波谱学杂志, 2022, 39(3): 243-257 doi: 10.11938/cjmr20222976

研究论文

基于多弛豫信号补偿的快速磁共振T1ρ散布成像

刘元元1, 杨育昕1,2, 朱庆永3, 崔卓须3, 程静1, 刘聪聪1, 梁栋1,3, 朱燕杰,1

1. 保罗C.劳特伯生物医学成像研究中心, 中国科学院深圳先进技术研究院, 广东 深圳 518055

2. 药学与生物工程学院, 重庆理工大学, 重庆 400054

3. 医学人工智能研究中心, 中国科学院深圳先进技术研究院, 广东 深圳 518055

Accelerating T1ρ Dispersion Imaging with Multiple Relaxation Signal Compensation

LIU Yuan-yuan1, YANG Yu-xin1,2, ZHU Qing-yong3, CUI Zhuo-xu3, CHENG Jing1, LIU Cong-cong1, LIANG Dong1,3, ZHU Yan-jie,1

1. Paul C. Lauterbur Research Centre for Biomedical Imaging, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China

2. Department of Biomedical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China

3. Research Center for Medical AI, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China

通讯作者: 朱燕杰, Tel: 0755-86392243, E-mail:yj.zhu@siat.ac.cn

收稿日期: 2022-02-16  

基金资助: 中国科学院磁共振技术联盟仪器设备功能开发技术创新项目.  2020GZL006
国家重点研发计划课题.  2020YFA0712200
广东省基础与应用基础研究基金项目.  2021A1515110540
深圳市优秀科技创新人才培养项目.  RCYX20210609104444089
中国博士后科学基金面上项目.  2020M682990
中国博士后科学基金面上项目.  2021M69331
中国博士后科学基金面上项目.  2021M703390
广东省磁共振成像与多模系统重点实验室.  2020B1212060051

Received: 2022-02-16  

摘要

定量磁共振成像(MRI)可量化组织特性,是科学研究和临床研究的重要工具.旋转坐标系下的自旋-晶格弛豫时间(T1ρ)能反映水与大分子之间的低频交互作用,在3 T及以上的高场环境下,T1ρ受水和不稳定质子之间化学交换的影响较大,通过测量弛豫率随自旋锁定场强度的变化而得到其分布情况(T1ρ散布),可用于分析和量化质子的交换过程,因此T1ρ散布是一种重要的定量MRI技术.然而,获得不同自旋锁定场强下T1ρ加权图像的时间过长,限制了其应用范围.针对这一问题,本研究提出一种基于多弛豫信号补偿策略的快速T1ρ散布成像方法.该方法将不同锁定频率下的T1ρ加权图像补偿到同一信号强度水平,并结合低秩与稀疏建立重建模型.实验结果表明,该方法在加速倍数高达7倍时仍获得了较好的重建结果.

关键词: 磁共振定量成像 ; T1ρ散布 ; 信号补偿 ; 低秩与稀疏

Abstract

Magnetic resonance imaging (MRI) can quantify characteristic values of tissues, serving as an important tool for scientific and clinical research. Magnetic resonance T1ρ relaxation time reflects the low-frequency motional processes between water and macromolecules. At high fields of 3 T and above, T1ρ is greatly affected by the chemical exchange between water and exchangeable protons, and T1ρ dispersion measured with varying spin-lock fields can be utilized to analyze and quantify the proton exchange process. However, it is time-consuming to obtain T1ρ-weighted images with different spin-lock fields, which limits its application. To solve this problem, a fast T1ρ dispersion imaging method based on multiple relaxation signal compensation strategy is proposed in this work, which compensates the T1ρ-weighted images at different locking frequencies to the same signal strength level, and combines the low-rank plus sparse model in the reconstruction. Experimental results show that the proposed method achieves good reconstruction results even when the acceleration factor is up to 7.

Keywords: magnetic resonance quantitative imaging ; T1ρ dispersion ; signal compensation ; low-rank plus sparse

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刘元元, 杨育昕, 朱庆永, 崔卓须, 程静, 刘聪聪, 梁栋, 朱燕杰. 基于多弛豫信号补偿的快速磁共振T1ρ散布成像. 波谱学杂志[J], 2022, 39(3): 243-257 doi:10.11938/cjmr20222976

LIU Yuan-yuan. Accelerating T1ρ Dispersion Imaging with Multiple Relaxation Signal Compensation. Chinese Journal of Magnetic Resonance[J], 2022, 39(3): 243-257 doi:10.11938/cjmr20222976

引言

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)具有无电离辐射、无创伤且对比度丰富等优势,是临床诊断及疗效评估的重要医学影像工具之一.磁共振定量成像是利用MRI技术量化组织的物理或生理参数的方法,相较于常规的结构成像,定量成像在组织间区分时具有更高的敏感度.定量成像测量的参数范围广泛,不仅包括反映组织物理特性的磁共振弛豫时间(如T1T2)和质子密度等参数,还包括反映组织中水分子布朗运动、血流灌注等生理特性的扩散系数和灌注分数等[1-5].

