CN101273889B - 计算加热区域的温度变化的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算加热区域的温度变化的方法，用于磁共振监控的高强度聚焦超声HIFU治疗，该方法包括：对HIFU治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像；根据所述HIFU治疗头移动位置的插值参考像的相位图和HIFU治疗头在该位置时生成的加热图像计算加热区域的温度变化。本发明还公开了一种计算加热区域的温度变化的装置，该装置包括参考像插值单元和温度计算单元。使用了本发明的方法和装置，能够显著减小HIFU治疗头的移动中由于磁化率的变化导致的温度误差，既能得到准确的加热区域的温度变化，同时减小HIFU治疗中操作的复杂程度和治疗时间。

Description

计算加热区域的温度变化的方法和装置

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI，Magnetic Resonance Imaging)图像处理技术，特别是涉及一种计算加热区域的温度变化的方法和一种相应的装置。

背景技术

磁共振(MR，Magnetic Resonance)质子共振频率(PRF，Proton Resonance Frequency)测温法在MR监控的高强度聚焦超声(HIFU，High Intensity Focused Ultrasound)治疗的过程中可用来监视治疗部位温度的变化，其原理是利用水中质子的共振频率随温度的变化而发生偏移。PRF方法要求生成一幅加热之前的基准图像(baseline image)，也称为参考像，该参考像提供参考相位信息，其用来与在加热过程中或加热之后获得的相位图像做减法，从而确定加热区域温度升高的确切值。

但是，在实际操作过程中，参考像采集之后，超声换能器，即治疗头的位置可能会发生变化，治疗头移动所导致的磁化率变化引起MR静磁场发生变化，使得加热图像与参考像相减所得的温度误差比较大。

目前常用的一种减少温度误差的方案是在参考像采集之后，限制治疗头的运动范围，将温度误差限制在可接受的范围之内，这种方法也称为单参考像方法。但是，由于参考像的使用范围很小，在HIFU治疗过程中，需要频繁采集参考像，从而增加了操作的复杂程度和治疗时间。

目前还提出了另一种减少温度误差的方案称为自参考法，即不采集参考像，利用加热图像本身，通过多项式拟合外插的方法得到未加热的参考相位。这种方法所监控的温度变化局限于HIFU焦点附近，在实际应用中很难监控焦点以外的温度变化。另外拟合外插的精度与相位图的复杂程度和加热区域的大小相关联，应用中不易得到稳定一致且准确的结果。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种计算加热区域的温度变化的方法，用来得到准确的加热区域的温度变化，同时减小HIFU治疗中操作的复杂程度和治疗时间。

本发明的另一目的在于提供一种与上述计算加热区域的温度变化的方法相应的装置。

为实现上述目的，本发明提出一种计算加热区域的温度变化的方法，用于磁共振监控的高强度聚焦超声HIFU治疗，其包括：对HIFU治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图；根据所述HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图和HIFU治疗头在该位置时生成的加热图像计算加热区域的温度变化。

其中，所述HIFU治疗头在一维方向上移动；所述对HIFU治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图包括：对HIFU治疗头在两个位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图。

其中，所述对HIFU治疗头在两个位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图包括：按照下式计算HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图：

Ф_rx＝Ф_r1+(Ф_r2-Ф_r1)(X-X1)/(X2-X1)；其中，X为所述HIFU治疗头的移动位置，X1和X2分别为所述两个生成参考像时HIFU治疗头的位置，Ф_rx为所述HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图，Ф_r1和Ф_r2分别为所述HIFU治疗头在X1和X2时生成的参考像的相位图。

其中，所述HIFU治疗头在二维方向上移动；所述对HIFU治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图包括：根据所述两个或两个以上生成参考像时HIFU治疗头的位置确定两个或两个以上插值参考像的位置，所述插值参考像的位置位于所述两个或两个以上生成参考像时HIFU治疗头的位置的连线上；对所述HIFU治疗头在两个或两个以上位置时的参考像进行插值，分别得到所述两个或两个以上插值参考像的相位图；利用所述两个或两个以上插值参考像的相位图计算所述HIFU治疗头移动位置上的参考像的相位图。

