CN107743588A

CN107743588A - 使用b0不均匀性图和对象磁化率图的骨骼mri

Info

Publication number: CN107743588A
Application number: CN201680034261.2A
Authority: CN
Inventors: P·博尔纳特; K·内尔克; H·埃格斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2018-02-27
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: US10591562B2; CN107743588B; JP6700316B2; RU2018100158A3; US20180180693A1; RU2713806C2; EP3308185B1; EP3308185A1; WO2016198363A1; JP2018522624A; RU2018100158A

Abstract

本发明提供了一种医学器械(100、500)，包括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(102)。所述磁共振成像系统包括：主磁体(104)，其用于在所述成像区内生成B0磁场；存储器(134、136)，其包含机器可执行指令(160、162、164、166)和脉冲序列命令(140)；处理器(130)，其用于控制所述医学器械。所述机器可执行指令的执行使得所述处理器：通过利用所述脉冲序列命令控制所述磁共振成像系统来采集(200)所述磁共振数据；接收(202)所述对象的对象磁化率图(144)；根据所述磁共振数据来计算(204)B0不均匀性图(146)；根据所述对象磁化率图来计算(206)对象B0磁场扰动(148)；通过从所述B0不均匀性图中减去所述对象B0磁场扰动来计算(208)残余B0磁场扰动(150)；并且根据所述残余B0磁场扰动来计算(210)骨骼图(152)。

Description

使用B0不均匀性图和对象磁化率图的骨骼MRI

技术领域

本发明涉及磁共振成像，尤其涉及使用B0磁场的扰动对骨骼组织进行定位。

背景技术

磁共振成像(MRI)扫描器使用大的静态磁场来对准原子的核自旋，作为用于在患者体内产生图像的流程的一部分。这个大的静态磁场被称为B0场。

在MRI扫描期间，由一个或多个发射器线圈生成的射频(RF)脉冲引起所谓的B1场。额外施加的梯度场和B1场引起对有效局部磁场的扰动。然后，由一个或多个接收器线圈检测核自旋发出的RF信号。这些RF信号被用于构建MR图像。这些线圈也能够被称为天线。另外，发射器线圈和接收器线圈也能够被集成到执行这两个功能的一个或多个收发器线圈中。应当理解，对术语“收发器线圈”的使用也指使用单独的发射器线圈和接收器线圈的系统。

MRI扫描器能够构建切片或体积的图像。切片是一个薄的体积，它只有一个体素那么厚。体素是在其上MR信号被平均化的小体积元素，表示MR图像的分辨率。如果考虑单个切片，则体素也可以被称为像素(图片元素)。

由于在这些高度有序的结构中存在短的T2时间，因此对骨骼组织的成像在某些情况下是困难的。通常使用特殊的脉冲序列来对骨骼组织进行成像。例如，Tyler、Damian J.等人的期刊文章“Magnetic resonance imaging with ultrashort TE(UTE)PULSEsequences:technical considerations(Journal of Magnetic Resonance Imaging 25.2(2007)：279-289)讨论了几种技术。

另一种用于对骨骼组织进行成像的方法是对磁共振图像执行图像分割。美国专利US 7920730B2公开了一种用于使用MRI图像来检测骨骼和骨骼疾病的方法，所述方法包括：使用来自MRI图像的深色骨骼边界强度信息来检测和分割骨骼边界；并且在经分割的图像区域内检测骨骼疾病。

狄克逊磁共振成像方法包括一系列用于产生单独的水图像和脂质(脂肪)图像的技术。诸如但不限于两点狄克逊方法、三点狄克逊方法和多点狄克逊方法的各种狄克逊技术在本文中被统称为狄克逊技术或方法。描述狄克逊技术的术语是公知的，并且已经成为许多综述文章的对象，并且以标准文本存在于磁共振成像中。例如，由Elsevier学术出版社于2004年出版的Bernstein等人的“Handbook of MRI Pulse Sequences”在第857至887页中包含了对一些狄克逊技术的综述。

Koch、Kevin M.等人期刊文章“Rapid calculations of susceptibility-induced magnetostatic field perturbations for in vivo magnetic resonance”(Physics in medicine and biology 51.24(2006)：6381)公开了计算麦克斯韦方程的近似解来预测由体内磁化率差异诱发的B0场的宏观不均匀性。

发明内容

本发明在独立权利要求中提供了医学器械、操作该医学器械的方法以及计算机程序产品。在从属权利要求中给出了实施例。

本领域的技术人员将意识到，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。因此，本发明的各方面可以采用以下形式：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)或在本文中全部被通称为“电路”、“模块”或“系统”的组合了软件方面和硬件方面的实施例。此外，本发明的各方面可以采用被实施在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，所述一个或多个计算机可读介质具有被实施在其上的计算机可执行代码。

可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。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”涵盖可以存储能由计算设备的处理器执行的指令的任何有形存储介质。计算机可读存储介质可以被称为计算机可读非瞬态存储介质。计算机可读存储介质还可以被称为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还能够存储能够由计算设备的处理器访问的数据。计算机可读存储媒介的范例包括但不限于：软盘、磁硬盘驱动器、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)和数字多用盘(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还指能够由计算机设备经由网络或通信链路进行存取的各种类型的记录媒介。例如，可以在调制解调器上、在互联特网上或在局域网上检索数据。可以使用任何适当的介质来发射在计算机可读介质上实施的计算机可执行代码，所述任何适当的介质包括但不限于：无线、有线、光纤缆线、RF等，或前面的任何合适的组合。

