CN113406544A - 一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法和装置。其中，所述方法包括下述步骤：分别实施自旋回波和质子密度成像序列扫描，获得图像数据；以自旋回波重建图像数据除以质子密度图像数据，获得解耦的纯接收磁场数据；基于纯接收磁场数据，利用对流‑反应‑扩散或梯度间接反演算法，同步重建得到组织的电导率、介电常数和磁导率参数值分布。利用自旋回波序列和接收磁场幅值与相位分量反演得到的结果中，不含主磁场均匀性畸变相关准静态频率成分在采集图像数据中的贡献。测量过程无创，所获为实测值且无需造影剂辅助。

Description

一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法和装置

技术领域

本发明涉及一种基于磁共振成像的人体组织电磁特性参数成像，尤其涉及脑组织的电特性和磁特性参数同时重建的功能磁共振成像方法和装置。

背景技术

人体组织是电磁场的有效导体，人体的生理和病理过程也伴随着体内电磁场的变化。利用磁共振电磁特性成像，可以非侵入式地测量脑组织的电特性和磁特性参数分布。血液因其所含的血红蛋白分子具有磁性变化的特征，能够被功能磁共振成像、磁特性类磁共振成像等方法检测到。脑出血和缺血性疾病发生时，血肿或血栓组织随着时间的推移，其中含铁血红蛋白的磁性发生弱抗磁、顺磁乃至超顺磁性的变化。在测量和成像过程中，显示脑部病变区域的大小、血液灌注情况受到的影响。在脑肿瘤的鉴别诊断中，已经证实病变组织的电导率和介电常数高于正常组织的电导率和介电常数，且功能性的电磁特性参数变化先于器质性解剖结构的变化，因此对相关电磁特性参数的测量能够用于辅助疾病的早期影像学诊断。

血液的电导率、磁导率和相对介电常数发生变化，利用磁共振射频磁场激励并检测组织产生的响应信号，由接收磁场反演组织的电特性和磁特性参数分布。较之自旋回波序列，基于梯度回波的成像序列能够在重建图像上反映主磁场不均匀性或组织间的磁化率差异。现有的磁化率加权成像方法，由进动相位的差异性分布表征静磁场的被动微扰，将高通滤波后的相位像数据乘以结构幅值像数据，最终得到磁化率加权的包含磁特性参数信息的组织图像。另一种定量磁敏感成像方法，是在磁化率加权成像的基础上，对得到的相位差数据进行以磁化系数分布重建为目标的反演，但相关计算过程中解的病态性问题严重。磁共振-电特性成像方法，是继磁共振-电阻抗成像方法之后，首次提出了无需改动磁共振系统的硬件装置而实现人体组织的电特性参数分布之测量并图像重建。但磁共振-电特性成像方法虽然是利用安培定律反演电特性，但均基于认为人体组织的块磁导率为常数这一不合理假设，而忽略了磁导率对反演过程的影响。现有的灌注成像，例如动脉自旋标记方法和功能磁共振成像方法，在形成图像对比度效益方面，摒弃了外源性磁性造影剂的使用，借助组织自身的磁特性演化，例如水分子极化传递和血红蛋白磁性交替改变，实现了血流动力学参数的测量和分布重建，以及发展出围绕血氧水平依赖的一系列图像数据统计学分析方法。但是现有的灌注类功能磁共振成像方法，并没有像磁共振-电特性成像那样，从组织-电磁场相互作用的角度定量地考虑磁导率参数本身的分布反演和重建。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法和设备装置，以无创式测量人体组织的电磁特性参数，实现电特性和磁特性参数同步测量和成像。

本发明的技术方案为：一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，所述方法包括下述步骤：

步骤1、测量前，在无需向人体生物组织注射外源性电特性或磁特性造影剂的情况下，对人体生物组织进行质子密度分布扫描和自旋回波序列扫描，获得磁共振采集图像数据；

步骤2、以自旋回波重建图像数据除以质子密度图像数据，获得解耦的纯接收磁场数据；

步骤3、基于纯接收磁场数据，利用反演算法重建生物组织的电磁特性参数值分布，其中，所述的纯接收磁场数据包括幅值信息和相位信息，所述的电磁特性参数包括电导率、介电常数、和磁导率；且实现三参数的同步反演。

进一步的，所述质子密度序列扫描的重复时间TR、回波时间TE、偏转角α和体素尺寸设置，使得磁共振信号中弛豫时间T1和T2相关指数因数项取值趋近于1，以便最大化MR质子密度序列扫描重建图像的灵敏度。

进一步的，所述自旋回波序列扫描使由于人体生物组织介入而造成主磁体磁场畸变、相关的自旋体系的进动失相位在磁共振检测信号中予以影响消除，从而在检测信号中只反映由于生物组织介入而造成的射频磁场畸变的影响。

