WO2025119519A1 - Method for reconstructing an image from an input image produced by a portable device provided for generating a main magnetic field - Google Patents
Method for reconstructing an image from an input image produced by a portable device provided for generating a main magnetic field Download PDFInfo
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Definitions
- the present invention relates to the field of magnetic resonance imaging. More particularly, the present invention relates to a magnetic resonance imaging device, and in particular to a magnetic resonance imaging device having a radiofrequency assembly provided with a transmitting/receiving radiofrequency coil.
- the present invention is particularly of interest when it comes to considering a portable magnetic resonance imaging device.
- Magnetic resonance imaging is now widely used to non-invasively image the interior of bodies, particularly human bodies.
- magnetic resonance imaging can probe the hydrogen nuclei, and in particular their nuclear spin, of water molecules that form part of the body under examination.
- an MRI device is equipped with a magnet intended to impose a static magnetic field on the body (called the "main magnetic field”), under the effect of which, the nuclear spins associated with the hydrogen nuclei contained in the water molecules forming part of this body become polarized.
- the magnetic moments associated with these spins preferentially align along an axis, called the z axis, determined by the orientation of the main magnetic field so as to create a magnetization of the body.
- An MRI device also includes gradient coils configured to produce small-amplitude, spatially varying magnetic fields when a current is applied to them. More specifically, the gradient coils are configured to produce a magnetic field component that is aligned parallel to the main magnetic field, and that varies linearly in magnitude with position along one of the x, y, or z axes (the x, y, and z axes being pairwise perpendicular).
- the combined effects of the magnetic fields imposed by the gradient coils make it possible to spatially code each of the positions of the body to be probed.
- An MRI device also comprises at least one radiofrequency (RF) coil intended to act as an RF transceiver.
- the at least one radiofrequency coil is configured to emit pulses of RF energy of a frequency equal to or close to the resonance frequency of the spins of the hydrogen nuclei and which is at least partly absorbed by these nuclei.
- the nuclear spins relax to return to their initial energy state and in turn emit an RF signal that can be collected by at least one RF coil.
- This RF signal is then processed using a computer and reconstruction algorithms to obtain an image of the body.
- the main magnetic field generally between 1.5 Tesla and 3 Tesla, makes it possible to achieve relatively reasonable signal to noise ratios (SNR) and consequently to form images of the human body of sufficient quality and over durations of the order of a minute or more.
- SNR signal to noise ratio
- Portable MRI devices are an example. These typically include a permanent magnet or electromagnets with limited capacity, and cannot impose a main magnetic field of an intensity greater than 60 mT, or even greater than 200 mT, without penalizing the mass or size of the MRI device in question.
- This limitation in terms of main magnetic field intensity directly affects the performance of the MRI device.
- the images obtained with such an MRI device are likely to have a quality significantly degraded by an unfavorable signal-to-noise ratio.
- This unfavorable signal-to-noise ratio reflects, in part, a significant reduction in the magnetization present in the tissues.
- the precession of the nucleus is driven by a static magnetic field (called the B 0 field) which is homogeneous.
- a 2D Spin-Echo sequence as an example, suppose the z-direction is defined as the slice selection direction. The x- and y-directions can then be defined as the frequency (readout) and phase encoding directions respectively. Any 3D object under is first truncated into a predefined number of slices along the z-direction. On each 2D slice, the process of encoding the object's tomographic information for a perfect MRI system could be modeled as a discrete Fourier transform process.
- the image can be represented by a function scalar-valued, the spatial coding process then being formulated as follows:
- Or is a position vector in K-space, while it is the time-varying signal read by the receiver coil during the readout step.
- the integral domain is equal to the entire field of view (FOV) of the scanner.
- This discretization is usually done by a pixelation process.
- DFT discrete Fourier transform
- phase shift term in equation (2) is essential to perform a reconstruction with corrected or attenuated distortion. Therefore, the magnetic field deflection must always be a known datum. It is possible to obtain this deviation term by measuring the B 0 field and the gradient fields. When a measurement is not accessible, the B 0 field mapping technique is another choice to control and quantify the deviation.
- CPR conjugated phase reconstruction
- the model-based method approaches by formulating the reconstruction as an optimization problem by minimizing the least squared error:
- Equation (11) represents the weighting coefficient of the regularization term.
- the first term quantifies the fidelity of the measured data from K space.
- the second term measures the regularity of the solution.
- the minimum of equation (11) depends on the trade-off between data fidelity and regularization controlled by the weighting coefficient .
- the regularization term is constructed empirically "by hand".
- the most common solution is total variation regularization which applies a first-order difference matrix on the solution x to calculate the values of the jumps between each pair of neighboring pixels.
- the regularization term and its weighting coefficient are developed and selected manually. Therefore, they are not always optimal.
- the regularization terms and their relative weighting must be adapted.
- One aim of the invention is to overcome all or part of the aforementioned drawbacks.
- One idea behind the invention is to address these problems by implementing machine learning models linked to artificial neural networks.
- a reconstruction method for determining an image, called a reconstructed image, from an image, noted y, called an input image.
- the input image y is in Fourier space, said input image being produced by a portable device intended to generate a main magnetic field, preferably less than 1 Tesla.
- the process being implemented by a computing unit.
- the training data presents a plurality of image pairs , , the image being a reference image and being its data in K space using equation (7).
- Learning can be self - supervised , supervised, or unsupervised .
- a module comprising a calculation unit configured to implement a method according to the first aspect of the invention.
- a portable resonance imaging device according to the second aspect of the invention.
- variants of the invention comprising only a selection of the characteristics described, subsequently isolated from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
- This selection comprises at least one characteristic, preferably functional without structural details, or with only a part of the structural details if this part only is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
- the MRI device 1 notably comprises a magnet 2 configured to impose a main magnetic field B 0 .
