CN103649766B - 用于mr成像引导的介入的个性化rf线圈阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造用于MR成像引导的介入的个性化RF线圈阵列的方法。所述方法包括如下步骤：‑采集反映患者身体（10）的一部分的解剖结构的诊断图像数据；‑基于所述诊断图像数据规划介入，其中，在所述患者身体（10）的部分内的介入场所被确定；‑以这样的方式将一个或多个RF天线（11、12、13）布置到适于所述患者的解剖结构的衬底（19）上，即经由所述一个或多个RF天线（11、12、13）进行的来自所述介入场所的MR信号采集的信噪比被优化。此外，本发明涉及一种计算机程序和一种计算机工作站。

Description

用于MR成像引导的介入的个性化RF线圈阵列
技术领域
本发明涉及磁共振（MR）成像领域。其涉及一种制造用于MR成像引导的介入的个性化RF线圈阵列的方法。此外，本发明涉及一种计算机程序和一种计算机工作站。
背景技术
当前，尤其是在医疗诊断领域中广泛使用了利用磁场和核自旋之间的交互以便形成二维或三维图像的MR成像方法，因为对于软组织成像，它们在很多方面优于其他成像方法，其不需要电离辐射，且通常是无创的。
根据一般的MR方法，待检查的患者身体被布置在强均匀磁场中，磁场的方向同时定义测量所基于的坐标系的轴（通常为z轴）。磁场针对依赖于磁场强度的个体核自旋产生不同的能级，个体核自旋能够通过施加定义频率（所谓的拉莫尔频率或MR频率）的交变电磁场（RF场）被激励（自旋共振）。从宏观角度讲，个体核自旋的分布产生总体磁化，通过施加适当频率的电磁脉冲（RF脉冲）能够使总体磁化偏离平衡状态，同时RF脉冲的磁场垂直于z轴延伸，使得磁化绕z轴进行进动。进动运动描绘出锥形表面，其孔径角称为翻转角。翻转角的大小依赖于所施加的电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓的90°脉冲的情况中，自旋从z轴偏斜到横平面（翻转角90°）。经由MR设备的RF线圈布置使RF脉冲朝向患者身体辐射。RF线圈布置通常围绕在其中放置患者身体的检查体积。
在终止RF脉冲之后，磁化弛豫回原始平衡状态，在该状态中再次以第一时间常数T1（自旋晶格或纵向弛豫时间）建立z方向的磁化，并且垂直于z方向的方向上的磁化以第二时间常数T2（自旋-自旋或横弛豫时间）弛豫。能够借助接收RF线圈探测磁化的变化，接收RF线圈以这样的方式被布置并取向在MR设备的检查体积之内，即在垂直于z轴的方向上测量磁化的变化。在施加例如90°脉冲之后，横向磁化的衰减伴随着（局部磁场不均匀诱发的）核自旋从具有相同相位的有序状态到所有相位角均匀分布的状态的转变（移相）。能够借助重新聚焦脉冲（例如180°脉冲）补偿移相。这样在接收线圈中产生回波信号（自旋回波）。
为了在身体中实现空间分辨，在均匀磁场B0上叠加沿三个主轴延伸的线性磁场梯度，导致自旋共振频率的线性空间依赖性。之后接收线圈拾取的信号包含能够与身体中不同位置相关联的不同频率分量。经由接收线圈获得的信号数据对应于空间频率域，并被称为k空间数据。k空间数据通常包括利用不同相位编码采集的多条线。通过收集多个样本对每条线进行数字化。借助傅里叶变换或者其他适当算法将一组k空间数据转换为MR图像。
由于对受检查的患者和操作人员无有害影响，因而MR成像非常适合“介入放射学”，其中，所采集的并且重建的MR图像用于引导有创流程。成像引导的一般目的在于将基于成像的信息应用于诊断和治疗过程。已知的MR成像引导的治疗系统使用术前采集的MR图像创建解剖模型，解剖模型提供对3D解剖结构的定位、瞄准和可视化。这些模型支持术前规划，以定义并优化进入策略，并模拟所规划的介入。这些模型将图像坐标与手术场所内的仪器位置定义的实际位置联系起来。因而，它们使外科医生能够在全面了解周围解剖结构的情况下对流程进行导航并执行流程。