进一步的，所述自旋回波序列扫描的重复时间TR、回波时间TE、偏转角α和体素尺寸设置，使得磁共振信号中弛豫时间T1和T2相关指数因数项取值趋于最大化，以便去耦后的纯接收磁场数据最大化，从而使最终重建得到的电磁特性参数值分布的信噪比最高。

进一步的，根据符合事实而非假设生物组织的磁导率恒等于真空的磁导率，在此基础上实施由射频磁场数据、对磁导率和电特性参数一同重建。

进一步的，所述反演算法是对流-反应-扩散算法或梯度间接反演算法。

具体的，所述对流-反应-扩散算法，包括如下步骤：

步骤A3.1、设置为不含有扩散场线性叠加项，或者出于反演运算增加稳定性的考虑，人为填加一个任意扩散场项；

步骤A3.2、由采集的经质子密度解耦后的纯接收磁场数据，先分别获得其x方向导数、y方向导数和拉普拉斯二阶导数；

步骤A3.2、再基于体素和有限元剖分方法，构建以线性形状函数为形式分别表示导纳率、对流场x和y方向导数及接收磁场的求解方程组，在不忽略磁导率的条件下同步反演电导率、介电常数和磁导率的分布。

进一步的，所述反演算法是梯度间接反演算法，基于接收磁场数据而非发射磁场数据重建电磁特性参数，接收磁场数据中包含有完备的幅值信息和相位信息，有利于对多未知量反演方程组的求解。

具体的，所述梯度间接反演算法，包括如下步骤：：

步骤B3.1、以接收磁场数据为算法的输入量，以复介电常数和磁导率未知数为输出量，其中复介电常数又以梯度变量形式表现于主反演方程中；

步骤B3.2运用最小二乘法，由所述主反演方程先解算出复介电常数梯度分布和磁导率分布；

步骤B3.3、进一步由复介电常数梯度分布和部分位置电特性初值点，运用二维有限差分法最终重构得到电导率和介电常数值分布；

最终，在不忽略磁导率非匀质分布的条件下，实现同步反演电导率、介电常数和磁导率的分布。

进一步的，在由所述主反演方程解算出复介电常数梯度分布和磁导率分布时，使用并行成像多通道接收线圈获得多通道独立接收磁场数据测量量，以解决当未知量个数多于方程中已知量个数时造成的解的病态性问题。

根据本发明的另一方面，提出一种测量人体生物组织电磁特性参数值分布的磁共振成像装置，包括主磁场磁体、射频线圈子系统、梯度线圈子系统、射频发射通道、发射接收转换器、射频接收通道、序列控制谱仪、电子数据载体、设备计算机和图像处理计算机；

通过所述磁共振成像装置进行质子密度序列扫描和自旋回波扫描参数对目标区域实施脉冲激励和射频接收磁场信号检测，在图像处理计算机中进行采集数据的处理，通过执行对流-反应-扩散算法或梯度间接反演算法，计算生物体组织的电导率、介电常数和磁导率电磁特性参数分布值，并呈现在显示器上。

生物组织在主磁场磁体产生的静磁场中自旋体系被磁性极化，射频线圈子系统和梯度线圈子系统在设备计算机和序列控制谱仪的控制下，实施对自旋体系的进动状态的空间频率编码；

其中，所述射频线圈子系统包括大鸟笼发射线圈和小型接收线圈，或者为收发一体式线圈，都具备多通道独立信号接收功能，能够获得大于等于4通道的独立接收磁场数据，用于复介电常数x、y、z等多方向导数未知数的求解；

所述接收磁场数据是经正交相敏检波得到的交变基带检测信号，该k空间信号进一步做傅里叶反变换以后得到物理空间图像的数据，所述正交相敏检波过程只做频谱搬移而不改变原始调制载波信号的幅值和相位，使得所述物理空间图像数据的幅值和相位信息保持与成像过程中自旋体系每个空间位置上磁化强度矢量进动的幅值和相位相同，即在旋转坐标系下，纯接收磁场数据完备能够代表自旋磁化强度矢量；

