CN106896334B - 预先评估mr下有源植入物周围组织温度的方法和mri系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法，该方法适用于磁共振成像系统，该磁共振成像系统用于产生测温序列、测试序列和待扫描序列，该方法包括：步骤S20，实施测试序列前，采用测温序列进行M次测温，M≥1；步骤S30，实施测试序列，过程中采用测温序列进行N次测温，N≥0；步骤S40，实施测试序列后，采用测温序列进行P次测温，P≥1；以及步骤S50，根据测试序列的射频能量关联参数和待扫描序列的射频能量关联参数计算安全指标，与阈值进行比较，若安全，则进行扫描，否则，拒绝扫描。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械相关技术领域，尤其，涉及一种基于磁共振 ((MagneticResonance,MR)测温技术的预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法和采用该方法的磁共振成像系统。
背景技术
磁共振成像技术(Magnetic Resonance Imaging,MRI)与其他成像技术 (如X射线、CT等)相比，有着比较显著的优势：磁共振成像更为清晰，对软组织有很高的分辨力，而且对人体无电离辐射损伤。所以，磁共振成像技术被广泛地应用于现代医学的临床诊断之中。据估计，如今全球每年至少有 6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查。
MRI工作时会有三个磁场发挥作用。一个高强度的均匀静磁场B0,一个梯度场G以及用于激发核磁共振信号的射频(RF)磁场。具体成像过程简述如下：首先，在静磁场B0的作用下，人体内的氢原子核沿着静磁场方向发生进动，根据Larmor定理，氢核进动频率为ω＝γB，其中ω为进动频率，γ为旋磁比，B为磁场强度；即进动的频率与磁场强度成正比。为了激发特定层面内的信号，在静磁场方向上施加梯度场Gz，使得不同层的空间位置上具有不同的磁场强度；同时施加一定频率一定带宽的射频场RF，RF信号的频率和带宽与选层空间内的Larmor频率相对应，因此只有选层方向上特定层内的组织中的氢核才能被激发，产生信号。信号被激发后开始不断衰减，通过射频磁场和梯度磁场的组合，可以使激发的核磁信号出现局部峰值，称为回波；通常在回波出现的时间前后进行信号采集。在被激发的层内，为了区分不同位置的信号，使用相位编码和频率编码梯度场对信号进行空间位置编码。在信号读出前，沿静磁场方向叠加相位编码梯度磁场(磁场梯度通常沿 y轴)，持续一定时间后关闭，此时相位编码方向上不同位置信号具有不同的相位。紧接着进行频率编码，类似地在频率编码方向上施加梯度磁场(频率编码梯度方向通常沿x轴)，使得频率编码方向上，不同位置的信号具有不同的频率。经过上述空间编码过程，信号的相位和频率就包含了信号的空间位置信息，而信号的强度反映了该位置上人体组织的解剖结构或生理状态。在频率编码的同时，开始信号采集：在N个等距时间步骤中读取磁共振信号，将得到的数据存在k空间的一行。接着重复上述过程，只需要在相位编码阶段选取不同的梯度场Gy强度，将读取的数据作为k空间的另一行存在相应的位置，直至k空间被填满。这样，总共得到一个具有N×N个数据点的数字矩阵，从中可以通过二维傅里叶变换在图像空间内构造一幅图像。
如果患者体内安装有植入式医疗器械(Implantable Medical Device, IMD)，例如：心脏起搏器、除颤器、迷走神经刺激器、脊髓刺激器、脑深部电刺激器等的话，MRI工作时所需使用的三个磁场可能会给患者带来很大的安全风险。其中最重要的一个隐患是植入式医疗器械在射频场中的感应发热，特别是对于那些带有细长导电结构，典型的如脑深部电刺激器延长导线和电极导线，心脏起搏器电极线。体内装有这些植入式医疗器械的患者在进行MRI扫描的时候，在细长导电结构尖端与组织接触的部位可能会出现严重的温升，这样的温升可能会对患者造成严重的伤害。然而，大部分植入IMD 的患者在器械寿命周期内需要进行MRI检查，而射频磁场感应带来的安全隐患导致这部分病人被拒绝进行检查。
射频磁场下细长导电结构的感应受热的原因是细长导电结构与射频磁场之间的耦合。细长导电结构与射频磁场之间的耦合在细长导电结构中产生感应电流，感应电流主要通过导电结构尖端与人体组织接触的部分输送到组织中，形成感生电场集中分布。人体组织电阻率较高，会产生较多的焦耳热。