在多个实际应用中，在手术期间由于机械因素、生理活动、膨胀或出血，会发生软组织的移动和变形。这些变化可能会使器官或其组织成分移位至这种程度，即基于术前采集的MR成像的3D模型不能够与患者的实际解剖结构配准。在这种情况下，实现准确的MR成像引导的手术的最终解决方案是实时术中MR成像或者介入流程期间体积MR图像的至少频繁的更新。由此得到了一种方法，其能够连续地检测各种组织成分的位置的变化并对介入的目标及其环境定位以便界定出到达待处置病变的轨迹。因而，术中MR成像的调整是解剖结构在手术期间的变化或者组织完整性在治疗期间的变化。其目标在于允许MR成像引导的治疗充分利用由当前MR成像方法可获得的解剖结构信息和功能信息。通过为医师提供当前MR图像信息，手术或介入流程的安全性和效率将得到显著提高。
问题在于，在手术设置中难以将MR信号采集所需的RF线圈以这样的方式最优地放置到各自的身体部分周围，即（i）获得良好的信噪比（SNR）且（ii）为医师确保到达介入场所的良好进入。
发明内容
由上文将容易地认识到，需要一种改进的用于MR成像引导的介入的RF线圈布置，其能够实现高质量术中MR成像以及到达患者的良好进入。
根据本发明，公开了一种制造用于MR成像引导的介入的个性化RF线圈阵列的方法。所述方法包括如下步骤：
-采集反映患者身体的一部分的解剖结构的诊断图像数据；
-基于所述诊断图像数据规划介入，其中，在所述患者身体的部分内的介入场所被确定；
-以这样的方式将一个或多个RF天线布置到适于所述患者的解剖结构的衬底上，即经由所述一个或多个RF天线进行的来自所述介入场所的MR信号采集的信噪比被优化。
本发明提出了一种对用于MR成像引导的手术流程的RF线圈阵列的个性化设计。所述RF线圈阵列的设计，即，对所述RF天线的尺寸、形状和/或位置的设计基于待处置的患者身体的一部分的解剖结构，并且基于手术计划。在第一步中对可以包括X射线图像、CT图像和/或MR图像的诊断图像数据进行术前采集。可以基于这一诊断图像数据创建解剖模型，其能够实现对患者身体的部分的3D解剖结构的定位、瞄准和可视化。在第二步骤中，基于所采集到的诊断图像数据执行术前规划，以便界定介入场所并对优化进入策略。最后，从手术规划的结果导出RF线圈阵列的设计。自动计算衬底上的一个或多个RF天线的尺寸、形状和/或位置，由此优化术中从介入场所采集的MR信号的信噪比。
在其上布置一个或多个RF天线的衬底适于患者身体的形状，使得能够在手术介入期间将RF线圈阵列牢固地放置到紧密靠近患者身体，并且在患者身体上的明确界定的位置中。优选地，衬底的形状和衬底在患者身体上的位置这两者都从先前采集的诊断图像数据以及从规划结果导出。
根据本发明的优选实施例，还在规划介入的步骤中确定到达介入场所的进入路径，其中，一个或多个RF天线以这样的方式被布置到衬底上，即来自介入场所以及来自进入路径的MR信号采集的信噪比被优化。在这一实施例中，扩展确定RF线圈阵列的设计的优化标准，以确保高质量MR图像的采集，不仅来自介入场所本身（即介入的目标区域），而且还来自外科医生所采取的抵达待处置病变的进入路径。因而实现了在整个介入过程中的高质量MR图像的采集。
根据本发明的另一优选实施例，一个或多个孔以这种方式被提供在衬底上，即当将所述衬底附着到患者身体上时，使进入路径保持通畅。根据本发明的这一实施例，外科医生进入患者身体的部分所通过的衬底中孔径的尺寸、形状和位置从术前采集的诊断图像数据以及手术规划的结果导出。优选地，所述RF天线以与介入场所和/或进入路径的预定最小距离被布置到所述衬底上。这确保了外科医生可自由地进入介入场所。此外，避免了RF天线和手术仪器之间的干扰。
