CN113167849A

CN113167849A - 实时fMRI

Info

Publication number: CN113167849A
Application number: CN201980078278.1A
Authority: CN
Inventors: R·M·J·N·拉默里奇斯; S·赫尼斯
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-07-23
Also published as: JP7183419B2; WO2020109095A1; US11656310B2; EP3887842B1; EP3887842A1; JP2022501157A; US20220034984A1; EP3660530A1

Abstract

本发明提供一种医学成像的方法。所述方法包括：针对当前活动时间窗口(204A‑N)并且在大脑活动分析会话(200、500)期间，接收处于活动状态的对象(318)的感兴趣区域(309)的fMRI数据。可以使用fMRI数据变化的预定义模型根据fMRI数据来生成横向弛豫T2*图。可以将所生成的T2*图与参考T2*图进行比较。可以使用比较的结果来估计在当前活动时间窗口(204A‑N)期间的所述感兴趣区域(309)的血氧水平依赖性(BOLD)响应。

Description

实时fMRI

技术领域

本发明涉及磁共振成像，具体地，涉及实时fMRI。

背景技术

磁共振成像(MRI)扫描器依赖于大的静磁场(B₀)来对齐原子的核自旋，作为用于产生患者体内的图像的过程的一部分。这些图像能够反映对象的各种数量或属性。例如，大脑激活的血液动力学反应会在已激活的大脑区域中导致磁性和电学改变。MRI允许对磁性改变进行可视化，例如基于脑血流量或血氧水平依赖性(BOLD)效应。后者通常称为功能性MRI(fMRI)。

fMRI中的主要问题在于，BOLD信号改变很小，并且还存在导致信号改变的非-BOLD相关的效应。非-BOLD信号改变的最常见来源是头部运动、心脏和呼吸作用，而且，扫描器相关的伪影也导致信号改变。

OlafssonV.T.等人：ISMRM的过程(第11卷，第132页)公开了一种用于直接根据单个回波、基线图像的估计和基线R2*来估计fMRI实验中的ΔR2*的方法。

OlafssonV.T.等人：ISMRM的过程(第12卷，第45页)公开了一种用于在fMRI中动态更新R2*和场图的方法。

发明内容

本发明在独立权利要求中提供一种医学成像系统、一种计算机程序产品和一种方法。在从属权利要求中给出了实施例。

实施例可以实现检测很小的fMRI信号改变。这些改变是由对增加的神经元活动做出的生理反应而导致的：BOLD对比。然而，信号改变也能够是由其他效应引起的，例如运动、心脏和呼吸作用、扫描器不稳定。必须将这些信号改变与由真正的BOLD响应导致的改变区分开来。对于包括神经反馈的实时fMRI应用，本公开可以实现更好的BOLD对比。

在一个方面中，本发明提供一种医学成像的方法。所述方法包括：针对当前的活动时间窗口并且在大脑活动分析会话期间，接收活动状态中的对象的感兴趣区域的fMRI数据。所述方法还包括使用fMRI数据改变的预定模型根据fMRI数据来生成横向弛豫T2*图。所生成的T2*图可以与参考T2*图进行比较。可以使用比较的结果来估计当前活动时间窗口期间感兴趣区域的BOLD响应。

感兴趣区域可以例如是对象的大脑。时间窗口也可以被看作是动态的。

所述方法可以例如在对象处于活动状态时段中时执行，其中，所述当前活动时间窗口是该活动状态时段的时间间隔。这可以实现实时识别小的fMRI信号改变。

BOLD响应可用于观察对象的大脑的不同区域，当对象处于大脑分析测试期间时，对象的大脑的不同区域被发现在任何给定时间都是活动的。

例如，可以根据R2*图获得T2*图，反之亦然，其中R2*＝1/T2*。本方法可以被配置为在如本文中所述，利用T2*图，在R2*图上执行。在R2*图的情况下，解释BOLD响应对大脑活动的逻辑可以颠倒，以便获得T2*图的解释逻辑。

