CN106419914B - Mpi方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MPI方法，其中施加位置相关的磁场，所述磁场具有无场区域，包括：测定校准体积和测量体积，其中所述校准体积大于所述测量体积，并且其中全部测量体积被设置在校准体积内；检测校准信号并且产生系统矩阵S；记录MPI测量信号u；采用校准体积内的磁性粒子浓度值ci重建位置相关的磁性粒子浓度c，以及把磁性粒子浓度值ci与校准体积内的体素关联；舍弃与测量体积外面的体素关联的那些磁性粒子浓度值ci；产生只包含磁性粒子浓度值ci的MPI图像，浓度值与所述测量体积内的体素是关联的.本发明的方法允许在短时间内产生MPI图像数据，即使是在测量体积外面的高磁性粒子密度的情况下也具有很少的伪影。

Description

MPI方法
技术领域
本发明涉及一种用于将磁性粒子定位在试样中的MPI方法。
背景技术
在本发明的MPI方法中施加位置相关的磁场，所述磁场具有无场区域，所述方法包括以下处理步骤：
确定校准体积和测量体积，其中所述校准体积大于所述测量体积，并且其中全部的测量体积被设置在所述校准体积内；
检测校准信号Sj并且从校准信号Sj中产生系统矩阵S；
记录MPI测量信号u(MPI时间信号或通过MPI时间信号的傅里叶变换获得的MPI频谱)，其中通过应用磁性控制场，无场区域借助于测量序列移动通过测量体积；
根据记录的MPI测量信号u和产生的系统矩阵S重建校准体积中的具有磁性粒子浓度值ci的位置相关的磁性粒子浓度，以及把磁性粒子浓度值ci与所述校准体积内的体素相关联。
例如参考文献[01]-[03]中公开了该类型的方法。
磁性粒子成像(简写为“MPI”)是一种成像方法，其允许测定超顺磁性纳米粒子(在当前情况下被指定为磁性粒子)的局部分布。为此，磁性粒子被暴露到测量体积中的不同的静态和动态磁场，并且借助于接收线圈来检测磁性粒子的磁化强度变化。在MPI中为了空间编码，在具有无场区域的测量体积的区域中施加磁性梯度场。无场区域借助于动态磁场(驱动场)和/或均匀的聚焦场沿着测量体积内的预定轨迹(无场区域的每个点的预定相关性)移动。通过用无场区域扫过磁性粒子以及相关的磁化强度变化，产生由接收线圈检测的测量信号。
为了校准系统而产生了系统矩阵。为此目的，例如可以执行校准测量，其中为每个测量点记录校准信号并且将其储存在系统矩阵中。对于测量体积外面的校准样品的位置，也执行了校准测量，其允许重建比测量体积大的全部体积的MPI图像。
然而，在参考文献[01]和[02]中，在磁性粒子的以下假没上进行MPI测量，其中所有的磁性粒子被定位在测量体积内，参考文献[03]描述了一种用于体内记录大鼠心脏的方法。在体内记录期间，磁性粒子同样位于测量体积的外面。尽管这些粒子未被无场区域扫过，但由于它们的旋转以及无场区域的不清晰，它们仍然对测量信号做出贡献。这可以导致MPI图像中的伪影。
发明目的
本发明的根本目的在于提出一种尤其是用于体内MPI记录的方法，借助于该方法，能够产生低伪影的图像数据，即使测量体积外面具有高磁性粒子密度，并且省时。
发明内容
根据本发明，采用根据一种用于将磁性粒子定位在测试样品中的磁性粒子成像MPI方法实现该目的。其中施加位置相关的磁场，所述磁场具有无场区域，所述MPI方法包括以下处理步骤：
确定校准体积(KV1、KV2、KV3)和测量体积(MV)，其中所述校准体积(KV1、KV2、KV3)大于所述测量体积(MV)，并且其中全部测量体积(MV)被设置在所述校准体积(KV1、KV2、KV3)内；
检测校准信号Sj并且从所述校准信号Sj产生系统矩阵S；
记录MPI测量信号u，其中通过施加磁性控制场，所述无场区域借助于测量序列移动通过所述测量体积(MV)；
根据记录的MPI测量信号和产生的系统矩阵S重建所述校准体积(KV1、KV2、KV3)内的具有磁性粒子浓度值ci的位置相关的磁性粒子浓度c，以及把磁性粒子浓度值ci与所述校准体积(KV1、KV2、KV3)中的体素相关联；
舍弃与所述测量体积(MV)外面的体素关联的那些磁性粒子浓度值ci；
产生只包含与所述测量体积内的体素网格的体素关联的磁性粒子浓度值ci的MPI图像。
