, which includes, 1) to optimize variable density spiral trajectory to acquire complementary information from different diffusion weighted directions; 2) to use common information from different directions in each direction image reconstruciton for improved image resolution and signal to noise ratio. From MRI point of view, this study will break through the barriers of independent signal acqusition and indepednent image recontruction for different contrast images, which can difinitely improve the image speed and accuracy. Meantime, this study will solve the kernel issues in diffusion imaging and facilitate its application and development in various clinical situations and neuroscience research.

磁共振影像中通过扩散加权成像探测组织的微细结构，既可以获得结构信息，又可以产生类PET的功能信息，因此扩散成像在临床疾病诊断和神经科学研究中都具有巨大的应用潜力，是活体探测组织结构和功能的有力工具。然而目前扩散成像中广泛使用的一次激发采集的方法存在分辨率低、信噪比差和图像扭曲等问题，技术上的不足严重限制了扩散成像的发展与应用。本研究提出一种全新的信号采集和图像重建的方法来解决这些问题：1）全局优化不同扩散梯度施加方向上的变密度螺旋扫描轨迹以减少信息的重复采集；2）提取不同扩散梯度施加方向上的共同信息来提高每一方向上图像的分辨率和信噪比。从磁共振成像的角度来说，本研究突破了传统成像技术中每一对比度图像独立扫描和独立重建的束缚，它的成功可以对磁共振成像速度和精度的提高带来深远影响。同时，该研究将解决扩散加权成像中的关键技术问题，会大力推动其在科学研究和临床应用中的发展。

扩散磁共振成像可以探测组织的微细结构，既可以获得结构信息，又可以产生功能信息，因此扩散成像在临床疾病诊断和神经科学研究中都具有巨大的应用潜力，是活体探测组织结构和功能的有力工具。然而目前扩散成像中广泛使用的一次激发采集的方法存在分辨率低、信噪比差和图像扭曲等问题，技术上的不足严重限制了扩散成像的发展与应用。本研究从信号采集和图像重建的方法来解决这些问题。首先，我们利用多次激发的采集技术（EPI，Spiral和TSE等），解决了上面提到的传统DWI中的主要问题，如分辨率低和图像变形，建立一套完善的高速高清稳定的扩散成像方法。特别地，针对多次激发螺旋轨迹扫描成像，我们全局优化了不同扩散梯度施加方向上的变密度螺旋扫描轨迹以减少信息的重复采集。然后，针对多方向DWI之间存在的相似性，我们提出了在重建中使用群组稀疏性和各向异性的性质，采用压缩感知和并行成像结合的重建方法，提高图像的信噪比和信号采集速度。更进一步地，我们同时结合多层同时激发技术，提高图像的采集效率。使用这些新的扩散成像技术， 空间分辨率可以由原来的2mm提升到亚毫米如0.6mm，图像变形可以大幅降低或无变形（使用多次TSE技术）；同时，在采集效率上，可以做到平面内5倍加速，层间3层同时采集。项目累计产出SCI论文9篇，主要发表在《Magnetic Resonance in Medicine》《NeuroImage》等国际权威杂志上。申请了7个中国和美国专利申请。部分技术已经安装到国产MRI系统上。从磁共振成像的角度来说，本研究突破了传统成像技术中每一对比度图像独立扫描和独立重建的束缚，可以有效地提高成像的速度和精度，对技术的进步带来影响；同时，本研究解决了扩散加权成像中的部分关键问题。扩散图像分辨率和信噪比的提高对临床和研究具有现实意义。高分辨率和高SNR信息可以用来更好地检测小的病变组织，提高敏感度与准确性，其高分辨率、安全等特性可以使其和PET在功能信息提供上展开竞争，临床应用前景广泛。在神经科学的研究上，可以用到大脑结构连接的研究中，推动大脑网络连接研究的发展，为揭示大脑发育，发展，发病机制等提供更好地活体影像工具。因此，研究成果可以更好地推动DWI在临床和神经科学影像中的广泛应用。