本发明总地涉及由磁共振成像(mri)引导的医学诊断和治疗方法，并且更具体地涉及使mri诱发的干扰最小化的方法。
背景技术：
磁共振成像可以在各种医疗应用中与超声聚焦结合使用。超声波很好地穿透软组织，并且由于其短波长，可以聚焦到几毫米尺寸的斑点。作为这些特性的结果，超声波可以并且已经用于各种诊断和治疗医学目的，包括超声成像和非侵入性手术。例如，可以使用聚焦超声来消融患病(例如癌症)组织而不会对周围的健康组织造成显著的损伤。超声聚焦系统通常利用声换能器表面或换能器表面阵列来生成超声波束。在换能器阵列中，单独的表面或“元件”通常是可单独控制的-即它们的振动相位和/或振幅可以彼此独立地设置-允许波束在期望的方向上被操纵并且在期望的距离处聚焦。超声系统通常还包括集成到换能器阵列中或者以单独的检测器的形式提供的接收元件，其主要为了安全目的来帮助监测聚焦超声治疗。例如，接收元件可以用于检测由换能器和目标组织之间的界面反射的超声波，这可能是由皮肤上的气泡引起的，气泡需要被移除以避免皮肤灼伤。接收元件也可以用于检测过热组织中的空化(即，由于组织液体中形成的气泡的塌陷而形成空腔)。
为了在治疗期间可视化目标组织并引导超声聚焦，可以使用磁共振成像。简而言之，mri涉及将诸如患者的对象置于均匀的静态磁场中，从而对准组织中氢核的自旋。然后，通过施加适当频率(“谐振频率”)的射频(rf)电磁脉冲，可以翻转自旋，暂时破坏对准并引发响应信号。不同的组织产生不同的响应信号，导致mr图像中这些组织之间的对比。因为响应信号的谐振频率和频率取决于磁场强度，所以响应信号的原点和频率可以通过将磁梯度场叠加到均匀场上来控制，以根据位置呈现场强度。通过使用时变梯度场，可以获得组织的mri“扫描”。许多mri协议在两个或三个相互垂直的方向上利用时间相关的梯度。梯度场和rf脉冲的相对强度和定时在脉冲序列中指定，并且可以在脉冲序列图中示出。
时间相关的磁场梯度可以结合mri响应信号的组织依赖性使用以可视化例如脑肿瘤，并确定其相对于患者颅骨的位置。然后可以将超声换能器系统(诸如附接到外壳的换能器阵列)放置在患者头部上。超声换能器可以包括mr跟踪线圈或能够确定其相对于mr图像中的目标组织的位置和方向的其他标记。基于所需换能器元件相位和振幅的计算，换能器阵列之后被驱动以将超声聚焦到肿瘤中。可替换地或附加地，可以使用诸如热mri或声学共振力成像(arfi)的技术使超声焦点本身可视化，并且可以使用焦点位置的这种测量来调整焦点位置。这些方法通常被称为磁共振引导的超声聚焦(mrgfus)。
另外，mri设备和超声成像系统可以组合以提供两种成像模态的优点，并由此提供对正常和患病组织的形态和功能的新见解。mri由于其多平面成像能力、高信噪比以及对软组织形态和功能的细微变化的灵敏度而广泛用于诊断和治疗应用。另一方面，超声成像具有时间分辨率高、对声学散射(例如钙化和气泡)的高敏感度、优异的可视化以及血流量测量、低成本和便携性等优点。在术中神经外科应用和乳房活检指导中已经显示了结合这些互补模态的益处。通过同时进行两种模态的成像，可以简化数据集之间的空间和时间配准等一系列问题。此外，可以利用每种模态测量独特的生理参数，以充分表征器官或组织在演化过程中的特征。
然而，超声和mri设备的同时操作可能导致不期望的干扰。例如，mri对由聚焦超声系统产生的rf噪声非常敏感(参见例如美国专利no.6,735,461)。相反，聚焦超声程序通常涉及rf敏感操作(诸如可能伴随聚焦超声治疗的超声检测)，其容易地受到由mri系统产生的rf激励信号和/或时变场梯度的干扰。避免这种干扰的现有技术的方法通常涉及屏蔽。屏蔽超声系统以防止干扰mr信号通常需要在金属屏蔽中覆盖或包围整个换能器和相关的电缆。然而，在一些系统中，声学限制阻止了超声接收元件的完全封装，导致例如接收器的前层和/或电缆被一定量的rf噪声穿透。因此，在mrgfus应用中需要替代方法来最小化或避免两个系统之间的干扰。
技术实现要素：
本发明的实施例提供了各种方法来同时操作用于对解剖区域进行成像的mri设备以及用于在没有mri干扰或具有减少的mri干扰的情况下同时执行rf敏感操作的系统。同时操作的系统可以是具有诊断和治疗应用的任何系统或传感器。例如，它可以是治疗系统(诸如相控阵超声换能器系统)、成像系统(诸如超声成像探头)或信号检测传感器(诸如超声空化传感器)。在各种实施例中，当同时操作的系统空闲(即，无效或不主动地发射能量(即声能))，而同时mri设备正常操作(以执行“冷”扫描，即，与治疗、超声成像或空化检测不并发的扫描)时，源自mri设备的激励的mr干扰首先由信号检测传感器或与同时操作的系统相关联的检测通道测量。因为mr干扰通常是相对于期望信号的附加的平稳噪声，当同时操作的系统和mri设备同时活动(即，执行“热”扫描)时，可以通过从在热扫描期间获得的测量信号中减去在冷扫描期间测量的mr干扰来校正由同时操作的系统测量的信号。因此，本发明的实施例校正由同时操作的系统测量的信号，以使得它们不会由于mr干扰显著失真；这是有利的，因为它通常消除了现有技术所要求的屏蔽rf信号的需要。
在一些实施例中，使用快速傅立叶变换(fft)方法将测量的rf敏感信号和mr干扰转换到频域。然后可以对频谱中每个频率处的转换信号执行从测量信号减去mr干扰。当同时工作的系统的测量信号对相位测量(例如空化测量)不敏感时，这是特别有用的，并且由此可以避免准确地同步mri设备和同时操作的系统的操作的需要。
