使用磁共振成像的对细胞内电导率的测量的制作方法

1.本发明涉及磁共振成像，尤其涉及电特性断层摄影。


背景技术：

2.作为用于生成患者体内的图像的流程的一部分，磁共振成像(mri)扫描器使用大的静态磁场以使原子的核自旋对齐。该大的静磁场被称为b0场或主磁场。可以使用mri在空间上测量对象的各种量或属性。例如，在称为电特性断层摄影(ept)的技术中，测量的b1场的失真可用于重建对象的电特性，例如空间相关的电导率图。
3.sajib等人的期刊文章"electrodeless conductivity tensor imaging(cti)using mri:basic theory and animal experiments,"biomedical engineering letters,2018年4月25日,8(3):273-282,doi:10.1007/s13534-018-0066-3公开了一种无电极的电导张量成像(cti)方法，利用b1图来恢复受细胞外和细胞内空间两者内的成分影响的高频各向同性电导率图像。然后利用多b扩散加权成像来提取细胞外空间的影响并且并入其方向结构特性。


技术实现要素：

4.本发明在独立权利要求中提供了一种磁共振成像系统、一种计算机程序产品和一种方法。
5.实施例可以提供更准确的测量空间相关的细胞内电导率的方法。这可以通过在不同的射频值下进行多个电特性断层摄影测量来实现。自旋(氢质子)进动的射频(拉莫尔频率)由b0磁场强度决定。因此，例如可以通过在不同的b0场中进行多次ept测量来实现在多个射频值处的测量。使用来自两个不同射频值的电特性断层摄影电导率图使得能够计算出近似的低频电导率图。如本文所公开的，这继而使得能够单独计算空间相关的细胞内电导率和空间相关的细胞外电导率。
6.本发明在独立权利要求中提供了一种医学系统、一种方法以及一种计算机程序产品。在从属权利要求中给出了实施例。
7.在一个方面中，本发明提供了一种医学系统，其包括存储机器可执行指令的存储器。所述医学系统还包括被配置用于控制所述医学系统的计算系统。
8.机器可执行指令的运行使计算系统接收描述对象的感兴趣区域的第一电特性断层摄影电导率图。所述第一电特性断层摄影电导率图是针对第一射频值的。电导率可以作为频率的函数来测量。第一电特性断层摄影电导率图是针对射频频谱中的第一频率制作的。
9.所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统接收描述对象的感兴趣区域的第二电特性断层摄影电导率图。所述第二电特性断层摄影电导率图是针对第二射频值的或者是在第二射频值处测量的。所述第一电特性断层摄影电导率图被配准到所述第二电特性断层摄影电导率图。所述配准例如可以是在空间上将一个电导率图的体素与另一个电导率图
的体素相关的图。
10.所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统使用所述第一电特性断层摄影电导率图和所述第二电特性断层摄影电导率图来计算低频电导率图。了解两个射频值处的电导率使得能够合理估计低频电导率图。
11.所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统接收多b扩散加权磁共振成像信号谱图。所述多b扩散加权磁共振成像信号谱图被配准到所述第一电特性断层摄影电导率图或所述第二电特性断层摄影电导率图。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统通过对所述多b扩散加权磁共振成像信号谱执行两项指数模型的优化来计算细胞内体积图和细胞外体积图。
12.所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统通过执行细胞内体积图逐体素除以以下项来计算细胞内体积分数图：细胞外体积图与细胞内体积图的逐体素和。如本文所用的术语逐体素意味着这些各种的数学函数在两个体素之间执行。例如，可以通过使用第一电特性断层摄影电导率图和第二电特性断层摄影电导率图之间的空间配准来确定使用哪两个体素。
13.所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统通过执行中间图逐体素除以细胞内体积分数图来计算细胞内电导率图。中间图是所选择的射频电导率图与低频电导率图的逐体素差异。所选择的射频电导率图是第一电特性断层摄影电导率图和第二电特性断层摄影电导率图中的一种。
14.例如，术语低频图可以针对大约100hz与300khz之间的频率。
15.该实施例可能是有益的，因为它能够计算细胞内电导率图。这是细胞内的电导率。这可能是有益的，因为它可以提供对细胞状态或病理学的洞悉。
16.在另一实施例中，所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统通过执行细胞外体积图逐体素除以以下项来计算细胞内体积分数图：细胞外体积图加细胞内体积图的逐体素和。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统通过执行低频电导率图逐体素除以细胞外体积分数图来计算细胞外电导率图。具有细胞外电导率图也可能是有益的，因为它可以提供将对象的区域分类为具有特定病理的手段。例如，电导率可能会随着钠含量的增加而增加。例如，这可能有助于帮助医师检测肿瘤或其他组织类型。
