[논문 리뷰] Spread spectrum compressed sensing MRI using chirp radio frequency pulses

Xiaobo Qu, Ying Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 23.

Advanced MRI Techniques and Applications참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 캐리어 주파수를 변조하는 데 쓰이는 치르프 라디오 주파수 펄스를 사용하여, 이전의 샴 코ils 기반 방법보다 더 강력하고 더 유연한 변조를 가능하게 하는 새로운 스프레드 스펙트럼 압축 감지 MRI 기법을 제안한다. 이중 위상 인코딩의 복소 수직성 특성을 활용함으로써, 기존의 가변 밀도 샘플링을 사용하는 압축 감지 MRI에 비해 이미지 복원 품질을 향상시키고 더 많은 이미지 특징을 유지한다.

ABSTRACT

Compressed sensing has shown great potential in reducing data acquisition time in magnetic resonance imaging (MRI). Recently, a spread spectrum compressed sensing MRI method modulates an image with a quadratic phase. It performs better than the conventional compressed sensing MRI with variable density sampling, since the coherence between the sensing and sparsity bases are reduced. However, spread spectrum in that method is implemented via a shim coil which limits its modulation intensity and is not convenient to operate. In this letter, we propose to apply chirp (linear frequency-swept) radio frequency pulses to easily control the spread spectrum. To accelerate the image reconstruction, an alternating direction algorithm is modified by exploiting the complex orthogonality of the quadratic phase encoding. Reconstruction on the acquired data demonstrates that more image features are preserved using the proposed approach than those of conventional CS-MRI.

연구 동기 및 목표

• 샘이 코일 기반의 스프레드 스펙트럼 변조 방식이 제한된 변조 강도와 사용 편의성으로 인해 약점이 있음을 해결하기 위해.
• 치르프 RF 펄스를 사용하여 MRI에서 스프레드 스펙트럼 변조에 더 유연하고 제어 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 감지 기저와 희박 기저 간의 상관성을 줄임으로써 이미지 복원 품질을 향상시키기 위해.
• 이차 위상 인코딩의 복소 수직성을 활용하여 이미지 복원 속도를 높이기 위해.
• 기존의 가변 밀도 샘플링을 사용하는 압축 감지 MRI에 비해 더 우수한 이미지 특징 유지 능력을 보여주기 위해.

제안 방법

• 선형 주파수 스윕(치르프) 라디오 주파수 펄스를 사용하여 MR 신호를 변조함으로써 효과적인 스프레드 스펙트럼 변조를 구현한다.
• 치르프 펄스를 사용하여 이차 위상 변조를 구현함으로써, 압축 감지 MRI에서 감지 기저와 희박 기저 간의 상관성을 감소시킨다.
• 이중 최적화 알고리즘의 변형을 적용하여 이차 위상 인코딩의 복소 수직성을 활용함으로써 이미지 복원 속도를 가속화한다.
• 기존의 스프레드 스펙트럼 CS-MRI에서 사용되는 샴 코일 기반 변조를 더 견고하고 조절 가능한 RF 펄스 기반 접근 방식으로 대체한다.
• 치르프 변조의 수학적 구조를 활용하여 신호 대 잡음비와 특징 충실도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 치르프 RF 펄스는 스프레드 스펙트럼 압축 감지 MRI에서 샴 코일 기반 변조를 효과적으로 대체할 수 있는가?
• RQ2 치르프 펄스를 사용할 경우, 기존의 가변 밀도 샘플링에 비해 감지 기저와 희박 기저 간의 상관성이 낮아지는가?
• RQ3 치르프 기반 이차 위상 인코딩의 복소 수직성을 활용하여 이미지 복원 속도를 가속화할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법은 기존의 압축 감지 MRI보다 더 많은 이미지 특징을 유지하는가?
• RQ5 제안된 방법은 이전의 스프레드 스펙트럼 접근 방식보다 더 실용적이고 제어 가능한가?

주요 결과

• 제안된 치르프 기반 스프레드 스펙트럼 방법은 기존의 가변 밀도 샘플링을 사용하는 압축 감지 MRI보다 더 우수한 이미지 복원 품질을 달성한다.
• 감지 기저와 희박 기저 간의 상관성이 감소함에 따라 복원된 이미지에서 더 많은 이미지 특징이 유지된다.
• 치르프 RF 펄스의 사용은 샴 코일 기반 방법에 비해 더 강력하고 더 민감한 변조를 가능하게 한다.
• 이중 위상 인코딩의 복소 수직성을 활용함으로써 복원 알고리즘이 가속화된다.
• 미세한 이미지 세부 정보와 구조적 정보를 더 잘 유지하는 데서 성능 향상을 보였다.