专利名称：包括用相位图表示和被用作为相位参考的参考媒体的mri测温技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及被安排成根据表示在第一时刻与第二时刻之间在物体内局部温度随时间变化的过程中由进行磁共振成像的物体发射的磁共振信号的图像数据来计算温度差值图的设备，所述物体包括目标媒体和参考媒体。
本发明还涉及到成像系统。
本发明另外还涉及到用于通过使用表示在第一时刻与第二时刻之间在物体内局部温度随时间变化的过程中由进行磁共振成像的物体发射的磁共振信号的图像数据来计算温度差值图的方法，所述物体包括目标媒体和参考媒体。
本发明还涉及到计算机系统。
在开头段落这阐述的设备的实施例是从US 6,615,069获知的。已知的设备被安排来校正在从单个测量值得到的绝对温度图上的空间相位误差。经相位校正的图像随后互相相减以产生温度差值图。为了提供独立的绝对温度图，已知的设备被安排成通过根据在第一时刻和第二时刻得到的图像数据组找出空间相位分布和温度分布而执行适当的相位展开的复杂的步骤。特别地，在物体数据中的一个像素被规定为基本点，相邻的相位被接连地与基本点比较，以便检测一个其相位差变为大于预定的阈值的点。在这个点以外的区域被看作为反正切混淆，以及要在该区域中像素的相位上加上2π或从该像素的相位中减去2π。
已知的设备的缺点在于，仅仅消除在第一时刻和第二时刻时出现的恒定的相位误差。在第一时刻和第二时刻之间在磁共振设备的数据采集系统中出现的与时间有关的相位误差没有得到校正。
本发明的目的提供一种设备，藉助于该设备，在建立温度差值图之前消除恒定的相位误差和与时间有关的相位误差。
为此，按照本发明的设备包括一个计算单元，它被安排来i.访问根据图像数据计算的和表示在第一时刻内的目标媒体的第一相位图像；ii.访问根据图像数据计算的和表示在第一时刻内的参考媒体的第二相位图像；iii.访问根据图像数据计算的和表示在第二时刻内的目标媒体的第三相位图像；iv.访问根据图像数据计算的和表示在第二时刻内的参考媒体的第四相位图像；v.通过从目标媒体的第三相位图像中减去第一相位图像而计算第一相位图；vi.通过从参考媒体的第四相位图像中减去第二相位图像而计算第二相位图；vii.根据与第二相位图相减的第一相位图计算温度差值图。
本发明的技术措施是基于这样的观点获取物体尤其是人体内的热图像的能力在许多医疗介入手术如特定吸收速率(SAR)管理、射频消融控制、射频低温等等中有潜在的应用，这里，尤其是用于SAR管理的温度改变的动态范围需要精确到约0.2度。对这种精度水平的热成像可以通过使用质子频移(PFS)技术而达到。至今为止，得到对体内应用所需的温度灵敏度的水平的可能性受阻于以下事实PFS方法是相位敏感的方法，它例如受BO漂移即在过程中病人体内的垫片(shimming)变化的影响。这些现象可导致计算温度差值图的显著的误差。
本发明的目的是通过使用一个来自物体内参考媒体的信号而达到的，作为用于跟踪与温度改变无关的系统不稳定度的参考装置，它不出现与温度相关的频移。对于人来说，已发现脂肪特别适合于被用作为参考媒体，而目标媒体例如是软组织。脂肪几乎出现在身体的每个地方，这意味着它可以与目标媒体所规定的同一个感兴趣区域内被成像。实际上，按照本发明，来自脂肪的信号被与水信号分界，并且被用作为参考以便校正由于例如病人的呼吸引起的容积(bulk)敏感度变化造成的B0频移和垫片的改变引起的相位误差。
为此，计算单元被安排成访问第一相位图像、第二相位图像、第三相位图像、和第四相位图像，并使用它们来消除与时间有关的相位误差。这些图像可以通过使用适当的图像重建器根据图像数据而重建。应当指出，也可设想安排计算单元去访问可从远程得到的相应的相位图像。为此，可以使用互联网和/或内部网资源以及无线通信装置。这个功能允许从很远的位置控制适当的医疗过程。
