专利名称：基于磁共振标记的位置和方向探针的制作方法
技术领域：
下面的发明涉及磁共振领域。尤其适用于介入磁共振成像，其中磁共振成像用于监视活检或其他介入医疗过程，并且将参照该具体应用进行描述。然而，其通常还适用于磁共振成像。
背景技术：
在诸如活检、热消融、近距放射治疗等的介入医疗过程中，在介入过程进行时，精确识别活检针、导管或其他介入器械的位置和方向是重要的。在非介入过程中，位置和方向跟踪也是有用的，例如用作基于解剖界标的切片选择工具。在一些方法中，磁共振成像扫描器用于在介入医疗过程期间对患者成像，并且另一基于非磁共振的技术用于跟踪介入器械的位置和方向。例如，Philips OptoguideTM采用能够监视光学标记以确定介入器械位置和方向的立体镜照相机对。在该方法中，在跟踪期间，光学标记必须保持在监视照相机的视线中。而且，光学监视系统必须相对于磁共振成像进行空间校准。
磁共振成像也已经用于同时提供患者的图像和跟踪介入器械的信息。在一些方法中，基于磁共振的跟踪利用了由介入器械的尖端叠在磁共振图像上的磁化率伪影。该方法具有干扰器械尖端周围区域图像的缺点，并且通常还不能提供足够的信息以提取空间和角度信息。
在其他方法中，以相对于介入器械固定的、已知空间关系提供专用基准组件。在这些方法中，基准组件包括至少三个空间分离的磁基准标记，每个磁基准标记产生独立的磁共振信号。三个磁共振接收通道独立采集和处理来自这三个平行磁标记的磁共振，这需要三倍的硬件。而且，从患者发出的1H质子磁共振信号可能干扰磁共振标记和跟踪。
本发明提供了克服前述及其他限制的改进的装置和方法。
发明内容
根据一个方面，公开了一种磁共振位置和方向标记系统。基准组件包括至少三个基准标记，每个基准标记与至少一个磁共振接收线圈耦合。至少一个基准标记具有至少下列之一(i)可在1H脂肪和水共振上选择性激发的标记核子，和(ii)多个磁共振接收线圈。至少两个磁共振接收通道，响应于由相关联磁共振成像扫描器在所述至少三个基准标记中激发的磁共振，从该至少三个基准标记接收磁共振信号。
根据另一方面，提供了一种确定包括至少三个基准标记的基准组件的位置和方向的方法。在该至少三个基准标记中激发磁共振。每个基准标记与至少一个磁共振接收线圈耦合。至少一个基准标记具有至少下列之一(i)可在1H脂肪和水共振上选择性激发的标记核子，和(ii)多个磁共振接收线圈。经由至少两个磁共振接收通道，从已激发的该至少三个基准标记中接收磁共振信号。
本发明的一个优点在于提供了降低了成本和复杂性的、可靠的基于磁共振的标记和跟踪系统。
本发明另一优点在于提供了一种仅采用两个磁共振接收通道的基于磁共振的标记和跟踪方法。
本发明又一优点在于提供了一种基于磁共振的标记和跟踪系统，其中显著减少了从成像患者发出的1H共振的干扰。
本发明还一优点在于提供了标记和跟踪源自基准标记交叠、对称的标记构造等引起的模糊性的稳定可靠的分辨率。
在阅读了优选实施例的下列详细描述之后，对于本领域普通技术人员，大量附加优点和益处将变得明显。
本发明的形式可以为各种部件和部件设置，以及各种处理操作和处理操作设置。附图仅出于图示优选实施例的目的，而不解释为限制本发明。
图1示出了介入磁共振系统，其包括示例性介入器械和用于跟踪介入器械的跟踪系统。
图2示出了图1的介入器械，具有与之固定的基准组件。
图3示出了一瓶磁标记材料，其适于用作图2的基准组件的一个基准标记。
图4示意性地示出了图2的基准组件的接收线圈的线圈方向。
图4A示意性示出了图2的基准组件的“Ch0”接收通道的电学布局。
图4B示意性示出了图2的基准组件的“Ch1”接收通道的电布局。
图5示出了适用于图1的系统的磁共振通道接收器的前置放大器的简化示例性电学示意图。
图6示意性示出了用于测量沿着x-方向的一维投影的合适的磁共振脉冲序列。
图7A和7B示出了对于选定的一维投影，分别为“Ch0”和“Ch1”测得的经傅立叶变换的频域谱。
图8A示出了图7A和7B的“Ch0”和“Ch1”谱的乘法组合。
图8B示出了在平滑和傅立叶内插之后图8A的乘法组合。
图9A和9B示出了对于两个基准标记峰强烈交叠的选定一维投影，分别为“Ch0”和“Ch1”测得的经傅立叶变换的频域谱。
图9C示出了图9A和9B的“Ch0”和“Ch1”谱的乘法组合。交叠的峰对应于图9C的乘法组合中的负峰。
图10A、10B和10C图示了近似“Ch0”和“Ch1”通道数据中第一基准标记形状的移位的时域形状的结构。
图11A、11B和11C图示了使用图10C的移位的时域形状，来确认由“Ch0”数据中的第二基准标记导致的“#2”峰。
图12A示出了测得的θ的标准偏差，其中数据再网格化，测量点位于θ＝10°、20°、……70°，而Ψ＝15°、30°、45°、52°、60°、67°、75°和82°。
图12B示出了标准偏差的理论预测，其中假设代表每个峰“#1”、“#2”、“#3”的分支通道的反信噪比和统计角度波动之间是线性关系。
图12C示出了测得的θ的与旋转有关的误差。
具体实施例方式
