CN103168248B - 使用生理监测的mr数据采集 - Google Patents

Abstract

用于执行患者的磁共振成像扫描的系统、设备和方法。例如，对患者上执行磁共振成像扫描的方法可以包括监测患者的生理信号水平、分析所监测到的生理信号水平、并且给患者提供指令并且/或者改变暴露给患者的环境条件。所述指令和/或患者环境条件的改变可以基于所监测到的生理信号水平。所述指令可以包括听觉命令和/或视觉命令。环境条件的改变可以包括视觉刺激、听觉刺激和/或空气调节变化。

Description

使用生理监测的MR数据采集

技术领域

本发明涉及执行患者的磁共振成像扫描的方法、计算机程序产品和MRI系统。

背景技术

为了形成二维或三维图像，现在广泛使用利用磁场和核自旋之间的相互作用的MR成像方法，尤其在医疗诊断领域，这是由于对于软组织的成像，它们在许多方面优于其它成像方法，它们不需要电离辐射，并且它们通常是无创的。例如，MRI用作可视化心肌损伤的成像技术。心脏和呼吸触发的MR成像可以用于图像形态学，时间分辨电影可以揭示心脏功能，可以利用动态对比度增强成像来测量灌注，并且可以使用MR标记序列详细地研究心肌的收缩。

根据一般的MR方法，将患者的身体或者一般而言将要检查的对象布置在强均匀磁场B0中，该磁场方向同时通常定义了坐标系的z轴的轴线，测量基于该坐标系进行。

取决于所施加的磁场强度，磁场针对各个核自旋产生不同的能量水平，通过应用具有所定义频率（所谓拉莫尔频率或者MR频率）的交变电磁场（RF场）可以激励该自旋（自旋共振）。从宏观的视角看，各个核自旋的分布产生整体磁化，通过应用具有适当频率的电磁脉冲（RF脉冲）可以使整体磁化偏离平衡状态，而磁场垂直z轴延伸，使得磁化关于z轴执行旋进运动。

可以通过接收RF天线来检测磁化的任何变化，其中，在MR设备的检查体积内对接收RF天线进行布置和定向以在垂直于z轴的方向上测量磁化的变化。

为了实现身体中的空间分辨，在均匀磁场上叠加沿着3个主轴扩展的开关磁场梯度，其导致自旋共振频率的线性空间相关性。那么，在接收天线中获取的信号包含可以与身体中的不同位置相关联的不同频率的分量。

经由接收天线所获得的信号数据对应于空间频域，并且称为k空间数据。k空间数据通常包括采用不同相位编码采集的多条线。通过收集许多样本对每条线数字化。例如，通过傅里叶变换将一系列k空间数据样本转换成MR图像。

用于获得高质量MR图像的主要标准是确保所成像的感兴趣区域在MR扫描期间不移动。在诸如腹部成像的情况下，这是严重的问题，因为生理上患者呼吸是必须的并且因此患者运动转化为所采集的MR图像的模糊和重影。因此，为了防止所成像感兴趣区域的任何移动，在MR成像扫描期间需要患者屏住呼吸。

US7,182,083B2公开了集成的呼吸监测器和CT成像设备装置。呼吸监测器系统适于接合到患者并且生成代表在患者屏住呼吸期间屏住呼吸水平的呼吸信号。成像设备适于在屏住呼吸期间扫描患者并且生成患者的体积图像数据集。呼吸传感器和成像设备可操作地连接，以便将代表患者屏住呼吸水平的呼吸信号与患者的体积图像数据集相关联。

施加屏住呼吸命令并且当患者达到屏住呼吸状态时开始成像扫描可能引入取决于操作者的变化。典型地情况是，在还没有达到屏住呼吸状态时就过早开始了屏住呼吸序列，这转化为图像的模糊和重影。在屏住呼吸状态中，屏住呼吸可能“逐渐消失”，这也导致与运动相关的问题。同时，自动屏住呼吸命令不是患者相关的，因此，忽视了遵循屏住呼吸命令的能力以及解决所有患者情况的能力。典型地，患者屏住呼吸的能力与患者疾病的进展和严重性有关。