- the magnet 2 may for example comprise a permanent magnet.
- the magnet 2 may notably extend along an elongation axis z.
- the magnet 2 defines a housing 3 opening through a first opening 4 and a second opening 5 opposite each other along the elongation axis z.
- the magnet 2 is arranged to allow the insertion of a body, and more particularly a human body, into the housing 3 through the first opening 4 along the elongation axis z.
- the magnet 2 can be configured to impose a main magnetic field B 0 oriented along an axis perpendicular to the elongation axis z, in an area, called the analysis area, of the housing 3.
- magnet 2 may comprise an assembly of elementary magnets, and in particular arranged in a series of Halbach rings.
- Patent EP3368914B1 gives an example of this.
- the invention is not limited to the configuration described in this patent.
- magnet 2 is configured to impose a main magnetic field with an amplitude of less than 0.1 Tesla, advantageously less than 0.065 Tesla, even more advantageously less than or equal to 0.05 Tesla.
- the MRI device 1 also includes a set of gradient coils 6.
- the gradient coils 6 are notably configured to produce small amplitude, spatially varying magnetic fields when a current is applied to them.
- gradient coils 6 are designed to produce a magnetic field component that is aligned parallel to the main magnetic field, and that varies linearly in magnitude with position along one of the x, y, or z axes (the x, y, and z axes forming an orthogonal coordinate system).
- the combined effects of the magnetic fields imposed by the gradient coils 6 make it possible to spatially code the signals coming from a body present in the housing 3 and intended to be probed.
- Spatial encoding is manifested in particular by a variation in the resonance energy of the nuclear spins of the hydrogen nuclei included in the body intended to be probed and present in the analysis zone.
- the nuclear spins of the hydrogen nuclei are subjected to a magnetic field which differs from one position to another.
- the MRI device 1 further comprises a radiofrequency coil 8 (hereinafter “RF coil”).
- the RF coil 8 is in particular arranged in the housing 3 and delimits an examination volume of the MRI device 1 and in which a body is intended to be housed.
- the MRI device 1 also comprises means for controlling said MRI device 1.
- control means may in particular comprise a computer 13 interfaced, via interfacing means 11, with the various elements forming the MRI device 1.
- the MRI device 1 thus described can be implemented for carrying out the method of forming an MRI image of a body placed in the examination volume.
- a body image may be two-dimensional or three-dimensional.
- a reconstruction method is now described for determining an image called a reconstructed image, from an image, called an input image, y in Fourier space, said input image being produced by a portable device, such as the MRI device 1, designed to generate a main magnetic field, the method being implemented by a computing unit.
- a module M comprising such a computing unit and a portable MRI imaging device 1 by magnetic resonance are described at the same time.
- the method comprises a learning step, preferably of the supervised type, of distortion correction reconstruction.
- the learning can be self-supervised.
- the learning can be unsupervised.
- the learning process requires having a set of sufficient size.
- each data point must contain a correct MRI image pair and its data in K-space.
- the image pair consists of one image in physical space, for example, a CT image of a brain or a knee, and another image that is in K-space.
- a correct image is one that is free of artifacts or distortions, and almost without noise.
- K-space data should exhibit similar characteristics to raw data acquired in practice with a portable magnetic resonance imaging device.
- VN variational network
- RNN recurrent neural network
- ResNet residual neural network
- the regularization term comes in the form of expert field models that are based on a predefined number of 2D convolution kernels and activation functions. After these two groups of variables, the step sizes of each cell/stage complete the parameters of the variational network model.
- the variational network represents the data in the K space of the image to be reconstructed, And represent the convolution kernel of the variational network and the step size for step n, respectively. And are variables of the variational network that are determined during the training phases. Thus, the variational network will determine the optimal regularization value by removing any empirical regularization for each step n.
- Each step is represented by a cell with its own convolution kernel and step size.
- the process of training a variational network aims to find the values of the above-mentioned parameter groups by minimizing a loss function.
- MSE mean square error
- MRI images are complex-valued, it is possible to use the mean square error of complex images or their magnitude, depending on whether MRI is a machine learning model or not.
- the learning rate must be carefully tuned to ensure convergence.
- the learning rate is a hyperparameter to be tuned during training, which also depends on the optimization method used. In general, when it is small, it is more stable but convergence is slower, which means that a larger number of training epochs are required. For example, it is possible to set the rate to 1e-5.
- the module M can be implemented in the form of an electronic module comprising a memory in which is stored a computer program product comprising instructions intended to be executed by the calculation unit UC or by the engine control unit ECU which then replaces the calculation unit UC.
- the method according to the invention and the corresponding module can be implemented with sensors other than magnetic, provided that the sensor is sensitive to the passage of target reference elements.
- variational network can be replaced by any unrolled iteration type process for reconstruction based on deep learning (for the English unrolled deep learning based iterative reconstruction ).
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Abstract
Description
La présente invention se rapporte au domaine de l’imagerie par résonance magnétique. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif d’imagerie par résonance magnétique, et notamment un dispositif d’imagerie par résonance magnétique doté d’un assemblage radiofréquence pourvu d’une bobine de radiofréquence d’émission/réception.The present invention relates to the field of magnetic resonance imaging. More particularly, the present invention relates to a magnetic resonance imaging device, and in particular to a magnetic resonance imaging device having a radiofrequency assembly provided with a transmitting/receiving radiofrequency coil.
La présente invention trouve notamment son intérêt dès lors qu’il s’agit de considérer un dispositif d’imagerie par résonance magnétique portable.The present invention is particularly of interest when it comes to considering a portable magnetic resonance imaging device.