参考图1，磁共振成像扫描器10在感兴趣区域12中执行磁共振成像。在图示实施例中，磁共振成像扫描器是从Philips MedicalSystems Nederland B.V.获得的Philips Panorama 0.23T扫描器。该扫描器具有方便介入医疗过程的开放孔。将意识到，扫描器10仅是一个例子，并且在此描述的器械标记和跟踪方法和装置一般可用于基本上任何磁共振成像扫描器，包括但不局限于开放孔扫描器、封闭孔扫描器、垂直孔扫描器等。将诸如人类医学患者的成像对象(未示出)放置在对象支撑14上并且定位在扫描器10的感兴趣区域12中。
在介入医疗过程中，采用诸如活检针、导管、指针等的介入器械20执行活检、热消融治疗、近距放射治疗、切片选择等。在介入医学过程期间，磁共振成像扫描器10对操作区域和介入器械20进行成像，以向外科医生或其他医学治疗专家提供可视引导。在一些介入过程中，介入器械直接由外科医生或其他医学治疗专家操纵。然而，对于要求介入器械20的高精度操作的精密或敏感过程，机械组件22在外科医生或其他医学治疗专家的指导下，支撑并操纵介入器械20，或者帮助定位介入器械20。在图示实施例中，机械组件22安装在对象支撑14上；然而，在其他可以想到的实施例中，可将臂支撑或安装在扫描器10上或另一相关结构上。
不管如何操纵介入器械20，在介入过程期间提供对器械20的自动标记和跟踪是有利的。为此目的，基准组件30放置在磁共振扫描器10视野中的介入器械20上。在图示实施例中，基准组件30包括三个基准标记31、32、33，它们响应于磁共振成像扫描器10产生的射频激发而产生磁共振信号。三个标记一般足以确定介入器械20的空间位置和方向；然而，可包括附加标记以提供冗余和改进的跟踪可靠性。在图示实施例中，三个标记31、32、33由两个射频通道接收器40、42监视，所述两个射频通道接收器40、42产生在此分别指示为“Ch0”和“Ch1”两个正交磁共振接收信号。这两个磁共振接收信号由位置/方向处理器44处理以确定基准组件30的位置和方向，并且因而确定与基准组件30刚性连接的介入器械20的位置和方向。或者，每个基准标记31、32、33能够由单独的磁接收通道(即，总共三个接收通道)监视，并且这三个通道接收并合适地处理以确定位置和方向。
在图示实施例中，两个射频通道接收器40、42和位置/方向处理器44安装在电子装置架50中，并且具有显示器54和图形用户界面56的计算机52作为外科医生和其他医学治疗专家的用户界面，以接收与介入器械20相关的位置和方向信息。在图示实施例中，计算机52还提供了用于控制磁共振成像扫描器10和用于接收来自磁共振成像扫描器10的图像的用户界面。将意识到，该硬件结构仅是说明性的例子，本领域技术人员很容易对其进行修改。例如，位置/方向处理器44能够由计算机52执行的计算机软件来实现，而不是作为独立电子部件。两个射频通道接收器40、42能够同样地集成到计算机52中，例如作为具有与计算机主板匹配的插件连接器的任意电子卡。在其他实例修改方案中，用于控制扫描器10和用于显示来自扫描器10的图像的计算机能够独立和区别于用于标记和跟踪介入器械20的硬件。
继续参考图1并进一步参考图2，基准组件30包括三个基准标记31、32、33，虽然也可构想出其他非线性布置，但是在图示实施例中将它们放置在等边三角形的角处。基准组件30刚性地与介入器械20连接，提供了基准组件30的位置和方向相对于介入器械20的位置和方向及其尖端位置的先验知识。
参考图3，三个基准标记31、32、33每个都包括一个容纳有磁标记材料62的密封瓶60。在一些实施例中，磁标记材料62是含氟材料。一种合适的含氟磁标记材料是89(重量)％的三氟醋酸(CASno.76-05-1)和11(重量)％的水组成的三氟醋酸溶液。可选地，添加合适的T2弛豫时间缩短剂以将T2驰豫时间从120毫秒以上缩短到约25毫秒。例如，T2驰豫时间缩短剂可以是添加到三氟醋酸溶液中达到7毫摩尔每升最终浓度的二氯化锰(MnCl2)。小瓶60应当很小以限制对介入器械20的操纵的干扰，然而还应当足够大以包含足够磁标记材料62以提供足够的磁共振信号。在图示实施例中，小瓶60基本上是球形的，具有约10毫米的外径和约9.5毫米的内径。在图示实施例中，小瓶60通过熔化瓶颈区域64而密封，这剩下一滴熔融的玻璃68和空气泡66。图示的基准标记是一个实例——本领域技术人员能够使用含有氟、氢和其他适于产生磁共振标记信号的核子的其他液体或固体磁标记材料，并且能够使用磁标记材料的其他合适的容器和固定装置。
继续参考图3，小瓶60放置在塑料线圈固定器中并且通过浇铸环氧树脂固定。将线圈固定器形成为容纳合适的磁共振接收线圈的形状。该布置有利地将线圈放置得非常接近磁标记材料62以提供它们之间强电磁耦合。然而，能够使用提供与磁标记材料充分电磁耦合的其他线圈布置。
继续参考图1-3并进一步参考图4、4A和4B，第一基准标记31包括具有定向在第一方向上的线圈法线72的线圈70。第二基准标记32包括具有定向在不同于第一方向的第二方向上的线圈法线76的线圈74。在图示实施例中，线圈法线72、76互相垂直。如图4A中所示，两个线圈70、74串联连接以限定由图1中示出的“Ch0”接收器40接收的“Ch0”信号。(为了图示清楚性，线圈和电互连在图4、4A和4B中概略地图示并且在图2中省略)。
