CN102258362B - 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；该方法还包括：测量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，并根据所述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会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额外的相位差，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以及加热区域的大小相关，应用中较难得到稳定一致且准确的结果。

另外，在发明人为周晓东、倪成的中国专利申请200910004957.2中，提出了一种减少磁共振温度测量误差的方法，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。

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，用来得到加热区域的准确温度变化。

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；

该方法还包括：测量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，并根据所述磁场变化对所述温度变化进行补偿。

在上述技术方案中，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表示质子温度频率系数。

测量磁场变化包括：测量所述超声换能器在初始位置时的相位图；测量所述超声换能器移动后在不同格点时的相位图；计算所述超声换能器从初始位置移动到不同格点所引起的磁场变化。

该方法还包括：在计算所述超声换能器从初始位置移动到一个格点所引起的磁场变化后，计算所述超声换能器移动到与该格点相对于所述初始位置对称的另一格点所引起的磁场变化。

所述超声换能器移动到所述另一格点所引起的磁场变化为：

ΔB_{t(-m，-n，-p)}(x，y，z)＝-ΔB_t(m，n，p)(x+a*m，y+b*n，z+c*p)

其中，ΔB_t(m，n，p)为所述超声换能器移动到所述一个格点(m，n，p)所引起的磁场变化，ΔB_{t(-m，-n，-p)}为所述超声换能器移动到对称的另一个格点(-m，-n，-p)所引起的磁场变化，x，y，z为坐标，a，b，c分别为x，y，z方向上相邻格点的间距。

该方法进一步包括：保存所述磁场变化；在对所述温度变化进行补偿时，读取所述磁场变化。

该方法进一步包括：当超声换能器没有位于所述格点时，选择与所述超声换能器距离最近的格点，将超声换能器移动到该格点所引起的磁场变化用于补偿温度变化。

将超声换能器移动后的坐标在各坐标轴上分别取最近的整数，得到最近格点的坐标。亦即，选择格点([x/a]，[y/b]，[z/c])为距离超声换能器最近的格点，其中[]表示取最近的整数的函数。

所述超声换能器具有随其一起运动的部件；在测量所述磁场变化的过程中，将超声换能器以及所述部件的位置变化所引起的磁场变化作为整体来测量。

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。与前面提到的中国专利申请200910004957.2相比，本发明测量了超声换能器移动到不同位置所引起的磁场变化，具有更广泛的应用。

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2为根据本发明实施例的方法的流程示意图。

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(对质子来说为42.58x10⁶Hz/T)，B₀表示静磁场强度，T_E表示回波时间，α表示质子温度频率系数，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(参考像)是在HIFU设备加热之前获取的，而相位图(加热像)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成像区域没有铁磁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＝(x，y，z)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，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)        (5)

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：

在加热中或者加热之后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：

$B_{r_2}(x,y,z)=B_0+\mathrm{\Δ}{B}_c(x,y,z)+\mathrm{\Δ}{B}_{t\left(r_2\right)}(x,y,z)---\left(7\right)$

在位置2获取一幅MR相位图，作为加热像，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(5)至(8)可得：

在公式(9)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(9)中的B_r2可以替换为B₀。那么，公式(9)可以转化为：

$\mathrm{\ΔT}=\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{conv}}-\frac{\mathrm{\γ}\·[\mathrm{\Δ}{B}_{t\left(r2\right)}-\mathrm{\Δ}{B}_{t\left(r1\right)}]\·T_E}{\mathrm{\γ}\·B_0\·\mathrm{\α}\·T_E}---\left(10\right)$

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。本发明提出了一种与中国专利申请200910004957.2不同的手段，来测量由于超声换能器位置变化所引起的磁场变化，以得到加热区域的更准确的温度值。

不妨将加热区域的空间标为三维格点阵列，记为(m，n，p)，其中m，n，p为整数，分别对应于x，y，z方向，相邻格点在x，y，z方向的间距为a，b，c。为了便于描述和理解，本实施例中将超声换能器的初始位置记为(0，0，0)。

本实施例的方法包括以下步骤：

步骤110，将HIFU设备放置在磁共振成像设备中，使HIFU设备处于工作的位置。在磁共振成像设备中放置一个大的水模(Phantom)，并且使水模覆盖治疗区域。

步骤120，将超声换能器移动到初始位置(0，0，0)，使用梯度回波序列采集一幅相位图，将超声换能器在初始位置时的磁场记为

在采集相位图时，使得磁共振成像设备的成像平面经过超声换能器的超声焦点，即将成像平面保持与超声治疗时所用的平面方位一致。

步骤130，将超声换能器移动到不同格点，并使用梯度回波序列采集超声换能器在不同格点时的相位图，分别记为其中m，n，p为整数。同样，在采集相位图时，使得磁共振成像设备的成像平面与超声治疗时所用的平面方位保持一致。