射频感生电场导致的组织发热可以用生物传热公式刻画，传热公式为：
其中T为组织温度，Q为射频感应沉积的能量，S为新陈代谢产生的热量，ρ为密度，C为比热容，k为导热率，ω为血液的灌注率，下标b表示血液的性质，如Tb为局部血液温度。射频磁场感生的电场导致组织加热，并以生物传热规律变化。
植入式医疗器械的射频发热与多种因素有关，包括磁场大小和分布，人体组织的物理特性，医疗器械在人体中的埋植位置和走线方式，患者在磁共振扫描仪内的位置和位姿等。目前尚无法准确预知患者每次扫描前医疗器械的射频温升情况。
但当患者在磁共振扫描仪中的位置和姿态等确定后，其植入的医疗器械的射频发热程度与此时磁共振扫描仪施加的射频能量相关。因此，本发明提出一种预测医疗器械射频温升的方法。该方法通过在正式扫描前施加测试序列并测量温度，来标定患者在当前状态下进行磁共振扫描的安全性。再通过与磁共振扫描的射频能量进行关联，即可判断后续磁共振成像扫描的安全性。
温度测量可以通过集成在植入式医疗器械上的温度传感器如热电偶、热电阻等。也可以通过温度敏感的磁共振成像方法实现。多种MR参数表现出了温度敏感性，利用这些温度敏感参数能够得到组织的温度变化。例如，质子共振频率会随着温度的变化而改变，利用梯度回波(GRE)序列得到的相位图也会发生改变，相位变化与温度变化满足如下关系：
其中，Δφ是前后两幅相位图的相位差，ΔT是前后两次图像采集时刻的温度差，α是温度相关的水分子化学键转移系数，B0是静磁场强度，γ是旋磁比，TE是回波时间。
发明内容
本发明提出一种实时标定并预测植入式医疗器械射频温升安全性的方法以及实现该方法的磁共振成像系统。
该方法先通过磁共振成像系统施加一个测试序列，检测在该测试序列前后植入式医疗器械周围的温度变化，并与该测试序列施加的射频磁场能量进行关联，进而结合温升的时间和空间变化规律，即可根据后续扫描将要施加的射频能量预测其在植入式医疗器械上引起的射频温升的安全性。
在测试序列中，需要通过磁共振成像系统在扫描腔内激发一个射频磁场，该磁场分布与后续扫描所产生的射频磁场分布相匹配。一般的，测试序列与后续扫描序列使用相同的射频发射线圈，以保证激发磁场的一致性。通过对发射线圈施加射频激励信号来激发空间射频磁场。该激励信号通常为中心频率为Larmor频率ω0的调制脉冲，并具有一定的带宽Δω，通常Δω远小于ω0。带宽是根据磁共振成像的需要进行调节，例如要激发的层厚，视野 (Field of View，FOV)大小等等。在测试序列中，使用的射频信号应具有与后续扫描相似的频率。一般的，其80％以上的能量应分布在ω0±20％ω0的频带以内。如果频率偏离过大，产生的磁场分布可能会有较大差别，从而导致预测不准。
检测植入式医疗器械周围的温度变化可以通过温度敏感的磁共振成像方法实现。温度敏感的磁共振成像参数有多种，由此产生的测温方法也有多种。例如：在采用质子共振频率作为温度敏感参数的测温方法中，测温序列的种类一般是梯度回波序列(GRE序列)或平面回波序列(EPI序列)。测温序列还可以基于质子密度(Proton density)，即根据玻尔兹曼分布，质子密度与绝对温度成反比，因此可利用质子密度加权的MRI图像来计算被测物体温度。测温序列还可以基于水分子的T1弛豫时间，即生物组织中的自旋-晶格弛豫是由生物大分子和水分子之间的偶极相互作用导致的，该作用依赖于温度，当温度变化范围较小时，T1弛豫时间与温度T几乎成线性关系，因此可以通过检测T1进行测温。测温序列还可以基于扩散系数(Diffusion Coefficient)，即在MRI的强磁场环境下，水分子在组织中扩散会引起扩散梯度方向的信号散相，进而导致核磁信号衰减，衰减程度与扩散系数成正比，并受温度影响，因此可用MRI成像获取不同温度条件下的扩散系数，进而求得温度变化。本发明不限制温度测量的方法。