第三基准标记33包括线圈80，其定向在与第一基准标记31的线圈70相同的平面中；然而线圈80的线圈法线82的取向与线圈70的线圈法线72相反。即，第三基准标记33的线圈80具有与第一基准标记31的线圈72相同的空间方向，但是反极性地缠绕和连接。相似地，第一基准标记31包括第二线圈84，其定向在与第二基准标记32的线圈74相同的平面中；然而线圈84的线圈法线86的取向与线圈74的线圈法线76相反。即，第一基准标记31的第二线圈84具有与第二基准标记32的线圈74相同的空间方向，但是反极性地缠绕。如图4B所示，两个线圈80、84串联连接以定义由图1中所示的“Ch1”接收器42接收的“Ch1”信号。
参考图5，在一个合适的实施例中，磁共振通道接收器40、42每个包括一个通过双绞线电缆92与串联互连的线圈(即，用于第一接收器40的线圈70、74，以及用于第二接收器42的线圈80、84)连接的前置放大电路90。前置放大电路90包括共振电容器94、96和输出放大器98。在用于成像的磁共振激发期间，解谐前置放大电路90以避免电路过载通常是有利的。因此，PIN二极管驱动的发射退耦电路(由广义阻抗100表示)在接收模式中近似为断路，并且在发射模式中与较低电容96形成并联共振电路。将意识到，前置放大电路90是图示实例——本领域技术人员能够易于修改电路90或设计和建立其他合适的接收电路。
参考图6，通过应用在选定成像序列中随意交插的一系列一维投影激发，以及根据响应于这些投影激发在“Ch0”和“Ch1”接收通道40、42上检测到的共振，确定基准标记31、32、33的位置，来对基准组件30的位置和方向(和因此，等效地，介入器械20的位置和方向)进行周期性地监视，例如每秒十次。图6概略地示出用于这种投影测量的合适脉冲序列。可以是90°脉冲或其他倾倒角(flipangle)脉冲的空间非选择性激发脉冲110，在感兴趣区域12内的物质中，包括在磁标记材料62中产生磁共振。在一选定投影方向上施加移相梯度脉冲。在图示实例中，移相梯度脉冲112是用于在x-方向上产生梯度的Gx梯度脉冲。虽然为简化，仅图示了Gx梯度脉冲112，但是将会意识到的是，通过选择性地组合Gx、Gy和Gz梯度，能够在任何方向上产生投影。在施加读取梯度(在示例性x-方向投影上的Gx梯度116)之后，施加非选择性180°脉冲114。在读取梯度116期间，执行读出采样周期118。在一个实例中，在600mm的视野中以50kHZ采集512个样本；然而，能够使用其他采样参数。在读出之后能够随意地施加扰流器梯度(spoiler gradient)，但是在图示实施例中由于在采集多个不同方向的投影时使用改变的读取方向，因此省略了扰流器梯度。图6中所示的脉冲序列仅是实例——本领域技术人员能够易于构造用于测量选定投影方向上一维投影的其他合适的脉冲序列。
在一些磁标记材料62包括氟核子的优选实施例中，磁共振通道接收器40、42监视19F氟磁共振。19F磁共振峰在频率上比1H氢磁共振峰约低6％。由于通常使用1H共振成像人类患者或其他成像对象，扫描器10通常调谐到1H磁共振频率。然而即使调谐到1H频率，磁共振扫描器10的射频发射部件也可在19F共振频率产生足够的强度，从而允许基于氟的磁共振标记。例如，在一个商业磁共振成像扫描器中，1H磁共振频率的激发在19F氟共振频率产生最大(即，1H频率)B1场的约11％。在19F频率的该激发强度通常足以使线圈70、74、80、84检测到在基准标记31、32、33中激发的19F磁共振，所述线圈紧靠包含在小瓶60中的磁标记材料62放置。在图示实施例中，示例性Panorama 0.23T扫描器10的接收链路是超出前置放大器90的宽带，并且可针对检测和采样目的调整混频器IF。因此，利用与用于质子成像的相同的扫描器接收链路，有利地对前置放大电路90的结果进行处理。
当使用19F磁共振时，在19F频率处减小的射频发射强度(与成像1H频率相比)要求使用相对较长的发射脉冲，例如，2.75毫秒的激发脉冲110，5.50毫秒的180°脉冲114。这导致了相对长的回波时间(图示实施例中约17毫秒)和相应的窄带激发，其强烈地将基准标记信号限制到扫描器10磁体的匀质体积中。
已经发现该示例性的基于氟的标记材料62的19F共振在B0＝0.23特斯拉时很好地工作。在0.23特斯拉执行的一些跟踪序列中，选择性地激发19F氟共振，而基本没有患者的1H水和脂肪共振的激发，这有利于从成像对象共振中区分标记共振。而且，三个基准标记31、32、33中的19F共振以相同的方式激发并且在相同的相位进动，这有利于根据不同线圈缠绕方向产生的相位差来区分标记。
