CN101427147A

CN101427147A - 介入设备的被动mr可视化

Info

Publication number: CN101427147A
Application number: CNA2007800141436A
Authority: CN
Inventors: S·克吕格尔; S·魏斯; H·达恩克; T·R·舍夫特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2009-05-06
Also published as: CN101427146A

Abstract

本发明涉及一种用于对身体(7)进行磁共振成像的装置，其中，该装置(1)被设置成a)通过使所述身体(7)的至少一部分经受包括RF脉冲和切换磁场梯度的MR成像序列，生成一系列MR回波信号(20)，b)采集MR回波信号，用于根据所述信号重建MR图像(21)，c)根据MR回波信号或根据MR图像(21)计算磁化率梯度映射图(22)，所述磁化率梯度映射图(22)表示局部磁化率诱导的磁场梯度，d)根据所述磁化率梯度映射图(22)确定具有顺磁性或铁磁性的介入设备(16)的位置。

Description

介入设备的被动MR可视化

技术领域

本发明涉及一种用于对置于检查体积内的身体进行磁共振(MR)成像的装置。

此外，本发明涉及一种用于MR引导下介入操作的介入设备、一种用于MR成像的方法以及一种用于MR装置的计算机程序。

背景技术

在磁共振成像中，将包括RF脉冲和切换磁场梯度的脉冲序列施加到置于MR装置检查体积内的均匀磁场中的对象(患者)。通过这种方式产生相位编码的磁共振信号，利用RF接收天线对其进行扫描，以便获得来自对象的信息并重建其图像。自从其最初发展开始，应用MR成像的临床相关领域的数量一直在迅速增加。MR成像几乎可以施加到身体的每个部分，可以将其用于获取与身体若干重要功能相关的信息。在MR扫描期间施加的脉冲序列在确定重建图像特性方面起到重要作用，所述特征例如为在对象中的位置和取向、维度、分辨率、信噪比、对比度、对运动的灵敏度等。MRI装置的操作员必需要针对相应的应用选择适当的序列，并且必需调节和优化其参数。

在介入时和手术中的MR成像中，结合了高性能计算装置和新型治疗装置。这些技术允许执行很宽范围的交互式MR引导下介入和外科手术。介入性MR成像的一个基本问题是设备和外科手术装置的可视化和定位。可以使用主动技术(例如，利用附着于设备尖端的RF微型线圈)或依赖于局部磁化率诱导的图像伪影的被动定位技术来实现这点。

主动定位方法能够即时确定设备的坐标，因此实现了对设备的鲁棒跟踪。这种方法还实现了诸如图像切片跟踪的功能。主动定位的缺点在于，该技术暗示会存在因存在导电电缆而造成的安全问题，导电电缆可能会充当RF天线，并可能会导致危险的组织加热。

磁化率与周围不同的介入设备会生成主磁场B₀的局部不均匀性。已知的被动定位技术基于如下效应的利用：磁化率诱导的场不均匀性导致重建MR图像中的伪影。可以直接在MR图像中定位这些伪影，以便能够确定设备的位置。通过向待定位的设备施加少量磁性(优选为顺磁性或铁磁性)材料能够产生图像伪影。由于没有电缆，被动定位技术对MR而言是安全的，而且由于简单，尤其具有吸引力。

对于被动定位而言，通常经由T₂或T₂ ^*加权的序列来执行磁化率对比增强MR成像。利用这些序列，在局部磁场干扰位点处的信号丢失产生对比度。在通过这些已知技术生成的图像中，不能将因局部场不均匀性而产生的暗图像特征与因导致信号丢失或本征低信号区域的其他效应而产生的特征区分开。因此，大部分已知的被动定位技术都不是非常鲁棒，或仅限于特定的应用。

已经提出了将暗图像对比度转换成正(亮)对比度的若干构思以克服被动定位的上述缺点，大部分构思都会影响到实际的成像过程。例如，EP1471362 A1披露了一种基于梯度回波(GE)成像序列的MR方法。根据这一已知技术，施加一些不均衡的切换磁场梯度或附加梯度，以便生成示出了在背景组织和产生局部磁场不均匀性的对象(例如介入设备和装置)之间的正(亮)对比度的MR图像。该已知技术的缺点在于，为了获得最佳正对比度图像，必需要有对磁化率梯度强度的先验知识，或者必需要至少执行精细且耗时的优化程序。该已知技术的另一缺点是损害了标准形态学MR图像的对比度，因为该方法关注的是对装置醒目性对比度的优化。