发明内容

从前述说明中，很容易意识到，存在对改进的成像方法的需求。因此，本发明的目标是提供用于以患者最佳适应的方式执行磁共振成像扫描的改进的方法。

根据本发明，提供了对患者执行磁共振成像扫描的方法，该方法包括监测患者的生理信号水平、分析所监测到的生理信号水平、并且给患者提供指令和/或改变暴露给患者的环境条件，其中，所述指令和/或环境条件的改变适应于所监测到的生理信号水平。

本发明的实施例具有这样的优点，其可以关于患者的生理情况动态地指示患者优化行为，使得可以以最优化方式执行相应MR成像扫描，即，在重建MR图像中没有类似模糊和重影的与运动相关的问题。

因此，本发明使用适于引导患者到良好生理条件并且注意使患者停留在该条件中的自动命令。另外或者可替换地，本发明根据所监测到的生理信号水平动态改变暴露给患者的环境条件。

根据本发明的一个实施例，所述指令包括类似语音命令的听觉命令和/或视觉命令。在任一情况下，确保可以以适当的方式关于预期生理条件对磁体膛孔内的患者发出指令。

根据本发明的一个实施例，改变患者的环境条件包括调整暴露给患者的视觉和听觉媒介，使得膛孔内“环境体验”变化。这还包括在暴露给患者的空气调节的变化。例如，可以根据经过磁体膛孔的空气湿度、氧气水平、氮气水平、温度和/或气流来调整空气调节。在任一情况下，这允许通过对患者的感觉需求和生理反应做出动态反应以使患者在生理上和情绪上舒适。因此，磁体膛孔内的环境对于实际患者的需求是个性化的。结果是能够更容易激发患者的积极性并且/或者能够更容易使患者分散注意力以实现所期望的稳定生理条件。

根据本发明的一个优选实施例，生理信号水平包括患者屏住呼吸的水平。然而，一般而言，生理信号水平可以包括关于患者的呼吸和/或身体运动和/或心脏活动的信号水平。

根据本发明的另一个实施例，屏住呼吸指令包括，例如，吸气和呼气命令定时和/或‘停止呼吸’或‘请保持’命令和/或强力呼吸命令和/或用于保持屏住呼吸水平的患者激励命令和/或患者安慰命令。

上述强力呼吸屏住呼吸命令的目的是使得对于屏住呼吸困难者能够在给定屏住呼吸水平的情况下增大屏住呼吸时间。

例如，在监测心脏活动的情况下，吸气和呼气命令定时和患者安慰命令允许实现所期望的心脏活动水平。

动态选择这些指令使其适应实际所监测到的生理信号水平，并且因此以所期望的方式指导患者的生理行为。

在一个例子中，可以使吸气和呼气命令的定时适应实际呼吸状态同时仔细检查命令是否被遵循。在达到屏住呼吸状态的情况下，自动屏住呼吸命令建议‘停止呼吸’。在患者不停止呼吸的情况下，可以给出另一个短的自动‘停止呼吸’命令。

患者激励命令和/或膛孔内“环境体验”变化在心理上激励患者保持他的实际屏住呼吸水平。例如，这可以通过给患者提供关于所需剩余屏住呼吸时间的信息或者通过在视觉上刺激患者以抑制即将来临的呼吸反射来执行。