步骤140，利用公式(11)来计算超声换能器移动所引起的磁场变化ΔB_t(m，n，p)，即超声换能器从初始位置(0，0，0)移动到格点(m，n，p)后的磁场变化ΔB_t(m，n，p)。

优选地，在步骤130和步骤140中，可以不用测量超声换能器在每个格点的相位图来计算磁场变化，本实施例利用对称性来根据超声换能器移动到一个格点的磁场变化，来计算超声换能器移动到与该格点相对于初始位置对称的另一格点所引起的磁场变化。根据对称性的具体计算可参照公式(12)：

ΔB_{t(-m，-n，-p)}(x，y，z)＝-ΔB_t(m，n，p)(x+a*m，y+b*n，z+c*p)        (12)

其中，ΔB_t(m，n，p)为超声换能器移动到一个格点(m，n，p)所引起的磁场变化，ΔB_{t(-m，-n，-p)}为超声换能器移动到对称的另一个格点(-m，-n，-p)所引起的磁场变化，x，y，z为坐标，a，b，c分别为x，y，z方向上相邻格点的间距。

这样，与测量超声换能器移动到所有格点的磁场变化相比，本实施例能够少测量大约一半的格点，从而减少了测量的时间，提高了本发明技术方案的效率。

在上面的说明中，以超声换能器在三维空间运动为例描述了本发明的技术方案，超声换能器在具体的应用中也可能只在一个二维平面内运动，本领域技术人员可以根据上面的实施例进行简化。例如，如果超声换能器只在XY平面内运动，可以将公式(12)简化为ΔB_t(-m，-n)(x，y)＝-ΔB_t(m，n)(x+a*m，y+b*n)，其中，ΔB_t(m，n)为超声换能器移动到一个格点(m，n)所引起的磁场变化，ΔB_t(-m，-n)为超声换能器移动到对称的另一个格点(-m，-n)所引起的磁场变化，x，y为坐标，a，b分别为x，y方向上相邻格点的间距。

步骤150，本实施例进一步可以将得到的ΔB_t(m，n，p)保存到磁共振成像系统中，以用于未来对MR测量的温度变化进行补偿。

步骤160，按照公式(10)对加热区域的测量的温度变化进行补偿。如果执行步骤150而保存磁场变化，那么在本步骤中可以读取所保存的磁场变化，来对加热区域的测量的温度变化进行补偿。

另外，在实际的HIFU操作过程中，超声换能器的运动是连续的，那么超声换能器可能没有位于格点上。此时，可以选择与超声换能器距离最近的一个格点，然后将超声换能器移动到最近格点的磁场变化近似作为超声换能器移动到当前位置引起的磁场变化。例如，将超声换能器移动后的坐标在各坐标轴上分别取最近的整数，得到最近格点的坐标，不妨假设超声换能器当前位置为坐标(x，y，z)，那么距离当前位置最近的格点为([x/a]，[y/b]，[z/c])，其中[]表示取最近的整数的函数。

如果超声换能器具有随其一起运动的部件(例如支架等)，那么本发明的实施例在测量磁场变化的过程中，使得这些部件连同超声换能器一起移动，那么这些部件移动所引起的磁场变化可以同时得以补偿，因为上面测量计算得到的超声换能器从初始位置移动到不同格点所引起的磁场变化实际上包括了这些部件移动所引起的磁场变化，即在测量磁场变化的过程中将超声换能器以及所述部件的位置变化所引起的磁场变化作为整体来测量。

本发明的发明人通过具体实验验证了本发明的方法。本发明在Z方向的格点上采集相位图并且计算超声换能器运动引起的磁场变化，其中Z方向的格点间距为1cm。在该实验中，超声换能器在z方向移动分别为0，10，20，30，40，50，60，70，80mm。将这些超声换能器移动后的磁场变化图保存，用于温度补偿。从未进行补偿的温度图像和经过本发明进行补偿后的温度图像来看，明显地降低了温度误差。

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：测量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，并根据所述磁场变化对所述温度变化进行补偿，

该方法进一步在测量所述磁场变化后保存所述磁场变化；在对所述温度变化进行补偿时，读取所述磁场变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量磁场变化的步骤包括：

测量所述超声换能器在初始位置时的相位图；

测量所述超声换能器移动后在不同格点时的相位图；

计算所述超声换能器从初始位置移动到不同格点所引起的磁场变化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：在得到所述超声换能器从初始位置移动到一个格点所引起的磁场变化后，利用对称性计算所述超声换能器移动到与该个格点相对于所述初始位置对称的另一格点所引起的磁场变化。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：当超声换能器移动后没有位于所述格点时，选择与所述超声换能器距离最近的格点，将超声换能器移动到该最近的格点所引起的磁场变化用于补偿温度变化。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将超声换能器移动后的坐标在各坐标轴上分别取最近的整数，得到所述最近格点的坐标。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声换能器具有随其一起运动的部件；

在测量所述磁场变化的过程中，将超声换能器以及所述部件的位置变化所引起的磁场变化作为整体来测量。