CN1650808A - 利用统计图像规划层析成像测量中断层位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用统计图像规划层析成像测量中的断层位置的方法。在操作层析成像装置的方法和计算机程序产品中，通过显示标准对象的设计描述、在设计描述中定义标准成像区域的空间位置并且存储，来产生标准测量记录，作为标准对象的标准测量记录、标准成像区域的标准对象和参数的参考。通过获得表述对应于标准对象的检查对象特征的数据，确定检查对象特征与标准对象特征之间的几何关系，并产生特定于对象的测量记录，其中通过修改标准测量记录相对于检查对象定位成像区域，这样的标准测量记录然后被用于实际层析成像测量的断层位置规划。

Description

利用统计图像规划层析成像测量中断层位置的方法
技术领域
本发明涉及对层析成像(磁共振)测量中断层位置的规划方法，包括操作磁共振成像装置的记录。
背景技术
磁共振成像(MRI，也被称为磁共振断层造影术(MRT))是基于核磁共振的物理现象，它作为一种成像形式已经成功地应用于临床和生物医学领域15年有余。在这种成像形式中，一个对象，如一个活着的患者，被放入一个强大的、恒定的磁场中。结果，这个对象中先前方向不规则的原子核自旋被调准为一致。射频能量发射到该对象中，从而激发这些“规则的”核自旋达到一种特定的共振。该共振产生实际的测量信号，该信号由合适的接收线圈接收。通过应用由梯度线圈产生的非均匀磁场(梯度磁场)，从检查对象接收到的信号可以在所有的三个空间方向上被空间编码。用于成像的检查对象的断层可以随意选择，因此允许在所有方向上获得人体的层析图像。磁共振成像作为医学诊断目的层析成像方法，主要被认为是一种具有通用对比能力的“非侵入性”检查技术。由于其对软组织的完美表示，磁共振成像已被发展成为经常优于X-射线计算机断层造影(CT)的成像形式。当前磁共振成像基于使其能够获得极好图像质量的自旋回波序列和梯度回波序列，测量时间为分钟量级。
在每次用特定的磁共振成像装置对对象进行检查(扫描)时，都应预先规划好。这种规划包括脉冲序列类型的选择，和选中的脉冲序列中各个参数的选择或指定。这种脉冲序列的选择及其参数化又以每次扫描均不同的许多变量为基础。这些变量与特定的患者、成像装置的类型和希望获得的磁共振图像的特定类型和定向有关。获得的图像不仅与解剖特点有关，而且有赖于被研究的特定的病理特征或可疑的病理特征。
对于临床的磁共振扫描器，记录根据断层的位置被预先设定，但是这样的记录对于要进行的特定检查不是基于扫描器中患者的实际位置。通常，这些记录是相对于基本磁场磁铁源的中心来定义的，它通常也是成像空间的原点，正轴向、矢状或冠状断层的选择依靠于优选的记录方位。为执行实际的扫描，最终的断层位置必须人工调整，否则这个断层不能与检查对象预想的身体区域相一致。原则上，这个人工步骤必须根据每个记录和每个患者来执行。这不但延长了患者必须在扫描器中花费的时间，这会给患者带来不舒服，而且减慢了检查速度(即导致了在给定的时间内比没有这样的人工定位更少的扫描患者数量)。
通常，相对于预定义记录的断层调整，这种对于实际扫描的断层人工再调整需要使用所谓的定位器记录。这涉及扫描器中患者的定位、定位器扫描的执行、以定位器扫描中获得的图像为基础在实际的诊断扫描中定位断层和从中将获得诊断图像的临床或诊断扫描的执行。
在传统的断层定位设计内容中，美国专利NO.6,195,409中介绍了模板的使用和PCT申请WO 02/43003中介绍了使用适合断层定位设计的技术进行医学图像的处理。在PCT申请WO 02/098292中公开了在图像处理过程中特定属性的映象，在PCT申请WO 01/59708中描述了对象视图的记录。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种层析成像测量的断层位置规划方法，它避免了上述人工断层再调整。本发明的另一个目的是提供一种避免使用先前描述类型的定位器记录的方法。该目的是在MR(磁共振)测量的断层位置规划方法中依照本发明的原理实现的，其中断层的规划不是针对每一次扫描的每一个不同的患者，而是使用统计数据集为特定的扫描规划断层，该统计数据集描述了扫描中所关心的器官的几何学细节。