计算机可读信号介质可以包括例如在基带中或作为载波的部分的、在其中实施计算机可执行代码的传播的数据信号。这样的经传播的信号可以采用各种形式中的任何形式，包括但不限于：电磁、光学或其任何合适的组合。计算机可读信号介质可以是这样的任何计算机可读介质：所述计算机可读介质不是计算机可读存储介质并且能够传递、传播或传输用于由指令执行系统、装置或设备使用的程序或与指令执行系统、装置或设备结合使用的程序。

“计算机存储器”或“存储器”是计算机可读存储介质的范例。计算机存储器是能由处理器直接访问的任何存储器。“计算机存储设备”或“存储设备”是计算机可读存储介质的另外的范例。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，计算机存储设备还可以是计算机存储器，或者反之亦然。

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含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多个计算设备的集合或网络，所述多个计算设备中的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一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，并且可以与解读器联合使用，所述解读器在执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、作为独立软件包、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执行。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，所述网络包括局域网(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流程图图示和/或方法、装置(系统)以及计算机程序产品的方框图描述了本发明的各方面。应当理解，在适当时能够由计算机可执行代码形式的计算机程序指令来实施流程图、图示和/或方框图的方框的每个方框或部分。还应当理解，当互不排斥时，可以对不同的流程图、图示和/或方框图中的方框进行组合。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其它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它可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实施流程图和/或方框图的一个或多个方框中指定的功能/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特定方式起作用，使得被存储在计算机可读介质中的指令产生制造品，所述制造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，以引起要在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的一系列操作步骤，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交互的接口。“用户接口”还可以被称为“人类接口设备”。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所述计算机接收，并且可以从计算机向用户提供输出。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。显示器或图形用户接口上对数据或信息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、头戴式设备、脚踏板、有线手套、遥控器以及加速度器来接收数据是使得能够从操作者接收信息或数据的用户接口部件的全部范例。

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。硬件接口还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、IEEE 1394端口、并行端口、IEEE 1284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由磁共振装置的天线所记录的对通过原子自旋发出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(MR)图像在本文中被定义为是对在磁共振成像数据之内包含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。

在一方面中，本发明提供了一种医学器械。所述医学器械包括用于采集来自成像区内的对象的磁共振数据的磁共振成像系统。所述磁共振成像系统包括用于在所述成像区内生成B0磁场的主磁体。B0磁场通常也被称为主磁场。B0磁场或主磁场是成像区内的静态且均匀的磁场，其对准各个原子的磁自旋，使得可以执行磁共振成像。所述磁共振成像系统还包括包含机器可执行指令和脉冲序列命令的存储器。所述磁共振成像系统还包括用于控制所述医学器械的处理器。所述机器可执行指令的执行使得所述处理器通过利用所述脉冲序列命令控制所述磁共振成像系统来采集所述磁共振数据。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器接收所述对象的对象磁化率图。对象磁化率图能够以各种不同的方式被接收。例如，对象磁化率图可以被存储在处理器的存储器或计算机存储设备中。在其他范例中，通过根据诸如磁共振图像的不同数据源计算对象磁化率图来接收对象磁化率图。

所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器根据所述磁共振数据来计算B0不均匀性图。B0不均匀性图的确定是公知的，并且能够采取各种不同的方法来确定B0不均匀性图。例如，B0不均匀性图通常可以在执行狄克逊磁共振成像技术时被确定。使用狄克逊技术来绘制B0的优点在于：通过基于狄克逊的重建来固有地补偿可能损害体内B0图的质量的由脂肪引起的非共振效应。常见的狄克逊技术的综述可以例如在Bernstein等人的“HandBook of MRI Pulse Sequences”中找到。(见第857-887页)。原则上，可以使用在一次RF激励或者进行多次RF激励之后对多个回波进行采样并且一次对一个回波偏移进行采样的任何多梯度回波序列。这通常可以与各种脂肪抑制磁共振成像技术或协议相结合。

所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器根据所估计的对象磁化率图来计算对象B0磁场扰动。例如，如果正在执行体积磁共振成像协议，则能够通过简单的分割手段来导出这样的对象特定的磁化率图。最简单的模型能够包括两个隔室(组织和空气)，所述两个隔室由其对应的磁化率值表示。可以想象更复杂的组织/磁化率模型。此外，操作场强(B0)是已知的。由此，使用已知的技术或电动力学根据对象磁化率图来计算对象B0磁场扰动是直接的。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器通过从所述B0不均匀性图中减去所述对象B0磁场扰动来计算残余B0磁场扰动。在此操作中，从B0不均匀性图中减去计算出的对象B0磁场扰动的值，这样得到残余B0磁场扰动。

残余B0磁场扰动是对B0磁场的扰动，所估计的对象磁化率图不能解释这种扰动。假设这种扰动可能是由于骨骼组织造成的，这在常规的MRI中没有给出明显的信号，也没有进行任何分割。所述机器可执行指令的接下来的执行还使得所述处理器根据残余B0磁场扰动来计算骨骼图。定量地得知残余B0磁场扰动使得能够直接计算可能导致这种残余B0磁场扰动的骨骼组织分布。例如，对象内的骨骼分布可以被称为骨骼图。可以通过求解或迭代地确定导致残余B0磁场扰动的骨骼或骨骼图的分布来计算骨骼图。

