CN101166992B - 确定mr分子成像的弛豫率变化 - Google Patents

Abstract

基于MR(磁共振)的分子成像由精确量化的造影剂提供强有力的支持。根据本发明的示例性实施例，检查仪的确定单元适于确定误差传递函数，其中，该误差传递函数接着被用作加权函数，以精确确定ΔR₂ ^*。这导致了改进的检查结果。

Description

确定MR分子成像的弛豫率变化

该本发明涉及分子成像领域。特别地，本发明涉及一种用于对感兴趣对象进行检查的检查仪、一种图像处理设备、一种对感兴趣对象进行检查的方法、一种计算机可读介质及一种程序单元。

基于磁共振(MR)的分子成像很大程度上依赖于精确量化的造影剂。在临床事务中，监视治疗效果，如改变肿瘤血管形成和灌注，具有重大意义。检测治疗效果要求精确确定和定量确定导致MR弛豫率R2和R2^*发生改变的造影剂的浓度。R2被定义为T2弛豫时间的倒数(1/T2)，也被称为自旋-自旋横向弛豫时间。R2^*被定义为T2^*弛豫时间的倒数，T2^*包括T2且还含有磁场不均匀性。并且，氧浓度变化的检测、fMR I(功能性磁共振成像)应用以及T1造影剂也都受益于对弛豫时间变化或弛豫率变化的精确量化。

然而，如果弛豫率的变化(ΔR2^*)事先并不已知，或者图像内部的弛豫率变化具有大的范围，则根据已知技术来精确确定弛豫率变化是不可能的。

本发明的目的是改进对弛豫率变化的确定。

根据该本发明，可以提供一种用于对感兴趣对象进行检查的检查仪，该检查仪包括适用于获取该感兴趣对象的第一多重回波数据集和该感兴趣对象的第二多重回波数据集的获取单元，还包括适用于确定加权函数，适用于从第一和第二多重回波数据集的相应回波时间来确定弛豫时间变化，以及适用于根据该加权函数来确定弛豫时间变化的加权平均的确定单元。

因此，该加权函数可以被用来计算ΔR2或ΔR2^*的加权平均。由此可实现最佳地确定弛豫时间变化，并因此获得改进的检查结果。

根据本发明的示例性实施例，根据误差函数确定来执行该加权函数的确定。

误差传递函数的使用实现了精确确定弛豫时间变化的加权平均。

根据本发明的另一个示例性实施例，基于来自第一和第二多重回波数据集的相应回波之间的信号差别来执行该加权函数的确定，其中，信号差别决定该加权函数值。

因此，举例来说，大的信号差别可以导致相应的大的加权函数值，而小的信号差别可以导致相应的小的加权函数值。这提供了有效的加权函数的确定。

根据本发明的另一个示例性实施例，感兴趣对象的第一多重回波数据集包括处于第一回波时间的第一回波和处于第二回波时间的第二回波，而感兴趣对象的第二多重回波数据集包括处于第三回波时间的第三回波和处于第四回波时间的第四回波。

因此，根据本发明的这个示例性实施例，可以为该第一和该第三回波时间以及为该第二和该第四回波时间计算弛豫时间变化ΔR2^*。这可能导致多个ΔR2^*值，接着可以对其取平均。对于这个平均计算来说，误差传递函数可以被用作加权函数。

根据本发明的另一个示例性实施例，该第一多重回波数据集是在应用造影剂之前获取的，而该第二多重回波数据集是在应用造影剂之后获取的。

此外，根据本发明的另一个示例性实施例，为感兴趣对象的体素确定加权函数。

因此，对每一个体素来说，通过将在应用造影剂之前和之后该体素的强度进行相除并计算这个比值的对数，可以计算ΔR2^*。如果已经在多个回波时间处获取了应用造影剂的之前和之后的多个图像，则可以为每一个回波时间执行此计算。这可以总是得到ΔR2^*的相应结果。现在，可以基于加权函数来计算这些ΔR2^*值的平均。

