CN107106039B - 切片中的沿着一维延伸的磁共振指纹识别 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磁共振成像系统(100)，所述磁共振成像系统包括磁体(104)和用于在成像区(108)内生成梯度磁场的磁场梯度生成器(110、112)。所述梯度磁场与预定方向对齐。所述磁共振成像系统还包括存储器(134、136)，所述存储器用于存储机器可执行指令(150、152、154)、预先计算的磁共振指纹识别词典(144)和脉冲序列指令(140)。所述脉冲序列指令令所述磁共振成像系统根据磁共振指纹识别技术采集所述磁共振数据。所述磁共振指纹识别技术将所述磁共振数据编码为切片(125)。所述预先计算的磁共振指纹识别词典包含针对一组预定物质的响应于所述脉冲序列指令的执行计算的磁共振信号的列表。所述机器可执行指令的执行令控制所述磁共振成像系统的处理器(130)：通过利用脉冲序列指令控制所述磁共振成像系统来采集(300)所述磁共振数据；将所述磁共振数据划分成(302)一组切片；通过比较针对所述一组切片中的每一个的所述磁共振数据与所述预先计算的磁共振指纹识别词典来计算(304)所述一组切片中的每一个内的所述一组预定物质中的每一种的丰度；并且通过根据沿着所述预定方向的位置标绘所述一组切片中的每一个内的所述一组预定物质中的每一种的丰度来计算(306)磁共振指纹图表。

Description

切片中的沿着一维延伸的磁共振指纹识别
技术领域
本发明涉及磁共振成像，具体涉及磁共振指纹识别。
背景技术
磁共振(MR)指纹识别是在时间上分布的多个RF脉冲被应用使得它们令来自不同材料或组织的信号对测量到的MR信号具有独特贡献的新技术。来自一组或固定数量物质的预先计算的信号贡献的有限词典与测量到的MR信号进行比较，并且在单个体素内能够确定组成。例如，如果已知体素仅包含水、脂肪和肌肉组织，那么仅需要考虑来自这三种材料的贡献，并且仅需要少数RF脉冲来准确地确定体素的组成。
在Ma等人的期刊文章“Magnetic Resonance Fingerprinting”(Nature，第495卷，第187-193页,doi:10.1038/nature11971)中介绍了磁共振指纹识别技术。在美国专利申请US2013/0271132A1和US2013/0265047A1中也描述了磁指纹识别技术。
发明内容
本发明在独立权利要求中提供了磁共振成像系统、方法和计算机程序产品。在从属权利要求中给出了实施例。
Ma等人的Nature文章介绍了磁共振指纹识别的基本思想和用来描述诸如词典的这种技术的术语，所述词典在本文中被称为“预先计算的磁共振指纹识别词典”、“磁共振指纹识别词典”和“词典”。
本领域的技术人员应当理解，本发明的各方面可以被实施为装置、方法或计算机程序产品。相应地，本发明的各方面可以采取以下形式：完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)或在本文中全部统称为“电路”、“模块”或“系统”的对软件方面和硬件方面进行组合的实施例。此外，本发明的各方面可以采取计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品被收录在一个或多个计算机可读介质中，在所述计算机可读介质上收录有计算机可运行代码。
可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。所述计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。本文中所使用的“计算机可读存储介质”涵盖可以存储可由计算设备的处理器执行的指令的任何有形存储介质。所述计算机可读存储介质可以被称作计算机可读非瞬态存储介质。所述计算机可读存储介质也可以被称作有形计算机可读介质。在一些实施例中，计算机可读存储介质也可以能够存储能够由计算设备的处理器访问的数据。计算机可读存储介质的范例包括，但不限于：软盘、硬磁盘驱动器、固态硬盘、闪速存储器、USB拇指驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、磁光盘以及处理器的寄存器文件。光盘的范例包括压缩盘(CD)和数字通用盘(DVD)，例如，CD-ROM、CD-RW、CD-R、DVD-ROM、DVD-RW或DVD-R盘。术语计算机可读存储介质也指能够由计算机设备经由网络或通信链路访问的各种类型的记录介质。例如可以在调制解调器上、在互联网上或在局域网上检索数据。可以使用任何适当的介质来传输被收录在计算机可读介质上的计算机可执行代码，所述适当的介质包括但不限于无线、有线、光纤线缆、RF等或前述的任何合适的组合。
计算机可读信号介质可以包括具有被收录在其中的计算机可执行代码的传播数据信号，例如，在基带中或作为载波的部分。这样的传播信号可以采取多种形式中的任一种，包括但不限于，电磁的、光学的或它们的任何合适的组合。计算机可读信号介质可以是任何这样的计算机可读介质：其不是计算机可读存储介质并且其能够通信、传播或输送用于由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备相连接的程序。
“计算机存储器”或“存储器”是计算机可读存储介质的范例。计算机存储器是可直接访问处理器的任何存储器。“计算机存储设备”或“存储设备”是计算机可读存储介质的另一范例。计算机存储设备是任何非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，计算机存储设备也可以是计算机存储器，反之亦然。
