一种磁共振人体组织电特性断层成像方法
【专利摘要】本发明涉及一种人体组织物理特性参数磁共振断层成像方法，其包括：1)根据磁共振射频场中得到的以及磁共振质子密度成像得到的结合互易原理和磁场高斯定理，计算得到B1x(r)、B1y(r)、B1z(r)；将B1x(r)、B1y(r)、B1z(r)代入磁共振时谐射频电磁场FDTD方程组中，并将成像区域内组织各处电导率σ(r)和电容率∈(r)的初始值相应设置为人体组织中电导率平均值和电容率平均值，得到E1x(r)、E1y(r)、E1z(r)；3)进行反复迭代运算，直到算法收敛，此时成像区域内组织各处的σ(r)和∈(r)的分布即为所求取的组织电特性参数分布结果；4)根据成像区域内组织电特性参数分布结果输出图像。
【专利说明】一种磁共振人体组织电特性断层成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于磁共振成像领域，涉及一种人体组织物理特性参数磁共振断层成像方 法，具体涉及一种变电特性参数时域有限差分（FDTD)迭代逼近式求解人体组织电特性参 数（包括电导率和电容率），实现人体组织电特性参数磁共振断层成像的方法，得到的人体 组织电特性参数分布图像可用来指导临床肿瘤超早期或早期诊断。
【背景技术】
[0002] 物质在电磁场中表现出来的电磁特性可以看作是物质的固有属性，人体组织也不 例外。人体组织在电磁场中会表现出一定的电特性和磁特性。电特性，有时也称为介电特性 (EPs)，主要是指组织的电导率和电容率，磁特性是指组织的磁导率。一般而言，人体组织是 非磁性物质，其磁导率接近真空中的磁导率，可被看作是常数。人体组织各处的EPs与组织 内非均匀分布的绝缘的细胞膜和导电的电解液等有关，因此组织各处的EPs分布呈现非均 匀性，并具有频率依赖性。当人体组织的基本构造单位细胞的生理和病理状态发生改变时， 组织的EPs也将发生改变。早有离体组织电特性参数测试实验证实，正常组织和肿瘤组织 的EPs往往差异较大，有的差异甚至达到了 10倍以上。如果能够无创地对活体组织的EPs 进行成像，这些EPs图像将反映组织、器官的生理和病理状态，可能为诊断提供有价值的信 息。特别地，活体组织EPs成像可能用于癌症超早期或早期诊断，甚至可能用于追踪监测正 常组织向肿瘤组织演化的整个变化过程，对癌症的研究和治疗可能具有开创性的价值。可 见，人体活体组织EPs成像，具有非常诱人的巨大的临床应用前景。
[0003] 无创的人体活体组织电特性成像一直是未攻克的科学难题。学者普遍认为，近年 被提出并得到快速发展的磁共振人体组织电特性断层成像（MREPT)技术有广阔的发展前 景，有可能推动人体活体组织EPs无创成像发展到一个崭新的阶段，产生这种期待是由MR EPT技术原理本身的特点决定的。从根本上讲，磁共振成像（MRI)是人体组织与特定电磁 场（即强静磁场、梯度磁场以及射频电磁场）相互作用的系统，因此，MRI系统检测到的MR 信号中，必然携带了人体组织电磁特性分布信息。研究证实，检测人体磁共振（MR)信号的 传感器RF线圈，其横向截面的RF场分布强烈依赖于人体组织的EPs分布。利用RF场映像 (B1Mapping)等技术可以测量得到RF场分布，再采用一定的MREPT算法，就能实现活体组 织EPs成像。
[0004] 现有MREPT技术中所使用的磁共振成像的算法为：（1)假设 丨F2步+(r)|》2|?ln|H+(r)| V#+(r)|?得到基于相位的电导率求解方法
【权利要求】