根据本发明的另一个示例性实施例，误差传递函数是弛豫率变化的标准偏差。

根据本发明的另一个示例性实施例，通过使用弛豫时间来计算加权函数，其中，所述弛豫时间基于对体素强度随增大的回波时间的变化进行的指数拟合来被确定。

因此，根据本发明的这个示例性实施例，为了计算该加权函数，通过对体素强度随增大的回波时间的变化进行指数拟合，来确定该弛豫时间。这可以产生弛豫时间的值。因此，为了保证高的回波时间时的强度达到零，可以使用这个弛豫时间来计算误差传递函数。

根据本发明的另一个示例性实施例，该检查仪可以被用作行李式检查设备、医疗设备、材料测试设备或材料科学分析设备。本发明的应用范围可以是材料科学分析，这是因为本发明所限定的功能可以提供安全的、可靠的和非常精确的材料分析。

根据本发明的另一个示例性实施例，提供用于对感兴趣对象进行检查的图像处理设备，该图像处理设备包括存储器，其用于存储感兴趣对象的第一多重回波数据集和用于存储感兴趣对象的第二多重回波数据集。此外，该图像处理设备可以包括确定单元，，其适用于确定加权函数，适用于从第一和第二多重回波数据集的相应回波时间来确定弛豫时间的变化，以及适用于根据该加权函数来确定弛豫时间的变化的加权平均。

因此，可以提供一种图像处理设备，其适用于对弛豫率的变化进行改进确定，并因此导致精确的检查结果。

根据本发明的另一个示例性实施例，可以提供一种用于对感兴趣对象进行检查的方法，该方法包括多个步骤：获取感兴趣对象的第一多重回波数据集和感兴趣对象的第二多重回波数据集，确定加权函数，从第一和第二多重回波数据集的相应回波时间来确定弛豫时间的变化以及根据该加权函数来确定弛豫时间的变化的加权平均。

根据本发明的另一个示例性实施例，提供一种计算机可读介质，其存储了对感兴趣对象进行检查的计算机程序，当由处理器执行计算机程序时，其适用于执行上述方法的步骤。

此外，本发明涉及一种对感兴趣对象进行检查的程序单元，其可以被存储在该计算机可读介质上。该程序单元可以适用于执行多个步骤：获取感兴趣对象的第一多重回波数据集和感兴趣对象的第二多重回波数据集，确定加权函数，从第一和第二多重回波数据集的相应回波时间来确定弛豫时间的变化以及根据该加权函数来确定弛豫时间的变化的加权平均。

优选地，该程序单元可以被加载入数据处理器的工作存储器。因此，可以装备该数据处理器以执行本发明的方法的示例性实施例。可以用任何适当的程序设计语言(例如，C++)来编写计算机程序，并且该计算机程序可以被存储在计算机可读介质(例如，光盘)上。同时，可以从网络获得该计算机程序，例如，从万维网将计算机程序下载入图像处理单元或处理器或任何适当的计算机。

可以看出，本发明的示例性实施例的要旨是提供应用造影剂之前和之后的弛豫率的变化的定量确定。根据本发明的示例性实施例，可以在应用造影剂之前和之后所获取的多重回波数据集的基础上来计算加权函数。接着，为精确地确定ΔR2^*，该加权函数可被用于加权该多重回波数据集。

参照下面对实施例的描述，本发明的这些及其它方面将被阐明且变得明显。

下面，将参照下列附图描述本发明的示例性实施例。

图1示出根据本发明的示例性实施例的MR(磁共振)扫描器的原理图；

图2示出基于模拟的加权函数的对比。

图3示出具有不同衰变期的两个体素的模拟数据的加权函数的示例。

图4示出充满稀释了的氧化铁造影剂的玻璃管的ΔR2^*参数图的示例。

图5示出根据本发明的图像处理设备的示例性实施例，其用于执行与本发明一致的方法的示例性实施例。

附图是示意性的说明。在不同的附图中，相似的或一样的部件可以用同样的附图标号来表示。

图1示出根据本发明的磁共振扫描器系统的实施例的原理图。该磁共振扫描器系统包括线圈210，其被设置为沿着轴218并包围检查空间217，将待检查的病人215定位于该检查空间217。然而，应当指出，所描述的检查仪也可用于行李检查或材料科学分析领域。因此，感兴趣对象215可以是将被分析的行李或材料。