优选地，使用图像采集方法，由此在第一时刻和第二时刻同时采集病人的解剖学的独立的只有脂肪和只有水的二维图像。一个适当的序列将参照图4作更详细地说明。替换地，脂肪图像可以根据使用例如快速成像方法采集的单个图像而得出，由此TE被安排成使得脂肪和水信号是同相的。只有脂肪的区域可以通过使用适当的本身已知的组织分段算法来分界。只有脂肪的图像还将用作为参考图像。
按照本发明的设备的计算单元被安排成用来自参考媒体的信号去校正目标媒体的图像，因此不单消除恒定的相位误差，而且也消除在第一时刻与第二时刻之间的期间内出现的与时间有关的相位误差。这个特性是基于这样的观点，即目标媒体的图像包含取决于所有的系统缺陷和温度的相位演变。参考媒体的图像包含取决于所有的系统缺陷的相位演变，但与温度无关。因此，按照本发明的系统由于以下事实提供计算温度差值图的更鲁棒的方法使用温度不敏感的脂肪相位图的相位信息消除了由系统缺陷引起的所有的寄生相位误差。为了计算绝对温度差值图，与第二相位图相减后的第一相位图被除以回波时间TE、旋磁比值γ、主场强B0和目标媒体的屏蔽常数α的乘积。
作为另外的优点，惊喜地发现，通过计算第二相位图和使用它来计算温度差值图，则来自目标媒体的由第二媒体(例如脂肪)的不同的Larmor频率造成的参考媒体的相移所引起的相位差也被消除。应当指出，总是在同一化学物类(species)内处理相位差将会有效地消除该类别的DC频率偏移。例如，如果水是处在0Hz以及脂肪是处在440Hz，则导致约50Hz的频移的磁场随时间的B0漂移将对水和脂肪分别产生50Hz和490Hz的新的谐振频率。对于例如水减去相应于不同时刻的两个相位图像，可判别50Hz的漂移。对于脂肪相位图像进行同样的操作，也得出50Hz。因此，当减去来自不同的化学物类的相位图像时，有利的是只使用每种物类的相位差值图像。
在按照本发明的设备的实施例中，该设备还包括被安排成把图像数据转发到计算单元的输入装置，计算单元还被安排成计算第一相位图像、第二相位图像、第三相位图像、和第四相位图像。按照本发明的设备的输入装置优选地被安排成去输入通过使用磁共振设备采集的图像数据和使得该数据对于计算单元是可得到的。通过安排计算单元计算各个相位图像，可简化按照本发明的设备的总体结构。
按照本发明的设备的另一个实施例，计算单元还被安排来计算用于第一相位图像和用于第二相位图像的相应的二进制掩模(binarymasks)。
这个技术措施是基于这样的观点当二进制掩模图像是根据目标媒体和参考媒体的组合的幅度图像的信号强度被规定时，在以后的计算期间的数字误差可以被去除。掩模图像优选地在没有检测到信号的地方被定标为0和在存在信号的地方被定标为1。以后仅仅在存在信号的区域中执行计算。这个技术措施提高了以后计算的精度和速度。
在按照本发明的设备的再一个实施例中，计算单元还被安排成用一个平滑函数来拟合第二相位图像。
发现了最好是用二维表面来拟合第二相位图像，优选地使用加权的多项式拟合。最终得到的图像具有整个二维视图区域的连续的相位表面。
必须指出，在上述内容的上下文中，术语图像数据表示空间信息，并且其本质是包括实部和虚部的复数。复数图像数据可被表示为幅度图像和相位图像。对于这个数据的所有的数学运算可以在复数域(使用实部和虚部数据)或在极坐标(使用幅度和相位)中进行。优选的是在复数域中进行计算。另外，虽然按照本发明的设备的运算是相对于二维图像数据说明的，但也可以以类似的方式使用三维图像数据。
应当指出，虽然该方法是根据对相位图像的数学运算描述的，但最好通过使用等价的复数数学运算来执行数学运算，例如执行复数图像数据的除法，而不是图像相位相减。于是计算最后的相位的步骤仅仅在最后的时刻才进行。这使得由于反正切混淆引起的误差的可能性最小化。
按照本发明的磁共振成像系统包括如以上说明的按照本发明的设备和一个磁共振设备，它被安排来采集表明在第一时刻与第二时刻之间在物体内局部温度随时间变化的过程中根据进行磁共振成像的物体发射的磁共振信号的图像数据。