纯接收磁场数据的幅值和相位信息都参与反演计算过程，以严格重建得到组织的电磁特性参数值分布。

进一步的，所述磁共振装置用于执行前述任一项所述的方法。

根据本发明的另一方面，还提出一种装置，其包括处理器和存储器，所述存储器上存储有可执行指令，所述处理器执行所述指令时，实现前述的方法。

有益效果：

(1)本发明提供的一种人体生物组织的磁共振电特性和磁特性参数分布重建成像方法及装置，能够同步测量电导率、介电常数和磁导率，实现在体、无创、无须造影剂的生理和病理相关的电磁场功能参数的测量，引入真实的磁导率分布后反演结果更加准确。现有技术基于发射磁场B1+反演电磁特性参数，相关B1+的相位数据难以测量，本发明在测量成像目标体的电磁特性分布前，先扫描获得目标体积内的质子密度分布，在主扫描获得的磁共振信号中去除质子密度耦合得到纯净的接收磁场幅值和相位数据，包含有多个接收通道的独立数据，再进一步同步反演电导率、介电常数和真实磁导率等特性参数分布。现有磁共振电特性成像仅反演重建组织的电特性参数分布，领域理论上或基于B1+或B1-数据反演电特性，发射场B1+只能通过接收线圈采集得到，且数据需经复杂理论处理、还只涉及近似幅值，而相位更无从准确获取；现有磁共振磁特性类方法中磁化率加权和定量磁敏感两种成像，原始采集数据中均混合有射频磁场和静磁场非均匀程度的贡献，应分开而未分开，具体地前者只是将所提取磁化率信息权重于幅值像并最终打印到胶片，后者虽是采取基于体素、严格反演的技术路线，但仅涉及相位分量于反演，而忽略了幅值分量的利用，并受制于相关算法环节复杂，尚停留在临床前的研究阶段；本发明显然与上述均不同。由于正常组织与其对应的病变组织的磁特性和电特性差异比较大，是普遍存在的客观特性，因此可以采用本方法获得的介电特性参数来辅助疾病的鉴别诊断。本发明的同步反演是较现有技术之优势，现有磁共振电特性成像是只反演电导率和介电常数，定量磁敏感成像是只磁化率，而本发明是“磁共振电磁特性成像”。

(2)本发明尤其适用于脑血管相关疾病、脑肿瘤等疾病的鉴别诊断的磁共振成像，脑功能磁共振成像。当然，本发明并不局限于所述优选的应用领域，因为通过本发明也可以例如进行乳腺的磁共振成像。

(3)另外，本发明无需注射造影剂即可获得基于磁共振的人体组织的电磁特性参数值分布，降低了成本，而且提高了安全性。

附图说明

以下借助附图结合/按照本发明的实施方式详细解释本发明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1示出按照本发明的一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像装置；

图2示出按照本发明的经质子密度去耦获得纯接收磁场的方法；

图3示出按照本发明的对流-反应-扩散算法反演电磁特性参数分布；

图4示出按照本发明的梯度间接算法反演电磁特性参数分布；

图5示意性示出按照本发明从MR接收磁场数据中重建电磁特性参数值分布图像；

图6与现有技术比较地示出本发明的方法。

图1-6中，附图标号说明如下：

成像体1、主磁场磁体2、匀场片线圈3、梯度线圈子系统4、射频线圈子系统5、磁共振装置6、发射接收转换器7、放大器8、射频接收通道9、射频发射通道10、终端11、显示器12、键盘13、鼠标14、图像控制台15、序列控制谱仪16、频率合成器17、设备计算机18、DVD 19、射频系统20、移动床21、质子密度序列扫描22、自旋回波序列扫描23、纯接收磁场数据24、反演算法25、电导率26、介电常数27、磁导率28、对流-反应反演公式29、接收磁场x方向导数30、接收磁场y方向导数31、接收磁场拉普拉斯导数32、复介电常数x方向梯度33、复介电常数y方向梯度34、复介电常数z方向梯度35、点位电导率初值36、点位介电常数初值37、点位磁导率初值38、梯度间接反演公式39、MR断层图像40、MR断层图像41、MR断层图像42、射频磁场畸变43、主磁场畸变44、定量磁敏感成像方法45、组织内静磁场畸变影响进动相位公式46、组织内磁化率恒定假设47、磁共振-电特性成像方法48、磁共振-电磁特性成像方法49。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，提供一个用于测量人体活体组织电磁特性参数值分布的电磁特性参数分布成像的磁共振装置。磁共振装置包括基础磁场磁体，梯度场系统，至少一个高频发射线圈，至少一个接收线圈元件和控制设备。控制设备用于控制梯度场系统和至少一个高频发射线圈。除此之外，控制设备还用于接收由至少一个接收线圈元件采集的测量信号，和用于对这些采集的测量信号进行分析和生成相应的MR数据。磁共振装置的用途在于，接通高频激励脉冲和至少一个磁场梯度以及采集预先确定的体积部分的MR数据。其中，磁共振设备在高频激励脉冲之后一个预先确定的回波时间开始MR数据采集，其中，包括分别采集组织的质子密度像数据和自旋回波像数据。

图1显示的是用于人体活体组织电特性和磁特性参数分布测量的磁共振成像的装置。其中，主磁场磁体2生成一个时间上恒定的强磁场用于使在成像体1的体积部分内核自旋体系的方向发生偏振或对齐，例如在人体的脑部。其中，所述人体仰卧在移动床21上面，为了进行检查和测量，人体进入磁共振装置6内。核自旋共振测量所要求的基础磁场高均匀性，是定义在一个典型的球形的测量区N内，要被检查的人体部分安排在所述测量体积内。为了实现均匀性要求，尤其为了保证基础磁场不随空间变化，在适当的位置贴装铁磁材质的匀场片。使用匀场片线圈3抑制基础磁场随时间的变化。