1. 一种磁共振人体组织电特性断层成像方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 根据磁共振射频场中得到的射频发射时对应的射频场BMr)，以及磁共振质子密度 成像得到的射频接收时对应的射频场B1Ir^结合互易原理和磁场高斯定理，计算得到磁共 振射频磁场中x、y、z三个轴向分量Blx(r)、Bly(r)、BlzCr); 2) 将得到的Blx(r)、Bly(r)、Blz(r)代入磁共振时谐射频电磁场FDTD方程组中⑴? ⑶中，并将成像区域内组织各处电导率〇 (r)和电容率e (r)的初始值相应设置为人体 组织中电导率平均值和电容率平均值，得到磁共振射频电场中x、y、z三个轴向分量Elx (r)、 Ely(r)、Elz(r); 所述磁共振时谐射频电磁场FDTD方程组包括以下（1)?（6):
其中，〇 (r)是矢径r处的电导率，e (r)是矢径r处的电容率，i是虚数符号，《是角 频率，Uci是磁导率，x、y、z分别表示三个轴向，Ex (r)是矢径r处的电场X轴向分量，Ey (r) 是矢径r处的电场y轴向分量，Ez (r)是矢径r处的电场z轴向分量，Blx (r)是矢径r处的 B1磁场X轴向分量，Bly (r)是矢径r处的B1磁场y轴向分量，Blz (r)是矢径r处的B1磁场 z轴向分量； 3) 将得到的Elx(r)、Ely(r)、Elz(r)代入磁共振时谐射频电磁场FDTD方程组中⑷? (6)中，重新得到一组新的磁共振射频磁场分量Blx(r)、Bly (r)、Blz(r)，再将所述新的磁共 振射频磁场分量Mr)、Bly (r)、Blz (r)代入磁共振时谐射频电磁场FDTD方程组中⑴? (3)中，并调整所述电导率〇 (r)和电容率e (r)的数值，得到一组新的磁共振射频电场分 量Elx (r)、Ely (r)、Elz (r)，再将新的磁共振射频电场分量Elx (r)、Ely (r)、Elz (r)代入磁共振 时谐射频电磁场FDID方程组中（4)?（6)中，重新得到一组更新的磁共振射频磁场分量 81!￡(1〇、817(1〇、812(1〇，如此反复迭代，在每次迭代运算时不断调整所述电导率〇(1〇和电容 率e (r)的数值，直至迭代得到的磁共振射频磁场分量Blx(r)、Bly(r)、B lz(r)与实测的磁共 振射频磁场的差异在设定的误差范围内即认为算法收敛，结束迭代运算；此时的成像区域 内组织各处的〇 (r)和e (r)的分布即为所求取的组织电特性参数分布结果； 4) 根据所述成像区域内组织电特性参数分布结果输出图像。
2. 根据权利要求1所述的磁共振人体组织电特性断层成像方法，其特征在于，所述人 体组织中电导率平均值为0. 26S/m，相对电容率平均值为78。
3. 根据权利要求1所述的磁共振人体组织电特性断层成像方法，其特征在于，所述直 至迭代得到的磁共振射频磁场分量Mr)、Bly (r)、Blz (r)与实测的磁共振射频磁场的差异 在设定的误差范围内即认为算法收敛，结束迭代运算的步骤中，包括： 在实测中，选取成像区域内各点的磁共振射频场模值迭代前后差的平方和作为磁场误 差大小的衡量尺度，若迭代得到的磁共振射频磁场分量Blx (r)、Bly (r)、Blz (r)与该衡量尺度 的差异在允许的误差范围内即认为算法收敛。
4. 根据权利要求1所述的磁共振人体组织电特性断层成像方法，其特征在于，所述直 至迭代得到的磁共振射频磁场分量Mr)、Bly (r)、Blz (r)与实测的磁共振射频磁场的差异 在设定的误差范围内即认为算法收敛，结束迭代运算的步骤中，所述误差范围为10%以内。
5. 根据权利要求4所述的磁共振人体组织电特性断层成像方法，其特征在于，所述误 差范围为5%。
【文档编号】A61B5/055GK104352239SQ201410658634
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】辛学刚 申请人:辛学刚