磁共振电阻抗断层成像方法

专利名称：磁共振电阻抗断层成像方法
技术领域：
本发明涉及一种医学成像方法，特别涉及一种利用磁共振成像技术的电阻抗成像方法。
背景技术：
不同的生物组织具有不同的电学特性，而且生物组织的电学特性会随着生理活动而变化，甚至当身体器官的形状、大小变化时都会使测量的阻抗值发生变化。例如胃在进食和排空时的膨胀和收缩过程中的阻抗值是不同的。生物组织在病理状态也会引起阻抗值的改变，如癫痫病发作时，大脑的电阻会增加20％。电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)就是根据这些特性，通过给人体注入小的安全电流，测量体表的电位来重建人体内部的电阻抗分布图像的成像方法。由于不同组织和器官的电特性不同，所以这种图像包含了解剖学信息。更重要的是某些组织和器官的电特性随其功能状态而改变。因此在临床上可用于检测和监护异常功能。
在EIT技术中，电流通过电极被注入到成像目标中，测量附在成像目标表面的其它电极的电压，然后通过一定的重建算法得到电极所在断面的阻抗分布图像，存在问题是(1)由于被测目标表面电极数目的限制，能够测得的表面电压数是有限的，这样就限制了EIT成像的分辨率，同时电极数目的增加带来的问题是信噪比的降低。(2)被测目标中心部位的阻抗变化反映到表面电压的变化，远不及接近表面部位的阻抗变化反映到表面电压的变化明显，这使得重建的图像在很大程度上依赖于成像目标的形状和成像区的位置；(3)EIT成像的图像重建过程是一个严重病态的逆问题，从而导致解的不唯一。
利用磁共振成像技术可以检测成像目标中磁场的分布，其基本原理是施加在成像物体上的电流(稳恒电流或射频电流)产生的与主磁场平行的磁场分量将影响磁共振图像的相位，这种相位差异被相位编码捕获。其检测方法是在一个标准的自旋回波序列中施加一个双极性电流脉冲，这时施加的电流脉冲产生的平行于主磁场方向的磁通密度就被编码在磁共振图像的相位上，此时得到磁共振复图像为McB(x，y)＝MB(x，y)exp[jγBzTC+jφc]这里，MB(x，y)为横向磁化矢量，φC是系统本身的固有相位，γ为旋磁比，Bz为激励线圈在组织中产生磁场的沿主磁场方向的分量，TC为激励磁场施加时间。同时对于没有激励磁场的情况有
Mc(x，y)＝M(x，y)exp(jφc)则由激励电流的感应场所引起的磁共振图像的相位变化为φ(x，y)＝γBz(x，y)Tc比较两次成像过程所得到的图像的相位，就可以得到两次成像的相位变化φ(x，y)，从而就可以从上式中可以求出Bz(x，y)，将成像目标旋转，可以得到另外两个方向上的磁场分布Bx(y，z)，By(x，z)，从而得到激励场在成像目标中分布B(x，y)。再由麦克斯韦方程μJρ=▿Bρ]]>可以得到成像目标中的电流密度分布。这种方法测量电流密度的分辨率可以达到1μA/mm2。这种利用磁共振成像方法测量磁场分布，进而得到电流密度分布的方法被称为磁共振电流密度成像，简称MRCDI。
基于这种利用磁共振成像技术测量成像目标中的电流密度分布的方法，美国专利US6,397,095 B1提出了一种结合MRCDI技术和阻抗断层成像(EIT)技术的磁共振阻抗断层(MREIT)成像方法，如图1所示，成像目标10放置在由磁共振成像磁体20产生的强磁场B0中，电缆30被固定在成像目标10上，并与电流源和电压测量设备40连接，用来向成像目标中注入电流和测量成像目标的表面电压。显示设备50用来显示获得的图像，磁共振成像系统60用来控制磁共振成像序列。