所述医学器械可以具有例如这样的益处：能够使用正常或常规的磁共振成像协议来推断骨骼组织的位置。

在另一实施例中，所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器将所述磁共振数据的至少部分重建成至少一幅对象磁共振图像。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器通过分割所述对象磁共振图像来计算对象模型。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器根据所述对象模型来构造所述对象磁共振磁化率图。对象磁化率图的构建能够以各种不同的方式来完成。在一种情况下，能够使用简单的磁共振图像(例如，质子密度图像)来拟合模型，所述模型包括关于对象内磁化率分布的假设。例如，该模型可以拟合于提供对象内组织分布类型的数据或预测的磁共振数据。关于特定组织类型的空间依赖性的知识允许直接构建对象磁化率图。

在一个范例中，脉冲序列命令用于单个磁共振成像协议。在其他范例中，脉冲序列命令能够用于执行多于一个的磁共振成像协议。

在另一实施例中，所述脉冲序列命令包括用于根据狄克逊磁共振成像协议来采集所述磁共振成像数据的命令。所述至少一幅对象磁共振图像包括至少一幅脂肪图像和至少一幅水图像。所述对象模型包括脂肪部分和水部分。所述对象磁化率图是通过将所述脂肪部分和所述水部分对磁共振磁化率的空间贡献进行相加或分配而计算出的。可以知晓对象内的脂肪和水的磁化率。

在另一实施例中，计算所述对象模型包括使用所述至少一幅脂肪图像和所述至少一幅水图像来确定所述对象中的水和脂肪的空间依赖性。水和脂肪的空间依赖性能够以不同的形式来表达。例如，水的空间依赖性可以是一个映射，而脂肪的空间依赖可以是另一个映射。在其他范例中，空间依赖性以比率来表达。

在另一实施例中，所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器通过将反转格林函数应用于所述残余B0磁场扰动来计算空间骨骼分布。所述骨骼图至少部分是根据所述空间骨骼分布而计算出的。

在一些范例中，反转格林函数可以是反转格林偶极函数。反转格林函数也能够被称为格林去卷积。

在一些情况下，所述空间骨骼分布是所述骨骼图。在其他情况下，所述空间骨骼分布被用于计算所述骨骼图。

在另一实施例中，所述指令的执行还使得所述处理器首先估计空间骨骼分布。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器通过将格林函数应用于所述空间骨骼分布并然后在最优化算法中将得到的估计的B0磁场扰动与所述残余B0磁场扰动进行比较来迭代地细化所述空间骨骼分布。优化算法然后能够将骨骼组织的小部分添加到空间骨骼分布中或将骨骼组织的小部分去除。然后能够使用随后的空间骨骼分布来计算新的估计的B0磁场扰动。然后重复该过程，直到所述估计的B0磁场扰动在预定量度内收敛到残余B0磁场扰动。

所述骨骼图至少部分是根据所述空间骨骼分布来计算的。不是使用反转格林函数，而是以初步空间骨骼分布的形式来初始猜测骨骼组织处于何处，然后使用前向格林函数来计算残余B0磁场扰动。得到的计算出的残余B0磁场扰动在实际的残余B0磁场扰动的预定距离或标准内，则算法停止。如果不是，则调整骨骼组织的空间位置以尝试校正空间骨骼分布。这能够迭代地执行，直到找到满意的空间骨骼分布的解。

在另一实施例中，所述指令的执行还使得所述处理器通过分割所述至少一幅对象磁共振图像来计算所述骨骼图。对经分割的骨骼图像的所述计算包括使用所述空间骨骼分布对所述分割进行加权。在该实施例中，骨骼图不是直接根据空间骨骼分布计算出的，而是使用空间骨骼分布来对图像分割进行加权而得到的。这在标绘骨骼组织的位置时可能特别有用。例如，骨骼通常具有与其接触的其他组织。这些组织可能在磁共振成像图像中可见。困难在于在对象内可能存在气腔、气泡或其他结构，所述气腔、气泡或其他结构具有不会发出能被成像的非常强的磁共振信号的区域。在分割期间使用空间骨骼分布来执行加权可以减小区域被错误地选择为包含骨骼组织的可能性。

在另一实施例中，所述指令的执行还使得所述处理器通过分割所述至少一幅对象磁共振图像来计算所述骨骼图，并且使用所述空间骨骼分布来调整所述骨骼图。在该范例中，主要通过分割对象磁共振图像来计算骨骼图。然后使用空间骨骼分布来校正骨骼图中的边界或其他位置。

在另一实施例中，所述指令的执行还使得所述处理器使用所述骨骼图和所述对象模型来计算辐射衰减图。本文中所使用的辐射衰减图是组织的3D分布，其可以用于计算通过对象的电离辐射的衰减。结合对象模型和骨骼图可以产生更准确的辐射衰减图。例如，在辐射规划或诸如正电子发射断层摄影或单光子发射断层摄影的其他核医学成像技术中，这可以是有用的。

在另一实施例中，所述医学系统还包括用于采集至少所述成像区的核医学图像的核医学成像系统。所述机器可执行指令的执行还使所述处理器从所述成像区采集核医学成像数据。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器使用所述核医学成像数据和所述辐射衰减图来重建所述核医学图像。该实施例可以是有益的，这是因为对象能够在不移动的情况下使辐射衰减图得以采集或确定，并且可以执行核医学成像技术。