本文中所使用的“处理器”涵盖能够执行程序或机器可执行指令或计算机可执行代码的电子部件。对包括“处理器”的计算设备的引用应当被解读为可能包括多于一个处理器或处理核。处理器例如可以是多核处理器。处理器也可以指在单个计算机系统之内的或被分布在多个计算机系统之间的处理器的集合。术语计算设备也应当被解读为可能指计算设备的集合或网络，所述计算设备每个均包括一个或多个处理器。计算机可执行代码可以由可以在相同的计算设备之内或者甚至可以被分布在多个计算设备上的多个处理器来执行。
计算机可执行代码可以包括令处理器执行本发明的方面的机器可执行指令或程序。用于执行针对本发明的各方面的操作的计算机可执行代码可以被写成一种或多种编程语言的任何组合，包括面向对象的编程语言(例如，Java、Smalltalk、C++等)和常规程序编程语言(例如，“C”编程语言或类似的编程语言)，并且被编译成机器可执行指令。在一些实例中，计算机可执行代码可以是高级语言的形式或是预编译的形式，并且可以与解译器联合使用，所述解译器在运行中生成机器可执行指令。
计算机可执行代码可以完全在用户的计算机上、部分在用户的计算机上、作为单机软件包、部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上，或者完全在远程计算机或服务器上运行。在后一种场景中，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者可以连接到外部计算机(例如，通过使用互联网服务提供商的互联网)的连接。
参考根据本发明的实施例的方法、装置(系统)以及计算机程序产品的流程图示和/或方框图来描述本发明的各方面。应当理解，流程图、图示和/或方框图的方框的每个方框或部分能够由在可应用时以计算机可执行代码的形式的计算机程序指令来实施。还应当理解，在不互相排斥时，可以组合不同的流程图、图示和/或方框图中的方框的组合。这些计算机程序指令可以被提供到通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实施在流程图和/或一个或多个方框图方框中指定的功能/动作的单元。
这些计算机程序指令也可以被存储在计算机可读介质中，所述计算机可读介质能够指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备来以具体方式起作用，使得被存储在计算机可读介质中的指令产生制品，所述制品包括实施在流程图和/或一个或多个方框图方框中指定的功能/动作的指令。
计算机程序指令可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以令一系列操作步骤要在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行，以产生计算机实施的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实施在流程图和/或一个或多个方框图方框中指定的功能/动作的过程。
本文中所使用的“用户接口”是允许用户或操作者与计算机或计算机系统进行交互的接口。“用户接口”也可以被称作“人机接口设备”。用户接口可以向操作者提供信息或数据和/或从操作者接收信息或数据。用户接口可以使得来自操作者的输入能够被计算机接收到，并且可以向用户提供来自计算机的输出。换言之，用户接口可以允许操作者控制或操纵计算机，并且接口可以允许计算机指示操作者的控制或操纵的效果。数据或信息在显示器或图形用户接口上的显示是向操作者提供信息的范例。通过键盘、鼠标、跟踪球、触控板、指点杆、图形输入板、操纵杆、游戏手柄、网络摄像头、头戴式受话器、变速杆、方向盘、踏板、有线手套、跳舞毯、遥控器以及加速度计对数据的接收全部是使得能够对来自操作者的信息或数据进行接收的用户接口部件的范例。
本文中所使用的“硬件接口”涵盖使得计算机系统的处理器能够与外部计算设备和/或装置进行交互和/或控制外部计算设备和/或装置的接口。硬件接口可以允许处理器向外部计算设备和/或装置发送控制信号或指令。硬件接口也可以使得处理器能够与外部计算设备和/或装置交换数据。硬件接口的范例包括，但不限于：通用串行总线、IEEE1394端口、并行端口、IEEE1284端口、串行端口、RS-232端口、IEEE-488端口、蓝牙连接、无线局域网连接、TCP/IP连接、以太网连接、控制电压接口、MIDI接口、模拟输入接口以及数字输入接口。
本文中所使用的“显示器”或“显示设备”涵盖适用于显示图像或数据的输出设备或用户接口。显示器可以输出视觉、听觉和或触觉的数据。显示器的范例包括，但不限于：计算机监视器、电视屏幕、触摸屏、触觉电子显示器、盲文屏幕、阴极射线管(CRT)、存储管、双稳显示器、电子纸、矢量显示器、平板显示器、真空荧光显示器(VF)、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子显示面板(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)、投影仪以及头戴式显示器。
磁共振(MR)数据在本文中被定义为是在磁共振成像扫描期间使用磁共振装置的天线所记录的对由原子自旋发射的射频信号的测量结果。磁共振数据是医学图像数据的范例。磁共振成像(MRI)图像在本文中被定义为是对在磁共振成像数据之内包括的解剖数据所重建的二维可视化或三维可视化。能够使用计算机来执行该可视化。