该统计数据集表示出所关心器官的“标准”图像。该数据集可以从标准器官图谱中获得，图谱中的大部分是已知的和可理解的，或者可以通过将先前从其他患者获得并已被存储的若干测量数据集进行平均而从数据采集系统产生。统计数据集或者图谱显示为全局断层定位环境中的规划表述。对成像区域的测量(几何参数，序列参数，等等)使用这种统计数据集来规划，并且被存储为针对正被讨论的特定“标准”人体器官的标准测量记录。标准测量记录包括关于例如数据集中成像区域的位置和成像区域关于“标准”人体器官的位置的信息。标准测量记录还包括如在成像区域中断层的数量、断层的方位、每断层的像素数量，像素的大小等信息。标准测量记录可以允许一系列成像区域的测量和/或包含关于饱和区的信息等。
这种标准测量记录可以对于不同类型的扫描分别产生，例如对于脑扫描、脑垂体扫描和功能磁共振(fMRI)扫描、癫痫症扫描、视神经扫描或者是听觉神经扫描。
为了能够应用标准测量记录来检查(扫描)每个患者，必须调整或修改该记录以产生特定于患者的测量记录。为了这个目的，通过第一次低分辨率测量将要获得图像的患者器官定位在数据采集系统(扫描器)中，例如应用一个三维定位器或者是自动对准序列，然后进行器官的几何映射。对于该映射，须确定标准(统计学上的)器官相对于患者器官的几何关系。这可以通过比较模板或通过相应数据集的相关来实现。结果，产生变换矩阵，该矩阵定义了如何旋转，平移，放大或缩小患者器官的图像以便用标准器官来映射它。标准测量记录的成像区域(断层盒(slicebox))的位置根据变换矩阵来调整，这导致产生特定于患者的测量记录。
本发明方法的显著优点是可以在检查中获得高度的再现性。因为成像区域是每次通过从标准成像区域开始自动确定的，标准区域根据患者实际的解剖特征(通常不会改变)进行调整，同一患者可以被扫描多次，每次之间相隔相当长的时间间隔，因此可对在不同时间扫描得到的各个图像用有意义的方式进行比较。这对于扫描用于跟踪治疗特定的病理情况如在放疗或化疗过程中监测肿瘤大小的目的时是非常有意义的。当对患者每次进行不同的扫描时，有时难以比较各次扫描得到图像，因为不能可靠确定：作为比较结果的所检测图像的变化是由于肿瘤大小的实际变化所引起的，或者是因为这些图像之一的图像中的断层方位与其它图像断层的方位不同。由于本发明的过程所获得的高度再现性，因此当在不同时间的图像之间探测出变化时，可以更加可靠地假定那些表示实际解剖变化的变化，而不是由不一致的断层定位导致的变化。
由本发明方法获得的进一步的优点是由于大大减少用于规划每次层析成像测量的时间而使成像装置能够检查更多的患者。
尽管本发明方法在前面已经得到了描述，并在下面还将更详细地介绍，结合磁共振成像的上下文，本发明方法能够应用于任意类型的层析成像形式，例如包括计算机X射线断层摄影术和超声波成像。
附图说明
图1是为说明本发明方法的示例层析成像形式的磁共振成像装置的示意框图。
图2是根据本发明产生标准测量记录的基本步骤的流程图。
图3示出根据本发明的标准测量记录的基本组成部分或内容。
图4示出断层盒相对于标准测量记录中标准头的定位，该标准测量记录是依据本发明针对脑扫描(脑标准)产生的。
图5示出断层盒相对于标准测量记录中标准头的定位，该标准测量记录是依据本发明针对脑下垂体扫描(垂体标准)产生的。
图6示出断层盒相对于标准测量记录中标准头的定位，该标准测量记录是依据本发明针对fMRI(功能磁共振成像)扫描(fMRI标准)产生的。
图7示出断层盒相对于标准测量记录中标准头的定位，该标准测量记录是依据本发明针对癫痫症扫描(癫痫症标准)产生的。
图8示出断层盒相对于标准测量记录中标准头的定位，该标准测量记录是依据本发明针对视神经扫描(视神经标准)产生的。
图9示出断层盒相对于标准测量记录中标准头的定位，该标准测量记录是依据本发明针对听觉神经扫描(听觉神经标准)产生的。
图10是本发明方法的产生特定于患者的测量记录的流程图。
图11A、11B和11C是用于解释图10中本发明方法的示例性说明。
具体实施方式