测量体积和校准体积均包括多个体素(体积单元)，其中体素的尺寸取决于用于校准测量体积的校准样品位置的分离。对于一种优选的应用，体素的尺寸相应于校准样品的尺寸，并且校准样品位置相应于体素的中央。
根据本发明，舍弃与测量体积外面的体素关联的那些磁性粒子浓度值，并且产生专门包含与测量体积内的体素网格的体素相关的磁性粒子浓度值的MPI图像。
时间信号可以被检测作为校准信号，或者可以通过傅立叶变换从时间信号获得频谱。
为了最小化位于测量体积外面的磁性粒子对测量结果的影响，同样检测了用于测量体积外面的样品位置的校准信号(“过扫描”)。然而，与现有技术相比，舍弃了与测量体积外面的体素关联的那些重建的磁性粒子浓度值，并且产生了专门包含与测量体积内的体素关联的磁性粒子浓度值的MPI图像。
在本发明的范围内，发现为了利用被选择成大于测量体积的校准体积进行重建，测量体积外面的磁性粒子的粒子信号被投射到测量体积的外部边界，不取决于它们的实际位置，从而在重建之后，可能发生过扫描区域(测量体积外面的校准体积区域)的错误解释。本发明在检测校准信号(校准体积>测量体积)的期间的“过扫描”以及重建总校准体积，结合舍弃用于测量体积外面的体素的磁性粒子浓度值，确保了考虑位于测量体积外面的磁性粒子对测量体积内的MPI信号的影响。而且，位于测量体积外面的磁性粒子对测量体积外面的重建数据的影响不进入用于进一步评价/解释的MPI图像。为此，MPI图像仅包含可靠的MPI数据(磁性粒子浓度值)。
在产生图像文件之前或之后，可以舍弃测量体积外面的磁性粒子浓度值。决定性的是在用于进一步评价的MPI图像中未检测与测量体积外面的体素关联的磁性粒子浓度值，以防止错误解释包含在MPI图像中的数据。
以用户定义的方式选择测量体积，并且根据线圈形貌通过激励场和/或梯度场和/或聚焦场来定义测量体积。
无场区域例如可以是无场点或者无场线，其沿着通过测量体积的轨迹移动通过测量序列。
当将要确定粒子浓度的区域大于测量体积时，本发明的方法是特别有优势的。为此，必须执行多个MPI测量，其中测量体积必须相应地移动，并且总测量体积形成将被测量的区域。根据本发明，测量体积外面的重建的磁性粒子浓度值不能进入被示出为MPI图像的最终确定的位置分辨的磁性粒子浓度。根据本发明，为了记录多个相邻的测量体积，必须以校准体积重叠的方式选择校准体积(围绕过扫描区域)。
发明的有利实施例
校准体积有利地围绕测量体积，即校准体积在所有方向上凸出超过测量体积。用这种方式，位于测量体积外面的不同侧上的磁性粒子被同等地考虑。
在本发明方法的一种特别优选的变形例中，在每个情况下，校准体积在每个方向上凸出测量体积单个体素。因此，可以最小化校准和重建所需的时间。尤其是，在测量体积外面的磁性粒子浓度和测量体积里面的磁性粒子浓度之间的比值小的情况下，在选择较大的过扫描的情况下由于测量期间出现的噪音，未取得实质性的改进，从而具有单个体素厚度的过扫描就足够了。
在本发明方法的一种优选的变形例中，采用比测量体积里面低的分辨率检测测量体积外面的区域中的校准信号。因此，能够以省时的方式扫描过扫描区域。
这能够得以实现，例如在测量体积外面的区域中记录比该区域中存在的体素位置更少的校准信号。为此，未对测量体积外面所有的体素检测校准信号。测量体积的体素网格从而可以被延伸到总校准体积(对于测量体积和过扫描区域是相同的体素网格)。
可替换地或者另外地，可以使用比用于检测测量体积里面的校准信号更大的校准样品来检测测量体积外面的校准信号。
而且，为了检测测量体积外面的校准信号，可以使用另一个体素网格，尤其是具有比那些用于检测测量体积内的校准信号更大的体素的体素网格。过扫描区域中的体素网格的变化意味着校准样品移动到其它的校准样品位置。在这种情况下，体素网格因此被调节到过扫描区域中的预期分辨率。
同样可行的是提供用于检测测量体积外面的校准信号的所有三种措施，即使用较大的校准样品，调节体素网格，并且记录比该区域中的体素位置少的校准信号。
所述方法有利地用于测量那些具有至少一个邻近测量体积的区域的试样，其中磁性粒子浓度占优势，其大于零(即测量体积外面存在磁性粒子，例如在体内测量中)，优选大于或等于测量体积中的磁性粒子浓度。尤其是，在后面的情况中，磁性粒子对测量体积里面的区域以及测量体积外面的校准体积的区域的影响是大的。为此，采用常规的方法能够出现相当多的伪影。