在一个方面中，本发明提供了一种用于从成像区内的对象采集磁共振指纹图表的磁共振成像系统。如本文中使用的磁共振指纹图表包含数据或数据的绘制，所述数据的绘制根据沿一维延伸或沿着轴的距离描述或标绘各种物质的浓度。用于磁共振指纹图表的数据使用磁共振指纹识别来进行采集。磁共振成像系统包括用于在成像区内生成主磁场的磁体。主磁场有时被称为B0场。磁共振成像系统还包括用于在成像区内生成梯度磁场的磁场梯度生成器。梯度磁场与预定方向对齐。
磁场生成器可以采取若干不同的形式。在一个范例中，磁场梯度生成器是用于生成梯度磁场的磁场梯度线圈。在其他实例中，磁场梯度生成器是磁体本身的修改。由于磁体可以被修改，使得主磁场在其内具有永久的梯度磁场。梯度磁场与预定方向对齐。磁共振指纹图表具有沿着预定方向的其一维延伸。磁共振成像系统还包括用于存储机器可执行指令、预先计算的磁共振指纹识别词典和脉冲序列指令的存储器。脉冲序列指令是指令或能够被转换为令磁共振成像系统根据磁共振指纹识别技术采集磁共振数据的指令的计时信息。磁共振指纹识别技术优选将磁共振数据编码为切片。预先计算的磁共振指纹识别词典包含针对一组预定物质的响应于指纹识别序列计算的作为潜在MR信号的磁共振信号的列表。各种预定物质具有令它们生成具体磁共振信号的不同性质，诸如T1或T2时间。
每个预先计算的磁共振指纹识别词典条目表示具体物质对整个脉冲序列的响应。词典中的条目是在指定测量时间处的计算的磁共振信号以对应于实际测量时间。词典中的MR信号能够通过使用众所周知的布洛赫方程建模物质中的每一种对脉冲序列的响应来计算。这些预测的MR信号值然后能够与测量到的MR信号进行比较。词典中的物质中的每一种能够潜在地对测量到的MR信号作出积极贡献。在所有或许多测量时间处的比较实现了对测量到的磁共振信号有贡献的区域在磁共振指纹识别词典中的物质方面的组成的准确去卷积。
磁共振成像系统还包括用于控制磁共振成像系统的处理器。机器可执行指令的执行令处理器通过利用脉冲序列指令控制磁共振成像系统来采集磁共振数据。机器可执行指令的执行还令处理器将磁共振数据划分成一组切片。切片可以被定位为垂直于预定方向。机器可执行指令的执行还令处理器通过比较来自所述一组切片中的每一个的磁共振数据与预先计算的磁共振指纹识别词典来计算所述一组切片中的每一个内的所述预定物质中的每一种的丰度。
机器可执行指令的执行还令处理器通过比较针对所述一组切片中的每一个的磁共振数据与预先计算的磁共振指纹识别词典来计算所述一组切片中的每一个内的所述预定物质中的每一种的丰度。指令的执行还令处理器通过根据沿着预定方向的位置标绘所述一组切片中的每一个内的所述预定物质中的每一种的丰度来计算磁共振指纹识别图表。
上述磁共振成像系统至少不同在于，磁共振指纹识别技术沿预定方向中的一维被执行。用于空间编码的垂直于预定方向的梯度场不被使用。这可以导致多个益处。一个是磁共振指纹识别技术能够被极快块地采集。另一优点是磁共振指纹图表能够用来定位磁共振指纹识别词典内的少量物质的存在。例如，如果对象有癌症并且所述一组预定物质内的物质指示癌症，对象能够利用磁共振成像系统被非常迅速地扫描并且指示癌症的存在的物质能够被检测到。这然后可以用来触发多于一维的更详细的磁共振指纹识别，或甚至触发常规磁共振成像详细地查看该区域。该技术对来自一组预定物质的少量物质非常敏感。
所述一组切片可以通过磁共振数据中的频带来确定。
脉冲序列指令可以包含以每个脉冲重复的变化的重复时间、变化的翻转角和变化的测量时间执行磁共振数据的测量的指令。这可以提供脉冲时间的有用分布，这提供良好的采样并且允许不同成分到磁共振指纹识别词典的匹配。
RF脉冲的序列(翻转角)、重复时间等能够是随机的或伪随机的。在RF脉冲的伪随机序列中或在选自可能的RF脉冲的分布的RF脉冲中，RF脉冲的序列可以被选择为使得它最大化其编码功率以实现针对不同种类的潜在MR响应之间的最高差异。要点是脉冲序列包括重复时间和翻转角的范围而非单个值。这可以以下方式进行选择：得到的磁共振信号对于不同的组织是不同的，并且类似于指纹。
K-空间采样能够被改变。例如，沿一维的均匀的k-空间采样、沿一维的不均匀的k-空间采样、和沿一维的随机的k-空间采样。当使用一维切片选择时，例如z-切片选择并且采样无x和y梯度(即，每次一整个z切片)，可以说仅k-空间中的单个点(原点)被采样。可以使用z梯度不用于切片选择，但是用于沿z方向且再次无x和y梯度对k-空间采样。在这种情况下，k-空间将会是一维的，并且采样可以使用k-空间中的点的均匀或不均匀分布来执行。
在另一实施例中，脉冲序列包括一系列脉冲重复。所述一系列脉冲重复中的每个脉冲重复具有随机的分布、来自持续时间的分布的预先选定的持续时间、或伪随机的持续时间。预先选定的持续时间可以选自分布使得得到的一系列RF脉冲看起来是随机的或伪随机的，但是可以被选择为也优化其他性质。例如，如上面已经提到的，RF脉冲可以被选择为使得它们将序列的编码功率最大化以实现针对不同种类的潜在MR响应之间的最高差异。
每个脉冲重复包括选自翻转角的分布的射频脉冲以旋转磁自旋。这些是成像区内的对象的磁自旋。每个脉冲重复包括采样事件，其中，磁共振信号在重复脉冲结束之前的预定时间处被采样预定持续时间。磁共振数据在采样事件期间进行采集。
翻转角的分布例如可以是随机分布、伪随机分布、或被选择为给出良好采样的预定分布。在磁共振指纹识别中，存在对所使用的各种不同翻转角的需要，因此术语翻转角的分布被使用。
在另一实施例中，脉冲序列的每个脉冲重复包括在射频脉冲与采样事件之间的第一时间中点处被执行以重新聚焦磁共振信号的第一180°射频脉冲。脉冲序列的每个脉冲重复包括在采样事件与下一个脉冲重复的开始之间的第二时间中点处被执行的第二180°RF脉冲。在该实施例中，每个脉冲重复有两个180°射频脉冲。这两个180°RF脉冲重新聚焦磁共振信号。其效果是消除或减少信号对B0场中的不均匀性的依赖性。在磁共振指纹识别中，数据高度依赖于B0场有多均匀。磁共振指纹识别词典为了计算是适当的需要考虑B0场中的不均匀性。通过使用180°RF重新聚焦脉冲，减少了对B0场的不均匀性的这种依赖性。这可以实现更准确地计算所述一组切片中的每一个内所述一组预定物质中的每一种的丰度的能力。