磁共振自旋锁定成像是一种新型的磁共振定量成像技术,主要测量旋转坐标系下的磁共振自旋-晶格弛豫时间($ {T_{1\rho }} $),即外加自旋锁定射频场存在时纵向磁化矢量的弛豫时间.已有研究[6]表明,$ {T_{1\rho }} $弛豫率($ {R_{1\rho }} $$ {R_{1\rho }}=1/{T_{1\rho }} $)的变化对化学交换、pH和大分子浓度很敏感.由于自旋锁定频率远小于拉莫尔频率,因此$ {R_{1\rho }} $对细胞外水与复杂大分子(如蛋白质)之间的低频交互作用非常敏感,这为研究组织中蛋白质含量、水与大分子间的质子交换等低频运动提供了一种可行的方法[7].目前,该技术已被广泛应用于量化关节软骨和椎间盘中蛋白多糖含量[3, 8]、诊断肝纤维化[9],以及评估阿尔茨海默病等中枢神经系统疾病的病理过程[10].有文献[11, 12]表明,在3 T及以上的高场环境下,$ {T_{1\rho }} $受水和不稳定质子(主要为酰胺、胺以及羟基)之间化学交换的影响较大,$ {R_{1\rho }} $会随自旋锁定场的强度变化而改变,其分布情况($ {T_{1\rho }} $散布)可用于分析和量化质子的交换过程.

由于自旋锁定射频场场强$ {B_1} $与自旋锁定频率$ \omega $存在$ \omega= \gamma {B_1} $$ \gamma $为旋磁比)的关系,因此可以通过改变自旋锁定频率来实现不同的自旋锁定场强度.为了测量$ {T_{1\rho }} $散布情况,需要采集不同自旋锁定频率下的$ {T_{1\rho }} $定量图像,即多弛豫$ {T_{1\rho }} $定量成像,其成像时间是单个自旋锁定频率的数倍.较长的成像时间会带来一系列问题,如运动伪影增加、射频功率沉积高、患者不适等,而且扫描期间移位会导致定量准确性下降,降低该方法的应用价值.近年来,压缩感知(compressed sensing,CS)理论成为加快$ {T_{1\rho }} $定量成像速度的主流技术途径,该理论突破了传统奈奎斯特采样定理的限制,能够从少量的采样数据中极大概率地恢复出缺失信号,在该理论指导下,准确重建稀疏信号所需的采样数据显著减少[13].Bhave等[14]针对全脑$ {T_{1\rho }} $T2定量提出了一种盲压缩感知(blind CS,BCS)框架,该方法将每个像素的磁化演化建模为字典中基的稀疏线性组合,减少了全脑多参数定量成像的扫描时间,与其他CS和基于主成分分析的技术相比,其对运动更加鲁棒.Pandit等[15]将并行成像和CS技术相结合,并利用二维全变分作为稀疏变换对图像进行稀疏建模,将膝关节成像效率提高了2倍.在此基础上,Kamesh Iyer等[16]开发了一种快速的自由呼吸三维$ {T_{1\rho }} $定量成像序列,使用多线圈和CS重建技术快速重建欠采的k空间数据,该方法引入图像的三维全变分作为稀疏约束,并对重建模型的解法进行了改进,提高了重建效率,缩短了扫描时间.李嫣嫣等[17]提出了一种结合黄金角变密度螺旋采样、并行成像和基于同伦$ {l_0} $范数稀疏约束的三维动态MRI方法,在保持图像质量的同时实现了较高的空间和时间分辨率.上述基于稀疏约束的方法虽然展现了较好的重建效果,但其加速倍数仍受到一定限制.低秩性是稀疏性的拓展,近年来的研究[18-20]表明,结合低秩约束,可以达到更高的磁共振加速倍数,并提升图像重建质量.Zibetti等[21]结合低秩与稀疏(low-rank plus sparse,L+S)模型进行了膝关节软骨的$ {T_{1\rho }} $定量成像,结果表明相比于单一稀疏约束,L+S约束的方法极大地提高了重建质量并降低了定量误差.本文作者前期的研究[22, 23]表明,利用信号的物理弛豫先验信息,可以进一步提高图像数据的低秩性,从而提高重建性能.上述研究均应用于单个自旋锁定频率的定量成像,然而在$ {T_{1\rho }} $散布成像中,不同自旋锁定频率加权图像的信号演化随锁定频率的不同而变化,会降低总体图像矩阵的低秩性,导致重建性能下降.

本研究提出了一种基于多弛豫信号补偿策略的快速磁共振$ {T_{1\rho }} $散布成像方法.首先,通过信号补偿策略将不同锁定频率下的图像补偿到同一信号强度水平,在信号补偿之后,不同锁定频率下的加权图像被组合到一起,使得总体图像矩阵具有更强的低秩特性.在此基础上,结合磁共振动态成像中的L+S重建模型,提出了基于多弛豫信号补偿的L+S模型的快速$ {T_{1\rho }} $散布成像方法,在加速倍数高达7倍的情况下仍获得了较好的重建效果.