17.在另一实施例中，所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统呈现细胞内电导率图。细胞内电导率图可以例如与另一幅磁共振图像相邻呈现，或者它也可以叠加在不同的磁共振图像上。这可以帮助医师或其他用户解读磁共振图像或数据。
18.在另一实施例中，细胞内电导率图被呈现为磁共振图像上的叠加图。所述细胞内电导率图被配准到所述磁共振图像。
19.在另一实施例中，使用第一电特性断层摄影电导率图和第二电特性断层摄影电导率图来计算低频电导率图被执行为根据cole-cole模型的外推。使用cole-cole模型可能很有用，因为在使用双指数表示的射频范围内，电导率基本上是线性值加上常数。然后在两个频率处测量电导率图能够准确估计低频电导率图。
20.在另一实施例中，对多b扩散加权磁共振成像信号谱图的两项指数模型的优化还提供了细胞内扩散常数图和细胞外常数图。电导率和扩散的组合提供了关于对象的病理学的更多信息。
21.所述机器可执行指令的运行还使所述计算执行以下操作中的任一项：使用细胞内电导率图和细胞内扩散常数图来计算细胞内离子浓度图；使用细胞外电导率图和细胞外扩散常数图来计算细胞外离子浓度图；以及其组合。
22.在另一实施例中，使用以下中任何一种来对细胞内离子浓度图和/或细胞外离子浓度图进行温度校正：对象的恒定体温和感兴趣区域的磁共振测温温度图。在许多情况下，对象的体温将相对恒定和稳定。在这种情况下，可以假设对象的温度或者可以测量对象的温度的测量值并且可以使用它。
23.在另一实施例中，所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统接收描述感兴趣区域的针对匹配第一射频值的第一质子共振频率的第一电特性断层摄影k空间数据。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统接收描述感兴趣区域的针对匹配第二射频值的第二质子共振频率的第二电特性断层摄影k空间数据。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统接收描述感兴趣区域的具有第一质子共振频率或第二质子共振频率的多b扩散加权k空间数据。
24.所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统根据所述第一电特性断层摄影k空间数据来重建所述第一电特性断层摄影电导率图。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统根据所述第二电特性断层摄影k空间数据来重建所述第二电特性断层摄影电导率图。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统根据所述多b扩散加权k空间数据来重建多b扩散加权磁共振成像信号谱图。
25.在另一实施例中，所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统将第一电特性断层摄影电导率图、第二电特性断层摄影电导率图和多b扩散加权磁共振成像信号谱图相互配准。
26.在另一实施例中，所述医学系统还包括磁共振成像系统，所述磁共振成像系统被配置为采集针对至少两个不同的b0磁场值的k空间数据。所述至少两个不同的磁场值具有与成像区内的第一射频值和第二射频值相匹配的质子共振频率。所述存储器还包含第一脉冲序列命令，所述第一脉冲序列命令被配置用于控制磁共振成像系统以采集第一电特性断层摄影k空间数据。所述存储器还包含第二脉冲序列命令，所述第二脉冲序列命令被配置用于控制磁共振成像系统采集第二电特性断层摄影k空间数据。
27.所述存储器还包含第三脉冲序列命令，所述第三脉冲序列命令被配置用于控制磁共振成像系统采集多b扩散加权k空间数据。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统控制所磁共振成像系统通过利用所述第一脉冲序列命令控制所述磁共振成像系统来采集所述第一电特性断层摄影k空间数据。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统控制所磁共振成像系统通过利用所述第二脉冲序列命令控制所述磁共振成像系统来采集所述第二电特性断层摄影k空间数据。
28.所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统控制所磁共振成像系统通过利用所述第二脉冲序列命令控制所述磁共振成像系统来采集所述多b扩散加权k空间数据。
29.在另一实施例中，所述磁共振成像系统包括针对至少两个不同的b0磁场值中的每个b0磁场值的主磁体。在该实施例中，基本上有两个磁共振成像系统。
30.在另一实施例中，所述磁共振成像系统包括可变磁场主磁体，所述可变磁场主磁体被配置为将b0磁场调整到至少两个不同的b0磁场值中的每个。例如，可以调整主磁体中
的电流，以针对k空间数据的测量结果中的每个调整b0磁场。这可能具有这样的优点，即对象可以在对象处于相同位置时获得测量的数据。这可以更容易将各种图像和图相互配准。
31.在另一方面中，本发明提供了一种医学成像方法。所述方法包括接收描述对象的感兴趣区域的第一电特性断层摄影电导率图。所述第一电特性断层摄影电导率图是针对第一射频值的。所述方法还包括接收描述对象的感兴趣区域的第二电特性断层摄影电导率图。所述第二电特性断层摄影电导率图是针对第二射频值的。所述第一电特性断层摄影电导率图被配准到所述第二电特性断层摄影电导率图。所述方法还包括使用所述第一电特性断层摄影电导率图和所述第二电特性断层摄影电导率图来计算低频电导率图。