如果在操作期间同时操作的系统与mri扫描至少部分地同步(即，仅在一个或多个时间窗口内同步)，则由同时操作的系统测量的信号可以通过识别时间窗口内的mr干扰并从中减去mr干扰来校正。在一些实施例中，对于每个重复时间(或重复时间(tr))，mr干扰是伪稳态的；因此，在冷扫描期间获得的mr干扰可以被减少为单组数据。单组mr干扰数据可以对应于例如单次冷扫描tr、多次冷扫描tr期间记录的mr干扰的平均值、或者多次冷扫描tr中的最大mr干扰。当处理表示在mri设备和rf敏感系统的同时操作期间获取的mr干扰和(一个或多个)信号的大量数据量时，这种方法可以降低复杂性。
因此，一种结合使用同时操作的系统(诸如相控阵超声换能器系统、超声成像探头和/或空化传感器)对解剖区域的射频敏感(rf敏感)测量来执行解剖区域的磁共振(mr)成像的方法。该方法可以包括以下步骤：执行包括mr脉冲的第一mr扫描序列；检测(i)第一mr扫描序列期间当rf电平足以干扰rf敏感测量时的间隔和(ii)关于第一mr扫描序列的时间范围和第一mr扫描序列中间隔的时间范围的rf数据；结合第一mr扫描序列或结合第二mr扫描序列来操作所述同时操作的系统；记录rf敏感测量；以及通过以下来考虑所记录的rf敏感测量中由第一或第二mr扫描序列引起的干扰：仅保留所述间隔外的rf敏感测量；或存储关于第一mr扫描的时间范围和在第一mr扫描期间检测到的间隔的rf数据，并且基于存储的数据：仅在检测到的间隔之外的时间期间记录rf敏感测量；或者在间隔期间记录rf电平并基于所记录的rf电平来调整在检测到的间隔期间获得的记录的rf敏感测量。
可选地，该方法可以不是治疗人体或动物体的方法。例如，该方法可以在治疗设置之外进行，例如，在该方法的校准或该方法被应用于空白时。在整个本申请中讨论本发明的方法可涉及非治疗性方法。
根据本发明的rf数据涉及mr扫描的时间范围和在第一mr扫描期间检测到的间隔。换句话说，在该方法期间生成的rf数据不是射频电平，而是在mr扫描期间rf水平何时高于预定阈值以及持续时间，该阈值是足以干扰rf敏感测量的电平。
在该方法包括第二mr扫描的情况下存储rf数据。存储的rf数据用于说明mr扫描的rf电平。在该方法仅包括第一mr扫描的情况下，在第一mr扫描期间检测到的间隔期间不保留rf敏感测量。换句话说，rf敏感测量在间隔期间被丢弃。可替换地，在间隔期间记录rf电平，并且基于所记录的rf电平来调整在所检测的间隔期间获得的所记录的rf敏感测量。换句话说，在第一mr扫描和rf敏感测量过程中测量并保持rf敏感测量，然后进行后处理，以考虑mr扫描产生的rf电平。
同时操作的系统可以同时测量射频敏感测量，并且该方法还包括在进行射频敏感测量时记录它们。
该方法进一步包括在间隔期间检测rf噪声的参数，记录所检测到的参数以及存储指示检测到的rf噪声的参数的数据。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于结合解剖区域的射频敏感(rf敏感)测量来执行解剖区域的磁共振(mr)成像的系统。该系统包括：用于对解剖区域进行成像的mr成像设备；用于执行rf敏感测量的同时操作的系统；以及与mr成像设备和同时操作的系统通信的控制器。控制器被配置为：
执行包括mr脉冲的第一mr扫描序列；
检测(i)第一mr扫描序列期间当rf电平足以干扰rf敏感测量时的间隔和(ii)关于第一mr扫描序列的时间范围和第一mr扫描序列中间隔的时间范围的rf数据；
结合第一mr扫描序列或结合第二mr扫描序列来操作所述同时操作的系统；
记录rf敏感测量；以及
通过以下来考虑所记录的rf敏感测量中由第一或第二mr扫描序列引起的干扰：
仅保留所述间隔外的rf敏感测量；或
存储关于第一mr扫描的时间范围和在第一mr扫描期间检测到的间隔的rf数据，并且基于所存储的数据：仅在检测到的间隔之外的时间期间记录rf敏感测量；或者在间隔期间记录rf电平并基于所记录的rf电平来调整在检测到的间隔期间获得的记录的rf敏感测量。
本发明的系统的同时操作的系统可以被配置为在第一mr扫描序列期间空闲或者与第一mr扫描序列同时操作以测量射频敏感测量。
同时操作的系统可以被配置为同时测量射频敏感测量，并且该方法还包括在进行射频敏感测量时记录它们。
控制器可以可选地被进一步配置为在间隔期间检测rf噪声的参数，记录检测到的参数并且存储指示检测到的rf噪声的参数的数据。