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est aujourd’hui largement mise en œuvre pour imager, de manière non invasive, l’intérieur de corps et notamment de corps humains. En particulier, l’imagerie par résonance magnétique permet de sonder les noyaux d’hydrogène, et notamment leur spin nucléaire, des molécules d’eau formant pour partie le corps sous examen.Magnetic resonance imaging (MRI) is now widely used to non-invasively image the interior of bodies, particularly human bodies. In particular, magnetic resonance imaging can probe the hydrogen nuclei, and in particular their nuclear spin, of water molecules that form part of the body under examination.
A cet égard, un dispositif IRM est pourvu d’un aimant destiné à imposer au corps un champ magnétique statique (dit « champ magnétique principal »), sous l’effet duquel, les spins nucléaires associés aux noyaux d’hydrogène contenus dans les molécules d’eau formant pour partie ce corps se polarisent.In this regard, an MRI device is equipped with a magnet intended to impose a static magnetic field on the body (called the "main magnetic field"), under the effect of which, the nuclear spins associated with the hydrogen nuclei contained in the water molecules forming part of this body become polarized.
Notamment, les moments magnétiques associés à ces spins s’alignent préférentiellement selon un axe, dit axe z, déterminé par l’orientation du champ magnétique principal de manière à créer une magnétisation du corps.In particular, the magnetic moments associated with these spins preferentially align along an axis, called the z axis, determined by the orientation of the main magnetic field so as to create a magnetization of the body.
Un dispositif IRM comprend également des bobines à gradient configurées pour produire des champs magnétiques de petite amplitude et variant dans l’espace lorsqu’un courant leur est appliqué. Plus particulièrement, les bobines à gradient sont conçues pour produire une composante de champ magnétique qui est alignée parallèlement au champ magnétique principal, et qui varie linéairement en amplitude avec la position le long de l’un des axes x, y ou z (les axes x, y et z étant perpendiculaires deux à deux).An MRI device also includes gradient coils configured to produce small-amplitude, spatially varying magnetic fields when a current is applied to them. More specifically, the gradient coils are configured to produce a magnetic field component that is aligned parallel to the main magnetic field, and that varies linearly in magnitude with position along one of the x, y, or z axes (the x, y, and z axes being pairwise perpendicular).
Ainsi, les effets combinés des champs magnétiques imposés par les bobines à gradient permettent de coder spatialement chacune des positions du corps destiné à être sondé.Thus, the combined effects of the magnetic fields imposed by the gradient coils make it possible to spatially code each of the positions of the body to be probed.
Un dispositif IRM comprend également au moins une bobine de radiofréquence (RF) destinée à jouer un rôle d’émetteur-récepteur RF. Notamment, l’au moins une bobine de radiofréquence est configurée pour émettre des impulsions d’énergie RF d’une fréquence égale ou voisine de la fréquence de résonance des spins des noyaux d’hydrogène et qui est au moins en partie absorbée par ces noyaux.An MRI device also comprises at least one radiofrequency (RF) coil intended to act as an RF transceiver. In particular, the at least one radiofrequency coil is configured to emit pulses of RF energy of a frequency equal to or close to the resonance frequency of the spins of the hydrogen nuclei and which is at least partly absorbed by these nuclei.
Dès lors que l’émission RF est interrompue, les spins nucléaires relaxent afin de retrouver leur état d’énergie initial et émettent à leur tour un signal RF susceptible d’être collecté par au moins une bobine RF. Ce signal RF est ensuite traité à l’aide d’un ordinateur et d’algorithmes de reconstruction afin d’obtenir une image du corps.Once the RF emission is interrupted, the nuclear spins relax to return to their initial energy state and in turn emit an RF signal that can be collected by at least one RF coil. This RF signal is then processed using a computer and reconstruction algorithms to obtain an image of the body.
Le champ magnétique principal, généralement compris entre 1,5 Tesla et 3 Tesla, permet d’atteindre des rapports de signal sur bruit SNR (pour l’anglais signal to noise ratio) relativement raisonnables et par voie de conséquence de former des images du corps humain d’une qualité suffisante et sur des durées de l’ordre de la minute ou plus.The main magnetic field, generally between 1.5 Tesla and 3 Tesla, makes it possible to achieve relatively reasonable signal to noise ratios (SNR) and consequently to form images of the human body of sufficient quality and over durations of the order of a minute or more.
Toutefois, il est des circonstances pour lesquelles il n’est pas possible de mettre en œuvre un champ magnétique principal d’une telle intensité. Les dispositifs IRM portables en sont un exemple. Ces derniers comprennent en général un aimant permanent ou des électro-aimants d’une capacité limitée, et ne peuvent imposer un champ magnétique principal d’une intensité supérieure à 60 mT, voire supérieure à 200 mT, sans pénaliser la masse ou l’encombrement du dispositif IRM considéré.However, there are circumstances in which it is not possible to implement a main magnetic field of such intensity. Portable MRI devices are an example. These typically include a permanent magnet or electromagnets with limited capacity, and cannot impose a main magnetic field of an intensity greater than 60 mT, or even greater than 200 mT, without penalizing the mass or size of the MRI device in question.
Cette limitation en termes d’intensité de champ magnétique principal affecte directement les performances du dispositif IRM. Notamment, les images obtenues avec un tel dispositif IRM sont susceptibles de présenter une qualité fortement dégradée par un rapport signal sur bruit défavorable. Ce rapport signal sur bruit défavorable traduit, pour partie, une importante diminution de l’aimantation présente dans les tissus.This limitation in terms of main magnetic field intensity directly affects the performance of the MRI device. In particular, the images obtained with such an MRI device are likely to have a quality significantly degraded by an unfavorable signal-to-noise ratio. This unfavorable signal-to-noise ratio reflects, in part, a significant reduction in the magnetization present in the tissues.
Dans le cas idéal, la précession du noyau est sollicitée par un champ magnétique statique (nommé champ B0) qui est homogène.In the ideal case, the precession of the nucleus is driven by a static magnetic field (called the B 0 field) which is homogeneous.