图1示意性地说明了一种用于产生对象的磁共振图像的磁共振成像(层析成像)装置，作为可根据本发明操作的层析成像系统的示例。该核磁共振层析成像装置的构成相应于传统层析成像装置的构成，但是对其的控制是根据本发明进行的。基本磁场磁铁1对在对象的检查区域(如被检查人体的一部分)中核自旋的极化(校准)产生一个时间恒定的强磁场。核磁共振测量所需要的基本磁场的高度均匀性被定义在球状测量空间M中，被检查的人体部分置于该测量空间M中。为了支持这种均匀性要求，特别是为了消除时间不变的影响，铁磁材料垫片被放置在合适的位置。时间变化的影响被由补偿电源15驱动的补偿线圈2所消除。
圆柱状梯度线圈系统3设置在基本磁场磁铁1中，该系统3包含3个副线圈。每个副线圈由放大器14提供电流以产生在笛卡尔坐标系各个方向上的线性梯度场。梯度场系统3的第一个副线圈产生X-方向上的梯度Gx，第二个副线圈产生Y-方向上的梯度Gy，第三个副线圈产生Z-方向上的梯度Gz。每个放大器14有一个数模转换器DAC，该数模转换器由用于时控产生梯度脉冲的序列控制器18来驱动。
射频天线4位于梯度场系统3中。天线4将射频功率放大器发出的射频脉冲转换为交变磁场，用来激发核子并使检查对象或者使检查对象区域的核自旋调整为一致。射频天线4由一个或者更多的射频发射线圈和一定数量的射频接收线圈组成，这些线圈设置为元件线圈排列的形式(优选为线性排列)。产生于处理核自旋的交变场也被射频天线4的射频接收线圈转换成电压，这里，核自旋即通常由一个或更多射频脉冲和一个或更多梯度脉冲组成的脉冲序列产生的核自旋回波信号，而该电压通过放大器7提供给射频系统22的射频接收信道8。射频系统22还有一个发射信道9，在其中产生射频脉冲以激励磁核共振。以由系统计算机20规定的序列控制器18的脉冲序列为基础，各个射频脉冲被数字化地表示为复数序列。这个包括实部和虚部的数字序列经过各个输入12提供给射频系统22的数模转换器DAC，并且从那里提供给发射信道9。在发射信道9中脉冲序列被调制到一个射频载波信号上，该载波信号具有相应于测量空间中核自旋共振频率的基础频率。
通过发射/接收双工器6进行从发射摸式到接收摸式的转换。射频天线4的射频发射线圈基于来自射频功率放大器16的信号发射射频脉冲，以激励测量空间M中的核自旋，并通过射频接收线圈对结果回波信号采样。在射频系统22的接收信道8中，对获得的核磁共振信号进行相敏解调，并通过各自的模数转换器ADC转换为测量信号的实部和虚部，它们分别被提供给输出11。图像计算机17从以这种方法得到的测量数据中重建图像。通过系统计算机20对测量数据、图像数据和控制程序进行管理。在控制程序的基础上，序列控制器18监测各所需要的脉冲序列的产生和相对应的K空间取样。特别是，序列控制器18控制梯度场的齿形变换、用特定的相位和幅度发射射频脉冲以及核磁共振信号的接收。射频系统22和序列控制器18的时序信号由合成器19提供。用于产生核磁共振图像和对产生的核磁共振图像的显示的相应控制程序的选择通过具有键盘和一个或多个显示器的终端21进行。
本发明方法可以使用终端21和系统计算机20来实现。为执行图2流程图中所表示的方法，系统计算机20可以在其中储存或者访问解剖器官的图谱。一些这样的图谱可以用商业的方式得到和/或在线访问。这样的图谱对于不同解剖器官中的每个都包含一个统计数据集。
为了计划一次扫描，对要在扫描中成像的器官图谱或统计数据集进行加载、访问或检索，并且指定扫描中所关心的特定区域。然后指定成像区域，并且将已经输入的相关参数和图谱参考一起存储，该参考用于产生标准测量记录。
根据图2所示流程图开展的每种类型的扫描的标准测量记录的基本内容在图3中示出。这些成分包括：将要在扫描中使用的脉冲序列、成像区域的坐标和用于产生记录的图谱参考。正如在这里所使用的，“参考”指的是任何类型的合适的指定、指示符或逻辑链接，并且如果所有的相关数据包含在其中，那么“参考”可以在单个计算机文件或者文件夹中使用，或者根据需要来关联不同的文件或文件夹。
从中要获得扫描中的单个或多个断层的区域被称为“断层盒(slicebox)”。图4-9中，示出了针对根据本发明产生的不同标准测量记录的断层盒关于标准头的方位。
图4示出脑扫描(脑标准)中断层盒相对于标准头(头图谱)的方位。图5示出脑垂体扫描(垂体标准)中断层盒的方位。图6示出功能磁共振成像(功能磁共振标准fMRI)中断层盒的方位。在功能磁共振成像扫描中，对象受到周期性的刺激，如通过一束闪光，通过监测发生在脑部的增加的氧气消耗量来探测脑活动，这种活动是由刺激引起的。
