本發(fā)明涉及磁共振成像,具體涉及磁共振指紋識別。
背景技術(shù):
磁共振(mr)指紋識別是在時間上分布的多個rf脈沖被應(yīng)用使得它們令來自不同材料或組織的信號對測量到的mr信號具有獨特貢獻(xiàn)的新技術(shù)。來自一組或固定數(shù)量物質(zhì)的預(yù)先計算的信號貢獻(xiàn)的有限詞典與測量到的mr信號進行比較,并且在單個體素內(nèi)能夠確定組成。例如,如果已知體素僅包含水、脂肪和肌肉組織,那么僅需要考慮來自這三種材料的貢獻(xiàn),并且僅需要少數(shù)rf脈沖來準(zhǔn)確地確定體素的組成。
在ma等人的期刊文章“magneticresonancefingerprinting”(nature,第495卷,第187-193頁,doi:10.1038/nature11971)中介紹了磁共振指紋識別技術(shù)。在美國專利申請us2013/0271132a1和us2013/0265047a1中也描述了磁指紋識別技術(shù)。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明在獨立權(quán)利要求中提供了磁共振成像系統(tǒng)、方法和計算機程序產(chǎn)品。在從屬權(quán)利要求中給出了實施例。
ma等人的nature文章介紹了磁共振指紋識別的基本思想和用來描述諸如詞典的這種技術(shù)的術(shù)語,所述詞典在本文中被稱為“預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典”、“磁共振指紋識別詞典”和“詞典”。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,本發(fā)明的各方面可以被實施為裝置、方法或計算機程序產(chǎn)品。相應(yīng)地,本發(fā)明的各方面可以采取以下形式:完全硬件實施例、完全軟件實施例(包括固件、駐留軟件、微代碼等)或在本文中全部統(tǒng)稱為“電路”、“模塊”或“系統(tǒng)”的對軟件方面和硬件方面進行組合的實施例。此外,本發(fā)明的各方面可以采取計算機程序產(chǎn)品的形式,所述計算機程序產(chǎn)品被收錄在一個或多個計算機可讀介質(zhì)中,在所述計算機可讀介質(zhì)上收錄有計算機可運行代碼。
可以利用一個或多個計算機可讀介質(zhì)的任何組合。所述計算機可讀介質(zhì)可以是計算機可讀信號介質(zhì)或計算機可讀存儲介質(zhì)。本文中所使用的“計算機可讀存儲介質(zhì)”涵蓋可以存儲可由計算設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令的任何有形存儲介質(zhì)。所述計算機可讀存儲介質(zhì)可以被稱作計算機可讀非瞬態(tài)存儲介質(zhì)。所述計算機可讀存儲介質(zhì)也可以被稱作有形計算機可讀介質(zhì)。在一些實施例中,計算機可讀存儲介質(zhì)也可以能夠存儲能夠由計算設(shè)備的處理器訪問的數(shù)據(jù)。計算機可讀存儲介質(zhì)的范例包括,但不限于:軟盤、硬磁盤驅(qū)動器、固態(tài)硬盤、閃速存儲器、usb拇指驅(qū)動器、隨機存取存儲器(ram)、只讀存儲器(rom)、光盤、磁光盤以及處理器的寄存器文件。光盤的范例包括壓縮盤(cd)和數(shù)字通用盤(dvd),例如,cd-rom、cd-rw、cd-r、dvd-rom、dvd-rw或dvd-r盤。術(shù)語計算機可讀存儲介質(zhì)也指能夠由計算機設(shè)備經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)或通信鏈路訪問的各種類型的記錄介質(zhì)。例如可以在調(diào)制解調(diào)器上、在互聯(lián)網(wǎng)上或在局域網(wǎng)上檢索數(shù)據(jù)。可以使用任何適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)來傳輸被收錄在計算機可讀介質(zhì)上的計算機可執(zhí)行代碼,所述適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)包括但不限于無線、有線、光纖線纜、rf等或前述的任何合適的組合。
計算機可讀信號介質(zhì)可以包括具有被收錄在其中的計算機可執(zhí)行代碼的傳播數(shù)據(jù)信號,例如,在基帶中或作為載波的部分。這樣的傳播信號可以采取多種形式中的任一種,包括但不限于,電磁的、光學(xué)的或它們的任何合適的組合。計算機可讀信號介質(zhì)可以是任何這樣的計算機可讀介質(zhì):其不是計算機可讀存儲介質(zhì)并且其能夠通信、傳播或輸送用于由指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備使用或與指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備相連接的程序。
“計算機存儲器”或“存儲器”是計算機可讀存儲介質(zhì)的范例。計算機存儲器是可直接訪問處理器的任何存儲器。“計算機存儲設(shè)備”或“存儲設(shè)備”是計算機可讀存儲介質(zhì)的另一范例。計算機存儲設(shè)備是任何非易失性計算機可讀存儲介質(zhì)。在一些實施例中,計算機存儲設(shè)備也可以是計算機存儲器,反之亦然。
本文中所使用的“處理器”涵蓋能夠執(zhí)行程序或機器可執(zhí)行指令或計算機可執(zhí)行代碼的電子部件。對包括“處理器”的計算設(shè)備的引用應(yīng)當(dāng)被解讀為可能包括多于一個處理器或處理核。處理器例如可以是多核處理器。處理器也可以指在單個計算機系統(tǒng)之內(nèi)的或被分布在多個計算機系統(tǒng)之間的處理器的集合。術(shù)語計算設(shè)備也應(yīng)當(dāng)被解讀為可能指計算設(shè)備的集合或網(wǎng)絡(luò),所述計算設(shè)備每個均包括一個或多個處理器。計算機可執(zhí)行代碼可以由可以在相同的計算設(shè)備之內(nèi)或者甚至可以被分布在多個計算設(shè)備上的多個處理器來執(zhí)行。