32.所述方法还包括接收多b扩散加权磁共振成像信号谱图。所述多b扩散加权磁共振成像信号谱图被配准到所述第一电特性断层摄影电导率图或所述第二电特性断层摄影电导率图。所述方法还包括计算细胞内体积图和细胞外体积图。这是通过对多b扩散加权磁共振成像信号谱图执行两项指数模型的优化来完成的。
33.k空间数据方法还包括通过执行细胞内体积图逐体素除以细胞外体积图与细胞内体积图的逐体素和来计算细胞内体积分数图。所述方法还包括通过执行中间图逐体素除以细胞内体积分数图来计算细胞内电导率图。中间图是所选择的射频电导率图与低频电导率图的逐体素差异。所选择的射频电导率图是第一电特性断层摄影电导率图和第二电特性断层摄影电导率图中的一种。
34.在另一方面中，本发明提供了一种包括用于由控制医学系统的计算系统执行的机器可执行指令的计算机程序。在一些示例中，所述计算机程序可以是例如可以存储在非瞬态存储介质上的计算机程序产品。
35.机器可执行指令的运行使计算系统接收描述对象的感兴趣区域的第一电特性断层摄影电导率图。所述第一电特性断层摄影电导率图是针对第一射频值的。所述方法还包括接收描述对象的感兴趣区域的第二电特性断层摄影电导率图。所述第二电特性断层摄影电导率图是针对第二射频值的。所述第一电特性断层摄影电导率图被配准到所述第二电特性断层摄影电导率图。
36.所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统使用所述第一电特性断层摄影电导率图和所述第二电特性断层摄影电导率图来计算低频电导率图。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统接收多b扩散加权磁共振成像信号谱图。所述多b扩散加权磁共振成像信号谱图被配准到所述第一电特性断层摄影电导率图或所述第二电特性断层摄影电导率图。
37.所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统计算细胞内体积图和细胞外体积图。这是通过对多b扩散加权磁共振成像信号谱图执行两项指数模型的优化来完成的。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统通过执行细胞内体积图逐体素除以以下项来计算细胞内体积分数图：细胞外体积图与细胞内体积图的逐体素和。所述机器可执行指令的运行还使所述计算系统通过执行中间图逐体素除以细胞内体积分数图来计算细胞内电导率图。中间图是所选择的射频电导率图与低频电导率图的逐体素差异。所选择的射频电导率图是第一电特性断层摄影电导率图和第二电特性断层摄影电导率图中的一种。
38.应该理解，可发组合本发明的一个或多个前述实施例，只要组合后的实施例不相互排斥即可。
39.如本领域技术人员将认识到的，本发明的若干方面可以实现为装置、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各方面可采取完全硬件实施例，完全软件实施例(包括固件，驻留软件，微代码等)，或者组合了软件和硬件方面的实施例的形式，其可以在本文统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明的各个方面可以采取实现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，所述一个或多个计算机可读介质具有实现在其上的计算机可执行代码。
40.可以使用一种或多种计算机可读介质的任何组合。所述计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。如在本文中使用的“计算机可读存储介质”包括任何有形存储介质，其可以存储能够由计算设备的处理器或计算系统执行的指令。可以将所述计算机可读存储介质称为“计算机可读非瞬态存储介质”。所述计算机可读存储介质也可以被称为有形计算机可读介质。在一些实施例中，计算机可读存储介质还可以能够存储数据，所述数据能够被所述计算设备的计算系统访问。计算机可读存储介质的范例包括但不限于：软盘、磁硬盘驱动器、固态硬盘、闪存、usb拇指驱动器、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、光盘、磁光盘和计算系统的寄存器文件。光盘的范例包括压缩光盘(cd)和数字多用光盘(dvd)，例如cd-rom、cd-rw、cd-r、dvd-rom、dvd-rw或dvd-r盘。术语计算机可读存储介质还指代能够由所述计算机设备经由网络或通信链路访问的各种类型的记录介质。例如，可以经由调制解调器、经由互联网或经由局域网络来取回数据。体现在计算机可读介质上的计算机可执行代码可使用任何合适的介质来传输，包括但不限于无线、有线、光缆、rf等，或上述各项的任何适当的组合。
41.计算机可读信号介质可以包括具有实现在其中的例如在基带内或者作为载波的一部分的计算机可执行代码的传播的数据信号。这样的传播信号可以采取多种形式中的任一种，包括但不限于，电磁的、光学的、或者它们的任意合适的组合。计算机可读信号介质可以是任何计算机可读介质，其不是计算机可读存储介质并且其能够传送、传播或传输程序用于由指令运行系统、装置或设备使用或者与其结合使用。
[0042]“计算机存储器”或“存储器”是计算机可读存储介质的范例。计算机存储器是计算系统可以直接访问的任何存储器。“计算机存储设备”或“存储设备”是计算机可读存储介质的另一范例。计算机存储设备是任何非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，计算机存储设备也可以是计算机存储器，或反之亦然。