为了检测校准信号，有利地执行校准测量，其中对于校准体积内的校准样品的不同位置，在每种情况下检测校准信号Sj，其中在检测每个校准信号Sj期间，通过根据测量序列应用磁性控制场使无场区域移动通过测量体积。
为了校准系统矩阵，在每个情况下，将校准样品移动到不同的体素位置并且测量系统响应(校准信号Sj)。由于温度影响，在测量开始时可能发生校准信号的各个频率处的飘移。根据本发明，在重建之后，再次舍弃用于测量体积外面的体素的重建数值，并且为此对于校准测量有优势的是首先为测量体积外面的样品位置测量校准信号，并且随后为测量体积里面的样品位置测量校准信号。在这种情况下，飘移效应对于MPI图像不具有实质性的影响。
本发明的方法有利地用于体内记录。在这里，由于在体内记录的情况下，测量体积外面正常地存在不能被忽视的磁性粒子浓度，本发明是特别有优势的。
附图说明
图1示出了本发明方法的流程图；
图2示出了具有利萨如(Lissajous)轨迹的测量体积(二维图)；
图3示出了图2的测量体积以及具有单个体素行的过扫描的校准体积(二维图)；
图4示出了图2的测量体积以及具有两个体素行的过扫描的校准体积(二维图)；
图5示出了图2的测量体积以及具有两个体素行的过扫描的校准体积(相应于过扫描区域的体素网格)，其中在测量体积的外面使用了具有半分辨率的体素网格。校准样品的尺寸被调节到体素尺寸，从而校准样品被用于是测量体积四倍的过扫描区域(二维图)；
图6示出了用于模拟的磁性粒子分布的参考图像；
图7示出了图6的无过扫描的磁性粒子分布的模拟数据；
图8示出了图6的具有两个体素行的过扫描的磁性粒子分布的模拟数据；
图9示出了图6的具有两个体素行的过扫描(相应于过扫描区域的体素网格)的磁性粒子分布的模拟数据，其中在过扫描区域中使用了具有半分辨率的体素网格。校准样品的尺寸被调节到体素尺寸，从而校准样品被用于是测量体积四倍的过扫描区域；
图10示出了具有根据图9的过扫描的本发明方法的结果。
具体实施方式
下面描述在图1中给出的本发明方法的过程步骤：
首先，选择用户定义的测量体积以及用于测量体积的体素网格，其中在随后的MPI测量期间，在测量体积的体素网格的各个体素上移动无场区域。为此施加了相应的磁场(梯度场、激励场、聚焦场)，其中测量体积的尺寸取决于这些磁场的幅度，或者磁场被调节，从而获得测量体积的期望尺寸。
为了建立一个系统矩阵，在先前选择的校准体积中进行校准，校准体积大于测量体积(校准体积＝测量体积+过扫描区域)并且包含测量体积。随后可以为过扫描区域选择不同于测量体积的体素网格的体素网格，或者测量体积的体素网格可以被扩展到总校准体积。可以通过模拟或者通过校准测量来进行校准。对于校准测量，使用了填充有磁性粒子的小样品(校准样品)，其中尤其是可以使用不同的校准样品来检测测量体积里面和外面的校准信号。例如借助于定位机器人将校准样品移动到校准体积内的不同位置。代替移动校准样品，借助于附加磁场，可以模拟不同样品位置的磁比率。省略机器人运动减少了校准时间。对于校准体积中的每个校准样品位置，在与实际MPI测量(记录测量信号)相同的条件下(相同的测量序列)记录校准信号。因此，为测量体积里面的每个测量点以及测量体积外面的附加测量点记录校准信号Sj。随后通过逐列输入各个校准信号Sj即各个频谱或者各个时间信号而根据校准信号产生系统矩阵S。
随后通过记录MPI信号(测量矢量u)进行实际MPI测量，然而，根据测量序列，无场区域通过测量体积。
在重建的范围内，随后通过借助于确定的系统矩阵S和测量矢量u解析线性方程系统u＝S·c来确定磁性粒子浓度矢量c。这就意味着为总校准体积重建具有磁性粒子浓度值ci的位置相关的浓度分布(磁性粒子分布)，其中从系统矩阵S中推导出磁性粒子浓度值Ci的局部依赖性。
根据本发明，舍弃与测量体积外面的区域(体素)相关联的那些磁性粒子浓度值ci。
随后仅产生MPI图像，即专门用于与测量体积里面的体素相关的磁性粒子浓度值ci。为此，作为结果的MPI图像只包含测量体积里面的体素的粒子浓度数值ci。