19F共振是一个例子；在其他实施例中，在基准标记中采用了其他核磁共振。在一些实施例中，其1H共振的共振频率具有强化学移位的标记材料，足以允许选择性地激发标记材料中的共振，而基本不激发人体的1H脂肪和水共振。例如已经发现，在B0＝0.6特斯拉，适用于产生19F共振的同一含氟磁标记材料62(三氟醋酸/水溶液)，提供在频率上显著化学移位的化学移位的1H磁共振，从而使得能够选择性地激发该化学移位的1H标记共振，而基本不激发1H脂肪/水共振。
因此，在一些实施例中，该示例性三氟醋酸溶液62用作低场(例如，B0＝0.23特斯拉)和高场(例如，B0＝0.6特斯拉)中的标记材料。对于低场，激发19F标记共振；在高场，激发化学移位的1H共振。技术人员能够选择适用于这些和其他磁场的其他标记材料。而且，在一些预期实施例中，1H水或1H脂肪标记共振与1H患者共振一起激发，并且标记线圈与基准标记31、32、33中的标记材料的紧邻，提供了足够的选择性来从1H患者共振信号中区分标记信号。
图7A和7B示出了对于选定一维投影，分别为“Ch0”和“Ch1”测得的示例性傅立叶变换频域谱。在图7A和7B中，从第一基准标记31出现了两个峰由线圈70引起的“Ch0”谱中的峰，以及由线圈84引起的“Ch1”谱中的峰。由第一基准标记31引起的这些峰在图7A和7B中标注为“#1”。第二基准标记32对图7A中的“Ch0”谱贡献了一个峰。由第二基准标记32引起的该第二峰标注为“#2”。相似的，第三基准标记33对图7B中的“Ch1”谱贡献了标注为“#3”的峰。
虽然在图7A和7B中峰标注为“#1”、“#2”或“#3”，从而出于解释目的用特定基准标记识别峰，将意识到在所采集的谱中这些峰并不用特定基准标记来识别。将意识到，在基准组件30的一些位置和方向上，一个或这两个“#1”峰可与“#2”峰和/或“#3”峰交叠，或者这些峰可以处于高度空间对称的状态，或者用特定基准标记识别特定峰时可以存在其他的不确定因素。
因此，图1的位置/方向处理器44执行一种方法，通过该方法“Ch0”和“Ch1”谱中的峰能够用基准标记31、32、33中特定的一些来明确识别。下面描述一种合适的方法。一旦在每个一维投影谱中明确识别了所述峰，则每个基准标记31、32、33在该投影方向上的空间位置能够根据投影的频率编码的空间关系而确定。这在选定的一维投影的基础上产生了标记位置信息。该位置信息与基准之间先验的已知关系一起转换成合适的标准正交基，以得到在扫描器10的坐标系中、在解剖坐标系中或在另一合适的坐标系中的位置和方向信息。
在合适的处理方法中，每个投影的“Ch0”和“Ch1”谱存储成复数浮点表示，并采用了四个投影方向，每一个垂直于四面体四个面中不同的一个面。四个投影方向的该选择有利地创造了由超定的系统，该系统允许自洽性检验，对由于测量误差、处理误差等引起故障进行检测，以及单个投影方向上误差的故障恢复。
任选地，例如通过将512个样本的投影数据集中的最初和最后128个样本设置为零，在时域上对采集的“Ch0”和“Ch1”谱进行切趾(apodize)。只要投影谱中来自基准标记31、32、33的峰至少是数个像素宽，则这种切趾产生信息的微量损失。这种可选择的切趾减少了180°射频脉冲114的自由感应衰减尾(标注在图6中)且显著提高了信噪比。
继续参考图7A和7B并进一步参考图8A和8B，通过利用基准标记31、32、33的布置来识别由第一基准标记31的线圈70、84引起的峰(即，在图7A和7B中标注为“1#”的峰)，在所述布置中第一标记31的线圈70、84垂直并且具有与第二和第三标记32、33的线圈74、80相反的手性。使用类似向量积的运算逐点乘(在任选的变址之后的)图7A和7B的频域谱。将投影“n”的“Ch0”数据的傅立叶变换表示为fch0，n，而将投影“n”的“Ch1”数据的傅立叶变换表示为fch1，n，逐点乘运算定义为bn＝Re{fch0，n}·Im{fch1，n}-Re{fch1，n}·Im{fch0，n}(1)，其中bn是逐点乘运算的结果，并且在图8A示出。由于数据的手性属性，由基准标记32、33的线圈74、80引起的峰“#2”和“#3”为小或为负，并且适于设置为0或者以其它方式被抛弃。因此，图8A中示出的结果谱bn仅包括标注了“#1”单个峰，与第一基准标记31的线圈70、84的乘法组合信号相对应。
例如通过任选的平滑和/或傅立叶内插，任选地处理乘法谱bn以改进数据。在一个这种任选方法中，向bn的正和负频率对称地应用补零以产生5120点的数据集，并且利用适当补零的频域中的一个基准标记的一维估计投影形状，来应用傅立叶卷积平滑。这种任选平滑和内插的结果示出在图8B中，并且由合适的峰搜索算法分析以识别表示为“n”的投影中的第一基准标记31的位置。在投影“n”中的第一基准标记31的位置表示为“ln，1”，并且基于在采集投影“n”时使用的空间频率编码，适当地表达为沿着投影“n”的空间位置。
将意识到，由线圈70引起的“Ch0”谱中的“#1”峰和由线圈84引起的“Ch1”谱中的“#1”峰应当在相同的频率发生，因为它们在第一基准标记31处空间一致。如果这些峰由于接收通道40、42之一的频率误校或由于跟踪系统中的另一问题而不交叠，则这通常将在处理期间变得明显，因为在这种情况下“Ch0”和“Ch1”的非交叠“#1”峰将不乘在一起以提供bn谱中的“#1”峰。因而，提供了数据一致性检查。而且，在图7A、7B、8A和8B的实例中，第二和第三基准标记32、33的峰不交叠。因此，通过等式(1)的乘法运算，这些峰基本上消除了，即，减少到接近零。
