CN103948389A - 磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法 - Google Patents

Abstract

一种磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法，包括如下步骤：a.通过高场磁共振设备对人体组织进行测量，得到射频磁场B在空间坐标系三个直角坐标的分量、和的分布图；b.将、和的分布图代入式Ⅰ，求得复电特性；式Ⅰ为：；c.分离复电特性的实部和虚部，分别得到人体组织的电导率和电容率。本发明的结果精确度高，能够计算出不同组织、以及健康和病变组织之间的电特性差异，提供人体内组织的电特性参数差异，为临床病变诊断提供依据。

Description

磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法

技术领域

本发明涉及一种医学图像处理方法，特别涉及一种磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法。

背景技术

人体组织电性能磁共振断层成像（Magnetic Resonance Electrical Properties Tomography, MR EPT）技术是在传统质子磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）技术基础上，通过检测能够反映人体组织非均匀的电性能（Electrical Properties, EPs）分布的MR射频（Radiofrequency, RF）场，再通过一定的EPs算法来计算得到人体组织各处的EPs分布的新兴MR成像技术，是近年来MR领域备受瞩目的研究热点。

电性能，也称为介电特性，主要是指组织的电导率和电容率，磁特性是指组织的磁导率。一般而言，人体组织是非磁性物质，其磁导率接近真空中的磁导率，可被看作是常数。人体组织各处的EPs与组织内非均匀分布的绝缘的细胞膜和导电的电解液等有关，因此组织各处的EPs分布呈现非均匀性，并具有频率依赖性。当人体组织的基本构造单位细胞的生理和病理状态发生改变时，组织的EPs也将发生改变。早有实验证实，正常组织和肿瘤组织的EPs往往差异较大，有的差异甚至达到了10倍以上。如果能够对活体组织的EPs进行成像，这些EPs图像将反映组织、器官的生理和病理状态，可能为诊断提供有价值的信息。特别地，活体组织EPs成像可能用于癌症早期诊断，甚至可能用于追踪监测正常组织向肿瘤组织演化的整个变化过程，对癌症的研究和治疗可能具有开创性的价值。可见，人体活体组织EPs成像，具有巨大的临床应用前景。

MRI是人体组织与特定电磁场（即强静磁场、梯度磁场以及射频电磁场）相互作用的系统，因此，MRI系统检测到的MR信号中，必然携带了人体组织电磁特性分布信息。因此，MR EPT技术是一种无创得到人体组织电性能的方法。

近年围绕MR EPT技术的基础研究和临床测试研究非常活跃。总而言之，提高人体活体组织无创EPs断层成像的分辨率，使之达到临床疾病研究和诊断的需要，是MR EPT技术发展的核心目标。理论上讲，基于MR EPT技术的人体组织EPs断层成像的分辨率，完全能够达到与高场MRI图像分辨率相同的精度。但是，目前无论3T还是7T MR EPT技术，在EPs算法上都做了一定的近似处理，假设复EPs的梯度为零，即                                                =0，其中。复EPs的梯度为零，意味着复电性能在空间的分布是均匀不变的，而实际中，人体不同部位、不同组织器官的电性能参数都是不同的。目前MR EPT技术的这种假设方法，使得在测量不同组织边界处的电性能参数时，结果误差很大，数值结果出现边界振荡现象，普遍存在成像分辨率低等问题，无法满足临床的测量精度。

因此，针对现有技术不足提供一种磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明面的目的是提供一种磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法，具有结果精确的特点。

本发明的上述目的通过以下的技术手段实现： 

一种磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法，包括如下步骤：

一种磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.通过高场磁共振设备对人体组织进行进行测量，得到射频磁场B在空间坐标系三个直角坐标的分量、和的分布图， B是矢量函数且，、和均为复数；