其中，所述根据两个或两个以上生成参考像时HIFU治疗头的位置确定两个或两个以上插值参考像的位置包括：从HIFU治疗头移动位置向所述生成参考像时HIFU所处的两个或两个以上位置中两两之间的连线分别做垂直线，得到N个距离HIFU治疗头移动位置最近的交点，将这N个交点的位置作为插值参考像的位置，N为大于或等于二的整数。

其中，所述对HIFU治疗头在两个或两个以上位置时的参考像进行插值，分别得到所述两个或两个以上插值参考像的相位图包括：对于每一个确定的插值参考像的位置，按照下式计算该插值参考像的相位图：Ф_rpj＝Ф_r1+(Ф_r2-Ф_r1)(PJ-P1)/(P2-P1)；其中，PJ为所述插值参考像的位置，P1和P2为所述生成参考像时HIFU治疗头的位置中的两个位置，且PJ在P1和P2的连线上，Ф_rpj为位置PJ上参考像的相位图，Ф_r1和Ф_r2分别为HIFU治疗头在位置P1和P2时生成的参考像的相位图。

其中，所述利用两个或两个以上插值参考像的相位图计算所述HIFU治疗头移动位置上的参考像的相位图包括：将所述两个或两个以上插值参考像的相位图做平均值，得到所述HIFU治疗头移动位置上的参考像的相位图。

其中，所述根据HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图和HIFU治疗头在该位置时生成的加热图像计算加热区域的温度变化包括：按照下式计算加热区域的温度变化：

Tmap＝(Фx-Ф_rx)/(γ·α·B0·TE)；其中Tmap为所述HIFU治疗头在移动位置上加热区域的温度变化图，Фx为所述HIFU治疗头在移动位置时生成的加热图像的相位图，Ф_rx为所述计算出的HIFU治疗头在移动位置时的参考像的相位图，γ为质子的旋磁比，α为水中质子的温度频率系数，B0为静磁场强度，TE为回波时间。

为实现上述目的，本发明还提出一种计算加热区域的温度变化的装置，其包括：参考像插值单元，用于获取HIFU治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像，对所述HIFU治疗头在两个或两个以上位置时的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图；温度计算单元，用于根据参考像插值单元计算的HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图和HIFU治疗头移动位置上生成的加热图像计算加热区域的温度变化。

其中，所述参考像插值单元包括：参考像获取模块，用于获取所述HIFU治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像；参考像插值计算模块，用于对所述HIFU治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图。

其中，所述温度计算单元包括：加热图像获取模块，用于获取HIFU治疗头移动位置时生成的加热图像；温度计算模块，用于根据参考像插值单元计算的HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图和HIFU治疗头移动位置时生成的加热图像计算加热区域的温度变化。

从以上的技术方案可以看出，根据本发明，利用多个参考像进行插值，得到治疗头移动位置上的参考像的相位图，再根据治疗头移动位置的参考像相位图计算加热区域的温度变化，能够显著减小治疗头移动中由于磁化率的变化导致的温度误差，从而得到准确的加热区域的温度变化。同时，由于本发明是通过插值来计算治疗头移动位置的参考像，所以在HIFU治疗过程中无需频繁采集参考像，从而减小HIFU治疗中操作的复杂程度和治疗时间。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1是HIFU治疗头在一维方向上移动的示意图；

图2是根据本发明实施例一的计算加热区域的温度变化的方法流程图；

图3是HIFU治疗头在二维方向上移动的示意图；

图4是根据本发明实施例二的计算加热区域的温度变化的方法流程图；

图5是根据本发明的计算加热区域的温度变化的装置结构示意图；

图6是采用现有的单参考像方法所得到的治疗头在移动过程中的温度图；

图7是采用本发明的方法得到的治疗头在移动过程中的温度图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在MR监控的HIFU加热系统中，通常会满足下面两个条件：第一，由于磁化率的原因，静磁场的分布与治疗头的运动位置有着近似一一对应的关系；第二，在治疗头从一个位置移动到另一个位置时，治疗头发射的超声波束的焦点区域的磁场变化是单调上升或下降的。

