本發(fā)明涉及磁共振代謝成像，具體涉及一種高時空分辨率的磁共振代謝成像采集與重建方法。

背景技術：

1、磁共振成像?(magnetic?resonance?imaging,?mri)?信號反映的是水及其屬性，并不能提供代謝信息。雖然磁共振代謝成像能夠直接檢測代謝物的特征譜峰，但磁共振代謝成像在技術上依然面臨諸多挑戰(zhàn)，其一是代謝分子濃度低，水在身體里面的濃度約50摩爾，而代謝分子的濃度通常小于10毫摩爾/升；其次，常規(guī)化學位移成像由于要獲取化學位移信息，不能使用頻率編碼而僅使用相位編碼進行空間編碼，使得化學位移成像過程中編碼效率低。

2、平衡穩(wěn)態(tài)自由進動（balanced?steady?-?state?free?precession，bssfp）技術是一種快速、高效的磁共振成像技術，其特征是在每個重復時間（ tr）周期內(nèi)，所有方向的梯度完全平衡，這使磁化矢量在每個重復時間 tr?期間形成一個穩(wěn)態(tài)。在這個穩(wěn)態(tài)下，縱向和橫向磁化矢量都對信號的形成作出了貢獻，產(chǎn)生了較高的信噪比。對于縱向弛豫時間為，橫向弛豫時間為的化合物，平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp的穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量公式可以表示為公式1：?（公式1）

3、其中，表示穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量，是自旋密度，是射頻脈沖的翻轉(zhuǎn)角，中間量，中間量。可以看出，平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp的穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量不僅取決于重復時間 tr，射頻脈沖的翻轉(zhuǎn)角等序列參數(shù)，還取決于代謝化合物自身屬性。尤其對于具有低比值的物質(zhì)能夠顯著提高信噪比，使其成為代謝成像的一個有吸引力的選擇。

4、平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp能夠顯著提高信噪比，尤其是低比值的氘代代謝物及超極化13c代謝物。但是化學位移平衡穩(wěn)態(tài)自由進動成像csi-bssfp技術會受到頻譜分辨率低的影響造成化合物圖像混疊，基于多回波平衡穩(wěn)態(tài)自由進動me-bssfp技術容易受磁場不均勻的影響形成暗帶。因此能同時不易受化合物圖像混疊和磁場不均勻性影響的高時空分辨率的磁共振代謝成像采集與重建技術目前還沒有相關文獻報道，屬于技術空白領域，是磁共振代謝成像技術領域亟待解決的關鍵問題。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供一種高時空分辨率的磁共振代謝成像采集與重建方法，在進行數(shù)據(jù)采集時使用磁共振成像采集方式，大大提高數(shù)據(jù)采集效率，最終采用基于化學位移的先驗知識進行代謝物圖像分離。

2、本發(fā)明的上述目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

3、一種高時空分辨率的磁共振代謝成像采集與重建方法，包括以下步驟：

4、步驟1、構建基于先驗知識的脈沖序列，基于先驗知識的脈沖序列依次包括多個平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列，在每個平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列中，每一步相位編碼對應的射頻脈沖之間增加一個脈沖相位差；

5、依據(jù)穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量對應初始信號強度和脈沖相位差的關系式，以及初始信號強度模擬預設值，仿真模擬待分離代謝物中各個代謝化合物對應的脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的信號仿真曲線，根據(jù)各代謝化合物的脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的信號仿真曲線確定基于先驗知識的脈沖序列中的各個脈沖相位差的數(shù)值；

6、根據(jù)待分離代謝物中代謝化合物的種類數(shù)量確定平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列的總數(shù)；

7、待分離代謝物中包括已知濃度代謝化合物和未知濃度代謝化合物；

8、步驟2、基于步驟1構建的基于先驗知識的脈沖序列，對應每個平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列采集待分離代謝物對應的磁共振圖像；

9、步驟3、依據(jù)各代謝化合物的穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量對應初始信號強度和脈沖相位差的關系式，對步驟2采集的磁共振圖像進行重建，得到各代謝化合物對應的初始信號分離圖像；

10、步驟4、基于已知濃度代謝化合物的初始信號強度均值和已知濃度代謝化合物的濃度均值，得出濃度轉(zhuǎn)化因子；利用濃度轉(zhuǎn)化因子將各代謝化合物對應的初始信號分離圖像轉(zhuǎn)換為對應的化合物濃度圖像。

11、相鄰的如上所述平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列之間，在層方向gz增加第一損毀梯度g1，相位編碼方向gy增加第二損毀梯度g2，讀出方向gx增加第三損毀梯度g3；在讀出方向gx采用頻率編碼進行空間編碼。

12、如上所述步驟1中依據(jù)穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量對應初始信號強度和脈沖相位差的關系式，以及初始信號強度模擬預設值，仿真模擬待分離代謝物中各個代謝化合物對應的脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的信號仿真曲線，具體包括如下步驟：

13、基于如下公式仿真模擬脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的信號仿真曲線：，

14、其中，表示第個代謝化合物的穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的模擬值；表示第個代謝化合物的初始信號強度模擬預設值，表示脈沖相位差預設范圍值；為代謝化合物的序號；為虛數(shù)單位，中間量，中間量，中間量，中間量，中間量，中間量；為縱向弛豫時間；橫向弛豫時間；為射頻脈沖的翻轉(zhuǎn)角；為磁場不均勻引起的頻率偏移；為第個代謝化合物的化學位移引起的頻率偏移，記為化學位移引起的頻率偏移；為重復時間，為回波時間；

