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专利号: 2014105456735
申请人: 中国科学院深圳先进技术研究院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2024-12-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种动态磁共振图像成像方法,其包括:

获取基于部分可分离函数方法的采样模式所采集的K-t空间导航数据和动态图像数据;

基于部分可分离函数方法构建包含空间基函数与时间基函数的动态成像重建模型;

根据所述导航数据,获得所述时间基函数;

基于所述动态成像重建模型,利用所述时间基函数和动态图像数据,采用最小二乘法估计所述空间基函数,在所述采用最小二乘法进行估计时,对所述空间基函数进行L1范数的约束,获得所述空间基函数;

利用所述时间基函数和空间基函数对K空间的动态图像数据进行插值恢复,再进行傅里叶变换,从而获得重建后的动态磁共振图像。

2.根据权利要求1所述的动态磁共振图像成像方法,其特征在于,所述采用最小二乘法估计所述空间基函数时,最小二乘法估计的优化判据表示为下述公式(1):

其中,Ω是采样矩阵;Fs是一空间傅里叶变化矩阵;λ是正则化参数;d是所述动态图像数-1据; 表示空间基形变矩阵的估计值;Us表示空间基形变矩阵,即Us=Fs Uk,Uk表示空间基函数;CN×L表示软阈值算子,N表示K空间的所有像素点数,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶;|| ||2表示取2-范数;|| ||1表示取L1范数;Vt表示时间基函数;

根据所述优化判据获得对所述空间基形变矩阵的估计值,利用所述空间傅里叶变化矩阵求解获得所述空间基函数。

3.根据权利要求2所述的动态磁共振图像成像方法,其特征在于,所述空间基形变矩阵为行为N、列为L的矩阵,其中,N表示K空间的所有像素点数,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶。

4.根据权利要求2所述的动态磁共振图像成像方法,其特征在于,在根据所述优化判据获得对所述空间基形变矩阵的估计值时,引入下述公式(2)表示的Huber函数:

其中,t表示Huber函数 的输入,α表示控制参数;

将所述空间基形变矩阵Us输入所述Huber函数 后,去替换所述公式(1)优化判据中λ||Us||1部分内的所述空间基形变矩阵Us,然后求解所述优化判据,获得所述空间基形变矩阵的估计值。

5.根据权利要求4所述的动态磁共振图像成像方法,其特征在于,所述根据所述优化判据获得对所述空间基形变矩阵的估计值的过程包括:步骤10,调用按照下述公式(3)构建的对所述空间基形变矩阵进行最小二乘法估计的优化判据:

其中,G表示辅助矩阵,所述辅助矩阵G为行为N、列为L的矩阵,其中,N表示K空间的所有像素点数,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶;vec(G)表示将所述辅助矩阵G的列向量拉直转为多维向量;Fs是空间傅里叶变化矩阵;λ是正则化参数;Us表示空间基形变矩阵,即Us=Fs-1Uk,Uk表示空间基函数;|| ||2表示取2-范数;|| ||1表示取L1范数;α表示Huber函数的控制参数;|| ||F表示取F-范数;Vt表示时间基函数;

步骤20,基于所述控制参数α的一固定值,通过多次迭代的交替最小化求解过程求解所述公式(3)中的辅助矩阵和空间基形变矩阵,直至所述辅助矩阵和空间基形变矩阵的中间量均收敛;

步骤30,逐渐减小所述控制参数α的值,基于每一次调整所述控制参数α的调整值执行所述步骤20的交替最小化求解过程,直至将所述控制参数α的值减小到零,将最后一次迭代计算获得的所述空间基形变矩阵的中间量作为所述空间基形变矩阵的估计值。

6.根据权利要求5所述的动态磁共振图像成像方法,其特征在于,所述步骤20的过程包括以下步骤:步骤21,获取控制参数α的值;

步骤22,基于所述空间基形变矩阵的初始值,按照下述公式(4)计算所述辅助矩阵G的中间量;

其中,CN×L表示软阈值算子,N表示K空间的所有像素点数,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶;|| ||F表示取F-范数;vec(G)表示将所述辅助矩阵G的列向量拉直转为多维向量;l表示迭代次数, 表示第l次迭代时获得的所述空间基形变矩阵的中间量;G(l+1)表示第l+1次迭代时获得的所述辅助矩阵G的中间量;

步骤23,基于所述辅助矩阵的中间量,按照下述公式(5)计算此次迭代过程中的所述空间基形变矩阵的中间量,并将该空间基形变矩阵的中间量作为下一次执行步骤22时所述空间基形变矩阵的初始值:

其中,CN×L表示软阈值算子,N表示K空间的所有像素点数,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶; 表示第l+1次迭代时获得的所述空间基形变矩阵的中间量;Vt表示时间基函数;

步骤24,判断所述辅助矩阵的中间量和所述空间基形变矩阵的中间量是否均同时收敛;若否则将迭代次数加一,继续执行步骤22至步骤23;若是,则将最后一次迭代计算获得的所述空间基形变矩阵的中间量,作为基于所述控制参数α的另一调整值、执行所述步骤20时,所采用的所述空间基形变矩阵的初始值。

7.根据权利要求6所述的动态磁共振图像成像方法,其特征在于,所述步骤22的计算过程包括以下步骤:首先,提取第l次迭代时获得的所述空间基形变矩阵的中间量 中各个元素的值;

然后,判断所述空间基形变矩阵的中间量 的元素值的绝对值与所述控制参数α值的大小,当所述空间基形变矩阵的中间量 的元素值的绝对值小于所述控制参数α的值时,在所述辅助矩阵中的相应位置赋值为零;当所述空间基形变矩阵的中间量 的元素值的绝对值大于等于所述控制参数α的值时,在所述辅助矩阵中的相应位置赋值为下述公式(6)所表示的值:

其中,n=1,...,N,N表示K空间的所有像素点数;l1=1,...,L,L表示动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶; 表示第l+1次迭代时获得的所述辅助矩阵G的中间量中矩阵位置在(n,l1)处的值;Qn,l1表示第l次迭代时获得的所述空间基形变矩阵的中间量中矩阵位置在(n,l1)的值;α表示所述Huber函数中的控制参数;

最后,按照所述赋值后的结果形成N行、L列的矩阵,作为第l+1次迭代时获得的所述辅助矩阵的中间量。

8.根据权利要求6所述的动态磁共振图像成像方法,其特征在于,所述步骤23中按照所述公式(5)计算此次迭代过程中的所述空间基形变矩阵的中间量的过程包括以下步骤:首先,调用按照公式(7)构建的关联所述空间基形变矩阵的中间量 和辅助矩阵的(l+1)中间量G 的最优解方程:

其中,λ是正则化参数;α表示Huber函数的控制参数;A表示求导获得的矩阵Ω(FsUsVt),A*表示矩阵A的共轭矩阵;A*(d)中的d表示欠采的图像数据矩阵; 表示第l+1次迭代时获得的所述空间基形变矩阵的中间量;G(l+1)表示第l+1次迭代时获得的所述辅助矩阵G的中间量;I:C1×L→C1×L是单位算子,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶;

然后,利用共轭梯度算法迭代优化求解所述公式(7)中的所述空间基形变矩阵的中间量

9.一种动态磁共振图像成像系统,其特征在于,所述系统包括:

数据提取模块,用于获取基于部分可分离函数方法的采样模式所采集的K-t空间导航数据和动态图像数据;

模型构建模块,用于基于部分可分离函数方法构建包含空间基函数与时间基函数的动态成像重建模型;

时间基提取模块,用于根据所述导航数据,获得所述时间基函数;

空间基提取模块,用于基于所述动态成像重建模型,利用所述时间基函数和动态图像数据,采用最小二乘法估计所述空间基函数,在所述采用最小二乘法进行估计时,对所述空间基函数进行L1范数的约束,获得所述空间基函数;及图像恢复重建模块,用于利用所述时间基函数和空间基函数对K空间的动态图像数据进行插值恢复,再进行傅里叶变换,从而获得重建后的动态磁共振图像。

10.根据权利要求9所述的动态磁共振图像成像系统,其特征在于,所述空间基提取模块包括:模型构建单元,用于调用按照下述公式(1)构建的所述最小二乘法估计的优化判据:

其中,Ω是采样矩阵;Fs是一空间傅里叶变化矩阵;λ是正则化参数;d是所述动态图像数据; 表示空间基形变矩阵的估计值;Us表示所述空间基形变矩阵,即Us=Fs-1Uk,Uk表示空间基函数;CN×L表示软阈值算子,N表示K空间的所有像素点数,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶;|| ||2表示取2-范数;|| ||1表示取L1范数;

最优解计算单元,用于根据所述优化判据获得对所述空间基形变矩阵的估计值;及空间基求解单元,用于利用所述空间傅里叶变化矩阵求解获得所述空间基函数。

11.根据权利要求10所述的动态磁共振图像成像系统,其特征在于,所述模型构建单元中引入一Huber函数将所述优化判据变更为下述公式(3):

