CN109498016A - 一种磁共振电特性断层成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁共振电特性断层成像方法，该方法包括以下步骤：根据扫描部位，选择与扫描部位相应的扫描序列、扫描参数和射频线圈，对扫描部件的成像组织进行磁共振扫描；基于扫描获取的数据，得到磁共振成像信号值，根据磁共振成像信号方程与T₁值的函数关系，求出成像组织T₁值分布；根据T₁与含水量的函数关系，求出成像组织的含水量W；根据含水量与人体组织电特性的函数关系，得到人体组织电特性数值。本发明利用“T1‑含水量‑电特性”之间的函数关系求解出人体组织电特性，不需要做电磁场二阶微分计算，提高了运算结果的准确性；缩短了扫描时间；不要求扫描序列和硬件。

Description

一种磁共振电特性断层成像方法

技术领域

本发明属于医学图像处理领域，具体涉及一种磁共电特性断层成像方法。

背景技术

人体组织的电特性是组织在电磁场作用下的固有属性，主要包括组织的电导率和相对介电常数。组织电特性与组织内离子浓度，蛋白质含量及结合水与自由水的比例等有关，当组织的生理或者病理状态发生改变时，其电特性也会发生变化。已有实验证实，人体恶性肿瘤组织与对应的正常组织的电特性的差异较大，可达数几倍以上。这种由于组织、器官生理或者病理状态发生改变导致的组织电特性变化，可为疾病的诊断提供有价值的信息，因此，人体组织电特性成像具有巨大的临床应用前景。

现有技术中，对人体组织的电特性测量进行测量多采用磁共振电特性断层成像(MREPT)为代表的新测量技术，其具有无创性、高空间分辨率、多维度成像、不需求解病态逆问题等多种优势，正被越来越多的学者所关注，成为生物组织电特性领域的研究热点。其中，代表性的工作包括：Katscher等人在2009年提出利用磁共振发射射频场信息解析求解组织各处电导率和电容率的方法，在鸟笼线圈中实现了电特性参数的活体测量，并将该技术命名为MREPT(Katscher U,Voigt T,Findeklee C,et al.Determination of electricconductivity and local SAR via B1 mapping[J].IEEE transactions on medicalimaging,2009,28(9):1365-1374.)。Voigt等人在Katscher等人的研究基础上，对3T射频磁场的幅度和相位做了一定的假设，提出了基于信号相位的电导率求解和基于磁场幅度的相对介电常数求解方法，极大降低了电特性计算复杂度(Voigt T,Katscher U,DoesselO.Quantitative conductivity and permittivity imaging of the human brain usingelectric properties tomography[J].Magnetic Resonance in Medicine,2011,66(2):456-466.)。另外，Bin He团队提出基于7T超高场多通道射频收发线圈计算各通道接收场的幅度和相位，并根据MREPT二阶微分算法，实现超高场磁共振人体脑部组织无创电特性断层成像(Liu J,Zhang X,Schmitter S,et al.Gradient-based electrical propertiestomography(g EPT):A robust method for mapping electrical properties ofbiological tissues in vivo using magnetic resonance imaging[J].Magneticresonance in medicine,2015,74(3):634-646.)。

总体来说，现有的MREPT技术均通过求解射频场分布(通过B1 mapping技术)，再根据麦克斯韦电磁方程求解电特性。该重建框架使得现有的MREPT技术存在以下问题：

(1)重建误差大：一方面是由于磁共振B1 mapping技术通常只能计算B1场幅度信息，而忽略射频场的z方向分量以及通过一定的假设条件获得B1近似相位，非准确的磁场直接影响电特性重建的准确性；另一方面，重建方法基于二阶微分方程，对噪声非常敏感，微小的扰动，可通过微分核函数放大并传递至重建结果。

(2)扫描时间长：在实际成像中，为了抑制噪声，通常需增加扫描重复次数并均值滤波，极大增加了扫描时间(如在Bin He等人研究报道中，为降低噪声做20次平均，耗时210分钟)。

(3)非通用序列或硬件：在现有的MREPT技术中，通常对扫描序列(包括B1 mapping序列)、收发线圈类型、激励方式等做出约束，以满足重建过程中某些假设条件。然而，这些约束极大限制了现有MREPT技术在商业通用磁共振系统上的开展。

上述问题导致现有的MREPT技术尚未达到实际临床常规成像的条件。

因此，针对现有技术不足，提供一种新的磁共振电特性断层成像方法以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了重建误差小，扫描时间短可采用通用序列或硬件的磁共电特性断层成像方法。