在一个实施例中，本发明涉及一种结合使用同时操作的系统(诸如相控阵超声换能器系统、超声成像探头和/或空化传感器)对解剖区域的射频敏感(rf敏感)测量来执行解剖区域的磁共振(mr)成像的方法。在各种实施例中，该方法包括以下步骤：在同时操作的系统空闲的情况下，执行包括mr脉冲的mr扫描序列；检测在mr扫描序列期间当rf水平足以干扰rf敏感测量时的间隔；存储指示所述mr扫描序列的时间范围和在此期间检测到的间隔的数据；并且至少部分地基于所存储的数据，同时执行扫描序列和操作同时操作的系统，但仅在与记录的间隔不对应的时间期间获得rf敏感测量。检测步骤可以由同时操作的系统和/或同时操作的系统外部的一个或多个专用传感器执行。可以周期性地执行mr扫描序列，并且可以至少部分地与mr扫描序列中的至少一个同步地执行rf敏感测量。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于结合解剖区域的rf敏感测量来执行解剖区域的mr成像的系统。在各种实施例中，该系统包括用于对解剖区域成像的mr成像设备；用于执行rf敏感测量的同时操作的系统；以及与mr成像设备和同时操作的系统通信的控制器。在一个实施方式中，控制器被配置为：在同时操作的系统空闲的情况下，执行包括mr脉冲的mr扫描序列；确定mr扫描序列期间当rf水平足以干扰rf敏感测量时的间隔；存储指示mr扫描序列的时间范围和在此期间检测到的间隔的数据；至少部分地基于所存储的数据，同时执行扫描序列并且操作同时操作的系统，但是仅在与所记录的间隔不对应的时间期间获得rf敏感测量。间隔的确定可以由同时操作的系统和/或同时操作的系统外的一个或多个专用传感器来执行。在各种实施例中，控制器进一步被配置为：(i)周期性地执行mr扫描序列；以及(ii)至少部分地与一个或多个mr扫描序列同步地执行rf敏感测量。
本发明的另一个实施例涉及一种结合使用同时操作的系统对解剖区域的rf敏感测量来执行该解剖区域的mr成像的方法。在各种实施例中，该方法包括以下步骤：同时执行包括mr脉冲的mr扫描序列和rf敏感测量；在进行rf敏感测量时记录rf敏感测量；检测mr扫描序列期间当rf电平足以干扰rf敏感测量时的间隔；以及仅保留在检测到的间隔外执行的rf敏感测量。检测步骤可以由同时操作的系统和/或由同时操作的系统外部的一个或多个专用传感器执行。
在又一方面，本发明涉及一种结合使用同时操作的系统对解剖区域的rf敏感测量来执行该解剖区域的mr成像的方法。在各种实施例中，该方法包括以下步骤：同时执行包括mr脉冲的mr扫描序列并获得rf敏感测量；在进行rf敏感测量时记录rf敏感测量；检测mr扫描序列期间当rf电平足以干扰rf敏感测量时的间隔并在间隔期间记录检测到的rf电平；以及基于所记录的rf电平来调整在所检测到的间隔期间获得的所记录的rf敏感测量。检测步骤可以由同时操作的系统和/或由同时操作的系统外部的一个或多个专用传感器执行。
本发明的又一方面涉及一种用于结合解剖区域的rf敏感测量来执行该解剖区域的mr成像的系统。在各种实施例中，该系统包括：用于对解剖区域进行成像的mr成像设备；用于执行rf敏感测量的同时操作的系统；以及与mr成像设备和同时操作的系统通信的控制器。在一个实施方式中，控制器被配置为：同时执行包括mr脉冲的mr扫描序列和rf敏感测量；在进行rf敏感测量时记录rf敏感测量；确定mr扫描序列期间当rf电平足以干扰rf敏感测量时的间隔；以及仅保留在检测到的间隔之外执行的rf敏感测量。间隔的确定可以由同时操作的系统和/或由同时操作的系统外部的一个或多个专用传感器执行。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于结合解剖区域的rf敏感测量来执行该解剖区域的mr成像的系统。在一些实施例中，该系统包括：用于对解剖区域进行成像的mr成像设备；用于执行rf敏感测量的同时操作的系统；以及与mr成像设备和同时操作的系统通信的控制器。在各种实施例中，控制器被配置为：同时执行包括mr脉冲的mr扫描序列并获得rf敏感测量；在进行rf敏感测量时记录rf敏感测量；确定mr扫描序列期间当rf电平足以干扰rf敏感测量时的间隔并在间隔期间记录所检测到的rf电平；以及基于所记录的rf电平调整在检测到的间隔期间获得的所记录的rf敏感测量。间隔的确定可以由同时操作的系统和/或由同时操作的系统外部的一个或多个专用传感器执行。
在又一个实施例中，本发明涉及一种结合使用同时操作的系统对解剖区域的rf敏感测量来执行该解剖区域的mr成像的方法。在各种实施例中，该方法包括以下步骤：在同时操作的系统空闲的情况下，执行包括mr脉冲的mr扫描序列；检测在mr扫描序列期间当rf噪声的电平足以干扰rf敏感测量时的间隔；在间隔期间检测rf噪声的参数并记录所检测的参数；存储指示所述mr扫描序列的时间范围以及检测到的间隔和在此期间的rf噪声的参数的数据；同时执行包括mr脉冲的mr扫描序列并获得rf敏感测量；在进行rf敏感测量时记录rf敏感测量；以及基于所记录的rf电平来调整在所检测到的间隔期间获得的所记录的rf敏感测量。
该调整可对应于从在所检测到的间隔期间获得的所记录的rf敏感测量中减去所记录的rf电平。另外，检测到的参数可以是rf噪声的频谱，并且减去步骤可以包括：对于每个rf敏感测量，获得对应于该测量的信号的频谱，并且在频谱中的每个频率处从与测量相对应的信号的幅度中减去rf噪声的幅度。频谱可以使用快速傅立叶变换从时域信号测量中获得。在一个实施例中，检测到的参数是间隔期间的rf噪声的最大电平，并且减去步骤包括从相应记录的rf敏感测量中减去最大rf噪声。在另一个实施例中，检测到的参数是rf噪声的平均电平，并且减去步骤包括从每个记录的rf敏感测量中减去平均rf噪声。
在一些实施例中，周期性地执行mr扫描序列，并且至少部分地与一个或多个mr扫描序列同步地执行rf敏感测量。另外，该方法进一步包括确定rf敏感测量的时间窗口并且识别所确定的时间窗口内的rf噪声；记录的rf敏感测量的调整对应于从在所检测到的时间窗口期间获得的所记录的rf敏感测量中减去所识别的rf噪声。