因此，容易认识到，需要一种用于介入MR成像的改进装置和方法，其能够利用正(亮)磁化率对比度来定位介入设备。因此，本发明的目的是提供一种MR装置，该装置能够不损害实际的MR成像而实现鲁棒的定位。

发明内容

根据本发明，披露了一种用于磁共振成像的MR装置，该装置被设置成：

a)通过使所述身体的至少一部分经受包括RF脉冲和切换磁场梯度的MR成像序列，生成一系列MR回波信号，

b)采集所述MR回波信号，用于根据所述信号重建MR图像，

c)根据所述MR回波信号或根据所述MR图像计算磁化率梯度映射图，所述磁化率梯度映射图表示局部磁化率诱导的磁场梯度，

d)根据所述磁化率梯度映射图确定具有顺磁性或铁磁性的介入设备的位置。

将本发明的MR装置设置成利用标准成像序列在步骤a)和b)中获取MR图像，标准成像序列常规上用于对被检查身体的解剖结构进行成像(例如3D梯度回波序列)。于是所采集的MR图像包含完整的解剖结构信息。此外，在步骤c)中根据所采集的数据计算磁化率梯度映射图。磁化率梯度映射图形成与实际MR图像独立的数据集。其包含与磁化率诱导的磁场梯度强度相关的空间分辨信息。在步骤d)中使用该信息确定介入设备的位置。

根据本发明的优选实施例，可以将MR装置设置成在步骤c)中通过根据MR图像的子集计算回波偏移参数来计算磁化率梯度映射图。回波偏移参数表示k空间中回波位置的偏移，其中，每个子集包括MR图像中一定数量的空间相邻像素或体素值。基本的理念是利用重建的MR图像数据集的每个空间相邻像素或体素的子集中包含的与局部场不均匀性相关的信息。在成像期间，除切换磁场梯度之外，局部磁化率梯度也在发生作用。局部磁化率梯度导致k空间中回波信号最大值的偏移。根据本发明，根据对应的像素或体素子集计算局部回波偏移参数。该回波偏移参数表示k空间中回波位置的偏移，其中，该偏移起源于影响相应子集的像素或体素的磁化率梯度。于是，可以根据回波偏移参数推断出局部磁化率梯度强度。通过简单地为回波偏移参数分配灰度值来将磁化率梯度映射图转换成正对比度图像是直截了当的。本发明的装置能够仅仅通过对常规(2D或3D)解剖结构MR图像数据集进行后处理来产生正磁化率对比度图像。在未使用专门序列和附加的优化程序的情况下就能获得最佳正对比度图像。这就是可以将本发明的技术无限制地应用于MR引导下介入操作的原因。可以将MR装置设置成简单地通过将正对比度图像显示为实际MR图像上叠加的覆盖图来确定介入设备的位置并使其可视化。或者，可以进一步处理磁化率梯度映射图以提取装置的图像坐标。在最简单的情况下，可以通过确定磁化率梯度映射图的最大值(例如局部最大值)位置来实现这一点。优选地，对于这种情况而言，可以为介入装置提供一个或几个在磁化率梯度映射图中产生显著局部最大值的突出的磁化率标记。可以将介入装置的坐标用于调节MR装置的成像参数。一个范例是自动将MR成像切片或体积的中心置于用于后续扫描的装置位置处。

优选地，根据本发明进一步将该装置设置成通过在步骤c)中在MR图像的每个子集的相邻像素或体素上计算傅里叶变换来计算磁化率梯度映射图。然后可以通过确定每个子集的傅里叶分量的最大值位置来计算回波偏移参数。傅里叶分量最大值的位置对应于k空间中的相应回波位置。可以在MR图像数据集的每个空间方向上的相邻像素或体素值上计算独立一维傅里叶变换。在此基础上，可以通过根据不同空间方向上的回波偏移参数计算磁化率梯度的强度和方向，来计算磁化率梯度映射图。通过这种方式，计算出局部磁化率梯度矢量。这样允许分析磁化率梯度的方向和各向异性分布。在本发明的实际实施例中，可以以与MR图像数据集的空间分辨率相比降低的空间分辨率计算磁化率梯度映射图。例如，如果回波偏移参数是根据包括n个相邻像素或体素的子集计算的，则可以以比MR图像数据集低n倍的分辨率计算磁化率梯度映射图的空间分辨率。

