CN101810468B - 减少磁共振温度测量误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少磁共振温度测量误差的方法，用于磁共振成像监控的HIFU设备，该方法包括：在HIFU设备对加热区域进行加热之前，获取一幅MR相位图，作为参考像；在HIFU设备加热中或加热之后，获取另一幅MR相位图，作为加热像；根据所述加热像和参考像计算加热区域的温度变化；该方法还包括：根据所述HIFU设备的超声换能器位置变化所引起的磁场变化，对所述温度变化进行补偿。本发明能够显著减少由于超声换能器位置变化原因所引起的温度误差。

Description

减少磁共振温度测量误差的方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI)监控的高强度聚焦超声(HIFU)领域，特别是涉及一种在MRI监控的HIFU设备中减少温度测量误差的方法。

背景技术

磁共振(MR)质子共振频率(PRF，Proton Resonance Frequency)测温法在MRI监控的HIFU设备中可用来监视HIFU加热部位温度的变化，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的现象。PRF测温法要求生成一幅加热之前的基准图像(MR相位图)，也称为参考像，该参考像提供参考相位信息，用来与在加热过程中或加热之后获得的相位图(也称为加热像)相减，从而确定加热区域温度升高的确切值。

但是，在实际加热过程中，采集一幅参考像之后，超声换能器(即治疗头)的位置可能会发生变化，超声换能器移动所导致的磁化率变化引起超声换能器焦点区域的静磁场发生变化，使得加热像与参考像相减产生的额外相位差，从而会引起温度测量误差。

目前常用的减少温度误差的方案主要有两种。其中一种方案可称为单参考像方法，该方法在参考像采集之后，限制超声换能器的运动范围，从而将温度误差限制在一个可接受的范围之内。但是，由于一幅参考像的空间使用范围很小，而在HIFU治疗过程中超声换能器会在较大空间范围内移动，为了测量超声换能器各个焦点位置的温度，需要针对不同位置频繁地采集参考像，这就增加了温度测量的复杂程度，并且增加了整个治疗的时间。

另一种减少温度误差的方案可称为自参考法，即不采集参考像，利用加热像本身，通过拟合外插的方法得到未加热情况下的参考相位图。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与加热区域的大小相关联，应用中较难得到稳定一致且准确的结果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种减少磁共振温度测量误差的方法，用来得到加热区域准确的温度变化。

本发明提供了一种减少磁共振温度测量误差的方法，用于磁共振成像监控的HIFU，该方法包括：

在HIFU设备对加热区域进行加热之前，获取一幅磁共振(MR)相位图，作为参考像；在HIFU设备加热中或加热之后，获取另一幅MR相位图，作为加热像；

根据所述加热像和参考像计算加热区域的温度变化；

该方法还包括：根据所述HIFU设备的超声换能器位置变化所引起的磁场变化，对所述温度变化进行补偿。

优选地，按照下面的公式对所述温度变化进行补偿，

$\mathrm{\ΔT}=\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{conv}}-\frac{\mathrm{\γ}\·[\mathrm{\Δ}{B}_{t\left(r2\right)}-\mathrm{\Δ}{B}_{t\left(r1\right)}]\·T_E}{\mathrm{\γ}\·B_0\·\mathrm{\α}\·T_E}$

其中，ΔT表示补偿后的温度变化值，ΔT_conv表示根据所述加热像和参考像计算出的温度变化值，[ΔB_t(r2)-ΔB_r(r1)]表示所述超声换能器从位置r1到位置r2的位置变化所引起的磁场变化，γ表示氢原子核的旋磁比，B₀表示静磁场强度，α表示温度频率系数。

在一种优选实施方式中，该方法进一步包括：测量所述超声换能器在水中产生的磁场，作为所述超声换能器位置变化所引起的磁场变化。

所述超声换能器带有一个支架。在测量所述超声换能器所引起的磁场的过程中，所述支架连同所述超声换能器一起放入水中，并一起取出。

优选使用公式

来计算所述超声换能器所引起的磁场ΔB_t，其中，

表示超声换能器位于水中时采集的第一相位图，

表示超声换能器不在水中时采集的第二相位图，γ表示氢原子核的旋磁比，T_E表示回波时间。

在另一优选实施方式中，该方法进一步包括：通过计算得到所述超声换能器所引起的磁场，作为所述超声换能器位置变化所引起的磁场变化。

计算所述超声换能器所引起的磁场的步骤包括：

将所述超声换能器划分成复数个有限体积元；

计算每个有限体积元的磁偶极矩，并计算每个有限体积元的磁偶极矩在空间产生的磁场；

对每个有限体积元所产生的磁场进行求和，得到所述超声换能器所引起的磁场。

从上述方案中可以看出，由于本发明根据超声换能器所引起的磁场对温度测量进行补偿，能够显著减少由于超声换能器位置变化原因所引起的温度误差。与现有的单参考像方法相比，本发明不需要针对不同的超声换能器位置频繁地采集参考像，降低了温度测量的复杂程度，提高了整个治疗过程的速度。与现有的自参考法相比，本发明能够准确地得到加热区域的温度变化，提供了稳定的温度测量结果。

