CN102579015A - 温度成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种温度成像方法，包括如下步骤：获取卷绕相位图像；对所述卷绕相位图像进行差分得到相位差分图；从所述卷绕相位图像中提取测量区域的原始相位，并根据所述原始相位和相位差分图得到参考相位；根据所述原始相位和参考相位之间的复数差得到测量区域的温度图像。上述温度成像方法及系统，对卷绕相位图像进行差分得到相位差分图，避免了二维相位解卷绕，大大地提高了计算速度，在未损失精度的前提下进一步符合温度成像对实时性的要求。

Description

温度成像方法及系统

【技术领域】

本发明涉及磁共振技术，特别是涉及一种温度成像方法及技术。

【背景技术】

微创性热疗方法越来越广泛地应用于良恶性实体肿瘤的治疗中，其机制是利用高强度聚焦超声将肿瘤组织的温度在瞬间提高到60℃以上，进而导致肿瘤细胞损伤和组织凝固坏死。在实施微创性热疗方法时需要加热到60℃以上才能使肿瘤细胞坏死，但是加热温度必需控制在100℃以内，否则组织会被碳化且难以代谢吸收，在保证肿瘤细胞被完全杀死的同时使正常细胞免受或少受伤害，监控温度成像成为实现安全治疗的基本保障，而基于磁共振的温度成像具有高分辨率和无创性实时监测温度的特性，成了最为合适的监控工具。

磁共振温度成像原理大致分为以下几种：(1)纵向弛豫时间(T1 relaxationtime)；(2)分子弥散系数(molecular diffusion constant)与温度的关系；(3)质子共振频率(proton resonance frequency，简称PRF)偏移与温度的关系。其中，基于质子共振频率偏移的温度成像发展得最为成熟，是通过对梯度回波序列图像中的相位改变进行计算从而得到温度的改变，需要在加热前获取一组相位图像作为参考，加热中获取得到的相位图像都将减去这组参考图像进行温度的计算。

然而，在利用高强度聚焦超声进行热消融肿瘤的治疗过程中，组织的移动是不可避免的，这将会导致治疗前采集的参考图像和治疗过程中得到的温度变化图像之间位置信息失配，从而引起温度测量的误差。因此，为了克服这一问题，无参考的基于质子共振频率偏移的温度成像被提出，该方法从加热过程中获取的图像估计得到参考相位，从每一相位图中估计参考相位消除了每一相位图与参考相位之间的错误配准。但是在相位图中相位卷绕是非常常见的，解卷绕是无参考的基于质子共振频率偏移的温度成像的第一步，每一相位图像在进行温度计算之前都需要经过解卷绕处理，而解卷绕计算是相当耗时的，达不到温度成像对实时性的要求，特别是临床应用中有可能因为不能实时的监控温度导致温度过高将使得正常细胞受到损害，治疗效果也随之降低。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种能提高计算速度的温度成像方法。