由三个分绕组形成的圆柱形梯度线圈子系统4安装在主磁场磁体2内。每个分绕组由放大器供应电流，用于向笛卡尔坐标系的对应的方向产生一个线性的脉冲式的梯度磁场。其中，梯度线圈子系统4的第一分绕组在x方向生成梯度Gx，第二分绕组在y方向生成梯度Gy和第三分绕组在z方向生成梯度Gz。放大器包括数模转换器，所述数模转换器由序列控制谱仪16控制，用于在正确的时间生成梯度脉冲。

一个(或多个)射频线圈子系统5位于梯度线圈子系统4内部，所述射频线圈把由高频功率放大器输出的高频脉冲转换成交变磁场，用以激励被检查的目标成像体整体1或目标成像体1内被检查目标区域内的自旋体系，实现操纵磁化强度矢量。每个射频线圈子系统5由一个或多个射频发射线圈和多个由分线圈组成的环形的，优选线形的或矩阵式排列结构的射频接收线圈元件组成。进动的核自旋体系产生交变磁场，即，通常是由一个或多个高频脉冲和一个或多个梯度脉冲组成的脉冲序列作用，导致核自旋体系的磁场回波信号，被射频线圈子系统5的高频接收线圈元件转换成电压信号(测量信号)，所述电压信号通过放大器8被输送给射频系统20的射频接收通道9。此外，射频系统20包括射频发射通道10，在所述发射通道内生成用于激励核共振的射频脉冲。根据采集图像类型，利用设备计算机18进行相应成像序列参数的设定。所述参数控制射频脉冲中的正弦波的幅值、相位等，以及与信号采集阶段相对的时间参数。所述正弦波的波形数据为分别表示实部和虚部的两组离散数值序列，传输给射频系统20经数模转换后再传输入射频发射通道10。在射频发射通道10内，脉冲正弦波经混频调制，得到高频的载波激励功率信号。

发射运行或接收运行的转换是通过发射接收转换器7执行。射频线圈子系统5的射频发射线圈向测量体积N发射射频脉冲用于激励核自旋，通过高频接收线圈元件扫描产生的回波信号。相应地获得的核共振信号在射频系统20的接收通道9(第一解调器)相位敏感地被解调至中频，并在模数转换器(ADC)内数字化。该信号进一步被解调到频率0和划分成实部和虚部是在接收通道9’第二解调器内的数字域数字化之后进行。通过图像控制台15从以这种方式获得的测量数据中重建MR图像或三维图像组。测量数据、图像数据和控制程序是通过设备计算机18管理。序列控制谱仪16按照设置值，通过控制程序控制生成期望的脉冲序列和相应地扫描K空间。其中，序列控制谱仪16尤其控制于正确的时间接通梯度、发射具有确定相位振幅的高频脉冲以及接收核共振信号。射频系统20和序列控制谱仪16的时基是由频率合成器17提供。通过包括键盘13，鼠标14和显示器12的终端11选择相应的控制程序，用以生成MR图像以及显示所生成的MR图像，其中，所述控制程序存储在DVD19中。

因此，通过上述磁共振装置，能够接通高频激励脉冲和至少一个磁场梯度以及采集预先确定的体积部分的MR数据。其中，磁共振设备在高频激励脉冲之后一个预先确定的回波时间开始MR数据采集，其中，包括分别采集组织的质子密度像数据和自旋回波像数据。

根据本发明的一个实施例，提供一种用于同时测量获得人体活体组织的电特性参数和磁特性参数值分布的磁共振成像方法，包括下述步骤：

步骤1、实施质子密度成像扫描序列，获得成像目标体内的质子密度分布数据。

步骤2、实施基于自旋回波的成像扫描序列，如等体素三维快速自旋回波序列，获得与质子密度耦合的射频接收磁场分布数据。

步骤3、由质子密度解耦后的纯接收磁场(分布)数据，反演活体组织目标体内的电特性参数和磁特性参数值分布。

本发明中的实施例中，所述质子密度成像扫描序列的参数重复时间TR和回波时间TE的选取，使得检测信号中的纵向弛豫时间T1指数项因数和横向弛豫时间T2指数项因数的贡献趋于特定值1。所述检测信号S可以表示为：

S＝K·[H]·(1-e^-TRT1)·e^-TET2 (1)