[0043]
用在本文中的“计算系统”涵盖能够执行程序或机器可执行指令或计算机可执行代码的电子部件。对包含“计算系统”示例的计算系统的引用应被解释为可能包含一个以上的计算系统或处理核心。计算系统例如可以是多核处理器。计算系统也可以指单个计算机系统内或分布在多个计算机系统中的计算系统的集合。术语计算系统也应被解释为可能指计算设备的集合或网络，每个计算设备均包括处理器或多个计算系统。机器可执行代码或指令可以由多个计算系统或处理器执行，这些计算系统或处理器可以在同一计算设备内，或者甚至可以分布在多个计算设备上。
[0044]
机器可执行指令或计算机可执行代码可以包括使处理器或其他计算系统执行本发明的一个方面的指令或程序。用于执行针对本发明的各方面的操作的计算机可执行代码可以以一种或多种编程语言(包括诸如java、smalltalk、c++等的面向对象的编程语言以及诸如"c"编程语言或类似编程语言的常规过程编程语言)的任何组合来编写并且被编译为
机器可执行指令。在一些情况下，所述计算机可执行代码可以以高级语言的形式或者以预编译形式并且结合在飞行中生成机器可执行指令的解释器来使用。在其他情况下，机器可执行指令或计算机可执行代码可以是针对可编程逻辑门阵列的编程的形式。
[0045]
所述计算机可执行代码可以作为单机软件包全部地在所述用户的计算机上、部分地在用户的计算机上、部分地在用户的计算机上并且部分地在远程计算机上、或者全部地在所述远程计算机或服务器上运行。在后者的场景中，所述远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(lan)或广域网(wan))或者可以对外部计算机做出的连接(例如，使用因特网服务提供商通过因特网)而被连接到用户的计算机。
[0046]
本发明的各方面参考根据本发明的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或框图得以描述。应该理解，流程图、图示和/或框图的每个框或框的一部分能够在适用时通过以计算机可执行代码的形式的计算机程序指令来实施。还应当理解的是，当不相互排斥时，在不同的流程图、图示和/或框图中块的组合可以被组合。这些计算机程序指令可以被提供到通用计算机、专用计算机的存储器或者其他可编程数据处理装置以生产机器，使得经由计算机的存储器或其他可编程数据处理装置运行的指令创建用于实施流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的单元。
[0047]
这些机器可执行指令或计算机程序指令还可以被存储在计算机可读介质中，其能够引导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定的方式工作，使得被存储在所述计算机可读介质中的所述指令产生包括实施在流程图和/或一个或多个框图框中所指定的功能/动作的指令的制品。
[0048]
所述机器可执行指令或计算机程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上以令一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行以产生计算机实施的过程，使得在计算机或其他可编程装置上运行的指令提供用于实施在流程图和/或一个或多个框图框中所指定的功能/动作的过程。
[0049]
如在本文中所使用的“用户接口”是允许用户或操作者与计算机或计算机系统进行交互的接口。“用户接口”还可以被称为“人机接口设备”。用户接口可以向操作者提供信息或数据和/或接收来自操作者的信息或数据。用户接口可使来自操作者的输入能够被计算机接收，并且可以将输出从计算机提供给用户。换言之，用户接口可以允许操作者控制或操纵计算机，并且该接口可以允许计算机指示操作者的控制或操纵的效果。数据或信息在显示器或图形用户接口上的显示是向操作者提供信息的范例。通过键盘、鼠标、跟踪球、触摸板、指点杆、图形输入板、操纵杆、游戏板、网络相机、头盔、踏板、有线手套、遥控器以及加速度计接收数据都是实现从操作者接收信息或数据的用户接口部件的范例。
[0050]
如在本文中所使用的“硬件接口”涵盖使得计算机系统的计算系统能够与外部计算设备和/或装置进行交互或者对其进行控制的接口。硬件接口可允许计算系统将控制信号或指令发送给外部计算设备和/或装置。硬件接口也可以使计算系统与外部计算设备和/或装置交换数据。硬件接口的范例包括但不限于：通用串行总线、ieee 1394端口、并行端口、ieee 1284端口、串行端口、rs-232端口、ieee-488端口、蓝牙连接、无线局域网连接、tcp/ip连接、以太网连接、控制电压接口、midi接口、模拟输入接口和数字输入接口。
[0051]
本文中使用的“显示器”或“显示设备”涵盖适于显示图像或数据的输出设备或用户接口。显示器可以输出视觉、音频和触觉数据。显示器的范例包括但不限于：电脑监视器、
电视屏幕、触摸屏、触觉电子显示屏、盲文屏幕、
[0052]
阴极射线管(crt)、存储管、双稳态显示器、电子纸、向量显示器、平板显示器、真空荧光显示器(vf)、发光二极管(led)显示器、电致发光显示器(eld)、等离子显示面板(pdp)、液晶显示器(lcd)、有机发光二极管显示器(oled)、投影机和头戴式显示器。
[0053]
k空间数据在本文中被定义为使用在磁共振成像扫描期间通过磁共振装置的天线对由原子自旋发射的射频信号的所记录的测量结果。磁共振数据是断层摄影医学图像数据的范例。
[0054]
