CN112244814B - 一种单边磁体磁共振的脂肪定量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单边磁体磁共振的脂肪定量方法及其系统，包括以下步骤：S0、通过移动位移台采集多个位置的磁共振信号；S1、将激发区域沿着移动方向分成N个子区域，为R¹，R²，R³……R^N；S2、确定各子区域Rⁿ上的信号权重ω_n；S3、生成投影矩阵A；S4、求解如下最优化问题min‖Ap‑P‖²+‖p‖₁且0≤p≤1；S5、计算脂肪在不同区域的分布。本发明可以改善因非理想激发区域导致脂肪检测不准的问题。

Description

一种单边磁体磁共振的脂肪定量方法及其系统

技术领域

本发明涉及磁共振技术领域，尤其涉及一种单边磁体磁共振的脂肪定量方法及其系统。

背景技术

传统的医疗设备中，能够用于脂肪肝检测的技术手段主要有超声、磁共振和穿刺，但自身各有局限性，如：a)超声：传统的超声检测仪器，只可进行定性测量，无法满足脂肪含量30％以下时的检测需求；另一类为基于超声的脂肪肝及肝纤维化定量检测产品，主要局限是易受超声穿透性不足的影响，在肥胖类患者检测成功率低，b)磁共振，采用磁共振Dixon技术定量脂肪、磁共振弹性成像技术(Magnetic Resonance Elastography,MRE)测量肝脏纤维化，虽然在检测精度上满足要求，但价格高昂，医院采购动辄500万甚至更高，单次检测费用以江苏为例在3000元左右，价格高昂，无法广泛用于早中期的脂肪肝监测；c)肝穿，这一检测手段准确性上有这着绝对的最高的精度，是临床检测的金标准。但该种检测手段对人体的伤害极大，仅适用于绝对必要情况，无法广泛应用，且对样本的提取以及技师操作水平均有极高要求。

磁共振技术具有无创、无辐射、多参数测量等独特的优势，从安全性、精准度和稳定性看，是目前脂肪肝的最优无创检测技术。近年，小型化磁共振仪器在石油勘探、食品检测、材料分析等领域非常成功，相对于我们熟知的大型磁共振成像设备，这些小型化仪器最重要的一个变革是从超均匀场磁体转变到非均匀场磁体(如单边磁体)，从而可以极大的降低设备体积和硬件成本。专利《一种基于磁共振原理的器官脂肪无创定量检测方法》CN201911101865.6公开了一种基于单边磁体核磁共振系统的器官脂肪无创检测技术。该技术本采用外部计算机和一个射频RF子系统以及一个便携式单边永磁体模块建构一个低场核磁共振器官脂肪无创定量检测系统，该系统具有便携、低成本等优势，可以实现非侵入性、安全的器官脂肪定量检测。

上述专利技术中采用了单边永磁体，其磁场极不均匀，导致其激发区域为非规则的面。图1为一种单边磁体核磁共振系统的激发区域示模拟图，其激发区域近似为马鞍形。非规则的激发面导致定位可能出现偏差，不能完全落在检测器官上。例如该马鞍形激发区域中，其下部区域可能会激发体表脂肪层等导致检测误差。

发明内容

本发明旨在提供一种单边磁体磁共振的脂肪定量方法及其系统，可以改善因非理想激发区域导致脂肪检测不准的问题。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开一种单边磁体磁共振的脂肪定量方法，包括以下步骤：

S0、通过移动位移台采集多个位置的磁共振信号；

S1、将激发区域沿着移动方向分成N个子区域，为R¹，R²，R³......R^N；

S2、确定各子区域Rⁿ上的信号权重ω_n；

S3、生成投影矩阵A，

S4、求解如下最优化问题

min||Ap-P||²+λ||p||₁且0≤p≤1

其中p为列向量，表示需要求解的个子区域真实脂肪含量，

P为列向量，表示不同位置测量到的总体脂肪含量，

A为投影矩阵，

||||²表示二范数，||||₁表示一范数，

λ为正则化调节因子，λ＞0；

S5、计算脂肪在不同区域的分布。

优选的，步骤S2中，信号权重ω_n的计算公式为

ω_n＝ρ_nB1+(n)sin(B1-(n))

其中，ρ_n子区域Rⁿ上的物质密度，B1⁺(n)为子区域Rⁿ上的射频发射场，B1^-(n)为子区域R_n上的射频接收场。

优选的，步骤S3中，

位置R_i所采集到的脂肪含量P(R_i)可以表示为若干子区域脂肪含量的线性组合：

其中p_n为子区域Rⁿ上的真实脂肪含量，ω_n为子区域Rⁿ上贡献的信号权重，

将该公式用矩阵形式表示为：

Ap＝P (2)

其中p为列向量，表示需要求解的个子区域真实脂肪含量；P为列向量，表示不同位置测量到的总体脂肪含量，A为投影矩阵，可以用如下形式表示

本发明还公开了一种单边磁体磁共振系统，包括工作站、核磁共振谱仪、磁体、射频系统、位移台；

工作站与核磁共振谱仪连接，发送指令控制射频脉冲序列并采集到的磁共振信号完成实时数据处理，

工作站控制连接位移台，磁体和射频线圈固定设置在位移台上。

优选的，还包括收发转换开关，核磁共振谱仪通过收发转换开关连接射频线圈。

优选的，收发转换开关与核磁共振谱仪之间还设有射频功率放大器、前置放大器，射频功率放大器、前置放大器并联设置。

本发明的有益效果：

1、本发明使用单边磁体，结构简单，小型化程度高。

2、本发明可以改善因非理想激发区域导致脂肪检测不准的问题。

3、本发明测量精度高。

附图说明

图1为一种单边磁体核磁共振系统的激发区域示模拟图；

图2为一种单边磁体磁共振系统的示意图；

图3为激发区域划分的示意图；

图4为在不同位置直接测量得到的脂肪分布图；

图5为通过本发明方法计算出的脂肪分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图2所示，本发明方案所述的单边磁体磁共振系统包括工作站、核磁共振谱仪、磁体、射频系统、位移台。工作站与核磁共振谱仪连接，发送指令控制射频脉冲序列并采集到的磁共振信号完成实时数据处理。