計算機可執(zhí)行代碼可以包括令處理器執(zhí)行本發(fā)明的方面的機器可執(zhí)行指令或程序。用于執(zhí)行針對本發(fā)明的各方面的操作的計算機可執(zhí)行代碼可以被寫成一種或多種編程語言的任何組合,包括面向?qū)ο蟮木幊陶Z言(例如,java、smalltalk、c++等)和常規(guī)程序編程語言(例如,“c”編程語言或類似的編程語言),并且被編譯成機器可執(zhí)行指令。在一些實例中,計算機可執(zhí)行代碼可以是高級語言的形式或是預(yù)編譯的形式,并且可以與解譯器聯(lián)合使用,所述解譯器在運行中生成機器可執(zhí)行指令。
計算機可執(zhí)行代碼可以完全在用戶的計算機上、部分在用戶的計算機上、作為單機軟件包、部分在用戶的計算機上并且部分在遠(yuǎn)程計算機上,或者完全在遠(yuǎn)程計算機或服務(wù)器上運行。在后一種場景中,遠(yuǎn)程計算機可以通過任何類型的網(wǎng)絡(luò)連接到用戶的計算機,包括局域網(wǎng)(lan)或廣域網(wǎng)(wan),或者可以連接到外部計算機(例如,通過使用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商的互聯(lián)網(wǎng))的連接。
參考根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法、裝置(系統(tǒng))以及計算機程序產(chǎn)品的流程圖示和/或方框圖來描述本發(fā)明的各方面。應(yīng)當(dāng)理解,流程圖、圖示和/或方框圖的方框的每個方框或部分能夠由在可應(yīng)用時以計算機可執(zhí)行代碼的形式的計算機程序指令來實施。還應(yīng)當(dāng)理解,在不互相排斥時,可以組合不同的流程圖、圖示和/或方框圖中的方框的組合。這些計算機程序指令可以被提供到通用計算機、專用計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理裝置的處理器,以產(chǎn)生機器,使得經(jīng)由計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理裝置的處理器執(zhí)行的指令創(chuàng)建用于實施在流程圖和/或一個或多個方框圖方框中指定的功能/動作的單元。
這些計算機程序指令也可以被存儲在計算機可讀介質(zhì)中,所述計算機可讀介質(zhì)能夠指導(dǎo)計算機、其他可編程數(shù)據(jù)處理裝置或其他設(shè)備來以具體方式起作用,使得被存儲在計算機可讀介質(zhì)中的指令產(chǎn)生制品,所述制品包括實施在流程圖和/或一個或多個方框圖方框中指定的功能/動作的指令。
計算機程序指令可以被加載到計算機、其他可編程數(shù)據(jù)處理裝置或其他設(shè)備上,以令一系列操作步驟要在計算機、其他可編程裝置或其他設(shè)備上執(zhí)行,以產(chǎn)生計算機實施的過程,使得在計算機或其他可編程裝置上執(zhí)行的指令提供用于實施在流程圖和/或一個或多個方框圖方框中指定的功能/動作的過程。
本文中所使用的“用戶接口”是允許用戶或操作者與計算機或計算機系統(tǒng)進行交互的接口。“用戶接口”也可以被稱作“人機接口設(shè)備”。用戶接口可以向操作者提供信息或數(shù)據(jù)和/或從操作者接收信息或數(shù)據(jù)。用戶接口可以使得來自操作者的輸入能夠被計算機接收到,并且可以向用戶提供來自計算機的輸出。換言之,用戶接口可以允許操作者控制或操縱計算機,并且接口可以允許計算機指示操作者的控制或操縱的效果。數(shù)據(jù)或信息在顯示器或圖形用戶接口上的顯示是向操作者提供信息的范例。通過鍵盤、鼠標(biāo)、跟蹤球、觸控板、指點桿、圖形輸入板、操縱桿、游戲手柄、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、頭戴式受話器、變速桿、方向盤、踏板、有線手套、跳舞毯、遙控器以及加速度計對數(shù)據(jù)的接收全部是使得能夠?qū)碜圆僮髡叩男畔⒒驍?shù)據(jù)進行接收的用戶接口部件的范例。
本文中所使用的“硬件接口”涵蓋使得計算機系統(tǒng)的處理器能夠與外部計算設(shè)備和/或裝置進行交互和/或控制外部計算設(shè)備和/或裝置的接口。硬件接口可以允許處理器向外部計算設(shè)備和/或裝置發(fā)送控制信號或指令。硬件接口也可以使得處理器能夠與外部計算設(shè)備和/或裝置交換數(shù)據(jù)。硬件接口的范例包括,但不限于:通用串行總線、ieee1394端口、并行端口、ieee1284端口、串行端口、rs-232端口、ieee-488端口、藍(lán)牙連接、無線局域網(wǎng)連接、tcp/ip連接、以太網(wǎng)連接、控制電壓接口、midi接口、模擬輸入接口以及數(shù)字輸入接口。
本文中所使用的“顯示器”或“顯示設(shè)備”涵蓋適用于顯示圖像或數(shù)據(jù)的輸出設(shè)備或用戶接口。顯示器可以輸出視覺、聽覺和或觸覺的數(shù)據(jù)。顯示器的范例包括,但不限于:計算機監(jiān)視器、電視屏幕、觸摸屏、觸覺電子顯示器、盲文屏幕、陰極射線管(crt)、存儲管、雙穩(wěn)顯示器、電子紙、矢量顯示器、平板顯示器、真空熒光顯示器(vf)、發(fā)光二極管(led)顯示器、電致發(fā)光顯示器(eld)、等離子顯示面板(pdp)、液晶顯示器(lcd)、有機發(fā)光二極管顯示器(oled)、投影儀以及頭戴式顯示器。