在另一方面，本发明涉及一种用于结合解剖区域的rf敏感测量来执行该解剖区域的mr成像的系统。在各种实施例中，该系统包括：用于对解剖区域进行成像的mr成像设备；用于执行rf敏感测量的同时操作的系统；以及与mr成像设备和同时操作的系统通信的控制器。在一个实施方式中，控制器被配置为：在同时操作的系统空闲的情况下，执行包括mr脉冲的mr扫描序列；确定mr扫描序列期间当rf噪声的电平足以干扰rf敏感测量时的间隔；确定在间隔期间rf噪声的参数并记录检测到的参数；存储指示所述mr扫描序列的时间范围以及检测到的间隔和在此期间的rf噪声的参数的数据；同时执行包括mr脉冲的mr扫描序列并获得rf敏感测量；在进行rf敏感测量时记录rf敏感测量；以及基于所记录的rf电平调整在检测到的间隔期间获得的所记录的rf敏感测量。
该调整可对应于从在所检测到的间隔期间获得的所记录的rf敏感测量中减去所记录的rf电平。另外，所检测的参数可以是rf噪声的频谱，并且控制器可以进一步被配置为对于每个rf敏感测量，获得与测量相对应的信号的频谱，并且在频谱中的每个频率处，从与测量相对应的信号的幅度中减去rf噪声的幅度。频谱可以使用快速傅立叶变换从时域信号测量中获得。在一个实施例中，检测到的参数是间隔期间的rf噪声的最大电平，并且控制器还被配置为从相应的记录的rf敏感测量中减去最大rf噪声。在另一个实施例中，所检测的参数是rf噪声的平均电平，并且控制器还被配置为从每个记录的rf敏感测量中减去平均rf噪声。
在各种实施例中，控制器还被配置为：(i)周期性地执行mr扫描序列；以及(ii)至少部分地与一个或多个mr扫描序列同步地执行rf敏感测量。另外，控制器还被配置为：确定rf敏感测量的时间窗口；以及识别在所确定的时间窗口内的rf噪声；所记录的rf敏感测量的调整对应于从所检测到的时间窗口期间获得的所记录的rf敏感测量中减去所识别的rf噪声。
如本文所使用的，术语“大约”、“粗略地”和“基本上”是指±10％，并且在一些实施例中，为±5％。贯穿本说明书对“一个示例”、“示例”、“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该示例描述的特定特征、结构或特性被包括在本技术的至少一个示例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个示例中”、“在示例中”、“一个实施例”或“实施例”不一定都指代相同的示例。此外，特定特征、结构、例程、步骤或特性可以以任何合适的方式组合在本技术的一个或多个示例中。本文提供的标题仅仅是为了方便，并不意图限制或解释所要求保护的技术的范围或含义。
附图说明
在附图中，贯穿不同视图，相似的附图标记通常指代相同的部分。而且，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图来描述本发明的各种实施例，其中：
图1a示意性地示出了根据本发明的各种实施例的示例性mri系统；
图1b示意性地示出了根据本发明的各种实施例的与mri系统同时操作的示例性系统(例如，聚焦超声系统)；
图2示意性地示出了根据本发明的各种实施例的mri设备与同时操作的系统之间的交互；
图3a是示出根据本发明的各种实施例的示例性mri方案以及由同时操作的系统执行的检测时间段的脉冲序列图；
图3b示出了根据本发明的各种实施例的基于由一些个体mr接收器/传感器检测到的活动梯度时间的总和来确定的mr梯度活动时间段；以及
图4a-4e示出了根据本发明的各种实施例的用于测量具有减少的或消除的mri干扰的rf敏感信号的各种方法。
具体实施方式
图1a示出了示例性mri设备102。设备102可以包括圆柱形电磁体104，其在电磁体104的孔106内产生必要的静磁场。在医疗程序期间，患者被放置在孔106内的可移动支撑台108上。患者体内的感兴趣区域110(例如，患者的头部)可以位于成像区域112内，其中电磁体104产生基本均匀的场。一组圆柱形磁场梯度线圈113也可以设置在孔106内并围绕患者。梯度线圈113在预定时间并在三个相互正交的方向上产生预定大小的磁场梯度。利用场梯度，不同的空间位置可以与不同的进动频率相关联，由此给出mr图像的空间分辨率。围绕成像区域112的rf发射器线圈114将rf脉冲发射到成像区域112中以使患者的组织发射磁共振(mr)响应信号。原始mr响应信号由rf线圈114感测并且传递到mr控制器116，mr控制器116然后计算可以显示给用户的mr图像。可替换地，可以使用单独的mr发射器和接收器线圈。使用mri设备102获取的图像可向放射科医师和医师提供不同组织之间的视觉对比以及用常规x射线技术不能显现的患者解剖结构的详细内部视图。
mri控制器116可以控制脉冲序列，即，磁场梯度以及rf激励脉冲的相对定时和强度以及响应检测时间段。使用图像处理系统将mr响应信号放大、调节并数字化为原始数据，并且通过本领域普通技术人员已知的方法进一步转换成图像数据阵列。基于图像数据，识别治疗区域(例如肿瘤)。图像处理系统可以是mri控制器116的一部分，或者可以是与mri控制器116通信的单独装置(例如，包含图像处理软件的通用计算机)。在一些实施例中，如下面进一步描述的，一个或多个超声系统120或一个或多个传感器122位于mri设备102的孔106内。