一定要注意到，为了获得例如关于患者屏住呼吸能力和关于患者心脏活动的基本信息，分析所监测到的生理信号水平不仅仅包括对实际生理信号水平的分析，还可以包括在某一时间跨度上对运动相关统计的分析。一般而言，例如，可以分析患者的呼吸历史记录，以便在已经给出自动屏住呼吸命令之后确定屏住呼吸的能力，屏住呼吸的能力包括屏住呼吸的长度和在屏住呼吸期间的漂移（drift）。这还可以包括对关于遵循所发出的屏住呼吸命令的能力（包括响应时间）的分析，也可能包括自由呼吸特性，诸如在呼气/吸气阶段结束的非运动周期和呼吸暂停的出现。例如，在另一个MR成像扫描中对患者重新扫描的情况下，能够从之前的研究中恢复之前所采集的运动历史记录统计。

在从运动相关统计中见到患者屏住呼吸困难的情况下，能够通过提及屏住呼吸的重要性并且指示剩余扫描时间来激励患者。能够提供所需剩余屏住呼吸时间的视觉刺激来激励患者进一步屏住呼吸。同时，在已经改进了屏住呼吸的情况下告知患者也可能进一步激励患者。

根据本发明的另一个实施例，在没有实现预定义的生理信号水平的情况下，所述方法还包括优化用于执行磁共振成像扫描的成像协议，其中，优化适应于所监测到的生理信号水平。这里，可以将成像协议的“优化”理解为在患者呼吸周期的所选择的点处触发或者门控MR扫描。然而，也可以将其视为MR成像序列各个参数的变化或者通过不同的成像序列对该成像序列的替代。

根据本发明的一个实施例，成像协议的优化包括计算在患者的预定屏住呼吸水平内所期望的最大屏住呼吸时间，并且将实际选择的成像协议改变为新的成像协议，该新的成像协议需要相应的数据采集时间，以完成相应的磁共振成像扫描，其中，根据比所计算的最大期望屏住呼吸时间更短的或者与所计算的最大期望屏住呼吸时间匹配的数据采集时间来选择新的成像协议。

例如，在期望患者仅能够屏住其呼吸7秒，其中，实际选择的成像协议将需要屏住呼吸至少15秒的情况下，可以用需要7秒数据采集时间的新的成像协议交换该实际选择的成像协议。新的成像协议可以在7秒钟内采集重要信息，在患者能够屏住其呼吸更长时间继而改善图像质量的情况下，可能延长采集时间。

一般而言，可以将这一理念扩展到任何类型的生理信号水平。例如，考虑到心脏活动，成像协议的优化可以包括计算所期望的心率并且将实际选择的成像协议改变成新的成像协议，该新的成像协议需要相应的数据采集时间，以完成相应的磁共振成像扫描，其中，根据比所计算的期望心率更短或者与所计算的期望心率匹配的数据采集时间来选择新的成像协议。

根据本发明的一个实施例，新的成像协议可以使用中央k空间采集。

一定要注意到，除了减少数据采集时间之外，例如，在确定患者屏住呼吸的能力比预期更好的情况下，还可能相反地增大数据采集时间，以便增强所采集的MR图像的分辨率。

根据本发明的一个实施例，成像协议的优化包括通过应用预备成像协议扩展实际选择的成像协议，预备成像协议在实际选择的成像协议之前，其中，使用预备成像协议执行预备磁共振成像扫描，直到实现预定的生理信号水平为止。

例如，在已经给出‘停止呼吸’命令并且在屏住呼吸水平仍然漂移时开始采集的情况下，可以登记采集点直到达到具有指定屏住呼吸水平标准的屏住呼吸平稳状态为止。可以在相同的屏住呼吸中重新采集这些采集点，并且能够替代这些采集点，以便改善图像质量。另一种可能是不重新采集，但是使用平行成像或者压缩感知方法综合得到这些k空间采集点。

根据本发明的另一个实施例，关于在声学上假装正在运行成像扫描优化预备成像协议。因此，患者假定真实的成像扫描已经在运行，这在心理上激励他投入更多努力保持所期望的屏住呼吸水平或者停止移动他的身体或者让患者习惯于梯度噪声的突然改变，以得到稳定的心脏活动。