1 基于多弛豫信号补偿的L+S重建原理

1.1 多弛豫信号补偿

本文作者的前期研究[23]提出了一种单弛豫信号补偿策略,并将其应用于快速磁共振$ {T_{1\rho }} $定量成像.该方法利用图像信号指数衰减的物理弛豫先验,将原始图像信号乘以补偿系数以加强图像数据沿参数方向上的低秩性,并结合L+S模型,从欠采样数据中重建出与参考图像一致的加权图像.但该方法仅对单一自旋锁定场下的$ {T_{1\rho }} $加权图像进行补偿.在本研究中,需要获取不同锁定时间(time of spin-lock,TSL)和不同自旋锁定频率($ \omega $)下的$ {T_{1\rho }} $加权图像.$ {R_{1\rho }} $会随着自旋锁定场的不同而发生变化,这降低了$ {T_{1\rho }} $散布总体图像矩阵的低秩性,限制了成像加速倍数.如果通过多弛豫信号补偿策略,将每个自旋锁定场下的图像乘以其对应频率的补偿系数,就可以将所有加权图像补偿到与第一个TSL下获得的图像相同的信号强度水平;且经过补偿后,各自旋锁定场下的$ {T_{1\rho }} $加权图像组成的空间-时间矩阵的秩理论上为1.上述过程中,不同自旋锁定场下补偿系数(coef)的计算公式如下:

$ {\text{coef}}_{\omega ,n}=1/\mathrm{exp}(-{\text{TSL}}_{n}\times {R}_{1\rho }^{\omega })\text{,}\text{ }n=1,2,\cdots ,N $

其中,$ {\text{TS}}{{\text{L}}_n} $为第n个锁定时间;$ R_{1\rho }^\omega= 1/T_{1\rho }^\omega $,为自旋锁定频率$ \omega $下的$ {R_{1\rho }} $N为锁定时间的数量.

1.2 L+S重建模型

基于L+S矩阵分解的重建方法已广泛应用于快速磁共振动态成像中,并取得了较大成功[24-28].该方法将动态图像序列组成的空间-时间矩阵分解为低秩分量矩阵L和稀疏分量矩阵S的叠加,并通过求解以下凸优化问题来进行图像重建:

$ \arg \min \left\| L \right.\left\| {_* + \lambda } \right\|\mathit{\Psi }{\left. {(S)} \right\|_1}\quad {\rm{ s}}{\rm{.t}}{\rm{. }}\quad X=L + S$

其中,$ || \cdot |{|_*} $为矩阵的核范数;$ \mathit{\Psi } ( \cdot ) $为应用于稀疏分量S的稀疏变换(如傅里叶变换、全变分变换等);$ || \cdot |{|_1} $为矩阵的$ {L_1} $范数;X为待重建的图像;$ \lambda $为正则化参数,用于平衡$ {L_1} $范数项相对于核范数项的贡献.

1.3 基于多弛豫信号补偿的L+S模型

在本研究中,通过引入信号补偿策略,我们提出了基于多弛豫信号补偿的L+S模型的快速$ {T_{1\rho }} $散布成像(accelerating $ {T_{1\rho }} $ dispersion imaging using low-rank and sparse constraint with multiple relaxation signal compensation,$ {T_{1\rho }} $-DISC)方法,其重建模型可表示为:

$ \mathop {\min }\limits_{\{ {X_{\omega ,n}},L,S\} } ||L|{|_*} + \lambda ||TV(S)|{|_1}\;\;\;\;{\text{s}}{\text{.t}}{\text{.}}\;\;C({X_{\omega ,n}})=L + S,{\text{ }}E({X_{\omega ,n}})=d,{\text{ Rank}}(L)=1,{\text{ }}C({X_{\omega ,n}})={X_{\omega ,n}} \times {\text{coe}}{{\text{f}}_{\omega ,n}} $

其中,$ TV( \cdot ) $为应用于稀疏分量S的全变分变换;$ {X_{\omega ,n}} $为第n个锁定时间及自旋锁定频率$ \omega $下的$ {T_{1\rho }} $加权图像;d为欠采样的k空间数据;$ C( \cdot ) $执行逐像素的信号补偿;$ E=AFH $,为编码算子,其中A代表欠采样算子,F代表傅里叶变换算子,H代表线圈敏感度矩阵[27, 29]$ {\text{Rank}}( \cdot ) $代表图像矩阵的秩.图 1为本文提出的$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的流程图.

图1

图1   本文提出的T1ρ-DISC方法流程图

Fig.1   The flow diagram of the proposed T1ρ-DISC method


首先,从欠采样数据中提取不同自旋锁定频率下全采的k空间中心数据,利用该数据预估各自旋锁定频率下低分辨率的$ {R_{1\rho }} $定量图,并计算初始补偿系数.其次,将得到的补偿系数通过多弛豫信号补偿策略对不同自旋锁定频率的$ {T_{1\rho }} $加权图像进行补偿.然后,将补偿后的$ {T_{1\rho }} $加权图像序列组成的低秩空间-时间矩阵分解成低秩分量L和稀疏分量S,并分别采用迭代奇异值阈值法以及软阈值法来求解L的核范数和$ TV(S) $$ {L_1} $范数.最后,在每次迭代中,通过施加数据一致性项得到信号补偿后的重建图像,对此图像逐点除以补偿系数即可得到重建图像,并从重建图像中估计出新的$ {R_{1\rho }} $定量图,利用该$ {R_{1\rho }} $定量图可更新补偿系数.重建和信号补偿系数的更新步骤交替重复,直至收敛,其中软阈值算子$ ST( \cdot ) $定义如下:

$ ST(p)=\frac{p}{{|p|}}\max (0,|p| - v) $

上式中,p表示图像矩阵中的某一元素,v为设定的阈值.与传统L+S重建方法中L的求解方法不同的是,由于经过信号补偿后各自旋锁定场下$ {T_{1\rho }} $加权图像组成的空间-时间矩阵的秩理论上为1,因此我们定义奇异值阈值算子$ SVT( \cdot ) $如下:

$ SVT(B)=W\Lambda (\Sigma ){V^H} $

其中,$ B=W\Sigma {V^H} $表示对B进行奇异值分解,W为左奇异矩阵,$ \Sigma $为奇异值矩阵,$ {V^H} $为右奇异矩阵;$ \Lambda (\Sigma )=\max (\Sigma ) $,为将最大的奇异值提取出来的操作算子.在第j次迭代中,数据一致性项可表示为$ {U_j}={L_j} + {S_j} - C({E^*}(E{C^{ - 1}}({L_j} + {S_j}) - d)) $,其中$ {E^*} $E的伴随算子,其执行E的反向操作,$ {U_j} $表示补偿后重建的图像,$ {C^{ - 1}}( \cdot ) $表示将图像逐点除以根据(1)式计算得到的补偿系数,当两次连续迭代中重建图像之间的相对误差$ {\text{norm}}({U_j} - {U_{j - 1}})/{\text{norm}}({U_{j - 1}}) $小于预定义值,或当迭代次数达到最大值时,算法迭代终止.完整的算法流程描述如下:

  输入:d:欠采样的k空间数据
     E:编码算子
     $ {\text{TS}}{{\text{L}}_n} $:第n个锁定时间
  输出:X:重建图像
  1.初始化$ {X^0}={E^*}(d) $和初始$ {T_{1\rho }} $定量图$ T_{1\rho }^{{\omega ^0}} $
  2.对于外部迭代$ i=1,2, \cdots $,执行下述步骤直至收敛:
    [1] 计算$ {\text{coef}}_{\omega ,n}^{i}=1/\mathrm{exp}(-{\text{TSL}}_{n}\times {R}_{1\rho }^{{\omega }^{i-1}}),\text{ }n=1,2,\cdots ,N $
    [2] $ U_0^i=C({X^{i - 1}}) \times {\text{coef}}_{\omega ,n}^i $
    [3] 初始化$ {S_0}=0 $
    [4] 对于内部迭代$ j=1:J $,执行下述步骤:
      a. 更新$ {L_j} $$ {L_j}=SVT(U_{j - 1}^i - {S_{j - 1}}) $
      b. 更新$ {S_j} $$ {S_j}=ST(U_{j - 1}^i - {L_j}) $
      c. 数据一致性$ U_j^i={L_j} + {S_j} - C({E^*}(E{C^{ - 1}}({L_j} + {S_j}) - d)) $
    [5] 内部迭代结束
    [6] $ {X^i}={C^{ - 1}}(U_j^i) $
    [7] 利用$ {X^i} $更新$ R_{1\rho }^{{\omega ^i}} $
    [8]外部迭代结束

1.4 T1ρ 弛豫模型

在本研究中,我们采用单指数模型来测量弛豫率:

$ M={M}_{0}\mathrm{exp}(-{\text{TSL}}_{n}\times {R}_{1\rho }^{\omega })\text{,}\text{ }n=1,2,\cdots ,N $

其中,M为在不同自旋锁定时间下得到的信号强度;$ {M_0} $为不施加自旋锁定脉冲的基准信号强度;$ R_{1\rho }^\omega= 1/T_{1\rho }^\omega $,为自旋锁定场频率$ \omega $下的$ {R_{1\rho }} $.我们采用Levenberg–Marquardt算法[30]作为拟合方法,通过对每一自旋锁定频率下的$ {T_{1\rho }} $加权图像进行逐点的非线性拟合,即可得到$ R_{1\rho }^\omega $.

2 在体实验

我们利用所提的$ {T_{1\rho }} $-DISC方法对人体在体实验数据进行了分析,主要研究该方法在不同欠采样加速倍数条件下的表现情况,并将$ {T_{1\rho }} $-DISC方法与L+S方法[27]及BCS方法[14]进行了对比,通过观察和分析相同条件下3种方法的重建图像质量来比较它们的重建性能.

所有在体实验均经中国科学院深圳先进技术研究院人体实验伦理管理委员会批准,并在实验开始前获得了每位志愿者的知情同意.我们招募了8名健康志愿者(男性4名、女性4名,年龄为24±3岁),在3 T MRI系统(uMR 790,上海联影)上利用商用的32通道头部线圈进行了脑部$ {T_{1\rho }} $加权成像实验.我们将改进的配对自补偿自旋锁定$ {T_{1\rho }} $准备脉冲[31]加入二维快速自旋回波序列中进行单层扫描,并分别在自旋锁定时间TSL=0、15、25、45、65 ms,锁定频率$ \omega= $100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 Hz下采集全采样的$ {T_{1\rho }} $加权图像数据.回波时间(echo time,TE)= 22.32 ms,脉冲重复时间(time of repetition,TR)= 2 500 ms,激发脉冲翻转角为90˚,回聚脉冲翻转角为180˚,回波链长为16,像素大小为0.78×0.78 mm2,矩阵大小为256×256,层厚为5 mm.