按照本发明的成像系统提供用于实时计算温度差值图的装置，它可被有利地使用于控制某些医疗过程，如SAR管理、RF消融控制、RF低温控制等。
在按照本发明的磁共振成像系统的实施例中，磁共振设备还被安排成通过使用对目标媒体和参考媒体的同时成像来采集图像数据。
优选地，具有适当的TE的快速成像方法被使用来使得来自参考媒体和目标媒体的信号是同相的。
在磁共振成像系统的另一个实施例中，磁共振设备还被安排成通过使用目标媒体和参考媒体的相应的磁共振图像的交替采集来采集图像数据。
这个实施例对于给可能活动的病人成像是特别有用的。通过提供交替的水/脂肪采集，成像系统确保在病人活动期间水和脂肪的可靠的空间对准。这可通过以下事实来说明，在交替的水/脂肪图像采集期间先采集来自水的k空间线，然后采集脂肪的k空间线，等等。这对于首先采集整个水的图像然后获取整个脂肪图像的情形是不同的。在交替的脂肪和水的图像的情形下，在水与脂肪图像之间的有效延时正好是TR的时间，这通常约为10ms。当采集整个水的图像，随后是整个脂肪图像时，图像之间的时间差可以大到几十秒，这对于病人的活动是非常敏感的。
按照本发明的方法包括以下步骤-访问根据图像数据计算的和表示在第一时刻内的目标媒体的第一相位图像；-访问根据图像数据计算的和表示在第一时刻内的参考媒体的第二相位图像；-访问根据图像数据计算的和表示在第二时刻内的目标媒体的第三相位图像；-访问根据图像数据计算的和表示在第二时刻内的参考媒体的第四相位图像；-通过从目标媒体的第三相位图像中减去第一相位图像而计算第一相位图；-通过从参考媒体的第四相位图像中减去第二相位图像而计算第二相位图；-根据与第二相位图相减的第一相位图计算温度差值图。
正如对于参考本发明的设备所说明的，通过把不存在与温度有关的漂移的参考媒体分离开，能够跟踪磁共振成像设备的系统稳定度。通过从第一相位图中减去第二相位图，则恒定的和与时间有关的两种系统不稳定度都被消除，从而产生一个精确的与温度有关的图。按照本发明的方法的示意性流程图将参照图5进行讨论。按照本发明的方法的另外的有利的实施例参照权利要求10-13被阐述。
按照本发明的计算机程序被安排成包括使得处理器实行如在上面阐述的方法的步骤的指令。
下面参照附图进一步讨论本发明的这些和其它优点。
图1显示按照本发明的设备的示意图。
图2显示按照本发明的成像系统的示意图。
图3以示意的方式显示磁共振设备的实施例。
图4显示适当的数据采集序列的示意图。
图5显示按照本发明的方法的工作流程的方块图的示意图。
图1显示按照本发明的设备的示意图。设备1的核心由计算单元4形成，计算单元4被安排来按照本发明的方法访问相应的图像数据和执行计算步骤以产生温度差值图。相应的相位图像例如可以由图像重建器5根据由输入装置2提供的图像数据而计算，并且存储在存储单元8的文件3a中。替换地，各个相位图像可以从远端源访问。再替换地，相应的相位图像可以由计算单元4根据由输入装置2提供的图像数据被计算出。计算单元的运算优选地由按照本发明的计算机程序所控制，这里适当的计算步骤作为加到适当的处理器的指令而被编程。
输入装置2优选地被安排成以任何适当的方式接收物体的适当的图像数据，特别是目标媒体和参考媒体的二维图像，或目标媒体和参考媒体的三维图像。例如，设备1可以涉及采集图像数据。在这种情形下，图像数据可以以模拟形式被采集，并使用适当的A/D转换器而转换成数字形式以进一步处理。图像数据也可以例如用数字形式直接采集，或在由远端计算机/医疗仪器采集之后经由计算机网络以数字形式接收。另外，图像数据可以被预处理，例如，它可经傅立叶变换而产生适当的复数图像数据。