谱仪系统、主磁体及梯度线圈、射频线圈、主控计算机机为核磁共振(MRI)设备的主要组成部分，其中谱仪系统控制成像序列的产生及实施，并采集磁共振成像数据。主磁体为磁共振成像提供成像所需的均匀磁场。梯度线圈为成像提供所需的梯度场。射频线圈分为发射线圈和接受线圈，发射线圈提供成像所需的核磁共振激励射频场，接受线圈用来接受磁共振信号。主控计算机用来控制磁共振成像系统各个部分的协调工作并完成图像的重建与处理。电流注入控制模块实现选定电极的电流注入，模拟开关地址线和使能端连接到基于PCI总线的数据采集卡的开关输出端口，通过编程实现特定表面电压采集模式。在成像过程中，磁共振成像系统的成像序列通过谱仪系统控制电流的注入，在进行磁共振成像的相位编码时施加注入电流，利用上述MRCDI技术得到成像目标中的电流密度分布。利用测得的表面电压和成像目标内部的电流密度分布重建成像目标的阻抗分布图像。这种利用内部电流密度分布信息J和边界条件重建阻抗分布的MREIT系统，存在的最大问题是需要测量注入电流感应磁场在三个方向上的分布，因此需要旋转成像物体，同时由于MRI磁体内腔大小的限制，研究物体的尺寸不能太大，从而大大限制了MREIT技术的应用范围。
为了克服上述方法需要三个方向旋转成像物体的缺点，人们提出了利用注入电流所激励的磁通密度分布B和边界条件来重建阻抗分布的方法，目前的重建算法是在垂直于主磁场方向的平面上注入电流，利用注入电流激励磁场与主磁场方向平行的分量Bz，重建该平面上的阻抗分布图像，这种成像方法适用于一些主磁场方向与人体长轴方向平行的磁共振系统，对于一些主磁场方向与人体长轴方向垂直的MRI系统来说，如永磁磁共振成像系统，由于这类磁共振成像系统的主磁场方向与人体长轴方向垂直，因此利用这类方法就需要沿人体长轴方向上布置电极，由于受到MRI系统磁体内腔大小的限制，这类方法在实际操作中难以实现，并且这类重建算法受噪声影响较大，重建图像质量不高。

发明内容
本发明目的是克服现有技术的缺点，提出一种用磁共振成像技术的电阻抗成像方法。本发明采用斜位注入电流的方式，即通过向法线方向与主磁场方向不平行的成像目标断面注入电流，利用磁共振成像的方法获得注入电流激励磁场沿主磁场方向的分量，进一步计算得到该断面阻抗分布图像。本发明可以克服电阻抗断层图像重建问题中三个方向旋转成像目标的缺点，同时可以解决目前无需旋转成像物体的磁共振阻抗成像方法在主磁场方向与成像物体长轴方向垂直的磁共振成像系统下难以实现的问题，从而突破目前MREIT技术上的限制，拓展MREIT技术的应用范围。
本发明进行阻抗图像重建的原理描述如下设成像断面的电导率分布为σ，注入电流在成像断面上的电势分布为u，则有σ▿u=-▿Bρμ0---(1)]]>成立，对(1)式两边取旋度有▿u×▿σ=1μ0▿2Bρ---(2)]]>设注入电流激励磁场沿成像断面上x1方向y1方向和沿成像断面法线方向z1的磁场分量分别为Bx1、By1、Bz1，设MRI系统坐标系的z轴与成像断面坐标系的x1轴、y1轴、z1轴的夹角分别为α、β、γ，则有以下关系成立Bz＝Bx1cosα+By1cosβ+Bz1cosγ(3)式中Bz为注入电流激励磁场沿磁共振成像系统主磁场方向的分量，该磁场分量可由磁共振成像利用存在注入电流与没有注入电流两种情况下磁共振图像的相位差与注入电流激励磁场沿z方向的磁场分量的关系式Δ＝γBzTc求出，α、β、γ通过磁共振成像预扫描时事先确定。