射频发射线圈激发的射频磁场强度B1与线圈的激励电压(或电流)大小成正比，其感生的电场E与B1成正比，而人体吸收的能量与E2成正比，通常可用特异性吸收率(SAR)来表示。SAR表示每单位质量吸收的射频功率，单位为W/kg。因此，这些参数都能够表征射频磁场的能量。植入式医疗器械周围的射频温升与这些参数密切相关。在式(1)中的Q即可用SAR代表。通过检测射频发射线圈的激励信号大小或发射功率(与激励信号的平方成正比)，或通过反馈传感器探测，结合事先标定的模型，可以得到不同的扫描参数下射频磁场能量相关的参数大小，如射频磁场大小B1、射频磁场的均方根B1+rms或SAR等。在进行测试序列时，可得到其对应的和射频能量相关的参数大小，按照相同的方法，可以得到要扫描的后续序列同一射频能量相关参数的大小。由于植入式医疗器械周围的温升与该射频能量相关参数正相关，即可通过测量得到的测试序列温升结果，并对比后续扫描序列与测试序列中该射频能量相关参数的大小关系，判断后续扫描序列是否安全。
由于后续扫描序列的参数设置是由实际需求决定的，而对于植入了医疗器械的患者，为保证安全性需要降低参数，会导致图像质量变差而无法满足实际临床诊断等需求。而测试序列只是为了标定患者在当前状态下的医疗器械射频温升安全性，无需考虑图像质量问题，因此可以灵活调节。在实际使用中，测试序列可以采用较短时间的、较小的射频能量，以保证患者安全。并可以通过多次施加测试序列，逐渐增加射频能量，从而在保证患者安全的基础上，达到温度测量灵敏度的要求，得到对患者当前状态下植入式医疗器械周围温升的准确评估。
植入式医疗器械周围的温升大小与射频能量相关参数的关系，以及温升随时间和空间的分布变化规律，可以通过实验经验的获得，或者通过实验结果拟合经验公式获得，或者通过模型的分析获得。
式(1)是常用的生物传热模型，其中能量沉积Q是射频磁场在植入式医疗器械周围感生电场导致，即生物组织吸收射频能量，这里可用SAR表示。这一模型刻画了温度的空间和时间变化。近似的，忽略新陈代谢以及组织不均匀性等影响，考虑血液温度为基准，可以得到式(3)：
该式(3)具有齐次特性，即某一空间点、某一时间点的温升ΔT与SAR 成正比。SAR进一步与感生电场E、感生电流密度J、磁场B1、B1+rms等参数的平方成正比。利用这一特征，结合传热的空间和时间分布规律，可以根据某一时刻、某一区域的温升推算其他时刻、其他区域的温升。
具体地，本发明提供一种预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法，该方法适用于磁共振成像系统，该磁共振成像系统用于产生测温序列、测试序列和待扫描序列，该方法包括：步骤S20，实施测试序列前，采用测温序列进行M次测温，M≥1；步骤S30，实施测试序列，过程中采用测温序列进行N次测温，N≥0；步骤S40，实施测试序列后，采用测温序列进行P 次测温，P≥1；以及步骤S50，根据测试序列的射频能量关联参数和待扫描序列的射频能量关联参数计算安全指标，与阈值进行比较，若安全，则进行扫描，否则，拒绝扫描。
本发明还提供一种磁共振成像系统，其包括：一MR扫描设备，该MR扫描设备用于产生测温序列、测试序列和待扫描序列；一MR控制单元，该MR 控制单元用于控制该MR扫描设备采用该测温序列、测试序列和待扫描序列进行扫描；以及一数据处理单元，该数据处理单元用于处理该测温序列和测试序列的扫描结果，并采用上述方法预先评估MR下有源植入物周围组织温度。
附图说明
图1为本发明实施例采用的脑深部电刺激器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的磁共振成像系统的模块示意图。
图3为本发明实施例提供的磁共振成像系统通过磁共振成像方法测试温度的方法示意图。
图4为本发明实施例确定该有源植入物的伪影区域的方法流程图。
图5为本发明实施例采用的的场漂校正装置的结构示意图。
图6为本发明实施例校正场漂引起的温度变化时在场漂校正容器对应图像的中心区域选取若干点的示意图。
主要元件符号说明
脑深部电刺激器 10
外部程控仪 11
脉冲发生器 12
延长导线 14
刺激电极 16
电极触点 18
磁共振成像系统 20
MR扫描设备 22
MR控制单元 24
数据处理单元 26
电极识别模块 261
温度计算模块 262
组织热扩散仿真模块 263
界面温度反求模块 264
组织损伤评价模块 265
场漂校正装置 30
头部 32
容器 34
细绳 36
伪影区域 40
伪影边缘 42
组织信号 44
中心区域 46
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
本发明提供了一种预先评估MR下有源植入物周围组织温度并给出安全评估的方法和采用该方法的磁共振成像系统。其中该有源植入物可以为心脏起搏器、除颤器、脑深部电刺激器、脊髓刺激器、迷走神经刺激器、肠胃刺激器或者其他类似的植入式医疗器械。本发明仅以脑深部电刺激器为例进行说明，结合附图对本发明进一步说明。