15、將穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量分解為信號強度和相應的相位值，使脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的信號仿真曲線分解為脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的信號強度仿真曲線以及脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的相位值仿真曲線；

16、將各代謝化合物的脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的信號強度仿真曲線置于同一坐標系下；將各代謝化合物的脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的相位值仿真曲線置于另一坐標系下。

17、依據(jù)如下規(guī)則確定所述脈沖相位差的數(shù)值：

18、對于每個代謝化合物，各個確定的脈沖相位差的數(shù)值在脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的相位值仿真曲線中對應的穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的模擬值的相位值不同；

19、在同一平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列中所有相位編碼對應的脈沖相位差的數(shù)值相同；

20、確定的脈沖相位差的數(shù)值不在各個代謝化合物的脈沖相位差-穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量的信號強度仿真曲線中的bssfp信號暗帶區(qū)。

21、如上所述平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列的總數(shù)大于或等于代謝化合物的種類數(shù)量。

22、如上所述步驟2包括以下步驟：

23、步驟2.1、對感興趣區(qū)域進行區(qū)域勻場；

24、步驟2.2、采集一張非定域譜，通過非定域譜確定待分離代謝物中一種代謝化合物實際的化學位移引起的頻率偏移，如果代謝化合物實際的化學位移引起的頻率偏移與在步驟1仿真時的化學位移引起的頻率偏移不同，則調(diào)整基于先驗知識的脈沖序列的中心頻率直至代謝化合物實際的化學位移引起的頻率偏移與步驟1仿真時的化學位移引起的頻率偏移相同；

25、步驟2.3、依據(jù)步驟2.2得到的基于先驗知識的脈沖序列，對待分離代謝物進行磁共振圖像采集，每一個平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列對應采集一張磁共振圖像。

26、如上所述步驟3包括以下步驟：

27、基于回波不對稱迭代分解與最小二乘估計的重建算法反演計算如下公式得到每個代謝化合物對應的初始信號強度：，

28、其中，表示序號等于的磁共振圖像中所有代謝化合物的總穩(wěn)態(tài)橫向磁化矢量信號；表示平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列的序號，； n為平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列的總數(shù)；為第個代謝化合物的初始信號強度，記為初始信號強度； m表示待分離代謝物中代謝化合物的種類數(shù)量；為代謝化合物的序號，；為系數(shù)矩陣，系數(shù)矩陣中的元素滿足如下條件：，

29、表示第個平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp序列的脈沖相位差；表示系數(shù)矩陣中第 n行第 m列的元素；

30、將代謝化合物對應的初始信號強度以圖像形式呈現(xiàn)得到各代謝化合物的初始信號分離圖像。

31、如上所述步驟4包括以下步驟：

32、步驟4.1、依據(jù)如下公式計算出濃度轉(zhuǎn)化因子：，

33、為已知濃度代謝化合物的初始信號強度均值，為已知濃度代謝化合物的濃度均值；

34、步驟4.2、由如下公式計算各個代謝化合物的濃度：，

35、其中，為序號為的代謝化合物的濃度，為已知濃度代謝化合物對信號貢獻的分子數(shù)量，為代謝化合物對信號貢獻的分子數(shù)量；

36、將代謝化合物的濃度以圖像形式呈現(xiàn)得到對應的化合物濃度圖像。

37、一種計算機設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)任一項如上所述的磁共振代謝成像采集與重建方法的步驟1以及步驟3-4。

38、一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)任一項如上所述的磁共振代謝成像采集與重建方法的步驟1以及步驟3-4。

39、本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：

40、1、本發(fā)明利用平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp的頻率響應特性，采用磁共振成像采集模式，在讀出方向gx采用更為高效的頻率編碼進行空間編碼，相較于傳統(tǒng)化學位移成像在讀出方向gx和相位編碼方向gy全部采用低效的相位編碼進行空間編碼，本發(fā)明大大提升了數(shù)據(jù)的采集效率。

41、2、本發(fā)明根據(jù)先驗知識（即化合物的化學位移）設計的基于先驗知識的脈沖序列能夠根據(jù)待分離代謝物中的代謝化合物的種類數(shù)量調(diào)整磁共振圖像的采集數(shù)量，能夠滿足觀察不同代謝通路（即實現(xiàn)不同種類數(shù)量代謝化合物的分離）的需求，尤其是產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物的情況。

42、3、本發(fā)明設計的基于先驗知識的脈沖序列的重復時間 tr較短，信號增強效果更好，相比于其他基于平衡穩(wěn)態(tài)自由進動bssfp技術的成像方法，獲取的圖像信噪比更高，其次，bssfp信號暗帶區(qū)占比較少，不容易受到磁場不均勻的影響。

43、4、本發(fā)明采用的基于回波不對稱迭代分解與最小二乘估計的重建算法對磁場的不均勻性進行迭代分解，能進一步減弱磁場不均勻性的影響。

44、5、本發(fā)明采用的算法將信號強度值轉(zhuǎn)化為代謝化合物的濃度，能夠?qū)崿F(xiàn)對代謝化合物濃度的絕對定量，對活體的代謝分析提供了十分重要的指導意義。