结合(2)(3)两式，有[∂u∂y1cosγ-∂u∂z1cosβ∂u∂z1cosα-∂u∂x1cosγ∂u∂x1cosβ-∂u∂y1cosα[∂σ∂x1∂σ∂y1∂σ∂z1T=-1μ0▿2B2---(4)]]>实际操作中注入电流至少需采用三电极斜位注入模式，由几何知识可知三点确定一个平面，因此三个电极的位置可以确定成像物体的断面位置，同时利用磁共振成像预扫描，确定MRI系统坐标系的z轴与成像断面坐标系的x1轴、y1轴、z1轴的夹角α、β、γ，假设σ是各向同性的，三个电极轮换注入电流可以得到三个独立的方程，三个方程联立有US＝B (5)其中U=∂u12∂y1cosγ-∂u12∂z1cosβ∂u12∂z1cosα-∂u12∂x1cosγ∂u12∂x1cosβ-∂u12∂y1cosα∂u13∂y1cosγ-∂u13∂z1cosβ∂u13∂z1cosα-∂u13∂x1cosγ∂u13∂x1cosβ-∂u13∂y1cosα∂u23∂y1cosγ-∂u23∂z1cosβ∂u23∂z1cosα-∂u23∂x1cosγ∂u23∂x1cosβ-∂u23∂y1cosα]]>S=[∂σ∂x1∂σ∂y1∂σ∂z1T,]]>B=-1μ0[▿2B1z2▿2B1z3▿2B2z3]]>uij为从编号i和j电极处注入电流时的电势，，可以通过求解(1)式的边界值问题得到。Bi zj为从编号i和j电极处注入电流时激励磁场沿主磁场方向的磁场分量，为可测量。考虑系数矩阵对应的行列式∂u12∂y1cosγ-∂u12∂z1cosβ∂u12∂z1cosα-∂u12∂x1cosγ∂u12∂x1cosβ-∂u12∂y1cosα∂u13∂y1cosγ-∂u13∂z1cosβ∂u13∂z1cosα-∂u13∂x1cosγ∂u13∂x1cosβ-∂u13∂y1cosα∂u23∂y1cosγ-∂u23∂z1cosβ∂u23∂z1cosα-∂u23∂x1cosγ∂u23∂x1cosβ-∂u23∂y1cosα=0]]>为此需要将成像目标进行一次旋转，使z轴与x1轴、y1轴、z1轴的夹角不同于未旋转时的值。这无论对于主磁场方向与人体长轴方向平行的MRI系统还是主磁场方向垂直于人体长轴方向的MRI系统都是可行的。对成像目标进行一次旋转，设旋转前z轴与x1轴、y1轴、z1轴的夹角为α1、β1、γ1，旋转后为α2、β2、γ2，相应的方程组变为∂u12∂y1cosγ1-∂u12∂z1cosβ1∂u12∂z1cosα1-∂u12∂x1cosγ1∂u12∂x1cosβ1-∂u12∂y1cosα1∂u13∂y1cosγ1-∂u13∂z1cosβ1∂u13∂z1cosα1-∂u13∂x1cosγ1∂u13∂x1cosβ1-∂u13∂y1cosα1∂u23∂y1cosγ2-∂u23∂z1cosβ2∂u23∂z1cosα2-∂u23∂x1cosγ2∂u23∂x1cosβ2-∂u23∂y1cosα2∂σ∂x1∂σ∂y1∂σ∂z1=-1μ0▿2B1z2▿2B1z3▿2B2z3---(6)]]>解上述方程得到S=[∂σ∂x1∂σ∂y1∂σ∂z1T.]]>在得到电导率三个方向的偏导数后，可以利用数值积分方法求解得到电导率分布，其中电压分布uij为可以通过求解下式的边界值问题得到。其中g为成像区域边界上电流密度 的法向分量。
本发明成像方法的具体工作步骤描述如下(1)、将三个注入电流的电极均匀放置在所要成像的断面的边缘，首先利用磁共振成像系统确定磁共振成像系统坐标系的z轴与成像断面坐标系的x1轴、y1轴、z1轴的夹角α1、β1、γ1；(2)、在成像目标没有注入电流的情况下，利用磁共振成像系统的自旋回波成像序列，得到不存在注入电流时的磁共振信号，对得到的磁共振信号进行傅立叶变换可以得到此情况下成像目标的相位图像Φ1(x，y)；(3)、利用三个电极其中的两个电极对成像目标注入电流的情况下，利用磁共振成像系统的自旋回波成像序列，得到注入电流存在的情况下的磁共振信号，对得到的磁共振信号进行傅立叶变换可以得到此情况下成像目标的相位图像Φ2(x，y)；(4)、对两次磁共振图像的相位进行比较，可以得到这两种情况下磁共振图像的相位差异ΔΦ(x，y)＝Φ2(x，y)-Φ1(x，y)，根据方程ΔΦ(x，y)＝γB(x，y)TC计算得到成像目标中的激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 (5)、利用三个电极中的不同于上次注入电流电极的另外两个电极向成像目标注入电流，重复步骤(3)、(4)，得到另外一个独立的激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 (6)、旋转成像体，使得MRI系统坐标系的z轴与成像断面坐标系的x1轴、y1轴、z1轴的夹角为α2、β2、γ2(这里α2≠α1、β2≠β1、γ2≠γ1至少有一个成立)，重复步骤(2)、(3)、(4)，得到另外一个独立的激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 (7)、根据得到的激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布重建成像断面的阻抗分布图像。
①、首先初始化成像断面的电导率分布，设成像断面的电导率分布为σ0；②、求解方程(7)得到成像断面电势分布u；③、将计算得到的电势分布u及测量得到注入电流激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 代入方程(6)计算得到一个新的电导率分布σnew；④、比较σnew与σ0，判断σnew与σ0是否接近到允许的程度ε，即|σnew-σ0|是否小于ε；如果满足|σnew-σ0|＜ε，则σnew即为成像断面的电导率分布，程序结束，否则转到下一步；⑤、将σnew赋值给σold，将σold代入方程(1)得到成像断面电势分布u，并将电势分布u及测量得到注入电流激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 代入方程(6)计算得到一个新的电导率分布σnew；⑥、比较σnew与σold，判断σnew与σold是否接近到允许的程度ε，即|σnew-σold|是否小于ε；如果满足|σnew-σold|＜ε，则σnew即为成像断面的电导率分布，程序结束，否则转到上一步。


图1为现有技术磁共振阻抗成像示意图，其中10为成像目标，20为磁共振成像磁体，30为电缆，40为电流源和电压测量设备，50为显示设备，60为磁共振成像系统；图2为本发明图像重建的程序框图；图3是本发明开放式的磁共振电阻抗断层成像系统的具体实施例；图中1为注入电流电极，2为磁共振成像磁体、射频线圈及梯度线圈，3为接受线圈，4为磁共振成像电气系统，5为控制电流注入和电极电压测量的测控单元，6为计算机；图4为电流注入控制示意图。
具体实施例方式
图3为本发明的一个具体实施例。三个注入电流电极1贴在成像体要成像的断面的边缘上，主磁体、梯度线圈、射频发射线圈2和接受线圈3置于铜网屏蔽室内，磁共振成像电气系统4(包括谱仪系统、射频功放、梯度功放)及成像计算机6置于屏蔽室外，电源功率通道及信号通道由屏蔽室壁上专用滤波器引入屏蔽室。控制电流注入和电极电压测量的测控单元5采用基于PCI总线的数据采集卡(简称PCI卡)实现相应功能。
如图4所示，PCI数据采集卡直接插在MRI系统主控计算机6上，实现整个MREIT系统统一的控制中心。主控计算机实现人机交互，并完成向谱仪发布指令和对PCI进行检测控制，最终对所得数据处理并成像。谱仪系统、主磁体、线圈、PC机为MRI设备的主要组成部分，完成相位图像数据的采集；同时采用4选1的多路模拟开关连接3个电极，实现选定电极的电流注入，模拟开关地址线和使能端连接到PCI卡开关输出端口，通过编程实现特定电流注入模式。压控电流源实现电流的恒流注入，并上传PCI卡模拟输入端，实现电流采样和监控，触发检测电路实现谱仪系统和电流注入的同步，以满足时序要求。