式中，K为常数比例系数，[H]为所要获得的质子密度分布。

根据所要检查的特定的人体活体组织的类型，例如血液、脑灰质、脑白质、脑脊液，设定相应的T1和T2值，获得相应组织的准确的质子密度分布。

根据本发明的实施例，使用自旋回波序列采集接收磁场数据可以消除基础磁场非均匀性对电磁特性参数反演的干扰，使得采集的接收磁场数据中包含的电磁特性参数信息只与高频检测接收磁场有关。现有技术，例如磁化率加权成像和定量磁敏感成像，相关磁特性重建是基于基础磁场的非均匀性，但实际测到的磁共振信号中混合有射频磁场非均匀性的贡献，其结果造成磁特性结果不准确。

图2显示的是按照本发明消除接收磁场中固有质子密度耦合因子的方法，所得纯接收磁场数据，用于反演人体组织的电磁特性参数电导率26、介电常数27和磁导率28。由于磁共振信号

ρ为组织内自旋体系的质子密度，

为成像扫描激励实施的发射磁场，

为接收线圈采集的接收磁场数据。对于基于时序上收发分开的激励-检测扫描方式来说，发射磁场

在信号中的影响可以忽略，则经傅里叶反变换得到自旋体系磁化强度矢量的空间分布后，当已知质子密度分布，就可以获得解耦后的纯接收磁场数据24。本发明选择自旋回波序列扫描23的意义在于，检测信号生成过程中不受主磁场非均匀性和人体组织静态磁化率分布差异等的影响。当获得纯接收磁场数据24后，按照本发明的重建算法，在不忽略磁导率分布变化的条件下反演电磁特性参数。

所述与质子密度耦合的射频接收磁场分布数据，由并行多通道接收线圈采集，可满足所述电磁特性参数值，反演算法在解方程时，存在多个未知量的问题。所述多通道接收线圈，可以是16通道的，也可以是32通道的；可以是与大鸟笼单激励线圈配合工作的单接收线圈，也可以是既用于激励成像体、又用于检测磁共振信号的收发一体线圈。所述多个未知量，包括电导率σ、介电常数ε、磁导率μ及相关梯度项

α代表σ、ε或μ。

根据本发明的实施例，人体活体组织的电特性和磁特性由自身的物理和化学性质决定，并受生理和病理过程的影响。与现有技术的动态对比增强成像方法相比，无须向人体注射对比造影剂以改变T1或T2来实现特定部位的成像。人体组织中客观存在多种磁化率差异源，例如血液血红蛋白分子，鼻咽空气组织边界。与现有的磁共振电特性成像方法相比，本发明不再假设μ为常数，并将μ和σ、ε共同作为反演对象，使得电特性和磁特性的反演结果更加准确。

按照本发明的优选的一个实施方式，脑出血患者做磁共振电磁特性参数分布成像检查，使用所述16通道射频接收线圈测量血肿组织的电特性和磁特性参数，首先实施所述质子密度序列扫描活动纯粹的质子密度分布，然后实施自旋回波序列扫描，例如，设定参数TE和TR使含T1和T2指数项因数最大化，接下来基于像素矩阵将自旋回波图像数据除以质子密度图像数据，获得独立多通道的纯接收磁场数据，进一步带入本发明电特性和磁特性同步反演的重建算法。

为了实现活体组织目标体内的电特性参数和磁特性参数的同步反演，按照本发明存在下述的实施方式：

①从安培定律出发，推导出接收磁场与电导率、介电常数和磁导率的计算公式，其中电导率和介电常数共同由导纳率表示，所述公式具体由导纳率倒数的梯度项、导纳率倒数和常数项构成，即对流-反应方程公式。将前述纯接收磁场数据代入所述基于导纳率的同步反演公式，获得电特性和磁特性参数值的分布。

②从法拉第修正的安培定律出发，推导出不忽略磁导率分布变化的电特性和磁特性与圆极化接收磁场的关系方程，其中电导率和介电常数共同由复介电常数表示，所述方程具体包括的未知数有复介电常数、磁导率，复介电常数的x方向梯度、y方向梯度和z方向梯度，即对本领域人员公知的梯度电特性成像算法方程修改而得到的变体。

在上述的实施方式①中，由笛卡尔坐标系下基于磁场x分量和y分量的电磁特性方程推导出旋转坐标系下的电磁特性反演方程，如下：

式中，β为对流场，u为导纳率倒数，H^-为质子密度去耦后的接收磁场测量数据，i为虚数单位，ω为共振进动角频率。已知磁场及其空间一阶和二阶导数，相关计算电导率、介电常数和磁导率的解算方法，优选，是先将图像网格像素矩阵三角形化，再以线性形状函数分别表示未知量u、μ和对流场和磁场，构建出矩阵表示的求解方程组，其中系数矩阵由β场梯度和磁场拉普拉斯运算构成，右边源项为磁场数据。所述磁场H^-经过了三角形网格化剖分，优选地由Savitzky-Golay滤波器函数表示，