根据本发明的又一优选实施例，基于对MR信号采集期间RF电磁场分布的模拟计算RF天线的尺寸和/或形状，和/或其在所述衬底上的位置。这意味着执行RF电磁场模拟以便自动地确定RF天线的最佳尺寸、形状和/或位置，从而优化从介入场所和/或进入路径采集的MR信号的信噪比。如上文所述，可以通过在所述衬底上提供一个或多个孔而对这一优化进行约束，必须保持所述孔不受RF天线遮挡，以便能够在手术期间实现向患者身体内的进入。
在本发明的又一优选实施例中，将个性化RF线圈阵列的最终设计传递至制造所述个性化RF线圈阵列的快速成型设施。在制造步骤之后，RF线圈阵列就准备好用于规划的手术介入了。
本发明的方法还可以包括将用于经由RF天线进行的RF信号的发射和/或接收的电子部件布置到衬底上的步骤。例如，这样的电子部件可以是用于将RF线缆连接至各个天线的RF连接器、RF调谐和/或匹配网络或者直接连接至RF天线的RF前置放大器。也可以（至少部分地）借助快速成型制造这些电子部件。可以将借助快速成型生成印刷电路板和相关联部件的本领域已知技术用于这一目的。能够在单独的制造步骤中对不能通过快速成型方法制造的其他分立电子部件进行组装并将其集成到个性化RF线圈阵列内。
在本发明的可能实施例中，被布置到个性化RF线圈阵列的衬底上的RF天线是标准化RF线圈模块。在本发明的个性化RF线圈阵列中对标准化的预先制造的RF线圈模块的使用方便了制造过程。将各个标准化RF线圈模块置于衬底上，和/或使其互连，从而优化从介入场所和/或进入路径采集的MR信号的信噪比。
本发明不仅涉及一种方法，还涉及一种包括指令的计算机程序，所述指令用于：
-加载反映患者身体的一部分的解剖结构的诊断图像数据；
-基于所加载的诊断图像数据交互地规划介入，其中，在所述患者身体的部分内的介入场所被确定；
-计算一个或多个RF天线的尺寸、形状和/或位置，所述一个或多个RF天线将以这种方式被布置到适于所述患者的解剖结构的衬底上，即经由所述一个或多个RF天线进行的来自所述介入场所的MR信号采集的信噪比被优化。
能够将这样的计算机程序加载到包括显示器单元的专用计算机工作站内，能够经由所述工作站实现基于所加载的诊断图像数据的交互式手术规划。能够将所述计算机工作站直接连接至快速成型设施，所述快速成型设施根据自动计算出的尺寸、形状和/或位置制造包括衬底以及被布置在所述衬底上的RF天线的个性化RF线圈阵列。
附图说明
附图公开了本发明的优选实施例。然而应理解，附图被设计为仅出于说明的目的，而不作为本发明限制的定义。在附图中：
图1示意性地示出了包括根据本发明的个性化RF线圈阵列的MR设备；
图2更加详细地示出了图1的RF线圈阵列；
图3示出了根据本发明的个性化RF线圈阵列的另一实施例。
具体实施方式
参考图1，示出了MR设备1。所述设备包括超导或常导主磁体线圈2，从而贯穿检查体积沿z轴创建基本上均匀的时间恒定的主磁场B0。所述设备还包括（一阶、二阶以及适当情况下的三阶）匀场线圈的集合2'，其中，通过集合2'的各个匀场线圈的电流是可控的，从而达到使检查体积内的B0偏差最小化的目的。
磁共振生成和操纵系统施加一系列RF脉冲和切换的磁场梯度，以反转或激励核磁自旋、诱发磁共振、对磁共振重新聚焦、操纵磁共振、对磁共振进行空间和其他编码、使自旋饱和等，以执行MR成像。
更具体而言，梯度脉冲放大器3沿检查体积的x、y和z轴向全身梯度线圈4、5和6中的选定线圈施加电流脉冲。数字RF频率发射器7经由发送/接收开关8向身体RF线圈9发射RF脉冲或脉冲群，从而将RF脉冲发射到检查体积内。典型的MR成像序列包括一起采集的短持续时间的RF脉冲段的群，并且任何施加的磁场梯度实现对核磁共振的选定操纵。RF脉冲用于使共振饱和、激励共振、反转磁化、使共振重新聚焦、或者操纵共振并选择处于检查体积内的身体10的一部分。还由身体RF线圈9拾取MR信号。