核医学成像系统的范例包括正电子发射断层摄影系统或单光子发射断层摄影系统。

在另一实施例中，所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器接收处置计划。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器使用所述处置计划和所述辐射衰减图来生成辐射治疗系统控制命令。

在另一实施例中，所述医学器械还包括用于辐照所述成像区内的靶标的辐射治疗系统。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器利用所述辐射治疗系统控制命令来控制所述辐射治疗系统。

在另一实施例中，所述机器可执行指令的执行还使所述处理器接收描述成像区内的所述B0磁场的背景B0磁场图。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器在计算所述残余B0磁场扰动之前利用所述背景B0磁场图来校正所述B0不均匀性图。当磁共振成像系统固有的B0磁场存在大的不均匀性时，该实施例可以是有益的。这在B0磁场更不均匀的成像区边界也可以是有用的。

能够以不同的方式来获得背景B0磁场。在没有患者就位的情况下关于主磁场分布的信息例如能够从以下(但不限于以下)获得：

-在系统安装期间测得的匀场标绘图；或

-一些专门的B0图体模测量结果(使用充水球)；或

-其他场探头/场测量方法。

在另一方面中，本发明提供了一种操作医学器械的方法。所述医学器械包括用于采集来自成像区内的对象的磁共振数据的磁共振成像系统。所述磁共振成像系统包括用于在成像区内生成B0磁场的主磁体。所述方法包括通过利用所述脉冲序列命令控制所述磁共振成像系统来采集所述磁共振数据的步骤。所述方法还包括接收所述对象的对象磁化率图。所述方法还包括根据所述磁共振数据来计算B0不均匀性图。所述方法还包括根据所述对象磁化率图来计算对象B0磁场扰动。所述方法还包括通过从所述B0不均匀性图中减去所述对象B0磁场扰动来计算残余B0磁场扰动。所述方法还包括根据残余B0磁场扰动来计算骨骼图。

在另一方面中，本发明提供了一种计算机程序产品，包括由控制医学器械的处理器执行的机器可执行指令。所述医学器械包括用于采集来自成像区内的对象的磁共振数据的磁共振成像系统。所述磁共振成像系统包括用于在成像区内生成B0磁场的主磁体。所述机器可执行指令的执行使得所述处理器通过利用所述脉冲序列命令控制所述磁共振成像系统来采集所述磁共振数据。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器接收所述对象的对象磁化率图。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器根据所述磁共振数据来计算B0不均匀性图。

所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器根据所述对象磁化率图来计算对象B0磁场扰动。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器通过从所述B0不均匀性图中减去所述对象B0磁场扰动来计算残余B0磁场扰动。所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器根据残余B0磁场扰动来计算骨骼图。

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一个或多个前述实施例。

附图说明

在下文中，仅以举例的方式并参考附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1图示了医学器械的范例；

图2示出了图示操作图1的医学器械的方法的流程图；

图3示出了图示方法的另外的范例的流程图；

图4示出了来自模拟的图像；

图5图示了医学器械的另外的范例；并且

图6示出了图示操作图5的医学器械的方法的流程图。

附图标记列表

100 医学器械

102 磁共振系统

104 磁体

106 磁体的膛

108 测量区或成像区

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

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 脉冲序列命令

142 磁共振数据

144 对象磁化率图

146 B0不均匀性图

148 对象B0磁场扰动

150 残余B0磁场扰动

152 骨骼图

160 控制模块

162 图像重建模块

164 微分方程模块

166 图像处理模块

200 通过利用脉冲序列命令控制磁共振成像系统来采集磁共振数据

202 接收对象的对象磁化率图

204 根据磁共振数据来计算B0不均匀性图

206 根据对象磁化率图来计算对象B0磁场扰动

208 通过从B0不均匀性图中减去对象B0磁场扰动来计算残余B0磁场扰动

210 根据残余B0磁场扰动来计算骨骼图

300 输入

302 输出

304 减去B0背景图

306 经校正的B0不均匀性图

308 格林卷积

400 模拟目标的图像

402 图像400中的目标的经计算的身体诱发的磁化率图

404 只有水的图像

406 图像406中的水的经计算的身体诱发的磁化率图

408 图像402与406之差

410 骨骼图

412 水

414 皮质骨

416 骨髓

502 脂肪图像

504 水图像

506 对象模型

600 磁共振数据被重建成脂肪图像和水图像

602 通过分割脂肪图像和水图像来计算对象模型

604 根据对象模型来计算对象磁化率图

具体实施方式

在这些附图中，相似标记的元件是等同的元件或者执行相同的功能。如果功能是等同的，先前讨论的元件将不一定在后面的附图中进行讨论。

图1示出了医学器械100的范例。医学器械100包括磁共振成像系统102。磁共振成像系统102包括磁体104。磁体104是超导圆柱型磁体104，其具有贯通其中的膛106。也可以使用不同类型的磁体；例如也可以使用分裂式圆柱形磁体和所谓的开放式磁体。分裂式圆柱形磁体与标准圆柱形磁体相似，除了低温恒温器已经被分成两个部分以允许进入磁体的等平面，这样的磁体可以例如与带电粒子射束治疗结合使用。开放式磁体具有两个磁体部分，一个在另一个之上，其间具有足够大的空间以容纳对象：这两个部分的区的布置类似于亥姆霍兹线圈的布置。开放式磁体是受欢迎的，这是因为对象不太受限制。在圆柱形磁体的低温恒温器内部，有一组超导线圈。在圆柱形磁体104的膛106内，存在其中磁场足够强且足够均匀以执行磁共振成像的成像区108。