b. 将、和的分布图代入式Ⅰ，求得复电性能；

                                                  ……（式Ⅰ），

其中，是时谐因子, 是常数，是磁导率, 是复电性能；

c.分离复电性能的实部和虚部，分别得到人体组织的电导率和电容率。

优选的，还可包括步骤d，根据人体组织的电导率和电容率分别得到人体组织的电导率分布图和电容率分布图。

具体的，上述步骤b中的式Ⅰ通过如下方式计算得到：

根据麦克斯韦方程…….（1）；

其中，是磁感应强度矢量，是电流密度矢量，E是电场强度矢量，是电容率，t是时间，是矢量微分算符，是偏微分算符；

辅助方程…….（2）；其中，是电导率；

考虑时谐因子，其中是虚数符号，是角频率，式（1）变为：

…….（3）；

在式（3）两边进行运算，得到：

…….（4）；

依据矢量运算恒等式，和高斯定理，得到式（4）的左边为；式（4）即变为：

…….（5）；

利用矢量恒等式，其中是标量函数，是矢量函数，式（5）的右边变为：

                                                        …….（6）；

依据时谐麦克斯韦方程 …….（7）；

结合式（7）和式（3），式（6）变为：

…….（8）；

令复导纳率，和是空间函数，是常数，则式（8）变为：

 …….（9） ；                           

将式（9）两边点乘，得到：

 ……. (9b) ；

由于，所以得到：，即：

  …….  (9c) ；

令，，带入式(9c)展开，得到：

     …….  (9d)；

其中，， ， ，则式（9d）变为：

…….   (式Ⅰ)；

式Ⅰ中，、、和均为复数。

本发明的磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法，通过获取射频磁场B在空间坐标系三个直角坐标的分量、和的分布图，并采用式Ⅰ作为人体组织电性能参数求解的解析公式，能够计算任何组织和器官内非均匀分布的电性能参数。更加符合人体组织器官内电性能参数分布的实际情况。本发明算法精确，能够计算出不同组织、以及健康和病变组织之间的电性能差异，提供人体内组织的电性能参数的差别，从而为临床病变诊断提供依据。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1显示了人体全身组织矢状面组织分布图；

图2显示了采用本发明的方法获得的人体组织电导率横截面分布图；

图3显示了采用本发明的方法获得的人体组织电容率横截面分布图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1。

一种磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数的方法，包括如下步骤：

a. 通过高场磁共振设备对人体组织进行进行测量，得到射频磁场B在空间坐标系三个直角坐标的分量、和的分布图， B是矢量函数且，、和均为复数；

需要说明的是，通过高场磁共振各种B1 场影像（B1 Mapping）技术，可以测量得到，，，具体测量方法属于本领域公知常识，在此不再赘述。

b. 将、和的分布图代入式Ⅰ，求得复电性能；

                                                  ……（式Ⅰ），

其中，是时谐因子, 是常数，是磁导率, 是复电性能；

c.分离复电性能的实部和虚部，分别得到人体组织的电导率和电容率。

需要说明的是，还可包括步骤d，根据人体组织的电导率和电容率分别得到人体组织的电导率分布图和电容率分布图，具有直观的特点。

本发明磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数的方法，从电磁场最基本原理麦克斯韦方程出发，经过严密的推理，得到本发明步骤b中的解析算式式Ⅰ。

所述步骤b中的式Ⅰ通过如下方式计算得到：

根据麦克斯韦方程…….（1）；

其中，是磁感应强度矢量，是电流密度矢量，E是电场强度矢量，是电容率，t是时间，是矢量微分算符，是偏微分算符；

辅助方程…….（2）；其中，是电导率；

考虑时谐因子，其中是虚数符号，是角频率，式（1）变为：

…….（3）；

在式（3）两边进行运算，得到：

…….（4）；

依据矢量运算恒等式，和高斯定理，得到式（4）的左边为；式（4）即变为：

…….（5）；

利用矢量恒等式，其中是标量函数，是矢量函数，式（5）的右边变为：

                                                        …….（6）；

依据时谐麦克斯韦方程 …….（7）；

结合式（7）和式（3），式（6）变为：

…….（8）；

令复导纳率，和是空间函数，是常数，则式（8）变为：

 …….（9） ；                           

将式（9）两边点乘，得到：

 ……. (9b) ；

由于，所以得到：，即：

  …….  (9c) ；

令，，带入式(9c)展开，得到：

     …….  (9d)；

其中，， ， ，则式（9d）变为：

…….   (式Ⅰ)；

式Ⅰ中，、、和均为复数。

从中可以看出，式Ⅰ不需要“人体组织局部内电性能参数分布均匀”的前提假设条件，能够计算任何组织和器官内非均匀分布的电性能参数。克服了现有技术中，因为引入类似“人体组织局部内电性能参数分布均匀”等前提假设条件而造成的结果与实际之间存在误差的缺陷。