Prenons l’exemple d’une séquence Spin-Echo 2D, supposons que la direction z soit définie comme la direction de sélection de la tranche. Les directions x et y peuvent alors être définies comme directions de codage de fréquence (lecture) et de phase respectivement. Tout objet 3D sous est d’abord tronqué dans un nombre prédéfini de tranches le long de la direction z. Sur chaque tranche 2D, le processus d’encodage des informations tomographiques de l’objet pour un système d’IRM parfait pourrait être modélisé comme un processus de transformée de Fourier discrète.Considering a 2D Spin-Echo sequence as an example, suppose the z-direction is defined as the slice selection direction. The x- and y-directions can then be defined as the frequency (readout) and phase encoding directions respectively. Any 3D object under is first truncated into a predefined number of slices along the z-direction. On each 2D slice, the process of encoding the object's tomographic information for a perfect MRI system could be modeled as a discrete Fourier transform process.
Sans perte de généralité, l’image peut être représentée par une fonction
où
Dans un système d’IRM réel, il n’est pas possible d’obtenir un champ B0 parfaitement homogène et des champs de gradient idéalement linéaires. Si ces inhomogénéités peuvent parfois être négligées lorsque le champ magnétique principal présente une intensité relativement grande, cela n’est pas envisageable dans le cadre de scanners IRM à faible ou ultra faible champ. In a real MRI system, it is not possible to obtain a perfectly homogeneous B 0 field and ideally linear gradient fields. While these inhomogeneities can sometimes be neglected when the main magnetic field has a relatively high intensity, this is not possible in the context of low or ultra-low field MRI scanners.
Ainsi, un terme de déphasage supplémentaire doit être ajouté au modèle de codage précédent pour couvrir l’inhomogénéité du champ B0 et la non-linéarité des champs de gradient. Le processus de codage spatial corrigé peut alors être formulé comme suit :Thus, an additional phase shift term must be added to the previous coding model to cover the inhomogeneity of the B 0 field and the nonlinearity of the gradient fields. The corrected spatial coding process can then be formulated as follows:
où
Les unités de calculs actuelles présentent des ressources matérielles limitées qui ne permettent pas de résolution infinitésimale pour les images obtenues par IRM. Mathématiquement, cela signifie que la fonction continue
Cette discrétisation est généralement effectuée par un processus de pixellisation. This discretization is usually done by a pixelation process.
Ainsi, les intégrales des équations (1) et (2) sont converties en sommations :Thus, the integrals of equations (1) and (2) are converted into summations:
La discrétisation s’applique également sur les données de l’espace K, où
En écrivant ces équations discrètes (3) et (4) sous forme de matrice avec une matrice de codage
où la matrice de codage E est définie différemment avec et sans terme de déphasage :where the coding matrix E is defined differently with and without the phase shift term:
La présence du terme de déphasage rend la matrice d’encodage dans l’équation (7) « mal conditionnée » (pour l’anglais ill-conditioned). Ainsi, trouver une image reconstruite devient un problème inverse linéaire discret « mal posé ».
The presence of the phase shift term makes the encoding matrix in equation (7) "ill -conditioned ". Thus, finding a reconstructed image becomes an "ill-posed" discrete linear inverse problem.
Méthode de reconstruction classique de correction des distorsionsClassical reconstruction method for correcting distortions
Lorsque la déviation du champ magnétique est importante, la reconstruction directe basée sur la transformée de Fourier directe DFT (pour l’anglais discrete Fourier transform) présente des distorsions géométriques cruciales et une diminution du rapport signal sur bruit SNR. Ces problèmes sont partiellement résolus par les méthodes classiques de reconstruction par correction de distorsion.When the magnetic field deviation is large, direct reconstruction based on discrete Fourier transform (DFT) exhibits crucial geometric distortions and a decrease in signal-to-noise ratio (SNR). These problems are partially addressed by classical distortion correction reconstruction methods.
Le terme de déphasage dans l’équation (2) est essentiel pour effectuer une reconstruction avec une distorsion corrigée ou atténuée. Par conséquent, la déviation du champ magnétique
The phase shift term in equation (2) is essential to perform a reconstruction with corrected or attenuated distortion. Therefore, the magnetic field deflection
Reconstruction par la méthode de la phase conjuguéeReconstruction by the conjugate phase method
Une fois connu le champ magnétique
où
dans laquelle la matrice de codage E suit la définition de l’équation (7).in which the coding matrix E follows the definition of equation (7).
Contrairement à la méthode d’inversion directe de la méthode CPR, la méthode basée sur un modèle approche en formulant la reconstruction comme un problème d’optimisation en minimisant d’optimisation en minimisant l’erreur la plus faible au carré :Unlike the direct inversion method of the CPR method, the model-based method approaches by formulating the reconstruction as an optimization problem by minimizing the least squared error:
En pratique, les données mesurées dans l’espace K sont toujours entachées de bruit. Pour éviter un surajustement aux données bruyantes composées à l’intérieur de y lors de la résolution de l’équation (10) avec un algorithme itératif, il est nécessaire d’arrêter l’itération tôt. Il a été prouvé que cela est équivalent à une décomposition en valeurs singulières (SVD) tronquée ou sélective.In practice, measured data in K-space are always tainted with noise. To avoid overfitting to the noisy data composed within y when solving equation (10) with an iterative algorithm, it is necessary to stop the iteration early. This has been proven to be equivalent to a truncated or selective singular value decomposition (SVD).