请参见图1，所述脑深部电刺激器10包括：一外部程控仪11以及植入体内的脉冲发生器12，延长导线14和刺激电极16组成。所述外部程控仪 11控制该脉冲发生器12用于产生一定模式的电流脉冲，通过该延长导线14 传到刺激电极16的电极触点18处，通过该电极触点18刺激特定核团可以达到治疗疾病的目的。但是，植入有所述脑深部电刺激器10的患者在进行 MR扫描时，其细长的延长导线14和刺激电极16会像天线一样吸收电磁波能量，在电极触点18处发热，存在安全隐患。为了保证这些患者扫描MR 时的安全，可以利用本发明提供的方法和系统对这些患者的电极触点18周围的温度实施监控和安全评估。
请参见图2，本发明提供的磁共振成像系统20包括：一MR扫描设备 22，一MR控制单元24，以及一数据处理单元26。
所述MR扫描设备22主要包括产生静磁场的线圈，产生梯度场的线圈，产生射频场的线圈，适用于不同部位的射频发射接收线圈，MR扫描床以及配套的自动化电气设备。所述MR控制单元24包括MR设备控制软件以及图像重建处理软件。MR设备控制软件可以设置扫描参数，设置扫描序列。
所述数据处理单元26装有数据处理软件，该MR控制单元24实时地将采集重建得到的测温图像实时传到该数据处理单元26。该数据处理软件包括电极识别模块261、温度计算模块262、组织热扩散仿真模块263、界面温度反求模块264以及组织损伤评价模块265。该数据处理单元26根据测试序列前后的测温图像计算得到感兴趣区域的温度分布，并给出计算的安全指标，根据程序设定的阈值判断后续扫描的安全性，及时反馈给MR控制单元24。如果安全指标超过阈值，则所述MR扫描设备22拒绝对患者进行后续扫描，否则，进行扫描。
如图3所示，在测试序列前包含M次测温单元，M≥1，在测试序列中可包含N次测温，N≥0，在测试序列后包含P次测温，P≥1。在测试序列前进行多次测温，即M>1，可以使用M次测温结果的平均值作为基准。通过测试序列中和测试序列后的测温结果与测温序列前的测温结果对比，即可得到测试序列过程之中和之后的温升变化情况。评估得到测试序列的射频能量关联参数，例如SAR值为SAR1，待扫描序列的SAR值为SAR2，根据式(3)，可知在相同时刻相同位置其温升是测试序列的SAR2/SAR1倍。
通过分析安全指标判断后续磁共振扫描的安全性。该安全指标可以是温升值，或热累积剂量值，或其他和组织损伤相关的参数。热累积剂量常用43 摄氏度的累积等效分钟数表征(CEM43，Cumulative Equivalent Minutes @43℃)。
下面提供一种推算待扫描序列不同时刻、不同位置温升的方法。具体的，建立电磁场及传热数值模型，以有源植入物导电部分-组织界面处电流密度J 作为参数可以得到不同加热模式下的电场分布，进而可以得到传热扩散规律。本实施例中，以电流密度J0，例如1000A/m2，作为标准热扩散模型，计算出位置在r＝(r1,r2,...rm)，对应于k个测温时刻的温度变化矩阵st_P为如下式(4)：
可以理解，st_P(i,j)代表标准扩散模型中位置在rj对应第i次测温时刻的温度变化值。根据式(3)，可知ΔT＝a·J2，进而可得到式(5)：
此处，ΔT1＝P,ΔT0＝st_P，可以在最小二乘意义下求得λ，即求式(6)
的最小值，令上式求导等于零便可求得极值点的值的计算式(7)，
将带入到热扩散仿真模型st_P(i,j)便得到了实验对应的热扩散模型，从模型中可以提取出温升最高点的温度变化曲线。所述温升最高点的温度变化曲线即组织界面温度变化曲线。
以下介绍采用本发明提供的磁共振成像系统20对具有有源植入物的患者在MR扫描时金属植入物周围组织的温度进行预先评估的方法。在一个实施例中，该方法包括以下步骤：
步骤S10，采用定位序列进行定位扫描，确定植入物位置以及包含感兴趣区域的测温选层；
步骤S20，实施测试序列前，进行M次测温，M≥1；
步骤S30，实施测试序列Seq_1(R1,t1)，计算射频能量关联参数R1，过程中进行N次测温，N≥0；
步骤S40，实施测试序列后，进行P次测温，P≥1；
步骤S50，计算待扫描序列Seq_x(Rx,tx)的射频能量关联参数Rx，计算安全指标，与阈值进行比较，若安全，则进行扫描，否则，拒绝扫描。