根据本发明，证明了包含在现有技术的MPI图像中的磁性粒子浓度值包含测量体积外面的伪影，尤其是在靠近具有高磁性粒子密度的区域定位的测量体积的记录中。本发明的方法确保了考虑测量体积外面的磁性粒子对测量体积里面的测量信号的影响。而且，确保了为测量体积外面的体素确定的磁性粒子浓度值不被用于进一步的计算或测量，这是由于它们是不可靠的。
图2示出了具有利萨如(Lissajous)轨迹的测量体积MV，借助于驱动场(正弦激励场A和梯度场G的叠加)，无场点沿着该轨迹通过测量体积MV。测量体积MV被分成体素。
图3至图5示出了图2的测量体积MV，其中不同的校准体积KV1、KV2、KV3在所有侧面上与测量体积MV重叠，从而形成一个包层。超出测量体积MV的校准体积的重叠(过扫描区域OS1、OS2、OS3)因此形成了测量体积MV的包层。
图3示出了校准体积KV1的一个特别优选的选择。在这种情况下，在校准步骤中，除了测量体积V之外，还记录突出测量体积MV的一个单个附加体素行(2D测量)(过扫描区域OS1)。在3D测量的情况下，过扫描区域OS1包括测量体积MV的包层，厚度d为一个单个体素。实验测量已显示出在用于图像重建的系统矩阵方法中，为了消除测量体积MV外面的所有磁性粒子的贡献，这经常是足够的。
图4示出了选择校准体积KV2的一种可替代的变型例。在这种情况下，校准体积KV2突出测量体积MV两个体素行，其中体素尺寸由测量体积MV中的校准样品位置的分离定义。过扫描区域OS2因此具有两个体素的厚度d′。
已经惊人地证明了为了获得可靠的结果，不需要测量包含处于校准测量范围内的磁性粒子的测量体积外面的完整区域。也就是说，发现了测量体积MV外面的区域中的所有磁性粒子向测量体积MV和过扫描区域OS1、OS2、OS3之间的过渡投射类似的图像。因此能够以比测量体积MV低的分辨率扫描过扫描区域OS1、OS2、OS3而不丢失基本信息。例如，图5示出了包括两个体素行(相对于过扫描区域OS3的体素网格)的过扫描区域OS3，其中在这种情况下，将不同于用于测量体积的体素网格用于过扫描区域。过扫描区域的体素网格的体素(OS体素-在图5中被显示为过扫描区域OS3中的大正方形)相应于测量体积的体素网格的四个体素(d″＝测量体积的体素网格的4个体素)。对于每个OS体素，仅记录一个单个校准信号，即在这种情况下，采用比对测量体积MV进行测量的校准样品(1个体素)大的校准样品(在当前情况下是2×2个体素)测量过扫描区域OS3，和/或在任何位置(例如，在OS体素的四个体素位置之一处，或者在OS体素的中央)处的2×2个体素的截面内测量校准样品。
下面示出了与不同的过扫描区域有关的模拟数据：模拟了用于2D测量序列的MPI数据。体素尺寸相应于1×1mm2并且测量体积是32×32mm2。
图6示出了本发明方法对于测量体积MV内的粒子密度为零的极端情况的模拟的参考图像，。四个磁性粒子条MS被布置在测量体积MV外面，每个具有2×9个体素，并且接近测量体积的左手侧的强度为1。强度为1意味着在这种情况下，在目标测量期间位于该体素中的磁性粒子数量与在校准测量期间位于校准样品中的磁性粒子数量一样(与校准测量有关的相对强度)。在这种情况下，磁性粒子密度因此在测量体积MV外面明显比在测量体积MV里面要大。
图7至图9示出了模拟的图像数据，其中改变了过扫描区域OS2、OS3。在所有的情况下，过扫描区域OS2、OS3小于其中所有磁性粒子的总体被布置的区域。在图7-图9中示出的每个图像数据涵盖总校准体积KV1，KV2，KV3，即包含从重建获得的所有数据。
图7示出了没有过扫描(校准体积KV＝测量体积MY)的模拟重建数据。能够很容易看到高强度的伪影(＞2.5)出现在测量体积内的左手边缘处。
图8和图9示出了具有两个体素行(图8)或者两个OS体素行并且一个OS体素的尺寸是四个体素(图9)的过扫描的模拟重建数据。在图8中显著减小了突出进入测量体积内的外部磁性粒子分布，并且在图9中几乎注意不到。过扫描区域OS2、OS3示出了一个具有高信号强度的区域，然而没有说明真实的磁性粒子分布。用于过扫描区域OS2、OS3的重建数据因此将被视为不可靠的。根据本发明的方法，舍弃为过扫描区域OS2、OS3重建的数据，从而获得在图10中示出的磁性粒子分布，作为MPI测量(MPI图像)的结果(代替在图9中示出的磁性粒子分布)。
为此，即使对于被具有高磁性粒子密度的区域所环绕的测量体积而言，采用本发明的方法也能够获得可靠的MPI数据。