H^-(x,y)＝c₁x²+c₂y²+c₃xy+c₄x+c₅y+c₆ (3)

式中c1-c6为比例系数，由已知的目标点和周围6点的磁场数据求得。

在上述的实施方式②中，仅涉及射频磁场的非匀质电特性和磁特性反演方程与复介电常数的x向、y向和z向梯度有关，如下：

式中，

为已知的质子密度去耦后的射频接收磁场，未知数包括：μ为磁导率，ε_c为复介电常数，g为复介电常数对数的梯度。不同于现有技术，本发明中对磁导率和复介电常数同时进行反演，以与客观存在组织局部磁化率畸变的真实情况相符合。在磁共振成像技术中，由于射频线圈无法测量Bz，式中Bz项予以忽略。式中待求未知数合计为μ、σ、ε、g_x、g_y和g_z共6个，以前述多通道接收线圈独立采集大于等于6组质子密度和接收磁场测量数据，就可解算出全部未知数的分布值。

在实施方式②的一个优选的变体中，先将磁导率和复介电常数的各梯度项看成未知数，合并方程中独立于测量通道的非线性未知数和存在互相关的未知数，构建基于体素的方程数等于通道数的线性方程组，以最小二乘法先求解获得磁导率和复介电常数梯度分布，再结合特定体素位置的电导率和介电常数预置初值点值，由复介电常数特定分布最终反演获得独立电特性参数值的分布。

上述变体具有最终反演电导率和介电常数值准确度改善的特点，因为在前述第②实施方式中，同时反演获得的电导率和介电常数及其梯度分布，可能存在电导率和介电常数的梯度与其反演梯度不一致的情形。

图3和图4显示的是按照本发明的电磁特性反演算法。图3是基于对流-反应-扩散场和有限元线性形状函数的算法，避免了在反演过程中使用除法。所述纯接收磁场数据24在二维三角形网格剖分的条件下，利用Savitzky-Golay滤波法根据纯接收磁场数据24节点值，获得接收磁场x方向导数分布30、接收磁场y方向导数分布31和接收磁场拉普拉斯导数分布32，代入构建的不忽略磁导率变化的对流-反应反演公式29，运用最小二乘法求解导纳率和磁导率28，最后通过分离导纳率的实部和虚部分别获得电导率26和介电常数27结果。

图4显示的是本发明另一个基于梯度分布间接反演电磁特性参数的算法。可以看出，虽然和图3对流-反应-扩散算法均推导源于法拉第修正的安培定律，但是图4梯度间接反演算法围绕目标量复介电常数及其梯度量和磁导率进行解算。将纯接收磁场数据24直接带入公式39，运用最小二乘法能够拟合得到旋转坐标系下复介电常数的x方向梯度33、y方向梯度34和z方向梯度35以及磁导率28的分布，其中涉及预先给定某些特定位置处人体组织磁导率的初值，如脑皮层灰质、白质、脑脊液、鼻窦、颅骨-空气界面等处。进一步由复介电常数的x方向、y方向34和z方向梯度33、34和35，及已解得的磁导率28的分布，运用二维有限差分方法重构得到电导率26和介电常数27的值分布。

图5示意性地示出，按照本发明求解接收磁场的拉普拉斯计算项的一个变体——中心差分法，对目标图像体素如何由其邻近体素解算得到反演电磁特性参数电导率26、介电常数27和磁导率28所需的纯接收磁场数据24的导数数据。例如，MR断层图像41与MR断层图像40和MR断层图像42相邻，目标图像体素41_3的磁场沿x方向的二阶导数由邻近体素41_1和41_5的磁场数据算得，目标图像体素41_3的磁场沿z方向的二阶导数由间隔一层断层中的体素42_3和40_3的磁场数据算得，而目标图像体素41_3的磁场沿y方向的二阶导数由本层面中y方向与体素41_3相距2个体素尺寸单位的2个邻近体素的磁场数据算得。另外，纯接收磁场数据24的一阶导数也由特定的相邻体素的磁场数据算得。例如，MR断层图像41与MR断层图像50和MR断层图像51相邻，目标图像体素41_7的磁场沿x方向的一阶导数由邻近体素41_6和41_8的磁场数据算得，目标图像体素41_7的磁场沿z方向的一阶导数由相邻断层体素50_7和57_7的磁场数据算得，而目标图像体素41_7的磁场沿y方向的一阶导数由本层面中y方向与体素41_7相距1个体素尺寸单位的2个邻近体素的磁场数据算得。获得纯接收磁场数据24的一阶导数和拉普拉斯二阶导数数据后，代入本发明磁共振电磁特性成像参数反演算法，可求得人体组织内的电导率26、介电常数27和磁导率28的分布。