基于以上两点，本发明采用的方案是，在治疗头的多个不同位置处分别采集参考像，然后通过插值的方法计算出治疗头在其它位置处的参考像；然后，根据计算得到的参考像和加热图像计算温度图。下面，通过两个具体实施例对本发明进行具体阐述。

实施例一

在本实施例中，假设治疗头在一维方向上移动。图1是HIFU治疗头在一维方向上移动的示意图。如图1所示，在未加热时，治疗头移动到位置X1、X2上，分别采集参考像Img_r1、Img_r2，当治疗头移动到位置X时加热并采集图像Img。

图2是根据本发明实施例一的计算加热区域的温度变化的方法流程图。如图1所示，在本实施例中，计算加热区域的温度变化的方法包括如下步骤：

步骤201，由参考像Img_r1和Img_r2插值计算出位置X处的参考像相位图。

如果用Ф_r1表示参考像Img_r1的相位图，Ф_r2表示参考像Img_r2的相位图，Ф_rx表示在位置X处参考像的相位图，则Ф_rx按照如下公式计算：

Фrx＝Ф_r1+(Ф_r2-Ф_r1)(X-X1)/(X2-X1)  (1)

步骤202，利用计算出的X处的参考像相位图和在X处采集的加热图像Img计算温度变化图。

如果用Фx表示在位置X处加热图像Img的相位图，则温度变化图Tmap表示为：

Tmap＝(Фx-Ф_rx)/(γ·α·B0·TE)  (2)

其中γ为质子的旋磁比，α为水中质子的温度频率系数，B0为静磁场强度，TE为回波时间。

需要说明的是，在本实施例中，加热图像的位置X在两幅参考像的位置X1和X2之间，X1＜X＜X2，但以上方法还适用于加热图像的位置X在两幅参考像的位置X1和X2之外，即X＜X1或X＞X2。

如果有两幅以上的参考像存在，优选地，先找到与加热图像位置最近的两个参考像，然后利用这两个参考像计算加热图像位置的温度变化图。

实施例二

在本实施例中，治疗头在二维方向上移动。在未加热时，在治疗头的不同位置，采集多个参考像，这些参考像的位置应尽可能地分散在治疗头的治疗运动范围之内。图3是HIFU治疗头在二维方向上移动的示意图。如图3所示，在未加热时，治疗头在位置P1、P2、P3和P4上分别采集参考像Img_r1、Img_r2、Img_r3和Img_r4，当治疗头移动到位置P时加热并采集图像Img。

图4是根据本发明实施例二的计算加热区域的温度变化的方法流程图。如图4所示，在本实施例中，计算加热区域的温度变化的方法包括如下步骤：

步骤401，确定HIFU治疗头周围的插值参考像的位置。

从HIFU治疗头移动位置向生成参考像时HIFU所处的两个或两个以上位置中两两之间的连线分别做垂直线，得到N个距离HIFU治疗头移动位置最近的交点，将这N个交点的位置作为插值参考像的位置，其中N为大于或等于二的整数。以图3所示为例，P点为HIFU治疗头的移动位置，通过P点向其周围的P1、P2、P3和P4的所有连接线分别做垂直线得到三个距离P点最近的交点，将这三个交点的位置作为插值参考像的位置。

步骤402，利用P1、P2、P3和P4位置的参考像进行一维插值得到三个插值参考像的相位图。

如果步骤401确定的三个交点分别为PJ1、PJ2和PJ3，从图3中可见，PJ1位置的插值参考像可以通过P1和P3位置的参考像Img_r1和Img_r3插值得到；PJ2位置的插值参考像可以通过P1和P4位置的参考像Img_r1和Img_r4插值得到；PJ3位置的插值参考像可以通过P2和P3位置的参考像Img_r2和Img_r3插值得到。对于每个确定的交点，可采用公式(1)进行插值。