本研究首先通过回顾性实验对数据进行欠采样,采用变密度和可调时间分辨率的笛卡尔欠采样方案[32],设计了加速倍数$ R=$4、5、6、7的欠采样模板,图 2显示了$ R=$4和7所对应的欠采样模板.在上述模板中,为了预估初始的信号补偿系数,我们对k空间中心数据进行全采样,$ R=$4、5、6、7下全采样k空间中心线与总的相位编码线数的比例分别为0.1、0.1、0.08、0.08.同时我们采用第一帧的k空间中心数据来估计线圈敏感度矩阵.为了获得较为准确的线圈敏感度矩阵,我们将第一帧的k空间全采样比例设为较大的数值,分别为0.2($ R=$4)、0.2($ R=$5)、0.12($ R=$6)、0.12($ R=$7).对不同加速倍数下的欠采样数据,我们利用提出的$ {T_{1\rho }} $-DISC方法进行了重建,同时根据(6)式估计了不同自旋锁定频率下的$ {R_{1\rho }} $.选取感兴趣区域(region of interest,ROI),分析了不同自旋锁定频率下ROI内$ {R_{1\rho }} $均值的变化趋势,并将其与全采样数据的参考结果进行对比.所有重建、拟合以及定量评估均在CPU为Intel(R)Core(TM)i7-9700 CPU 3.00GHz、内存为32 GB DDR4RAM的台式电脑上通过MATLAB软件进行.

图2

图2   加速倍数R分别为(a) 4和(b) 7时,相位编码-帧方向的欠采样模板

Fig.2   The undersampling mask with the acceleration factor R=4 (a) and R=7 (b)


为了进一步展示本文提出的$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的重建性能,我们对每一自旋锁定频率的图像数据采用主流的CS方法(包括L+S和BCS方法)分别进行了重建,并将$ {T_{1\rho }} $-DISC方法重建的图像与上述两种方法的重建结果进行了对比.在此过程中,各方法的重建参数如下:在$ {T_{1\rho }} $-DISC方法中,软阈值算子的阈值$ v=$0.02,稀疏分量S的阈值为0.005,内外循环的迭代次数分别为50和6,相对误差阈值设置为10−5;在L+S方法中,低秩分量L的奇异值阈值算子的阈值为0.015,迭代次数为20;在BCS方法中,字典的原子数为40,内外循环的迭代次数分别为20和8.

我们对比了不同方法的计算复杂度,并以归一化均方根误差(normalized root mean square error,nRMSE)、结构相似指数(structural similarity index,SSIM)[33]、峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio,PSNR)[34]为指标,对不同加速倍数下各方法的重建图像进行了定量分析.nRMSE的定义如下:

$ {\text{nRMSE}}=\sqrt {||{X_{{\text{est}}}} - X||_2^2/||X||_2^2} $

其中,$ {X_{{\text{est}}}} $为重建的$ {T_{1\rho }} $加权图或$ {R_{1\rho }} $定量图,X为使用全采样数据估计的$ {T_{1\rho }} $加权图或$ {R_{1\rho }} $定量图.此外,我们利用Wilcoxon符号秩检验[35]计算了各方法重建指标结果之间的P值,并设置显著性水平为P<0.05进行了相关分析.

3 结果与讨论

3.1 不同重建方法的重建性能对比

图 3图 4分别显示了某一志愿者$ \omega= $100、500 Hz,TSL=25 ms,加速倍数$ R=$4、7条件下使用$ {T_{1\rho }} $-DISC、L+S和BCS方法进行回顾性欠采样重建的$ {T_{1\rho }} $加权图像、重建图像与参考图像之间的误差图及相应的nRMSE,参考图像由全采样k空间数据经过傅里叶变换重建获得.可以看到,用L+S方法重建的图像上出现了明显的混叠伪影,并有一定程度的模糊.BCS方法重建的结果对于图像模糊有了一定的改善,但在$ R=$4时其重建的$ {T_{1\rho }} $加权图像噪声较大,且$ R=$7其重建图像上也存在较为明显的伪影.而$ {T_{1\rho }} $-DISC方法重建的图像上,伪影和模糊都得到了较大程度的改善,噪声也得到了一定的抑制,其重建图像在视觉上与参考图像相当.附件材料(扫描文章首页OSID二维码或在论文网页版可查看)中图S1和S2分别显示了$ \omega= $100、500 Hz,TSL=25 ms,加速倍数$ R=$5和6时,上述3种方法的重建结果,也可以得到相同的结论.

