专利名称：跨纤维的弥散mri的制作方法
技术领域：
本发明涉及跟踪成像，尤其涉及从弥散数据中识别和显示轨迹。
背景技术：
大脑由一个外层边界和一个内层边界所限定，脑皮层在外层。 在许多对脑的描述中，外层边界是旋绕的灰色表面。内层边界也是 一个表面，有许多白质轨道指向内层边界。这些轨迹趋向于在内部 边界处终止。
穿过大脑皮层从内层边界指向外层边界的方向，被称为大脑皮 层的径向。因为大脑皮层并不是球形，所以径向的概念也是局部定 义的。垂直于径向的平面的方向，也是局部定义的，被称为大脑皮 层的横向。
为了理解大脑皮层的结构，测量其扩散率是有帮助的。已知的 测量扩散率的方法包括获取大脑的磁共振图像。
扩散率是一个具有关联方向的向量。在大脑皮层内部，扩散率由其径向组成部分主导。然而，在大脑皮层内部，在扩散率的径向 组成部分中，可以观察的结构很少。其中的结构通过检查横向的组 成部分时更具容易阐明，而非径向组成部分。遗憾的是，扩散率的 横向组成部分正好是那些最难识别的。
发明内容
本发明基于以下常识，即在一个特定的方向，用一个特殊的几 何加权因子给每个与体素相关的概率密度函数加权，这样可以分离 出扩散率，该几何加权因子描绘了 一个沿着其上更容易识别扩散率 的表面。
在一个方面，本发明包括一个处理MRI数据的方法，其中选择 一个参考方向和一个第一体素。确定与第一体素相关的第一横向方 位向量。第一横向方位向量与参考方向垂直。在第一横向方位向量 的基础上，选择一个第二体素。也选择一个与第二体素相关的第二 横向方位向量。第二横向方位向量也垂直于参考方向。该方法还包 括确定第 一 和第二横向方位向量之间的关系是否与正交于参考方 向且在第一与第二体素之间延伸的轨迹一 致。
除非被另外定义，在此使用的所有技术和科学上的术语与本领 域的普通技术人员所理解的具有相同的意义。尽管与本发明在此描 述的类似或等同的方法和材料可以用于本发明的实践或测试，合适 的方法和材料在下文中将给予描述。在此提到的所有的出版物、专 利申请、专利和其他参考文件一并作为参考。如有冲突，以本说明 书(包括定义)为准。此外，其中的材料、方法和例子仅为示例性 的，并不为限制本发明的保护范围。
通过参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述， 本发明的其它特征、优点将会变得更加明显。
图1显示了与获取横向方位向量相关的几何图形；图3为兔子大脑的横向轨迹的另一个视图； 图4为比较来自两个不同兔子的大脑皮层的横向轨迹； 图5为在老鼠的大脑皮层的最大径向扩散率的紊乱的特性； 图6为在老鼠的大脑皮层的最大径向扩散率的较有序的特性； 图7为橫向大脑皮层轨迹方位与短尾猿大脑皮层的结构之间的 相关性；
具体实施例方式
在图像里的每个体素有一个关联方位向量的相关方位密度函 数。每个方位向量的方向指示一个其中存在扩散率的局部极大值的 方向。这也指示了轨迹穿过体素的方向。
本发明提供了一个方法，用于将方位向量限定为垂直于参考方 向。通过选择参考方向来定义一个沿横向延伸到脑皮层的二维空间， 可以在大脑皮层的横向上分离出扩散率。
每个体素也有一族穿过该体素的平面。该族平面中的每一个由 一个法向向量定义，其是两个角度的函数。因此，每个体素都有与 之关联的一组法向向量，所有的均指向不同的方向，其中每个法向 向量定义一个穿过该体素的平面。
该族平面中的每一个也有与之关联的扩散率，由综合与每个向 量相关联的扩散率得到，这些向量起源于体素中心并在该平面内向 外延伸。因此，存在一个两个角度的函数，其在一个特定的角度对 的值表示与该特定的平面相关的扩散率，该平面的法向向量指向由 角度对特指的方向。该函数类似于一个方位密度函数。基于该原因， 该函数称为"广义的方位密度函数"。