步骤403，利用PJ1、PJ2和PJ3位置上的参考像的相位图计算P位置上参考像的相位图。

可以将PJ1、PJ2和PJ3位置上的插值参考像的相位图做平均值，得到P点位置上的参考像的相位图。如果Ф_ir1是PJ1位置上的插值参考像的相位图，Ф_ir2是PJ2位置上的插值参考像的相位图，Ф_ir3是PJ3位置上的插值参考像的相位图，那么可以通过公式(3)计算P位置上参考像的相位图：

Ф_rx＝(Ф_ir1+Ф_ir2+Ф_ir3)/3  (3)

其中Ф_rx是P位置上参考像的相位图。

步骤404，利用计算出的P处的参考像相位图和在P处采集的加热图像计算温度变化图。

计算温度变化图的方法与步骤202一致。

在采用上述二维插值方法时，可以有多种变化，不局限于实施例二公开的方案，例如P点周围选取插值参考像时可以选取两个位置的插值参考像，或选取四个位置的插值参考像，根据具体情况的不同而定。

应该理解，可以采用多种二维插值的方法来计算插值参考像，不局限于实施例二所公开的技术方案，只要这些插值参考像与P点的位置足够近，即与HIFU加热位置最近。在实际应用中可以根据多参考像插值这一基本思想发展出更加复杂可靠的插值计算方法。

另外，以上实施例一和二仅公开了一维和二维的情况，在实际中也有可能存在三维情况，三维的情况与二维情况的处理非常相似，区别在于需要选择更多参考像来计算插值参考像。

图5是根据本发明的计算加热区域的温度变化的装置结构示意图。从图5可见，本发明的计算加热区域的温度变化的装置包括参考像插值单元501和温度计算单元502。其中，参考像插值单元501获取治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像，对治疗头在两个或两个以上位置时的参考像进行插值，得到治疗头移动位置的参考像的相位图；温度计算单元502根据参考像插值单元501计算的治疗头移动位置的参考像的相位图和治疗头移动位置上生成的加热图像计算加热区域的温度变化。

进一步，参考像插值单元501包括参考像获取模块5011和参考像插值计算模块5012。其中，参考像获取模块5011获取所述治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像；参考像插值计算模块5012对治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像进行插值，得到治疗头移动位置的参考像的相位图。温度计算单元502包括加热图像获取模块5021和温度计算模块5022。其中，加热图像获取模块5021获取治疗头移动位置时生成的加热图像；温度计算模块5022根据参考像插值单元501计算的治疗头移动位置的参考像的相位图和治疗头移动位置时生成的加热图像计算加热区域的温度变化。

采用多参考像插值的方案，可以显著减少由于磁化率变化导致的温度误差。图6是采用现有的单参考像方法所得到的治疗头在移动过程中的温度图。图中的横线位置是治疗头的焦点位置。在治疗头位置为0cm时采集参考像，然后治疗头每移动1cm做一次温度图，从图6可见，随着治疗头的移动，治疗头焦点周围的温度误差越来越大，治疗头移动到9cm的位置温度误差最大。图7是采用多参考像插值的方法得到的治疗头在移动过程中的温度图。从图7可见，治疗头在移动的过程中，温度误差的范围显著缩小，尤其是治疗头焦点附近的温度误差。

综上所述，利用多个参考像进行插值计算治疗头移动位置上的参考像的相位图，再根据治疗头移动位置的参考像相位图计算加热区域的温度变化，能够显著减小治疗头移动中由于磁化率的变化导致的温度误差，从而得到准确的加热区域的温度变化。同时，由于本发明是通过插值来计算治疗头移动位置的参考像，所以在HIFU治疗过程中无需频繁采集参考像，从而减小HIFU治疗中操作的复杂程度和治疗时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种计算加热区域的温度变化的方法，用于磁共振监控的高强度聚焦超声HIFU治疗，其特征在于，包括：