磁共振成像(mri)图像或mr图像在本文中被定义为包含在磁共振成像数据内的解剖数据的经重建的二维或三维可视化。这种可视化可使用计算机来执行。
附图说明
[0055]
在下文中，将仅通过举例的方式并且参考附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：
[0056]
图1图示了医学系统的示例；
[0057]
图2是图示操作图1的医学系统的方法的流程图；
[0058]
图3图示了医学系统的另一示例；
[0059]
图4图示了医学系统的另一示例；
[0060]
图5图示了方法的示例；
[0061]
图6图示了方法的另一示例；并且
[0062]
图7图示了电导率的频率特性。
[0063]
附图标记列表
[0064]
100 医学系统
[0065]
102 计算机
[0066]
104 硬件接口
[0067]
106 计算系统
[0068]
108 用户接口
[0069]
110 存储器
[0070]
120 机器可执行指令
[0071]
122 第一电特性断层摄影电导率图
[0072]
124 第二电特性断层摄影电导率图
[0073]
126 低频电导率图
[0074]
128 多b扩散加权磁共振成像信号谱图
[0075]
130 细胞内体积图
[0076]
131 细胞外体积图
[0077]
132 细胞内体积分数图
[0078]
134 细胞内电导率图
[0079]
136 细胞外体积分数图
[0080]
138 细胞外电导率图
[0081]
200 接收描述对象的感兴趣区域的第一电特性断层摄影电导率图
[0082]
202 接收描述对象的感兴趣区域的第二电特性断层摄影电导率图
[0083]
204 使用第一电特性断层摄影电导率图和第二电特性断层摄影电导率图来计算低频电导率图
[0084]
206 接收多b扩散加权磁共振成像信号谱图
[0085]
208 计算细胞内体积图和细胞外体积图
[0086]
210 通过执行细胞内体积图逐体素除以以下项来计算细胞内体积分数图：细胞外体积图与细胞内体积图的逐体素和
[0087]
212 通过执行中间图逐体素除以细胞内体积分数图来计算细胞内电导率图
[0088]
214 通过执行细胞内体积图逐体素除以以下项来计算细胞外体积分数图：细胞外体积图与细胞内体积图的逐体素和
[0089]
216 通过执行低频电导率图逐体素除以细胞外体积分数图来计算细胞外电导率图
[0090]
300 医学系统
[0091]
302 第一磁共振成像系统
[0092]
302
’ꢀ
第二磁共振成像系统
[0093]
302
’‘ꢀ
可变b0场磁共振成像系统
[0094]
304 第一磁体
[0095]
304
’ꢀ
第二磁体
[0096]
304
“ꢀ
可变磁场磁体
[0097]
306 磁体的膛
[0098]
308 成像区
[0099]
309 感兴趣区域
[0100]
310 磁场梯度线圈
[0101]
312 磁场梯度线圈电源
[0102]
314 射频线圈
[0103]
316 收发器
[0104]
318 对象
[0105]
320 对象支撑体
[0106]
330 第一脉冲序列命令
[0107]
332 第二脉冲序列命令
[0108]
334 第三脉冲序列命令
[0109]
336 第一电特性断层摄影k空间数据
[0110]
338 第二电特性断层摄影k空间数据
[0111]
340 多b扩散加权k空间数据
[0112]
400 医学系统
[0113]
500 步骤1
[0114]
502 步骤2
[0115]
504 步骤3
[0116]
506 第一ept扫描
[0117]
508 第二ept扫描
[0118]
510 估计低频电导率图
[0119]
512 执行dwi mri
[0120]
514 估计细胞外/细胞内体积分数
[0121]
516 分离的细胞外/细胞内电导率
具体实施方式
[0122]
在这些附图中，类似地编号的元件是等价元件或执行相同功能。如果功能是等价的，则将不一定在后来的附图中讨论先前已经讨论过的元件。
[0123]
图1图示了医学系统100的示例。医学系统被示为包括用于容纳计算系统106的计算机102。计算机102可以表示联网或连接在一起的一台或多台计算机。计算系统106可以表示能够执行计算任务的一个或多个处理器或设备。这也可能包括诸如微处理器、控制器和可编程场门阵列之类的项。
[0124]
计算系统106可以分布在多个位置。计算系统106被示为连接到硬件接口104。硬件接口可以使计算系统106能够控制医学系统100的其他部件以及与其他计算系统和/或计算机通信。计算系统106被示为连接到任选的硬件接口108。计算系统106还被示为连接到存储器110。存储器110表示计算系统106可访问的一个或多个存储器设备。在一些示例中，存储器110例如可以是非瞬态存储介质。
[0125]
存储器110被示为包含机器可执行指令120。机器可执行指令120可以包含使计算系统106能够控制操作和功能以及医学系统100的其他部件的指令。机器可执行指令120还可以使计算系统106能够执行数据和图像处理任务。存储器还被示为包含第一电特性断层摄影电导率图122和第二电特性断层摄影电导率图124。存储器110还被示为包含低频电导率图126，所述低频电导率图126是使用第一电特性断层摄影电导率图122和第二电特性断层摄影电导率图124计算的。
[0126]