此外，还有必要提供一种能提高计算速度的温度成像系统。

一种温度成像方法，包括如下步骤：

获取卷绕相位图像；

对所述卷绕相位图像进行差分得到相位差分图；

从所述卷绕相位图像中提取测量区域的原始相位，并根据所述原始相位和相位差分图得到参考相位；

根据所述原始相位和参考相位之间的复数差得到测量区域的温度图像。

优选地，所述对所述卷绕相位图像进行差分得到相位差分图的步骤为：

获取卷绕相位图像中相位的多项式模型；

将所述多项式模型进行差分替代得到相位差分图。

优选地，所述将所述多项式模型进行差分替代得到相位差分图的步骤为：

按照卷绕相位图像的坐标轴方向分别对多项式模型进行差分处理得到与坐标轴方向相对应的相位差分图。

优选地，所述根据所述原始相位和相位差分图得到参考相位的步骤为：

通过所述与坐标轴方向相对应的相位差分图进行多项式拟合构造系数模型；

通过相位差分图的数值积分恢复出测量区域的相位图；

根据所述相位图和原始相位得到零阶多项式系数，并通过所述系数模型和零阶多项式系数计算得到参考相位。

优选地，所述通过所述与坐标轴方向相对应的相位差分图进行多项式拟合构造系数模型的步骤包括：

在所述与坐标轴方向相对应的相位差分图提取参考区域的数据以及相位，并通过最小二乘法进行拟合得到与坐标轴对应的多项式系数；

将所述与坐标轴对应的多项式系数构造成系数模型。

一种温度成像系统，包括：

图像获取模块，用于获取卷绕相位图像；

处理模块，用于对所述卷绕相位图像进行差分得到相位差分图；

运算模块，用于从卷绕相位图像中提取测量区域的原始相位，并根据所述原始相位和相位差分图得到参考相位；

成像模块，用于根据所述原始相位和参考相位之间的复数差得到测量区域的温度图像。

优选地，所述处理模块包括：

多项式获取单元，用于获取卷绕相位图像中相位的多项式模型；

差分替代单元，用于将所述多项式模型进行差分替代得到相位差分图。

优选地，所述差分替代单元还用于按照卷绕相位图像的坐标轴方向分别对多项式模型进行差分处理得到与坐标轴方向相对应的相位差分图。

优选地，所述运算模块包括：

提取单元，用于从卷绕相位图像中提取测量区域的原始相位；

拟合单元，用于通过所述与坐标轴方向相对应的相位差分图进行多项式拟合构造系数模型；

图像恢复单元，用于通过相位差分图的数值积分恢复出测量区域的相位图；

相位计算单元，用于根据所述相位图和原始相位可得到零阶多项式系数，并通过所述系数模型和零阶多项式系数计算得到参考相位。

优选地，所述拟合单元还用于在所述与坐标轴方向相对应的相位差分图提取参考区域的数据以及相位，并通过最小二乘法进行拟合得到与坐标轴对应的多项式系数，将所述与坐标轴对应的多项式系数构造成系数模型。

上述温度成像方法及系统，对卷绕相位图像进行差分得到相位差分图，避免了二维相位解卷绕，大大地提高了计算速度，在未损失精度的前提下进一步符合温度成像对实时性的要求。

上述温度成像方法及系统，通过数值积分的方式恢复出测量区域的相位图，进而明确了相位的多项式模型中所对应的零阶多项式系数，从而降低计算误差，提高温度成像过程中的测量精度。

【附图说明】

图1为一个实施例中温度成像方法的流程图；

图2为一个实施例中测量区域和参考区域的示意图；

图3为图1中步骤S30的方法流程图；

图4为一个实施例中根据原始相位和相位差分图得到参考相位的方法流程图；

图5为图4中步骤S510的方法流程图；

图6为一个实施例中温度成像系统的结构示意图；

图7为图6中处理模块的结构示意图；

图8为图6中运算模块的结构示意图；

图9为平均绝对误差和最大绝对误差的对比图；

图10为平均绝对误差和最大绝对误差与多项式阶数的关系图；

图11为标准差的对比图。

【具体实施方式】

在一个实施例中，如图1所示，一种温度成像方法，包括如下步骤：

步骤S10，获取卷绕相位图像。

本实施例中，在对成像序列所得到的数据进行重建之后即可得到相应的卷绕相位图像。如图2所示，卷绕相位图大致分为测量区域210和参考区域230这两个连续区域，其中，测量区域210为利用高强度聚焦超声进行热消融肿瘤的治疗中对应的加热区域，参考区域230为未加热区域，从卷绕相位图中可获取到相关的相位。

步骤S30，对卷绕相位图像进行差分得到相位差分图。

本实施例中，通过进行卷绕相位图像的差分处理来避免耗时的图像解卷绕以得到相位差分图。具体地，对卷绕相位图像中的相位进行差分处理将复杂的卷绕相位图像变换为相位差分图。