磁共振(mr)數(shù)據(jù)在本文中被定義為是在磁共振成像掃描期間使用磁共振裝置的天線所記錄的對由原子自旋發(fā)射的射頻信號的測量結(jié)果。磁共振數(shù)據(jù)是醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的范例。磁共振成像(mri)圖像在本文中被定義為是對在磁共振成像數(shù)據(jù)之內(nèi)包括的解剖數(shù)據(jù)所重建的二維可視化或三維可視化。能夠使用計算機來執(zhí)行該可視化。
在一個方面中,本發(fā)明提供了一種用于從成像區(qū)內(nèi)的對象采集磁共振指紋圖表的磁共振成像系統(tǒng)。如本文中使用的磁共振指紋圖表包含數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)的繪制,所述數(shù)據(jù)的繪制根據(jù)沿一維延伸或沿著軸的距離描述或標(biāo)繪各種物質(zhì)的濃度。用于磁共振指紋圖表的數(shù)據(jù)使用磁共振指紋識別來進行采集。磁共振成像系統(tǒng)包括用于在成像區(qū)內(nèi)生成主磁場的磁體。主磁場有時被稱為b0場。磁共振成像系統(tǒng)還包括用于在成像區(qū)內(nèi)生成梯度磁場的磁場梯度生成器。梯度磁場與預(yù)定方向?qū)R。
磁場生成器可以采取若干不同的形式。在一個范例中,磁場梯度生成器是用于生成梯度磁場的磁場梯度線圈。在其他實例中,磁場梯度生成器是磁體本身的修改。由于磁體可以被修改,使得主磁場在其內(nèi)具有永久的梯度磁場。梯度磁場與預(yù)定方向?qū)R。磁共振指紋圖表具有沿著預(yù)定方向的其一維延伸。磁共振成像系統(tǒng)還包括用于存儲機器可執(zhí)行指令、預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典和脈沖序列指令的存儲器。脈沖序列指令是指令或能夠被轉(zhuǎn)換為令磁共振成像系統(tǒng)根據(jù)磁共振指紋識別技術(shù)采集磁共振數(shù)據(jù)的指令的計時信息。磁共振指紋識別技術(shù)優(yōu)選將磁共振數(shù)據(jù)編碼為切片。預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典包含針對一組預(yù)定物質(zhì)的響應(yīng)于指紋識別序列計算的作為潛在mr信號的磁共振信號的列表。各種預(yù)定物質(zhì)具有令它們生成具體磁共振信號的不同性質(zhì),諸如t1或t2時間。
每個預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典條目表示具體物質(zhì)對整個脈沖序列的響應(yīng)。詞典中的條目是在指定測量時間處的計算的磁共振信號以對應(yīng)于實際測量時間。詞典中的mr信號能夠通過使用眾所周知的布洛赫方程建模物質(zhì)中的每一種對脈沖序列的響應(yīng)來計算。這些預(yù)測的mr信號值然后能夠與測量到的mr信號進行比較。詞典中的物質(zhì)中的每一種能夠潛在地對測量到的mr信號作出積極貢獻(xiàn)。在所有或許多測量時間處的比較實現(xiàn)了對測量到的磁共振信號有貢獻(xiàn)的區(qū)域在磁共振指紋識別詞典中的物質(zhì)方面的組成的準(zhǔn)確去卷積。
磁共振成像系統(tǒng)還包括用于控制磁共振成像系統(tǒng)的處理器。機器可執(zhí)行指令的執(zhí)行令處理器通過利用脈沖序列指令控制磁共振成像系統(tǒng)來采集磁共振數(shù)據(jù)。機器可執(zhí)行指令的執(zhí)行還令處理器將磁共振數(shù)據(jù)劃分成一組切片。切片可以被定位為垂直于預(yù)定方向。機器可執(zhí)行指令的執(zhí)行還令處理器通過比較來自所述一組切片中的每一個的磁共振數(shù)據(jù)與預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典來計算所述一組切片中的每一個內(nèi)的所述預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度。
機器可執(zhí)行指令的執(zhí)行還令處理器通過比較針對所述一組切片中的每一個的磁共振數(shù)據(jù)與預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典來計算所述一組切片中的每一個內(nèi)的所述預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度。指令的執(zhí)行還令處理器通過根據(jù)沿著預(yù)定方向的位置標(biāo)繪所述一組切片中的每一個內(nèi)的所述預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度來計算磁共振指紋識別圖表。
上述磁共振成像系統(tǒng)至少不同在于,磁共振指紋識別技術(shù)沿預(yù)定方向中的一維被執(zhí)行。用于空間編碼的垂直于預(yù)定方向的梯度場不被使用。這可以導(dǎo)致多個益處。一個是磁共振指紋識別技術(shù)能夠被極快塊地采集。另一優(yōu)點是磁共振指紋圖表能夠用來定位磁共振指紋識別詞典內(nèi)的少量物質(zhì)的存在。例如,如果對象有癌癥并且所述一組預(yù)定物質(zhì)內(nèi)的物質(zhì)指示癌癥,對象能夠利用磁共振成像系統(tǒng)被非常迅速地掃描并且指示癌癥的存在的物質(zhì)能夠被檢測到。這然后可以用來觸發(fā)多于一維的更詳細(xì)的磁共振指紋識別,或甚至觸發(fā)常規(guī)磁共振成像詳細(xì)地查看該區(qū)域。該技術(shù)對來自一組預(yù)定物質(zhì)的少量物質(zhì)非常敏感。
所述一組切片可以通過磁共振數(shù)據(jù)中的頻帶來確定。
脈沖序列指令可以包含以每個脈沖重復(fù)的變化的重復(fù)時間、變化的翻轉(zhuǎn)角和變化的測量時間執(zhí)行磁共振數(shù)據(jù)的測量的指令。這可以提供脈沖時間的有用分布,這提供良好的采樣并且允許不同成分到磁共振指紋識別詞典的匹配。