在磁体的膛106内，还有一组磁场梯度线圈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被连接到磁场梯度线圈电源112。磁场梯度线圈110旨在是代表性的。通常，磁场梯度线圈110包含三个独立的线圈组，用于在三个正交的空间方向上进行空间编码。磁场梯度电源将电流供应给磁场梯度线圈。被供应给磁场梯度线圈110的电流作为时间的函数被控制并且可以是斜坡变化的或脉冲的。

与成像区108邻近的是射频线圈114，其用于操纵成像区108内的磁自旋的取向，并用于接收也来自成像区108内的自旋的无线电发射。射频天线可以包含多个线圈元件。射频天线也可以被称为通道或天线。射频线圈114被连接到射频收发器116。射频线圈114和射频收发器116可以由单独的发射线圈和接收线圈以及单独的发射器和接收器来代替。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也旨在表示专用发射天线和专用接收天线。同样，收发器116也可以表示单独的发射器和接收器。射频线圈114也可以具有多个接收/发射元件，并且射频收发器116可以具有多个接收/发射通道。

在磁体104的膛106内有对象支撑物120，所述对象支撑物120被附接到任选的致动器122，所述致动器122能够使对象支撑物和对象118移动通过成像区108。收发器116、磁场梯度线圈电源112和致动器122全都被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和计算机存储器136的内容可以是可互换的。在一些范例中，计算机存储设备134的内容可以在计算机存储器136中被复制。

计算机存储设备134被示为包含脉冲序列命令140。脉冲序列命令140是可以被转换成命令以创建用于以下的指令的命令或数据：控制磁共振成像系统102以采集磁共振数据。计算机存储设备134还被示为包含使用脉冲序列命令140采集的磁共振数据142。计算机存储设备134还被示为包含被接收的对象磁化率图144。所述对象磁化率图144可以例如已经由处理器130根据其它数据计算得到，或者所述对象磁化率图144可以经由网络或其他存储设备而已经输入或接收。计算机存储设备134还被示为包含根据磁共振数据142计算出的B0不均匀性图146。在一个特定范例中，脉冲序列命令140是狄克逊脉冲序列命令，并且B0不均匀性图146是在根据狄克逊磁共振协议处理磁共振数据142的过程中计算出的。计算机存储设备134还被示为包含对象B0磁场扰动148。根据对象磁化率图144来计算对象B0磁场扰动。计算机存储设备134还被示为包含残余B0磁场扰动150，所述残余B0磁场扰动是通过从B0不均匀性图146中减去对象B0磁场扰动148而计算出的。计算机存储设备还被示为包含根据残余B0磁场扰动150计算出的骨骼图152。

计算机存储器136还被示为包含控制模块160。控制模块160包含使得处理器130能够控制和操作包括磁共振成像系统102的整个医学器械100的指令。例如，控制模块160可以使处理器130能够使用脉冲序列命令140来采集磁共振数据142。计算机存储器136还被示为包含图像重建模块162。图像重建模块162包含使得处理器130能够根据磁共振数据142重建和提取数据的计算机代码或指令。这可以包括将磁共振数据142处理成各种成像协议并且执行傅立叶变换。

计算机存储器136被示为包含微分方程模块164，所述微分方程模块164使得处理器130能够应用各种球面和微分类型的方程来处理数据。例如，微分方程模块164可以使得处理器130能够根据格林函数或反转格林函数来处理各种数据。计算机存储器136被还被示为包含图像处理模块166。图像处理模块166使得处理器130能够执行用于修改图像的图像处理技术，并且还使得处理器130能够对阵列和大量数据执行各种数学运算。计算机存储设备134和计算机存储器136的内容可以彼此复制，或者一个所示的各种项目可以被切换或存储在另一个中。

图2示出了图示操作图1的医学器械100的方法的流程图。首先，在步骤200中，通过利用脉冲序列命令140控制磁共振成像系统102来采集磁共振数据142。接下来，在步骤202中，接收对象磁化率图144。接下来，在步骤204中，根据磁共振数据142来计算B0不均匀性图146。接下来，在步骤206中，根据对象磁化率图144来计算对象B0磁场扰动148。在步骤208中，通过从B0不均匀性图146中减去对象B0磁场扰动148来计算残余B0磁场扰动150。最后，在步骤210中，根据残余B0磁场扰动150来计算骨骼图152。在一些范例中，可以例如使用反转格林函数直接根据残余B0磁场扰动来计算骨骼图。在其他情况下，也可以在迭代过程中结合各种图像处理或分割技术来计算骨骼图，其中，初始估计的身体磁化率图也可以是优化的主题。对象B0磁场扰动和残余B0磁场扰动二者都是映射手段的三维数据集。

MRI通常不能检测皮质骨，这是因为实心结构表现出非常短的T2。然而，即使MR不可见，这些类型的实心组织也经由它们的磁化率影响它们附近的MRI信号。对应的磁偶极子效应也影响距离实际磁化源较远的区中的有效磁场。