图7示出在检测脑部有癫痫症(癫痫症标准)的症状的扫描中断层盒相对于标准头的方位。图8示出在视神经(视神经标准)扫描中断层盒(这里，和在图5中一样，示出单个断层)的方位，图9示出听觉神经(听觉神经标准)扫描中断层盒的方位。
这些根据本发明对于不同器官的标准测量记录的产生可以“独立”应用，也可被应用于其他目的。而且，根据本发明，标准测量记录可以用于图10所示的方法，来产生特定于患者的测量记录。如图10所示，患者的数据集通过自动对准序列建立，它表示在特定检查中患者在扫描器中的实际位置。对患者数据集进行统计分析，并且在如上所述产生的标准测量记录中选择合适的标准测量记录。该统计数据集(图谱)接着被载入(或访问或检索)，并在选择的标准测量记录中被参考。变换矩阵接着被计算出来，它提供了统计数据集和患者数据集之间的映射。然后应用该变换矩阵将标准测量记录转换或转化对于特定患者和特定扫描的特定于患者的测量记录。
在图10流程图中的过程继续在图11A、11B、11C中示出。如果需要，在图11A、11B、11C中示意示出的内容可以在终端21的显示器中可视地显示，然而，由于对于操作者来说，实际地查看这些表述不是关键的，因此图11A、11B、11C可以被认为是在实现本发明方法的过程中发生在计算机中的数据处理的示意性说明。
图11A显示了在三个不同视图中标准头(头图谱)，以及相对于该标准头的标准测量记录(SMP)断层盒。这个表示能够与图4-9所示的任何例子或者是其他器官的标准测量记录相对应。
图11B示出头的相同视图，但是这些视图是从扫描装置中对实际患者的低分辨率扫描中获得的。所关心器官的方位，本例中是患者头，几乎肯定不同于图11A所示的标准头的方位。但是，在每个视图中示出的SMP断层盒的位置却与图11A中断层盒的位置相同。由于患者头的实际位置与标准头的位置不同，所以，对于执行所需要的扫描来说，SMP断层盒相对于实际患者头将不能适当地定位。
为了恢复在患者头和断层盒之间的恰当定位，产生上述变换矩阵，它表示在标准头和患者头之间的映射。然后图11B中表示SMP断层盒的数据通过变换矩阵计算，从而产生图11C所示的变换后的断层盒。该变换后的断层盒相对于患者头的定位与SMP(标准测量记录)断层盒相对于标准头的定位是相同的。
因此图11C表示图10流程图结尾处的作为结果的特定于患者的测量记录。然后使用该特定于患者的测量记录执行实际的诊断扫描。
如上所述，虽然本发明的过程已经在磁共振成像的上下文中得到了说明，但在其他类型的层析成像中也可以使用，具有相似的效果，如计算机X射线断层摄影术和超声波成像。
虽然本领域技术人员可以对此提出修改和变化的建议，但在此专利保护范围内的所有变化和修改都没有脱离本发明者对本领域所做的贡献的范围。

Claims (26)

1.一种用于为层析成像系统建立标准测量记录的方法，包括以下的步骤：
在操作者可以与之交互的计算机化的界面上，显示标准对象的设计描述；
通过所述界面与显示的设计描述进行交互，在所述设计描述中相对于所述标准对象定义标准层析成像区域的空间位置；和
产生和存储标准测量记录，该记录包括与所述标准成像区域相关的参数和指定所述标准对象的参考。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述产生和存储所述标准测量记录的步骤包含存储定义所述标准成像区域的所述空间位置的参数。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述产生和存储标准测量记录的步骤还包括：在所述层析成像系统中，相应于所述标准对象，在所述标准测量记录中包括用于操作所述层析成像系统以获得在所述标准图像区域内实际对象的图像的参数。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述层析成像系统是磁共振成像装置，以及其中，所述产生和存储标准测量记录的步骤进一步包括：在所述磁共振成像装置中，相应于所述标准对象，指定用于所述磁共振成像装置在所述标准图像区域内获得实际对象的图像的脉冲序列。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述标准对象是标准解剖对象，以及其中，所述显示设计描述的步骤包括：显示包含所述标准解剖对象的解剖特征的所述标准解剖对象的设计描述。