所述步骤S10中，定位序列一般为每次核磁扫描确定患者位置的序列，例如Survey序列。优选的，可以进一步采用射频能量低，扫描时间相对较短，可确保患者安全的序列再进行扫描，以提高成像分辨率，准确定位植入物以及感兴趣区域。该序列的SAR值应不超过0.4W/kg，一次扫描时长应不超过10min。通常可选用合适的梯度回波序列，例如采用T1W_3D_TFE序列，参考扫描参数设置如下：3D采集方式，重复时间TR＝6～12ms，回波时间TE＝2～6ms，翻转角FA＝6～12°，层厚ST＝1～3mm，层间距SS＝0～3mm，体素(0.4～2)mm×(0.4～2)mm，视野FOV＝180～350mm，扫描时长2～8min。可以理解，如果植入物位置以及包含感兴趣区域的测温选层预先已知，该步骤可以省略。
所述步骤S20、S30、S40中的测温可以采用以温度敏感参数为测量对象的核磁测温法。以采用基于质子共振频率漂移的测温方法为例，在步骤S20 中，对步骤S10确定的测温选层进行M次测温序列扫描，得到磁共振信号矩阵S1～SM，通过傅里叶变换得到复数图，进而求得参考相位图对于M>1的情况，可以采用M次测量数据的平均值作为参考相位对于 S30和S40的每一次测温，都可以得到相位图然后根据式(8)求得温升分布ΔTmap。
其中α是生物组织温度相关的水分子化学键转移系数，对于人体组织约为0.01ppm/℃，B0是磁共振设备的静磁场强度，γ是旋磁比，对于人体水分子中的氢质子为42.58MHz/T，TE是回波时间。扫描序列可选用梯度回波 GRE序列或平面回波EPI序列，参考扫描参数设置如表1所示。
表1序列主要参数举例
| GRE序列 | EPI序列 | |
| TR(ms) | 100～300 | 100～300 |
| TE(ms) | 10～50 | 10～50 |
| 加速因子 | - | 2～20 |
| 翻转角FA(°) | 10～40 | 10～40 |
| 视野FOV(mm) | (150～300)×(150～300) | (150～300)×(150～300) |
| 采集矩阵 | (64～512)×(64～512) | (64～512)×(64～512) |
| 体素(mm) | (0.5～3)×(0.5～3) | (0.5～3)×(0.5～3) |
| 层厚(mm) | 1～5 | 1～5 |
由于实际MRI图像中，相位的取值范围通常是[-π，π]，在边缘相位会发生跳变，产生所谓相位卷绕。因此上述直接相减求相位差的方法可能出现较大误差。为避免相位卷绕，相位差可以如下式(9)计算
其中是两次扫描相位信号的复指数形式，Im()，Re()分别表示求取复数的虚部和实部。将上述计算式展开，得到下式(10)
步骤30和步骤50中射频能量关联参数R1和Rx可以是局部或全身平均SAR值，或射频磁场B1的幅度，或射频磁场的均方根值B1+rms，或射频发射线圈的驱动电压或电流，或射频发射功率等。根据式(3)以及前述分析可知，植入物周围的射频温升与射频能量关联参数有对应关系，可以通过测试序列的测温结果以及R1和Rx的大小关系计算后续待扫描序列的温升以及安全指标。在一般情况下，R1和Rx的相对大小关系只与测试序列和待扫描序列的序列设计参数有关，因此其计算可以在确定测试序列和待扫描序列后的任何时间进行。R1和Rx也可以通过检测射频发射线圈的驱动参数实时的获得，如电压、电流或发射功率。R1和Rx也可以通过设置电场或磁场传感器实时测量获得。
步骤50中的安全指标是感兴趣区域或植入物周围某区域的温升最大值，或热累积剂量值，或其他和组织损伤相关的参数。优选的，安全指标是植入物表面温升最严重区域的温升最大值，或热累积剂量值，或其他和组织损伤相关的参数。热累积剂量常用43摄氏度的累积等效分钟数表征(CEM43， Cumulative Equivalent Minutes@43℃)。
扫描的安全性由与组织热损伤相关的安全指标K判断，K与扫描的射频能量大小以及持续时间有关，即：
K＝f(R,t) (11)
其中R为射频能量相关参数，t为扫描持续时间，关联关系f与多种因素有关，包括射频频率，射频发射线圈结构，植入物的几何形状、结构、材料的物理性质以及植入的位置、位姿以及分布路径，患者相对线圈的位置和位姿，植入部位的组织特性、血流情况，以及扫描的初始状态等。f的具体形式难以事先精确地给出，但在扫描条件固定后，即当患者在磁共振机器内准备好扫描的时候，f即得到确定。由于待扫描序列Seq_x(Rx,tx)的安全性未知，可以通过施加测试序列Seq_n(Rn,tn)，并进行测温，得到安全指标 Kn，进而判断待扫描序列Seq_x(Rx,tx)的安全性。通过合理设计测试序列的施加方式，可以极大程度的确保患者的安全性。