在一个实施例中，如图3所示，上述步骤S30的步骤包括：

步骤S310，获取卷绕相位图像中相位的多项式模型。

本实施例中，卷绕相位图像中，卷绕的相位

通常用以下多项式模型表示：

其中，{C_n(m)}为系数，x为卷绕相位图像中的横坐标，y为卷绕相位图像中的纵坐标，n、m为多项式阶数。

步骤S330，将多项式模型进行差分替代得到相位差分图。

本实施例中，求取多项式模型的差分，以得到相位差分图，进而避免卷绕相位图像的解卷绕。

在一个实施例中，上述步骤S330的具体过程为：卷绕相位图像的坐标轴方向分别对多项式模型进行差分处理得到与坐标轴方向相对应的相位差分图。

本实施例中，直接按照卷绕相位图像中坐标轴方向分别能获取到的多项式模型进行差分处理，以防止直接将相邻相位相减产生卷绕，具体的，卷绕相位图像I(x，y)经过差分处理可定义为：

分别按照x坐标轴和y坐标轴对卷绕相位图像进行差分处理的详细过程如以下公式所示：

步骤S50，从卷绕相位图像中提取测量区域的原始相位，并根据原始相位和相位差分图得到参考相位。

本实施例中，可直接在卷绕相位图像中提取出测量区域，即加热区域的原始相位，进而通过原始相位以及相位差分图进行计算。

在一个实施例中，如图4所示，上述根据原始相位和相位差分图得到参考相位的具体过程包括：

步骤S510，通过与坐标轴方向相对应的相位差分图进行多项式拟合构造系数模型。

本实施例中，为了计算得到准确的参考相位，必须获取到系数{C_n(m)}，因此可以分别对每一坐标轴方向所对应的相位差分图进行多项拟合。

在一个实施例中，如图5所示，上述步骤S510的具体过程包括：

步骤S511，在与坐标轴方向相对应的相位差分图提取参考区域的数据以及相位，并通过最小二乘法进行拟合得到与坐标轴对应的多项式系数。

本实施例中，所提取的参考区域中的数据为相位差分图中的坐标，通过与x坐标轴相对应的相位差分图中参考区域的坐标和相位根据最小二乘准则计算得到多项式系数{C_x，n(m)}；通过与y坐标轴相对应的相位差分图中参考区域的坐标和相位根据最小二乘准则计算得到多项式系数{C_y，n(m)}。

步骤S513，将与坐标轴对应的多项式系数构造成系数模型。

本实施例中，在得到了与x坐标轴相对应的多项式系数{C_x，n(m)}以及与y坐标轴相对应的多项式系数{C_y，n(m)}之后，结合两个坐标轴所对应的多项式系数得到系数模型{C_n(m)}，详细过程如以下公式所示：

$C_n\left(m\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{2}[\frac{C_{x,n-1}\left(m\right)}{n-m}+\frac{C_{y,n-1}(m-1)}{m}],1\≤m\≤n-1\\ \frac{C_{x,n-1}\left(m\right)}{n},m=0\\ \frac{C_{y,n-1}(m-1)}{n},m=n\end{array}\right.$

步骤S530，通过相位差分图的数值积分恢复出测量区域的相位图。

本实施例中，在得到的系数模型中，零阶多项式系数并不明确，因此需要通过数值积分运算从相位差分图中恢复出测量区域的相位图，以便于后续的计算。

步骤S550，根据相位图和原始相位得到零阶多项式系数，并通过系数模型和零阶多项式系数计算得到参考相位。

本实施例中，将测量区域的边界作为初始条件，

是测量区域的原始相位，

为相位图，是根据多项式系数{C_x，n(m)}和{C_y，n(m)}对公式

和积分得到的，因此，测量区域的零阶多项式系数C₀(0)可由以下公式计算得到：

其中，R为测量区域的边界点集。

在得到测量区域的零阶多项式系数以及系数模型之后，通过系数模型和零阶多项式系数计算得到参考相位，由于通过计算进一步明确了零阶多项式系数，大大了提高参考相位的准确性。