6.如权利要求5所述的方法，包括显示作为所述解剖特征的所述标准解剖对象的几何特征。
7.如权利要求5所述的方法，包括编译作为对应于所述标准解剖对象的多个实际对象的统计平均值的所述标准解剖对象的设计描述。
8.一种计算机程序产品，包括一个其中存储标准测量记录的存储介质，所述存储介质可装载入控制层析成像装置操作的计算机中，对于所述的层析成像系统，所述标准测量记录定义标准对象的标准成像区域的空间位置，和所述标准对象的指定特征。
9.如权利要求8所述的计算机程序产品，其中，所述的标准测量记录包含定义所述标准成像区域的所述空间位置的几何参数。
10、如权利要求8所述的计算机程序产品，其中，所述标准对象的所述指定特征是所述标准对象的标识。
11、如权利要求8所述的计算机程序产品，其中，所述标准对象的所述特征包括用于产生所述标准对象的图像采集系统的标识。
12、如权利要求8所述的计算机程序产品，其中，所述指定包含从由解剖特征、几何特征和统计特征组成的集合中选择出的所述标准对象的特征描述。
13、如权利要求8所述的计算机程序产品，进一步包括可使用所述标准测量记录操作的层析成像系统类型的指定。
14、如权利要求8所述的计算机程序产品，其中，所述标准测量记录进一步包括：在所述磁共振成像装置中，相应于所述标准对象，用于操作所述磁共振成像装置以获得在所述标准图像区域内实际对象的图像的指定脉冲序列。
15、一种在层析成像系统中规划实际对象中成像区域的定位的方法，包含如下步骤：
将所述实际对象放置在所述层析成像系统中，并使用所述层析成像系统获得所述实际对象的数据表述特征；
产生计算机可用的标准测量记录，所述标准测量记录定义关于标准对象的标准成像区域的空间位置，所述标准测量记录参考表述所述标准对象特征的数据集；
在所述计算机中，从表述所述实际对象的特征的所述数据集和表述所述标准对象的特征的所述数据集中，确定所述实际对象的特征和所述标准对象的特征之间的几何关系；
建立实际的特定于对象的测量记录，其中，通过根据所述几何关系修改所述标准测量记录，相对于所述实际对象定位所述成像区域；
使用所述特定于对象的测量记录，在所述层析成像系统中所述成像区域内获得所述实际对象的图像。
16、如权利要求15所述的方法，其中，所述实际对象是患者，以及其中所述标准对象是标准解剖对象，并且其中由各数据集表示的所述特征是解剖特征。
17、如权利要求15所述的方法，其中，所述修改所述标准测量记录以建立所述特定于对象的测量记录的步骤包括：相对于所述实际对象定位所述成像区域，与所述标准成像区域相对于所述标准对象的位置相同。
18、如权利要求15所述的方法，包括：在所述标准测量记录中，参照所述标准对象对不同标准成像区域定义各自的空间位置。
19、如权利要求18所述的方法，包括：使用所述特定于对象的测量记录，对应于所述不同的标准成像区域，获得所述实际对象的不同图像。
20、如权利要求15所述的方法，包括：参考一个图谱以在所述标准测量记录中获得所述标准对象。
21、如权利要求15所述的方法，包括：作为相对于所述标准对象从多个实际对象的数据的统计编译产生所述标准测量记录中的所述标准对象。
22、如权利要求21所述的方法，包括：作为所述多个实际对象的平均值产生所述标准测量记录中的所述标准对象。
23、如权利要求15所述的方法，包括：通过关联所述表示所述实际对象特征的数据集和所述表示所述标准对象特征的数据集，产生所述几何关系。
24、如权利要求15所述的方法，包括：在所述标准测量记录中，定义所述标准成像区域的位置和大小。
25、如权利要求15所述的方法，包括：在所述标准测量记录中，定义在所述标准成像区域中图像断层的数量和厚度。
26、如权利要求15所述的方法，其中，所述层析成像系统是磁共振系统，并且包括：在所述标准测量记录中包含脉冲序列，用于使用所述特定于对象的测量记录操作所述磁共振装置。
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