参考图9A、9B和9C，示出了当第二和第三基准标记32、33强烈交叠的情况。图9A和9B示出了对于选定一维投影，分别为“Ch0”和“Ch1”测得的示例性经傅立叶变换的频域谱，其中分别由第二和第三基准标记32、33引起的峰“#2”和“#3”强烈地交叠。图9C示出了通过将等式(1)应用到图9A和9B的谱而产生的乘法乘积bn。由于峰“#2”和“#3”的交叠，等式(1)的乘法运算不消除“#2”和“#3”峰，而是由于它们的乘法组合产生了负峰(即，不同的相位)。在图9C中，该乘法组合的负峰标注为“#2&#3”。通过丢弃bn的负值(例如，设置bn的负值等于零)，图9C的谱能够再一次减少到对应于第一基准标记31的单个正峰。该正峰在图9C中标注为“#1”。在移除了无关的负峰之后，任选地对图9C的谱执行平滑和内插操作，以产生相似于图8B中所示的改进的峰分辨率，由此可识别“#1”峰的精确位置。
将意识到，不是使第一基准标记31产生bn谱中的正峰，而是缠绕线圈70、74、80、84，使得第一基准标记31的两个线圈70、84产生负峰，而当空间交叠时，第二和第三基准标记32、33的两个线圈74、80产生正峰。该布置将允许作为bn的负峰识别第一基准标记31。
由于在“Ch0”谱中识别了与第一基准标记31相关联的峰，“Ch0”中剩余的峰认为是由第二基准标记32的线圈74引起的。相似的，由于在“Ch1”谱中识别了与第一基准标记31相关联的峰，“Ch1”中剩余的峰认为是由第三基准标记33的线圈80引起的。下面说明一种用于高精确度地明确识别这些“#2”和“#3”峰的合适方法(即使“#1”峰部分地或完全地与“#2”或“#3”峰交叠)在时域中采用最小二乘法拟合。
参考图10A、10B和10C，产生了由第一基准标记31所生成的信号“#1”的时域近似。图10A示出了当定位在成像区域的中心(即，位置＝0)时，大小与第一基准标记31匹配的理想球的切趾形状。在一种方法中，通过将逆傅立叶变换应用到参考图8B讨论的卷积平滑中所用的一维估计频域基准标记投影形状，产生图10A的切趾形状。为了考虑到投影“n”中第一基准标记31的一般非零的空间位置“ln，1”，应用傅立叶移位定理(shift theorem)。通过下列公式给出时域中的傅立叶移位函数
fshift＝exp[i·(m-N/2)·π·ln，1](2)，其中i是虚数单位，N是采样数据点的数目，而m是时域中采样数据点的索引。图10B示出了稍微偏心的位置的时域移位函数fshift。图10C示出了基准标记(图10A)的近似和移位函数(图10B)的时域乘积，并且该乘积近似于投影“n”上位置ln，1处的第一基准标记31的时域信号。
在已经采集所有投影(例如，所有的四个四面体投影方向)之后，将图10C的时移形状分别拟合到“Ch0”和“Ch1”数据中。对于每个投影方向“n”，分别对时域“Ch0”和“Ch1”数据执行图10C的时移形状的复数最小二乘法拟合，产生两组四个系数ach0，n和ach1，n。在合格的值上平均这些(排除了接收通道的两个基准标记的投影交叠的情况)，以给出比例系数(scaling coefficient)ach0和ach1。每个投影“n”的峰“#1”的时移形状(例如在图10C中针对一个特定位置ln，1近似的)乘以共用系数ach0和ach1，并且从该投影“n”的相应时域“Ch0”和“Ch1”数据中减去，以产生仅包含“#2”峰(对于“Ch0”)或“#3”峰(对于“Ch1”)的时域数据。
在图11A、11B和11C中针对“Ch0”数据和特定投影“n”图示了该处理。图11A示出了与平均的复数最小二乘法缩放(scaling)拟合系数ach0(平滑线)和测得的时域“Ch0”数据(噪声线)相乘的图10C的时移形状。图11B示出了通过从图11A的噪声线(“Ch0”时域数据)中减去图11A的平滑线(由拟合系数ach0缩放的图10C的时移形状)所产生的余量。图11C示出了图11B中数据的傅立叶变换的幅度谱。在图11C中，虚线的峰表示“#1”峰，其通过图11A和11B的处理基本上被移除。图11C的傅立叶谱(“#1”峰已移除)通过峰搜索算法适当地处理以识别表示为“n”的投影中的第二基准标记32的位置，其适当地表示为“ln，2”。相似的处理应用于“Ch1”数据以识别表示为“n”的投影中的第三基准标记33的位置，其适当地表示为“ln，3”。
不是通过减法除去“#1”峰，而是可以以其他方式解决该峰。例如可以同时执行“#1”和“#2”这两个峰(对于“Ch0”)的最小二乘法拟合，使“#2”峰的位置为拟合参数。在该方法中，“#1”峰未移除，而是在拟合处理中解决。
