CN108872903A - 头部磁共振弹性成像检测方法及成像驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及头部磁共振弹性成像检测方法及成像驱动装置，该方法包括①对头部进行频率为ω的震动激励，使得机械波动通过头骨在脑组织中传播；②利用磁共振主机扫描获取组织波动相位信息φ(t)；③根据φ(t)通过公式计算出组织波动位移信息u(t)；④对u(t)进行傅里叶变换，计算第一非直流主分量U1；⑤对U1进行滤波处理后计算U1的旋度场，得到只有剪切分量的主分量U1；⑥对旋度场中每个像素点位置的模量进行最小二乘拟合，计算存储模量G'和损失模量G"，然后得出软组织弹性模量图；该检测方法不仅计算效率高，而且广泛适用于现有磁共振系统与头部线圈结构；该驱动装置具有结构简单、患者使用舒适度高、便携、噪音小、适用于各类型磁共振扫描仪等优点。
Description
技术领域
本发明涉及医疗检测领域，特别涉及一种头部磁共振弹性成像检测方法及成像驱动装置。
背景技术
磁共振弹性成像技术是目前基于软组织物理力学特性进行临床检测的主要技术之一。磁共振弹性成像技术已在肝硬化的检测开展临床的应用并在欧美市场推广应用，面向头部脑组织的磁共振弹性成像方法的临床应用已正在推广。目前头部脑组织的弹性成像现有装置主要有：(1)气动垫片驱动方法；(2)头部固定驱动方法；(3)牙齿咬合驱动方法。
气动垫片驱动方法采用气动垫片的方式驱动，需要1-2个尺寸较粗的导气管由磁共振控制室牵引至头部，占用空间较大，并需要在控制室和扫描室之间开较大的联通孔。同时气动驱动所需气压泵噪音较大，设备尺寸空间要求高。
头部固定方式需要在头部固定安装较大的固定容器，同时容器与外界驱动装备需要用较长的连杆连接，操作步骤多，空间占用大，扫描效率不高。同时附属设备的数量与体积均较大。
牙齿咬合驱动的方法驱动方式与头部固定方法类似，驱动设备硬件的空间占用率较高，同时测试者需要通过紧咬固体驱动杆的方式传递机械波动，测试的舒适度和便捷性较低。
现有临床使用的基于磁共振弹性成像的模量估算方法主要基于对波形空间频率的估计和剪切波在各向同性弹性介质中的传播方程。这种方法只能对软组织的有效剪切模量进行估算，不能对软组织的粘弹特性进行估计。基于有限元方法的模量估算对模型的生成和边界条件的设定要求较高，计算效率难以提高。
发明内容
本发明的目的在于克服以上缺点，提供一种头部磁共振弹性成像检测方法及成像驱动装置，该检测方法不仅计算效率高，而且广泛适用于现有磁共振系统与头部线圈结构；该驱动装置通过接收信号发生器发出的信号，使得线圈在磁场环境下往复运动，带动压盘对头部进行震动激励，从而实现头部磁共振弹性成像，具有结构简单、患者使用舒适度高、使用方便、便携、噪音小、适用于各类型磁共振扫描仪等优点。
本发明是这样实现的：
方案(一)：
一种头部磁共振弹性成像检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
①对头部进行频率为ω的震动激励，使得机械波动通过头骨在脑组织中传播；
②利用磁共振主机扫描获取组织波动相位信息φ(t)；
③根据组织波动相位信息φ(t)通过公式计算出组织波动位移信息u(t)；
④对u(t)进行傅里叶变换，计算第一非直流主分量U1；
⑤采用滤波算法对U1进行滤波处理后计算U1的旋度场，得到只有剪切分量的主分量U1；
⑥对旋度场中每个像素点位置的模量进行最小二乘拟合，计算存储模量G′和损失模量G〞，然后得出软组织弹性模量图；
其中，ω为震动频率，γ为回磁比，G0为运动编码梯度磁场强度，N为用运动编码梯度磁场进行编码的运动周期个数。
所述在弹性介质中传播的计算公式为
只考虑剪切波时可简化为
进一步可简化为-ρω2U1＝μ▽2U1
其中，其中，ρ为组织密度，μ为弹性模量，λ为拉梅系数。