可以理解，上述实施例中，由于测试序列Seq_i(R1,t1)的射频能量关联参数R1为预先确定的，而为了安全，测试序列需要选择射频能量较小或时间较短的序列，以在安全性尚不确定的情况下确保患者安全。因此，如果植入物周围射频温升较小，例如小于温升测量的精度，则由于无法测量到植入物周围的有效射频温升，通过一次测试可能无法检测出有效温升。
为此，本发明另一实施例进一步提供一种多次实施测试序列评估植入物射频温升的方法，在一个实施例中，该方法包括如下步骤：
步骤S10，采用定位序列进行定位扫描，确定植入物位置以及包含感兴趣区域的测温选层；
步骤S20，实施测试序列前，进行M次测温，M≥1；
步骤S30A，实施测试序列Seq_i(Ri,ti)，其射频能量相关参数Ri，持续时间为ti，并进行N次测温，N≥0；
步骤S40，实施测试序列后，进行P次测温，P≥1；
步骤S50A，判断是否检测到有效温升，如果是，根据检测到的温升判断待扫描序列是否安全，并根据判断结果决定是否扫描；如果否，则以测温精度作为温升，判断待扫描序列是否安全，若是，则进行扫描，否则，进入步骤S60；以及
步骤S60，重新设置测试序列Seq_(i+1){R(i+1),t(i+1)}，其射频能量相关参数R(i+1)，持续时间为t(i+1)，重复步骤S20至S50A，直至能够判断待扫描序列安全性为止。
上述步骤中，测温选层应尽量接近发热严重的植入物表面，如脑深部电刺激电极触点表面。由于植入物与生物组织的物理性质不同，特别是金属部分的磁化系数不同，会在磁共振环境下被静磁场磁化导致周围的磁场畸变，从而造成植入物周围图像信号失真，表现为图像伪影。通常这部分区域的信号难以提取有用信息。因此，选取评估区域通常要确定该有源植入物的伪影区域。一般的，有源植入物与磁共振的射频磁场相互作用而产生的感生电场在细长导体结构的尖端表面处最强，从而产生的温升最高，并随着向周围热传导而逐渐降低。例如脑深部电刺激电极触点处，更易产生温升。因此评估安全性需要确定植入物伪影周围的评估区域，尽可能靠近植入物表面温升最高处，并能从测温序列的数据中提取温度信息。
优选的，评估区域选取从伪影边缘向外某一距离的区域。优选的，这一距离为1～6mm。伪影边缘42可以通过阈值方法检测，伪影内部信号强度为 I0，周围区域信号强度为I1，设定I0和I1之间的某个值I2为阈值，高于这一阈值即认为是伪影以外评估区域。优选的，(I2-I0)/(I1-I0)为0.3～0.5。还可以利用边缘检测算法确定出伪影边缘42，确定过程如图4所示，优选的，可以利用canny算法，sober算法，Roberts算法确定伪影边缘42。选取伪影边缘42以外的区域作为评估区域。进一步优选的，所述伪影边缘42属于金属伪影区域40到组织信号44的过渡区，用分类算法确定伪影边缘42像素点所属类型，如果属于组织信号44，则包含到评估区域内。优选地，可以利用贝叶斯分类算法对伪影边缘42进行分类，确定伪影边缘42所覆盖的像素点所属类别，组织信号44或者伪影区域40，这样，就从图像上把伪影区域 40确定出来了。
在步骤S50A中，判断是否检测到有效温升的方法为根据测温序列的扫描结果确定该有源植入物的伪影区域周围的温度分布，并判断伪影区域边缘的温度变化edge_T是否大于一阈值T0，如果是，认为有效检出温升。具体包括以下步骤：
步骤S501A，确定该有源植入物的伪影区域；
步骤S502A，确定伪影区域周围的温度分布；以及
步骤S503A，判断伪影区域边缘的温度变化edge_T是否大于一阈值T0。
若未检出有效温升，或温升置信度低，则重新设置测试序列 Seq_(i+1){R(i+1),t(i+1)}。通过提高R或延长t，得到更高的温升，从而在满足安全性的前提下有效检出温升，进而能够准确判断待扫描序列的安全行。设置方法可以有多种，例如固定t，即t(i+1)＝ti，令R(i+1)＝a*Ri，a为比例系数，优选1.1～2之间；另一种设置方法固定R，即R(i+1)＝Ri，令t(i+1)＝b*ti， b为比例系数，优选1.1～2之间；另一种设置方法同时调整R、t，令 R(i+1)＝a*Ri，t(i+1)＝b*ti，比例系数sa优选0.8～3，b优选0.5～2，其中R提高时，即a>1，则t可以适当缩短，即b<1，以确保安全性，同样的，时间t 延长时，即b>1，则R可以适当降低，即a<1。