换言之，声学梯度噪声可以适于根据心脏或者呼吸运动而变化，其反过来影响患者诸如呼吸和心跳的行为。因此，在声学上假装连续梯度噪声有助于使患者冷静下来。

根据本发明的另一个实施例，新的成像协议包括实际选择的成像协议，实际选择的成像协议具有针对调整的图像分辨率的指令，其中，调整的图像分辨率导致了用于完成磁共振成像扫描的相应数据采集时间。如上所述，例如，这可以通过调整对k空间进行采样的方式来执行。

作为通过提供预备成像协议在声学上假装正在进行成像扫描的补充或者替代，例如，在没有完成预定的生理信号水平的情况下，还可能使用扬声器给患者在声学上模仿正在进行成像扫描。

根据本发明的另一个实施例，监测患者的屏住呼吸水平包括在磁共振成像扫描期间在将要成像的感兴趣区域上重复执行磁共振导航器扫描（navigatorscan），其中，所述方法还包括在导航器扫描和/或成像扫描期间从导航器扫描中确定感兴趣区域内的身体运动，其中所述运动起因于患者屏住呼吸水平的变化，并且为了关于身体运动对所采集的图像数据进行补偿，根据所确定的身体运动调节切片位置。

因此，在呼吸带和导航器采集的情况下，能够对屏住呼吸进行持续监测。在导航器采集的情况下，这能够通过将导航器采集与实际数据采集交错完成。导航器采集的优势是在屏住呼吸漂移的情况下，能够通过紧接在经由自动命令提醒患者‘进一步屏住呼吸’之后调整切片位置（切片跟踪）而因此对小的漂移进行校正。较大的漂移或者不能屏住呼吸的能力导致稍后对采集点重新采集或者综合导出所述采集点。

一定要注意到，在运动控制检测到患者不能遵循屏住呼吸指令并且也不能屏住呼吸指定时间、不满足指定呼吸能力标准的情况下，能够将成像协议设置为在检查内自动改变到指定的自由呼吸或者具有更低质量（更低分辨率、2D等）的短屏住呼吸协议。结果是延长了患者的‘恢复’周期。

在另一方面中，本发明涉及计算机程序产品，其包括执行如上所述方法步骤的计算机可执行指令。

在另一方面中，本发明涉及用于例如在患者屏住呼吸期间执行磁共振成像扫描的磁共振成像系统，该系统适于监测患者的生理信号水平、分析所监测到的生理信号水平、并且给患者提供指令，其中，所述指令适应于所监测到的屏住呼吸水平。

附图说明

附图公开了本发明的优选实施例。然而，应该理解，附图仅仅设计用于图示说明的目的而不是作为本发明的限制定义。在附图中：

图1图示说明了根据本发明的MR设备的示意图；

图2图示说明了根据上述方法的流程图。

具体实施方式

参考图1，示出了MR成像系统1。该系统包括超导或者电阻式主磁体线圈2，以便沿着z轴穿过检查体积创建基本上均匀的、暂时恒定的主磁场B0。

磁共振系统施加一系列RF脉冲和切换磁场梯度以反转或者激起核磁自旋、引起磁共振、重新聚焦磁共振、操纵磁共振、在空间上或者以其它方式对磁共振进行编码、使自旋饱和等，以便执行MR成像。

更具体而言，梯度脉冲放大器3沿着检查体积的x、y和z轴给整个主体梯度线圈4、5和6中所选择的一个施加电流脉冲。RF发射机7经由发送/接收开关8将RF脉冲或者脉冲分组发送到RF天线9，以便将RF脉冲发送到检查体积中。典型的MR成像序列由彼此合在一起的具有短的持续时间的RF脉冲序列的分组组成，并且任何所施加的磁场梯度实现对所选择的核磁共振的操纵。RF脉冲用于饱和化、激发共振、反转磁化、重新聚焦共振、或者操纵共振并且选择身体10置于检查体积中的部分。还可以通过RF天线9拾取MR信号。