Au lieu d’un arrêt précoce, nous étendons plus souvent l’optimisation par un terme de régularisation supplémentaire R(x) afin d’éviter un surajustement et de stabiliser la résolution itérative. Ce problème régularisé est formulé comme suit :Instead of early stopping, we more often extend the optimization with an additional regularization term R(x) to avoid overfitting and stabilize the iterative solution. This regularized problem is formulated as follows:
où
Classiquement, le terme de régularisation est construit de manière empirique « à la main ». La solution la plus usuelle est la régularisation par variation totale qui applique une matrice de différence de premier ordre
où l’opérateur
Le lecteur pourra avantageusement se référer à l’article Goldstein T, Osher S (2009) The split Bregman method for L1-regularized problems. SIAM J Imaging Sci 2(2):323–343 pour la méthode de Bregman.The reader may wish to refer to the article Goldstein T, Osher S (2009) The split Bregman method for L1-regularized problems . SIAM J Imaging Sci 2(2):323–343 for the Bregman method.
Bien que la méthode basée modèle mentionnée précédemment donne des résultats de reconstruction relativement bons, il existe plusieurs inconvénients à surmonter. La complexité de calcul est élevée : pour résoudre le problème d’optimisation défini dans les équations (11) et (12) avec la norme
Dans les méthodes traditionnelles, le terme de régularisation et son coefficient de pondération sont élaborés et sélectionnés manuellement. Ils ne sont donc pas toujours optimaux. En outre, lorsque le contenu d’une image obtenue par un dispositif IRM change, par exemple du cerveau au genou, ou lorsque le niveau de bruit et les caractéristiques changent en raison de circonstances variables, les termes de régularisation et leur pondération relative doivent être adaptés.In traditional methods, the regularization term and its weighting coefficient are developed and selected manually. Therefore, they are not always optimal. In addition, when the content of an image obtained by an MRI device changes, for example, from the brain to the knee, or when the noise level and features change due to varying circumstances, the regularization terms and their relative weighting must be adapted.
Enfin, la résolution par ces méthodes ne permet pas de parallélisation des calculs.Finally, the resolution by these methods does not allow parallelization of calculations.
Un but de l’invention est de palier tout ou partie des inconvénients précités.One aim of the invention is to overcome all or part of the aforementioned drawbacks.
Une idée qui est à la base de l’invention est d’aborder ces problèmes en mettant en œuvre des modèles d’apprentissage automatique liés aux réseaux de neurones artificiels.One idea behind the invention is to address these problems by implementing machine learning models linked to artificial neural networks.
A cet effet, il est proposé, selon un premier aspect de l’invention, un procédé de reconstruction pour déterminer une image, dite image reconstruite, à partir d’une image, notée y, dite d’entrée.To this end, according to a first aspect of the invention, a reconstruction method is proposed for determining an image, called a reconstructed image, from an image, noted y, called an input image.
L’image d’entrée y est dans l’espace de Fourrier, ladite image d’entrée étant produite par un dispositif portable prévu pour générer un champ magnétique principal, de préférence inférieur à 1 Tesla.The input image y is in Fourier space, said input image being produced by a portable device intended to generate a main magnetic field, preferably less than 1 Tesla.
Le procédé étant mis en œuvre par une unité de calcul.The process being implemented by a computing unit.
Le procédé comporte les étapes suivantes :
- une étape d’apprentissage de reconstruction de correction de distorsion à partir de données d’apprentissages,
- une étape d’inférence (Ei) comportant une détermination de ladite image reconstruite par une formule de récurrence,
- a distortion correction reconstruction learning step from training data,
- an inference step (Ei) comprising a determination of said reconstructed image by a recurrence formula,
Les données d’apprentissages présentent une pluralité de paires d’images
Lorsque le dispositif est parfait,
L’étape d’apprentissage comporte l’entraînement d’un réseau résiduel présentant :
- un nombre prédéterminé d’itération n,
- chaque itération présentant :
- une branche à propagation avant directe,
- une branche de contrôle de cohérence des données avec le modèle d’encodage,
- une banche de régularisation.
- une équation de récurrence.
- a predetermined number of iterations n,
- each iteration presenting:
- a direct forward propagating branch,
- a data consistency check branch with the encoding model,
- a regularization bench.
- a recurrence equation.
L’équation de récurrence peut s’écrire :The recurrence equation can be written:
- où E est une matrice de codage vérifiant y=E.x de l’équation (7)where E is a coding matrix verifying y=E.x of equation (7)
-
où
est un terme de régularisation se présente sous la forme de modèles de champs d’experts qui sont basés sur un nombre prédéfini de noyaux de convolution 2D et de fonctions d’activation pour déterminer les paramètres , , Or is a regularization term comes in the form of expert field models that are based on a predefined number of 2D convolution kernels and activation functions to determine the parameters , ,
La détermination de ladite image initiale
où
L’apprentissage peut être auto-supervisé (pour l’anglais self- supervised), supervisé, ou non supervisé (pour l’anglais unsupervised).Learning can be self - supervised , supervised, or unsupervised .
Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé un module comportant une unité de calcul configurée pour mettre en œuvre un procédé selon le premier aspect de l’invention.According to a second aspect of the invention, a module is proposed comprising a calculation unit configured to implement a method according to the first aspect of the invention.
Selon un troisième aspect de l’invention, il est proposé un dispositif portable d’imagerie par résonance selon le deuxième aspect de l’invention.According to a third aspect of the invention, there is provided a portable resonance imaging device according to the second aspect of the invention.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés sur lesquels :
-
illustre un réseau variationnel mis en œuvre dans un procédé selon l’invention, -
illustre des étapes du mode de réalisation du procédé selon l’invention, -
illustre un mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention.
-
illustrates a variational network implemented in a method according to the invention, -
illustrates steps of the embodiment of the method according to the invention, -
illustrates an embodiment of a device according to the invention.
Les modes de réalisation décrits ci-après n’étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.The embodiments described below being in no way limiting, it will be possible in particular to consider variants of the invention comprising only a selection of the characteristics described, subsequently isolated from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art. This selection comprises at least one characteristic, preferably functional without structural details, or with only a part of the structural details if this part only is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
Sur les figures un élément apparaissant sur plusieurs figures conserve la même référence.In the figures, an element appearing in several figures retains the same reference.
