CN111568390B - 一种减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法：在成像物体的周围摆放若干个参照水膜，并通过磁共振兼容的温度光纤对若干个参照水膜实时测温；通过采集加热前和加热中的磁共振相位图，计算每个参照水膜测温点的相位差，以及每个参照水膜测温点的实际温度变化，计算出每个参照水膜测温点的主磁场偏差；根据参照水膜测温点的实时主磁场偏差，估计主磁场偏差的整体平面分布；根据主磁场偏差的整体平面分布对磁共振成像的每一个像素点根据相位图直接计算的温度进行矫正，得到实际温度。本发明提供的方法通过对磁共振温度成像过程中的主磁场偏移数值及空间分布准确估计，从而减少磁共振温度成像中的温度测量误差。

Description

一种减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法
技术领域
本发明涉及磁共振温度成像技术领域，特别涉及一种减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法。
背景技术
实时磁共振温度成像可以实现对人体组织无创、快速、准确的温度测量，主要应用于肿瘤组织热消融等微创手术的实时温度检测，判断温度是否达到理想值以及温度空间分布，从而帮助判别微创手术效果以及预警局部温度过高等术中危险。
基于质子共振频率偏移(PRF,proton resonance frequency)的磁共振温度成像，因为有较好的时空分辨率、高场下较高的灵敏度和准确度、以及对较高温度的近线性敏感，是目前磁共振温度成像的主流成像技术。该方法主要通过梯度回波磁共振序列(GRE，或其他变形序列)采集空间相位图像，并分别在加热前和加热中采集相位图，通过计算相位图之间的差异(简称相位差图)，从而计算得到温度图像。该方法的主要弊端在于，相位差图同时受非温度因素的影响，主要影响因素为主磁场的偏移。
为克服PRF磁共振温度成像中主磁场偏移带来的温度测量误差，需要准确、实时估计出主磁场偏移。目前，常用的方法包括人为选定组织中某一远离加热中心点的区域，并假设该区域的温度不变，从而通过相位图计算出该区域主磁场变化。如公开号为CN101273889A的中国专利公开了一种一种计算加热区域的温度变化的方法，用于磁共振监控的高强度聚焦超声HIFU治疗，该方法包括：对HIFU治疗头在两个或两个以上位置时生成的参考像进行插值，得到HIFU治疗头移动位置的参考像；根据所述HIFU治疗头移动位置的插值参考像的相位图和HIFU治疗头在该位置时生成的加热图像计算加热区域的温度变化。该专利还公开了一种计算加热区域的温度变化的装置，该装置包括参考像插值单元和温度计算单元。使用了本发明的方法和装置，能够显著减小HIFU治疗头的移动中由于磁化率的变化导致的温度误差，既能得到准确的加热区域的温度变化，同时减小HIFU治疗中操作的复杂程度和治疗时间。如公开号为CN102488497A的中国专利公开一种磁共振温度测量方法，包括如下步骤：进行稀疏采样获取导航数据集和图像数据集，并重建得到相应的相位图；通过所述相位图获取待测区域的相位变化值；根据所述相位变化值得到待测区域的温度变化值。上述磁共振温度测量方法及系统中，通过视野采集两组数据，并重建出高时空分辨率的图像，同时在重建过程中不影响其中的相位信息，得到相应的相位图，从而根据相位图测量出温度的变化值，实现了磁共振中对温度变化的实时监控，同时也达到了对图像高时间分辨率和高空间分辨率的要求。
该方法主要由两个假设：(1)该选定区域的在整个测量过程中温度不变；(2)组织中其他区域的主磁场变化等同于该选定区域的主磁场变化。然而，在真正的应用场景中，上述两个假设很难满足。对于假设一，很难判定组织中该区域的真正温度变化；对于假设二，持续的磁共振扫描，会改变所有成像空间中的主磁场变化，且由于受匀场梯度持续工作等影响，主磁场的变化存在一定的空间分布差异。鉴于这两项假设的不合理性，目前基于PRF的磁共振温度成像存在着一定的测量误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法，通过对磁共振温度成像过程中的主磁场偏移数值及空间分布准确估计，从而减少磁共振温度成像中的温度测量误差。
本发明采用以下技术方案：
一种减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法，所述方法包括：