具体地，构建磁共振指纹识别词典被简化。如果B0场变化对信号的影响被最小化并且测量到的信号独立于移相效果，那么词典条目能够通过利用布洛赫方程建模单个自旋来构建。在不使用两个180°RF重新聚焦脉冲的情况下，当计算词典条目时，B0场的不均匀性需要被考虑。使用180°RF重新聚焦脉冲因此也改善了当计算磁共振指纹图表时去卷积的准确性。
在另一实施例中，通过比较针对所述一组切片中的每一个的磁共振数据与预先计算的磁共振指纹识别词典来对所述一组切片中的每一个内的预定组织类型中的每一种的丰度的计算通过将磁共振数据的每个磁共振信号表示为来自预定物质中的每一种的信号的线性组合来执行。这可以被完成，使得不存在被计算的非负系数。这还通过以下来实现：通过使用最小化技术求解线性组合来确定预定物质中的每一种的丰度。例如，修改的最小二乘方法可以被使用。最小二乘方法可以被修改，使得具体物质的负值被排除。
在另一实施例中，指令的执行还令处理器将磁共振指纹图表绘制在显示介质上。如本文中使用的显示介质可以包含显示的电子或永久方法。例如，显示介质可以被显示在屏幕或触摸屏显示器上。显示介质也可以包括打印的或绘制的图像。例如，磁共振指纹可以被产生到由放射医师使用的标准透明度上。
在另一实施例中，指令的执行还令处理器将对象的表示叠加到磁共振指纹图表的绘制上。例如，如果磁共振指纹图表仅仅是示出物质的浓度和位置的函数的图表，医师或其他医疗保健提供者解读起它来会是困难的。通过将对象的图像或表示放置到图表上，这可以实现用户的更容易解读。例如，线框图、照片或甚至磁共振图像形式的人的绘制可以是有用的。
在另一实施例中，指令的执行还令处理器在磁共振指纹图表的绘制中对齐所述对象的表示。这可以是有用的，因为然后对象的表示与指纹图表对齐。
在另一实施例中，对象的表示使用表示与沿着预定方向的位置之间的预先定义的关系与磁共振指纹图表对齐。例如，对象可以被安排在对象支撑物中，所述对象支撑物具有强迫对象解剖结构与对象支撑物成预定关系的结构。对象支撑物的位置然后可以被配准到磁共振成像系统中的位置。
在另一实施例中，表示与磁共振指纹图表之间的对齐通过将预定物质中的至少一种的丰度与由对象的表示指示的解剖位置进行匹配来执行。例如，对象的身体或结构的某些部分可以具有大量或缺少具体物质。这可以用于对齐指纹。
在另一实施例中，磁共振成像系统还包括能操作用于沿着预定方向逐步移动对象通过成像区的对象支撑物。指令的执行还令处理器控制对象支撑物以在磁共振数据的采集期间沿着预定方向移动对象通过成像区。磁共振数据到切片的划分至少部分地通过对象支撑物在磁共振数据的采集期间的位置来确定。在该实施例中，对象可以被逐步移动通过磁共振成像系统，使得沿着预定方向的对象的更大区域被执行。例如，对象可以具有通过移动全身或结构通过磁共振成像系统而被成像的完整结构或身体。
在另一实施例中，磁共振成像系统还包括用于采集磁共振数据的射频系统。射频系统包括用于接收来自成像区内的对象的磁共振信号的射频天线。射频天线是表面线圈。如本文中使用的表面线圈是被放置在对象上的线圈。表面线圈可以具有用于接收或发送局部射频信号的许多单独元件。许多单独元件或多个单独元件每个可以被连接到它自己的射频信道。在这种情况下，表面线圈可以用于并行成像。
在另一实施例中，指令的执行还令处理器重复至少一个校准体模的磁共振数据的测量。至少一个校准体模中的每一个具有校准轴。至少一个校准体模包括当校准轴与预定方向对齐时预定物质中的每一种的已知体积。校准体模以此方式的使用可以是有益的，因为它允许切片内的具体物质的绝对量被确定，而非正在被确定的相对量。
在另一实施例中，磁场梯度生成器包括用于生成梯度磁场的单个梯度线圈。
在另一实施例中，磁场梯度生成器包括主磁体内的绕组的变化以生成梯度磁场。在该范例中，磁体具有永久的梯度磁场。这可以是有益的，因为相比于常规磁共振成像系统，用于执行一维磁共振指纹识别技术的简单且便宜的系统会是非常便宜的。不存在对梯度线圈或梯度线圈放大器的需要。
在另一方面中，本发明提供了一种操作磁共振成像系统以用于从成像区内的对象采集磁共振指纹图表的方法。磁共振成像系统包括用于在成像区内生成主磁场的磁体。磁共振成像系统还包括用于在成像区内生成梯度磁场的磁场梯度生成器。梯度磁场与预定方向对齐。磁共振成像系统还包括用于存储机器可执行指令、预先计算的磁共振指纹词典和脉冲序列指令的存储器。脉冲序列指令令磁共振成像系统根据磁共振指纹识别技术采集磁共振数据。磁共振指纹识别技术将磁共振数据编码为切片。
预先计算的磁共振指纹识别词典包含针对一组预定物质的响应于脉冲序列指令的执行计算的的磁共振信号的列表。该方法包括通过利用脉冲序列指令控制磁共振成像系统来采集磁共振数据的步骤。该方法还包括将磁共振数据划分成一组切片的步骤。该方法还包括通过比较针对所述一组切片中的每一个的磁共振数据与预先计算的磁共振指纹识别词典来计算所述一组切片中的每一个内的所述一组预定物质中的每一种的丰度的步骤。该方法还包括通过根据沿着预定方向的位置标绘所述一组切片中的每一个内的预定物质中的每一种的丰度来计算磁共振指纹识别图表的步骤。
在另一方面中，本发明提供了一种由控制磁共振成像系统的处理器执行以用于从成像区内的对象采集磁共振指纹图表的计算机程序产品。磁共振成像系统包括用于在成像区内生成主磁场的磁体。磁共振成像系统还包括用于在成像区内生成梯度磁场的磁场梯度生成器。梯度磁场与预定方向对齐。