如下，位置“ln，k”转换成选定的正交基(例如，扫描器10的坐标系，或者与人类成像对象相关联的解剖坐标系)，其中“n”表示投影(在该示例性四面体投影方向配置中，对于四个方向有值n＝1、2、3、4)，而“k”表示基准标记(对于第一、第二和第三基准标记31、32、33分别有值k＝1、2、3)。对每个基准标记“k”，定义了位置矢量lk＝(ln)k。对于四个投影方向(n＝1、2、3、4)，每个位置矢量lk是4×1矢量，并且存在与索引为k＝1、2、3三个基准标记31、32、33对应的三个这种矢量。为了转换成选定正交基，从超定系统Ack＝lk求解ck，其中A是包含了以所需正交基表示的投影方向的4×3矩阵，而ck是指定基准标记“k”在所需正交基中的位置的3×1矢量。通过最小二乘法拟合或另一方法能够能够容易地求解该超定系统。任选地，通过用对角加权矩阵右乘等式Ack＝lk的两边，能够将关于前述处理的正确性和精确性信息结合到最小二乘法拟合中。
从由ck给出的基准标记的位置(其中对于基准标记31、32、33，k分别＝1、2、3)，通过定义例如a＝c1-c2；b＝c1-c3；d＝-a-b；e＝a×b；以及f＝-e×d，能够构造旋转矩阵。完全合格的、正交旋转矩阵能够写成R＝{|e|，|f|，|d|}，其中垂直条“|·|”表示归一化。通过选择一般最小的噪声坐标以代表基准组件30的平移，扩大的旋转矩阵能够写成 其中为了说明，坐标c1选择为表示基准组件30的平移的最小噪声坐标。
所述方法有利地允许跟踪一致性检查。在一个方法中，检查每个基准的等式Ack＝lk的拟合余量的一致性。在另一方法中，原点处的非旋转探针的基准位置矢量(从校准中得知)乘以所计算的矩阵T。对以该方式计算的基准中心与来自坐标变换的那些之间的距离求和，提供了也考虑到探针的已知形状和尺寸的T的一致性检查。
参考图12A、12B和12C，使用上述技术测量基准组件30的位置和方向，并且基准组件30安装在精确控制欧拉ZYZ角度(还称为欧拉Y-协定)的测量夹具上，其中第一旋转围绕z-轴，第二旋转θ围绕y’轴，而第三旋转Ψ围绕加倍旋转的z”轴。为确定角度噪声和与旋转有关的系统误差，用固定的θ和Ψ以及变化的执行一组测量。第一基准组件31近似放置于磁共振成像扫描器10的感兴趣区域12的等角点(isocenter)。执行位置/方向测量(10秒钟采集100次测量)，期间角度以90°间隔改变。在两个固定角θ和Ψ中，选择角度θ作为被测对象，这是因为欧拉角的非唯一性(与旋转矩阵相比)在较低的角θ值时基本上将Ψ和的值混合在一起。测得的角θ的方差分成(i)低频(频率的最低的2％)成分，其表示算法的系统误差；以及(ii)解释为统计波动的高频成分。在图12A和12C中表示了结果。图12A示出了测得的θ的标准偏差，其中数据再网格化，测量点位于θ＝10°、20°、……70°，而Ψ＝15°、30°、45°、52°、60°、67°、75°和82°。图12C示出了测得的θ的与旋转有关的误差。为了比较，在图12B中描绘了标准偏差的理论预测，其中假设代表每个峰“#1”、“#2”、“#3”的分支通道的反信噪比和统计角度波动之间呈线性关系。图12A中所示的偏差和误差与图12B中的理论预测相当。
通过选择角度组合研究位置噪声，这对代表第一基准标记31的峰“#1”的分支通道bn产生了不同的信噪比，并且在基准组件30保持固定的情况下进行测量。结果示出了具有0.17毫米(所有线圈垂直于静态B0磁场)到0.35毫米(算法稳定性的限制)的标准偏差的位置噪声。这些结果与角度噪声图相称，表明了平移运动不影响精确性。
存在对基准组件30的跟踪速度的限制。当在回波时间期间基准组件31、32、33之一在施加梯度的方向上移动时，相位误差产生。实验已经指出这种相位误差至少对于高达大约40毫米/秒的速度都是可容忍的。基准组件30应当位于扫描器10的匀质体积内。为了最大化精确度，线圈法线72、76、82、86相对于静态B0磁场应当具有大于约20°的角度。简单地回顾图2，将意识到，一般可通过明智地选择基准组件30在介入器械20上的安装方向，来满足该后一条件。
本发明已经参考优选实施例进行了描述。显然，对于阅读和理解了前面详细描述的本领域技术人员来说将易于产生修改和改变方案。本发明意旨构建成包括所有落入了随附权利要求或其等效的范围内的这种修改和改变方案。
权利要求
1.一种磁共振位置和方向标记系统，包含基准组件(30)，包括至少三个基准标记(31、32、33)，每个与至少一个磁共振接收线圈(70、74、80、84)耦合，至少一个基准标记具有至少以下之一(i)在1H脂肪和水共振上选择性地可激发的标记核子，和(ii)多个磁共振接收线圈(72、84)；以及至少两个磁共振接收通道(40、42)，响应于由相关联磁共振成像扫描器(10)在所述至少三个基准标记中激发的磁共振，从该至少三个基准标记接收磁共振信号。