rf脈沖的序列(翻轉(zhuǎn)角)、重復(fù)時間等能夠是隨機的或偽隨機的。在rf脈沖的偽隨機序列中或在選自可能的rf脈沖的分布的rf脈沖中,rf脈沖的序列可以被選擇為使得它最大化其編碼功率以實現(xiàn)針對不同種類的潛在mr響應(yīng)之間的最高差異。要點是脈沖序列包括重復(fù)時間和翻轉(zhuǎn)角的范圍而非單個值。這可以以下方式進行選擇:得到的磁共振信號對于不同的組織是不同的,并且類似于指紋。
k-空間采樣能夠被改變。例如,沿一維的均勻的k-空間采樣、沿一維的不均勻的k-空間采樣、和沿一維的隨機的k-空間采樣。當(dāng)使用一維切片選擇時,例如z-切片選擇并且采樣無x和y梯度(即,每次一整個z切片),可以說僅k-空間中的單個點(原點)被采樣??梢允褂脄梯度不用于切片選擇,但是用于沿z方向且再次無x和y梯度對k-空間采樣。在這種情況下,k-空間將會是一維的,并且采樣可以使用k-空間中的點的均勻或不均勻分布來執(zhí)行。
在另一實施例中,脈沖序列包括一系列脈沖重復(fù)。所述一系列脈沖重復(fù)中的每個脈沖重復(fù)具有隨機的分布、來自持續(xù)時間的分布的預(yù)先選定的持續(xù)時間、或偽隨機的持續(xù)時間。預(yù)先選定的持續(xù)時間可以選自分布使得得到的一系列rf脈沖看起來是隨機的或偽隨機的,但是可以被選擇為也優(yōu)化其他性質(zhì)。例如,如上面已經(jīng)提到的,rf脈沖可以被選擇為使得它們將序列的編碼功率最大化以實現(xiàn)針對不同種類的潛在mr響應(yīng)之間的最高差異。
每個脈沖重復(fù)包括選自翻轉(zhuǎn)角的分布的射頻脈沖以旋轉(zhuǎn)磁自旋。這些是成像區(qū)內(nèi)的對象的磁自旋。每個脈沖重復(fù)包括采樣事件,其中,磁共振信號在重復(fù)脈沖結(jié)束之前的預(yù)定時間處被采樣預(yù)定持續(xù)時間。磁共振數(shù)據(jù)在采樣事件期間進行采集。
翻轉(zhuǎn)角的分布例如可以是隨機分布、偽隨機分布、或被選擇為給出良好采樣的預(yù)定分布。在磁共振指紋識別中,存在對所使用的各種不同翻轉(zhuǎn)角的需要,因此術(shù)語翻轉(zhuǎn)角的分布被使用。
在另一實施例中,脈沖序列的每個脈沖重復(fù)包括在射頻脈沖與采樣事件之間的第一時間中點處被執(zhí)行以重新聚焦磁共振信號的第一180°射頻脈沖。脈沖序列的每個脈沖重復(fù)包括在采樣事件與下一個脈沖重復(fù)的開始之間的第二時間中點處被執(zhí)行的第二180°rf脈沖。在該實施例中,每個脈沖重復(fù)有兩個180°射頻脈沖。這兩個180°rf脈沖重新聚焦磁共振信號。其效果是消除或減少信號對b0場中的不均勻性的依賴性。在磁共振指紋識別中,數(shù)據(jù)高度依賴于b0場有多均勻。磁共振指紋識別詞典為了計算是適當(dāng)?shù)男枰紤]b0場中的不均勻性。通過使用180°rf重新聚焦脈沖,減少了對b0場的不均勻性的這種依賴性。這可以實現(xiàn)更準(zhǔn)確地計算所述一組切片中的每一個內(nèi)所述一組預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度的能力。
具體地,構(gòu)建磁共振指紋識別詞典被簡化。如果b0場變化對信號的影響被最小化并且測量到的信號獨立于移相效果,那么詞典條目能夠通過利用布洛赫方程建模單個自旋來構(gòu)建。在不使用兩個180°rf重新聚焦脈沖的情況下,當(dāng)計算詞典條目時,b0場的不均勻性需要被考慮。使用180°rf重新聚焦脈沖因此也改善了當(dāng)計算磁共振指紋圖表時去卷積的準(zhǔn)確性。
在另一實施例中,通過比較針對所述一組切片中的每一個的磁共振數(shù)據(jù)與預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典來對所述一組切片中的每一個內(nèi)的預(yù)定組織類型中的每一種的豐度的計算通過將磁共振數(shù)據(jù)的每個磁共振信號表示為來自預(yù)定物質(zhì)中的每一種的信號的線性組合來執(zhí)行。這可以被完成,使得不存在被計算的非負(fù)系數(shù)。這還通過以下來實現(xiàn):通過使用最小化技術(shù)求解線性組合來確定預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度。例如,修改的最小二乘方法可以被使用。最小二乘方法可以被修改,使得具體物質(zhì)的負(fù)值被排除。
在另一實施例中,指令的執(zhí)行還令處理器將磁共振指紋圖表繪制在顯示介質(zhì)上。如本文中使用的顯示介質(zhì)可以包含顯示的電子或永久方法。例如,顯示介質(zhì)可以被顯示在屏幕或觸摸屏顯示器上。顯示介質(zhì)也可以包括打印的或繪制的圖像。例如,磁共振指紋可以被產(chǎn)生到由放射醫(yī)師使用的標(biāo)準(zhǔn)透明度上。
在另一實施例中,指令的執(zhí)行還令處理器將對象的表示疊加到磁共振指紋圖表的繪制上。例如,如果磁共振指紋圖表僅僅是示出物質(zhì)的濃度和位置的函數(shù)的圖表,醫(yī)師或其他醫(yī)療保健提供者解讀起它來會是困難的。通過將對象的圖像或表示放置到圖表上,這可以實現(xiàn)用戶的更容易解讀。例如,線框圖、照片或甚至磁共振圖像形式的人的繪制可以是有用的。
在另一實施例中,指令的執(zhí)行還令處理器在磁共振指紋圖表的繪制中對齊所述對象的表示。這可以是有用的,因為然后對象的表示與指紋圖表對齊。
在另一實施例中,對象的表示使用表示與沿著預(yù)定方向的位置之間的預(yù)先定義的關(guān)系與磁共振指紋圖表對齊。例如,對象可以被安排在對象支撐物中,所述對象支撐物具有強迫對象解剖結(jié)構(gòu)與對象支撐物成預(yù)定關(guān)系的結(jié)構(gòu)。對象支撐物的位置然后可以被配準(zhǔn)到磁共振成像系統(tǒng)中的位置。