本实施例成像方法步骤如下将三个注入电流的电极均匀放置在所要成像的断面的边缘，设三个电极的位置记号为a、b、c，首先对成像体进行磁共振预扫描，根据预扫描定位图像上注入电流电极的位置确定成像断面位置，在没有注入电流的情况下，采用自旋回波序列对选定的成像断面作磁共振成像，并计算得到该图像的相位图像，接着向成像断面注入电流，假设此时通过电极a、b向成像断面注入电流，采用自旋回波序列对同一成像断面作磁共振成像并计算得到该图像的相位图像，将两次得到的相位图像相减，得到注入电流和没有电流注入时图像的相位变化，进而计算得到向成像断面注入的电流在MRI系统主磁场方向产生的磁场分量，改变电流注入方向，假设此时通过电极b、c向成像断面注入电流，重复上述步骤得到另外一种情况下向成像断面注入的电流在MRI系统主磁场方向产生的磁场分量。然后将成像断面旋转一个角度，旋转的角度大小可根据实际情况而定，可上下转动，也可左右转动，其目的是使得方程(5)的系数矩阵行列式不等于零，重新利用磁共振预扫描定位图像上注入电流电极的位置确定成像断面位置，重复上述步骤得到另外一种情况下向成像断面注入的电流在MRI系统主磁场方向产生的磁场分量，利用得到的三种情况下的磁场分量与成像断面电导率分布的关系，按照附图3所示的方法求解得到成像断面的电导率分布。
(1)首先初始化成像断面的电导率分布，设成像断面的电导率分布为σ0；(2)求解方程(7)得到成像断面电势分布u；(3)在没有电流注入时对成像断面作磁共振成像，通过对磁共振图像的数据作傅立叶变换得到此时成像断面图像的相位分布Φ1(x，y)；(4)利用电极1、2向成像体注入电流并对成像断面作磁共振成像，通过对磁共振图像的数据作傅立叶变换得到此时成像断面图像的相位分布Φ2(x，y)；(5)用存在电流注入时得到的成像断面相位分布Φ2(x，y)减去没有注入电流时的成像断面相位分布Φ1(x，y)，得到这两种情况下成像断面的相位变化止ΔΦ(x，y；(6)根据激励电流的感应场与磁共振图像的相位变化关系ΔΦ(x，y)＝γBz(x，y)TC计算注入电流激励磁场沿MRI系统主磁场方向的分量Bz；(7)将计算得到的电势分布u及测量得到注入电流激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 代入方程(6)计算得到一个新的电导率分布σnew；(8)比较σnew与σo，判断σnew与σ0是否接近到允许的程度ε，即|σnew-σ0|是否小于ε；如果满足|σnew-σ0|<ε，则σnew即为成像断面的电导率分布，转到步骤(12)，否则转到步骤(9)；(9)将σnew赋值给σold，将σold代入方程(7)得到成像断面电势分布unew；(10)将电势分布unew及测量得到注入电流激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 代入方程(6)计算得到一个新的电导率分布σnew；(11)比较σnew与σold，判断σnew与σold是否接近到允许的程度ε，即|σnew-σold|是否小于ε；如果满足|σnew-σold|<ε，则σnew即为成像断面的电导率分布，转到步骤(12)，否则转到步骤(9)。
(12)结束程序并输出计算结果σnew，得到成像断面的阻抗分布图像。
权利要求
1.一种磁共振电阻抗断层成像方法，其特征在于采用斜位电流注入的方式，通过向法线方向与主磁场方向不平行的成像目标断面注入电流，利用磁共振成像的方法获得注入电流激励磁场沿主磁场方向的分量，进一步计算得到该断面阻抗分布图像。