2.根据权利要求1的系统，其中该至少两个磁共振接收通道(40、42)包括第一磁共振接收通道(40)，与(i)第一线圈(70)和(ii)第二线圈(74)连接，所述第一线圈(70)具有第一空间方向并与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第一个(31)耦合，而所述第二线圈(74)具有不同于第一方向的第二空间方向并与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第二个(32)耦合；以及第二磁共振接收通道(40)，与(i)第三线圈(80)和(ii)第四线圈(84)连接，所述第三线圈(80)具有相对于第一线圈极性相反的第一空间方向并与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第三个(33)耦合，而第四线圈(84)具有相对于第二线圈极性相反的第二空间方向并与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第一个(31)耦合。
3.根据权利要求1的系统，其中与该至少三个基准标记(31、32、33)的每一个耦合的所述至少一个磁共振接收线圈(70、74、80、84)包括至少两个接收线圈(70、84)，具有互相不同的空间方向并且与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第一个(31)耦合。
4.根据权利要求1的系统，其中该至少两个磁共振接收通道(40、42)包括第一磁共振接收通道(40)，与(i)第一线圈(70)和(ii)第二线圈(74)的串联组合连接，所述第一线圈(70)具有第一空间方向并与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第一个(31)耦合，而所述第二线圈(74)具有不同于第一方向的第二空间方向并与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第二个(32)耦合；以及第二磁共振接收通道(40)，与(i)第三线圈(80)和(ii)第四线圈(84)的串联组合连接，所述第三线圈(80)具有相对于第一线圈极性相反的第一空间方向并与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第三个(33)耦合，而第四线圈(84)具有相对于第二线圈极性相反的第二空间方向并与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第一个(31)耦合。
5.根据权利要求4的系统，其中第一和第二空间方向互相垂直。
6.根据权利要求4的系统，其中多个一维投影激发激发多个一维投影，该系统还包括处理器(44)，执行一磁共振方法，该方法确定基准组件(30)的位置和方向，该方法包括对于由相关联磁共振成像扫描器(10)产生的该多个一维投影，收集由第一和第二磁共振接收通道(40、42)接收的磁共振信号，对于每个投影，根据磁共振信号的相位，区别第一和第四线圈(70、84)的磁共振信号与第二和第三线圈(74、80)的磁共振信号，对每个投影，根据第一和第四线圈(70、84)至少其中之一的磁共振信号，确定该至少三个基准标记(31、32、33)中第一个(31)沿着该投影的位置，对于每个投影，分别根据第二和第三线圈(74、80)磁共振信号，确定至少该三个基准标记(31、32、33)中第二和第三个(32、33)沿着该投影的位置，以及根据该至少三个基准标记(31、32、33)中第一、第二和第三个沿该多个投影每一个的确定位置，确定基准组件(30)的位置和方向。
7.根据权利要求6的系统，其中该多个一维投影沿着四个不同的方向，其中每一个方向垂直于四面体四个面中不同的面。
8.根据权利要求7的系统，其中根据该至少三个基准标记(31、32、33)中第一、第二和第三个沿该多个投影每一个的确定位置确定基准组件(30)的位置和方向，包括从该至少三个基准标记(31、32、33)的第一、第二和第三个的确定位置，在选定坐标系中构建扩大的旋转矩阵。
9.根据权利要求6的系统，其中，区别第一和第四线圈(70、84)的磁共振信号与第二和第三线圈(74、80)的磁共振信号，包括对于每个投影，对由第一和第二磁共振接收通道(40、42)接收的磁共振信号进行傅立叶变换；以及对每个投影，将经傅立叶变换后的第一和第二磁共振接收通道(40、42)接收的磁共振信号相乘在一起，将该相乘选择成产生下列之一的变号(i)第一和第四线圈(70、84)的磁共振信号，和(ii)第二和第三线圈(74、80)的磁共振信号。
10.根据权利要求6的系统，其中区别第一和第四线圈(70、84)的磁共振信号与第二和第三线圈(74、80)的磁共振信号，包括对于每个投影，对由第一和第二磁共振接收通道(40、42)接收的磁共振信号进行傅立叶变换；以及对于每个投影，将经傅立叶变换后的第一和第二磁共振接收通道(40、42)接收的磁共振信号相乘在一起，该相乘消除了第二和第三线圈(74、80)的非交叠磁共振信号。