La
Le dispositif IRM 1 comprend notamment un aimant 2 configuré pour imposer un champ magnétique principal B0. L’aimant 2 peut par exemple comprendre un aimant permanent. L’aimant 2 peut notamment s’étendre selon un axe d’élongation z.The MRI device 1 notably comprises a magnet 2 configured to impose a main magnetic field B 0 . The magnet 2 may for example comprise a permanent magnet. The magnet 2 may notably extend along an elongation axis z.
Plus particulièrement, l’aimant 2 définit un logement 3 débouchant par une première ouverture 4 et une deuxième ouverture 5 opposée l’une de l’autre selon l’axe d’élongation z.More particularly, the magnet 2 defines a housing 3 opening through a first opening 4 and a second opening 5 opposite each other along the elongation axis z.
À cet égard, l’aimant 2 est agencé pour permettre l’insertion d’un corps, et plus particulièrement d’un corps humain, dans le logement 3 par la première ouverture 4 selon l’axe d’élongation z.In this regard, the magnet 2 is arranged to allow the insertion of a body, and more particularly a human body, into the housing 3 through the first opening 4 along the elongation axis z.
L’aimant 2 peut être configuré pour imposer un champ magnétique principal B0 orienté selon un axe perpendiculaire à l’axe d’élongation z, dans une zone, dite zone d’analyse, du logement 3.The magnet 2 can be configured to impose a main magnetic field B 0 oriented along an axis perpendicular to the elongation axis z, in an area, called the analysis area, of the housing 3.
À cet égard, l’aimant 2 peut comprendre un assemblage d’aimants élémentaires, et notamment agencés en série d’anneaux de Halbach. Le brevet EP3368914B1 en donne un exemple. Néanmoins, l’invention n’est pas limitée à la seule configuration décrite dans ce brevet.In this regard, magnet 2 may comprise an assembly of elementary magnets, and in particular arranged in a series of Halbach rings. Patent EP3368914B1 gives an example of this. However, the invention is not limited to the configuration described in this patent.
À titre d’exemple, l’aimant 2 est configuré pour imposer un champ magnétique principal d’une amplitude inférieure à 0,1 Tesla, avantageusement, inférieure à 0,065 Tesla, encore plus avantageusement inférieure ou égale à 0,05 Tesla.For example, magnet 2 is configured to impose a main magnetic field with an amplitude of less than 0.1 Tesla, advantageously less than 0.065 Tesla, even more advantageously less than or equal to 0.05 Tesla.
Le dispositif IRM 1 comprend également un jeu de bobines à gradient 6. Les bobines à gradient 6 sont notamment configurées pour produire des champs magnétiques de petite amplitude et variant dans l’espace lorsqu’un courant leur est appliqué.The MRI device 1 also includes a set of gradient coils 6. The gradient coils 6 are notably configured to produce small amplitude, spatially varying magnetic fields when a current is applied to them.
Plus particulièrement, les bobines à gradient 6 sont conçues pour produire une composante de champ magnétique qui est alignée parallèlement au champ magnétique principal, et qui varie linéairement en amplitude avec la position le long de l’un des axes x, y ou z (les axes x, y et z formant un repère orthogonal).Specifically, gradient coils 6 are designed to produce a magnetic field component that is aligned parallel to the main magnetic field, and that varies linearly in magnitude with position along one of the x, y, or z axes (the x, y, and z axes forming an orthogonal coordinate system).
Ainsi, les effets combinés des champs magnétiques imposés par les bobines à gradient 6 permettent de coder spatialement les signaux provenant d’un corps présent dans le logement 3 et destiné à être sondé. L’encodage spatial se manifeste notamment par une variation de l’énergie de résonance des spins nucléaires des noyaux d’hydrogène compris dans le corps destiné à être sondé et présent dans la zone d’analyse. En d’autres termes, les spins nucléaires des noyaux d’hydrogène sont soumis à un champ magnétique qui diffère d’une position à l’autre. Thus, the combined effects of the magnetic fields imposed by the gradient coils 6 make it possible to spatially code the signals coming from a body present in the housing 3 and intended to be probed. Spatial encoding is manifested in particular by a variation in the resonance energy of the nuclear spins of the hydrogen nuclei included in the body intended to be probed and present in the analysis zone. In other words, the nuclear spins of the hydrogen nuclei are subjected to a magnetic field which differs from one position to another.
Le dispositif IRM 1 comprend en outre une bobine radiofréquence 8 (ci-après « bobine RF »). La bobine RF 8 est notamment disposée dans le logement 3 et délimite un volume d’examen du dispositif IRM 1 et dans lequel est destiné à être logé un corps.The MRI device 1 further comprises a radiofrequency coil 8 (hereinafter “RF coil”). The RF coil 8 is in particular arranged in the housing 3 and delimits an examination volume of the MRI device 1 and in which a body is intended to be housed.
Enfin, le dispositif IRM 1 comprend également des moyens de contrôle dudit dispositif IRM 1. Ces moyens de contrôle peuvent notamment comprendre un ordinateur 13 interfacé, via des moyens d’interfaçage 11, avec les différents éléments formant le dispositif IRM 1.Finally, the MRI device 1 also comprises means for controlling said MRI device 1. These control means may in particular comprise a computer 13 interfaced, via interfacing means 11, with the various elements forming the MRI device 1.
Le dispositif IRM 1 ainsi décrit peut être mis en œuvre pour l’exécution du procédé de formation d’une image IRM d’un corps disposé dans le volume d’examen.The MRI device 1 thus described can be implemented for carrying out the method of forming an MRI image of a body placed in the examination volume.
Selon les termes de la présente invention, une image du corps peut être à deux dimensions ou à trois dimensions.According to the present invention, a body image may be two-dimensional or three-dimensional.