(1)在成像物体的周围摆放若干个参照水膜，并通过磁共振兼容的温度光纤对若干个参照水膜实时测温；
(2)通过采集加热前和加热中的磁共振相位图，计算每个参照水膜测温点的相位差
Figure BDA0002494622210000031
以及每个参照水膜测温点的实际温度变化ΔT，计算出每个参照水膜测温点的主磁场偏差ΔB；
(3)根据参照水膜测温点的实时主磁场偏差ΔB，估计主磁场偏差的整体平面分布ΔB(x,y)；
(4)根据步骤(3)得到的主磁场偏差的整体平面分布ΔB(x,y)对磁共振成像的每一个像素点根据相位图直接计算的温度T’(x,y)进行矫正，得到实际温度T(x,y)。
在步骤(1)中，所述参照水膜内为添加钆造影剂的水溶液。采用添加钆造影剂的水溶液，从而减小纵向弛豫时间，提高水膜中磁共振成像信噪比。参照水膜的外部材料可以为塑料、玻璃等磁共振兼容材料。
在步骤(1)中，在成像物体的左下、左上、右下、右上四个方位摆放四个参照水膜。
在步骤(1)中，所述四个参考水膜的位置相互垂直，相互之间的距离不小于成像物体的1/2。
在步骤(2)中，在计算每个参照水膜测温点的相位差
Figure BDA0002494622210000041
中，每个参照水膜测温点的磁共振相位信息，可以取和测温光纤最邻近的一个或多个像素点。
在步骤(2)中，通过公式
Figure BDA0002494622210000042
计算出每个参照水膜测温点的主磁场偏差ΔB；其中，γ表示氢质子的旋磁比，B0表示静磁场强度，TE表示回波时间，α表示氢质子温度频率系数。
在步骤(3)中，假设主磁场偏差空间分布为线性，利用公式ΔB(x,y)＝ΔB0+ax+by对四个测温点ΔB值进行最小二乘法拟合，得出拟合参数ΔB0，a，b，从而估计出主磁场偏差的整体平面分布ΔB(x,y)。
在步骤(4)中，对温度T’(x,y)进行矫正的方法为：T’(x,y)＝T0(x,y)+ΔT‘(x,y)，其中T0(x,y)为该像素点的加热前温度；
计算每个像素点的实际温度T(x,y)的方法为：T(x,y)＝T’(x,y)-ΔB(x,y)/α。
对比现有技术，本技术的主要优点是：
(1)现有技术中，往往以成像组织内选取远离加热点的区域作为参照物，但该参照物可能存在温度变化，无法准确估计出主磁场偏移强度。本方法通过设置和加热物理空间隔离的水膜作为参照物，且通过磁共振兼容光纤实时测温，排除了局部温度变化的影响，提高了参照物主磁场偏移估计的准确度。
(2)在(1)的基础上，通过设置多个空间分布的参照物，利用线性模型，可以有效估计出主磁场偏移的空间分布，有效矫正成像范围每个像素点的温度误差。
附图说明
图1为参照水膜与成像物体的摆放示意图；
图2为磁共振温度成像数据采集和实时主磁场温度矫正流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
本实施例以头部成像为例对本发明进一步详细说明。
如图1和图2所示，本实施例减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法：
(1)头部的左下、左上、右下、右上四个位置布置水膜，水膜直径3-10mm，水膜内填充2mM Gd-DTPA液体或凝胶。如图1所示，分别布置在测温成像物体(例如人体头部)的左下(水膜一)，右下(水膜二)，右上(水膜三)，和左上(水膜四)。其中每个水膜中央设置一个测量点，可以通过磁共振兼容的测温光纤对水膜温度进行实时测温。
(2)在四个参照水膜中分别布置磁共振兼容光纤探头，探头位置尽量防止在磁共振温度测量平面。
(3)采集磁共振定位像，确定成像平面，采集基本结构像。
(4)数据采集前，打开光纤测温，实时记录温度。
(5)采集加热前磁共振相位图，可以采用梯度回波序列(GRE)或其他有类似功能序列。
(6)收集四个测温点的加热前初始相位φ1、φ2、φ3和φ4，以及四个测温点的初始温度T1、T2、T3和T4。
(7)采集加热过程中的磁共振相位图，计算每个像素点的相位差
Figure BDA0002494622210000061
其中x,y为该像素点的空间坐标。
(8)收集每个测温点的真实温度，计算每个测温点的相位差
Figure BDA0002494622210000071
和温度变化ΔT。
(9)通过公式
Figure BDA0002494622210000072
计算出每个参照水膜测温点的主磁场偏差ΔB。其中，γ表示氢质子的旋磁比，B0表示静磁场强度，TE表示回波时间，α表示氢质子温度频率系数。