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为本发明实施例中超声换能器坐标系和磁体坐标系的示意图，其中坐标系xyz表示磁体坐标系，坐标系x’y’z’表示超声换能器坐标系，其中(a)表示超声换能器位于原始位置，(b)表示超声换能器绕磁场B₀方向转动后的位置。

图2为本发明实施例中超声换能器位置移动的示意图，其中，100表示水箱，110和110’分别表示移动前后的超声换能器，120和120’分别表示110和110’相应的焦点，130表示病人的身体，140表示HIFU设备的加热区域，例如肿瘤。

图3为表示测量超声换能器所引起的磁场时的装置示意图，其中，200表示水箱，210表示超声换能器，220表示超声换能器的焦点；图中未显示超声换能器的支架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

使用梯度回波序列测量MR相位图，由于被测量组织中的局部温度在变化，所以质子共振频率随之发生变化，而质子共振频率的变化能够反映在MR相位图中。因此，温度变化可以表示为：

其中，ΔT表示温度变化，γ表示氢原子核的旋磁比(对质子来说表示42.58×10⁶Hz/T)，B₀表示静磁场强度，T_E表示回波时间，α表示温度频率系数，

表示在HIFU设备的超声换能器释放超声能量(加热)前后的相位差，即：

在公式(2)中，相位图

是在HIFU设备加热之前获取的，而相位图

是在HIFU设备加热中或加热之后获取的。

MRI设备理想的磁场在成像体积中是均匀场，但是，实际磁场B中存在着固有的不均匀场分布ΔB_C，所以实际磁场B为：

B(x，y，z)＝B₀+ΔB_C(x，y，z)(3)

在MR监控的HIFU设备中，超声换能器还会在已有磁场中引入额外的磁场ΔB_t。由于在MRI成像区域没有铁材料等非线性磁性物质，在超声换能器横向移动或者绕着B₀方向旋转的情况下，ΔB_t的空间分布相对于超声换能器是恒定的。如果用ΔB_t(x，y，z)表示超声换能器在位置r＝(a，b，c)时所引起的磁场，用ΔB_t(x’，y’，z’)表示超声换能器仅仅横向移动而没有转动时所引起的磁场，那么ΔB_t(r)(x，y，z)是ΔB_t(x’，y’，z’)的平移，可以通过下面的公式来计算：

ΔB_t(r)(x，y，z)＝ΔB_t(x-a，y-b，z-c)(4)

如图1所示，考虑超声换能器沿着B₀旋转了角度θ，那么ΔB_t(r)(x，y，z)可以通过下面的公式来计算：

ΔB_t(r)(x，y，z)＝ΔB_t(x’，y’，z’)(5)

x′＝xcosθ+ysinθ-a

其中，y′＝-xsinθ+ycosθ-b

z′＝z-c

如图2所示，超声换能器位于位置1(即超声换能器110所处位置)时，r1＝(x₁，y₁，z₁)，此时的磁场可以表示为：

B_R(x，y，z)＝B₀+ΔB_c(x，y，z)+ΔB_t(r1)(x，y，z)(6)

在位置1获取一幅MR相位图，作为参考像，此时所测量的相位图可以表示为：

在超声换能器移动到位置2(即超声换能器110’所处位置)时，r2＝(x₂，y₂，z₂)，此时的磁场可以表示为：

$B_{r_2}(x,y,z)=B_0+\mathrm{\Δ}{B}_c(x,y,z)+\mathrm{\Δ}{B}_{t\left(r_2\right)}(x,y,z)---\left(8\right)$

在位置2获取一幅MR相位图，此时所获取的相位图可以表示为

其中，ΔT是加热区域中的温度变化值。

根据公式(6)至(9)可得：

在公式(10)中，第一项是通过计算相位图的差得到的温度变化值ΔT_conv，它相当于常规的PRF测温法得到的温度变化值。第二项是由超声换能器位置改变所导致的磁场变化ΔB_pos(＝ΔB_t(r2)-ΔB_t(r1))引起的温度误差。

在实际应用中，由于ΔB_c仅为B₀的百万分之几的量级，并且ΔB_t对B₀的影响可以忽略，所以公式(10)中的B_r2可以替换为B₀。那么，公式(10)可以转化为：

$\mathrm{\ΔT}=\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{conv}}-\frac{\mathrm{\γ}\·[\mathrm{\Δ}{B}_{t\left(r2\right)}-\mathrm{\Δ}{B}_{t\left(r1\right)}]\·T_E}{\mathrm{\γ}\·B_0\·\mathrm{\α}\·T_E}---\left(11\right)$

超声换能器位置变化所引起的磁场变化ΔB_t可以通过数值计算得到，或者通过实验测量得到，下面分别加以介绍。

在静态磁场中，当超声换能器放在水箱中时，由于超声换能器和水之间磁化率的差异，局部磁场会发生变化。因此，可以用实验方法来测量得到超声换能器在水中所引起的磁场，来作为超声换能器位置变化所引起的磁场变化ΔB_t。在图3中，通过在水箱中存在超声换能器和不存在超声换能器时分别获取一幅MR相位图，从而测量磁场变化ΔB_t。