11.根据权利要求6的系统，其中区别第一和第四线圈(70、84)的磁共振信号与第二和第三线圈(74、80)的磁共振信号，包括近似第一和第四线圈(70、84)的磁共振信号的时域形状；对于每个投影，根据该至少三个基准标记(31、32、33)的第一个(31)沿着该投影的确定位置，时移该近似的时域形状；以及对于每个投影，通过算术计及或除去第一和第四线圈(70、84)的磁共振信号的该近似且时移的时域形状，确定第二和第三线圈(74、80)的磁共振信号。
12.根据权利要求1的系统，其中该至少三个基准标记(31、32、33)的每一个包括氟标记核子，并且该至少两个磁共振接收通道(40、42)调谐到氟核子的磁共振频率。
13.根据权利要求12的系统，其中该至少两个磁共振接收通道(40、42)调谐到19F磁共振频率。
14.根据权利要求1的系统，其中该至少三个基准标记(31、32、33)的每一个包括化学移位的1H标记核子，其所具有的化学频移使得能够在1H脂肪和水共振上选择性地激发该化学移位的1H标记核子，该至少两个磁共振接收通道(40、42)调谐到该化学移位的1H标记核子的共振频率。
15.根据权利要求1的系统，其中该至少三个基准标记(31、32、33)的每一个包括三氟醋酸溶液，该溶液至少包括三氟醋酸和水，并且该至少两个磁共振接收通道(40、42)调谐到下列之一(i)氟核子的磁共振频率，和(ii)三氟醋酸溶液的化学移位的1H核子的磁共振频率。
16.根据权利要求15的系统，其中三氟醋酸溶液还包括T2驰豫时间缩短剂。
17.一种用于确定包括至少三个基准标记(31、32、33)的基准组件(30)的位置和方向的方法，该方法包括在该至少三个基准标记(31、32、33)中激发磁共振，每个基准标记与至少一个磁共振接收线圈(70、74、80、84)耦合，至少一个基准标记具有至少以下之一(i)在1H脂肪和水共振上选择性地可激发的标记核子，和(ii)多个磁共振接收线圈(72、84)；以及经由至少两个磁共振接收通道(40、42)接收来自激发的该至少三个基准标记的磁共振信号。
18.根据权利要求17的方法，其中激发和接收沿着多个投影方向执行，该方法还包括根据所接收的磁共振信号，确定该至少三个基准标记(31、32、33)中每一个沿每个投影的位置；以及根据该至少三个基准标记(31、32、33)的确定位置，确定基准组件(30)的位置和方向。
19.根据权利要求18的方法，其中接收磁共振信号包括经由第一磁共振信号通道(40)接收下列的加法组合(i)来自第一线圈(70)的第一共振信号成分，所述第一线圈(70)与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第一个(31)耦合并且具有第一极性方向，和(ii)来自第二线圈(74)的第二共振信号成分，所述第二线圈(74)与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第二个(32)耦合并且具有不同于第一极性方向的第二极性方向；以及经由第二磁共振信号通道(42)接收下列的加法组合(i)来自第三线圈(80)的第三共振信号成分，所述第三线圈(80)与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第三个(33)耦合并且具有与第一线圈(70)极性相反的第一极性方向，和(ii)来自第四线圈(84)的第四共振信号成分，所述第四线圈(84)与该至少三个基准标记(31、32、33)中的第一个(31)耦合并且具有与第二线圈(74)极性相反的第二极性方向。
20.根据权利要求19的方法，其中根据接收到的磁共振信号确定该至少三个基准标记(31、32、33)中每一个沿着每个投影的位置，包括对于每个投影，根据相位从第二和第三共振信号成分中分离第一和第四共振信号成分；对于每个投影，根据第一和第四共振信号成分，确定该至少三个基准标记(31、32、33)中第一个(31)的位置；以及对于每个投影，根据第二和第三共振信号成分，确定该至少三个基准标记(31、32、33)中第二和第三个(32、33)的位置。
21.根据权利要求17的方法，其中激发和接收包括激发和接收来自该至少三个基准标记(31、32、33)中每一个的19F磁共振信号。
22.根据权利要求17的方法，其中激发和接收包括激发和接收来自该至少三个基准标记(31、32、33)中每一个的1H标记磁共振信号，该1H标记磁共振信号从1H脂肪和水磁共振化学移位，使得能够选择性地在1H脂肪和水磁共振上激发1H标记磁共振信号。
23.一种计算机装置，编程为执行权利要求17的方法。
全文摘要
本发明涉及一种磁共振位置和方向标记系统，包括具有至少三个基准标记(31、32、33)的基准组件(30)，每个基准标记与至少一个磁共振接收线圈(70、74、80、84)耦合。至少一个基准标记具有至少下列之一(i)在
文档编号A61B5/055GK101035462SQ200580029348
公开日2007年9月12日 申请日期2005年8月25日 优先权日2004年9月1日
发明者G·埃恩霍尔姆, M·林德斯特伦 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司