在另一實施例中,表示與磁共振指紋圖表之間的對齊通過將預(yù)定物質(zhì)中的至少一種的豐度與由對象的表示指示的解剖位置進行匹配來執(zhí)行。例如,對象的身體或結(jié)構(gòu)的某些部分可以具有大量或缺少具體物質(zhì)。這可以用于對齊指紋。
在另一實施例中,磁共振成像系統(tǒng)還包括能操作用于沿著預(yù)定方向逐步移動對象通過成像區(qū)的對象支撐物。指令的執(zhí)行還令處理器控制對象支撐物以在磁共振數(shù)據(jù)的采集期間沿著預(yù)定方向移動對象通過成像區(qū)。磁共振數(shù)據(jù)到切片的劃分至少部分地通過對象支撐物在磁共振數(shù)據(jù)的采集期間的位置來確定。在該實施例中,對象可以被逐步移動通過磁共振成像系統(tǒng),使得沿著預(yù)定方向的對象的更大區(qū)域被執(zhí)行。例如,對象可以具有通過移動全身或結(jié)構(gòu)通過磁共振成像系統(tǒng)而被成像的完整結(jié)構(gòu)或身體。
在另一實施例中,磁共振成像系統(tǒng)還包括用于采集磁共振數(shù)據(jù)的射頻系統(tǒng)。射頻系統(tǒng)包括用于接收來自成像區(qū)內(nèi)的對象的磁共振信號的射頻天線。射頻天線是表面線圈。如本文中使用的表面線圈是被放置在對象上的線圈。表面線圈可以具有用于接收或發(fā)送局部射頻信號的許多單獨元件。許多單獨元件或多個單獨元件每個可以被連接到它自己的射頻信道。在這種情況下,表面線圈可以用于并行成像。
在另一實施例中,指令的執(zhí)行還令處理器重復(fù)至少一個校準(zhǔn)體模的磁共振數(shù)據(jù)的測量。至少一個校準(zhǔn)體模中的每一個具有校準(zhǔn)軸。至少一個校準(zhǔn)體模包括當(dāng)校準(zhǔn)軸與預(yù)定方向?qū)R時預(yù)定物質(zhì)中的每一種的已知體積。校準(zhǔn)體模以此方式的使用可以是有益的,因為它允許切片內(nèi)的具體物質(zhì)的絕對量被確定,而非正在被確定的相對量。
在另一實施例中,磁場梯度生成器包括用于生成梯度磁場的單個梯度線圈。
在另一實施例中,磁場梯度生成器包括主磁體內(nèi)的繞組的變化以生成梯度磁場。在該范例中,磁體具有永久的梯度磁場。這可以是有益的,因為相比于常規(guī)磁共振成像系統(tǒng),用于執(zhí)行一維磁共振指紋識別技術(shù)的簡單且便宜的系統(tǒng)會是非常便宜的。不存在對梯度線圈或梯度線圈放大器的需要。
在另一方面中,本發(fā)明提供了一種操作磁共振成像系統(tǒng)以用于從成像區(qū)內(nèi)的對象采集磁共振指紋圖表的方法。磁共振成像系統(tǒng)包括用于在成像區(qū)內(nèi)生成主磁場的磁體。磁共振成像系統(tǒng)還包括用于在成像區(qū)內(nèi)生成梯度磁場的磁場梯度生成器。梯度磁場與預(yù)定方向?qū)R。磁共振成像系統(tǒng)還包括用于存儲機器可執(zhí)行指令、預(yù)先計算的磁共振指紋詞典和脈沖序列指令的存儲器。脈沖序列指令令磁共振成像系統(tǒng)根據(jù)磁共振指紋識別技術(shù)采集磁共振數(shù)據(jù)。磁共振指紋識別技術(shù)將磁共振數(shù)據(jù)編碼為切片。
預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典包含針對一組預(yù)定物質(zhì)的響應(yīng)于脈沖序列指令的執(zhí)行計算的的磁共振信號的列表。該方法包括通過利用脈沖序列指令控制磁共振成像系統(tǒng)來采集磁共振數(shù)據(jù)的步驟。該方法還包括將磁共振數(shù)據(jù)劃分成一組切片的步驟。該方法還包括通過比較針對所述一組切片中的每一個的磁共振數(shù)據(jù)與預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典來計算所述一組切片中的每一個內(nèi)的所述一組預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度的步驟。該方法還包括通過根據(jù)沿著預(yù)定方向的位置標(biāo)繪所述一組切片中的每一個內(nèi)的預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度來計算磁共振指紋識別圖表的步驟。
在另一方面中,本發(fā)明提供了一種由控制磁共振成像系統(tǒng)的處理器執(zhí)行以用于從成像區(qū)內(nèi)的對象采集磁共振指紋圖表的計算機程序產(chǎn)品。磁共振成像系統(tǒng)包括用于在成像區(qū)內(nèi)生成主磁場的磁體。磁共振成像系統(tǒng)還包括用于在成像區(qū)內(nèi)生成梯度磁場的磁場梯度生成器。梯度磁場與預(yù)定方向?qū)R。
磁共振成像系統(tǒng)還包括用于存儲機器可執(zhí)行指令、預(yù)先計算的磁共振指紋詞典和脈沖序列指令的存儲器。脈沖序列指令令磁共振成像系統(tǒng)根據(jù)磁共振指紋識別技術(shù)采集磁共振數(shù)據(jù)。磁共振指紋識別技術(shù)將磁共振數(shù)據(jù)編碼為切片。預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典包含針對一組預(yù)定物質(zhì)的響應(yīng)于脈沖序列指令的執(zhí)行計算的磁共振信號的列表。
機器可執(zhí)行指令的執(zhí)行令處理器通過利用脈沖序列指令控制磁共振成像系統(tǒng)來采集磁共振數(shù)據(jù)。機器可執(zhí)行指令的執(zhí)行還令處理器將磁共振數(shù)據(jù)劃分成一組切片。機器可執(zhí)行指令的執(zhí)行還令處理器通過比較針對所述一組切片中的每一個的磁共振數(shù)據(jù)與預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典來計算所述一組切片中的每一個中的預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度。機器可執(zhí)行指令的執(zhí)行令處理器通過根據(jù)沿著預(yù)定方向的位置應(yīng)用所述一組切片中的每一個內(nèi)的預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度來計算磁共振指紋圖表。