本发明不仅涉及一种MR装置，而且涉及一种用于MR引导下医疗介入的介入设备。根据本发明，该设备包括由掺有顺磁颗粒或铁磁颗粒的电绝缘塑性材料制成的主体。例如，该设备可以是导管、导丝、活检针、微创外科设备等。这样的设备很适于利用上述正对比技术确定其位置。该设备的主体可以由掺有铁颗粒的纤维增强塑性材料制成。由于其机械性质的原因，发现所谓的GRP材料(例如，环氧树脂基质中的玻璃纤维)特别适于制造MR安全的(MR safe)导丝。可以为设备的塑性基质掺杂铁颗粒，以产生期望的顺磁效应或铁磁效应。根据本发明介入设备的优选实施例，其主体可以具有空的管腔，从而允许插入具有顺磁性或铁磁性的可更换元件。可更换元件有利地允许在介入操作期间修改磁化率效应的强度。通过这种方式可以实现介入装置位置的最佳可视化。磁化率诱导的对比度受到设备相对于主磁场的取向、由于相邻流动导致的干扰相位效应等的影响。在介入期间，通过简单地插入或取出可更换元件同时保持设备自身处于适当位置，可以在任何时间选择正确的对比水平。在介入期间还可以在设备的空管腔中移动可更换元件，以便基于图像对比度的相应变化促进设备的定位。可更换元件可以均匀地掺杂磁性颗粒。作为备选，它可以携带产生局部磁化率伪影的特殊磁性标记。根据另一优选实施例，介入设备的主体可以涂布有生物相容性层。薄的PU(聚氨基甲酸脂)层非常适于提供亲水涂层并模仿常规介入设备的表面特性和一般操作。可以在介入设备的主体中嵌入柔性丝以免折断。为了这一目的可以使用集成的尼龙或聚乙烯丝。

本发明还涉及一种用于对置于MR装置检查体积内的身体的至少一部分进行磁共振成像的方法。该方法包括如下步骤：

a)通过使身体的至少一部分经受包括RF脉冲和切换磁场梯度的MR成像序列，生成一系列MR回波信号，

b)采集MR回波信号，用于根据所述信号重建MR图像，

c)根据MR回波信号或根据MR图像计算磁化率梯度映射图，所述磁化率梯度映射图表示局部磁化率诱导的磁场梯度，

可以在任何通用计算机硬件上有利地实现适于执行本发明的成像流程的计算机程序，目前将该计算机程序在临床上用于控制磁共振扫描器。可以在适当的数据载体，例如CD-ROM或磁盘上提供该计算机程序。或者，可以由用户从因特网服务器上下载该计算机程序。