针对例如借助并行成像的身体10的头部区域的MR图像的术中生成，将一组局部阵列RF天线（线圈）11、12、13放置到面罩19上，该面罩构成了本发明的意义上的适于患者的头部解剖结构的衬底。将RF线圈11、12、13放置为与选定进行成像的头部区域邻接。因而，能够在例如脑部手术期间采集高质量的MR图像。阵列线圈11、12、13能够用于接收由身体线圈RF发射诱发的MR信号。
所产生的MR信号由身体RF线圈9和/或阵列RF线圈11、12、13拾取，并由优选包括前置放大器（未示出）的接收器14解调。接收器14经由发送/接收开关8连接到RF线圈9、11、12和13。
主计算机15控制经过匀场线圈2'的电流以及梯度脉冲放大器3和发射器7，以生成多个MR成像序列中的任意，例如，回波平面成像（EPI）、回波体积成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等。对于选定的序列，接收器14快速连续地接收每个RF激励脉冲之后的单条或多条MR数据线。数据采集系统16执行接收信号的模数字转换，并将每条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是专用于采集原始图像数据的独立计算机。
最后，重建处理器17应用傅里叶变换或其他适当的重建算法（例如，SENSE或GRAPPA）将数字原始图像数据重建为图像表示。MR图像可以表示贯穿患者的平面片层、平行的平面片层的阵列、三维体积等。之后，将图像存储到图像存储器内，在那里所述图像可以被访问，以用于将图像表示的片层、投影或者其他部分转换成可视化的适当格式，例如，经由视频监视器18，视频监视器18提供所产生的MR图像的人类可读显示。
图2更加详细地示出了本发明的个性化RF线圈阵列。从图2能够看出，衬底19是适于患者头部的形状的面罩（例如，由适当的塑料材料制造的）。面罩19包括针对患者眼睛、口以及鼻的孔。RF线圈11、12、13以这种方式被布置到面罩19上，即经由RF线圈11、12、13从患者脑部的介入场所采集的MR信号的信噪比被优化。图2所示的个性化RF线圈阵列还包括处于规划部位上的用于开颅手术的孔，从而允许外科医生进入颅骨和脑。在图2中由箭头20指示了对应的进入路径。个性化RF线圈阵列借助快速成型以自动化的方式被设计和制造。其中，借助电磁场分布的模拟计算RF线圈11、12和13的尺寸、形状和位置，以便在考虑由介入规划得到的介入场所和进入路径的情况下优化信噪比。面罩19的必要孔被用作优化流程中的约束条件。
图3图示了本发明的实施例，其中，使用标准化的可互连RF线圈模块。根据上文描述的优化标准将线圈模块21布置到面罩19上。经由线缆连接将互连的RF线圈模块21连接至包括例如RF前置放大器的RF单元22。

Claims (11)

1.一种生产用于在患者身体的一部分上的MR成像引导的手术流程的个性化RF线圈阵列的方法，所述方法包括如下步骤：
-使用来自X射线诊断图像、CT诊断图像、MR诊断图像中的至少一种的图像数据，创建患者身体(10)的所述部分的解剖结构的模型；
-确定在所述患者身体(10)的所述部分内的介入区域和到达所述介入区域的进入路径(20)，所述进入路径限制所述手术流程期间的进入策略；并且