图1b示出了根据本发明的一些实施例的与mri系统102同时操作的示例性系统150，诸如超声系统，但是具有可能干扰mri系统102的相似或不同功能的可选的同时操作的系统也在本发明的范围内。如图所示，超声系统包括多个超声换能器元件152，这些超声换能器元件152在外壳154的表面处布置成阵列153。该阵列可以包括单个行或矩阵的换能器元件152。在替代实施例中，换能器元件152可以没有协调地布置，即，它们不需要被有规律地间隔或以规则的模式布置。如图所示，该阵列可以具有弯曲的(例如，球形或抛物线)形状，或者可以包括一个或多个平面或其他形状的部分。它的尺寸可以根据应用在几毫米到几十厘米之间变化。换能器元件152可以是压电陶瓷元件。也可以使用压电复合材料，或者通常能够将电能转换成声能的任何材料。为了阻尼(damp)元件152之间的机械耦合，可以使用硅橡胶或任何其他合适的阻尼材料将它们安装在外壳154上。
换能器元件152是可单独控制的，即它们各自能够以与其他换能器的振幅和/或相位无关的振幅和/或相位发射超声波。换能器控制器156用于驱动换能器元件152。对于n个换能器元件，控制器156可以包含n个控制电路，每个控制电路包括放大器和相位延迟电路，每个控制电路驱动换能器元件中的一个。控制器156可以将通常在0.1mhz至4mhz范围内的rf输入信号分成n个控制电路的n个通道。它可以被配置为以相同的频率但是以不同的相位和不同的振幅驱动阵列的各个换能器元件152，以使得它们共同地产生聚焦的超声波束。换能器控制器156期望地提供可以用软件、硬件、固件、硬连线或其任何组合来实现的计算功能，以计算期望聚焦位置所需的相位和振幅。通常，控制器156可以包括多个可分离设备，诸如频率发生器、包含放大器和相位延迟电路的波束形成器、以及执行计算并将各个换能器元件152的相位和振幅传送给波束形成器的计算机(例如，通用计算机)。这样的系统是容易获得的或者可以在没有过度实验的情况下实施。
为了执行超声成像，控制器156驱动换能器元件152以将声信号发送到正被成像的区域中并接收来自患者体内各种结构和器官的反射信号。通过适当地延迟施加到每个换能器元件152的脉冲，聚焦的超声波束可以沿着期望的扫描线传输。从患者体内的给定点反射的声信号在不同的时间被换能器元件152接收。换能器元件然后可以将接收到的声信号转换为供应给波束形成器的电信号。来自每个换能器元件152的延迟信号由波束形成器相加以提供扫描信号，该扫描信号是沿给定扫描线的反射能级的表示。针对多条扫描线重复该过程，以提供用于生成患者身体的指定区域的图像的信号。典型地，扫描模式是扇形扫描，其中扫描线始于超声换能器的中心并指向不同的角度。也可以使用线性、曲线或任何其他扫描模式。
在各种实施例中，在聚焦超声程序期间，由于由传播超声波产生的负压产生的应力和/或当加热液体破裂并充满气体/蒸汽时产生的应力，在组织中包含的液体中产生小的气泡或“微气泡”。一方面，通过产生较高谐波频率的原始波能量，由此增加组织中能量的吸收，微气泡具有积极的治疗效果。另一方面，含有较高相对百分比的微气泡的组织对持续应用超声能量的反应是非线性的并且难以预测。例如，由于来自声场的所施加应力，微气泡可能会塌陷。这种称为“空化”的机制可能导致超出目标的广泛组织损伤。因此，为了在施加声波时监测目标组织中的微气泡，在各种实施例中，同时操作的系统150包括一个或多个超声空化传感器158。空化传感器158检测当由外部施加的声场驱动时由于微气泡的体积变化引起的由微气泡发射的声辐射。通过分析检测到的声辐射的光谱特性，可以获得关于空化过程动态的详细信息。因为由微气泡发射的声信号处于rf范围内，所以它们容易受到由mri系统102产生的rf激励信号和/或随时间变化的场梯度的干扰。因此，消除/避免检测空化信号时的mr干扰也是关键的。
同时操作的系统150(诸如超声系统和/或空化传感器)可以布置在mri设备102的孔106内或者放置在mri设备102的附近。例如，多个空化传感器158可以被提供以围绕成像区域112。为了帮助确定同时操作的系统150和mri设备102的相对位置，同时操作的系统150可以进一步包括与其相关联的mr跟踪器160，其被布置在相对于系统150的固定位置和方向。跟踪器160可以例如并入或附接到同时操作的系统外壳。如果mr跟踪器160和同时操作的系统150的相对位置和方向是已知的，则mr跟踪器160的mr扫描隐含地显示同时操作的系统150在mri坐标中(即，在mri设备102的坐标系中)的位置。
如图1a和1b所示，包括mri设备102和同时操作的系统150的组合系统能够对感兴趣的解剖区域成像并检测超声信号；组合系统可用于为了治疗和/或安全目的而监测超声波的应用。例如，可以分析与超声波束路径交叉的组织界面上的超声波反射，以在必要时通过调整治疗方面来确保这些界面不会无意中过热。此外，可以使用所接收的空化频谱的测量来检测由超声波能量与含水组织的相互作用引起的空化。另外，组织和目标的可视化可以通过例如超声成像来补充，以便于跟踪移动的目标。超声检测可以用超声换能器阵列153来完成。例如，治疗和成像时间段可以是交错的，或者阵列153的连续部分或换能器元件152的不连续子集可以专用于成像，而阵列153的剩余部分聚焦超声波以用于治疗目的。可替换地，可以提供单独的超声接收器172，其可以是例如简单的超声探头或元件阵列。单独的接收器172可以放置在超声换能器阵列153的附近，或者集成到其外壳154中。另外，接收器172可以设置在mri设备102的孔106内或放置在其附近。