磁共振成像系统还包括用于存储机器可执行指令、预先计算的磁共振指纹词典和脉冲序列指令的存储器。脉冲序列指令令磁共振成像系统根据磁共振指纹识别技术采集磁共振数据。磁共振指纹识别技术将磁共振数据编码为切片。预先计算的磁共振指纹识别词典包含针对一组预定物质的响应于脉冲序列指令的执行计算的磁共振信号的列表。
机器可执行指令的执行令处理器通过利用脉冲序列指令控制磁共振成像系统来采集磁共振数据。机器可执行指令的执行还令处理器将磁共振数据划分成一组切片。机器可执行指令的执行还令处理器通过比较针对所述一组切片中的每一个的磁共振数据与预先计算的磁共振指纹识别词典来计算所述一组切片中的每一个中的预定物质中的每一种的丰度。机器可执行指令的执行令处理器通过根据沿着预定方向的位置应用所述一组切片中的每一个内的预定物质中的每一种的丰度来计算磁共振指纹图表。
应当理解，只要组合的实施例不相互排斥，就可以组合本发明的前述实施例中的一个或多个。
附图说明
在下文中将仅以范例的方式并且参考附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1图示了磁共振成像系统的范例；
图2图示了磁共振指纹图表的绘制；
图3图示了操作权利要求1的磁共振成像系统的方法；
图4图示了脉冲序列的范例；并且
图5图示了磁共振指纹图表的绘制的另一范例。
附图标记列表
100 医学仪器
102 磁共振成像系统
104 磁体
106 磁体的膛
108 成像区
110 磁场梯度线圈
112 磁场梯度线圈电源
114 射频线圈
116 收发器
118 对象
120 对象支撑物
122 致动器
124 预定方向
125 切片
126 计算机系统
128 硬件接口
130 处理器
132 用户接口
134 计算机存储设备
136 计算机存储器
140 脉冲序列指令
142 磁共振数据
144 磁共振指纹识别词典
146 磁共振指纹图表
148 磁共振指纹图表的绘制
150 控制模块
152 指纹图表生成模块
154 绘制模块
200 沿着方向124的距离
202 指示物质的浓度的轴
204 物质的浓度的标绘
206 对象的表示
208 帮助到解剖结构的参考浓度的虚线
300 通过利用脉冲序列指令控制磁共振成像系统来采集磁共振数据
302 将磁共振数据划分成一组切片
304 通过比较针对一组切片中的每一个的磁共振数据与预先计算的磁共振指纹识别词典来计算一组切片中的每一个内的预定物质中的每一种的丰度
306 通过根据沿着预定方向的位置标绘一组切片中的每一个内的预定物质中的每一种的丰度来计算磁共振指纹图表
400 脉冲序列
402 第一脉冲重复
404 第二脉冲重复
406 RF脉冲
408 第一180度重新聚焦脉冲
409 第二180度重新聚焦脉冲
410 测量结果或射频信号
具体实施方式
这些附图中类似标记的元件是等同的元件或执行相同的功能。如果功能是等同的，那么在后面的附图中将不必讨论先前已经讨论过的元件。
图1图示了具有磁体104的磁共振成像系统100的范例。磁体104是具有穿过其的膛106的超导圆柱型磁体104。对不同类型的磁体的使用也是可能的，例如，使用分裂式圆柱磁体和所谓的开放式磁体两者也是可能的。除了低温恒温器已经被分裂成两个区段以允许进入磁体的等平面外，分裂式圆柱磁体与标准圆柱磁体类似，这样的磁体可以例如结合带电粒子束治疗使用。开放式磁体具有两个磁体区段，一个在另一个上面，其中在其之间的空间足够大以接收对象：两个区段的布置与亥姆霍兹线圈的布置类似。因为较少地限制对象，所以开放式磁体是受欢迎的。在圆柱磁体的低温恒温器内部，存在超导线圈的集合。在圆柱磁体104的膛106内，存在其中磁场足够强并足够均匀以执行磁共振成像的成像区108。
在磁体的膛106内，还存在一组磁场梯度线圈110，其被用于采集磁共振数据以对磁体104的成像区108内的磁自旋进行空间编码。磁场梯度线圈110连接到磁场梯度线圈电源112。磁场梯度线圈110旨在为代表性的。典型地，磁场梯度线圈110包含用于在三个正交空间方向上空间编码的三个分离的线圈的组。磁场梯度电源将电流供应给磁场梯度线圈。供应给磁场梯度线圈110的电流根据时间来控制并且可以是倾斜的或脉冲的。
邻近成像区108的是用于操纵成像区108内的磁自旋的取向并且用于接收来自也在成像区108内的自旋的无线电传输的射频线圈114。射频天线可以包含多个线圈元件。射频天线还可以被称为信道或天线。射频线圈114连接到射频收发器116。可以由单独的发射线圈和接收线圈和单独的发射器和接收器来替换射频线圈114和射频收发器116。应当理解，射频线圈114和射频收发器116是代表性的。射频线圈114旨在还表示专用发射天线和专用接收天线。同样地，收发器116还可以表示单独的发射器和接收器。射频线圈114还可以具有多个接收/发射元件，并且射频收发器116可以具有多个接收/发射信道。
对象支撑物120被附接到任选的致动器122，致动器122能够移动对象支撑物和对象118通过成像区108。以此方式，对象118的更大部分或整个对象118能够被成像。标记为124的具有箭头的线沿着磁体104的所谓的z-轴。梯度场系统110、112可以用来在沿着方向124的方向上制作梯度场。成像区108能够被划分成垂直于方向124的多个切片125。一维磁共振指纹识别技术能够沿着方向124被应用，以确定切片125中的每一个内的物质的成分。收发器116、磁场梯度线圈电源112和致动器122都视为被连接到计算机系统126的硬件接口128。
计算机存储设备134被示为包含脉冲序列指令140。计算机存储设备134还被示为包含磁共振数据142，磁共振数据142是使用脉冲序列指令140控制磁共振成像系统100而被采集的。计算机存储设备134还被示为包含磁共振指纹识别词典144。计算机存储设备134还被示为包含磁共振指纹识别图表146。磁共振指纹识别图表146使用磁共振数据142和磁共振指纹识别词典144来重建。计算机存储设备134还包含磁共振指纹图表148的绘制。