本公开可以实现分别确定针对每个时间点的BOLD改变。BOLD改变能够随后用作反馈信号。这种神经反馈可以实现训练对象，以校正异常的大脑活动。本公开可以例如实现成功的神经反馈训练，因为给出了关于真实的BOLD效应的反馈，例如对象并非正在训练对呼吸周期的响应。T2*信息用于测量真实的BOLD响应，并且因此给出有关真实的BOLD信号改变的反馈。本公开可以提供大脑功能中的更多的见解，例如在未给出神经反馈的情况下，仅通过执行任务，就可以识别活动模式中的变化。

根据一个实施例，所述方法还包括针对每个随后的活动时间窗口在会话期间重复方法步骤。该实施例可以是有利的，因为它可以实现在更长的时间间隔上连续且实时地分析fMRI信号的变化。这可以实现更好地对fMRI信号的建模。

根据一个实施例，所述方法还包括将大脑活动分析会话分成对象的交错的休息状态时段和活动状态时段，其中，活动时间窗口出现在跟随在休息状态时段之后的对象的活动状态时段中。交错不同的状态时段可以实现检测对象的相同状态的单个时间窗口之间的很小的fMRI改变以及不同状态的时段之间的全局fMRI改变。

根据一个实施例，所述休息状态时段紧接在当前活动时间窗口的活动状态时段之前。

根据一个实施例，所述方法还包括，接收在对象的休息状态时段中获得的fMRI数据，将休息时间时段细分为一组连续的不重叠的参考时间窗口，其中，参考时间窗口具有与活动时间窗口相同的长度；针对每个所确定的参考时间窗口生成T2*图，并且所确定的参考时间窗口的所生成的T2*图进行组合，从而得出参考T2*图。将当前会话的休息状态时段作为参考可以提高所估计的BOLD响应的准确性，例如与参考图是理论图或从另一不同会话获得的图的情况相比。

根据一个实施例，所述方法还包括，从一组参考时间窗口中排除在休息状态时段开始时出现的时间窗口的预定义子集，用于生成T2*图。通过排除休息状态时段的动力学的第一子集，来自先前活动状态时段的BOLD响应延迟可以不干扰用于生成参考T2*图的BOLD响应。这还可以提高所估计的BOLD响应的准确性。时间窗口的子集可以例如包括3个时间窗口，每个时间窗口2秒。

根据一个实施例，所述方法还包括，针对fMRI数据中的每个体素执行方法步骤，其中，在所生成的T2*图的每个体素的T2*值与T2*参考图中的相同体素的T2*值之间执行比较。这可以实现识别活动的大脑的特定的小区域。

根据一个实施例，fMRI数据包括在各个回波时间TE处获得的多个回波图像数据，其中，生成T2*图包括使用以下模型来拟合在回波时间上的T2*值变化：

其中，TE是回波时间，并且S0是TE＝0处的信号。这可以实现对T2*值的准确估计。这种模型可以是有利的，因为它在S0中的改变之间进行了分离，所述改变是来自编码在T2*变化中的实际BOLD变化的信号强度的非-BOLD变化。S0中的改变是由运动、心脏和呼吸作用导致的。扫描器的不稳定性也贡献于S0中的变化。

根据一个实施例，BOLD响应指示感兴趣区域中其相关联体素的T2*图的T2*值高于该体素的参考T2*值的一部分的活动状态，并且BOLD响应指示感兴趣区域中其相关联体素的T2*图的T2*值小于该体素的参考T2*值的一部分的休息状态。

根据一个实施例，fMRI数据包括在施加激励RF脉冲之后处于多个不同回波时间处的多个MRI图像。

在另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于由处理器执行的机器可执行指令，其中，机器可执行指令的执行使处理器执行前述实施例中的任一项的方法。

在另一方面，本发明还提供一种医学成像系统，其包括：存储器，其用于存储机器可执行指令；以及处理器，其用于控制医学成像系统，其中，机器可执行指令的执行使处理器：针对当前活动时间窗口并且在大脑活动分析会话期间，接收活动状态下的对象的感兴趣区域的fMRI数据；使用预定义的fMRI数据变化的模型根据fMRI数据来生成横向弛豫T2*图；将所生成的T2*图与参考T2*图进行比较；使用比较的结果来估计在当前活动时间窗口期间所述感兴趣区域的血氧水平依赖性(BOLD)响应。