将μ和U1分别用复变量μ＝μ'+iμ"和U1＝U1'+iU1"代入-ρω2U1＝μ▽2U1即可得到计算弹性模量μ的公式
其中，ρ为组织密度，ω为波动频率，U1'为滤波处理后U1的旋度场主分量的实部，U1"为所对应的主分量的虚部，μ′为存储剪切模量，μ〞为损失剪切模量。
步骤⑥中的最小二乘法拟合方法为：分别计算各个像素点对应的U1'和U1"，然后根据计算弹性模量μ的公式分别对各个拟合窗口中的每个像素点进行拟合计算，所述拟合窗口的大小为3×3或5×5或7×7。
所述步骤⑤中的滤波算法，当为三维分量时，采用均值滤波算法，当为二维分量时，采用理想滤波算法或Butterworth滤波算法。
方案(二)：
一种头部磁共振弹性成像驱动装置，其特征在于：该装置包括放置于磁共振头部线圈上方的底座、连接于底座和磁共振头部线圈之间的用于将底座固定于磁共振头部线圈上方的压紧装置、滑动连接于底座上且可相对底座前后滑动的滑动座、设置于底座和滑动座之间的用于限制滑动座相对底座前后滑动的锁定装置一、上端铰接于滑动座上的支撑杆、固设于支撑杆上且靠近支撑杆与滑动座铰接点的线圈以及设置于支撑杆下端的用于对头部进行震动激励的压盘，所述磁共振头部线圈和底座上均设有用于避让支撑杆的避让槽，所述支撑杆下端穿过避让槽后位于磁共振头部线圈内的头部容置腔内。
所述支撑杆包括上支撑杆、活动套设于上支撑杆内且可相对上支撑杆上下滑动的下支撑杆以及连接于上支撑杆和下支撑杆之间的用于限制下支撑杆相对上支撑杆上下滑动的锁定装置二。
所述滑动座上端固设有转轴，所述支撑杆上端铰接于转轴上，所述转轴的轴线和滑动座的滑动方向相垂直。
所述压紧装置包括两个分设于底座两侧且连接于磁共振头部线圈和底座之间的U型板、两个分别螺纹连接于各个U型板上的压杆以及两个分别设置于压杆压紧端的压板，所述压紧装置在压紧状态时压板顶紧底座的上表面。
较之现有技术而言，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的头部磁共振弹性成像检测方法及成像驱动装置，该检测方法不仅计算效率高，而且广泛适用于现有磁共振系统与头部线圈结构；该驱动装置通过接收信号发生器发出的信号，使得线圈在磁场环境下往复运动，带动压盘对头部进行震动激励，从而实现头部磁共振弹性成像，具有结构简单、患者使用舒适度高、使用方便、便携、噪音小、适用于各类型磁共振扫描仪等优点；
(2)本发明提供的头部磁共振弹性成像驱动装置，压盘的位置相对底座前后、上下可调，能适应不同病人的头部尺寸；
(3)本发明提供的头部磁共振弹性成像驱动装置，固定和安装方便，无需牙齿咬合或其它人体介入式的固定方法，减少病人的痛苦，且制造成本低，易于推广应用；
(4)本发明提供的头部磁共振弹性成像驱动装置，采用机械驱动方式，克服了气动驱动幅值与频率难以精确控制的缺点，可以依据设定驱动参数对人体测试器官进行准确驱动；
(5)本发明提供的头部磁共振弹性成像驱动装置，可对软组织的存储弹性模量和损失弹性模量进行估计，对软组织的粘弹性特性进行全面的特性计算。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明头部磁共振弹性成像检测方法的步骤流程图；
图2是震动频率为60Hz时位移波动在脑组织中的传播数据图(单位μm)；
图3是根据图2计算出的U1′和U1〞分布图(左侧为U1′，右侧为U1〞)；
图4是根据图3对波动公式在每个像素点进行最小二乘拟合所得到的G′和G〞分布图(左侧为G′，右侧为G〞，单位Pa)；
图5是本发明头部磁共振弹性成像驱动装置的结构示意图；
图6是本发明头部磁共振弹性成像驱动装置使用状态的结构示意图；
图7是图6中磁共振头部线圈的结构示意图。