计算机存储器136包含控制模块150，其包含如操作系统或使得处理器130能够控制磁共振成像系统100的操作和功能的其他指令的代码。计算机存储器136还被示为包含指纹图表生成模块152，其使用磁共振数据142和磁共振指纹识别词典144来计算磁共振指纹识别图表146。计算机存储设备136还包含绘制模块154，其用于将磁共振指纹识别图表146标绘并绘制为磁共振指纹图表148的绘制。例如，磁共振指纹识别图表148的绘制可以在显示器的用户接口132上进行绘制。
图2示出了磁共振指纹识别图表的示范性绘制148。在该范例中，存在具有两个轴200、202的图表。轴200是沿着方向124的距离。y-轴202示出了具体物质的浓度。标记为204的线是使用实用磁共振指纹识别词典144确定的不同的物质的浓度。轮廓206是通过曲线204放置的对象的表示，使得相对于对象的解剖结构的浓度能够被容易地推出。存在额外的虚线208来帮助将具体浓度与对象206的表示内的解剖位置相关。
图3示出了图示操作图1的磁共振成像系统100的方法的流程图。首先在步骤100中，磁共振数据142通过利用脉冲序列指令140控制磁共振成像系统100来进行采集。接下来在步骤302中，磁共振数据142被划分成一组切片125。接下来在步骤304中，所述一组切片中的每一个内的一组预定物质204中的每一种的丰度通过比较针对所述一组切片中的每一个的磁共振数据与预先计算的磁共振指纹识别词典144来计算。接下来在步骤306中，磁共振指纹识别图表146通过根据沿着预定方向124的位置标绘148所述一组切片中的每一个内的预定物质204中的每一种的丰度来计算。
对于通过MR测量结果与多个预先计算的词典条目来确定组织类型而言，磁共振(MR)指纹识别是新的且非常有前景的技术。
本发明建立于以下思想之上：MR指纹识别与降低的复杂性的以及专用的序列和重建算法的扫描器的MR相结合，以为非常有效的癌症筛查或定量的大体积测量打开新的机会。
磁共振指纹识别具有针对准确的组织表征的高可能性。尽管如此，目前的技术基于MR图像的逐体素分析，并且因此是耗时的且昂贵的。
本发明提出了有效地检测并量化特定组织类型的存在的方式，同时：
1.减少硬件成本和能量消耗
2.增加患者吞吐量
这可以实现用于早期癌症检测或用于身体脂肪量化的新的应用。
范例可以具有以下特征中的一个或多个：
1.具有降低的硬件要求的MRI系统：低性能x-和y-线圈是可能的；这些线圈甚至可以被完全省去(z-梯度线圈能够被设计为是非常有效的)。
2.用于不依赖B0的磁共振指纹识别的专用图像采集序列。
3.确定不同组织类型的相对和绝对体积的专用重建算法。
4.对发现物进行可视化的显示设备。
代替基于体素产生并分析医学图像，此处描述的方法产生整个z-切片的组织成分分析。单个专用指纹测量(几秒的持续时间)在不采用平面内(x,y)梯度的情况下被执行。整个切片的组织成分和组织成分的相对丰度根据得到的信号被自动确定。
优选被使用的MR序列满足两个要求：第一，它对组织特异性参数(例如T1和T2值，其他也是可想到的)敏感，以通过按照词典匹配测量到的信号(MR指纹识别)而对感兴趣组织进行编码并且允许定量的组织表征。第二，信号不依赖于非组织特异性参数变化(例如B0变化)，使得在整个切片内匹配组织成分是可能的。
图4图示了这样的序列的一个范例，其对T1和T2敏感但不依赖于B0变化。该序列基于随机的或否则自由选择的翻转角αi和延迟时间ti的列表。在具有翻转角α1的第一RF脉冲之后，回波在2t1的延迟之后被产生，并且信号被记录(ADC1)。具有长度2t1b的另一回波步骤确保在指纹序列的下一个部分以翻转角α2和延迟t2开始之前再次消除移相。
在测量点ADCi之后的额外的回波能够被尽可能短地保持具有t1b＝t2b＝…。切片选择梯度针对每个RF脉冲使用z梯度线圈来开启。
图4示出了脉冲序列400的部分。脉冲序列可以用于生成或计算脉冲序列指令140。在该计时图中，示出了第一脉冲重复402，并且示出了第二脉冲重复404。每个脉冲重复以射频脉冲406开始。脉冲重复的持续时间在脉冲重复间变化。存在射频信号被测量的持续时间410。射频脉冲406与测量持续时间410之间的时间也随着具体射频脉冲406的幅度和/或形状而被改变。该脉冲序列400还示出了每个重复402、404的两个180°重新聚焦脉冲408、409。第一重新聚焦脉冲408位于射频脉冲406与测量持续时间410之间的时间中点处。第二射频脉冲409位于测量持续时间410的中点与下一个脉冲406的开始之间。当测量410进行时，第一重新聚焦脉冲408令射频信号被重新聚焦。当下一个脉冲404开始时，第二重新聚焦脉冲409令信号被重新聚焦。
使用两个重新聚焦脉冲408和409的效果是磁场中的任何不均匀性的影响都被降低或被最小化。这可以减小最终磁共振指纹识别图表中的信噪比，并且它也使预先计算的磁共振指纹识别词典制作起来更容易。在没有这种补偿的情况下，包括用来制作预先计算的磁共振指纹识别词典的计算中的不均匀性的影响会是必需的。
测量到的MR信号(所有ADCi值的列表)针对在体积中预期的T1和T2的所有组合与预先计算的词典进行比较。该词典通过针对T1和T2的不同组合求解用于上面描述的指纹识别序列的布洛赫方程来创建。
为了确定整个切片的组织成分，信号被表示为N个词典条目的(复合)线性组合，
Figure BDA0001349181010000171
其中s是信号矢量，并且dk是词典条目。系数ak≥0通过重建算法来确定。这通过求解最小二乘问题来实现
针对ak≥0