应该理解，本发明的一个或多个前述实施例可以组合，只要所组合的实施例不相互排斥即可。

如本领域技术人员将理解的，本发明的各方面可以体现为装置、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各方面可以采取以下形式：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)或总体上在本文中可以称为“电路”、“模块”或“系统”的组合了软件和硬件方面的实施例。此外，本发明的各方面可以采取体现在具有体现在其上的计算机可执行代码的一个或多个计算机可读介质的计算机程序产品的形式。

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。如本文所使用的“计算机可读存储介质”涵盖可以存储可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暂时性存储介质。计算机可读存储介质也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也可以能存储能够被计算设备的处理器访问的数据。计算机可读存储介质的范例包括但不限于：软盘、磁性硬盘驱动器、固态硬盘、闪存、USB拇指驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、磁光盘和处理器的寄存器文件。光盘的范例包括压缩磁盘(CD)和数字通用光盘(DVD)，例如CD-ROM、CD-RW、CD-R、DVD-ROM、DVD-RW或DVD-R磁盘。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访问的各种类型的记录介质。例如，数据可以通过调制解调器、互联网或局域网来检索。可以使用任何适当的介质来传输体现在计算机可读介质上的计算机可执行代码，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等，或者上述的任意合适的组合。

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一部分的具有体现在其中的计算机可执行代码的被传播的数据信号。这样的传播信号可以采取多种形式中的任何一种，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并非计算机可读存储介质，并且能够通信、传播或传输用于由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序的任何计算机可读介质。

“计算机内存”或“内存”是计算机可读存储介质的范例。计算机内存是处理器可直接访问的任何存储器。“计算机存储”或“存储器”是计算机可读存储介质的另一范例。计算机存储是任何非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，计算机存储器也可以是计算机内存，反之亦然。

本文所使用的“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组件。对包含“处理器”的计算设备的引用应当解释为可能包含多个处理器或处理核心。处理器可以例如是多核处理器。处理器也可以指单个计算机系统内或分布在多个计算机系统中的处理器的集合。术语计算设备也应当被解释为可能指每个包括一个或多个处理器的计算设备的集合或网络。计算机可执行代码可以由可以在同一计算设备内或者甚至可以分布在多个计算设备上的多个处理器执行。

计算机可执行代码可以包括使处理器执行本发明的一方面的机器可执行指令或程序。可以以一种或多种编程语言的任何组合来编写用于执行本发明各方面的操作的计算机可执行代码，所述编程语言包括诸如Java、Smalltalk、C++之类的面向对象的编程语言以及诸如C或类似的编程语言并被编译成机器可执行指令的常规过程编程语言。在某些情况下，计算机可执行代码可以是高级语言的形式，或者是预编译的形式，并且可以与即时生成机器可执行指令的解释器结合使用。

计算机可执行代码可以完全在用户计算机上、部分在用户计算机上、作为独立软件包、部分在用户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。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者可以与外部计算机建立连接(例如，通过使用互联网服务提供商的互联网)。

参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各方面。应当理解，流程图、图示和/或框图的每个方框或方框的一部分在适用时能够由计算机程序指令以计算机可执行代码的形式来实现。还应当理解，当不互相排斥时，可以组合不同流程图、图示和/或框图中的方框的组合。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，从而使得经由计算机的处理器或其他可编程数据处理装置执行的指令能够创建用于实施流程图和/或框图或中指定的功能/动作的手段。

这些计算机程序指令还可以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以具体方式运行，从而使存储在计算机可读介质中的指令产生制品，所述制品包括实施流程图和/或框图的方框中指定的功能/动作的指令。

也可以将计算机程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，使一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行，以产生计算机实现的过程，从而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流程图和/或框图方框中指定的功能/动作的过程。

本文所使用的“用户接口”是允许用户或操作员与计算机或计算机系统进行交互的接口。“用户接口”也可以称为“人机接口设备”。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。用户接口可以使来自操作者的输入能够被计算机接收，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，并且该接口可以允许计算机指示操作者的控制或操纵的效果。在显示器或图形用户接口上显示数据或信息是向操作者提供信息的范例。通过键盘、鼠标、轨迹球、触摸板、指点杆、图形输入板、操纵杆、游戏板、网络摄像头、耳机、踏板、有线手套、遥控器和加速度计接收数据都是用户接口组件的范例，所述这些组件使用户能够接收来自操作者的信息或数据。