Il est maintenant décrit un procédé de reconstruction pour déterminer une image dite image reconstruite, à partir d’une image, dite d’entrée, y dans l’espace de Fourrier, ladite image d’entrée étant produite par un dispositif portable, tel que le dispositif IRM 1, prévu pour générer un champ magnétique principal, le procédé étant mis en œuvre par une unité de calcul. Il est décrit en même temps un module M comportant une telle unité de calcul ainsi qu’un dispositif portable d’imagerie IRM 1 par résonance magnétique.A reconstruction method is now described for determining an image called a reconstructed image, from an image, called an input image, y in Fourier space, said input image being produced by a portable device, such as the MRI device 1, designed to generate a main magnetic field, the method being implemented by a computing unit. A module M comprising such a computing unit and a portable MRI imaging device 1 by magnetic resonance are described at the same time.
Le procédé comporte une étape d’apprentissage, de préférence de type supervisé, de reconstruction de correction de distorsion. Selon une variante, l’apprentissage peut être auto-supervisé. Selon une autre variante, l’apprentissage peut être non supervisé.The method comprises a learning step, preferably of the supervised type, of distortion correction reconstruction. According to one variant, the learning can be self-supervised. According to another variant, the learning can be unsupervised.
Le procédé d’apprentissage nécessite de disposer d’un ensemble de taille suffisante.The learning process requires having a set of sufficient size.
En outre, chaque point de données doit contenir une paire d’images IRM correctes et ses données dans l’espace K. La paire d’images comporte une image dans l’espace physique, par exemple une image tomographique d’un cerveau ou d’un genou, et une autre image qui est dans le K espace. Une image correcte est une image exempte d’artefacts ou de distorsions, et presque sans bruit.Furthermore, each data point must contain a correct MRI image pair and its data in K-space. The image pair consists of one image in physical space, for example, a CT image of a brain or a knee, and another image that is in K-space. A correct image is one that is free of artifacts or distortions, and almost without noise.
Cependant, les données de l’espace K doivent présenter des caractéristiques similaires à celles des données brutes acquises en pratique avec un dispositif d’imagerie par résonance magnétique portable. However, K-space data should exhibit similar characteristics to raw data acquired in practice with a portable magnetic resonance imaging device.
Aucune base de données d’images IRM ne remplit les conditions mentionnées ci-dessus. L’ensemble des données d’entraînement est en réalité généré en passant des images d’IRM à haut champ (1,5T ou 3,0 T) à travers un outil de simulation numérique comportant principalement 3 étapes :
- une réduction de l’échantillonnage : réduction de la résolution de l’image IRM originale à haute résolution à une résolution correspondant à un protocole de balayage de dispositif d’imagerie portable par résonance magnétique ;
- une simulation du signal : calculer l’espace K avec les écarts de champ magnétique à partir des résultats de la cartographie B0 du dispositif d’imagerie portable ;
- un ajout de bruit : joindre un bruit gaussien additif à un niveau SNR en accord avec les résultats de notre scanner.
- downsampling: reducing the resolution of the original high-resolution MRI image to a resolution corresponding to a portable magnetic resonance imaging device scanning protocol;
- a signal simulation: calculate the K space with the magnetic field deviations from the results of the B0 mapping of the portable imaging device;
- a noise addition: joining additive Gaussian noise at an SNR level consistent with our scanner results.
Un réseau variationnel (VN) est une approche d’apprentissage profond construite en déroulant la méthode itérative qui résout le problème inverse régularisé dans un réseau de neurones artificiels avec une architecture similaire à un réseau de neurones récurrents RNN (pour l’anglais recurrent neural network) et à un réseau neuronal résiduel ResNet (pour l’anglais residual neural network). Il permet d’intégrer des connaissances préalables sur les images IRM en apprenant le noyau du filtre de régularisation, le poids et la taille du pas de descente du gradient, ainsi que d’autres paramètres, à partir des données.A variational network (VN) is a deep learning approach built by rolling out the iterative method that solves the regularized inverse problem in an artificial neural network with an architecture similar to a recurrent neural network (RNN) and a residual neural network ( ResNet). It allows incorporating prior knowledge about MRI images by learning the regularization filter kernel, gradient descent weight and step size, and other parameters from the data.
Comme représenté sur
- une branche à propagation avant directe, pour l’anglais direct feed-forward ;
- une branche de contrôle de cohérence des données avec le modèle d’encodage ; et
- une banche de régularisation.
- a direct feed-forward branch;
- a data consistency check branch with the encoding model; and
- a regularization bench.
Le terme de régularisation se présente sous la forme de modèles de champs d’experts qui sont basés sur un nombre prédéfini de noyaux de convolution 2D et de fonctions d’activation. Après ces deux groupes de variables, les tailles de pas de chaque cellule/étape complètent les paramètres du modèle du réseau variationnel. The regularization term comes in the form of expert field models that are based on a predefined number of 2D convolution kernels and activation functions. After these two groups of variables, the step sizes of each cell/stage complete the parameters of the variational network model.
L’équation de récurrence se lit :The recurrence equation reads:
Où
Le processus de formation d’un réseau variationnel vise à trouver les valeurs des groupes de paramètres mentionnés ci-dessus en minimisant une fonction de perte. 3 groupes de paramètres mentionnés précédemment qui minimisent une fonction de perte. On peut définir différentes fonctions de perte comme d’autres modèles d’apprentissage automatique en vision par ordinateur, tels que l’erreur quadratique moyenne (EQM) entre les images et les données. erreur quadratique moyenne (MSE) entre la sortie du modèle et la référence. Cependant, comme les images IRM sont à valeurs complexes, il est possible d’utiliser l’erreur quadratique moyenne d’images complexes ou leur magnitude, selon que l’IRM est ou non un modèle d’apprentissage automatique.The process of training a variational network aims to find the values of the above-mentioned parameter groups by minimizing a loss function. 3 groups of parameters mentioned previously that minimize a loss function. We can define different loss functions like other machine learning models in computer vision, such as the mean square error (MSE) between images and data. mean square error (MSE) between the model output and the reference. However, since MRI images are complex-valued, it is possible to use the mean square error of complex images or their magnitude, depending on whether MRI is a machine learning model or not.