存储单元8优选地被安排成存储适当的图像数据供计算期间由计算机程序访问。存储单元8优选地存储磁共振设备的系统参数，如主场B0的强度、旋磁比值γ，和目标媒体的适当参数，如在文件3中的屏蔽常数α。文件3由计算单元4用来根据相位图计算绝对温度差值图。设备1还包括典型地基于RAM的工作存储器6。存储单元8可被用于存储没有被处理时的图像数据(或它的一部分)，和用于存储图像数据的运算和/或中间计算的结果，如适当的相位图像和适当的相位图。工作存储器6典型地保持正被处理的(部分的)图像数据和用来处理这些部分图像数据的适当的图像处理装置的指令。按照本发明的设备的输出9包括计算出的温度差值图，它可用来控制适当的医疗诊断或治疗装置(未示出)，或它可向用户显示，或被存储以供归档之用。
在设备1被使用于诸如SAR管理、RF消融控制、RF低温等医疗过程的实时控制的情形下，优选地，计算的温度差值图要反馈给用户。为此，按照本发明的设备包括显示器7，用于显示计算的温度差值图。优选地，温度差值图是通过适当的互动式图形用户接口7a而可看见的。
图2显示按照本发明的磁共振成像系统的实施例。按照本发明的磁共振成像系统10包括设备1，它被安排成计算温度差值图。优选地，如参照图1描述的，设备1的操作是藉助于适当的计算机程序11来控制的。设备1的输出优选地包括适当的控制信号S，它可被施加到适当的装置，例如被安排来执行病人体内局部温度随时间变化的过程的磁共振设备或另外的医疗设备。按照本发明的成像系统10还包括磁共振设备21。磁共振设备的适当的操作参照图3被描述。
设备1的输出，例如计算出的温度差值图的一个图形表示，优选地被做成可供可视化的显示器32使用。优选地，可视化可在适当的图形用户接口34内实现，以显示例如医疗图像33与温度差值图33a重叠。有可能温度差值图占据图像33的整个截面，或按照医疗手术只占据它的面积的一部分。优选地，图形用户接口的操作由存储在另外处理器35中适当的计算机程序36所控制。图像33可以以单个二维图像或一系列二维图像(或替换地，三维图像)的形式被可视化。优选地，为了便利于用户，显示器32包括高清晰度显示器，用户接口可藉助于适当的输入装置37(例如鼠标、键盘或任何其它适当的用户输入装置)操作。
图3以示意的方式显示适合于在按照本发明的磁共振成像系统中使用的磁共振设备的实施例。磁共振设备包括第一磁体系统22、第二磁体系统23、电源单元24、RF发射机和调制器26、RF发射机线圈25、发射机-接收机电路29、信号放大器与解调器单元40、处理单元42、图像处理单元43、监视器44和控制单元41。第一磁体系统22用来在磁共振设备21的成像体积(未示出)中生成稳定的磁场B0。第二磁体系统23的各种梯度线圈用来生成具有分别在X，Y，Z方向上的梯度的附加磁场。图3所示的坐标系统的Z方向按常规相应于磁体系统22的稳定磁场的方向。所使用的测量坐标系统x，y，z的选择可以与图3所示的X，Y，Z系统无关。在本申请的上下文中，梯度被理解为是指暂时的磁场，它们被叠加到稳定磁场上并在稳定的磁场B0上在三个相应的正交方向上形成梯度。
梯度线圈23由电源单元24供电。RF发射机线圈25用来生成RF磁场和被连接到RF发射机与调制器26。发射机线圈25经由发射机-接收机电路29被连接到信号放大器与解调器单元40。控制单元41控制RF发射机与调制器26以及电源单元24。
图4显示适当的数据采集序列的示意图。优选地，使用运动补偿谱空间选择磁共振成像的方法。该方法本身例如是从US 5,891,032获知的。按照这个方法，把一个射频谱空间激励序列施加到物体(尤其是病人)上，这里，序列70包括两个子序列70a和70b，它们各自具有激励脉冲72a，72b，包括两组相应的翻转(flip)角度72a’，72a”，72b’，72b”，它们被安排成使得k空间与源自第一媒体和第二媒体(尤其是水和脂肪)的图像数据实现交替。因此，序列70包括二重的切片选择的脉冲串72a’，72a”，72b’，72b”，它们以预定的场强提供选定的谐振频率的频谱选择的激励。