磁共振成像具有强大的图像对比生成机制,能够提供丰富且优异的软组织对比,因此常用于开发其他医学成像模态无法实现或效果不佳的高级成像技术,比如通过动态跟踪心动过程评估心脏功能的心脏实时电影成像,和对头颈动脉血管壁及病变直接成像的高分辨率血管壁成像等。但磁共振成像最大的瓶颈是扫描速度慢,这主要因为磁共振成像采用的傅里叶编码采样需要重复多次相位编码进行空间定位。扫描速度慢的问题在高分辨率高维磁共振成像中更为突出,在动态心脏电影成像中,扫描速度慢会严重制约时间分辨率的提高,无法满足实时成像的临床要求;在三维血管壁成像会导致总扫描时间过长,降低扫描效率以及成像质量对运动伪影的鲁棒性。快速磁共振成像技术是实现高分辨率成像的必要手段。基于欠采样的加速策略是实现快速成像的最重要方式。它通过减少相位编码数来提高扫描速度,缺失的数据由图像重建算法利用磁共振图像和采样数据中的信息冗余进行恢复。并行成像和压缩感知是目前主流的加速手段。并行成像利用多通道并行接收线圈敏感度提供的空间编码能力进行欠采样加速,通过对敏感度编码矩阵求逆重建图像。然而,加速倍数过高会导致敏感度编码矩阵的病态性,病态求逆会在重建结果中产生严重的噪声,降低图像信噪比。压缩感知利用磁共振图像的稀疏性,通过迭代求解稀疏约束的非线性优化问题进行图像重建。但加速倍数过高时,压缩感知需要较重的非线性滤波去除噪声及伪影,这容易导致与噪声混杂在一起的低对比图像细节模糊。快速成像方法的选择和设计需要综合考虑特定应用中采集信号的特点,图像中的信息冗余以及临床要求,并进行针对性优化。本论文的研究目标是针对高时间分辨率心脏实时电影和高空间分辨率血管壁成像两个重要磁共振成像应用,通过充分挖掘并利用信号及图像中的信息冗余,克服直接使用现有加速手段面临的缺陷,从而实现满足临床应用要求的快速高分辨率成像。本论文研究内容如下:1.针对心脏实时电影成像高时间分辨率和实时成像的要求,本论文提出了一种不需要迭代计算的新型并行成像重建算法NL-VCC-TGRAPPA。该方法利用图像背景相位提供的空间编码能力构造虚拟共轭线圈来改善高倍加速并行成像求逆重建的病态性,再进一步结合非线性映射核方法构造高阶虚拟线圈,降低采样数据中噪声导致的非线性误差。该算法可实现高达8倍欠采样加速的心脏实时电影成像,时间分辨率可提高至45毫秒每帧左右,重建图像质量相比传统TGRAPPA重建有显著改善,有效克服了并行成像加速噪声严重的问题,并和迭代压缩感知重建质量相近,但具有重建过程线性的高计算效率优势。2.针对三维头颈一体血管壁成像高空间分辨率和高图像锐利度的要求,本论文从压缩感知欠采样模板的选择以及重建算法的改进两个方面着手,首先采用规则欠采样方案来克服变密度随机欠采方案在K空间高频采样少导致高频重建误差大,图像细节模糊的缺陷,然后在迭代重建过程中加入细节优化模块解决非线性滤波在去噪的同时容易把图像细节也滤掉的难题。基于改进的压缩感知结合并行成像方案,本论文实现的5倍加速可以把分辨率为各向同性0.55毫米的头颈一体血管壁成像的扫描时间缩短至5分钟以内。该方案和传统并行成像2.7倍加速方案在8位健康志愿者和20位脑卒中病人上进行了定量管壁厚度测量和主观放射科医生评分比较,结果表明本论文所提快速血管壁成像方案可以与现行方案取得相似的管壁厚度测量和临床诊断效果。3.针对本论文所提快速成像新技术与商用磁共振成像系统集成和临床部署需要在线,高效以及低延迟重建的要求,本论文引入开源的图像重建平台Gadgetron和扫描数据格式ISMRMRD实现快速成像技术的在线运行。用于心脏实时电影成像的NL-VCC-TGRAPPA算法在传统TGRAPPA算法基础上通过增加虚拟通道即可实现,极大地简化了该算法在Gadgetron和商用重建系统中的实现。但快速血管壁成像的迭代压缩感知重建需要非常高的计算力才能实现低延迟在线显示重建图像,商用重建系统的软硬件已无法满足此要求。基于Gadgetron重建平台,本论文利用通道压缩,重建任务并行化以及图像计算单元GPU提供的并行计算能力提高压缩感知重建的计算效率,把重建时间控制在临床可接受的2分钟之内;并结合国产磁共振成像设备,把所设计的快速血管壁成像方案部署到临床环境中,提高了临床血管壁检查效率。