图3

图3   R=4和7时,经T1ρ-DISC、L+S和BCS方法重建的T1ρ加权图像及误差图(ω=100 Hz,TSL=25 ms)

Fig.3   Reconstructed T1ρ weighted images and error maps obtained by T1ρ-DISC, L+S and BCS methods at R=4 and R=7 (ω=100 Hz, TSL=25 ms)


图4

图4   R=4和7时,经T1ρ-DISC、L+S和BCS方法重建的T1ρ加权图像及误差图(ω=500 Hz,TSL=25 ms)

Fig.4   Reconstructed T1ρ weighted images and error maps obtained by T1ρ-DISC, L+S and BCS methods at R=4 and R=7 (ω=500 Hz, TSL=25 ms)


表 1显示了所有志愿者不同加速倍数下各方法重建的所有锁定频率以及TSL下$ {T_{1\rho }} $加权图像(每名志愿者采集了5×10=50幅加权图像,8名志愿者共400幅图像)的nRMSE、PSNR、SSIM的均值±标准差.与其他两种方法相比,所有加速倍数下,$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的SSIM和PSNR指标值均大于其他两种方法;从nRMSE定量分析指标来看,$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的重建误差最低.此外,我们选取nRMSE指标进行了重建准确度对比分析,重建准确度计算方式为相应加速倍数下,$ {T_{1\rho }} $-DISC方法得到的nRMSE与L+S方法和BCS方法得到的nRMSE之间的相对误差.在$ R=$4下,$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的重建准确度较L+S方法提高了35.1%,较BCS方法提高了20.5%;在$ R=$5下,$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的重建准确度较L+S方法提高了43.3%,较BCS方法提高了17.8%;在$ R=$6下,$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的重建准确度较L+S方法提高了47.4%,较BCS方法提高了21.9%;在$ R=$7下,$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的重建准确度较L+S方法提高了52.2%,较BCS方法提高了23.3%.附件材料中表S1显示了三种重建方法间各指标评价指标的P值结果,可以看到,$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的指标结果与其他两种方法的指标结果存在显著性差异(P值均小于0.05),这表明$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的指标结果显著优于其他两种方法.

表1   各加速倍数下,各方法重建的所有自旋锁定频率下T1ρ加权图像的nRMSE、PSNR及SSIM的均值±标准差对比

Table 1  Comparison of the mean±standard deviation values of nRMSE, PSNR and SSIM of the reconstructed T1ρ-weighted images under all spin-lock frequencies using each method at each acceleration factor

R=4R=5R=6R=7
nRMSEL+S0.0538±0.01440.0675±0.01870.0835±0.02340.1010±0.0232
BCS0.0439±0.01800.0466±0.01170.0562±0.01610.0630±0.0166
T1ρ-DISC0.0349±0.01150.0383±0.01470.0439±0.01690.0483±0.0187
PSNRL+S17.1353±0.206917.0752±0.268616.7938±0.322716.5361±0.3010
BCS17.3670±0.201417.4463±0.243117.4215±0.250417.3205±0.2271
T1ρ-DISC17.5279±0.198117.6060±0.207917.5362±0.254417.4039±0.2585
SSIML+S0.6785±0.01930.6408±0.02290.6033±0.02610.5757±0.0217
BCS0.6800±0.05290.6727±0.01840.6481±0.02190.6360±0.0210
T1ρ-DISC0.7148±0.01790.7035±0.02230.6916±0.02550.6853±0.0268

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图 5图 6分别显示了$ \omega= $100、500 Hz,$ R=$4和7时,对图 3图 4中同一志愿者数据根据各重建方法的重建结果拟合得到的$ {R_{1\rho }} $定量图像、定量图像与参考图像之间的误差图及相应的nRMSE,参考图像由全采样k空间数据经傅里叶变换至图像并经过拟合而得到.同样地可以看到,根据$ {T_{1\rho }} $-DISC方法重建图像拟合得到的$ {R_{1\rho }} $定量图像的nRMSE在不同加速倍数下均低于L+S和BCS方法,且在高加速倍数下($ R=$7),L+S和BCS方法得到的$ {R_{1\rho }} $定量图像上伪影更为明显.附件材料中图S3和S4分别显示了$ \omega= $100、500 Hz,加速倍数$ R=$5和6时,根据上述3种方法的重建图像拟合得到的$ {R_{1\rho }} $定量图像结果.

图5

图5   R=4和R=7时,经T1ρ-DISC、L+S和BCS方法重建得到的R1ρ定量图及误差图(ω=100 Hz)

Fig.5   R1ρ maps and error maps obtained by T1ρ-DISC, L+S and BCS methods at R=4 and R=7 (ω=100 Hz)


图6

图6   R=4和7时,经T1ρ-DISC、L+S和BCS方法重建得到的R1ρ定量图及误差图(ω=500 Hz)

Fig.6   R1ρ maps and error maps obtained by T1ρ-DISC, L+S and BCS methods at R=4 and R=7 (ω=500 Hz)


3.2 计算复杂度对比

根据第2节“在体实验”中$ {T_{1\rho }} $-DISC、L+S、BCS三种方法的参数设置,我们对比了各方法在不同加速倍数下的时间消耗情况,如表 2所示.可以看出,由于在每次迭代中,$ {T_{1\rho }} $-DISC方法需要拟合新的$ {R_{1\rho }} $定量图并更新补偿系数进行信号补偿,因此其时间消耗要比L+S方法多;BCS方法使用了共轭梯度算法对子问题进行求解,其时间消耗最多.