下面参照图3，描述测量由超声换能器所引起的磁场的流程，该流程主要包括如下步骤：

步骤01，将一水箱200放入磁共振设备中，水箱200最好采用非磁性材料制造，例如塑料等材料。

步骤02，将超声换能器210放入水箱，并使得超声换能器210的位置和方向与实际加热中的位置和方向相同。

步骤03，向水箱200中注入水。

步骤04，使用磁共振成像设备，使用梯度回波序列采集第一相位图

例如，序列中的参数可以设置为T_R/T_E＝20ms/15ms。

在步骤03或步骤04中记录水箱200中的液位高度

步骤05，从水箱中取出超声换能器210，向水箱200中注入水，恢复至放入超声换能器200时的液位高度。在此期间，保持水箱200的位置不变。

步骤06，使用磁共振成像设备采集第二相位图

其中梯度回波序列使用与采集第一相位图

相同的参数。

步骤07，根据第一相位图

和第二相位图

计算得到超声换能器210所引起的磁场ΔB_t，例如可以采用下面的公式：

在上述过程中，可以将超声换能器210的支架连同超声换能器一起放入水箱，并一起取出。这样还能同时补偿支架所引起的温度误差。

如果可以得到超声换能器的几何结构和材料的磁化率，那么可以通过数值计算方法计算得到超声换能器所引起的磁场，作为超声换能器位置变化所引起的磁场变化。下面介绍通过数值计算得到ΔB_t的方法。该方法主要包括以下步骤：

步骤11，将超声换能器划分为复数个有限体积元。

步骤12，计算每个有限体积元的磁偶极矩。

步骤13，计算每个有限体积元的磁偶极矩在空间每个点产生的磁场。例如，可以使用毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律(Biot-Savart-Laplace Law)来计算每个有限体积元的磁偶极矩在空间每个点产生的磁场。

步骤14，超声换能器在空间每个点所引起的磁场就等于每个有限体积元在该点产生的磁场的和，那么通过对每个有限体积元所产生的磁行进行求和，就可以得到超声换能器所引起的磁场ΔB_t。

在得到超声换能器所引起的磁场后，使用前面的公式(10)，就可以对加热区域的温度变化进行补偿，从而得到准确的温度变化。

因此，本发明实施例的方法的主要流程为：在HIFU设备对加热区域进行加热之前，获取一幅MR相位图，作为参考像；在HIFU设备加热过程中或者在HIFU设备加热之后，获取另一幅MR相位图，作为加热像。根据加热像和参考像计算加热区域的温度变化。根据超声换能器所引起的磁场，对温度变化进行补偿。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种减少磁共振温度测量误差的方法，用于磁共振成像监控的高强度聚焦超声设备，该方法包括：

在高强度聚焦超声设备对加热区域进行加热之前，获取一幅磁共振相位图，作为参考像；在高强度聚焦超声设备加热中或加热之后，获取另一幅磁共振相位图，作为加热像；

根据所述加热像和参考像计算加热区域的温度变化；

其特征在于，该方法还包括：根据所述高强度聚焦超声设备的超声换能器位置变化所引起的磁场变化，按照下面的公式对所述温度变化进行补偿：

$\mathrm{\ΔT}=\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{conv}}-\frac{\mathrm{\γ}\·[\mathrm{\Δ}{B}_{t\left(r2\right)}-\mathrm{\Δ}{B}_{t\left(r1\right)}]\·T_E}{\mathrm{\γ}\·B_0\·\mathrm{\α}\·T_E}$

其中，ΔT表示补偿后的温度变化值，ΔT_conv表示根据所述加热像和参考像计算出的温度变化值，[ΔB_t(r2)-ΔB_t(r1)]表示所述超声换能器从位置r1到位置r2的位置变化所引起的磁场变化，γ表示氢原子核的旋磁比，B₀表示静磁场强度，α表示温度频率系数，T_E表示回波时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：测量所述超声换能器在水中产生的磁场，作为所述超声换能器位置变化所引起的磁场变化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述超声换能器带有一个支架；

在测量所述超声换能器所引起的磁场的过程中，所述支架连同所述超声换能器一起放入水中，并一起取出。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用公式

ΔB_t＝(φ₁-φ₂)/(γT_E)

来计算所述超声换能器所引起的磁场ΔB_t，其中，φ₁表示超声换能器位于水中时采集的第一相位图，φ₂表示超声换能器不在水中时采集的第二相位图，γ表示氢原子核的旋磁比，T_E表示回波时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：通过计算得到所述超声换能器所引起的磁场，作为所述超声换能器位置变化所引起的磁场变化。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算所述超声换能器所引起的磁场的步骤包括：

将所述超声换能器划分成复数个有限体积元；

计算每个有限体积元的磁偶极矩，并计算每个有限体积元的磁偶极矩在空间产生的磁场；

对每个有限体积元所产生的磁场进行求和，得到所述超声换能器所引起的磁场。

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