本发明更加符合人体组织器官内电性能参数分布的实际情况。因为人体内不同组织之间的电性能参数是差别很大的，而且即使同一组织内，如果有病变的话（比如癌症），则该病变部位的电性能参数也有可能发生很大的变化。

由于没有设定相关前提假设条件，能够给出人体内组织器官电性能分布的精确求解。算法精确，能够计算出不同组织、以及健康和病变组织之间的电性能差异。及时获得健康组织和病变组织之间的组织电性能差异性，使得MR EPT技术能够在临床诊断中有效应用。

实施例2。

提供一种实验例，具体如下。

（1）原料选择：

采用16通道7T下的发射接收阵列线圈作为高场磁共振线圈，其发射通道是16个，每个发射通道（element）各设置有1个功率为1千瓦（KW）的放大器，并配备由遥控的相位/幅度增益单元。

（2）发射和接收各单元相对相位求解：

只采用一个发射通道发射的时候，获取一系列16个小的偏转角（flip angle）的二维梯度回波（简称2D GRE） 图象，分别用16个通道分开同时接收。这样不同线圈单元（coil element）之间的相对的和的相位图，就计算出来了，具体计算步骤如下：

2.1从10ms和6ms回波时间（TE）的两幅图的复比的相位中推导出来图，得到，即后续用到的；

2.2假设；

2.3计算；

2.4计算，

其中；

2.5最后得到要求的为：。

发射各单元相对相位差计算过程如下：

2.21用单元K发射，用所有的单元接收，其中接收单元j接收的复数据的相位为原始数据，即

；

2.22使用与上述接收单元相对相位计算采用的图，得到；

2.23假设；

2.24对每一个单独发射的k单元，计算各个接收单元的；

2.25在得到的原数据中去除这三项，得到；

2.26当仅使用一个单元发射，在某些区域的信噪比（SNR）会很低。为了减小相加引起的相位噪声，对于每个发射单元K，我们把对应的所有的接收单元j的数据，按照逐个像素点对应相加，用来估计相位表达：

；

对应着16个发射单元单独发射，分别得到的上述的那16个求和，再全部相加，用来估计。假设（跟接收场B1类似）线圈相关的相对相位项在相加中能够相互抵消，得到：

；

最后，每一个发射单元的相对发射相位，从之前的两个方程中推导出：

。

（3）获得发射磁场映像图：

采用实际偏转角（Actual Flip Angel）B1场映像技术，获取3D的激励偏转角（flip angle）图，这时所有的发射通道同时发射，与之前的获得的小偏转角（flip angle）的 梯度回波（GRE）图融合到一起，计算每个发射通道的的幅度。

具体是：

3.1 所有发射单元同时发射，所有单元接收，得到；

3.2  K个发射线圈发射通道和J个接收线圈接收通道，当只采用第个发射单元发射时，采用合适的MRI序列，在第个接收线圈获得的复信号，复比的相位（就是两个发射项相除），可以看作是各个发射单元之间的相位差； 

3.3对于给定的各个通道的相位（phase） 和幅度（magnitude）设置，有，测量了和所有的，就可以产生每个线圈发射通道的幅度图，即： 。

（4）获得基于质子密度的成像图：

最后，所有的通道一起发射，采用大的偏转角（flip angle）(高SNR)、长的TR（纵向磁化大概处于平衡）、短的TE(可忽略的T2弛豫)获取2D GRE图像；每一个接收到的图像（共16个）都用“激励偏转角的正弦”归一化，产生16个基于质子密度的幅度图。