有利地，感兴趣对象215位于活动工作台或运输带216上，其被设置在检查空间217的下半部分。包围检查空间217的线圈210的系统包括HF-线圈219、包括内线圈213和主动屏蔽线圈或屏蔽罩212的梯度线圈的主动屏蔽结构以及低温恒温器211，其中对各线圈进行设置以在产生磁场期间进行冷却。梯度线圈213和212的结构可以连接至梯度放大器220和确定单元(图1中未示出)，该确定单元适用于基于分别在应用造影剂之前和应用造影剂之后获取的第一数据集和第二数据集来确定误差传递函数。

此外，该磁共振扫描器系统可以包括具有各个马达(图1中未示出)的电动机控制单元，各个马达例如用于移动运输带216。

图2示出利用模拟数据对于一个体素的加权函数的对比，曲线104示出ΔR₂ ^*的标准偏差的倒数，曲线103示出应用造影剂之前和之后的信号差别的对比。

在应用造影剂之前和之后，通过测量在回波时间TE时的两个图像可以确定弛豫率的变化ΔR₂ ^*。由此可以计算弛豫率的差别。应当指出，根据本发明的示例性实施例，该方法可以用于R₂和R2^*。然而，ΔR₂ ^*可以为：

$\mathrm{\Δ}{R}_2^{*}=-\frac{1}{\mathrm{TE}}\ln \left(\frac{S_{\mathrm{post}}\left(\mathrm{TE}\right)}{S_{\mathrm{pre}}\left(\mathrm{TE}\right)}\right)---\left[1\right]$

其中，S_post和S_pre是弛豫率变化之前和之后的信号强度。回波时间可以选择在S_post和S_pre间的最大对比差别处。如果事先已知弛豫率的变化并且如果在图像内ΔR₂ ^*没有大的范围，则这可能是最佳的。对每一个体素来说，通过使用多重回波序列，这可能是最佳的。根据本发明的示例性实施例，通过测量不同回波时间TE_i时的MR图像，可以提供用于确定ΔR₂ ^*的优化方法。

为了使确定ΔR₂ ^*的噪声减到最小，可以为每个体素计算等式(1)的误差传递函数。

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δ}{R}_2^{*}\left({\mathrm{TE}}_i\right)\right)=\sqrt{{\left(\frac{1}{{\mathrm{TE}}_i\·S_{\mathrm{pre}}\left({\mathrm{TE}}_i\right)}\right)}^2\·\mathrm{\σ}{\left(S_{\mathrm{pre}}\right)}^2+{\left(\frac{1}{{\mathrm{TE}}_i\·S_{\mathrm{post}}\left({\mathrm{TE}}_i\right)}\right)}^2\·\mathrm{\σ}{\left(S_{\mathrm{post}}\right)}^2}---\left[2\right]$

其中，δ(ΔR₂ ^*(TE_i))是ΔR₂ ^*的标准偏差，而σ(S_pre)²和σ(S_post)²是图像S_pre和S_post中的噪声的方差。对项S_pre(TE_i)和S_post(TE_i)来说，可以使用像素强度的非实际值，这是因为这些值可能不会降至图像的噪声限度以下，因此误差传递函数可能导致错误的结果。为了得到误差传递的可靠估计，这些项可以用它们的理论值来表示，这些理论值取决于它们的弛豫时间：

$S_{\mathrm{pre}}\left({\mathrm{TE}}_i\right)=S_0{e}^{\frac{-\mathrm{TE}}{T_{2\mathrm{pre}}^{*}}}---\left[3a\right]$

$S_{\mathrm{post}}\left({\mathrm{TE}}_i\right)=S_0{e}^{\frac{-\mathrm{TE}}{T_{2\mathrm{post}}^{*}}}---\left[3b\right]$

可能需要对应用造影剂之前和之后的多重回波数据集进行指数拟合来获得弛豫率。

ΔR₂ ^*可以作为用等式(2)中所示的标准偏差加权的所有测量的回波的平均来进行计算。ΔR₂ ^*的这个标准差函数可以显示出与由S_post(TE_i)-S_pre(TE_i)所确定的对比函数不同的特性，其也可以被用作如图2所示的加权函数，同时，对大的R2^*变化来说，等式(2)的最大值和对比的最大值可能是在不同的TE_i处。