例如，为了通过平行成像的方式产生身体或者一般而言对象10的受限区域的MR图像，将一组局部阵列RF线圈11、12和13邻近所选择的用于成像的区域放置。能够使用阵列线圈11、12和13接收MR信号，该MR信号是经由RF天线造成的RF发送所引起。然而，还可能使用阵列线圈11、12和13将RF信号发送到检查体积。

通过RF天线9并且/或者通过RF线圈11、12和13的阵列拾取所得到的MR信号，并且通过接收机14对所得到的MR信号进行解调，接收机14最好包括前置放大器（未示出）。将接收机14经由发射/接收开关8连接到RF线圈9、11、12和13。

主计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射机7以产生多个成像序列中的任何一个，例如，回波平面成像（EPI）、回波体积成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像、使用超短回波时间采集脉冲序列的成像等。

对于所选择的序列，在每个RF激励脉冲之后接收机14在快速演替中接收单独一个或者多个MR数据线。数据采集系统16执行所接收信号的模数转换，并且将每个MR数据线转换成适于进一步处理的数字格式。在现代MR设备中，数据采集系统16是专用于原始图像数据采集的单独计算机。

最终，通过重建处理器17将数字原始图像数据重建成图像表示，重建处理器17应用傅立叶变换或者其它合适的重建算法。MR图像可以代表穿过患者的平面切片、平行平面切片阵列、三维体积等。随后，将图像存储在图像存储器中，在图像存储器中可以对图像进行访问，用于将切片或者图像表示的其它部分转换成用于可视化的合适格式，例如，经由提供所得MR图像的人类可读显示的视频监视器18进行可视化。

在图1中进一步示出的是配置为对患者10的屏住呼吸水平进行监测的呼吸传感器19。例如，呼吸传感器19可以包括将运动信号提供给主计算机15的呼吸带。于是，主计算机15能够分析所监测到的屏住呼吸水平，并且给患者10提供相应屏住呼吸指令。可以通过由主计算机15提供的自动语音所说的命令或者经由用图形指示患者执行关于屏住其呼吸的各种行为的显示器将这些指令提供给患者。

图2是对根据本发明的方法的实施例进行图示说明的流程图。

方法在步骤200处开始，其中，将初始屏住呼吸命令提供给患者。像所有屏住呼吸命令一样，可以通过MR系统以自动的方式将该命令提供给患者。为了该目的，可以使用预录制的语音命令，该语音命令可以回放给患者，或者为了该目的，可以使用合成产生的语音。

初始屏住呼吸命令可以包括告知患者他必须立即屏住呼吸的单独一个命令。然而，步骤200最好包括用于采集关于患者屏住呼吸能力的统计信息的众多预备步骤，包括以自动方式为患者执行屏住呼吸测试。这允许获得关于患者屏住呼吸能力的统计信息，并且选择适应于所述屏住呼吸能力的合适的成像协议。

在步骤200之后，优选并行执行步骤202和步骤204-208。在步骤202中，使用图1的呼吸带19（例如）监测屏住呼吸，其中，同时地，在步骤204中执行MR图像数据采集。此外，可以使用可选的导航器数据采集步骤206，其也允许通过将步骤204的实际数据采集与导航器采集交错而连续对屏住呼吸进行监测。随后，在步骤208中分析在步骤206中所采集的导航器数据和/或呼吸带数据。在执行步骤202和204之后，分析所监测到的患者的屏住呼吸水平。在步骤210中确定在图像数据采集期间保持位置不变或者保持位置仅在很小的预定阈值水平内变化的情况下，所述方法可以继续进行步骤216，在该步骤中确定是否完成成像扫描。如果情况是这样，为了提供最终的MR图像，重建在步骤204中所采集的图像，此后，在步骤218之后，方法终止。