所述步骤S10中，优选的，患者在进行MR扫描前，先将一场漂校正装置安装在扫描部位周围的合适区域，如头部四周。该场漂校正装置用于在扫描部位周围提供磁共振信号的基准参考，在分析温升时去除磁场漂移带来的影响。如图5所示。该场漂校正装置30包括：一组容器34。所述一组容器 34采用非磁性材料制备。所述非磁性材料可以为尼龙，聚丙烯，有机玻璃等。所述一组容器34内装有均匀介质，例如生理盐水、琼脂凝胶、羟乙基纤维素(Hydroxy Ethyl Cellulose)凝胶等。一般的，所述均匀介质中还配有调节介质弛豫时间的物质，如CuSO4或其他过渡金属盐，便于磁共振显像。所述容器34内的介质应保持与MR设备所在环境相同的温度。本实施例中，所述容器34为四个非磁性材料构成的塑料试管，每个试管内装有琼脂。在安装时，可以用两根有弹性的柔软细绳36将四个试管较均匀箍在头部32四周，使四个试管的取向基本平行于刺激电极16取向，并保证电极触点18所在的测温选层包含四个试管内物质。可选择地，试管的固定方式也可以通过用可以伸缩大小的硬质架子固定。
MRI扫描仪产生的静磁场可能会出现漂移，导致相位变化，从而引起上述步骤中求得的温度分布不准确。因此，优选的，需要校正场漂引起的温度变化。静磁场漂移在空间中存在分布，这一分布可以用多项式近似拟合。一般的校正需要选取至少3个位置做1阶平面校正。特别的，对于测量区域相对于静磁场分布较小，1阶项影响不大的情形，可以直接通过减去均值c的方式做0阶校正，此时至少选取1个点。如图6所示，在温度分布图中，每个场漂校正容器34对应图像的中心区域46选取若干点。另一种校正场漂的方法不依赖场飘校正容器。从组织信号MRI图像上(MRI图像包括幅度图、相位图和温度分布图)选取至少一个参考区域，参考区域应该至少包含一个像素。本发明不限制参考区域的形状、大小和选择方法。容易理解，此处场飘校正方法中采用的参考区域也可包含飘校正容器对应的图像区域。优选地，所选参考区域内组织在扫描过程中应该没被加热或是冷却的，而且参考区域内信号应该比较均匀(组织信号包括幅度信号、相位信号和温度信号)，保证参考区域具有代表性。对于1阶校正，选取≥3个点，将每个点的位置信息与温度变化信息存储在矩阵A(i,j,ΔT)中，用线性插值的方法求出场漂引起的伪温度变化分布图。计算过程，可以通过求解问题：
其中，[ij 1]n×3的第一列为A(:,1)，第二列为A(:,2)，第三列全是1。求解得到最小二乘意义下的拟合平面z(i,j)＝a·i+b·j+c，将原始温度变化分布图减去 z，便得到了校正后的实际温度分布ΔTcorrection，即式(13)，
ΔTcorrection(i,j)＝ΔTmap(i,j)-z(i,j) (13)。
对于0阶校正，在所有的参考区域内选取若干点，将每个点的温度变化信息储存在向量B(i)中，计算所选取的点的温度变化信息的平均值，求出场飘造成的伪温度变化z，计算过程如下式(14)：
其中n是所有参考区域中所选取的点的个数，即量B(i)中元素个数。将原始温度变化分布图中减去z，便得到了校正后的温度分布式(15)：
ΔTcorrection(i,j)＝ΔTmap(i,j)-z (15)
进一步，所述步骤S50A中，根据MR扫描时的温度变化曲线T'(t)进行安全评估的方法包括：将有源植入物表面的热累积量和/或最高温升与一安全阈值进行比较。具体地，将有源植入物表面的热累积量CEM43与事先设定的阈值threshold_CEM43比较，同时比较有源植入物表面的最高温升ΔTmax与事先设定的最高温升阈值threshold_ΔTmax，两者之中任何一个超过阈值，所述数据处理单元26及时向所述MR控制单元24发出危险预警，该MR扫描设备 22自动拒绝对患者进行扫描。如果两者都没有超过阈值，则该MR扫描设备 22可以对患者实施MR扫描。
可以理解，热损伤不仅取决于温度的高低，更重要的取决于温度持续时间，即所谓的热累积量。比较常用的热累积量模型为CEM43，其计算公式为，
其中，当T(t)＞43℃时，R＝0.5；当T(t)＜43℃时，R＝0.25。
以上已经给出了本发明的多个实施方式，可以理解的是，在不偏离本公开内容精神以及范围的情况下，可以做出各种变化、替换、以及改变，这些实施方式也在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法，该方法适用于磁共振成像系统，该磁共振成像系统用于产生测温序列、测试序列和待扫描序列，该方法包括：