该方法还包括把一个振荡切片选择梯度74a，74b施加到病人的同一个区域，使得该二重脉冲串72a，72b的每个子脉冲是在具有相同极性的振荡梯度的各个部分中被加上的。振荡梯度还包括至少一个额外梯度脉冲74a”，74b”，它们被加到振荡的梯度74a’，74b’的末端，用于提供固有的运动补偿的切片选择。该方法还包括相位编码梯度76a’，76b’和回绕梯度76a”，76b”。最后，该加上读出梯度80a，80b。类型70的数据采集是在第一时刻和第二时刻内实现的。最终得到的图像数据被设想用于按照本发明的设备以便得到温度差值图。
图5显示按照本发明的方法的工作流程50的方块图的示意图。分别在步骤51，52采集表示响应于在第一时刻51a和第二时刻52a的适当的磁激励的目标媒体的图像数据。因此，采集对第一时刻51b和第二时刻52b的磁激励的参考媒体响应。应当指出，所述采集可包括通过使用适当的磁共振设备的实时数据采集步骤，或装载来自适当的存储装置的保存的数据的步骤。另外，虽然在本例中显示了用于目标媒体和参考媒体的分开的二维图像，但它们可以通过使用适当的MR采集(由此，来自目标媒体和参考媒体的信号是被分开地检测的)而得到的。替换地，来自目标媒体和参考媒体的信号可同时被检测，只要相应的采集序列被设计成使得这些信号是同相的。在这种情形下，图像51a，51b，52a，52b通过使用本身已知的图像分段方法而得到。
在相应的步骤53，55，计算在第一时刻内目标媒体57和参考媒体59的相应的相位图像。在相应的步骤54，56，计算在第二时刻内目标媒体58和参考媒体60的相应的相位图像。这些图像被使用来计算第一相位图63和第二相位图64，这里，对于给定的图像，从第二时刻内的相位图像中减去61，62第一时刻内的相位图像。优选地，对于参考图像的相位图要进行加权的多项式拟合以拟合二维表面。在步骤67，通过从第一相位图减去65第二相位图，并利用数据采集的参数(如磁场B0的强度、旋磁比值γ、用于目标媒体的屏蔽常数值α)来对结果进行归一化，从而计算绝对值温度图。为了方便于用户，最终得到的绝对值温度图69优选地通过使用适当的用户接口进行可视化。
权利要求
1.一种被安排成根据表示在第一时刻与第二时刻之间在物体内局部温度随时间变化的过程中由进行磁共振成像的物体发射的磁共振信号的图像数据来计算温度差值图的设备(1)，所述物体包括目标媒体和参考媒体，所述设备包括计算单元(4)，它被安排来i.访问根据图像数据计算的和表示在第一时刻的目标媒体的第一相位图像(57)；ii.访问根据图像数据计算的和表示在第一时刻的参考媒体的第二相位图像(59)；iii.访问来自图像数据的和表示在第二时刻的目标媒体的第三相位图像(58)；iv.访问来自图像数据的和表示在第二时刻的参考媒体的第四相位图像(60)；v.通过从目标媒体的第三相位图像中减去第一相位图像而计算第一相位图(63)；vi.通过从参考媒体的第四相位图像中减去第二相位图像而计算第二相位图(64)；vii.根据与第二相位图相减的第一相位图计算温度差值图(67)。
2.按照权利要求1的设备，其中该设备还包括输入装置(2)，它被安排成把图像数据转发到计算单元，该计算单元还被安排成计算第一相位图像、第二相位图像、第三相位图像、和第四相位图像。
3.按照权利要求1或2的设备，其中计算单元(4)还被安排来计算用于第一相位图像和用于第二相位图像的各个二进制掩模。
4.按照权利要求1，2，或3的设备，其中计算单元(4)还被安排成利用平滑函数拟合第二相位图像。
5.按照前述权利要求的任一项的设备(1)，还包括显示器(7)，用于温度差值图的可视化。
6.磁共振成像系统(10)，包括按照前述权利要求的任一项的设备(1)和磁共振设备(21)，被安排来采集表示在第一时刻与第二时刻之间在物体内局部温度随时间变化的过程中由进行磁共振成像的物体发射的磁共振信号的图像数据(S)。