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参考标记列表
d，d’，d″过扫描区域的厚度
KV，KV1，KV2，KV3 校准体积
MS 磁性粒子条
MV 测量体积
OS2，OS3 过扫描区域

Claims (12)

1.一种用于将磁性粒子定位在测试样品中的磁性粒子成像MPI方法，其中施加位置相关的磁场，所述磁场具有无场区域，所述MPI方法包括以下处理步骤：
确定校准体积(KV1、KV2、KV3)和测量体积(MV)，其中所述校准体积(KV1、KV2、KV3)大于所述测量体积(MV)，并且其中全部测量体积(MV)被设置在所述校准体积(KV1、KV2、KV3)内；
检测校准信号Sj并且从所述校准信号Sj产生系统矩阵S；
记录MPI测量信号u，其中通过施加磁性控制场，所述无场区域借助于测量序列移动通过所述测量体积(MV)；
根据记录的MPI测量信号和产生的系统矩阵S重建所述校准体积(KV1、KV2、KV3)内的具有磁性粒子浓度值ci的位置相关的磁性粒子浓度c，以及把磁性粒子浓度值ci与所述校准体积(KV1、KV2、KV3)中的体素相关联；
舍弃与所述测量体积(MV)外面的体素关联的那些磁性粒子浓度值ci；
产生只包含与所述测量体积内的体素网格的体素关联的磁性粒子浓度值ci的MPI图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校准体积(KV1、KV2、KV3)围绕所述测量体积(MV)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在每种情况下，所述校准体积(KV1)在每个方向(x、-x、y、-y、z、-z)上凸出所述测量体积(MV)一个体素。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，与所述测量体积里面相比，在所述测量体积外面的区域中以更低的分辨率来检测所述校准信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述测量体积外面的区域中记录的校准信号少于在该区域中存在的体素位置。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，用于检测所述测量体积(MV)外面的校准信号的校准样品比用于检测所述测量体积(MV)里面的校准信号的校准样品更大。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，用于检测所述测量体积(MV)外面的校准信号的体素网格不同于用于检测所述测量体积(MV)里面的校准信号的体素网格。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于测量具有至少一个邻近所述测量体积(MV)的区域的测试样品，所述区域的磁性粒子浓度大于零。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于测量具有至少一个邻近所述测量体积(MV)的区域的测试样品，所述区域的磁性粒子浓度大于或等于所述测量体积(MV)中的磁性粒子浓度。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，执行校准测量以检测校准信号，其中在每种情况下，为所述校准体积(KV1，KV2，KV3)内的校准样品的不同定位检测一个校准信号Sj，其中在检测每个校准信号Sj期间，通过施加根据测量序列的磁性控制场使所述无场区域移动通过所述测量体积(MV)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述校准测量中，首先为所述测量体积(MV)外面的样品位置测量校准信号，然后为所述测量体积里面的样品位置测量校准信号。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法被用于体内记录。
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