类似于方位密度函数，广义的方位密度函数可以有多个局部极 大值。这些局部极大值对应于最大扩散率的平面。与特定局部极大 值相关的角度对确定对应于该局部极大值的平面的方向。这通过指 定垂直于该平面的向量的方向来完成。这些法向向量被称为"方位向量"。与特定的方位向量关联的平面被称为"方位平面"。每个 体素因而具有与之关联的一组这样的方位向量。
下一个评估限定为垂直于参考方向的扩散率的步骤是为了定义 该参考方向。为了识别在大脑皮层内部的横向扩散率，将轨迹限定 在向大脑皮层带方向延伸是有用的。因此， 一个合适的参考方向是 一个垂直于大脑皮层带的方向。 一个在该参考方向上延伸的向量， 被称为"大脑皮层向量"，它定义了一个被称为"大脑皮层平面" 的平面。
当然，有许多大脑皮层平面。有一个最外层的平面对应于大脑 皮层的外边界，最内层的平面对应于大脑皮层的内边界，而所有的 平面都在两者之间。本方法描述中使用的特定的大脑皮层平面依赖 于想要在大脑皮层内多深处评价横向扩散率。
在选定的大脑皮层平面的每个体素上，大脑皮层向量和任一与 该体素相关联的方位向量的向量积位于该大脑皮层平面。向量积的
结果向量被称为"横向方位向量，，以区分用来计算出它的方位向量。 因此，正如每个体素有一组与之关联的方位平面，每个体素也有一
纟且才黄向方^f立平面，与这纟且方^[立平面--对应。这些一黄向方^f立向量可
以用于构建局限于横向平面的轨迹，与方位向量用于构建轨迹的方 式相同。
图1显示了与特定的体素10和特定的方位平面12相关联的几 何图形，方位平面12从一组与该体素相关联的方位平面中选出。一 个与方位平面12正交的向量是方位向量v。。方位平面12沿着相交 线16与大脑皮层平面14相交。大脑皮层平面14由其法向向量即大
脑皮层向量Vc来定义。大脑皮层向量Vc和方位向量Vo的向量积的
结果是沿着相交线16的横向方位向量vT0。
一个识别大脑皮层向量Vc的方法是承认在大脑皮层中占主导地 位的扩散率方向是径向。因此，主导大脑皮层扩散率的方向定义了 大脑皮层平面的法向向量，即大脑皮层向量Vc。
一个识别方位向量vo的方法是承认在DS-MRI("弥散光谱》兹共振成像")中可以很容易地获得与每个体素相关联的概率密度函数的 傅立叶变换。在傅立叶变换域中的每个局部极大值因此对应于这样
的平面(l)在空间域穿过该体素，并且(2)在扩散率上有局部极 大值。这些平面的方位可以通过傅立叶逆变换而得出。
图2-6显示运用此处描述的方法来观察横向轨迹的结果。特别 地，图2-3显示了一个兔子大脑皮层中的横向轨迹。
本方法将大脑皮层结构展示得足够清楚，可以区分出属于同一 物种的不同个体的皮层。例如，在图4中，可以清楚地看出两只不 同兔子的皮层的横向轨迹之间的区别。
图5和图6突出了可以观察到皮层轨迹的横向组成部分的优势。 在图5中，显示了在老鼠的大脑皮层的最大径向扩散率的紊乱的特 性很明显。相对比的，在图6中，可以直接看到老鼠的大脑皮层的 最大径向扩散率的较有序的特性
横向轨迹显示得相当清楚，因此可以看到轨迹结构和内在的解 剖结构的相关性。例如，图7显示横向大脑皮层轨迹方位与短尾猿 大脑皮层的结构之间的相关性。
前述概念的概括是认识到，要寻找其相关扩散率的那 一族几何 图形并不一定是一力矣平面。例如，可以定义一力矣与每个体素相关的 圆锥，并且考虑每个圆锥内部的扩散率。于是角度对将识别圆锥的 方向而不是平面的方向。在这种情况下，广义的方位密度函数在多 个圆锥中的每一个识别扩散率。在达到这种广义以后，可以有教导 性地观察到平面只不过是一个具有90度圓锥角的圓锥，而当圆锥角 接近0，广义方位密度函数沿着一条线收敛为一个方位密度函数。
与广义方位密度函数相关联的形状族不需要是圆锥形的。任何 形状类型都可以使用。实际上，形状不需要是二维表面，如平面或 圆锥体。形状族可以是三维体族。
也可以提供 一 个依赖于体或面内的扩散率方向的加权函数。例 如，如果三维体是一个实心的圆4,，可以在确定与该实心圓4,体相 关的总的扩散率时，将沿着圆锥轴向的扩散率的权重赋值比沿着圆锥体的边缘的权重大。