图2中的轴101代表不同的回波时间TE[T2*_pre]，而纵轴102代表两个加权函数的大小。曲线103显示由应用造影剂之前和之后的信号差别的对比(S_pre-S_post)，而曲线104显示ΔR₂ ^*的标准偏差的倒数，其为(1/(δΔR₂ ^*)。

根据本发明的示例性实施例，为了确定最精确的ΔR₂ ^*，等式(2)被用作多重回波数据集的加权函数。

在具有小的信噪比的图像中，噪声可能为信号的相当大的部分，而ΔR₂ ^*的计算可能需要被修改，以获得数量上精确的结果。因此，根据本发明的示例性实施例，可以利用平均噪声来完成等式(1)：

$\mathrm{\Δ}{R}_2^{*}=-\frac{1}{\mathrm{TE}}\ln \left(\frac{S_{\mathrm{post}}\left(\mathrm{TE}\right)+\mathrm{mean}\_\mathrm{nosi}{e}_{\mathrm{post}}\left(\mathrm{TE}\right)}{S_{\mathrm{pre}}\left(\mathrm{TE}\right)+\mathrm{mean}\_\mathrm{nosi}{e}_{\mathrm{pre}}\left(\mathrm{TE}\right)}\right)---\left[4\right]$

对每个体素来说，该方法可以提供ΔR₂ ^*的最佳确定。该方案可以不取决于图像内ΔR₂ ^*的范围，这是因为它可以为每个体素实现最佳化，且不需要关于期望的ΔR₂ ^*的先验知识。

根据本发明的示例性实施例，用于多重回波数据的另一个方法可以是：对每一个测量的数据集S_pre(TE_i)和S_post(TE_i)进行指数衰减函数的拟合，并由拟合结果来计算差别ΔR₂ ^*。如果正如弛豫函数在存在大范围场不均匀性的情况下所表现的，它的偏差形成单指数函数，则这个方法可能倾向于出错。通过使用等式1，在比值S_post/S_pre中，这些偏差可以相消。

图3示出具有不同衰变期的两个体素的模拟数据的两个示例性加权函数。横轴105代表回波时间[T2^*]，而纵轴106代表任意单位下的1/(ΔR₂(TE)的误差)。曲线107示出ΔR₂ ^*＝0.8时的加权函数，而曲线108示出ΔR₂ ^*＝0.1时的加权函数。体素的信噪比大约为5％。

图4示出充满稀释了的氧化铁造影剂的玻璃管的ΔR₂ ^*参数图。根据本发明的示例性实施例，左侧图像示出玻璃管中ΔR₂ ^*的精确度为12％的ΔR₂图，右侧图像示出玻璃管中ΔR₂ ^*的精确度为7％的加权计算ΔR₂图。这两个图像示出了对同样的数据集使用加权计算的方法将指数衰减拟合到应用造影剂之前和之后的多重回波数据的弛豫函数的对比。灰度等级的单位为[1/ms]。

换句话说，由于弛豫函数可能偏离指数，例如，由于场的不均匀性，并因此可能使ΔR₂ ^*的确定出现错误，因此，可以从在相同回波时间TE时测得的两个加权图像来计算ΔR₂ ^*。

根据本发明的示例性实施例，可以通过计算所有测得的图像的平均噪声并产生应用造影剂之前和之后的弛豫时间图来确定最佳的ΔR₂ ^*。然后，为每个回波时间计算ΔR₂ ^*的误差。对每个体素来说，这都可以提供最佳的回波时间的确定，以用于计算ΔR₂ ^*。

此外，根据本发明的示例性实施例，在多重回波实验中，通过将误差传递函数用作加权函数来计算所有可用回波时间的加权平均，可以利用所有测得的回波。这可以在并发地使用全部可用数据的同时，保证ΔR₂ ^*的精确确定。

对多重回波数据集来说，根据本发明的示例性实施例的方法可以产生鲁棒的和数量上精确的结果。此外，该方法可以独立于图像内ΔR₂ ^*的范围，且可以不需要关于期望的ΔR₂ ^*的先验知识。误差传递函数的应用可能是特别鲁棒的方案，因为它可以合并噪声和弛豫时间图。它可以导致数量上正确的结果，因为所有的不均匀性作用都可以因仅计算了差别ΔR₂ ^*而抵消。对fMR I应用和对T1造影剂来说，它也可以被用于确定氧浓度的变化。