附图说明

附图披露了本发明的优选实施例。然而应当理解，设计附图是为了图示而不是界定本发明的范围。在附图中：

图1示出了根据本发明的MR扫描器；

图2为示出了本发明的方法的示意图；

图3示出了根据本发明的介入设备。

具体实施方式

在图1中，用方框图示出了根据本发明的MR成像装置1。装置1包括一组主磁线圈2和三组梯度线圈3、4和5，所述主磁线圈用于生成稳定且均匀的主磁场，而所述梯度线圈用于叠加强度可控且在选定方向具有梯度的附加磁场。常规上，将主磁场的方向标识为z方向，将垂直于该方向的两个方向标识为x和y方向。利用电源11激励梯度线圈3、4和5。成像装置1还包括用于向身体7发射射频(RF)脉冲的RF发射天线6。天线6耦合到用于产生和调制RF脉冲的调制器8。还提供了用于接收MR信号的接收机，接收机可以与发射天线6相同或是独立部件。如果发射天线6和接收机在物理上是如图1所示的同一天线，则设置发送-接收开关9以将接收到的信号与要发射的脉冲分开。将接收到的MR信号输入到解调器10。由控制系统12控制发送-接收开关9、调制器8以及用于梯度线圈3、4和5的电源11。控制系统12控制馈送到天线6的RF信号的相位和振幅。控制系统12通常是具有存储器和程序控制的微型计算机。解调器10耦合到重建装置14，例如计算机，重建装置用于将接收到的信号转换成图像，该图像可以在例如视觉显示单元15上看到。如图1所示，将介入设备16(例如用于引导导管的导丝)引入身体7内。该介入设备16具有顺磁性或铁磁性，使其磁化率与身体7的周围组织不同。为了判断介入设备16在身体7内的位置，MR装置1包括用于执行上述被动定位技术的程序设计。

图2用示意图示出了本发明的方法。在第一步中，利用常规3D梯度回波成像序列(例如3D EPI)采集3D MR回波信号数据集20。然后，经过标准图像重建技术将回波信号数据集20转换成(复合)3D MR图像21。下一步，计算三维磁化率梯度映射图22。为此，在针对在所有三个维度x、y和z中都独立的n个相邻体素的子集执行1D傅里叶变换。在图2中，示范性地示出了对一个空间维度中单个磁化率梯度值的判定。该1D傅里叶变换23包括-n/2到n/2-1个傅里叶分量。如图2所示，与沿傅里叶变换方向作用的局部磁化率梯度成比例地偏移这些傅里叶分量的最大值。利用最小二乘法拟合程序，从这些离散傅里叶分量23中以分段傅里叶(sub Fourier)分量分辨率确定了最大值的位置。该最大值的位置确定出相应体素子集的回波偏移参数SP_x。重复同样的程序以确定剩余维度中的SP_y和SP_z。针对所有三个维度独立确定最大值能够合成表示相应体素子集的磁化率梯度强度和方向的矢量。针对n个体素的所有子集确定的这些矢量的量值构成了磁化率梯度映射图22。磁化率梯度映射图22与MR图像数据集21相比具有降低n倍的空间分辨率。通过线性内插，并通过为磁化率梯度22分配灰度值，生成具有最佳正对比度的图像数据集24。通过常规的图像分级和开窗操作，可以很容易地将图像数据集24调节成适应弱和高磁化率梯度。通过这种方式，由图1中所示的介入设备16诱导的磁化率梯度产生图像数据集24中的正对比度。为了实现设备16位置的可视化，如图1所示，可以利用显示单元15将数据集24的单个切片显示为MR图像数据集21的对应切片上叠加的覆盖图。

在图3中，更加详细地示出了本发明的介入设备16的尖端。该设备16为用于MR引导下介入操作的导丝。该导丝对一般性引导和导航起到关键作用。导丝主体30的材料为玻璃纤维增强塑料(GRP)。利用所谓的拉挤技术(拉挤意思为“拉出后的挤压”)由这种材料制造导丝。对含有增强纤维的GRP材料掺杂铁颗粒(直径1-6μm)，以便生成实现上述设备16的被动定位所需的磁化率。通过为GRP材料选择1：1的基质与纤维比获得良好的机械性能。铁颗粒的浓度可以是大约10μg/ml(铁/环氧树脂)。这种铁浓度不会显著改变材料的高电阻。因此，可以说该导丝是完全的MR安全。导丝材料的另一优点在于其可以进行研磨。例如，这样能够使导丝的尖端截面逐渐变细，这样可以用于控制硬度。向导丝表面涂布10μm的聚氨基甲酸酯层(图3中未示出)，以提供亲水涂层并模仿常规导丝的表面特性和一般操作。此外，该涂层防止单根折断的增强纤维从导丝中突出。作为防止导丝全部折断的机制，可以在设备的基质材料(图3中未示出)中嵌入附加的柔性尼龙和聚乙烯丝。导丝的主体30具有空的管腔31，其允许插入具有顺磁性或铁磁性的可更换元件。在所述的实施例中，可更换元件为附加的较小丝线32。导丝主体30的直径可以是大约800μm，而较小丝线32的直径可以是大约300μm。较细的丝线32可以均匀地掺有磁性颗粒，或者其可以具有特殊的磁性标记，以产生根据本发明进行被动定位所需的磁化率效应。通过向导丝覆层30中插入更细丝线32，可以在介入操作期间修改磁化率效应，并由此使磁化率效应适于获得最佳的可视化。可以在介入期间的任何时候更换更细的丝线32，同时保持导丝在适当的位置。于是，医生始终能够选择正确的对比水平，该水平可能取决于设备相对于主磁场的取向、最终取决于流动产生的干扰相位效应等。如图3中的箭头所示，更细丝线32的轻微运动也可能改善处于模糊状态下的导丝位置的视觉感受。