前述概念的进一步推广是，意识到在目前为止讨论的例子中， 存在一个多点的轨迹，它定义了一个形状族中的形状和一个围绕体 素的外接球面之间的交界处。当形状是平面时，点的轨迹在外接球 面上形成了一个大圆。当形状是圆锥时，点的轨迹定义了一个圆。 当形状是立体时，点的轨迹是在球体上的一个二维区域，而不是一 维曲线。
在上述所有例子中，估计与形状族中的 一 个形状相关的扩散率 可以视为估计通过该形状与外接球面交叉面的扩散率的通量。在二 维形状的情形下，这相当于估计一个线积分。例如，当形状是个平 面时，相当于估计沿着一个大圆的180度的线积分。当形状是一个 立体，这相当于估计沿着对应于该形状与外4妄^求面交叉面的小块的 面积分。在上述每个例子中，如果有的话，可以在积分中包含一个 加权函数，其结果是该积分可以纟见为加权函数和通过交叉面的通量 之间的巻积。
从该方式看来，可以简单地分配潜在的形状族，定义外^妾^求面 上的任意区域，并对穿过这些区域的扩散率通量求积分，可以使用 也可以不使用加权函数。这些区域可以具有任意的形状，而且不需 要是连续的。
此处描述的方法可以视为在每个体素处产生一组向量的方式， 通过使用一个依赖于扩散率的第一方位密度函数和一个依赖于一些 其他参数比如几何限制的第二方位密度函数。
第二方位密度函数的一个特例是几何方位密度函数。该方位密
度函数可以表示一个表面，将轨迹限制于该表面。示例的表面包括 一个平行于皮层表面的平面。
第一方位密度函数的一个特例是表示方位圓盘。其他的例子表 示方位圆锥。
此处描述了本发明以及一 个首选的实施例，根据专利特许证，
要求的保护范围见权利要求书
权利要求
1.一个计算机可读介质，在其上编码软件可以处理磁共振图像数据，软件包括以下指令-选择一个参考方向；-选择一个第一体素；-确定一个与第一体素相关联的第一横向方位向量，该第一横向方位向量正交于参考方向；-在第一横向方位向量的基础上选择一个第二体素；-确定一个与第二体素相关联的第二横向方位向量，该第二横向方位向量正交于参考方向；-确定第一和第二横向方位向量之间的关系是否与正交于参考方向且在第一与第二体素之间延伸的轨迹一致。
2. 根据权利要求1所述计算机可读介质，其中选择选择一个参 考方向的指令包括选择一个正交于皮层平面的方向的指令。
3. 根据权利要求1所述的计算机媒介，其中，用于选择第一横 向方位向量的指令包括指令用于在第一体素处确定一个与扩散率的局部极大值相关联的方位表面；以及确定与方位表面相正交的一个第一向量； 确定一个与参考方向平行的第二向量；以及 在第一和第二向量的基础上，确定一个第一横向方位向量。
4. 根据权利要求1所述的计算机媒介，其中确定第一和第二横 向方位向量之间的关系是否与正交于参考方向且在第一与第二体素 之间延伸的轨迹一致的指令还包括指令用于确定一个差值的阈值；确定第一和第二横向方位向量的方向的差异， 确定当差异小于阈值时， 一个正交于参考方向的轨迹在第一与 第二体素之间延伸。
5. 根据权利要求1所述的计算机媒介，其中用于选择与第二体 素相关联的第二横向方位向量的指令包括识别多个候选的与第二体素相关联的横向方位向量；并且 从这些候选的横向方位向量中，选择一个最接近平行于第 一横 向方J立向量的纟黄向方^f立向量。
6. 根据权利要求1所述的计算机媒介，其中用于选择第二体素 的指令包括指令用于选择一个由第一横向方位向量所指向的体素。
7. —种磁共振成像系统，包括 -f兹场源；-:探测子系统，用于纟笨测为响应所述磁场源的运行而产生的电》兹 辐射；-控制器，用于控制所述磁场源和所述探测子系统的运行； -处理子系统，用于基于所述探测子系统所提供的数据来生成弥 散数据，该处理子系统配置用于 -选择一个参考方向； -选择一个第一体素；-确定一个与第一体素相关联的第一横向方位向量，该第一横向 方位向量正交于参考方向；_在第一横向方位向量的基础上选择一个第二体素；-确定一个与第二体素相关联的第二横向方位向量，该第二横向 方^f立向量正交于参考方向；-确定第 一和第二横向方位向量之间的关系是否与正交于参考 方向且在第 一与第二体素之间延伸的轨迹一致。