因此，范例可以使用测得的B0图、一些目标信息和适当的“偶极子反转”来定位皮质骨(或者与富含水的组织的磁化率不同的材料)。这对于在辐射处置规划中定位皮质骨或支持PET衰减图估计能够是非常有用的，这是因为测得的B0图能够作为狄克逊扫描的副产物而被获得。

希望使用MRI数据来支持辐射处置规划。在这个流程中，了解骨骼组织的位置很重要，这是因为骨骼比正常组织显示出更强的辐射吸收。在应用于改进PET图像重建的PET中衰减校正也是一样的。为了识别骨骼，UTE能够被用于部分可视化能归因于骨骼的短T2成分。然而，当前的UTE技术不能提供关于刚性、钙化的骨骼(即，仅包含少量MR可检测质子的皮质骨)的全部信息。为了补充UTE，已经提出了狄克逊成像。它允许分离水与脂肪，后者是骨髓的重要成分。以这种方式，它提供了间接识别骨骼组织的额外信息。尽管如此，仍然需要很多先验知识和解剖学指导的建模来排除潜在的模糊。例如，脂肪并不是只存在于骨髓中，它在身体中随处可见，从而使需要复杂图像处理来间接定位骨骼。如果特定患者的解剖结构与所采用的解剖模型明显不同，则该流程可能失败。

一些范例可以回收可从狄克逊成像或从任何其他来源获得的场图。即使骨骼组织对测得的MR信号没有贡献，由于选取的TE太长，其磁化率性质确实影响周围的B0场。经由骨骼组织周围存在的水信号或脂肪信号能够看出对MR的这种影响。请注意，下文中考虑3D B0图。测得的B0图实际上有两种主要成分：

B_0测量(r)＝B_0真空(r)+B_{0身体_磁化率}(r) [1]

B_0真空(r)能够在系统安装期间或者根据裸匀场标绘图或其他测量结果估算出，并且表示不存在患者的主场不均匀性。备选地，能够假设差的匀场的效应在空间上是平滑的并且能够通过适当的拟合或偏差校正而被去除。假设这个操作是成功的，则能够从测得的B0图获得由身体磁化率贡献主导的B‘_0测量(r)：

B’_0测量(r)＝B_{0身体_磁化率}(r) [2]

需要注意的是，通过适当的模拟能够预测身体磁化率对诱发的主场不均匀性(B0身体_磁化率(r))的效应。B_{0身体_磁化率}(r)能够被近似为身体磁化率分布S(r)与格林偶极函数(G(r))的卷积(*)。

B_{0身体_磁化率}(r)＝S(r)*G(r) [3]

其中，

不同的组织类型具有不同的磁化率值(X_水＝-9.2ppm、X_脂肪＝-9.7ppm、X_骨骼＝-12.8ppm、X_空气＝0ppm(数字可能不精确))。水和脂肪的磁化率几乎相同，但是空气和骨骼之一的差异显著。因此，基于3D狄克逊水/脂(幅值)图像和适当的阈值化，能够形成简单的3D身体磁化率图。这个X图在每个像素上定义水、脂肪或空气中的任一个的对应的磁化率值。该图不包含骨骼，这是因为它不会在幅值图像中给出信号。由于水和脂肪的磁化率值相似，因此该过程能够被简化：除非是空气(X＝0)，否则身体内的每个体素得到平均(水/脂肪)磁化率值。外面的体素也被设置为零。这样就创建了一个简单的二元体掩模，其能够用于估计/模拟身体磁化率诱发的场的贡献(B_{0身体_磁化率_模拟}(r))。由于在模拟中不考虑骨骼，因此差异图

B_0差异(r)＝B’_0测量(r)-B_{0身体_磁化率_模拟}(r) [4]

是由剩余骨骼的场贡献主导的。骨骼的空间贡献(骨骼(r))能够由下式建模：

B_0差异(r)＝B_骨骼(r)*G(r) [5]

能够通过反转公式5来获得。

B_骨骼(r)＝B_0差异(r)*G-1(r) [6]

使用适当的正则化，这能够在傅里叶域中使用FFT来求解，或更好地经由代数方法在等式[6]中以矩阵向量表示法写出问题来求解。这个问题然后能够经由适当的伪逆来求解，或者如果不可行的话则经由迭代方法来求解。

3D B0图可以根据3D狄克逊扫描来获得。将静态背景梯度(B0真空)从图中去除，并在顶部进行适当的滤波/偏差校正以隔离磁化率主导的场贡献(参见下文的图3中的流程图)。使用水模型正向磁化率模拟并计算与测量图的差异，格林去卷积给出了在MRI测量中对MR信号没有贡献的那些分量的位置(参见下文的图4)。这样能够定位骨骼组织。

图3示出了图示计算骨骼图或分布的方法的另外的流程图。在图3中，该方法具有两个输入；这些是B0不均匀性图146和被标记为S图的对象磁化率图144。图3中的流程图示出了对B0不均匀性图的任选处理。如果不存在对象的背景B0图是已知的，则能够减去B0背景图304以计算经校正的B0不均匀性图306。如果不执行步骤304，则能够使用B0不均匀性图146来代替经校正的B0不均匀性图306。如果背景不均匀性是可忽略的，则步骤304是任选的。图3中的流程图还示出经由格林卷积308处理对象磁化率图144以计算对象B0磁场扰动148。该流程图还示出从经校正的B0不均匀性图306中减去对象B0磁场扰动148。这样得到残余B0磁场扰动150。流程图然后示出使用格林去卷积210根据残余B0磁场扰动来计算骨骼图152。