2.根据权利要求1所述的磁共振电阻抗断层成像方法，其特征在于其具体操作步骤如下(1)、将三个注入电流的电极均匀放置在所要成像的断面的边缘，首先利用磁共振成像系统确定磁共振成像系统坐标系的z轴与成像断面坐标系的x1轴、y1轴、z1轴的夹角α1、β1、γ1；(2)、在成像目标没有注入电流的情况下，利用磁共振成像系统的自旋回波成像序列，得到不存在注入电流时的磁共振信号，对得到的磁共振信号进行傅立叶变换，得到此情况下成像目标的相位图像Ф1(x，y)；(3)、利用三个电极其中的两个电极对成像目标注入电流，利用磁共振成像系统的自旋回波成像序列，得到注入电流存在的情况下的磁共振信号，对得到的磁共振信号进行傅立叶变换，得到此情况下成像目标的相位图像Ф2(x，y)；(4)、对两次磁共振图像的相位进行比较，得到这两种情况下磁共振图像的相位差异ΔФ(x，y)＝Ф2(x，y)-Ф1(x，y)，根据方程ΔФ(x，y)＝γB(x，y)TC计算得到成像目标中的激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 (5)、利用三个电极中的不同于上次注入电流电极的另外两个电极向成像目标注入电流，重复步骤(3)、(4)，得到另外一个独立的激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 (6)、改变磁共振成像系统坐标系的z轴与成像断面坐标系的x1轴、y1轴、z1轴的夹角α2、β2、γ2，重复步骤(2)、(3)、(4)，得到另外一个独立的激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 (7)、根据得到的激励磁场在磁共振成像系统主磁场方向上的磁场分量分布，重建成像断面的阻抗分布图像。
3.根据权利要求2所述的磁共振电阻抗断层成像方法，其特征在于根据得到的激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布，重建成像断面的阻抗分布图像的方法如下(1)、首先初始化成像断面的电导率分布，设成像断面的电导率分布为σ0；(2)、计算得到成像断面电势分布u；(3)、根据电势分布u及测量得到注入电流激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 ，计算得到一个新的电导率分布σnew；(4)、比较σnew与σ0，判断σnew与σ0是否接近到允许的程度ε，即|σnew-σ0|是否小于ε；如果满足|σnew-σ0|＜e，则σnew即为成像断面的电导率分布，程序结束，否则转到下一步(5)；(5)、将σnew赋值给σold，计算得到成像断面电势分布u，根据电势分布u及测量得到注入电流激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布 计算得到一个新的电导率分布σnew；比较σnew与σold，判断σnew与σold是否接近到允许的程度ε，即|σnew-σold|是否小于ε；如果满足|σnew-σold|＜e，则σnew即为成像断面的电导率分布，程序结束，否则转到上一步骤(5)。
全文摘要
一种磁共振电阻抗断层成像的方法，其特征在于采用斜位电流注入的方式，通过向法线方向与主磁场方向不平行的成像目标断面注入电流，利用磁共振成像的方法获得注入电流激励磁场沿主磁场方向的分量，进一步计算得到该断面阻抗分布图像。本发明可以克服电阻抗断层图像重建问题中三个方向旋转成像目标的缺点，同时可以解决目前无需旋转成像物体的磁共振阻抗成像方法在主磁场方向与成像物体长轴方向垂直的磁共振成像系统下难以实现的问题。
文档编号A61B5/055GK1985759SQ20051013071
公开日2007年6月27日 申请日期2005年12月23日 优先权日2005年12月23日
发明者王慧贤, 宋涛, 王玉宇, 何永波 申请人:中国科学院电工研究所