在图6中，将本发明磁共振电磁特性参数成像方法49与现有的基于磁共振的电特性和磁特性成像相关的技术进行对比。在现有定量磁敏感成像方法45中，忽略了人体组织对射频磁场造成的非均匀性影响——射频场畸变43，假定图像中相位差变化由主磁场畸变44决定，并仅由图像磁化强度矢量的相位数据反演磁化率，再经处理后可得到相应的磁导率28的分布。现有的磁共振电特性成像方法48，与现有的磁特性成像技术相对应，在忽略人体组织磁特性变化这一违背事实的条件下，目标反演重建电导率26和介电常数27的值分布。

考虑到磁共振成像扫描时的射频发射磁场和纯接收磁场数据24均可用来反演电磁特性参数物理量，虽然发射磁场不与人体组织的质子密度相耦合相互作用的结果，但是发射磁场B1+的相位测量具有挑战。按照本发明，基于纯接收磁场数据24来反演电磁特性，为消除测量得到的接收磁场数据中的质子密度权重，实施特定TE、TR参数的质子密度序列扫描，将T1因素指数权重项和T2因素指数权重项接近于1，而得到质子密度分布，再由自旋回波类扫描序列得到消除主磁场畸变信号影响的纯接收磁场数据24，经质子密度去耦处理后得到纯接收磁场。

本发明提供一种基于磁共振电磁特性成像辅助鉴别脑出血分期的实施例。一般地，脑出血可能伴随着超急性期、急性期、亚急性早期、亚急性晚期和慢性期恢复期共5个时期，对应于各个演化期的典型血红蛋白分子分别是氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、红细胞内高铁血红蛋白、细胞外高铁血红蛋白和铁蛋白与含铁血黄素，又根据各种血红蛋白分子中未成对电子的个数不同，其磁性依次表现为弱抗磁性、顺磁性、顺磁性、超顺磁和超顺磁性。运用本发明磁共振电特性和磁特性成像方法，对处于某一时期的患者，或者同一位患者在不同时期，行质子密度序列扫描22和自旋回波序列扫描23，经图像处理后得到解耦后的纯接收磁场数据24，基于优选的对流-反应反演公式29或梯度间接反演公式39，反演重构人体脑血管组织的电导率26、介电常数27和磁导率28参数分布值。和现有技术只能看到组织的灰白像素结构图相比，本发明能够透过表观信号亮暗显示，给出定性和定量的组织的具有实际物理意义的电特性和磁特性的变化。

本发明提供一种基于磁共振电磁特性成像来辅助鉴别脑胶质瘤分级的实施例。目前，利用包括扩散加权成像等方法在内的磁共振成像是脑肿瘤鉴别诊断的金标准，以及在开颅或穿刺条件下活检病理是确诊的有效手段。事实上，胶质瘤组织相比于正常脑组织具有较高的电导率，使得基于磁共振的电磁特性测量方法能够无创地用于胶质瘤的鉴别诊断。运用本发明磁共振电特性和磁特性成像方法，对于处于某一分级的患者，或者同一位组织病理演化经历了不同的分级，质子密度序列扫描22和自旋回波序列扫描23扫描，经图像处理后得到解耦后的纯接收磁场数据24，基于优选的对流-反应反演公式29或梯度间接反演公式39，反演重构人体脑血管组织的电导率26、介电常数27和磁导率28参数分布值。在对胶质瘤患者实施治疗措施后做进一步磁共振复查，相比于现有影像学技术能够克服结构形态像仍然反映病理区和正常组织区分岭，而本发明可以提供组织的功能性电磁特性参数测量信息，避开结构表观特异性的影响。

按照本发明的磁共振装置的优点基本上与按照本发明的方法的优点相对应，所述优点在前面已经进行详述，在这里不再重复。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (12)

1.一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1、测量前，在无需向人体生物组织注射外源性电特性或磁特性造影剂的情况下，对人体生物组织进行质子密度分布序列扫描和自旋回波序列扫描，获得磁共振采集图像数据；

步骤2、以自旋回波重建图像数据除以质子密度图像数据，获得解耦的纯接收磁场数据；

步骤3、基于纯接收磁场数据，利用反演算法重建生物组织的电磁特性参数值分布，其中，所述的纯接收磁场数据包括幅值信息和相位信息，所述的电磁特性参数包括电导率、介电常数、和磁导率；且实现三参数的同步反演。

2.根据权利要求1所述的一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，其特征在于，所述质子密度分布序列扫描的重复时间TR、回波时间TE、偏转角α和体素尺寸设置，使得磁共振信号中弛豫时间T1和T2相关指数因数项取值趋近于1，以便最大化MR质子密度序列扫描重建图像的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，其特征在于，所述自旋回波序列扫描使由于人体生物组织介入而造成主磁体磁场畸变、相关的自旋体系的进动失相位在磁共振检测信号中予以影响消除，从而在检测信号中只反映由于生物组织介入而造成的射频磁场畸变的影响。