工作站还与位移台连接，控制位移台移动到指定位置。

位移台与磁体和射频线圈通过机械结构固定，即当位移台移动某个距离时，磁体和射频线圈也跟随位移台移动并与人体的相对位置发生变化，从而可以实现在人体内的激发区域位置发生平移。

本发明的射频脉冲序列可以为《一种基于磁共振原理的器官脂肪无创定量检测方法》CN 201911101865.6中公开的脉冲序列，如CPMG序列或者MRF(MR fingerprinting)序列。扫描时，工作站控制位移台移动，改变磁体、射频线圈与人体的相对位置，然后在多个位置采集信号，并根据现有技术计算出该位置所获信号的脂肪含量P(R_i)，其中R_i表示在第i个位置对应的激发范围。

本发明的信号处理过程如下：

如图3所示，把最大的激发区域沿着移动方向分成N个子区域，为R¹，R²，R³......R^N，每一个子区域的范围都不一样，在磁体和线圈移动的过程中，仅有部分子区域处于人体中，因此在不同位置的激发区域R_i仅是子区域的线性组合。则在位置R_i所采集到的脂肪含量P(R_i)可以表示为若干子区域脂肪含量的线性组合：

其中p_n为子区域Rⁿ上的真实脂肪含量，ω_n为子区域Rⁿ上贡献的信号权重。

将该公式用矩阵形式表示为：

Ap＝P (2)

其中p为列向量，表示需要求解的个子区域真实脂肪含量；P为列向量，表示不同位置测量到的总体脂肪含量。A为投影矩阵，可以用如下形式表示

其中ω_n可以根据子区域划分方式、已知的磁体B0场和射频场B1⁺、B1^-，以及被检物质密度分布确定。

本发明所述脂肪分布估计的算法包括如下3步：

步骤1：确定各子区域Rⁿ上的信号权重ω_n

ω_n＝ρ_nB1+(n)sin(B1-(n)) (4)

其中，ρ_n子区域Rⁿ上的物质密度，B1⁺(n)为子区域Rⁿ上的射频发射场，B1^-(n)为子区域Rⁿ上的射频接收场，上述三个参数均可以在系统校正阶段预先测量得到。

步骤2：按公式3生成投影矩阵A

步骤3：求解如下最优化问题

min||Ap-P||²+λ||p||₁且0≤p≤1

其中p为列向量，表示需要求解的个子区域真实脂肪含量；P为列向量，表示不同位置测量到的总体脂肪含量；A为投影矩阵；||||²表示二范数，||||₁表示一范数；λ为正则化调节因子，λ＞0。

经过上述步骤后，即计算出了脂肪在不同区域的准确分布。图4为在不同位置直接测量得到的腹部肝脏区域脂肪分布图，位置0表示体表，从体表经过脂肪层、肌肉层直至到达肝脏部位。由于激发区域的非规则性导致肝脏脂肪含量估计偏高。

图5为图4中结果经过本发明方法进行优化后的结果，可以看到肝脏脂肪含量估计更准确，且脂肪含量极低的肌肉层也能清楚的区分。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种单边磁体磁共振的脂肪定量方法，其特征在于包括以下步骤：

S0、通过移动位移台采集多个位置的磁共振信号；

S1、将激发区域沿着移动方向分成N个子区域，为R¹，R²，R³......R^N；

S2、确定各子区域Rⁿ上的信号权重ω_n；

S3、生成投影矩阵A，

S4、求解如下最优化问题

min||Ap-P||²+λ||p||₁且0≤p≤1

其中p为列向量，表示需要求解的子区域真实脂肪含量，

P为列向量，表示不同位置测量到的总体脂肪含量，

A为投影矩阵，

|| ||²表示二范数，|| ||₁表示一范数，

λ为正则化调节因子，λ＞0；

S5、计算脂肪在不同区域的分布。

2.根据权利要求1所述的脂肪定量方法，其特征在于：步骤S2中，信号权重ω_n的计算公式为

ω_n＝ρ_nB1⁺(n)sin(B1^-(n))

其中，ρ_n为子区域Rⁿ上的物质密度，B1⁺(n)为子区域Rⁿ上的射频发射场，B1^-(n)为子区域Rⁿ上的射频接收场。

3.根据权利要求1所述的脂肪定量方法，其特征在于：步骤S3中，

位置R_i所采集到的脂肪含量P(R_i)可以表示为若干子区域脂肪含量的线性组合：

其中p_n为子区域Rⁿ上的真实脂肪含量，ω_n为子区域Rⁿ上贡献的信号权重，

将该公式用矩阵形式表示为：

Ap＝P (2)

其中p为列向量，表示需要求解的子区域真实脂肪含量；P为列向量，表示不同位置测量到的总体脂肪含量，A为投影矩阵，可以用如下形式表示

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