Claims

1、一种用于对身体(7)进行磁共振成像的装置，所述装置(1)被设置成：

a)通过使所述身体(7)的至少一部分经受包括RF脉冲和切换磁场梯度的MR成像序列，生成一系列MR回波信号(20)，

b)采集所述MR回波信号，用于根据所述信号重建MR图像(21)，

c)根据所述MR回波信号或根据所述MR图像(21)计算磁化率梯度映射图(22)，所述磁化率梯度映射图(22)表示局部磁化率诱导的磁场梯度，

d)根据所述磁化率梯度映射图(22)确定具有顺磁性或铁磁性的介入设备(16)的位置。

2、根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置被设置成通过根据所述MR图像(21)的子集计算回波偏移参数(SP_x，SP_y，SP_z)来计算所述磁化率梯度映射图(22)，所述回波偏移参数(SP_x，SP_y，SP_z)表示k空间中回波位置的偏移，其中，每个子集包括所述MR图像(21)中一定数量(n)的空间相邻像素或体素值。

3、根据权利要求2所述的装置，其中，所述装置被设置成与所述MR图像(21)的空间分辨率相比以降低的空间分辨率来计算所述磁化率梯度映射图(22)。

4、根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述装置还被设置成，通过将所述磁化率梯度映射图(22)转换成正对比度图像(24)并显示叠加在所述MR图像(21)上的所述正对比度图像(24)来确定所述介入设备(16)在所述MR图像(21)中的位置。

5、根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述装置还被设置成，通过建立所述磁化率梯度映射图(22)的局部最大值的坐标来确定所述介入设备(16)的位置。

6、根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述装置被设置成根据所述介入设备(16)的位置调节所述MR成像序列的参数。

7、一种用于MR引导下医疗介入的介入设备，所述设备包括由掺有顺磁颗粒或铁磁颗粒的电绝缘塑性材料制成的主体(30)。

8、根据权利要求7所述的介入设备，其中，所述主体(30)由纤维增强塑性材料制成。

9、根据权利要求7或8所述的介入设备，其中，所述主体(30)具有空的管腔(31)，所述管腔允许插入具有顺磁性或铁磁性的可更换元件(32)。

10、根据权利要求7-9中任一项所述的介入设备，其中，所述主体(30)涂布有生物相容性层。

11、根据权利要求7-10中任一项所述的介入设备，其中，所述设备的所述主体(30)中嵌入柔性丝。

12、一种对置于MR装置检查体积中的身体的至少一部分进行MR成像的方法，所述方法包括如下步骤：

a)通过使所述身体的至少一部分经受包括RF脉冲和切换磁场梯度的MR成像序列，生成一系列MR回波信号(20)，

b)采集所述MR回波信号，用于根据所述信号重建MR图像(21)，

13、根据权利要求12所述的方法，其中，通过将所述磁化率梯度映射图(22)转换成正对比度图像(24)并显示叠加在所述MR图像(21)上的所述正对比度图像(24)来确定所述介入设备(16)的位置。

14、一种用于MR装置的计算机程序，包括用于如下操作的指令：

a)生成MR成像脉冲序列，

b)采集MR回波信号，用于根据所述信号重建MR图像(21)，

d)根据所述磁化率梯度映射图(22)确定具有顺磁性或铁磁性的介入设备()的位置。

15、根据权利要求14所述的计算机程序，其中，所述程序还包括用于将所述磁化率梯度映射图(22)转换成正对比度图像(24)并显示叠加在所述MR图像(21)上的所述正对比度图像(24)的指令。