图2示意性地示出了根据本发明的各种实施例的mri设备200与同时操作的系统202(诸如相控阵超声换能器系统204、超声成像探头206或空化传感器208)之间的相互作用。mri设备200包括rf发射器线圈210和梯度线圈212，梯度线圈212用于在要成像的组织上产生随时间变化的磁梯度。发射器线圈和梯度线圈发射都落在rf范围内，并可能干扰超声处理/成像程序和/或空化检测(或其他同时执行的rf敏感操作)。mri发射器线圈210产生具有从约50mhz到约150mhz范围内的频率的电磁脉冲以引起自旋翻转。由梯度线圈212产生的梯度通常以khz或mhz频率更新，并且在连续更新之间基本恒定。例如，通过每四微秒施加一个新的电流，可以以250khz的采样率数字地控制梯度值(即，梯度场的磁场强度)。这些小的控制步骤主要在采样频率(即，在本示例中为250khz)及其谐波(即，500khz、750khz等)产生rf噪声。梯度值中的一个阶梯通常由斜率与当前阶梯成比例的受控斜坡来实现。所产生的rf噪声通常也与当前阶梯成比例。然而，即使在名义上的静态梯度期间，控制步骤也存在并导致一定程度的rf噪声(尽管显著低于斜坡期间产生的)。换句话说，非零静态梯度比动态梯度更安静，但并不完全安静。
超声成像和测量声反射的空化频谱通常具有低关联信号电压(例如，5mv范围内和以下的电压)。在这些测量期间，超声接收器(其可以是以“收听”模式操作的换能器阵列153，或单独的专用接收器装置172)和/或空化传感器208可以将声信号转换为电rf信号。这种信号也可以由来自mri设备200的rf干扰产生，导致不期望的信号分量。由于检测到的信号通常具有比例如聚焦超声消融脉冲更低的功率，所以它们对这种干扰特别敏感。
图3a示出了对于典型的mr梯度回波脉冲序列的、rf激励脉冲302、三个方向上的磁场梯度304、306、308和mr响应信号310(其在回波时间(te)出现)的相对定时的脉冲序列图。该序列可以周期性地重复；该周期被表示为重复时间tr并且可以例如在从20到30ms的范围内。图3进一步示出了可以执行同时操作的系统的操作的定时和时间段。在一些实施例中，如果同时操作的系统的操作对rf干扰不是特别敏感的(例如，当执行用于消融患病组织的聚焦超声发射时)，它们可以在任何时间执行，包括时间段312，在时间段312期间mri梯度是活动的。然而，如果同时操作的系统是rf敏感的，则在mri系统的梯度空闲时间(或“安静时间”)314期间执行检测-即其中磁场梯度或其时间变化基本不变和/或rf信号不被激励的时间间隔。换句话说，基于由mr控制器214计算和控制的mri脉冲序列来同步mri系统200和同时操作的系统202的操作。例如，在mr空闲时间314期间，mri设备200可以向同时操作的系统202的控制器216发送同步信号，该同时操作的系统202然后可以执行频谱测量和/或其他rf敏感操作。
可替换地，可以通过外部控制机制来实现同步。例如，再次参考图2，同时操作的系统202的控制器模块216和/或外部控制器218可以基于源自mri设备200的rf信号的测量直接或经由mr控制器214来控制rf敏感操作的定时。例如，外部控制器218可以与mri和同时操作的系统通信，每个系统包括单独的控制器。外部控制器218可以包括控制模块222，该控制模块222例如基于所接收的关于指定梯度是安静的时间间隔的mri脉冲序列的信息来确定梯度场活动何时是安静的。控制模块222还可以将控制信号发送到mr控制器214以在序列结束时停止mri操作以创建安静的时间。控制模块222可以将梯度空闲时间传送给负责启动rf敏感测量操作的触发模块224。控制器216、218与例如与相控阵超声换能器系统204或超声成像探头206相关联的一个或多个rf接收器(诸如超声通道)220和/或通过一个或多个单独的专用rf传感器208通信，专用rf传感器208用于在梯度空闲时间314期间执行rf敏感信号测量。在一些实施例中，mr控制器214和同时操作的系统202的控制器216可以被集成到单个控制模块，其将同步或时钟信号同时发送至设备200、202，或者直接控制rf发射器线圈210、梯度线圈212和同时操作的系统202。