图中符号说明：1、磁共振头部线圈，11、头部容置腔，2、底座，3、压紧装置，31、U型板，32、压杆，33、压板，4、滑动座，41、转轴，5、支撑杆，51、上支撑杆，52、下支撑杆，6、线圈，7、压盘。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明：
具体实施方式(一)：
一种头部磁共振弹性成像检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
①对头部进行频率为ω的震动激励，使得机械波动通过头骨在脑组织中传播；
②利用磁共振主机扫描获取组织波动相位信息φ(t)；
③根据组织波动相位信息φ(t)通过公式计算出组织波动位移信息u(t)；
④对u(t)进行傅里叶变换，计算第一非直流主分量U1；
⑤采用滤波算法对U1进行滤波处理后计算U1的旋度场，得到只有剪切分量的主分量U1；
⑥对旋度场中每个像素点位置的模量进行最小二乘拟合，计算存储模量G'和损失模量G"，然后得出软组织弹性模量图；
其中，ω为震动频率，γ为回磁比，G0为运动编码梯度磁场强度，N为用运动编码梯度磁场进行编码的运动周期个数。
所述在弹性介质中传播的计算公式为
只考虑剪切波时可简化为
进一步可简化为-ρω2U1＝μ▽2U1
其中，其中，ρ为组织密度，μ为弹性模量，λ为拉梅系数。
将μ和U1分别用复变量μ＝μ'+iμ"和U1＝U1'+iU1"代入-ρω2U1＝μ▽2U1即可得到计算弹性模量μ的公式
其中，ρ为组织密度，ω为波动频率，U1'为滤波处理后U1的旋度场主分量的实部，U1"为所对应的主分量的虚部，μ′为存储剪切模量，μ〞为损失剪切模量。
步骤⑥中的最小二乘法拟合方法为：分别计算各个像素点对应的U1'和U1"，然后根据计算弹性模量μ的公式分别对各个拟合窗口中的每个像素点进行拟合计算，所述拟合窗口的大小为3×3或5×5或7×7。
所述步骤⑤中的滤波算法，当为三维分量时，采用均值滤波算法，当为二维分量时，采用理想滤波算法或Butterworth滤波算法。
如图2所示，为震动频率为60Hz时位移波动在脑组织中的传播数据图，图3为根据图2计算出的U1'和U1"分布图(左侧为U1'，右侧为U1")，图4为根据图3对波动公式在每个像素点进行最小二乘拟合所得到的G'和G"分布图(左侧为G'，右侧为G")。
具体实施方式(二)：
一种头部磁共振弹性成像驱动装置，其特征在于：该装置包括放置于磁共振头部线圈1上方的底座2、连接于底座2和磁共振头部线圈1之间的用于将底座2固定于磁共振头部线圈1上方的压紧装置3、滑动连接于底座2上且可相对底座2前后滑动的滑动座4、设置于底座2和滑动座4之间的用于限制滑动座4相对底座2前后滑动的锁定装置一、上端铰接于滑动座4上的支撑杆5、固设于支撑杆5上且靠近支撑杆5与滑动座4铰接点的线圈6以及设置于支撑杆5下端的用于对头部进行震动激励的压盘7，所述磁共振头部线圈1和底座2上均设有用于避让支撑杆5的避让槽，所述支撑杆5下端穿过避让槽后位于磁共振头部线圈1内的头部容置腔11内。
所述支撑杆5包括上支撑杆51、活动套设于上支撑杆51内且可相对上支撑杆51上下滑动的下支撑杆52以及连接于上支撑杆51和下支撑杆52之间的用于限制下支撑杆52相对上支撑杆51上下滑动的锁定装置二。
所述滑动座4上端固设有转轴41，所述支撑杆5上端铰接于转轴41上，所述转轴41的轴线和滑动座4的滑动方向相垂直。
所述压紧装置3包括两个分设于底座2两侧且连接于磁共振头部线圈1和底座2之间的U型板31、两个分别螺纹连接于各个U型板31上的压杆32以及两个分别设置于压杆32压紧端的压板33，所述压紧装置3在压紧状态时压板33顶紧底座2的上表面。
上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种头部磁共振弹性成像检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