表2   各算法的计算复杂度对比

Table 2  Computational complexity of each method

T1ρ-DISCL+SBCS
R=4115 min2 min932 min
R=5117 min3 min1112 min
R=6112 min3 min898 min
R=7114 min3 min802 min

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3.3 不同自旋锁定频率下R1ρ的变化规律

为了研究不同自旋锁定频率下$ {R_{1\rho }} $的变化规律,我们将各自旋锁定频率下经$ {T_{1\rho }} $-DISC重建的$ {T_{1\rho }} $加权图像进行拟合得到的不同的$ {R_{1\rho }} $定量图,选取了脑部白质区域作为ROI,统计了所有志愿者不同自旋锁定频率下$ {R_{1\rho }} $定量图中ROI内的平均$ {R_{1\rho }} $值,并与全采样的参考值进行了对比.图 7显示了$ R=$4、5、6、7时,$ {R_{1\rho }} $随自旋锁定频率$ \omega $的变化曲线.可以看到,在各加速倍数下,通过$ {T_{1\rho }} $-DISC方法重建测得的$ {R_{1\rho }} $值与全采样参考值保持了很好的一致性.$ {R_{1\rho }} $值随着锁定频率的增大而逐渐减小,这与已有相关研究报道的结果[36]是相同的.由于$ {R_{1\rho }} $值对于分子的低频运动敏感,因此低频下其值较高.

图7

图7   R=4、5、6、7时,利用T1ρ-DISC方法的重建图像拟合计算得到的R1ρ随自旋锁定频率的变化曲线

Fig.7   Curves of the R1ρ values, calculated by fitting the reconstructed images using the T1ρ-DISC method at R=4, 5, 6, 7, as a function of spin-lock frequency


3.4 讨论

$ {T_{1\rho }} $散布成像需采集多个锁定频率下的图像,所需时间较长,因此需要寻求一种高加速倍数下的重建方法.本研究提出了一种基于多弛豫信号补偿的L+S重建方法,在7倍加速下仍然保持了较好的重建效果.现有研究中,文献[27]提出了基于L+S的重建方法在动态MRI中取得了较好的成效,但在存在多个锁定频率的应用场景中,将多个锁定频率下的图像叠加后,该方法会降低总体图像数据组成的空间-时间矩阵的低秩性.本文作者在前期研究[23]中提出了单弛豫信号补偿策略,并应用于快速磁共振$ {T_{1\rho }} $定量成像中,但该方法仅针对单个自旋锁定频率下的图像进行补偿.本研究提出的多弛豫信号补偿新策略,针对多自旋锁定频率下的$ {T_{1\rho }} $定量成像,根据不同自旋锁定频率计算不同的补偿系数,并对相应锁定频率下的图像进行补偿,有效提高了图像矩阵的低秩性.为了验证多弛豫信号补偿策略降低矩阵秩的有效性,我们对不同加速倍数($ R=$4和7)下信号补偿前后的加权图像组成的空间-时间矩阵进行了奇异值分解,并设置了固定的阈值(阈值大小为最大奇异值的0.03倍),对分解后的奇异值进行了硬阈值操作,我们将经过阈值截断后的非零奇异值的个数定义为矩阵的秩.在4倍或7倍加速下,在对信号进行补偿之前,图像矩阵的秩都为4,而在进行信号补偿之后,图像矩阵的秩为1,因此多弛豫信号补偿策略大大提升了数据的低秩性,从而有利于提升重建图像质量.

本研究所提的$ {T_{1\rho }} $-DISC方法将信号物理弛豫先验信息引入重建中,其重建质量的定量分析指标优于其他同类方法,如L+S和BCS等.与L+S方法不同,本方法中的稀疏分量S不再表示磁共振图像动态前景,而是表示$ {T_{1\rho }} $加权图像中的扰动.$ {T_{1\rho }} $-DISC方法采用了参数定量成像中常用的单指数模型作为组织弛豫模型.如果图像中的每个像素都完全遵循单指数弛豫,那么补偿后的图像与实测数据之间的差异就是噪声,此时无需使用S分量.但是在真实的MRI中,由于磁共振系统硬件的不完美或部分组织组成成分的复杂性,使得组织不严格按单指数模型进行弛豫,因此有必要使用S分量[23].S分量表征了这些不符合弛豫模型的组织.如果只有L分量,重建图像会变得比较模糊;而如果只有S分量,则部分伪影无法去除(附件材料中图S5).