在各种实施例中，mri系统200的梯度空闲时间314基于由与相控阵超声换能器系统204或超声成像探头206相关联的rf接收器220和/或通过单独的专用rf传感器208测量的信号来确定。在一个实施例中，mri系统200被激活以执行标准操作，而同时操作的系统202是空闲的-即同时操作的系统202不活动或不执行其功能中的至少一个功能(诸如发射声波)，但能够检测传输的信号(该过程被称为“冷”扫描)。因此，rf接收器220和/或rf传感器208可以检测rf信号的时间段被定义为梯度活动时间，而检测到的rf信号低于阈值的时间段被定义为梯度空闲时间。阈值可以是会干扰rf敏感操作的级别。相对于扫描时间段或其重复部分来定义梯度活动时间和梯度空闲时间。因此，因为脉冲序列是循环的，所以可以基于rf接收器220和/或rf传感器208的测量来“学习”mri脉冲序列的梯度活动和梯度空闲时间间隔。在一个实施例中，所学习的梯度活动和梯度空闲时间间隔被存储在计算机存储器中，该计算机存储器可以被实现为任何类型的易失性或非易失性(例如，闪存)存储器。同时操作的系统202的活动然后可以基于从存储器检索的存储的mri脉冲序列被同步到mri系统200。该方法允许rf敏感操作与后续(或新的)mri脉冲序列中的mri扫描同时执行，而不需要实时测量源自mri设备200的rf信号以在每次执行rf敏感操作时识别mri梯度活动和梯度空闲时间间隔。
专用传感器208可以由对mr电磁干扰敏感但不对源自同时操作的系统202的测量信号敏感的导线环或螺线管制成。mr电磁干扰传感器208可以放置在mr孔106内部的位置，该位置对沿着每个轴线的梯度敏感，但不干扰在mr扫描期间执行rf敏感测量的同时操作的系统202。再次，基于由mri设备200的操作导致的测量的rf干扰，mri设备200和同时操作的系统202被同步，以使得非rf敏感操作在梯度活动时间段(或mr活动时间段)期间执行，为rf敏感操作预留安静时间(或梯度空闲时间)。
参考图3b，当同时使用多于一个接收器220和/或传感器208来测量rf信号时，每个接收器220和/或传感器208可以检测具有不同的振幅和/或相位的rf干扰。在一个实施例中，mr梯度活动时间段被定义为由至少一些独立接收器220和/或传感器208检测到的活动梯度时间的总和(即，联合)。也就是说，如果mri脉冲序列对于控制器216不可用，可以学习它。
在一些实施例中，mri序列在其完成后停止运行，并且在一个序列结束之后并且在下一个序列开始之前执行mr敏感操作。下一个序列可以自动开始或可以由外部控制信号触发。同时操作的系统202识别序列的结束(例如，通过使用(一个或多个)专用接收器/传感器测量由mri设备生成的rf信号)，执行rf敏感测量，然后发送指示完成rf敏感测量的触发命令至mri设备。mri设备200然后可以执行下一个序列。该延迟可以在连续序列之间发生，或者可以根据应用而延迟或交错，以使得在执行rf敏感操作之前重复mri序列一次或多次(即，跳过一个或多个序列转变)。该系统还可以被编程为仅在某些mri程序之后，例如仅在热成像序列之后执行rf敏感测量。外部控制通常在定时mr成像和rf敏感测量中提供高度的灵活性，从而有助于整个程序的时间效率。
通常，如上所述用于同步mri设备和同时操作的系统的功能，不管是与mri和/或同时操作的系统的控制器集成，或由单独的外部控制器提供，可以构建在以硬件、软件或两者的组合实现的一个或多个模块中。对于其中功能被提供为一个或多个软件程序的实施例，程序可以用诸如fortran、pascal、java、c、c++、c#、basic、各种脚本语言和/或html的许多高级语言中的任何一种来编写。另外，该软件可以以针对驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件配置为在ibmpc或pc克隆上运行，则可以采用英特尔80x86汇编语言实现该软件。软件可以在制造物品上实现，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、prom、eprom、eeprom、现场可编程门阵列或cd-rom。使用硬件电路的实施例可以使用例如一个或多个fpga、cpld或asic处理器来实现。
图4a示出了不需要如上所述的“冷”扫描的学习程序。相反，同时操作的系统202在mr梯度活动时间段(即“热扫描”)期间执行rf敏感测量；测量的信号402包括mr电磁干扰。在一个实施例中，虽然在热扫描期间mri和同时操作的系统都是活动的，但是专用传感器208单独地并且并行地检测mr干扰404。因为专用传感器208对源自mri操作的mr电磁干扰敏感而不对来自同时操作的系统202的测量信号敏感，如果mr梯度活动时间段事先不被控制器216所知，则这些信号可以用于定义mr梯度活动时间段。如上所述，检测到的rf信号超过阈值的时间段被定义为梯度活动时间，而检测到的rf信号低于阈值的时间段被定义为梯度空闲时间。因此，可以通过丢弃与基于专用传感器208的测量而学习的活动梯度时间段相对应的时间间隔期间测量的数据来校正使用同时操作的系统202执行的rf敏感测量。
在另一个实施例中，根据如下面进一步描述的信号校正程序来校正由同时操作的系统202测量的信号。图4b和图4c示出了允许mri设备200和同时操作的系统202同时操作(即，mri设备200获得mri图像并且同时操作的系统202执行rf敏感测量)的信号校正程序410。在第一步骤412中，同时操作的系统202首先被设置为空闲模式-即，其被开启但未被激活以发送能量。例如，如果同时操作的系统202是聚焦超声系统，则没有超声通道被主动驱动以发射声波，但超声通道准备在空闲模式中接收声信号。在第二步骤414中，根据正常程序激活和操作mri设备200，即，将磁场梯度和rf激励脉冲的脉冲序列发射到成像区域中，以使患者组织发射mr响应信号。如上所述，该步骤是“冷”扫描，因为在mr扫描期间同时操作的系统是不活动的。