①对头部进行频率为ω的震动激励，使得机械波动通过头骨在脑组织中传播；
②利用磁共振主机扫描获取组织波动相位信息φ(t)；
③根据组织波动相位信息φ(t)通过公式计算出组织波动位移信息u(t)；
④对u(t)进行傅里叶变换，计算第一非直流主分量U1；
⑤采用滤波算法对U1进行滤波处理后计算U1的旋度场，得到只有剪切分量的主分量U1；
⑥对旋度场中每个像素点位置的模量进行最小二乘拟合，计算存储模量G'和损失模量G"，然后得出软组织弹性模量图；
其中，ω为震动频率，γ为回磁比，G0为运动编码梯度磁场强度，N为用运动编码梯度磁场进行编码的运动周期个数。
2.根据权利要求1所述的头部磁共振弹性成像检测方法，其特征在于：所述在弹性介质中传播的计算公式为
只考虑剪切波时可简化为
进一步可简化为
其中，其中，ρ为组织密度，μ为弹性模量，λ为拉梅系数。
3.根据权利要求2所述的头部磁共振弹性成像检测方法，其特征在于：将μ和U1分别用复变量μ＝μ'+iμ"和U1＝U1'+iU1"代入即可得到计算弹性模量μ的公式
其中，ρ为组织密度，ω为波动频率，U1'为滤波处理后U1的旋度场主分量的实部，U1"为所对应的主分量的虚部，μ′为存储剪切模量，μ〞为损失剪切模量。
4.根据权利要求3所述的头部磁共振弹性成像检测方法，其特征在于：步骤⑥中的最小二乘法拟合方法为：分别计算各个像素点对应的U1'和U1"，然后根据计算弹性模量μ的公式分别对各个拟合窗口中的每个像素点进行拟合计算，所述拟合窗口的大小为3×3或5×5或7×7。
5.根据权利要求1所述的头部磁共振弹性成像检测方法，其特征在于：所述步骤⑤中的滤波算法，当为三维分量时，采用均值滤波算法，当为二维分量时，采用理想滤波算法或Butterworth滤波算法。
6.一种头部磁共振弹性成像驱动装置，其特征在于：该装置包括放置于磁共振头部线圈(1)上方的底座(2)、连接于底座(2)和磁共振头部线圈(1)之间的用于将底座(2)固定于磁共振头部线圈(1)上方的压紧装置(3)、滑动连接于底座(2)上且可相对底座(2)前后滑动的滑动座(4)、设置于底座(2)和滑动座(4)之间的用于限制滑动座(4)相对底座(2)前后滑动的锁定装置一、上端铰接于滑动座(4)上的支撑杆(5)、固设于支撑杆(5)上且靠近支撑杆(5)与滑动座(4)铰接点的线圈(6)以及设置于支撑杆(5)下端的用于对头部进行震动激励的压盘(7)，所述磁共振头部线圈(1)和底座(2)上均设有用于避让支撑杆(5)的避让槽，所述支撑杆(5)下端穿过避让槽后位于磁共振头部线圈(1)内的头部容置腔(11)内。
7.根据权利要求6所述的头部磁共振弹性成像驱动装置，其特征在于：所述支撑杆(5)包括上支撑杆(51)、活动套设于上支撑杆(51)内且可相对上支撑杆(51)上下滑动的下支撑杆(52)以及连接于上支撑杆(51)和下支撑杆(52)之间的用于限制下支撑杆(52)相对上支撑杆(51)上下滑动的锁定装置二。
8.根据权利要求6所述的头部磁共振弹性成像驱动装置，其特征在于：所述滑动座(4)上端固设有转轴(41)，所述支撑杆(5)上端铰接于转轴(41)上，所述转轴(41)的轴线和滑动座(4)的滑动方向相垂直。
9.根据权利要求6所述的头部磁共振弹性成像驱动装置，其特征在于：所述压紧装置(3)包括两个分设于底座(2)两侧且连接于磁共振头部线圈(1)和底座(2)之间的U型板(31)、两个分别螺纹连接于各个U型板(31)上的压杆(32)以及两个分别设置于压杆(32)压紧端的压板(33)，所述压紧装置(3)在压紧状态时压板(33)顶紧底座(2)的上表面。
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