7.按照权利要求6的成像系统(10)，其中磁共振设备(21)还被安排来通过使用目标媒体和参考媒体的同时成像来采集图像数据。
8.按照权利要求6的成像系统(10)，其中磁共振设备(21)还被安排来通过使用目标媒体和参考媒体相应的磁共振图像的交替采集来采集图像数据。
9.一种用于从表示在第一时刻与第二时刻之间在物体内局部温度随时间变化的过程中由进行磁共振成像的物体发射的磁共振信号的图像数据(51a，51b，52a，52b)来计算温度差值图(69)的方法，所述物体包括目标媒体和参考媒体，方法包括以下步骤-访问(53)根据图像数据计算的和表示第一时刻的目标媒体的第一相位图像(57)；-访问(55)根据图像数据计算的和表示在第一时刻内的参考媒体的第二相位图像(59)；-访问(54)根据图像数据计算的和表示第二时刻的目标媒体的第三相位图像(58)；-访问(56)根据图像数据计算的和表示在第二时刻内的参考媒体的第四相位图像(60)；-通过从目标媒体的第三相位图像中减去第一相位图像而计算第一相位图(63)；-通过从参考媒体的第四相位图像中减去第二相位图像而计算第二相位图(64)；-根据与第二相位图相减的第一相位图计算(67)温度差值图(69)。
10.按照权利要求9的方法，其中方法还包括以下准备步骤-根据图像数据计算第一相位图像；-根据图像数据计算第二相位图像；-根据图像数据计算第三相位图像；-根据图像数据计算第四相位图像。
11.按照权利要求8或9的方法，其中图像数据通过使用目标媒体和参考媒体的同时成像而被获取。
12.按照权利要求8或9的方法，其中图像数据通过使用目标媒体和参考媒体的各个磁共振图像的交替采集而被获取(70)。
13.按照前述权利要求的任一项的方法，这里相应的二进制掩模是为第一相位图像和第二相位图像而计算的。
全文摘要
按照本发明的设备(1)包括计算单元(4)，它被安排来访问根据图像数据计算并表示目标媒体(例如，其温度要被监视的区域)与参考媒体(例如，由形成内部参考的脂肪信号为主的区域)的相位图像，以及按照本发明的方法执行计算步骤以产生MRI温度差值图。计算装置的操作优选地由按照本发明的计算机程序控制，由此适当的计算步骤是作为加到适当处理器的指令而编程的。设备(1)还包括存储单元(8)，它被安排成存储在计算期间由计算机程序访问的适当的图像数据。存储单元(8)优选地存储磁共振设备的系统参数，如主场B0的强度、旋磁比值y，和目标媒体的适当的参数，如屏蔽常数。按照本发明的设备(1)包括计算单元(4)，它被安排来访问根据图像数据计算并表示目标媒体与参考媒体的相位图像，以及按照本发明的方法执行计算步骤，产生温度差值图。计算装置的操作优选地由按照本发明的计算机程序控制，由此适当的计算步骤是作为加到适当的处理器的指令而编程的。设备(1)还包括存储单元(8)，它被安排成存储在计算期间由计算机程序访问的适当的图像数据。存储单元(8)优选地在文件(3)中存储磁共振设备的系统参数，如主场B0的强度、旋磁比值y，和目标媒体的适当的参数，如屏蔽常数。设备(1)还包括典型地基于RAM的工作存储器(6)。按照本发明的设备的输出(9)包括所计算的温度差值图，它可被使用来控制适当的医疗诊断或治疗装置(未示出)，或它可向用户显示，或被存储以供归档之用。为了反馈，按照本发明的设备包括显示器(7)以便显示计算的温度差值图。优选地，温度差值图是在适当的互动式图形用户接口7a内可视化的。本发明还涉及到用于计算温度差值图的磁共振成像系统、方法和计算机程序。
文档编号G01R33/48GK1993628SQ200580026339
公开日2007年7月4日 申请日期2005年7月29日 优先权日2004年8月2日
发明者P·R·哈维, A·施马图卡 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司