應(yīng)當(dāng)理解,只要組合的實施例不相互排斥,就可以組合本發(fā)明的前述實施例中的一個或多個。
附圖說明
在下文中將僅以范例的方式并且參考附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例,在附圖中:
圖1圖示了磁共振成像系統(tǒng)的范例;
圖2圖示了磁共振指紋圖表的繪制;
圖3圖示了操作權(quán)利要求1的磁共振成像系統(tǒng)的方法;
圖4圖示了脈沖序列的范例;并且
圖5圖示了磁共振指紋圖表的繪制的另一范例。
附圖標(biāo)記列表
100醫(yī)學(xué)儀器
102磁共振成像系統(tǒng)
104磁體
106磁體的膛
108成像區(qū)
110磁場梯度線圈
112磁場梯度線圈電源
114射頻線圈
116收發(fā)器
118對象
120對象支撐物
122致動器
124預(yù)定方向
125切片
126計算機系統(tǒng)
128硬件接口
130處理器
132用戶接口
134計算機存儲設(shè)備
136計算機存儲器
140脈沖序列指令
142磁共振數(shù)據(jù)
144磁共振指紋識別詞典
146磁共振指紋圖表
148磁共振指紋圖表的繪制
150控制模塊
152指紋圖表生成模塊
154繪制模塊
200沿著方向124的距離
202指示物質(zhì)的濃度的軸
204物質(zhì)的濃度的標(biāo)繪
206對象的表示
208幫助到解剖結(jié)構(gòu)的參考濃度的虛線
300通過利用脈沖序列指令控制磁共振成像系統(tǒng)來采集磁共振數(shù)據(jù)
302將磁共振數(shù)據(jù)劃分成一組切片
304通過比較針對一組切片中的每一個的磁共振數(shù)據(jù)與預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典來計算一組切片中的每一個內(nèi)的預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度
306通過根據(jù)沿著預(yù)定方向的位置標(biāo)繪一組切片中的每一個內(nèi)的預(yù)定物質(zhì)中的每一種的豐度來計算磁共振指紋圖表
400脈沖序列
402第一脈沖重復(fù)
404第二脈沖重復(fù)
406rf脈沖
408第一180度重新聚焦脈沖
409第二180度重新聚焦脈沖
410測量結(jié)果或射頻信號
具體實施方式
這些附圖中類似標(biāo)記的元件是等同的元件或執(zhí)行相同的功能。如果功能是等同的,那么在后面的附圖中將不必討論先前已經(jīng)討論過的元件。
圖1圖示了具有磁體104的磁共振成像系統(tǒng)100的范例。磁體104是具有穿過其的膛106的超導(dǎo)圓柱型磁體104。對不同類型的磁體的使用也是可能的,例如,使用分裂式圓柱磁體和所謂的開放式磁體兩者也是可能的。除了低溫恒溫器已經(jīng)被分裂成兩個區(qū)段以允許進入磁體的等平面外,分裂式圓柱磁體與標(biāo)準(zhǔn)圓柱磁體類似,這樣的磁體可以例如結(jié)合帶電粒子束治療使用。開放式磁體具有兩個磁體區(qū)段,一個在另一個上面,其中在其之間的空間足夠大以接收對象:兩個區(qū)段的布置與亥姆霍茲線圈的布置類似。因為較少地限制對象,所以開放式磁體是受歡迎的。在圓柱磁體的低溫恒溫器內(nèi)部,存在超導(dǎo)線圈的集合。在圓柱磁體104的膛106內(nèi),存在其中磁場足夠強并足夠均勻以執(zhí)行磁共振成像的成像區(qū)108。
在磁體的膛106內(nèi),還存在一組磁場梯度線圈110,其被用于采集磁共振數(shù)據(jù)以對磁體104的成像區(qū)108內(nèi)的磁自旋進行空間編碼。磁場梯度線圈110連接到磁場梯度線圈電源112。磁場梯度線圈110旨在為代表性的。典型地,磁場梯度線圈110包含用于在三個正交空間方向上空間編碼的三個分離的線圈的組。磁場梯度電源將電流供應(yīng)給磁場梯度線圈。供應(yīng)給磁場梯度線圈110的電流根據(jù)時間來控制并且可以是傾斜的或脈沖的。
鄰近成像區(qū)108的是用于操縱成像區(qū)108內(nèi)的磁自旋的取向并且用于接收來自也在成像區(qū)108內(nèi)的自旋的無線電傳輸?shù)纳漕l線圈114。射頻天線可以包含多個線圈元件。射頻天線還可以被稱為信道或天線。射頻線圈114連接到射頻收發(fā)器116??梢杂蓡为毜陌l(fā)射線圈和接收線圈和單獨的發(fā)射器和接收器來替換射頻線圈114和射頻收發(fā)器116。應(yīng)當(dāng)理解,射頻線圈114和射頻收發(fā)器116是代表性的。射頻線圈114旨在還表示專用發(fā)射天線和專用接收天線。同樣地,收發(fā)器116還可以表示單獨的發(fā)射器和接收器。射頻線圈114還可以具有多個接收/發(fā)射元件,并且射頻收發(fā)器116可以具有多個接收/發(fā)射信道。
對象支撐物120被附接到任選的致動器122,致動器122能夠移動對象支撐物和對象118通過成像區(qū)108。以此方式,對象118的更大部分或整個對象118能夠被成像。標(biāo)記為124的具有箭頭的線沿著磁體104的所謂的z-軸。梯度場系統(tǒng)110、112可以用來在沿著方向124的方向上制作梯度場。成像區(qū)108能夠被劃分成垂直于方向124的多個切片125。一維磁共振指紋識別技術(shù)能夠沿著方向124被應(yīng)用,以確定切片125中的每一個內(nèi)的物質(zhì)的成分。收發(fā)器116、磁場梯度線圈電源112和致動器122都視為被連接到計算機系統(tǒng)126的硬件接口128。