本文所使用的“硬件接口”涵盖使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、模拟输入接口和数字输入接口。

本文所使用的“显示器”或“显示设备”涵盖适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、双稳态显示器、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)、等离子显示板(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)、投影仪和头戴式显示器。

磁共振成像数据在本文中被定义为在MRI扫描期间使用磁共振装置的天线记录的由原子自旋发射的射频信号的测量值。磁共振图像数据在本文中被定义为是从磁共振k-空间数据重构的解剖学数据的重构的二维或三维可视化。磁共振图像数据的可视化能够使用计算机来执行。

附图说明

在下文中，将仅以范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示出了医学成像系统的范例；

图2描绘了大脑活动分析会话的一系列时间时段；

图3是用于医学成像的方法的流程图；

图4示出了医学成像系统的另一范例；

图5A是根据本公开范例的用于估计BOLD响应的方法的流程图；

图5B示出了多回波采集图像以及导出的S0和R2*图；

图5C描绘了大脑活动分析会话的一系列时间时段；

图5D示出了BOLD响应图。

附图标记列表

100 医学成像系统

102 计算机

104 处理器

106 硬件接口

108 用户接口

110 计算机存储器

120 机器可执行指令

200 大脑活动分析会话

201 休息状态时间时段

202 休息状态时间窗口

203 活动状态时间时段

204 活动状态时间窗口

211–217 步骤

300 医学成像系统

302 磁共振成像系统

304 磁体

306 磁体的膛

308 成像区

309 感兴趣区域

310 磁场梯度线圈

312 磁场梯度线圈电源

314 射频线圈

316 收发器

318 对象

320 对象支撑件

322 对象指示器

330 脉冲序列命令

332 磁共振成像数据

334 元数据

500 大脑活动分析会话

501-509 步骤

521-523 MR图像

525 S0图

526 R2*图

529 活动状态时段

530 休息状态时间时段

531 休息状态时间窗口

532 休息状态时间窗口

535 活动状态时间时段

536 活动状态时间窗口

537 活动状态时间窗口

539 BOLD响应

541 激活模式

543-545 BOLD响应图

547-549 具有SPM的BOLD响应图

560 线

具体实施方式

这些附图中相同标号的元件是等效元件或执行相同的功能。如果功能等效，则在先讨论的元件将不必在后面的图中进行讨论。

图1示出了医学成像系统100的范例，其总体上适用于实施本公开中所涉及的方法步骤。医学成像系统100被示为包括计算机102，计算机102包括处理器104。处理器被示为被连接至可选的硬件接口106和可选的用户接口108。用户接口108可以是或包括用于呈现图像的显示器。硬件接口106可以例如是网络接口，或者它也可以用于与医学成像系统的其他组件交换数据或命令。处理器104还被示为被连接到存储器110。存储器110可以是处理器104可访问的存储器的任何组合。这可以包括诸如主存储器、高速缓存存储器、以及诸如闪存、硬盘驱动器或其他存储设备的非易失性存储器之类的存储器。在一些范例中，存储器104可以被认为是非暂时性计算机可读介质。

存储器110被示为包含机器可执行指令120。机器可执行指令120使处理器104能够执行各种数据处理任务，并且在某些范例中还使处理器104能够控制医学成像系统100的其他组件。机器可执行指令120使处理器104能够执行本方法的至少一部分。

本文描述的方法可以是源程序、可执行程序(目标代码)、脚本或包括要执行的一组指令的任何其他实体的形式。当是源程序时，则需要经由编译器、汇编器、解释器等来转译程序，所述编译器、汇编器、解释器等可以包括或不包括在存储器110中，以便在与OS连接时正确地操作。此外，所述方法能够被编写为具有数据和方法类的面向对象的编程语言，或者被编写为具有例程、子例程和/或功能的过程编程语言。