最小化‖Da-s‖2
其中，D是具有作为列的词典条目dk的词典矩阵，并且a是描述个体潜在组织成分/组织类型对检测到的信号的贡献的系数的矢量。
每个词典条目被分配给特定组织类型。因此，系数ak产生用于不同组织成分在对于每种成分所涉及的“自旋数量”方面的相对丰度的估计。
在另一步骤中，如果不同组织类型的自旋密度已知，这些相对的“自旋数量”能够被转换为组织成分的相对体积或相对质量的估计。
系统不产生在空间上求解的图像。唯一空间解通过以切片选择方式应用图4所示的RF脉冲沿z-方向(或其他单个方向)实现。然而，对于每个切片，组织类型的组成被确定，并且能够被可视化为数字、条形图等。在多切片扫描的情况下，不同成分的丰度能够根据z位置进行显示。
系统可以以这样的方式进行编程：如果特定类型的组织被发现(例如，可疑质量、潜在肿瘤)，则它向操作者发出警报。它也能够以这样的方式进行编程：它显示指定组织的总体积/相对丰度，例如特定种类的转移或脂肪分数。
在一个范例中，MRI系统不包含x或y梯度线圈。仅提供了z梯度线圈。
在一个范例中，MRI系统根本不包含梯度线圈。静态z梯度通过具有不对称绕组的专用MR磁体来提供。
在一个范例中，稍微更高的空间分辨率(优选平面内)可以通过使用空间上敏感的局部接受线圈来实现，所述空间上敏感的局部接受线圈被放置在身体表面附近。
在一个范例中，当患者台被自动地逐步移动时，许多测量被执行。以此方式，身体的大部分或整个身体能够被扫描。
在另一范例中，使用移动台技术，患者被移动通过敏感接收阵列(“洗车方法”)，以改善空间分辨率和SNR并且降低过多接收器的成本。
在一个范例中，使用已知物质的已知体积的量规测量被执行一次，以确定将物质的体积/质量联系到通过测量确定的相对体积/质量的值的比例系数。以此方式，所有随后测量的相对体积/质量都能够被转换为绝对组织体积/质量。
图5示出了磁共振指纹识别图表的另一示范性绘制500。在该范例中，存在具有两个轴200、202的图表。轴200是沿着方向124的距离。轴202示出了具体物质的浓度。在该范例中，浓度被表示为曲线204，曲线204根据沿着轴200的距离标绘选定的组织类型的百分比丰度。轮廓206是通过曲线204放置的对象的表示，使得相对于对象的解剖结构的浓度能够被容易地推出。在磁性指纹图表被绘制在用户接口或图形用户接口上的情况下，也可以存在允许用户修改或改变绘制的额外的控制物500。控制物500例如可以用来选择哪一种物质或组织被显示。控制物也可以允许多种组织类型被同时显示。控制物也可以用来修改标度、缩放区域、和/或标度类型。例如标度可以在多种组织类型的相对丰度、组织或物质丰度的百分比、浓度、或在沿着方向124分布的绝对质量方面之间进行改变。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、说明书以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解和实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求书中记载的若干项的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储/分布在适当的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或者其他有线或无线的远程通信系统。权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于采集来自成像区（108）内的对象（118）的磁共振数据（142）的磁共振成像系统（100），其中，所述磁共振成像系统包括：
-磁体（104），其用于在所述成像区内生成主磁场；
-磁场梯度生成器（110、112），其用于在所述成像区内生成梯度磁场，其中，所述梯度磁场与预定方向对齐；
-存储器（134、136），其用于存储机器可执行指令（150、152、154）、预先计算的磁共振指纹识别词典（144）和脉冲序列指令（140），其中，所述脉冲序列指令令所述磁共振成像系统根据磁共振指纹识别技术来采集所述磁共振数据，其中，所述磁共振指纹识别技术将所述磁共振数据编码为切片（125），其中，所述预先计算的磁共振指纹识别词典包含针对一组预定物质的、响应于所述脉冲序列指令的执行计算的磁共振信号的列表；
-处理器（130），其用于控制所述磁共振成像系统，其中，对所述机器可执行指令的执行令所述处理器：
•通过利用脉冲序列指令控制所述磁共振成像系统来采集（300）所述磁共振数据；
•将所述磁共振数据划分成（302）一组切片；
•通过比较针对所述一组切片中的每一个的所述磁共振数据与所述预先计算的磁共振指纹识别词典来计算（304）所述一组切片中的每一个内的所述一组预定物质中的每一种的丰度；并且
•通过根据沿着所述预定方向的位置标绘所述一组切片中的每一个内的所述一组预定物质中的每一种的丰度来计算（306）磁共振指纹图表。
2.根据权利要求1所述的磁共振成像系统，其中，所述脉冲序列包括一系列脉冲重复（402、404），其中，所述一系列脉冲重复中的每个脉冲重复具有随机持续时间、来自持续时间的分布的预先选定的持续时间、或伪随机持续时间，其中，每个脉冲重复包括选自翻转角的分布的射频脉冲（406）以旋转磁自旋，并且其中，每个脉冲重复包括采样事件（410），在所述采样事件中，所述磁共振信号在所述脉冲重复结束之前的预定时间处被采样预定持续时间，其中，所述磁共振数据在所述采样事件期间被采集。