一种易于实现，且单词认识度排序准确度高的单词认知度排序方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：根据扫描部位，选择与扫描部位相应的扫描序列、扫描参数和射频线圈，对扫描部件的成像组织进行磁共振扫描，并提取扫描成像数据；

S2：基于扫描获取的数据，得到磁共振成像信号值，根据磁共振成像信号方程与T₁值的函数关系，求出成像组织T₁值分布；

S3：成像组织的含水量W与成像组织T₁值的函数关系为：

其中：A,B为待定系数，其数值与磁共振主磁场场强大小获取；根据S2计算得到的T₁值与公式(II)求出成像组织的含水量W；

S4：所述成像组织的电特性参数电导率σ和相对介电常数ε_r与含水量之间在数值上存在如下函数映射关系如下：

ε_r＝q₁W²+q₂W+q₃ (IV)

通过公式(III)和(IV)分别计算电导率σ和相对介电常数ε_r，得到电导率σ和相对介电常数ε_r的成像图像，保存和输出电导率σ和相对介电常数ε_r的成像图像，式中，p₁，p₂，p₃，q₁，q₂，q₃为与成像组织对应的系数。

优选地，在S1步骤中需要对成像组织进行两次扫描，两次扫描的重复时间分别记为TR₁和TR₂，所述磁共振成像信号方程为：

其中，S(TR₁)和S(TR₂)分别是重复时间为TR₁和TR₂的磁共振成像信号值，TR₁为成像组织的扫描时间，κ为缩放因子，ρ为质子密度，θ为翻转角，T₁和T₂分别为纵向和横向弛豫时间，TE为回波时间。

优选地，所述磁共振成像信号方程中翻转角θ取值为90度，平均次数为1。

优选地，所述磁共振成像信号方程中回波时间取值20ms。

优选地，两次不同TR成像数据采用DICOM格式进行保存。

优选地，所述磁共振成像信号方程中TR₁＝700ms，TR₂＝3000ms。

优选地，在S2步骤扫描中采用的射频线圈均采用Skyra 3.0T。

优选地，所述成像组织T₁值、含水量及电特性同时成像。

优选地，所述系数p₁，p₂，p₃，q₁，q₂和q₃通过文献值拟合求得。

优选地，所述扫描的重复时间TR₁和TR₂的时间总和小于等于5分钟。

本发明的有益效果：本发明从成像组织T1定量，利用“T1-含水量-电特性”之间的函数关系求解出人体组织电特性，在重建过程中，本发明不需要做电磁场二阶微分计算，有效地提升重建算法的鲁棒性、提高运算结果的准确性。本发明不需增加扫描重复次数来抑制噪声，显著地缩短了扫描时间；本发明不要求扫描序列和硬件，在临床通用的序列和硬件系统中均可实现，使MREPT成像可在实际临床中广泛开展。

附图说明

图1是本发明一种磁共振电特性断层成像方法的步骤流程示意图。

图2是本发明实施例中TR＝700ms的磁共振成像扫描结果。

图3是本发明实施例中TR＝3000ms的磁共振成像扫描结果。

图4是本发明实施例的成像组织T₁值计算结果。

图5是本发明实施例的成像组织含水量计算结果。

图6是本发明实施例的成像组织电导率计算结果。

图7是本发明实施例的成像组织相对介电常数计算结果。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，一种磁共振电特性断层成像方法，该方法的理论基础是：成像组织磁共振成像信号包含了组织纵向弛豫时间(T₁)信息(在核磁共振现象中，弛豫是指原子核发生共振且处在高能状态时，当射频脉冲停止后，将迅速恢复到原来低能状态的现象。恢复的过程即称为弛豫过程，纵向纵向弛豫时间即纵向恢复的时间)，在磁共振成像中，纵向弛豫率R₁(即T₁的倒数)与组织含水量(W)的倒数满足线性关系：

上式中A,B为待定系数，其数值与磁共振主磁场场强大小有关。

另一方面，在一定频率下，生物组织的电特性参数与含水量之间关系密切，二者在数值上存在数学函数映射关系。因此，通过磁共振成像数据可计算组织的T₁分布，再根据T₁导出组织含水量，最后利用函数映射关系对电特性参数重建。

基于以上客观事实以及科学理论依据该方法具体实施步骤如下：

S1：根据扫描部位，选择与扫描部位相应的扫描序列、扫描参数和射频线圈，对扫描部件的成像组织进行磁共振扫描，并提取扫描成像数据；不同的扫描部位对应的扫描序列、扫描参数和射频线圈不同，且不同的人体扫描部位对应的扫描序列、扫描参数和射频线圈数值为是本领域医务人员可查找和获取的。