（5）质子密度提取以及的求解：

基于之前的观察，发射B1的各个单元的幅度和,与接收的各个单元的幅度和，基本相当，在大约椭球对称的脑部结构下，以及在沿y轴椭球对称的情况下。根据经验观察，如果将发射的幅度和（SOM）以y轴为对称轴翻转的话，则二者更接近。这样，质子密度（与长轴磁化Mz成正比的）就可以提取出来了：   ；

于是得到：  。

（6）组织电性能参数计算：

根据互易原理和磁场高斯定理，由上面得到的发射磁场幅度和接收磁场幅度以及他们各自的相位，计算得到射频磁场的3个直角坐标分量，即得到、和的分布图。

将、和的分布图代入式Ⅰ，求得复电性能；分离复电性能的实部和虚部，求解得到组织的电导率和电容量。

图1显示了人体全身组织矢状面组织分布图，图2显示了采用本发明的方法获得的人体组织电导率横截面分布图，图3显示了采用本发明的方法获得的人体组织电容率横截面分布图。

本发明的解析算法式Ⅰ不需要以“人体组织局部内电性能参数分布均匀”的前提假设条件，能够计算任何组织和器官内非均匀分布的电性能参数。克服了现有技术中，因为引入类似“人体组织局部内电性能参数分布均匀”等前提假设条件而造成的结果与实际之间存在误差的缺陷。

本发明更加符合人体组织器官内电性能参数分布的实际情况。因为人体内不同组织之间的电性能参数是差别很大的，而且即使同一组织内，如果有病变的话（比如癌症），则该病变部位的电性能参数也有可能发生很大的变化。

由于没有设定相关前提假设条件，能够给出人体内组织器官电性能分布的精确求解。算法精确，能够计算出不同组织、以及健康和病变组织之间的电性能差异。及时获得健康组织和病变组织之间的组织电性能差异性，使得MR EPT技术能够在临床诊断中有效应用。

需要说明的是，本发明步骤a中，、和的分布图的具体获取方法可以根据所作的选材等不同，可以对其处理方法进行调整，不局限于本实施例的情况。本领域普通技术人员可以根据具体需求灵活调整。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.一种磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.通过高场磁共振设备对人体组织进行测量，得到射频磁场B在空间坐标系三个直角坐标的分量                                                、和的分布图， B是矢量函数且，、和均为复数；

b. 将、和的分布图代入式Ⅰ，求得复电性能；

                                                  ……（式Ⅰ），

其中，是时谐因子, 是常数，是磁导率, 是复电性能；

c.分离复电性能的实部和虚部，分别得到人体组织的电导率和电容率。

2.根据权利要求1所述的磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法，其特征在于，还包括步骤d，根据人体组织的电导率和电容率分别得到人体组织的电导率分布图和电容率分布图。

3.根据权利要求1所述的所述的磁共振断层成像方式获得人体组织电性能参数分布的方法，其特征在于，

所述步骤b中的式Ⅰ通过如下方式计算得到：

根据麦克斯韦方程…….（1）；

其中，是磁感应强度矢量，是电流密度矢量，E是电场强度矢量，是电容率，t是时间，是矢量微分算符，是偏微分算符；

辅助方程…….（2）；其中，是电导率；

考虑时谐因子，其中是虚数符号，是角频率，式（1）变为：

…….（3）；

在式（3）两边进行运算，得到：

…….（4）；

依据矢量运算恒等式，和高斯定理，得到式（4）的左边为；式（4）即变为：

…….（5）；

利用矢量恒等式，其中是标量函数，是矢量函数，式（5）的右边变为：

                                                        …….（6）；

依据时谐麦克斯韦方程 …….（7）；

结合式（7）和式（3），式（6）变为：

…….（8）；

令复导纳率，和是空间函数，是常数，则式（8）变为：

 …….（9） ；                           

将式（9）两边点乘，得到：

 ……. (9b) ；

由于，所以得到：，即：

  …….  (9c) ；

令，，带入式(9c)展开，得到：

    

 …….  (9d)；

其中，， ， ，则式（9d）变为：

…….   (式Ⅰ)；

式Ⅰ中，、、和均为复数。