3.根据权利要求2所述的磁共振成像系统，其中，所述脉冲序列的每个脉冲重复包括在所述射频脉冲与所述采样事件之间的第一时间中点处被执行以重新聚焦所述磁共振信号的第一180度RF脉冲（408），并且其中，所述脉冲序列的每个脉冲重复包括在所述采样事件与下一个脉冲重复的开始之间的第二时间中点处被执行的第二180度RF脉冲（409）。
4.根据权利要求1、2或3所述的磁共振成像系统，其中，通过比较针对所述一组切片中的每一个的所述磁共振数据与所述预先计算的磁共振指纹识别词典来计算所述一组切片中的每一个内的预定组织类型中的每一种的丰度是通过以下来执行的：
-将所述磁共振数据的每个磁共振信号表达为来自所述一组预定物质中的每一种的信号的线性组合，并且
-通过使用最小化技术求解所述线性组合来确定所述一组预定物质中的每一种的丰度。
5.根据权利要求1所述的磁共振成像系统，其中，对所述指令的执行还令所述处理器将所述磁共振指纹图表绘制在显示介质上。
6.根据权利要求5所述的磁共振成像系统，其中，对所述指令的执行还令所述处理器将对象的表示（206）叠加到所述磁共振指纹图表的所述绘制上。
7.根据权利要求6所述的磁共振成像系统，其中，对所述指令的执行还令所述处理器使用以下中的任一项在对所述磁共振指纹图表的所述绘制中对齐所述对象的所述表示：使用所述表示与沿着所述预定方向的位置之间的预先定义的关系，以及将所述一组预定物质中的至少一种的丰度与由所述对象的所述表示指示的解剖位置进行匹配。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的磁共振成像系统，其中，所述磁共振成像系统还包括能操作用于沿着所述预定方向逐步移动所述对象通过所述成像区的对象支撑物，其中，对所述指令的执行还令所述处理器：
-控制所述对象支撑物以在对所述磁共振数据的采集期间沿着所述预定方向移动所述对象通过所述成像区，其中，所述磁共振数据到所述一组切片的划分是至少部分地通过所述对象支撑物在对所述磁共振数据的所述采集期间的位置来确定的。
9.根据权利要求8所述的磁共振成像系统，其中，所述磁共振成像系统还包括用于采集所述磁共振数据的射频系统，其中，所述射频系统包括用于接收来自所述成像区内的所述对象的磁共振信号的射频天线，其中，所述射频天线是表面线圈。
10.根据权利要求1-3中的任一项所述的磁共振成像系统，其中，对所述指令的执行还令所述处理器重复对至少一个校准体模的所述磁共振数据的测量，其中，所述至少一个校准体模中的每一个具有校准轴，其中，所述至少一个校准体模包括当所述校准轴与所述预定方向对齐时所述一组预定物质中的至少一种的已知体积。
11.根据权利要求1-3中的任一项所述的磁共振成像系统，其中，所述磁场梯度生成器包括用于生成所述梯度磁场的单个梯度线圈。
12.根据权利要求1-3中的任一项所述的磁共振成像系统，其中，所述磁场梯度生成器包括主磁体内的绕组的变化以生成所述梯度磁场。
13.一种操作磁共振成像系统以用于采集来自成像区（108）内的对象（118）的磁共振数据（142）的方法，其中，所述磁共振成像系统包括：
-磁体（104），其用于在所述成像区内生成主磁场；
-磁场梯度生成器（110、112），其用于在所述成像区内生成梯度磁场，其中，所述梯度磁场与预定方向（124）对齐；以及
-存储器（134、136），其用于存储机器可执行指令（150、152、154）、预先计算的磁共振指纹识别词典（144）和脉冲序列指令，其中，所述脉冲序列指令令所述磁共振成像系统根据磁共振指纹识别技术来采集所述磁共振数据，其中，所述磁共振指纹识别技术将所述磁共振数据编码为切片（125），其中，所述预先计算的磁共振指纹识别词典包含针对一组预定物质的、响应于所述脉冲序列指令的执行计算的磁共振的列表；
其中，所述方法包括以下步骤：
•通过利用所述脉冲序列指令控制所述磁共振成像系统来采集（300）所述磁共振数据；
•将所述磁共振数据划分成（302）一组切片；
•通过比较针对所述一组切片中的每一个的所述磁共振数据与所述预先计算的磁共振指纹识别词典来计算（304）所述一组切片中的每一个内的所述一组预定物质中的每一种的丰度；并且
•通过根据沿着所述预定方向的位置标绘所述一组切片中的每一个内的所述一组预定物质中的每一种的丰度来计算（306）磁共振指纹图表（146）。
14.一种计算机可读介质，其存储由控制磁共振成像系统（100）的处理器（130）执行以用于采集来自成像区（108）内的对象的磁共振数据（142）的机器可执行指令（150、152、154），其中，所述磁共振成像系统包括：
-磁体（104），其用于在所述成像区内生成主磁场；
-磁场梯度生成器（110、112），其用于在所述成像区内生成梯度磁场，其中，所述梯度磁场与预定方向对齐；以及
-存储器（134、136），其用于存储预先计算的磁共振指纹识别词典（144）和脉冲序列指令，其中，所述脉冲序列指令令所述磁共振成像系统根据磁共振指纹识别技术来采集所述磁共振数据，其中，所述磁共振指纹识别技术将所述磁共振数据编码为切片（125），其中，所述预先计算的磁共振指纹识别词典包含针对一组预定物质的、响应于所述脉冲序列指令的执行计算的磁共振信号的列表；
其中，对所述机器可执行指令的执行令所述处理器：
•通过利用所述脉冲序列指令控制所述磁共振成像系统来采集（300）所述磁共振数据；
•将所述磁共振数据划分成（302）一组切片；
•通过比较针对所述一组切片中的每一个的所述磁共振数据与所述预先计算的磁共振指纹识别词典来计算（304）所述一组切片中的每一个内的所述一组预定物质中的每一种的丰度（204）；并且
•通过根据沿着所述预定方向（124）的位置标绘所述一组切片中的每一个内的所述一组预定物质中的每一种的丰度来计算（306）磁共振指纹图表。
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