图2描绘了大脑活动分析会话200的一系列时间时段。大脑活动分析会话200可以被划分或包括交错的休息状态时段201A-N(以虚线表示)和活动状态时段203A-N(以实线表示)。在休息状态时段201A-N期间，对象处于休息状态，指示他或她的大脑没有执行特定的任务。在活动状态时段203A-N期间，对象正在执行诸如观看视频的活动，因此他或她的大脑的一部分可以是活动的。

休息状态时段201A-N中的每个被细分为相等持续时间的休息时间窗口202A-202N。活动状态时段203A-N中的每个被细分为相等持续时间的活动时间窗口204A-204N。活动时间窗口204A-N具有与休息时间窗口202A-N相同的持续时间。为了清楚起见，仅示出了一个休息状态时段和一个活动状态时段的时间窗口。

例如，对象可以必须在活动状态期间执行无声单词生成任务。大脑活动分析会话200可以例如由与32s活动状态时段交错的32s休息状态时段组成。总体扫描持续时间可以例如是416秒，从而产生7个休息状态时段，与每个具有16个时间窗口的6个活动状态时段交错。

如图2中所定义的，大脑活动分析会话200可以实现例如当对象处于所定义的状态时实时地对BOLD响应进行准确的测量。

为了解释目的提供休息状态时段、活动状态时段和大脑活动分析会话的时间粒度。本领域技术人员将理解，诸如不同的时间窗口持续时间等的大脑活动分析会话的其他配置可以与本方法一起使用。

图3是用于医学成像的方法的流程图。在步骤211中，可以接收处于活动状态的对象的感兴趣区域的fMRI数据。针对当前活动时间窗口，例如204B，并且在大脑活动分析会话200期间接收fMRI数据。当前时间窗口204B是活动状态时段的一部分，在所述活动状态时段期间对象正在执行例如图3的方法中的活动。在图5A中提供了范例fMRI数据采集。

在步骤213中，可以使用fMRI数据变化的预定义模型根据fMRI数据来生成横向弛豫T2*图。所述模型可以将所采集的信号的变化描述为TE的函数。一个范例模型可以描述将对于每次多回波采集的信号衰减描述如下：

其中，TE是回波时间，并且S0是TE＝0处的信号。

在步骤215中，可以将所生成的T2*图与参考T2*图进行比较。参考T2*图可以例如如下获得。

参考fMRI数据可以在对象的休息状态时段(例如201A)期间获得。可以针对休息状态时段的每个休息时间窗口202A-N生成T2*图。所生成的T2*图可以被组合以产生参考T2*图。fMRI数据被认为是参考数据，因为它们是在对象的休息状态时段期间采集的。确定参考图的范例在图5A中描述。

在步骤217中，可以使用比较的结果来估计当前活动时间窗口期间的感兴趣区域的BOLD响应。T2*值的改变与BOLD变化相关。由于激活区域中的BOLD响应，T2*值区域性增加。S₀的改变包含可能由运动、心脏和呼吸作用导致的信号强度的非-BOLD变化。(例如，成像系统300的)扫描器的不稳定性也贡献于S₀中的变化。

在一个范例中，步骤213-217可以针对逐个体素执行。即，针对fMRI数据的每个体素，可以通过例如使模型拟合到作为回波时间TE的函数的体素值来生成T2*值(例如，如果使用10个回波时间，则可以拟合10个体素值)。这将得出用于fMRI数据的体素的T2*值(T2*图)。针对fMRI数据的每个体素，在体素的T2*值与相同体素的参考T2*值之间进行比较，并且可以基于该比较结果针对体素来估计BOLD响应。