Enfin, des algorithmes populaires d’optimisation de l’apprentissage profond ont été utilisés pour accomplir le processus d’apprentissage, tels que la descente de gradient stochastique ou Adam. Finally, popular deep learning optimization algorithms were used to accomplish the learning process, such as stochastic gradient descent or Adam.
Le taux d’apprentissage doit être soigneusement réglé pour garantir la convergence. Le taux d’apprentissage est un hyperparamètre à régler pendant l’apprentissage, qui dépend également de la méthode d’optimisation utilisée. En général, lorsqu’il est petit, il est plus stable mais la convergence est plus lente, ce qui signifie qu’un plus grand nombre d’époques d’apprentissage est nécessaire. Il est par exemple possible de fixer le taux à 1e-5.The learning rate must be carefully tuned to ensure convergence. The learning rate is a hyperparameter to be tuned during training, which also depends on the optimization method used. In general, when it is small, it is more stable but convergence is slower, which means that a larger number of training epochs are required. For example, it is possible to set the rate to 1e-5.
Le module M selon l’invention peut être implémenté sous forme de module électronique comportant une mémoire dans laquelle est stocké un produit programme d’ordinateur comportant des instructions prévues pour être exécutées par l’unité de calcul UC ou par l’unité de contrôle du moteur ECU qui remplace alors l’unité de calcul UC.The module M according to the invention can be implemented in the form of an electronic module comprising a memory in which is stored a computer program product comprising instructions intended to be executed by the calculation unit UC or by the engine control unit ECU which then replaces the calculation unit UC.
Enfin, le procédé selon l’invention et le module correspondant peuvent être mis en œuvre avec des capteurs autres que magnétique, pourvu que le capteur soit sensible au passage d’éléments de repère de la cible.Finally, the method according to the invention and the corresponding module can be implemented with sensors other than magnetic, provided that the sensor is sensitive to the passage of target reference elements.
Plus généralement, le réseau variationnel (VN) peut être remplacé par tout procédé de type procédé d’itération déroulée pour reconstruction basée sur apprentissage profond (pour l’anglais unrolled deep learning based iterative reonstruction).More generally, the variational network (VN) can be replaced by any unrolled iteration type process for reconstruction based on deep learning (for the English unrolled deep learning based iterative reconstruction ).
Dans le cadre général d’un tel procédé,
- le nombre d’itération n est toujours prédéfini ;
- chaque itération comprenant >= 2 branches :
- une branche de contrôle (bc) de cohérence des données avec le modèle d’encodage ;
- une branche de régularisation mais peut être sous une autre forme par example U-net à la place de champs d’experts comportant des noyaux de convolution 2D et de fonctions d’activation ;
- une branche (bd) directe peut être présente, mais non nécessairement.
- the number of iterations n is always predefined;
- each iteration including >= 2 branches:
- a control branch (bc) of data consistency with the encoding model;
- a regularization branch but can be in another form e.g. U-net instead of expert fields with 2D convolution kernels and activation functions;
- a direct branch (bd) may be present, but not necessarily.
De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.Furthermore, the various features, forms, variations and embodiments of the invention may be combined with each other in various combinations to the extent that they are not incompatible or mutually exclusive.
Claims (3)
à partir d’une image, dite d’entrée, y dans l’espace de Fourrier, ladite image d’entrée étant produite par un dispositif portable prévu pour générer un champ magnétique principal,
le procédé étant mis en œuvre par une unité de calcul,
ledit procédé comportant les étapes suivantes :
- une étape d’apprentissage (Ea) de reconstruction de correction de distorsion à partir de données d’apprentissages par un réseau variationnel, et
- une étape d’inférence (Ei) comportant une détermination de ladite image reconstruite par le réseau variationnel,
l’étape d’apprentissage comportant l’entraînement du réseau variationnel (VN) présentant :
- un nombre n prédéterminé d’itérations (i1, i2 … in),
- chaque itération présentant :
- une branche (bd) à propagation avant directe,
- une branche de contrôle (bc) de cohérence des données avec le modèle d’encodage,
- une branche de régularisation (br).
- une équation de récurrence pouvant s’écrire :
où E est une matrice de codage vérifiant y=E.x avec un terme de déphasage,
où
from an image, called input, y in Fourier space, said input image being produced by a portable device intended to generate a main magnetic field,
the method being implemented by a computing unit,
said method comprising the following steps:
- a learning step (Ea) of distortion correction reconstruction from learning data by a variational network, and
- an inference step (Ei) comprising a determination of said image reconstructed by the variational network,
the learning step involving the training of the variational network (VN) presenting:
- a predetermined number n of iterations (i1, i2 … in),
- each iteration presenting:
- a direct forward propagation branch (bd),
- a control branch (bc) of data consistency with the encoding model,
- a regularization branch (br).
- a recurrence equation that can be written:
where E is a coding matrix verifying y=Ex with a phase shift term,
Or
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|---|---|---|---|
| FRFR2313815 | 2023-12-08 | ||
| FR2313815A FR3156564A1 (en) | 2023-12-08 | 2023-12-08 | Method of reconstructing an image from an image, called an input image, produced by a portable device designed to generate a main magnetic field. |
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|---|---|---|---|
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-
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- 2023-12-08 FR FR2313815A patent/FR3156564A1/en active Pending
-
2024
- 2024-10-08 WO PCT/EP2024/078271 patent/WO2025119519A1/en active Pending
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Also Published As
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| FR3156564A1 (en) | 2025-06-13 |
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