8. 根据权利要求8所述的系统，其中处理子系统还配置为至少 部分地通过选择一个正交于皮层表面的方向来选择一个参考方向。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中处理子系统还配置为确定 第一横向方位向量，至少部分地，通过确定在第 一体素处与扩散率的局部极大值相关联的方位表面； 以及确定与方位表面相正交的一个第一向量； 确定一个与参考方向平行的第二向量；以及 在第一和第二向量的基础上，确定第一横向方位向量。
10. 根据权利要求8所述的系统，其中处理子系统还配置为确定 第 一和第二横向方位向量之间的关系是否与正交于参考方向且在第 一与第二体素之间延伸的轨迹一致，至少部分地通过确定一个差j直的阈值；确定第一和第二横向方位向量的方向的差异， 确定当差异小于阈值时， 一个正交于参考方向的轨迹在第一与 第二体素之间延伸。
11. 根据权利要求8所述的系统，其中处理子系统还配置为用于 选择与第二体素相关联的第二横向方位向量，至少部分地通过识别多个与第二体素相关联的候选横向方位向量；并且 从这些候选的横向方位向量中，选择一个最接近平行于第 一横 向方J立向量的一黄向方4立向量。
12. 根据权利要求8所述的系统，其中处理子系统还配置为至少 部分地通过选择一个由第一横向方位向量所指向的体素来选择第二 体素。
13. —种用于处理磁共振成像数据的方法，该方法包括 -选择一个参考方向；-选择一个第一体素；-确定一个与第一体素相关联的第一横向方位向量，该第一横向 方^[立向量正交于参考方向；-在第一横向方位向量的基础上选择一个第二体素；-确定一个与第二体素相关联的第二横向方位向量，该第二横向 方^f立向量正交于参考方向；-确定第 一 和第二横向方位向量之间的关系是否与正交于参考 方向且在第一与第二体素之间延伸的轨迹一致。
14. 根据权利要求14所述的方法，其中选择一个参考方向包括选择一个正交于皮层表面的方向。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中确定第一横向方位向量包括以及确定与方位表面相正交的一个第一向量； 确定一个与参考方向平行的第二向量；以及 在第一和第二向量的基础上，确定一个第一横向方位向量。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中，确定第一和第二横向 方位向量之间的关系是否与正交于参考方向且在第一与第二体素之 间延伸的轨迹一致还包括指定一个差值的阔值；确定第一和第二横向方位向量的方向的差异，确定当差异小于阈值时，一个正交于参考方向的轨迹在第一与第 二体素之间延伸。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中选择与第二体素相关联 的第二横向方位向量包括识别多个与第二体素相关联的候选横向方位向量；并且 从这些候选的横向方位向量中，选择一个最接近平行于第 一横 向方4立向量的4黄向方^[立向量。
18. 根据权利要求14所述的方法，其中选择第二体素包括选择 一个由第一横向方位向量所指向的体素。
全文摘要
在选择参考方向和一个第一体素的情形下，处理磁共振成像数据的方法。确定一个与第一体素相关联的第一横向方位向量。该第一横向方位向量正交于参考方向。在第一横向方位向量的基础上，选择一个第二体素。选择一个与第二体素相关联的第二横向方位向量。该横向方位向量类似地也正交于参考方向。该方法还包括确定第一和第二横向方位向量之间的关系是否与正交于参考方向且在第一与第二体素之间延伸的轨迹一致。
文档编号G01V3/00GK101578536SQ200680007863
公开日2009年11月11日 申请日期2006年3月10日 优先权日2005年3月11日
发明者范·J·韦登 申请人:通用医疗公司