本文描述的方法可以例如在原生空间(native space)中的fMRI数据上执行。所接收的fMRI数据可以是在对象的原生空间中采集的。

图4示出了医学成像系统300的另一范例。图4中的医学成像系统300类似于图1的医学成像系统100，不同之处在于医学成像系统300还包括磁共振成像系统。

磁共振成像系统302包括磁体304。磁体304是具有穿过其的膛306的超导圆柱形磁体。也能够使用不同类型的磁体；例如，也能够同时使用剖分式圆柱形磁体和所谓的开放磁体。剖分式圆柱型磁体与标准圆柱形磁体相似，不同之处在于，低温恒温器已分为两个部分，以允许进入磁体的等平面，此类磁体例如可以与带电粒子束治疗结合使用。开放磁体具有两个磁体部分，一个在另一个上方，两个磁体之间的空间个足够大，以接收对象：这两个部分区域的布置类似于亥姆霍兹线圈。开放磁体是受欢迎的，因为对象的约束较少。在圆柱形磁体的低温恒温器内部，存在许多超导线圈的集合。在圆柱形磁体304的膛306内，存在成像区308，在所述成像区中，磁场足够强且均匀，以执行磁共振成像。感兴趣区域309示出在成像区域308内。通常针对感兴趣区域采集磁共振数据。对象318被示为由对象支撑件320支撑，使得对象318的至少一部分在成像区308和感兴趣区域309内。

在磁体的膛306内，还存在一组磁场梯度线圈310，其用于采集初步磁共振数据，以对磁体304的成像区308内的磁自旋进行空间编码。磁场梯度线圈310被连接到磁场梯度线圈电源312。磁场梯度线圈310旨在是代表性的。通常，磁场梯度线圈310包含单独的三组线圈，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310的电流被控制为时间的函数，并且可以是倾斜的或脉冲的。

邻近成像区308的是射频线圈314，其用于操纵成像区308内的磁性自旋的取向，并且用于接收同样来自成像区308内的自旋的无线电传输。在本范例中，射频线圈314是头部线圈，并且感兴趣区域309对对象318的大脑进行成像。

射频天线可以包含多个线圈元件。射频天线也可以被称为信道或天线。射频线圈314被连接到射频收发器316。射频线圈314和射频收发器316可以由独立的发射和接收线圈以及独立的发射器和接收器代替。应当理解，射频线圈314和射频收发器316是代表性的。射频线圈314还旨在代表专用的发射天线和专用的接收天线。同样，收发器316也可以代表独立的发射器和接收器。射频线圈314也可以具有多个接收/发射元件，并且射频收发器316可以具有多个接收/发射通道。例如，如果执行诸如SENSE的并行成像技术，则射频线圈314将具有多个线圈元件。

在磁体304的膛306内，存在对象指示器322。对象指示器可以例如向对象318提供听觉和/或视觉刺激。对象指示器322能够以两个不同的有区别的状态之一来提供刺激：活动状态和休息状态。当对象指示器322示出活动状态时，对象318要么思考具体的想法，要么执行具体的身体活动，例如移动肢体或执行其他动作。对象指示器322能够例如具有对于对象318可见的光线，可以是显示器，或者可以提供听觉信号。收发器316、梯度控制器312和对象指示器322被示为被连接到计算机系统102的硬件接口106。

存储器110还被示为包含脉冲序列命令330。脉冲序列命令是使处理器104能够控制磁共振成像系统302的命令或能够被转换为这种命令的数据。存储器110还被示为包含通过利用脉冲序列命令330控制磁共振成像系统302而采集的磁共振成像数据332。脉冲序列命令330还可以包含使对象指示器322在指示在磁共振成像数据332的个体采集期间的活动状态与休息状态之间做出改变的指令。能够用于后续确定磁共振成像数据332的哪个状态的数据在元数据334中。元数据334被示为存储在存储器110中。

图5a是根据本公开范例的用于估计BOLD响应的方法的流程图。在本范例中，对象318需要在大脑活动分析会话500的活动状态时段期间执行无声单词生成任务。实验包括与32s活动状态时段交错的32s休息状态时段。总扫描持续时间为416秒，产生7个休息状态时段，与6个活动状态时段交错，每个活动状态时段具有16个时间窗口。

在步骤501中，利用多回波EPI序列(例如，通过成像系统300)来采集fMRI数据。使用多回波EPI序列可以实现大脑活动的更详细的分析。可以针对大脑活动分析会话500的休息状态时段和活动状态时段的每个时间窗口，分别以12、35和58ms的回波时间采集多回波数据的范例。重复时间TR是例如2000ms。在每个TR期间，将记录完整的大脑体积，例如27个切片，其中，每个切片具有64x 64的分辨率。这可以用于在对象执行任务，例如无声单词生成时生成fMRI数据。这可以使得能够使用fMRI数据评估无声单词生成期间的大脑活动。其他分辨率也是可能的。