計算機存儲設(shè)備134被示為包含脈沖序列指令140。計算機存儲設(shè)備134還被示為包含磁共振數(shù)據(jù)142,磁共振數(shù)據(jù)142是使用脈沖序列指令140控制磁共振成像系統(tǒng)100而被采集的。計算機存儲設(shè)備134還被示為包含磁共振指紋識別詞典144。計算機存儲設(shè)備134還被示為包含磁共振指紋識別圖表146。磁共振指紋識別圖表146使用磁共振數(shù)據(jù)142和磁共振指紋識別詞典144來重建。計算機存儲設(shè)備134還包含磁共振指紋圖表148的繪制。
計算機存儲器136包含控制模塊150,其包含如操作系統(tǒng)或使得處理器130能夠控制磁共振成像系統(tǒng)100的操作和功能的其他指令的代碼。計算機存儲器136還被示為包含指紋圖表生成模塊152,其使用磁共振數(shù)據(jù)142和磁共振指紋識別詞典144來計算磁共振指紋識別圖表146。計算機存儲設(shè)備136還包含繪制模塊154,其用于將磁共振指紋識別圖表146標(biāo)繪并繪制為磁共振指紋圖表148的繪制。例如,磁共振指紋識別圖表148的繪制可以在顯示器的用戶接口132上進行繪制。
圖2示出了磁共振指紋識別圖表的示范性繪制148。在該范例中,存在具有兩個軸200、202的圖表。軸200是沿著方向124的距離。y-軸202示出了具體物質(zhì)的濃度。標(biāo)記為204的線是使用實用磁共振指紋識別詞典144確定的不同的物質(zhì)的濃度。輪廓206是通過曲線204放置的對象的表示,使得相對于對象的解剖結(jié)構(gòu)的濃度能夠被容易地推出。存在額外的虛線208來幫助將具體濃度與對象206的表示內(nèi)的解剖位置相關(guān)。
圖3示出了圖示操作圖1的磁共振成像系統(tǒng)100的方法的流程圖。首先在步驟100中,磁共振數(shù)據(jù)142通過利用脈沖序列指令140控制磁共振成像系統(tǒng)100來進行采集。接下來在步驟302中,磁共振數(shù)據(jù)142被劃分成一組切片125。接下來在步驟304中,所述一組切片中的每一個內(nèi)的一組預(yù)定物質(zhì)204中的每一種的豐度通過比較針對所述一組切片中的每一個的磁共振數(shù)據(jù)與預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典144來計算。接下來在步驟306中,磁共振指紋識別圖表146通過根據(jù)沿著預(yù)定方向124的位置標(biāo)繪148所述一組切片中的每一個內(nèi)的預(yù)定物質(zhì)204中的每一種的豐度來計算。
對于通過mr測量結(jié)果與多個預(yù)先計算的詞典條目來確定組織類型而言,磁共振(mr)指紋識別是新的且非常有前景的技術(shù)。
本發(fā)明建立于以下思想之上:mr指紋識別與降低的復(fù)雜性的以及專用的序列和重建算法的掃描器的mr相結(jié)合,以為非常有效的癌癥篩查或定量的大體積測量打開新的機會。
磁共振指紋識別具有針對準(zhǔn)確的組織表征的高可能性。盡管如此,目前的技術(shù)基于mr圖像的逐體素分析,并且因此是耗時的且昂貴的。
本發(fā)明提出了有效地檢測并量化特定組織類型的存在的方式,同時:
1.減少硬件成本和能量消耗
2.增加患者吞吐量
這可以實現(xiàn)用于早期癌癥檢測或用于身體脂肪量化的新的應(yīng)用。
范例可以具有以下特征中的一個或多個:
1.具有降低的硬件要求的mri系統(tǒng):低性能x-和y-線圈是可能的;這些線圈甚至可以被完全省去(z-梯度線圈能夠被設(shè)計為是非常有效的)。
2.用于不依賴b0的磁共振指紋識別的專用圖像采集序列。
3.確定不同組織類型的相對和絕對體積的專用重建算法。
4.對發(fā)現(xiàn)物進行可視化的顯示設(shè)備。
代替基于體素產(chǎn)生并分析醫(yī)學(xué)圖像,此處描述的方法產(chǎn)生整個z-切片的組織成分分析。單個專用指紋測量(幾秒的持續(xù)時間)在不采用平面內(nèi)(x,y)梯度的情況下被執(zhí)行。整個切片的組織成分和組織成分的相對豐度根據(jù)得到的信號被自動確定。
優(yōu)選被使用的mr序列滿足兩個要求:第一,它對組織特異性參數(shù)(例如t1和t2值,其他也是可想到的)敏感,以通過按照詞典匹配測量到的信號(mr指紋識別)而對感興趣組織進行編碼并且允許定量的組織表征。第二,信號不依賴于非組織特異性參數(shù)變化(例如b0變化),使得在整個切片內(nèi)匹配組織成分是可能的。
圖4圖示了這樣的序列的一個范例,其對t1和t2敏感但不依賴于b0變化。該序列基于隨機的或否則自由選擇的翻轉(zhuǎn)角αi和延遲時間ti的列表。在具有翻轉(zhuǎn)角α1的第一rf脈沖之后,回波在2t1的延遲之后被產(chǎn)生,并且信號被記錄(adc1)。具有長度2t1b的另一回波步驟確保在指紋序列的下一個部分以翻轉(zhuǎn)角α2和延遲t2開始之前再次消除移相。
在測量點adci之后的額外的回波能夠被盡可能短地保持具有t1b=t2b=…。切片選擇梯度針對每個rf脈沖使用z梯度線圈來開啟。
圖4示出了脈沖序列400的部分。脈沖序列可以用于生成或計算脈沖序列指令140。在該計時圖中,示出了第一脈沖重復(fù)402,并且示出了第二脈沖重復(fù)404。每個脈沖重復(fù)以射頻脈沖406開始。脈沖重復(fù)的持續(xù)時間在脈沖重復(fù)間變化。存在射頻信號被測量的持續(xù)時間410。射頻脈沖406與測量持續(xù)時間410之間的時間也隨著具體射頻脈沖406的幅度和/或形狀而被改變。該脈沖序列400還示出了每個重復(fù)402、404的兩個180°重新聚焦脈沖408、409。第一重新聚焦脈沖408位于射頻脈沖406與測量持續(xù)時間410之間的時間中點處。第二射頻脈沖409位于測量持續(xù)時間410的中點與下一個脈沖406的開始之間。當(dāng)測量410進行時,第一重新聚焦脈沖408令射頻信號被重新聚焦。當(dāng)下一個脈沖404開始時,第二重新聚焦脈沖409令信號被重新聚焦。