存储器110还被示为包含多b扩散加权磁共振成像信号谱图128。存储器110还被示为包含细胞内体积图130和细胞外体积图131。这两个图130、131是通过对多b扩散加权磁共振成像信号谱图128执行两项指数模型的优化来计算的。存储器还被示为包含细胞内体积分数图132。所述细胞内体积分数图是通过执行细胞内体积图130逐体素除以细胞外体积图131与细胞内体积图130的逐体素和来计算的。存储器还被示为包含细胞内电导率图134，其是通过执行中间图逐体素除以细胞内体积分数图132来计算的。中间图是所选择的射频电导率图与低频电导率图126的逐体素差异。所选择的射频电导率图是第一电特性断层摄影电导率图122和第二电特性断层摄影电导率图124中的一种。
[0127]
图2示出了图示操作图1的医学系统的方法的流程图。首先在步骤200中，接收第一电特性断层摄影电导率图122。接下来，在步骤202中，接收第二电特性断层摄影电导率图124。两者都描述对象的感兴趣区域。第一电特性断层摄影电导率图122是在第一射频值处的电导率图。第二电特性断层摄影电导率图124是在第二射频值处的电导率图。在第一电特性断层摄影电导率图122和第二电特性断层摄影电导率图124之间也存在配准。
[0128]
接着，在步骤204中，根据第一电特性断层摄影电导率图122和第二电特性断层摄影电导率图124计算低频电导率图126。然后，在步骤206中，接收多b扩散加权磁共振成像信
号谱图128。该谱图128被配准到第一电特性断层摄影电导率图122或第二电特性断层摄影电导率图124。然后，在步骤208中，计算细胞内体积图和细胞外体积图131。这是通过对多b扩散加权磁共振成像信号谱图128执行两项指数模型的优化来完成的。
[0129]
在步骤210中，通过执行细胞内体积图逐体素除以细胞外体积图与细胞内体积图的逐体素和来计算细胞内体积分数图132。然后，在步骤212中，通过执行中间图逐体素除以细胞内体积分数图132来计算细胞内电导率图134。中间图是所选择的射频电导率图与低频电导率图126的逐体素差异。所选择的射频电导率图是第一电特性断层摄影电导率图122和第二电特性断层摄影电导率图124中的一种。
[0130]
步骤214和216是任选的。在步骤214中，通过执行细胞内体积图130逐体素除以细胞外体积图131与细胞内体积图130的逐体素和来计算细胞内体积分数图136。最后，在步骤216中，通过执行低频电导率图126逐体素除以细胞外体积分数图136来计算任选的细胞外电导率图138。
[0131]
图3图示了医学系统300的另一示例。医学系统300类似于图1中的医学系统100，除了医学系统300包括两个单独的磁共振成像系统302、302’之外。第一磁共振成像系统302包括第一磁体304并且第二磁共振成像系统302’包括第二磁体304’。第一磁体304被配置用于在成像区308中生成第一b0磁场，并且第二磁体304’被配置用于当在其成像区308内时生成具有不同场强的b0磁场。这两个不同的b0磁场值对应于电特性断层摄影电导率图122和124的第一射频值和第二射频值。一起描述磁共振成像系统302和302’的共同特征。
[0132]
磁体304、304’可以是具有通过其的膛306的超导圆柱型磁体。使用不同类型的磁体也是可能的；例如也可以使用分裂圆柱形磁体和所谓的开放式磁体。分裂圆柱磁体类似于标准的圆柱磁体，除了低温恒温器已经分裂成两部分，以允许访问所述磁体的等平面，从而使磁体可以例如与带电粒子束治疗相结合地使用。开放磁体有两个磁体部分，一个在另一个之上，中间的空间足够大以容纳对象：两个部分区的布置类似于亥姆霍兹线圈的布置。开放式磁体是流行的，因为对象较少地受限。在圆柱磁体的低温恒温器内部有超导线圈的集合。
[0133]
在圆柱磁体304、304’的膛306内，存在成像区308，在成像区308中，磁场足够强和均匀以执行磁共振成像。成像区308内的b0场值在两个磁体304、304’之间不同。示出了成像区308内的感兴趣区域309。
[0134]
相同的对象318被示为在两个磁体304、304’的膛306中。对象318被示为由对象支撑件320支撑，使得对象318的至少部分在成像区308和感兴趣区域309内。可以控制磁共振成像系统302、302’，使得两者之间的感兴趣区域309尽可能相似。在一些情况下，在两个磁共振成像系统302、302’中采集的数据被相互配准。这可以在使用标准图像处理技术进行重建之后完成。
[0135]
磁体的膛306内还有磁场梯度线圈310的集合，其用于采集初级磁共振数据，以在磁体304、304’的成像区308内对磁自旋进行空间编码。磁场梯度线圈310连接到磁场梯度线圈电源312。磁场梯度线圈310旨在是代表性的。通常，磁场梯度线圈310包含用于在三个正交空间方向上空间地编码的三个分立的线圈的集合。磁场梯度电源将电流供应到所述磁场梯度线圈。供应给磁场梯度线圈310的电流根据时间来进行控制并且可以是斜变的或脉冲的。
[0136]
与成像区308相邻的是射频线圈314，其用于操纵成像区308内的磁自旋的取向，并且用于接收来自也在成像区308内的自旋的射频发射。射频天线可包含多个线圈元件。射频天线还可以被称为通道或天线。射频线圈314连接到射频收发器316。射频线圈314和射频收发器316可以由独立的发送线圈和接收线圈以及独立的发射器和接收器替代。要理解的是，射频线圈314和射频收发器316是代表性的。射频线圈314旨在还表示专用的发射天线和专用的接收天线。类似地，收发器316也可以表示单独的发射器和接收器。射频线圈314也可以具有多个接收/发射元件，并且射频收发器316可以具有多个接收/发射通道。例如，如果执行诸如sense的并行成像技术，则射频线圈314可以具有多个线圈元件。
[0137]