与此相反，如果在步骤210中根据对在步骤202所采集的所监测到的屏住呼吸水平的分析并且/或者根据步骤208中的导航器数据分析确定屏住呼吸水平变化到预定阈值极限之上或之下的情况下，方法继续步骤212，该步骤中以自动的方式将相应屏住呼吸命令或者强力呼吸命令提供给患者。如上所述，例如，这些命令可以包括吸入或者呼出命令定时和/或‘停止呼吸’或者‘请保持’命令，并且还包括用于保持实际屏住呼吸水平的患者激励命令。

结果，如果在扫描阶段期间保持呼吸并且呼吸位置漂移，短的‘请保持’提醒患者进一步屏住其呼吸并且不‘漂移走’。‘倒计时’播音器或者视觉刺激也能够帮助激励患者延长其屏住呼吸能力。

包括成像协议优化的步骤214是可选步骤，其应该应用在运动控制检测到患者不能遵循屏住呼吸指令或者不能遵循屏住呼吸特令指定时间、不满足特定屏住呼吸能力标准的情况下。在该情况下，可以将实际所选择的成像协议改变成新的成像协议，新的成像协议需要更短的数据采集时间来完成相应的磁共振成像扫描。

此外，可以使用步骤214对成像协议进行微小变化，例如，包括基于步骤206的导航器扫描来调整切片位置。

随后，方法可以继续进行步骤216，在步骤216中，确定是否完成成像扫描。如果在步骤210中确定屏住呼吸水平改变，通常不应该是这种情况，以至于所述方法因而如上所述继续进行步骤202和204的重复并行执行。

与此相反，如果监测到成功屏住呼吸，将确定在步骤216中完成成像扫描，使得在执行了对在之前步骤204中所采集的MR图像数据重建之后，该方法因而可以在步骤218中结束。

一定要注意到，可以分析患者的呼吸历史记录，以便确定在给出自动屏住呼吸命令之后屏住呼吸的能力，屏住呼吸的能力包括屏住呼吸长度和在屏住呼吸期间的漂移。最好在步骤204之后和步骤210之前执行该分析。

虽然针对由于呼吸造成的生理运动描述了上述实施例，但是可以将该理念延伸到像心脏活动或者患者极度运动这样的任何类型的患者生理运动。

Claims (9)

1.一种对患者执行磁共振成像扫描的方法，所述方法包括：

-监测所述患者的生理信号水平；

-分析所监测到的生理信号水平；并且

-基于所分析的生理信号水平，通过动态地改变暴露给所述患者的环境条件而引导所述患者到预定的生理信号水平；并且

-根据在所述预定的生理信号水平的基础上所选择的扫描协议执行所述磁共振扫描。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述环境条件的改变包括下列中的至少一种：听觉刺激或空气调节改变。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述生理信号包括下列中的至少一种：所述患者的心脏活动。

4.如权利要求1所述的方法，其中，引导所述患者还包括给所述患者提供指令，该指令包括下列中至少一种：

-强力呼吸命令；

-与维持屏住呼吸水平相关联的患者激励命令；或者

-患者安慰命令。

5.如权利要求1所述的方法，还包括当没有实现所述预定的生理信号水平时，改变所选择的扫描协议，以适应于所监测到的生理信号水平。

6.如权利要求5所述的方法，其中，经改变的所选择的扫描协议包括：在执行所选择的扫描协议之前应用预备成像协议直到实现所述预定的生理信号水平为止。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述预备成像协议包括在声学上假装成像扫描正在运行。

8.如权利要求1所述的方法，还包括如果没有实现所述预定的生理信号水平，就在声学上模仿成像扫描给所述患者。

9.一种对患者执行磁共振成像扫描的装置，所述装置包括：

-用于监测所述患者的生理信号水平的模块；

-用于分析所监测到的生理信号水平的模块；以及

-用于基于所分析的生理信号水平，通过动态地改变暴露给所述患者的环境条件而引导所述患者到预定的生理信号水平的模块；以及

-用于根据在所述预定的生理信号水平的基础上所选择的扫描协议执行所述磁共振扫描的模块。