使用兩個重新聚焦脈沖408和409的效果是磁場中的任何不均勻性的影響都被降低或被最小化。這可以減小最終磁共振指紋識別圖表中的信噪比,并且它也使預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典制作起來更容易。在沒有這種補償?shù)那闆r下,包括用來制作預(yù)先計算的磁共振指紋識別詞典的計算中的不均勻性的影響會是必需的。
測量到的mr信號(所有adci值的列表)針對在體積中預(yù)期的t1和t2的所有組合與預(yù)先計算的詞典進行比較。該詞典通過針對t1和t2的不同組合求解用于上面描述的指紋識別序列的布洛赫方程來創(chuàng)建。
為了確定整個切片的組織成分,信號被表示為n個詞典條目的(復(fù)合)線性組合,
其中s是信號矢量,并且dk是詞典條目。系數(shù)ak≥0通過重建算法來確定。這通過求解最小二乘問題來實現(xiàn)
針對ak≥0
最小化‖da-s‖2
其中,d是具有作為列的詞典條目dk的詞典矩陣,并且a是描述個體潛在組織成分/組織類型對檢測到的信號的貢獻(xiàn)的系數(shù)的矢量。
每個詞典條目被分配給特定組織類型。因此,系數(shù)ak產(chǎn)生用于不同組織成分在對于每種成分所涉及的“自旋數(shù)量”方面的相對豐度的估計。
在另一步驟中,如果不同組織類型的自旋密度已知,這些相對的“自旋數(shù)量”能夠被轉(zhuǎn)換為組織成分的相對體積或相對質(zhì)量的估計。
系統(tǒng)不產(chǎn)生在空間上求解的圖像。唯一空間解通過以切片選擇方式應(yīng)用圖4所示的rf脈沖沿z-方向(或其他單個方向)實現(xiàn)。然而,對于每個切片,組織類型的組成被確定,并且能夠被可視化為數(shù)字、條形圖等。在多切片掃描的情況下,不同成分的豐度能夠根據(jù)z位置進行顯示。
系統(tǒng)可以以這樣的方式進行編程:如果特定類型的組織被發(fā)現(xiàn)(例如,可疑質(zhì)量、潛在腫瘤),則它向操作者發(fā)出警報。它也能夠以這樣的方式進行編程:它顯示指定組織的總體積/相對豐度,例如特定種類的轉(zhuǎn)移或脂肪分?jǐn)?shù)。
在一個范例中,mri系統(tǒng)不包含x或y梯度線圈。僅提供了z梯度線圈。
在一個范例中,mri系統(tǒng)根本不包含梯度線圈。靜態(tài)z梯度通過具有不對稱繞組的專用mr磁體來提供。
在一個范例中,稍微更高的空間分辨率(優(yōu)選平面內(nèi))可以通過使用空間上敏感的局部接受線圈來實現(xiàn),所述空間上敏感的局部接受線圈被放置在身體表面附近。
在一個范例中,當(dāng)患者臺被自動地逐步移動時,許多測量被執(zhí)行。以此方式,身體的大部分或整個身體能夠被掃描。
在另一范例中,使用移動臺技術(shù),患者被移動通過敏感接收陣列(“洗車方法”),以改善空間分辨率和snr并且降低過多接收器的成本。
在一個范例中,使用已知物質(zhì)的已知體積的量規(guī)測量被執(zhí)行一次,以確定將物質(zhì)的體積/質(zhì)量聯(lián)系到通過測量確定的相對體積/質(zhì)量的值的比例系數(shù)。以此方式,所有隨后測量的相對體積/質(zhì)量都能夠被轉(zhuǎn)換為絕對組織體積/質(zhì)量。
圖5示出了磁共振指紋識別圖表的另一示范性繪制500。在該范例中,存在具有兩個軸200、202的圖表。軸200是沿著方向124的距離。軸202示出了具體物質(zhì)的濃度。在該范例中,濃度被表示為曲線204,曲線204根據(jù)沿著軸200的距離標(biāo)繪選定的組織類型的百分比豐度。輪廓206是通過曲線204放置的對象的表示,使得相對于對象的解剖結(jié)構(gòu)的濃度能夠被容易地推出。在磁性指紋圖表被繪制在用戶接口或圖形用戶接口上的情況下,也可以存在允許用戶修改或改變繪制的額外的控制物500。控制物500例如可以用來選擇哪一種物質(zhì)或組織被顯示??刂莆镆部梢栽试S多種組織類型被同時顯示??刂莆镆部梢杂脕硇薷臉?biāo)度、縮放區(qū)域、和/或標(biāo)度類型。例如標(biāo)度可以在多種組織類型的相對豐度、組織或物質(zhì)豐度的百分比、濃度、或在沿著方向124分布的絕對質(zhì)量方面之間進行改變。
盡管已經(jīng)在附圖和前面的描述中詳細(xì)圖示和描述了本發(fā)明,但是這樣的圖示和描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是圖示性或示范性的,而非限制性的;本發(fā)明不限于所公開的實施例。
本領(lǐng)域技術(shù)人員通過研究附圖、說明書以及權(quán)利要求書,在實踐請求保護的本發(fā)明時能夠理解和實現(xiàn)對所公開的實施例的其他變型。在權(quán)利要求書中,“包括”一詞不排除其他元件或步驟,并且詞語“一”或“一個”不排除多個。單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)在權(quán)利要求書中記載的若干項的功能。盡管在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載了特定措施,但是這并不指示不能有利地使用這些措施的組合。計算機程序可以被存儲/分布在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)上,例如與其他硬件一起提供或作為其他硬件的部分提供的光學(xué)存儲介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì),但計算機程序也可以以其他形式分布,例如經(jīng)由因特網(wǎng)或者其他有線或無線的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。權(quán)利要求書中的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)被解釋為對范圍的限制。