步骤S70，根据原始相位和参考相位之间的复数差得到测量区域的温度图像。

本实施例中，在基于质子共振频率偏移的温度成像中，通过计算相位改变得到温度的改变，如以下公式所示：

其中，

为测量区域加热时的相位，即原始相位，

为参考相位，α为质子共振频率偏移系数，对于大部分组织，α＝-0.01ppm/℃，γ为磁旋比，B₀是主磁场强度，T_E为梯度回波序列的回波时间。

在一个实施例中，如图6所示，一种温度成像系统，包括图像获取模块10、处理模块30、运算模块50以及成像模块70。

图像获取模块10，用于获取卷绕相位图像。

本实施例中，在对成像序列所得到的数据进行重建之后即可得到相应的卷绕相位图像。卷绕相位图大致分为测量区域和参考区域这两个连续区域，其中，测量区域为利用高强度聚焦超声进行热消融肿瘤的治疗中对应的加热区域，参考区域为未加热区域，从卷绕相位图中可获取到相关的相位。

处理模块30，用于对卷绕相位图像进行差分得到相位差分图。

本实施例中，处理模块30通过进行卷绕相位图像的差分处理来避免耗时的图像解卷绕以得到相位差分图。具体地，处理模块30对卷绕相位图像中的相位进行差分处理将复杂的卷绕相位图像变换为相位差分图。

在一个实施例中，如图7所示，上述处理模块30包括多项式获取单元310以及差分替代单元330。

多项式获取单元310，用于获取卷绕相位图像中相位的多项式模型。

本实施例中，卷绕相位图像中，卷绕的相位

通常用以下多项式模型表示：

其中，{C_n(m)}为系数，x为卷绕相位图像中的横坐标，y为卷绕相位图像中的纵坐标，n、m为多项式阶数。

差分替代单元330，用于将多项式模型进行差分替代得到相位差分图。

本实施例中，差分替代单元330求取多项式模型的差分，以得到相位差分图，进而避免卷绕相位图像的解卷绕。

在一个实施例中，差分替代单元330还用于按照卷绕相位图像的坐标轴方向分别对多项式模型进行差分处理得到与坐标轴方向相对应的相位差分图。

本实施例中，差分替代单元330直接按照卷绕相位图像中坐标轴方向分别能获取到的多项式模型进行差分处理，以防止直接将相邻相位相减产生卷绕，具体的，卷绕相位图像I(x，y)经过差分处理可定义为：

差分替代单元330分别按照x坐标轴和y坐标轴对卷绕相位图像进行差分处理的详细过程如以下公式所示：

运算模块50，用于从卷绕相位图像中提取测量区域的原始相位，并根据原始相位和相位差分图得到参考相位。

本实施例中，运算模块50可直接在卷绕相位图像中提取出测量区域，即加热区域的原始相位，进而通过原始相位以及相位差分图进行计算。

在一个实施例中，如图8所示，上述运算模块50包括提取单元510、拟合单元530、图像恢复单元550以及相位计算单元570。

提取单元510，用于从卷绕相位图像中提取测量区域的原始相位。

拟合单元530，用于通过与坐标轴方向相对应的相位差分图进行多项式拟合构造系数模型。

本实施例中，为了计算得到准确的参考相位，必须获取到系数{C_n(m)}，因此拟合单元530分别对每一坐标轴方向所对应的相位差分图进行多项拟合。

在一个实施例中，拟合单元530还用于在与坐标轴方向相对应的相位差分图提取参考区域的数据以及相位，并通过最小二乘法进行拟合得到与坐标轴对应的多项式系数，将与坐标轴对应的多项式系数构造成系数模型。