步骤S20，实施测试序列前，采用测温序列进行M次测温，M≥1；
步骤S30，实施测试序列，过程中采用测温序列进行N次测温，N≥0；
步骤S40，实施测试序列后，采用测温序列进行P次测温，P≥1；以及
步骤S50，根据测试序列的射频能量关联参数和待扫描序列的射频能量关联参数计算安全指标，与阈值进行比较，若安全，则施加待扫描序列进行扫描，否则，拒绝扫描；其中，根据公式K＝f(R,t)计算与组织热损伤相关的安全指标K，R为射频能量关联参数，t为扫描持续时间，且在扫描条件固定后，关联关系f的具体形式得到确定。
2.根据权利要求1的预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法，其特征在于，所述采用测温序列进行M次测温前进一步包括步骤S10：采用定位序列进行定位扫描，确定植入物位置以及包含感兴趣区域的测温选层。
3.根据权利要求2的预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法，其特征在于，所述安全指标为温升值或热累积剂量值。
4.根据权利要求3的预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法，其特征在于，所述测试序列为Seq_n(Rn,tn)；所述待扫描序列为Seq_x(Rx,tx)；所述测试序列与待扫描序列使的射频磁场分布相匹配。
5.根据权利要求4的预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法，其特征在于，所述根据测试序列的射频能量关联参数和待扫描序列的射频能量关联参数计算安全指标的方法为：根据测试序列导致的温升计算待扫描序列导致的温升。
6.根据权利要求5的预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法，其特征在于，所述根据测试序列导致的温升计算待扫描序列导致的温升的方法为：判断是否检测到测试序列导致的温升，如果是，根据检测到的温升计算待扫描序列导致的温升并判断待扫描序列是否安全；如果否，则判断以测温精度作为测试序列导致的温升是否可以判断待扫描序列是否安全，若是，则进行扫描，否则，重新设置测试序列的射频能量关联参数，并重复步骤S20，S30和S40直到检测到测试序列导致的温升。
7.根据权利要求6的预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法，其特征在于，所述确定植入物位置以及包含感兴趣区域的测温选层的方法包括：利用边缘检测算法确定出伪影边缘，以边缘外作为感兴趣区域。
8.根据权利要求7的预先评估MR下有源植入物周围组织温度的方法，其特征在于，所述判断是否检测到测试序列导致的温升的方法为根据测温序列的扫描结果确定该有源植入物的伪影区域周围的温度分布，并判断伪影区域边缘的温度变化edge_T是否大于一阈值T0，如果是，认为有效检出温升。
9.一种磁共振成像系统，其特征在于，其包括：
一MR扫描设备，该MR扫描设备用于产生测温序列、测试序列和待扫描序列；
一MR控制单元，该MR控制单元用于控制该MR扫描设备采用该测温序列、测试序列和待扫描序列进行扫描；以及
一数据处理单元，该数据处理单元用于处理该测温序列和测试序列的扫描结果，并采用如权利要求1至8中任意一项所述的方法预先评估MR下有源植入物周围组织温度。
10.根据权利要求9的磁共振成像系统，其特征在于，所述数据处理单元将有源植入物表面的热累积量CEM43与事先设定的阈值threshold_CEM43比较，同时比较有源植入物表面的最高温升ΔTmax与事先设定的最高温升阈值threshold_ΔTmax，两者之中任何一个超过阈值，所述数据处理单元及时向所述MR控制单元发出危险预警，该MR扫描设备自动拒绝对患者进行扫描；如果两者都没有超过阈值，则该MR扫描设备对患者实施扫描。
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Patent Citations (2)
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