CN1777817A - 磁共振定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于定位介入器材特别是在活体内定位介入器材的磁共振方法，其中，介入器材具有在磁共振图像中，影响测量信号或生成其自己的测量信号的标记，其中，通过一维信号处理方法处理测量信号以便抑制噪声和伪影。这具体可以是最大熵方法，通过使用模型函数可以进一步扩展最大熵方法。在迭代法期间，从测量信号减去这些模型函数以便用这种方式进一步消除伪影。作为使用最大熵方法的替代方案，也可以使用滤波器，特别是Wiener滤波器或带通滤波器。

Description

磁共振定位方法

本发明涉及用于定位介入器材(interventional device)，特别是在体内定位的磁共振方法，其中，介入器材具有在磁共振采集中影响测量信号或生成其自己的测量信号的标记。

在医学治疗(medical intervention)中使用磁共振方法(MR)方法正变得日益重要。一方面，通过良好的软组织对比和任何方向的图像平面识别MR图像。另一方面，避免了由于电离辐射(如X-射线方法中使用的)对病人和操作人员的健康风险。

不过，当目测和定位用于插入病人体内的介入器材，特别是导管的时候，存在通常不能直接观察到所述器材的问题。而在基于使用X射线辐射的成像方法中，即使小的金属线也能产生足以目测导管的图像对比度，在磁共振成像中，由于这么小的物体显示只有很少量的水，它们仅仅引起不充足的信号缩减。为此，必须用另一种方法增加介入器材的可见度，并且为此目的已经开发了各种方法。

在文献中描述的定位方法细分成两类。在主动方法中，介入器材具有接收线圈，以便能够经由另外的信道从该器材周围接收信号。相反，被动方法通过相对于周围组织的对比度，目测MR图像中的介入器材。

在主动方法部分中，迄今已经产生了两种导管定位方法。首先，小的接收线圈有可能包含在导管尖中，该接收线圈经通过导管的同轴电缆连接到接收信道(C.L.Dumoulin et al.，Magn.，Reson.Med.29，411-415(1993))。这种方法的主要好处是可能通过应用场梯度，由相应空间方向上的射影确定导管尖的坐标。此外，该方法与所有快速成像方法兼容，从而具有实时能力。

作为使用接收线圈的替代方案，也可能在导管中插入细长天线，然后，该天线沿导管接收MR信号。用这种方法，即使具有微小直径的器材，诸如导丝和神经学导管也能可见。应用的一个特定领域是血管内成像。

在两种方法中，不利之处在于贯穿导管到达接收信道的用于HF激励脉冲的线路会无意中充当天线。因此，已证明导丝在30秒的梯度回波序列后会加热到74℃。在这种情况下，共振状况改变，并且在临床实践中很难监测。

另一方面，存在被动技术，其中，用特定的方法增加导管的可见度。一种可能是使用对比介质，以对比放大方式使用其容积充满适当介质(Gd-DTPA)的导管或其外皮加了涂层的导管。

另一种方法包括通过干扰静态磁场B₀，在MR图像中生成敏感伪影(susceptibility artefact)。为此目的，传统的聚乙烯导管具有顺磁环(Dy₂O₃)。RWTH Aachen的University Clinic工作组已经开发了替代方法，其中，通过导管中的线环产生定域场不均匀性，该线环被连接到外部电源(A.Glowinski et al.，Magn，Reson.Med.38，253-258(1997))。用这种方式，在介入期间能够通过电源控制图像伪影。

在这三种被动目测技术中，有利方面是可能使整个长度的导管可见并且这些方法与所有成像技术兼容。不利之处在于所有方法相当耗时并且不能直接获得导管位置的坐标。因此，不可能对导管自动跟踪。4

根据由M.Burl.Magn.Reson.Med.36，491-493(1996)和S.Weiβ，Proc./SMRM，544(2001)中所述的另一定位方法，导管(也称为最佳导管)的顶端装配有电子绝缘的共振电路，该电路调谐到拉莫尔(Larmor)频率。当传送B₁HF脉冲时，共振电路被激励并且使B₁场的共振局部增加，这局部增加了翻转角(flip angle)，从而增加了信号。通过由贯穿导管的光波导照明的光电二极管，能光学地失调共振电路，从而打开和关闭信号放大。通过减去打开/关闭信号，抑制信号背景。当激活和停用标记时获得的测量信号也分别称为打开时射影(on projection)和关闭时射影(off projection)。

该方法的特征在于可直接获得导管坐标以及该技术与所有成像方法兼容。由于贯穿导管的光波导与电波导不同，不会在HF脉冲的影响下成为显著加热的天线，因而也确保了病人的安全。最后，该方法还具有实时能力。

然而，该现有技术的一个缺点是不确保在任何情况下对介入器材的检测有效，因为噪声和伪影会干扰坐标的确定。根据打开时射影和关闭时射影间的差值，通过具有最大信号振幅的采样值，确定器材的位置。然而，信号质量受各种现象不利影响。首先，信号质量高度地依赖于介入器材上接收线圈和标记间的距离，因为接收线圈离信号源越远，脉冲越弱。不过，器材相对于发送线圈和接收线圈的方向更大程度地影响信号质量。当局部接近偶极矩的共振线圈与发送和接收线圈的场线之间存在很大的角度时，这些仅松散耦合。