图3示出了骨骼检测方法的基本思想的流程图。输入数据是测得的B0图和组织图S，其能够根据3D幅值MRI数据来导出。测得的B0图能够使用先验知识等针对身体诱发的磁化率效应而被校正，而S能够用于估计磁化率效应。测得的B0图与模拟的B0图的差异反映了在模拟中未被考虑的不可见组织的贡献。通过适当的去卷积，能够定位对应的信号。

图4示出了用于测试计算骨骼图410的方法的一系列模拟。框400示出了模拟对象，其包括水412、其内部包括一层皮质骨414的骨骼，皮质骨414包封骨髓416。然后使用图像400中的目标来计算身体诱发的磁化率图402。这是为了模仿B0测量结果而进行的。为了简单起见，在图像404中示出了水槽412。这被用于仅针对水412计算身体诱发的磁化率图。该结果在图406中示出。这用作参考磁共振图像。在差异B0图408中示出图像402与406之间的差异。差异B0图408类似于图1的残余B0磁场扰动150。图4然后示出通过对差异B0图408执行格林去卷积来构建骨骼图410。

图5示出了医学器械500的另外的范例。图5中示出的范例与图1中示出的范例非常相似，但是具有多个额外部分。在该范例中，脉冲序列命令140用于狄克逊磁共振成像协议。磁共振数据142被处理成B0不均匀性图146以及脂肪图像502和水图像504。水图像504和脂肪图像502被用于构建对象模型506。对象模型506具有作为位置的函数的对对象中的水和脂肪的空间依赖性。处理器然后使用对象模型506通过如对象模型506中所定义的那样分配脂肪和水对磁化率的空间贡献来计算对象磁化率图144。

图6示出了图示操作图5的医学器械500的方法的流程图。图6所示的方法类似于图2所示的方法。图2中的步骤202已经被步骤600、602和604所替代。该方法在步骤200开始，与图2中的相同。接下来，在步骤600中，将磁共振数据142重建成脂肪图像502和水图像504。这是通过遵循狄克逊磁共振成像协议来进行的。当遵循该协议时，还执行步骤204。在步骤204中，还计算B0不均匀性图146。

接下来，在步骤602中，通过分割脂肪图像502和水图像504来计算对象模型506。也可以通过使用脂肪图像502和水图像504来计算对象模型506，而不通过简单地使用计算出的每个体素中的脂肪和水的百分比进行的分割。在步骤604中，根据对象模型506来计算对象磁化率图144。步骤604相当于在步骤202中提供对象磁化率图。接下来，在执行步骤604之后，该方法进行到步骤206、208和210，这些步骤与图2所示的相同。

在另一方面中，可以将皮质骨定位方法与任何种类的基于模型的分割相结合。这里考虑测得的MR数据，优选为提到的水/脂肪解析的狄克逊数据集，其进一步允许生成B0图。由于是“定量”磁化率绘制，因此B0图经受上述流程以估计骨骼位置和形状等。关于骨骼位置和形状的信息被用于改进基于模型的分割。这能够通过以下方式来实现：

基于水数据、脂肪数据或这两者的数据，能够执行分割，其也可以包括使用具有不同程度细节的适当训练的身体模型(器官、骨骼、潜在的植入物等)，其能够与实际的患者解剖结构相匹配。作为这种分割过程的结果，能够利用不同的组织类型的对应的磁化率值来自动注释这些不同的组织类型。使用基于发现的注释的分割结果的正向模拟，能够估计出虚拟B0图，所述虚拟B0图能够与在施加与一些静态主磁场相关的校正之后的测得(实验一)的B0图进行比较。基于残差、估计的B0图与实验的B0图之间的差异，能够验证或改进分割结果。

为了改进，也可以想象使用适当的惩罚函数(该函数能够是基于L₂范数的，或者也能够包含采用L₁范数或L₀范数的稀疏性方面)的迭代过程。在这个函数中，对应的问题能够被简单地简述出来，如下文的公式(不失一般性)：

在这个公式中，S_分割(r)指代分割结果，或者更准确地说是根据分割结果(包含针对不同组织类别的不同磁化率值)生成的图，其经受给定三项的最小化。算子w()和f()使用分割结果从狄克逊MR图像中提取对应的水部分和脂肪部分，而W和F分别表示测得的水图像和脂肪图像以及测得的主场校正B0图/校正。前两个L₂术语以一种非常简单的形式指代了一般的分割问题，在模型的含水部分和含脂肪部分与对应的成像数据之间找到了充分的一致性，术语w(S_分割)和f(S_分割)构成了整个分割结果的两个重要成分，它们是S_分割的元素，也是一种组织磁化率图。使用组织磁化率图与格林偶极子函数的卷积得到必须与由正则化参数α调节的实验静态场校正的B0数据相匹配的组织诱发的磁化率图。

使用公式7中被公式化的问题或使用相似的一个能够改进分割结果。将关于其它材料的潜在存在的适当知识与也不会在MR中产生直接的MR可见信号的其他磁化率值(如金属或陶瓷植入物)相结合能够进一步允许借助于基于模型的分割(还包括关于形状和组成的先验知识)来定位身体内部的这些目标。