针对每次多回波采集的信号衰减由模型方程

来描述，其中，TE是回波时间，并且S₀是TE＝0时的信号。T2*的改变与BOLD变化相关。由于激活区域中的BOLD响应，T2*区域性增加。S₀中的改变是能够由运动、心脏和呼吸作用导致的信号强度的非-BOLD变化。扫描器的不稳定性也贡献于S₀中的变化。

在步骤503中，模型方程被拟合到所采集的fMRI数据的每个体素的测量信号，并且生成S₀和T2*图。拟合可以例如使用Matlab函数‘fit’在Matlab中进行。单个指数(‘Exp1’)以如下附加的拟合选项进行拟合：‘TolFun’为0.1、‘TolX’为0.1、‘MaxFunEvals’为100、‘MaxIter’为10。R2*图可以根据T2*图生成，因为R2*是T2*的倒数：R2*＝1/T2*。这意味着BOLD相关的信号将具有更短的R2*。在图5B中示出了多回波采集以及所导出的S0和R2*图的范例。

在执行拟合步骤503之前，可以使用诸如重新对准的已知预处理方法对fMRI数据进行预处理。例如，单个回波数据例如使用空间平滑(SPM)被重新对准和平滑，使得在经重新对准和平滑的回波数据上执行步骤503的拟合，以得到S0和T2*。

在步骤507中，分析R2*系列，目的是确定每个时间窗口的任务激活。对于每个休息状态时段530，在一系列时间窗口532上确定平均值R2*，如图5C所示。不使用前三个时间窗口(6秒)531，因为来自先前活动状态时段529的BOLD效应可能仍处于活动中。在步骤509中，对于活动状态时段535的子间隔537的每个个体活动状态时间窗口，确定R2*的百分比信号改变(PSC)。同样，由于BOLD响应延迟，不使用前三个时间窗口536。这在图5C中示出，其中，线539指示在会话500期间对象的BOLD响应。

对于fMRI数据的每个体素，根据平均方程式

对时间窗口532中的体素动力学(j)的R2*值的平均值进行平均，其中，i是休息状态时段530的第一个时间窗口，并且n是时间窗口532的数量，并且j是时间窗口532的时间窗口。

是使用休息状态时间段530获得的针对给定体素的参考R2*值。

如图5C所示，针对休息状态时段的起始窗口分别为1、33、65、97、129、161、193。每个活动状态时间窗口的百分比信号改变可以通过PSC公式来定义：

其中，

是根据平均方程式来计算，并且task(t)是紧随用于计算值

的休息状态时间段530之后的活动状态时段535的个体活动状态时间窗口。task(t)是用于使用活动状态时段535的当前时间窗口获得的针对给定体素的实际或当前R2*值。在一个范例中，PSC可以仅针对预定义体素进行计算。可以使用掩模选择预定义体素。在一个范例中，可以在灰质上使用掩模，使得仅针对掩模内的体素来计算PSC。也可以使用掩模的其他范例。例如，整个大脑的掩模或灰质和白质的掩模。

根据PSC方程式，每个活动状态时间窗口的每次激活被定义为相对于先前的休息状态时段的PSC_t。可以区分两种效应，即BOLD正效应和BOLD负效应。根据BOLD正效应，给定体素在当前活动状态时间窗口中的R2*值减小(例如，对于给定体素，

)，指示该时间窗口的BOLD效应相对于休息状态时段的平均值增加。这表示一种激活。根据BOLD负效应，给定体素的R2*值增加(例如，对于给定体素，

)，指示BOLD效应相对于休息状态时段的平均值已经降低。这表示一种停用。停用意味着这些体素显示出降低的BOLD效应。

关于正BOLD效应(激活)，根据平均数和PSC方程式计算活动状态时间时段537的活动状态时间窗口89的R2*改变，即，针对休息状态时间窗口36-48计算

还使用整个数据集(在重新对准和平滑之后)在SPM中计算回波-2的BOLD响应。比较显示在图5D中。如图5D所示，针对活动状态时间窗口89的激活模式非常类似于在SPM中找到的BOLD响应。在SPM中，将GLM函数应用于所有208个时间窗的完整数据集，从而获得更好的统计能力。在大量的动力学中找到了与在活动状态时间窗口89中找到的类似的激活模式。由于激活是相对于直接在先的休息块的平均值计算的，因此能够排除长期的扫描器影响。