4.根据权利要求1或3所述的一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，其特征在于，所述自旋回波序列扫描的重复时间TR、回波时间TE、偏转角α和体素尺寸设置，使得磁共振信号中弛豫时间T1和T2相关指数因数项取值趋于最大化，以便去耦后的纯接收磁场数据最大化，从而使最终重建得到的电磁特性参数值分布的信噪比最高。

5.根据权利要求1所述的一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，其特征在于，根据符合事实而非假设生物组织的磁导率恒等于真空的磁导率，在此基础上实施由射频磁场数据、对磁导率和电特性参数一同重建。

6.根据权利要求5所述的一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，其特征在于，所述反演算法选用对流-反应-扩散算法或梯度间接反演算法。

7.根据权利要求6所述的一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，其特征在于，所述对流-反应-扩散算法，包括如下步骤：

步骤A3.1、设置为不含有扩散场线性叠加项，或者出于反演运算增加稳定性的考虑，人为填加一个任意扩散场项；

步骤A3.2、由采集的经质子密度解耦后的纯接收磁场数据，先分别获得其x方向导数、y方向导数和拉普拉斯二阶导数；

步骤A3.2、再基于体素和有限元剖分方法，构建以线性形状函数为形式分别表示导纳率、对流场x和y方向导数及接收磁场的求解方程组，在不忽略磁导率的条件下同步反演电导率、介电常数和磁导率的分布。

8.根据权利要求6所述的一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，其特征在于，所述反演算法是梯度间接反演算法，基于接收磁场数据而非发射磁场数据重建电磁特性参数，接收磁场数据中包含有完备的幅值信息和相位信息，有利于对多未知量反演方程组的求解。

9.根据权利要求6所述的一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，其特征在于，所述梯度间接反演算法，包括如下步骤：

步骤B3.1、以接收磁场数据为算法的输入量，以复介电常数和磁导率未知数为输出量，其中复介电常数又以梯度变量形式表现于主反演方程中；

步骤B3.2运用最小二乘法，由所述主反演方程先解算出复介电常数梯度分布和磁导率分布；

步骤B3.3、进一步由复介电常数梯度分布和部分位置电特性初值点，运用二维有限差分法最终重构得到电导率和介电常数值分布；

最终，在不忽略磁导率非匀质分布的条件下，实现同步反演电导率、介电常数和磁导率的分布。

10.根据权利要求9所述的一种人体生物组织的磁共振电磁特性参数成像方法，其特征在于，在由所述主反演方程解算出复介电常数梯度分布和磁导率分布时，使用并行成像多通道接收线圈获得多通道独立接收磁场数据测量量，以解决当未知量个数多于方程中已知量个数时造成的解的病态性问题。

11.一种用于测量人体生物组织电磁特性参数值分布的磁共振成像装置，其特征在于，包括主磁场磁体、射频线圈子系统、梯度线圈子系统、射频发射通道、发射接收转换器、射频接收通道、序列控制谱仪、电子数据载体、设备计算机和图像处理计算机；

通过所述磁共振成像装置进行质子密度序列扫描和自旋回波序列扫描对目标区域实施脉冲激励和射频接收磁场信号检测，在图像处理计算机中进行采集数据的处理，通过执行对流-反应-扩散算法或梯度间接反演算法，计算生物体组织的电导率、介电常数和磁导率电磁特性参数分布值，并呈现在显示器上；

生物组织在主磁场磁体产生的静磁场中自旋体系被磁性极化，射频线圈子系统和梯度线圈子系统在设备计算机和序列控制谱仪的控制下，实施对自旋体系的进动状态的空间频率编码；

其中，所述射频线圈子系统包括大鸟笼发射线圈和小型接收线圈，或者为收发一体式线圈，都具备多通道独立信号接收功能，能够获得大于等于4通道的独立接收磁场数据，用于复介电常数x、y、z多方向导数未知数的求解；

所述接收磁场数据是经正交相敏检波得到的交变基带检测信号，该k空间信号进一步做傅里叶反变换以后得到物理空间图像的数据，所述正交相敏检波过程只做频谱搬移而不改变原始调制载波信号的幅值和相位，使得所述物理空间图像数据的幅值和相位信息保持与成像过程中自旋体系每个空间位置上磁化强度矢量进动的幅值和相位相同，即在旋转坐标系下，纯接收磁场数据完备能够代表自旋磁化强度矢量；

纯接收磁场数据的幅值和相位信息都参与反演计算过程，以严格重建得到组织的电磁特性参数值分布。

12.根据权利要求11所述的磁共振成像装置，其特征在于，所述磁共振装置用于执行根据权利要求1～10中任一项所述的方法。

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