-将包括具有一个或多个RF天线(11、12、13)的RF线圈阵列的衬底布置到所确定的介入区域的所述模型上，其中，基于所述图像数据，计算所述RF天线的尺寸、形状和位置，以优化从所述进入路径和所述介入区域采集的MR信号的信噪比，并且其中，所述衬底的形状适于所述模型的形状，从而在所述手术流程期间将所述RF线圈阵列紧密邻近所述患者身体的所述部分放置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述衬底(19)上提供一个或多个孔，以当所述衬底(19)在所述手术流程期间被附着到所述患者身体(10)上时，保持所述进入路径(20)通畅的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述RF天线(11、12、13)以与所述介入区域和/或所述进入路径(20)的预定最小距离被布置到所述衬底(19)上。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述RF天线(11、12、13)的尺寸和/或形状，和/或所述RF天线(11、12、13)在所述衬底(19)上的位置，是基于对MR信号采集期间的RF电磁场分布的模拟而计算的。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，还包括使用快速成型以形成具有一个或多个RF天线的所述RF线圈阵列的步骤。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，还包括将用于经由所述RF天线(11、12、13)进行RF信号发射和/或接收的电子部件布置到所述衬底(19)上的步骤。
7.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述RF天线(11、12、13)是标准化的RF线圈模块(21)。
8.一种生产用于在患者身体的一部分上的MR成像引导的手术流程的个性化RF线圈阵列的装置，所述装置包括：
-用于引导使用来自所述患者身体(10)的所述部分的X射线诊断图像、CT诊断图像、MR诊断图像中的至少一种的图像数据对所述患者身体的所述部分的解剖结构的模型的创建的单元；
-用于确定在所述患者身体(10)的所述部分内的介入区域和到达所述介入区域的进入路径(20)的单元，所述进入路径限制所述手术流程期间的进入策略；并且
-用于将包括具有一个或多个RF天线(11、12、13)的RF线圈阵列的衬底布置到所确定的介入区域的所述模型上的单元，包括基于所述图像数据，计算所述RF天线(11、12、13)的尺寸、形状和/或位置，以优化经由所述一个或多个RF天线(11、12、13)从所述进入路径和所述介入区域采集的MR信号的信噪比。
9.根据权利要求8所述的装置，还包括用于根据所计算出的尺寸、形状和/或位置来控制对含有所述RF天线(11、12、13)的所述RF线圈阵列的快速成型的单元。
10.一种被配置为执行生产用于在患者身体的一部分上的MR成像引导的手术流程的个性化RF线圈阵列的方法的工作站，所述方法包括如下步骤：
-引导使用来自所述患者身体(10)的所述部分的X射线诊断图像、CT诊断图像、MR诊断图像中的至少一种的图像数据对所述患者身体的所述部分的解剖结构的模型的创建；
-确定在所述患者身体(10)的所述部分内的介入区域和到达所述介入区域的进入路径(20)，所述进入路径限制所述手术流程期间的进入策略；并且
-将包括具有一个或多个RF天线(11、12、13)的RF线圈阵列的衬底布置到所确定的介入区域的所述模型上，这包括基于所述图像数据，计算所述RF天线(11、12、13)的尺寸、形状和/或位置，以优化经由所述一个或多个RF天线(11、12、13)从所述进入路径和所述介入区域采集的MR信号的信噪比。
11.根据权利要求10所述的工作站，还包括如下步骤：根据所计算出的尺寸、形状和/或位置，控制对含有所述RF天线(11、12、13)的所述RF线圈阵列的快速成型。
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