此外,本方法降低了传统基于低秩先验的重建方法中秩参数选择的敏感性.在传统的基于低秩先验的方法中,秩的参数通常是按经验选择的,需要根据成像序列和噪声水平仔细调整.由于实际数据的复杂性,有时很难选择一个最佳参数.而在$ {T_{1\rho }} $-DISC方法中,经过信号补偿后由于加权图像空间-时间矩阵的秩为1,因此秩参数的选择得到了简化.信号补偿的关键是将图像信号在时间方向上缩放到相同的强度水平,在此过程中,$ {T_{1\rho }} $加权图像中的噪声也随之被放大了,但是在$ {T_{1\rho }} $-DISC方法的重建过程中,由于$ {C^{ - 1}}( \cdot ) $算子的存在,补偿后的图像在经过重建之后进行了补偿的逆操作,这一过程部分地消除了噪声放大的影响.在我们的实验中,所有$ {T_{1\rho }} $加权图像的nRMSE都较低,噪声放大的影响可以被忽略.本研究所提方法的所有重建参数均是根据经验进行选择的,在实验中,我们发现内循环的迭代次数对重建结果的影响较大:在外循环迭代次数保持一定的情况下,内循环迭代次数较少时重建图像上存在明显的混叠伪影;当内循环迭代次数增大时,伪影得到了去除.除内循环迭代次数之外,稀疏分量的阈值也需要仔细调整.同时我们发现,对于不同的TSL和$ \omega $,阈值取值在0.005~0.020时,可以获得最佳的重建质量.

由本文展示的实验结果可以发现,在$ R=$7高倍加速下,$ {T_{1\rho }} $-DISC方法重建的图像还存在着一定的模糊,这可能是由于S分量的奇异值阈值算子中阈值设置过大造成的.我们在实验中发现,S分量中其实是有部分的图像细节存在的,但在重建过程中求解S的奇异值阈值算子的阈值v是根据经验设置的.如果v值过小,图像中由于高倍欠采样造成的伪影无法很好地去除掉;而如果v值过大,则会导致图像模糊.这也在我们以往的研究[23]中得到了证实.因此,后续我们会研究如何自适应地选取v值,实现更高质量的图像重建.

由于MRI系统中脉冲序列的限制,本文的前瞻性实验没有实现回顾性欠采样实验中的高加速倍数,只采集了1名健康志愿者加速倍数$ R=$3的前瞻性欠采样数据,后续我们会改进成像序列,实现更高加速倍数的前瞻性数据欠采样.对采集的前瞻性欠采样数据,我们利用所提的$ {T_{1\rho }} $-DISC方法进行了重建,并对重建图像进行了拟合.附件材料中图S6显示了自旋锁定频率$ \omega= $100 Hz下利用$ {T_{1\rho }} $-DISC方法对前瞻性欠采样数据重建的加权图像以及拟合的$ {R_{1\rho }} $定量图.可以看到,经本研究所提的$ {T_{1\rho }} $-DISC方法重建后可获得无伪影的图像和定量图像.

本文还测试了不同比例的全采样k空间中心在不同加速倍数下对重建的影响,我们设计了k空间中心全采样比例为0.05、0.10、0.12的不同加速倍数的欠采样模板,并用所提的$ {T_{1\rho }} $-DISC方法进行了重建,图 8为加速倍数$ R=$4和7、$ \omega= $200 Hz时重建的加权图像,可以看到,全采样比例较小的k空间中心会导致图像存在一定的伪影,而全采样比例较大的k空间中心会造成图像模糊,且图像伪影不易去除.本文是根据前期研究经验来设置k空间中心全采样的比例,进而设计了欠采样模板.随着深度学习在快速成像中的广泛应用,后续我们将利用深度学习来进行k空间中心的选取和采样模板的优化,进一步提升重建性能.

图8

图8   R=4和7时,利用T1ρ-DISC方法在k空间中心全采样比例分别为0.05、0.10和0.12时重建的T1ρ加权图像及误差图(ω=200 Hz,TSL=25 ms)

Fig.8   Reconstructed T1ρ weighted images and error maps obtained by T1ρ-DISC method at R=4 and R=7 with k-space center full sampling ratio of 0.05, 0.10 and 0.12 (ω=200 Hz, TSL=25 ms)


此外,基于深度学习的快速MRI方法显示出巨大的应用潜力.基于深度学习数据驱动的特性,如果有足够多的数据,深度学习方法将显著提高重建图像的质量.神经网络还可以用于磁共振多层同时激发成像,提升重建质量[37].文献[26]提出了一种基于模型的L+S网络的动态磁共振图像重建方法,该网络使用交替线性化最小化方法来解决低秩和稀疏正则化的优化问题,并引入了学习奇异值阈值法来保证低秩分量与稀疏分量的分离,最后将迭代步骤展开成正则化参数可学习的网络.

后续研究中我们将进一步探索基于深度学习的快速$ {T_{1\rho }} $散布成像,为减少$ {T_{1\rho }} $-DISC重建时间、参数选择的优化以及模型拟合提供新的途径.

4 结论

本文提出了一种基于多弛豫信号补偿的L+S重建模型,并将其应用于磁共振$ {T_{1\rho }} $散布成像中,通过结合多弛豫信号补偿策略和L+S矩阵分解模型,从高度欠采样的k空间数据中重建出一系列不同自旋锁定频率下的$ {T_{1\rho }} $加权图像,进而得到其弛豫率散布情况.在体实验结果表明,该方法在不同加速倍数下的重建性能优于现有基于低秩和稀疏先验的CS重建方法,且加速倍数达7倍情况下得到的定量结果与利用全采样数据得到的参考值保持了很好的一致性.

利益冲突


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