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、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“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中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，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/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims

1.一种医学器械(100、500)，其中，所述医学器械包括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(102)，其中，所述磁共振成像系统包括：

-主磁体(104)，其用于在所述成像区内生成B0磁场；

-存储器(134、136)，其包含机器可执行指令(160、162、164、166)和脉冲序列命令(140)；

-处理器(130)，其用于控制所述医学器械，其中，所述机器可执行指令的执行使得所述处理器：

·通过利用所述脉冲序列命令控制所述磁共振成像系统来采集(200)所述磁共振数据；

·接收(202)所述对象的对象磁化率图(144)；

·根据所述磁共振数据来计算(204)B0不均匀性图(146)；

·根据所述对象磁化率图来计算(206)对象B0磁场扰动(148)；

·通过从所述B0不均匀性图中减去所述对象B0磁场扰动来计算(208)残余B0磁场扰动(150)；并且

·根据所述残余B0磁场扰动来计算(210)骨骼图(152)。

2.根据权利要求1所述的医学器械，其中，所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器：

·将所述磁共振数据的至少部分重建(600)成至少一幅对象磁共振图像(502、504)；

·通过分割所述对象磁共振图像来计算对象模型(506)；并且

·根据所述对象模型来构建(604)所述对象磁化率图。

3.根据权利要求2所述的医学器械，其中，所述脉冲序列命令包括用于根据狄克逊磁共振成像协议来采集所述磁共振成像数据的命令，其中，所述至少一幅对象磁共振图像包括至少一幅脂肪图像(502)和至少一幅水图像(504)，并且其中，所述对象模型包括脂肪部分和水部分，并且其中，所述对象磁化率图是通过将所述脂肪部分和所述水部分的对磁化率的空间依赖贡献相加而计算出的。

4.根据权利要求2或3所述的医学器械，其中，所述指令的执行还使得所述处理器通过将反转格林函数应用于所述残余B0磁场扰动来计算空间骨骼分布，其中，所述骨骼图至少部分是根据所述空间骨骼分布而计算出的。

5.根据权利要求2或3所述的医学器械，其中，所述指令的执行还使得所述处理器：

·估计空间骨骼分布；并且

·通过将格林函数应用于所述空间骨骼分布而计算估计的B0磁场扰动并在优化算法中将所述估计的B0磁场扰动与所述残余B0磁场扰动进行比较来迭代地细化所述空间骨骼分布，其中，所述骨骼图至少部分是根据所述空间骨骼分布而计算出的。

6.根据权利要求4或5所述的医学器械，其中，所述指令的执行还使得所述处理器：

·通过分割所述至少一幅对象磁共振图像来计算所述骨骼图；并且

·使用所述空间骨骼分布来调整所述骨骼图。

7.根据权利要求6所述的医学器械系统，其中，对经分割的骨骼图像的所述计算包括使用所述空间骨骼分布对所述分割进行加权。

8.根据权利要求2至7中的任一项所述的医学器械，其中，所述指令的执行还使所述处理器使用所述骨骼图和所述对象模型来计算辐射衰减图。

9.根据权利要求8所述的医学器械，其中，所述医学器械还包括用于采集至少所述成像区的核医学图像的核医学成像系统，其中，所述机器可执行指令的执行还使所述处理器：

-从所述成像区采集核医学成像数据；并且

-使用所述核医学成像数据和所述辐射衰减图来重建所述核医学图像。

10.根据权利要求8或9所述的医学器械，其中，所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器：

·接收处置计划；并且

·使用所述处置计划和所述辐射衰减图来生成辐射治疗系统控制命令。

11.根据权利要求10所述的医学器械，其中，所述医学器械还包括用于辐照所述成像区内的靶标的辐射治疗系统，其中，所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器利用所述辐射治疗系统控制命令来控制所述辐射治疗系统。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的医学器械，其中，所述机器可执行指令的执行还使得所述处理器：

·接收描述所述成像区内的所述B0磁场的背景B0磁场图(304)；并且

·在计算所述残余B0磁场扰动之前，利用所述背景B0磁场图校正所述B0不均匀性图(306)。

13.一种操作医学器械(100、500)的方法，其中，所述医学器械包括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(102)，其中，所述磁共振成像系统包括用于在成像区内生成B0磁场的主磁体(104)，

其中，所述方法包括以下步骤：

·通过利用脉冲序列命令控制所述磁共振成像系统来采集(200)所述磁共振数据；

·接收(202)所述对象的对象磁化率图(144)；

·根据所述磁共振数据来计算(204)B0不均匀性图(146)；

·根据所述对象磁化率图来计算(206)对象B0磁场扰动(148)；

·根据所述残余B0磁场扰动来计算(210)骨骼图(152)。

14.一种计算机程序产品，包括由控制医学器械(100、500)的处理器(130)执行的机器可执行指令(160、162、164、166)，其中，所述医学器械包括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(102)，其中，所述磁共振成像系统包括用于在成像区(108)内生成B0磁场的主磁体(104)，其中，所述机器可执行指令的执行使所述处理器：

·接收(202)所述对象的对象磁化率图(144)；

·根据所述磁共振数据来计算(204)B0不均匀性图(146)；

·根据所述对象磁化率图来计算(206)对象B0磁场扰动(148)；

·根据所述残余B0磁场扰动来计算(210)骨骼图(152)。