对HIFU治疗头在两个以上位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图；

根据所述HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图和HIFU治疗头在该位置时生成的加热图像计算加热区域的温度变化；

其中，所述根据HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图和HIFU治疗头在该位置时生成的加热图像计算加热区域的温度变化包括：按照下式计算加热区域的温度变化：

Tmap＝(Φx-Φ_rx)/(γ·α·BO·TE)，

其中Tmap为所述HIFU治疗头在移动位置上加热区域的温度变化图，Φx为所述HIFU治疗头在移动位置时生成的加热图像的相位图，Φ_rx为所述计算出的HIFU治疗头在移动位置时的参考像的相位图，γ为质子的旋磁比，α为水中质子的温度频率系数，B0为静磁场强度，TE为回波时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HIFU治疗头在一维方向上移动；

该方法对HIFU治疗头在两个位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对HIFU治疗头在两个位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图包括：

按照下式计算HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图：

Φ_rx＝Φ_r1+(Φ_r2-Φ_r1)(X-X1)/(X2-X1)；

其中，X为所述HIFU治疗头的移动位置，X1和X2分别为所述两个生成参考像时HIFU治疗头的位置，Φ_rx为所述HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图，Φ_r1和Φ_r2分别为所述HIFU治疗头在X1和X2时生成的参考像的相位图。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HIFU治疗头在二维方向上移动；

所述对HIFU治疗头在两个以上位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图包括：

根据所述两个以上生成参考像时HIFU治疗头的位置确定两个以上插值参考像的位置；

对所述HIFU治疗头在两个以上位置时的参考像进行插值，分别得到所述两个以上插值参考像的相位图；

利用所述两个以上插值参考像的相位图计算所述HIFU治疗头移动位置上的参考像的相位图。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据两个以上生成参考像时HIFU治疗头的位置确定两个以上插值参考像的位置包括：

从HIFU治疗头移动位置向生成参考像时HIFU所处的两个以上位置中两两之间的连线分别做垂直线，得到N个距离HIFU治疗头移动位置最近的交点，将这N个交点的位置作为插值参考像的位置，N为大于或等于二的整数。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对HIFU治疗头在两个以上位置时的参考像进行插值，分别得到所述两个以上插值参考像的相位图包括：

对于每一个确定的插值参考像的位置，按照下式计算该插值参考像的相位图：

Φ_rpj＝Φ_r1+(Φ_r2-Φ_r1)(PJ-P1)/(P2-P1)；

其中，PJ为所述插值参考像的位置，P1和P2为所述生成参考像时HIFU治疗头的位置中的两个位置，且PJ在P1和P2的连线上，Φ_rpj为位置PJ上参考像的相位图，Φ_r1和Φ_r2分别为HIFU治疗头在位置P1和P2时生成的参考像的相位图。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用两个以上插值参考像的相位图计算所述HIFU治疗头移动位置上的参考像的相位图包括：

将所述两个以上插值参考像的相位图做平均值，得到所述HIFU治疗头移动位置上的参考像的相位图。

8.一种计算加热区域的温度变化的装置，其特征在于，包括：

参考像插值单元(501)，用于获取HIFU治疗头在两个以上位置时生成的参考像，对所述HIFU治疗头在两个以上位置时的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图；

温度计算单元(502)，用于根据参考像插值单元(501)计算的HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图和HIFU治疗头移动位置上生成的加热图像计算加热区域的温度变化；

所述温度计算单元(502)包括：加热图像获取模块(5021)，用于获取HIFU治疗头移动位置时生成的加热图像；温度计算模块(5022)，用于根据所述HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图和所述HIFU治疗头移动位置时生成的加热图像计算加热区域的温度变化。。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述参考像插值单元(501)包括：

参考像获取模块(5011)，用于获取所述HIFU治疗头在两个以上位置时生成的参考像；

参考像插值计算模块(5012)，用于对所述HIFU治疗头在两个以上位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像的相位图。

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