本实施例中，所提取的参考区域中的数据为相位差分图中的坐标，拟合单元530通过与x坐标轴相对应的相位差分图中参考区域的坐标和相位根据最小二乘准则计算得到多项式系数{C_x，n(m)}；通过与y坐标轴相对应的相位差分图中参考区域的坐标和相位根据最小二乘准则计算得到多项式系数{C_y，n(m)}。

拟合单元530在得到了与x坐标轴相对应的多项式系数{C_x，n(m)}以及与y坐标轴相对应的多项式系数{C_y，n(m)}之后，结合两个坐标轴所对应的多项式系数得到系数模型{C_n(m)}，详细过程如以下公式所示：

$C_n\left(m\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{2}[\frac{C_{x,n-1}\left(m\right)}{n-m}+\frac{C_{y,n-1}(m-1)}{m}],1\≤m\≤n-1\\ \frac{C_{x,n-1}\left(m\right)}{n},m=0\\ \frac{C_{y,n-1}(m-1)}{n},m=n\end{array}\right.$

图像恢复单元550，用于通过相位差分图的数值积分恢复出测量区域的相位图。

本实施例中，在得到的系数模型中，零阶多项式系数并不明确，因此需要图像恢复单元550通过数值积分运算从相位差分图中恢复出测量区域的相位图，以便于后续的计算。

相位计算单元570，用于根据相位图和原始相位可得到零阶多项式系数，并通过系数模型和零阶多项式系数计算得到参考相位。

本实施例中，将测量区域的边界作为初始条件，

是测量区域的原始相位，

为相位图，是根据多项式系数{C_x，n(m)}和{C_y，n(m)}对公式

和积分得到的，因此，测量区域的零阶多项式系数C₀(0)可由以下公式计算得到：

其中，R为测量区域的边界点集。

在相位计算单元570得到测量区域的零阶多项式系数以及系数模型之后，通过系数模型和零阶多项式系数计算得到参考相位，由于通过计算进一步明确了零阶多项式系数，大大了提高参考相位的准确性。

成像模块70，用于根据原始相位和参考相位之间的复数差得到测量区域的温度图像。

本实施例中，在基于质子共振频率偏移的温度成像中，通过计算相位改变得到温度的改变，如以下公式所示：

其中，为测量区域加热时的相位，即原始相位，为参考相位，α为质子共振频率偏移系数，对于大部分组织，α＝-0.01ppm/℃，γ为磁旋比，B₀是主磁场强度，T_E为梯度回波序列的回波时间。

上述温度成像方法及系统，对卷绕相位图像进行差分得到相位差分图，避免了二维相位解卷绕，大大地提高了计算速度，在未损失精度的前提下进一步符合温度成像对实时性的要求。

下面结合具体的实验来验证上述温度成像方法及系统的可行性。在3T MR(Siemens Magnetom TIM Trio 3T)系统中进行实验，对象为浓度为1％硫酸铜体模。用EPI序列扫描硫酸铜体模，扫描的序列参数为：TR/TE＝25/10ms，翻转角flip angle＝15，视野FOV＝240cm，矩阵大小matrix size＝160×160，层厚slicethickness＝1.5mm，采集层数slice＝30，采用水激发方式，带宽bandwidth＝1645Hz/pixel，EPI factor＝9，测量次数measurements＝40。实验数据的处理环境是具有Intel w5590 CPUs和32GB RAM的工作站，采用的数据处理软件是MATLAB。仿体温度为室温；采用的多项式阶数是3阶到7阶。

对于传统的无参考质子共振频率偏移的温度成像方法，拟合区域选择的比例从0.01到0.05，以便评价拟合区域大小的选择对温度测量精度的影响。

从图9可清楚地看出，上述温度成像方法所得到的最大绝对误差91和平均绝对误差93是小于传统的无参考质子共振频率偏移的温度成像方法中最大绝对误差95和平均绝对误差97。