在第三步骤416中，由mri设备200的激活产生的mr干扰418由与同时操作的系统202相关联的检测通道和/或传感器(例如，空化传感器)测量；测量的mr干扰可以被存储在计算机存储器中，该计算机存储器被实现为任何类型的易失性或非易失性(例如，闪存)存储器。在第四步骤420中，同时激活(即，“热”扫描)mri设备200和同时操作的系统202，同时检测通道和/或传感器接收向其发送的信号422。由于mri干扰418通常是相对于测量信号的附加的平稳噪声，所以可以通过基于在冷扫描期间学习的干扰mr脉冲的时间位置从在热扫描期间获得的检测信号422中减去在冷扫描期间测量的mri干扰来来校正由同时操作的系统202检测到的信号422(在第五步骤424中)。因此该方法对由同时操作的系统202测量的没有(或至少受限制的)mri引起的干扰的期望信号提供有效的校正426。
参考图4d，同时操作的系统202可以用比重复时间tr430短的时间段428来激活。例如，空化测量时间可以在1ms的量级，而重复时间tr在20到30ms的范围内。因此，空化(或其它)测量428可能不与tr430同步；连续的测量窗口432、434可以在每个tr和/或连续的tr内的不同间隔期间发生。在一个实施例中，为了校正在不同时间窗口期间测量的这些空化信号(或其它信号)，首先使用如上所述的冷扫描建立tr噪声分布436。因为mr噪声在整个tr持续时间内变化，所以tr噪声分布436允许跟踪在tr期间作为时间的函数的整体mr干扰幅度。当同时操作的系统202被激活以在热扫描期间执行空化(或其他rf敏感)测量438时，同时操作的控制器216可确定与rf敏感测量相关联的时间窗口440a-440g，并随后使用建立的tr噪声分布436识别在特定测量窗口中的mr干扰水平。因此，可以通过从中减去识别的mr干扰噪声来校正所测量的信号。此外，对于每个序列重复(或重复的时间(tr))，mr干扰可以是伪静态的，以使得只有以梯度振幅编码的相位在tr之间改变。在一些实施例中，在冷扫描期间获得的mri干扰被减少为从例如单次冷扫描tr、多次冷扫描tr中的mr干扰的平均值、或者在多次冷扫描tr中的最大mr干扰中获得的单组数据。当处理在mri设备和同时操作的系统的同时操作期间获取的信号的海量数据量时，该方法可以有利地降低复杂度。
如图4b和图4c所示的信号校正程序可以与如图4a所示的mr梯度活动时间段的学习程序相结合。例如，在每个mr序列结束时，同时操作的系统202的控制器216可以通过丢弃在图4a所述的活动梯度时间段期间测量的数据来校正在热扫描期间测量的rf敏感信号。然而，如果丢弃的数据高于阈值(例如，所获取的数据的30％)，则控制器216可以开始信号校正程序-即从在热扫描期间获得的测量的rf敏感信号减去在冷扫描期间测量的mr干扰-如图4b和4c所述或者基于随后mr序列中的所测量的mr干扰的幅度来调整rf敏感测量。在另一个示例中，控制器216可以实时地从接收的rf敏感信号中减去mr干扰。然而，如果控制器216确定在冷扫描期间获得的mr噪声高于可导致不可靠rf敏感测量的阈值，则控制器216可再次丢弃或拒绝在高噪声时间段期间测量的rf敏感信号。
参考图4e，在各种实施例中，使用例如快速傅立叶变换(fft)将在冷扫描期间测量的mr干扰噪声和在热扫描期间测量的信号分别转换成在频域中的信号448、450(步骤442和444，如图4b所示)。然后可以通过在频谱中每个频率处直接减去转换信号的幅度来执行从测量信号450减去mri干扰噪声448。当同时操作的系统的测量信号对相位测量不敏感时(例如聚焦超声中的空化测量)是特别有用的并且避免了对mri扫描和同时操作的系统的操作进行精确同步的需要。
在一些实施例中，上述同步和校正方法与屏蔽、信号滤波和/或处理结合使用。例如，如果同步方法与屏蔽结合，则通常在所使用的屏蔽量与最大可接受噪声之间进行权衡。使用的屏蔽越少，梯度就需要越安静以避免mri系统和超声(或其他同时操作的)系统之间的不期望的干扰。如果信号校正方法与屏蔽结合，则使用的屏蔽越多，所需的校正就越少。由于屏蔽引起的噪声减少取决于所使用的特定材料(例如，铁、铜或镍)以及感兴趣的频率范围，并且可以基于文献中可用的吸收和反射系数的图表和表格来容易地确定。例如，在大约1mhz的频率下，3mm厚的铁屏蔽将噪声减少约100db。对于给定的最大可接受噪声水平(其取决于系统的信号滤波和处理能力)，可以基于屏蔽实现的噪声减少来计算最大可允许的梯度。
虽然已经参考超声换能器系统和其他具体细节描述了本发明，但是这些细节不应被认为是对本发明范围的限制。例如，用于使mr成像与除包括rf敏感操作的聚焦超声疗法之外的治疗形式同步的系统和方法也包括在本发明的范围内。此外，术语“mr干扰”、“mr干扰噪声”、“mr噪声”、“rf噪声”和“rf干扰”在本文中可互换使用。此外，应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，即使在这里没有表达这样的组合或置换，本文描述的各种实施例的特征不一定是相互排斥的并且可以以各种组合和排列存在。实际上，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员将会想到在此描述的内容的变型、修改和其它实现方式。