其中,G表示辅助矩阵,所述辅助矩阵G为行为N、列为L的矩阵,其中,N表示K空间的所有像素点数,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶;vec(G)表示将所述辅助矩阵G的列向量拉直转为多维向量;Fs是空间傅里叶变化矩阵;λ是正则化参数;Us表示空间基形变矩阵,即Us=Fs-1Uk,Uk表示空间基函数;|| ||2表示取2-范数;|| ||1表示取L1范数;α表示Huber函数的控制参数;|| ||F表示取F-范数;Vt表示时间基函数;

所述最优解计算单元包括:

交替最小化求解单元,用于基于所述控制参数α的一固定值,通过多次迭代的交替最小化求解过程求解所述公式(3)中的辅助矩阵和空间基形变矩阵,直至所述辅助矩阵和空间基形变矩阵的中间量均收敛;和控制参数调整单元,用于逐渐减小所述控制参数α的值,基于每一次调整所述控制参数α的调整值调用执行所述交替最小化求解单元,直至将所述控制参数α的值减小到零,将最后一次迭代计算获得的所述空间基形变矩阵的中间量作为所述空间基形变矩阵的估计值。

12.根据权利要求11所述的动态磁共振图像成像系统,其特征在于,所述交替最小化求解单元包括:控制参数获取单元,用于获取控制参数α的值;

第一计算单元,用于基于所述空间基形变矩阵的初始值,按照下述公式(4)计算所述辅助矩阵G的中间量;

其中,CN×L表示软阈值算子,N表示K空间的所有像素点数,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶;|| ||F表示取F-范数;vec(G)表示将所述辅助矩阵G的列向量拉直转为多维向量;l表示迭代次数, 表示第l次迭代时获得的所述空间基形变矩阵的中间量;G(l+1)表示第l+1次迭代时获得的所述辅助矩阵G的中间量;α表示Huber函数的控制参数;

第二计算单元,用于基于所述辅助矩阵的中间量,按照下述公式(5)计算此次迭代过程中的所述空间基形变矩阵的中间量,并将该空间基形变矩阵的中间量作为下一次执行步骤

22时所述空间基形变矩阵的初始值:

其中,CN×L表示软阈值算子,N表示K空间的所有像素点数,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶; 表示第l+1次迭代时获得的所述空间基形变矩阵的中间量;α表示Huber函数的控制参数;及第一判断单元,用于判断所述辅助矩阵的中间量和所述空间基形变矩阵的中间量是否均同时收敛;若否则将迭代次数加一,继续调用所述第一计算单元和第二计算单元;若是,则将最后一次迭代计算获得的所述空间基形变矩阵的中间量,作为基于所述控制参数α的另一调整值、调用所述交替最小化求解单元时所采用的所述空间基形变矩阵的初始值。

13.根据权利要求12所述的动态磁共振图像成像系统,其特征在于,所述第一计算单元包括:元素值提取单元,用于提取第l次迭代时获得的所述空间基形变矩阵的中间量 中各个元素的值;

第二判断单元,用于判断所述空间基形变矩阵的中间量 的元素值的绝对值与所述控制参数α值的大小,当所述空间基形变矩阵的中间量 的元素值的绝对值小于所述控制参数α的值时,在所述辅助矩阵中的相应位置赋值为零;当所述空间基形变矩阵的中间量的元素值的绝对值大于等于所述控制参数α的值时,在所述辅助矩阵中的相应位置赋值为下述公式(6)所表示的值:

其中,n=1,...,N,N表示K空间的所有像素点数;l1=1,...,L,L表示动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶; 表示第l+1次迭代时获得的所述辅助矩阵G的中间量中矩阵位置在(n,l1)处的值;Qn,l1表示第l次迭代时获得的所述空间基形变矩阵的中间量中矩阵位置在(n,l1)的值;α表示所述Huber函数中的控制参数;及输出单元,用于按照所述赋值后的结果形成N行、L列的矩阵,作为第l+1次迭代时获得的所述辅助矩阵的中间量。

14.根据权利要求12所述的动态磁共振图像成像系统,其特征在于,所述第二计算单元包括:优解模型构建单元,用于调用按照如下公式(7)所构建的关联 和G(l+1)的最优解方程:

其中,λ是正则化参数;α表示Huber函数的控制参数;A表示求导获得的矩阵Ω(FsUsVt),* *A表示矩阵A的共轭矩阵;A (d)中的d表示欠采的图像数据矩阵; 表示第l+1次迭代时获得的所述空间基形变矩阵的中间量;G(l+1)表示第l+1次迭代时获得的所述辅助矩阵G的中

1×L 1×L

间量;I:C →C 是单位算子,L表示所述动态成像重建模型中空间基函数与时间基函数的模阶;和梯度计算单元,用于利用共轭梯度算法迭代优化求解所述公式(7)中的所述空间基形变矩阵的中间量