图5描绘出根据本发明的图像处理设备的示例性实施例，其用于执行根据本发明的方法的示例性实施例。图5中所描绘的图像处理设备400包括连接至存储器402的中央处理单元(CPU)或图像处理器401，所述存储器402存储描绘例如患者或待分析材料的感兴趣对象的图像。数据处理器401可以连接至多个输入/输出网络或诊断设备，例如MR设备。数据处理器401还可以连接至显示设备403，例如，计算机监视器，以显示信息或在数据处理器401中计算或调整的图像。操作员或用户可以经由键盘404和/或未在图5中示出的其它输出装置来与数据处理器401进行交互。此外，经由总线系统405，也可以将图像处理和控制处理器401连接至例如动作监视器，其监视感兴趣对象的动作。例如在对病人的肺进行成像的情况下，则该动作传感器可以是呼气传感器。在对心脏进行成像的情况下，则可以通过心电图来完成该动作传感器的功能。

根据本发明对感兴趣对象进行检查可以基于应用造影剂之前和之后测得的数据而提供误差传递函数的确定。这可以提供数据R2^*的最佳确定，从而为多重回波数据集产生鲁棒的和数量上精确的结果。

本发明的示例性实施例可以作为磁共振扫描器控制工作站的软件选择而出售。

应该注意，″包括″并不排斥其它部件或步骤，″一″或″一个″并不排斥多个，而且单个处理器或系统可以实现权利要求中所述的几个部件或单元的功能。而且，可以将所描述的、与不同的实施例相关联的部件组合起来。

也应注意，权利要求中的任何附图标记不构成对权利要求的范围的限制。

Claims (11)

1.一种用于对感兴趣对象进行检查的磁共振检查仪，该磁共振检查仪包括：

获取单元(212，213)，适用于获取感兴趣对象(215)的第一多重回波数据集和感兴趣对象(215)的第二多重回波数据集；

确定单元(401)，适用于确定加权函数，适用于从第一和第二多重回波数据集的相应回波时间来确定弛豫时间的变化，以及适用于根据该加权函数来确定弛豫时间的变化的加权平均。

2.如权利要求1所述的检查仪，

其中，基于误差函数的确定来执行加权函数的确定。

3.如权利要求1所述的检查仪，

其中，基于来自第一和第二多重回波数据集的相应回波之间的信号差别来执行加权函数的确定；和

其中，该信号差别决定该加权函数值。

4.如权利要求1所述的检查仪，

其中，感兴趣对象(215)的第一多重回波数据集包括处于第一回波时间的第一回波和处于第二回波时间的第二回波；和

其中，感兴趣对象(215)的第二多重回波数据集包括处于第三回波时间的第三回波和处于第四回波时间的第四回波。

5.如权利要求1所述的检查仪，

其中，该第一多重回波数据集在应用造影剂之前被获取；

其中，该第二多重回波数据集在应用造影剂之后被获取。

6.如权利要求1所述的检查仪，

其中，为感兴趣对象(215)的单个体素确定加权函数。

7.如权利要求1所述的检查仪，

其中，误差传递函数是弛豫率的变化的标准偏差。

8.如权利要求1所述的检查仪，

其中，通过使用弛豫时间来计算加权函数，而弛豫时间是基于对体素强度随增大的回波时间的变化进行的指数拟合而确定的。

9.如权利要求1所述的检查仪，被配置为行李式检查设备、医疗设备、材料测试设备或材料科学分析设备中的一个。

10.一种用于对感兴趣对象进行检查的图像处理设备，该图像处理设备包括：

存储器，用于存储感兴趣对象(215)的第一多重回波数据集和用于存储感兴趣对象(215)的第二多重回波数据集；

确定单元(401)，适用于确定加权函数，适用于从第一和第二多重回波数据集的相应回波时间来确定弛豫时间的变化，以及适用于根据该加权函数来确定弛豫时间的变化的加权平均。

11.一种对感兴趣对象进行检查的方法，该方法包括步骤：

获取感兴趣对象(215)的第一多重回波数据集和感兴趣对象(215)的第二多重回波数据集；

确定加权函数；

从第一和第二多重回波数据集的相应回波时间来确定弛豫时间的变化；和

根据该加权函数来确定弛豫时间的变化的加权平均。

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