两个磁共振成像系统302、302’的收发器316和梯度控制器312被示为连接到计算机系统102的硬件接口106。
[0138]
存储器110被示出为包含第一脉冲序列命令330。第一脉冲序列命令330被配置用于控制第一磁共振成像系统302以采集第一电特性断层摄影k空间数据336，其也被示为存储在存储器110中。第二脉冲序列命令332被配置用于控制第二磁共振成像系统302’以采集第二电特性断层摄影k空间数据338。
[0139]
第一电特性断层摄影k空间数据336可以被重建为第一电特性断层摄影电导率图122。第二电特性断层摄影k空间数据338可以被重建为第二电特性断层摄影电导率图124。存储器334还被示出为包括第三脉冲序列命令334。第三脉冲序列命令334可用于控制第一磁共振成像系统302或第二磁共振成像系统302’以采集多b扩散加权k空间数据340。多b扩散加权k空间数据340可以用于重建多b扩散加权磁共振成像信号谱图128。
[0140]
在图3中，计算机系统102被描绘为单个单元。然而，计算机系统102实际上可以是多个计算机系统。例如，可能存在单独控制每个磁共振成像系统302、302’的工作站或计算机。还可以有额外的计算机系统102，用于以后的图像重建。
[0141]
图4图示了医学系统400的另一示例。图4中的医学系统400类似于图3中的医学系统300，除了没有两个单独的磁体304、304’，只有一个磁共振成像系统402。在这种情况下，磁体304”是可变磁场磁体304”。在采集之间，成像区308内的b0磁场可以变化。这可能具有对象318能够在相同位置成像的优点。尽管可能存在一些可以执行的配准，但是在采集k空间数据336、338、340之间的对象318的位置将更加一致。可变磁场磁体304”例如可以具有可以在采集之间变化的电流。多b扩散加权k空间数据340可以通过将b0场设置为第一值或第二值来采集。
[0142]
现在详细讨论计算细胞内电导率图134的理论方面。组织电导率由离子的局部浓度和迁移率决定。它可以用基于mr的电气特性断层摄影(ept)来测量。该电导率与(a)与所应用的mr系统的拉莫尔频率(rf)有关，并且(b)与包括细胞内和细胞外组织部分的总组织电导率有关。
[0143]
实施例可以通过首先从测量的rf电导率(第一电特性断层摄影电导率图122和第二电特性断层摄影电导率图124)通过如前所述的cole-cole模型来导出低频电导率图(126)(或lf电导率)来分离细胞间电导率以及任选地细胞外电导率的计算。在第二步中，执行多b dwi扫描以估计额外体积分数和任选的细胞内体积分数。在第三步中，rf和lf电导率以及细胞外/细胞内体积分数用于估计rf电导率的细胞内/细胞外分数(细胞内体积分数图132和细胞外体积分数图136)。
[0144]
有几种不同的方法可以从测量的rf电导率中导出低频(lf)电导率(对应于大约1-500khz)。在一种方法中，lf电导率从在3t下测量的rf电导率以及也在3t下测量的多b扩散加权成像(dwi)导出。在另一种方法中，lf电导率通过简化的cole-cole模型从两个不同的rf电导率图导出，分别在1.5t和3t下测量，但没有考虑dwi。cole-cole模型的简化涉及通过两个不同的分量来近似电导率的频率特性，即，一方面是σi偏移值和α色散的和，另一方面是β色散和γ色散的和。在cole-cole模型的这种简化中，忽略了δ色散。在100hz-1khz范围内，电导率的频率特性很好地近似为常数，等于σi偏移值和α-色散，并且在1khz到低于1m hz的范围内，β-色散和γ-色散仅微弱地依赖于频率。因此，比较在64m hz和128m hz处测量的两个rf电导率得出在100khz左右的外推lf电导率；如图7中的点划线所示，在100hz-300khz的范围内似乎可以得到准确的结果。
[0145]
本文所描述的实施例可以具有这些实施例在体内分离细胞内和细胞外电导率的益处。尽管细胞内和细胞外离子迁移率已从基于测量的细胞内和细胞外扩散常数估计中进行近似，但细胞内和细胞外离子浓度仅取自文献。因此，使用这种技术或任何其他尚未发表的方法，不可能对患者个体进行细胞内和细胞外电导率的局部分离。
[0146]
本文所述的示例可以通过首先通过简化的cole-cole模型从测量的rf电导率导出lf电导率来分离细胞内和细胞外电导率。在第二步中，执行多b dwi扫描以估计细胞外/细胞内体积分数。在第三步中，rf和lf电导率以及细胞外/细胞内体积分数用于估计rf电导率的细胞内/细胞外分数。这些步骤将在下文中详细描述并在图5和图6中概示。
[0147]
图5图示了根据示例的方法的示意图。该方法大致分为第一步500、第二步502和第三步504。在步骤1中，有第一两个电特性断层摄影采集。506表示例如以1.5t执行电特性断层摄影。这将对应于采集第一电特性断层摄影k空间数据336。步骤508表示例如以3t执行电特性断层摄影。这对应于采集第二电特性断层摄影k空间数据338。然后使用来自这两个扫描的信息来估计低频电导率510。这对应于图2所示方法的步骤204。
[0148]
接下来，在步骤2中，在3t处执行多b扩散加权图像512。这对应于采集多b扩散加权k空间数据340。在步骤514中，估计或计算细胞外和细胞内体积分数。这对应于图2中方法的步骤208和210以及步骤214。在执行了步骤1和2之后，所述方法进行到步骤3 504。在步骤516中，计算细胞外电导率和细胞内电导率。这对应于图2的步骤212和步骤216。
[0149]
图6示出了与图5所示相同的方法，只是这次使用对象的数据进行说明。对于内部白质中指示的区域，计算了0.23s/m和1.28s/m的细胞外和细胞内电导率。