S2：基于扫描获取的数据，得到磁共振成像信号值，根据磁共振成像信号方程与T₁值的函数关系，求出成像组织T₁值分布；

具体地，在S1步骤中需要对成像组织进行两次扫描，两次扫描的重复时间分别记为TR₁和TR₂，所述磁共振成像信号方程为：

其中，S(TR₁)和S(TR₂)分别是重复时间为TR₁和TR₂的磁共振成像信号值，TR₁为成像组织的扫描时间，κ为缩放因子，ρ为质子密度，θ为翻转角，T₁和T₂分别为纵向和横向弛豫时间，TE为回波时间。

两次扫描可以得到两个扫描数据及两次成像结果，然后将上面两式进行相比，得到比值，再将各个系数的数值代入，既可求得T₁的数值。

S3：根据S3计算得到的T₁值中与公式求出成像组织的含水量W，其中：A,B为待定系数，其数值与磁共振主磁场场强大小获取；公式(II)由上面科学理论的算式(I)变换得到的。

S4：所述成像组织的电特性参数电导率σ和相对介电常数ε_r与含水量之间在数值上存在如下函数映射关系如下：

ε_r＝q₁W²+q₂W+q₃ (IV)

通过公式(III)和(IV)分别计算电导率σ和相对介电常数ε_r，得到电导率σ和相对介电常数ε_r的成像图像，保存和输出电导率σ和相对介电常数ε_r的成像图像，式中，p₁，p₂，p₃，q₁，q₂，q₃为与成像组织对应的系数，可通过文献值拟合求得。

以下采用本发明的方法以西门子Skyra 3.0T磁共振系统对人体脑部进行扫描为例，对本发明的方法步骤进行详细的说明：

人体组织扫描部位的成像组织为：人体脑部；选用自旋回波(SE)序列，扫描参数为：FOV＝256×256mm²,矩阵大小128×128，层厚6mm,层数16，回波时间(Echo Time,TE)20ms，翻转角为90°，平均次数为1。

对成像组织做两次扫描，两次扫描的重复时间(Repetition Time,TR)分别记为TR₁和TR₂，其中TR₁＝700ms，TR₂＝3000ms，并保持其他扫描参数均不变。射频线圈均采用Skyra 3.0T磁共振系统标配线圈：发射线圈为鸟笼体线圈，发射激励方式采用鸟笼正交激励；接收线圈为16通道头线圈。

两次不同TR整体扫描时间分别为93秒和388秒。扫描结束后，从磁共振系统中导出两次不同TR成像的DICOM格式数据。

图2和图3显示了两次扫描成像结果,图2为TR₁＝700ms成像结果，其中第一行为第1-8层断层图像，第二行为第9-16层断层图像(下同)；图3为TR₂＝3000ms的成像结果。

根据磁共振信号方程,两次成像信号可表示为：

和

上式(1)和(2)中S(TR₁)和S(TR₂)分别是重复时间为TR₁和TR₂的信号值，κ为缩放因子，ρ为质子密度，θ为翻转角，T₁和T₂分别为纵向和横向弛豫时间，TE为回波时间。

两次扫描信号比值I_r可由表示为：

在本实施例中，翻转角设定为90°，即cosθ＝0，故上式(3)可化简为：

式(4)中，信号比值I_r为数值已知的三维矩阵，TR₁＝700ms，TR₂＝3000ms,故T₁值可求得。图4显示了基于上述公式和数据，T₁值分布的计算结果。

基于T₁值与组织含水量W的关系,含水量可通过下式求出：

式(5)中T₁值已计算得到，参数A和B的数值与磁共振主磁场场强大小有关。具体地，在本实施例中，磁共振主磁场为3.0T,对应的A和B的值分别为：A＝-0.45,B＝2.00。将A,B数值代入上述公式，求得成像组织水含量W分布(图5所示)。

最后，生物组织的电特性参数(电导率σ和相对介电常数ε_r)与含水量之间在数值上的函数映射关系可表示为：

ε_r＝q₁W²+q₂W+q₃ (7)

上式(6)和(7)中W为已求解得到的组织含水量分布，p₁，p₂，p₃，q₁，q₂，q₃为与组织相关的系数，可通过文献值拟合求得。具体地，在本实施例中，成像组织为脑组织，通过查阅文献可知脑白质(WM)、脑灰质(GM)和脑脊液(CSF)的水含量分别为69.57％、83.41％和98.80％，电导率分别为0.34S/m、0.59S/m和2.14S/m，相对介电常数分别为52.5、73.5和84.0。