图11描述了测量区域和参考区域的比例为0.01、0.02、0.03、0.04和0.05时，上述温度成像方法所得到的最大绝对误差111和平均绝对误差113与传统的无参考质子共振频率偏移的温度成像方法的对比。

如下表所示，对比较了上述温度成像方法和传统的无参考质子共振频率偏移的温度成像方法所对应的平均计算时间，本发明的温度成像方法1比传统的无参考质子共振频率偏移的温度成像方法2的效率高。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种温度成像方法，包括如下步骤：

获取卷绕相位图像；

对所述卷绕相位图像进行差分得到相位差分图；

从所述卷绕相位图像中提取测量区域的原始相位，并根据所述原始相位和相位差分图得到参考相位；

根据所述原始相位和参考相位之间的复数差得到测量区域的温度图像。

2.根据权利要求1所述的温度成像方法，其特征在于，所述对所述卷绕相位图像进行差分得到相位差分图的步骤为：

获取卷绕相位图像中相位的多项式模型；

将所述多项式模型进行差分替代得到相位差分图。

3.根据权利要求2所述的温度成像方法，其特征在于，所述将所述多项式模型进行差分替代得到相位差分图的步骤为：

按照卷绕相位图像的坐标轴方向分别对多项式模型进行差分处理得到与坐标轴方向相对应的相位差分图。

4.根据权利要求3所述的温度成像方法，其特征在于，所述根据所述原始相位和相位差分图得到参考相位的步骤为：

通过所述与坐标轴方向相对应的相位差分图进行多项式拟合构造系数模型；

通过相位差分图的数值积分恢复出测量区域的相位图；

根据所述相位图和原始相位得到零阶多项式系数，并通过所述系数模型和零阶多项式系数计算得到参考相位。

5.根据权利要求4所述的温度成像方法，其特征在于，所述通过所述与坐标轴方向相对应的相位差分图进行多项式拟合构造系数模型的步骤包括：

在所述与坐标轴方向相对应的相位差分图提取参考区域的数据以及相位，并通过最小二乘法进行拟合得到与坐标轴对应的多项式系数；

将所述与坐标轴对应的多项式系数构造成系数模型。

6.一种温度成像系统，其特征在于，包括：

图像获取模块，用于获取卷绕相位图像；

处理模块，用于对所述卷绕相位图像进行差分得到相位差分图；

运算模块，用于从卷绕相位图像中提取测量区域的原始相位，并根据所述原始相位和相位差分图得到参考相位；

成像模块，用于根据所述原始相位和参考相位之间的复数差得到测量区域的温度图像。

7.根据权利要求6所述的温度成像系统，其特征在于，所述处理模块包括：

多项式获取单元，用于获取卷绕相位图像中相位的多项式模型；

差分替代单元，用于将所述多项式模型进行差分替代得到相位差分图。

8.根据权利7所述的温度成像系统，其特征在于，所述差分替代单元还用于按照卷绕相位图像的坐标轴方向分别对多项式模型进行差分处理得到与坐标轴方向相对应的相位差分图。

9.根据权利要求8所述的温度成像系统，其特征在于，所述运算模块包括：

提取单元，用于从卷绕相位图像中提取测量区域的原始相位；

拟合单元，用于通过所述与坐标轴方向相对应的相位差分图进行多项式拟合构造系数模型；

图像恢复单元，用于通过相位差分图的数值积分恢复出测量区域的相位图；

相位计算单元，用于根据所述相位图和原始相位可得到零阶多项式系数，并通过所述系数模型和零阶多项式系数计算得到参考相位。

10.根据权利要求9所述的温度成像系统，其特征在于，所述拟合单元还用于在所述与坐标轴方向相对应的相位差分图提取参考区域的数据以及相位，并通过最小二乘法进行拟合得到与坐标轴对应的多项式系数，将所述与坐标轴对应的多项式系数构造成系数模型。

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