[0150]
图5和6中所示的步骤在下面更详细地描述：
[0151]
步骤1：从测量的rf电导率推导出lf电导率
[0152]
α/β/γ/δ色散的4-cole-cole模型(如在以下文章中所述：gabriels、laurw、gabrielc.the dielectric properties of biological tissues:iii.parametric models for the dielectric spectrum of tissues.phys med biol.1996；41:2271-2293)被简化为使得比较在64m hz和128m hz处测量的两个rf电导率，得出在100khz左右的外推的lf电导率。这两个电导率图可以在外推之前进行配准。第一步不需要扩散加权图像(dwi)扫描。
[0153]
步骤2：导出细胞内/细胞外体积分数
[0154]
在第二步中，执行多b dwi扫描，并将得到的谱s(b)逐个体素拟合到对细胞内和细
胞外贡献进行建模的两个指数
[0155]
s(b)/s0＝v
i exp(-b di)+v
e exp(-b de)+v0ꢀꢀ
(1)
[0156]
其中，s0是系统相关的比例因子，di/de是细胞内/细胞外扩散常数，
vi
/ve表示细胞内/细胞外体积。vi是细胞内体积图130，并且ve是细胞外体积图131。测量偏移v0是一种模型细化，可以选择将其设置为零以便于数据处理。细胞内/细胞外体积分数xi/xe由下式给出：
[0157]
xi＝vi/(ve+vi),(2a)
[0158]
xe＝ve/(ve+vi).(2b)
[0159]
xi是细胞内体积分数图132并且xe是细胞外体积分数图136。
[0160]
公式(1)是二项指数模型的示例。本文所使用的两项指数模型指的是总共具有两个指数项的指数方程。使用优化对方程(1)求解产生对4个未知数的解，但是在优化之后可能会忽略一些项。上面的空间相关的谱s(b)是多b扩散加权磁共振成像信号谱图128。
[0161]
步骤3：导出细胞内/细胞外电导率
[0162]
rf电导率σ
rf
可以被建模为σi和σe的加权叠加
[0163]
σ
rf
＝xeσe+xiσi.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0164]
可以假设细胞的脂质膜在lf处充当绝缘体，从而阻止细胞内空间对总电导率的贡献，并得到：
[0165]
σ
lf
＝xeσe.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0166]
因此，细胞外电导率(细胞外电导率图138)由下式给出：
[0167]
σe＝σ
lf
/xe,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0168]
以及相应的细胞内电导率(细胞内电导率图134)：
[0169]
σi＝(σ
rf-σ
lf
)/xi,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0170]
此外，细胞内/细胞外电导率σi/σe可以被建模为：
[0171]
σi＝k d
i ciꢀꢀꢀ
(7a)
[0172]
σe＝k d
e ceꢀꢀꢀ
(7b)
[0173]
其中,ci/ce是细胞内/细胞外离子浓度，kdi/kde是细胞内/细胞外离子迁移率，假定与实验确定的(水)扩散常数和某个常数k成比例。所描述的方法允许确定细胞内/细胞外离子浓度的比率β
[0174]
β＝ci/ce＝(σ
rf
/σ
lf-1)(x
e de)/(x
i di).(8)
[0175]
需要注意的是，之前β取自文献，即所有患者、所有组织类型和所有病理状态都使用相同的值。与本文中所描述的不同，β是通过逐体素的实验确定的，即患者个体和特定于局部组织类型及其病理状态。
[0176]
为获得由方程(7)给出的绝对细胞内/细胞外离子浓度，常数k可以通过组织温度计算，也可以通过mri独立测量，以及平均离子电荷和avogadro和boltzmann常数(“einstein-smoluchowski关系”)。
[0177]
图7图示了电导率的频率特性。cole-cole模型(ccm):σ(ω)是α/β/γ/δ色散分量加上常数项的叠加。在rf范围内，典型谱可以通过常数项(σi/α色散)加上指数项(β色散/γ色散)来近似。根据本发明，简化的ccm通过测量两个不同的rf值ω1、ω2处的电导率并通过rf频谱的常数项来近似lf电导率将这两项分开。
[0178]
还应注意，上述离子浓度和离子迁移率等量是基于所有有助于电导率的离子的叠
加，预计主要是钠离子，还有其他离子，如钾、钙、氯等。
[0179]
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。
[0180]
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或者其它单元可以实现权利要求书中记载的若干项的功能。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。可以将计算机程序存储/分布在与其它硬件一起提供或者作为其它硬件的部分提供的诸如光存储介质或者固态介质的合适介质上，但是还可以以诸如经因特网或者其它有线或无线电信系统的其它形式分布。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。