图5B示出了在活动状态时间时段535的活动状态时间窗口89期间采集的fMRI数据的切片(13)的MR图像521-523。MR图像521、522和523被重建为分别使用三个回波TE＝12、35和58ms获得的fMRI数据。图5C还示出了S₀图525和R2*图525，如上所述，其通过针对每个体素将模型方程式拟合到三个回波的三个体素值而从图像521-523导出。

图5D示出了针对活动状态时间窗口89计算的正激活模式541。激活模式541包括针对不同切片(即，轴向13、矢状46和冠状39)分别获得的BOLD响应543、544和545的图。图5D还示出了针对三个切片使用SPM针对第二回波522计算的BOLD响应547、548和549。线560指示切片位置。

Claims

1.一种医学成像的方法，包括：

针对当前活动时间窗口(204A-N)并在大脑活动分析会话(200、500)期间，接收处于活动状态的对象(318)的感兴趣区域(309)的fMRI数据；

使用fMRI数据变化的预定义模型根据所述fMRI数据来生成横向弛豫T2*图；

将所生成的T2*图与参考T2*图进行比较；

使用所述比较的结果来估计在所述当前活动时间窗口(204A-N)期间所述感兴趣区域(309)的血氧水平依赖性(BOLD)响应；

接收在所述对象的休息状态时段中获得的fMRI数据，将所述休息时间时段细分为一组连续的不重叠的参考时间窗口，其中，参考时间窗口具有与所述活动时间窗口相同的长度；针对每个所确定的参考时间窗口生成T2*图，并将所生成的所确定的参考时间窗口的T2*图进行组合，得到所述参考T2*图；

从所述一组参考时间窗口中排除在所述休息状态时段开始时出现的时间窗口的预定义子集，以生成所述T2*图。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括，针对每个随后的活动时间窗口在所述会话期间重复所述方法的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括，将所述大脑活动分析会话分为所述对象的交错的休息状态时段和活动状态时段，其中，所述活动时间窗口出现在跟随所述对象的休息状态时段的活动状态时段中。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述休息状态时段紧接在所述当前活动时间窗口的所述活动状态时段之前。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括，针对所述fMRI数据中的每个体素执行所述方法的步骤，其中，在所生成的T2*图的每个体素的T2*值与所述T2*参考图中的相同体素的所述T2*值之间执行所述比较。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述fMRI数据包括在各个回波时间TE处获得的多个回波图像数据，其中，生成所述T2*图包括使用以下模型来拟合在所述回波时间上的T2*值变化：

其中，TE是所述回波时间，并且S₀是TE＝0时的信号。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述BOLD响应指示所述感兴趣区域中其相关联体素的所述T2*图的T2*值高于该体素的所述参考T2*值的部分的活动状态，并且所述BOLD响应指示所述感兴趣区域中其相关联体素的所述T2*图的T2*值小于该体素的所述参考T2*值的部分的休息状态。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述fMRI数据包括在施加激励RF脉冲之后在多个不同回波时间处的多幅MRI图像。

9.一种计算机程序产品，包括用于由处理器执行的机器可执行指令，其中，所述机器可执行指令的执行使所述处理器执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。

10.一种医学成像系统(100)，包括：

存储器(110)，其存储机器可执行指令；以及

处理器(104)，其用于控制所述医学成像系统(100)，其中，所述机器可执行指令的执行使所述处理器(104)：

将所生成的T2*图与参考T2*图进行比较；

使用所述比较的结果来估计在所述当前活动时间窗口期间所述感兴趣区域的血氧水平依赖性(BOLD)响应；

11.一种MRI系统(302)，其包括根据权利要求10所述的医学分析系统，所述MRI系统被配置用于使用由所述医学分析系统(100)提供的成像协议来采集fMRI数据。

12.根据权利要求10或11所述的MRI系统，其被配置用于施加激励RF脉冲；在施加所述激励RF脉冲之后在多个不同回波处获得多幅MRI图像。