将上述文献值代入式6)和(7)中，通过非线性拟合方法，求出p₁，p₂，p₃，q₁，q₂，q₃分别为p₁＝0.286,p₂＝1.526×10^-5，p₃＝11.852，q₁＝-287，q₂＝591，q₃＝11.852。将W值以及拟合参数代入式6)和(7)可分别求出生物组织的电导率σ和相对介电常数ε_r，计算结果如图6和图7所示。

在电特性参数计算结束后，对上述重建结果保存和输出显示，完成重建。根据上述得到的电特性参数与正常人脑中的电特性参数进行比对，从而可以判断该扫描人脑的健康状况。

本发明的从成像组织T1定量，利用“T1-含水量-电特性”传递函数求解组织电特性的方法，在重建过程中，新方法不基于麦克斯韦电磁方程，不需要计算任何磁场分量(B1场幅度和相位、Bz分量)；而在现有的MREPT方法中，测量B1相位和Bz分量是现有方法中未解决的难题，因为射频发射场的相位和磁场的z方向分量利用现有的MR技术，是无法在工程上直接测量得到的，在求解的过程中，同样是在做了很多假设下对B1相位近似求解和忽略Bz分量值，造成现有的求解方法都存在较大的误差。同时，相比于现有的MREPT算法，新方法不需要做二阶微分计算，有效地提升重建算法的鲁棒性、提高运算结果的准确性。此外，相比于现有技术，由于对噪声不敏感，新方法不需增加扫描重复次数来抑制噪声，因此显著地缩短了扫描时间。最后，现有的MREPT技术普遍对扫描序列(包括B1 mapping序列)、收发线圈类型、激励方式等做出相应的限制，以满足重建算法的要求，而新方法不要求扫描序列和硬件，在临床通用的序列和硬件系统中均可实现，使MREPT成像可在实际临床中广泛开展。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：根据扫描部位，选择与扫描部位相应的扫描序列、扫描参数和射频线圈，对扫描部件的成像组织进行磁共振扫描，并提取扫描成像数据；

S2：基于扫描获取的数据，得到磁共振成像信号值，根据磁共振成像信号方程与T₁值的函数关系，求出成像组织T₁值分布；

S3：成像组织的含水量W与成像组织T₁值的函数关系为：

其中：A,B为待定系数，其数值与磁共振主磁场场强大小获取；根据S2计算得到的T₁值与公式(II)求出成像组织的含水量W；

S4：所述成像组织的电特性参数电导率σ和相对介电常数ε_r与含水量之间函数映射关系如下：

ε_r＝q₁W²+q₂W+q₃ (IV)

通过S3计算得到的W值以及公式(III)和(IV)分别计算电导率σ和相对介电常数ε_r，得到电导率σ和相对介电常数ε_r的成像图像，保存和输出电导率σ和相对介电常数ε_r的成像图像，p₁，p₂，p₃，q₁，q₂，q₃为与成像组织对应的系数。

2.如权利要求1所述的一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于，在S1步骤中需要对成像组织进行两次扫描，两次扫描的重复时间分别记为TR₁和TR₂，所述磁共振成像信号方程为：

其中，S(TR₁)和S(TR₂)分别是重复时间为TR₁和TR₂的磁共振成像信号值，TR₁为成像组织的扫描时间，κ为缩放因子，ρ为质子密度，θ为翻转角，T₁和T₂分别为纵向和横向弛豫时间，TE为回波时间。

3.根据权利要求2所述的一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于，所述磁共振成像信号方程中翻转角θ取值为90度，平均次数为1。

4.根据权利要求2所述的一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于，所述磁共振成像信号方程中回波时间取值20ms。

5.根据权利要求2所述的一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于，两次不同TR成像数据采用DICOM格式进行保存。

6.根据权利要求2所述的一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于，所述磁共振成像信号方程中TR₁＝700ms，TR₂＝3000ms。

7.根据权利要求2所述的一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于，在S2步骤扫描中采用的射频线圈均采用Skyra 3.0T。

8.如权利要求1所述的一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于，所述成像组织T₁值、含水量及电特性同时成像。

9.根据权利要求1或2任一所述的一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于所述系数p₁，p₂，p₃，q₁，q₂和q₃通过文献值拟合求得。

10.根据权利要求1或2任一所述的一种磁共振电特性断层成像方法，其特征在于，所述扫描的重复时间TR₁和TR₂的时间总和小于等于5分钟。