(10)根据四个参照水膜测温点的实时主磁场偏差ΔB，假设主磁场偏差空间分布为线性，利用公式ΔB(x,y)＝ΔB0+ax+by对四个测温点ΔB值进行最小二乘法拟合，得出拟合参数ΔB0，a，b，从而估计出主磁场偏差的整体平面分布ΔB(x,y)。
(11)通过公式
Figure BDA0002494622210000073
计算每个像素点的温度差。
(12)通过公式T’(x,y)＝T0(x,y)+ΔT‘(x,y)计算每个像素点的温度，其中T0(x,y)为该像素点的加热前温度，一般设置为37℃。
(13)通过公式T(x,y)＝T’(x,y)-ΔB(x,y)/α计算每个像素点的真实温度T(x,y)。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法，其特征在于，所述方法包括：
（1）在成像物体的周围摆放若干个参照水膜，并通过磁共振兼容的温度光纤对若干个参照水膜实时测温；
（2）通过采集加热前和加热中的磁共振相位图，计算每个参照水膜测温点的相位差
Figure QLYQS_1
，以及每个参照水膜测温点的实际温度变化/>
Figure QLYQS_2
，计算出每个参照水膜测温点的主磁场偏差
Figure QLYQS_3
；
（3）根据参照水膜测温点的实时主磁场偏差
Figure QLYQS_4
，估计主磁场偏差的整体平面分布
Figure QLYQS_5
；
（4）根据步骤（3）得到的主磁场偏差的整体平面分布
Figure QLYQS_6
对磁共振成像的每一个像素点根据相位图直接计算的温度/>
Figure QLYQS_7
进行矫正，并计算每个像素点的实际温度
Figure QLYQS_8
；
在步骤（4）中，对温度
Figure QLYQS_9
进行矫正的方法为：/>
Figure QLYQS_10
，其中
Figure QLYQS_11
为该像素点的加热前温度；
计算每个像素点的实际温度
Figure QLYQS_12
的方法为：/>
Figure QLYQS_13
。
2.根据权利要求1所述的减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述参照水膜内为添加钆造影剂的水溶液。
3.根据权利要求1所述的减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法，其特征在于，在步骤（1）中，在成像物体的左下、左上、右下、右上四个方位摆放四个参照水膜。
4.根据权利要求3所述的减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述四个参照水膜的位置相互垂直，相互之间的距离不小于成像物体的1/2。
5.根据权利要求1所述的减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法，其特征在于，在步骤（2）中，在计算每个参照水膜测温点的相位差
Figure QLYQS_14
中，每个参照水膜测温点的磁共振相位信息，取和测温光纤最邻近的一个或多个像素点。
6.根据权利要求1所述的减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法，其特征在于，在步骤（2）中，通过公式
Figure QLYQS_15
，计算出每个参照水膜测温点的主磁场偏差/>
Figure QLYQS_16
；其中，/>
Figure QLYQS_17
表示氢质子的旋磁比，/>
Figure QLYQS_18
表示静磁场强度，/>
Figure QLYQS_19
表示回波时间，/>
Figure QLYQS_20
表示氢质子温度频率系数。
7.根据权利要求1所述的减少实时磁共振温度成像中系统温度误差的方法，其特征在于，在步骤（3）中，假设主磁场偏差空间分布为线性，利用公式
Figure QLYQS_21
对四个测温点/>
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值进行最小二乘法拟合，得出拟合参数/>
Figure QLYQS_23
，/>
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，/>
Figure QLYQS_25
，从而估计出主磁场偏差的整体平面分布/>
Figure QLYQS_26
。
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