除由介入器材产生的脉冲的高度变化外，位置操作显著地受扩展的伪影干扰。通常，不能完全地消除差值中的背景信号，这可以归因于在激励相应射影的瞬间，磁化不在相同的状态而是服从于瞬态过程。为此，打开时射影和关闭时射影的振幅处于不同水平。用这种方式产生的伪影在下文中称为瞬态伪影。

由于在各新方向中先前图像切片(image slice)中的磁化通常还没有完全消失，故而产生另外的伪影，也称为图像切片伪影。然后，该剩余的磁化在打开时射影和关闭时射影间衰减，因此，在不同射影中显示为在数据矢量的中心的伪影。最后，由呼吸和心跳，以及脉动血流产生的运动会对信号的质量产生不利影响。

如果由噪声和伪影引起的背景与从介入器材的标记发出的脉冲的幅度变得更接近，将不再能得出有关介入器材的位置的可靠结论。因此，基于该现有技术，本发明的目的是提供用于定位介入器材的磁共振方法，其中，将噪声和伪影抑制到总能确保来自介入器材的标记的信号的可检测性的程度。

依照本发明通过如在权利要求1的前序特征部分中所述的磁共振方法，实现该目的，其中，通过一维信号处理方法处理测量信号以便改进定位操作。

此外，本发明还涉及用于执行本发明的方法的装置和计算机程序。

在本发明的上下文下，术语介入器材理解成装置，特别是导管，还有活检针、最小侵入诊疗器械、导丝、支架等等。介入器材上的标记具体可以是OptiMa导管的尖端处的共振电路，然而，也可以是其他类型的装置，诸如例如用于主动定位方法的微线圈。能够打开和关闭的、允许按照打开和关闭状态分别记录测量信号(在本发明的上下文中也称为打开时射影和关闭时射影)的标记在此是有利的，使得可能通过打开时射影和关闭时射影的不同形式确定标记的位置打开。

一维信号处理方法优选是迭代方法，迭代方法是为不能直接通过分析解决的问题而提供的。所谓的最大熵方法特别合适。

最大熵方法(ME)方法是用于信号恢复的迭代、非线性方法。ME方法通过从与数据兼容的所有解决方案中选择具有最大熵的解决方案，解决限定不足的问题。通过在算法中包括另外的参数可能将有关测量处理的现有知识纳入考虑，而得到特别的优点。

最大熵方法基于的初始问题就一般意义来说能描述如下：

目的是确定一个分布函数，作为对于分布状态的最佳估计。通常，存在与次要条件兼容的无限多的分布。最大熵的原理意味着将从这些分布之中选择具有最大熵的分布。该选择是唯一一个不添加附加信息而与数据一致的分布。

G.J.Daniell和S.F.Gull在IEE Proc.127，Pt.E，170-172(1980)中描述了一种基于概率论的用于具体化ME方法的一种方法。该方法描述了当对输入信号叠加白色噪声时，下述为真：

因此，估计信号的概率与exp(-1/2X²)成比例。由此，通过将估计信号应用于测量数据，ME方法基于x²最小值。作者Skilling和Bryan在Mon.Not.astr.Soc.221，111-124(1984)提出的并具有高收敛速度特点的算法已经证明特别适合于用在根据本发明的方法中。

根据本发明的有利设计，为抑制在测量信号中产生的伪影，当执行迭代方法时，由测量信号形成、修改和减去模型函数。通过利用缩放参数计算模型函数，有利地进行对记录的测量信号(打开时射影)的模型函数的修改。可以以两种不同方式合并为最大熵算法。在每个迭代步骤后重新施加缩放参数或正好在ME迭代前施加缩放参数。在为此目的而执行的测试中，在第一种情况下，将参数确定为噪声的函数，其精度为1到4％，而在第二种情况下，相对偏差近似两倍大。另一方面，在第二种情况下，需要的计算时间大约少10％。

对于将要消除的伪影来说，如前所述，必须区分瞬态伪影和图像切片伪影。瞬态伪影的出现可以归因于，在介入器材的标志被打开或关闭的、用于测量的激励时刻，磁化不处于相同状态，打特别是当使用具有能光学地开关的标记的上述OptiMa导管的时候，通过形成激活和减活标记的测量结果差，没有完全消除背景信号。

为此，记录的关闭时射影能用作模型函数以便抑制瞬态伪影。通过上述缩放参数，通过相互比较打开时射影和关闭时射影，能够将以这种方式产生的模型函数应用于记录的测量信号。然后在x²自适应中，从测量信号中减去模型函数。由此，限定介入器材位置的信号相对于背景被放大，以便能将具有最大信号幅度的采样值指定具有大大增强了的可信度的位置。

相反，为抑制也可能产生的图像切片伪影，必须使用其它模型函数，所述图像切片伪影可以归因于在单次检测中先前的图像切片中的磁化通常还没有完全消失。在这种情况下可以采用矩形或高斯函数，该函数同样可以通过缩放参数自适应。在与瞬态伪影比相当窄的图像切片伪影的图像中可以看出使用这一类型模型函数的原因，所述图像切片伪影大约等于图像切片的宽度大小。

为能得出有关相对于输入信号的质量的信号处理能力的结论，使用两个不同的参数。首先，信噪比S/N提供关于信号处理后的噪声最小化的信息，但是不考虑由于伪影引起的任何信号干扰，在某些情况下这种干扰对确定介入设备的位置造成的损害远比噪声单独造成的损害大。因而通过信号-干扰比S/A提供更多信息，除了高频噪声外还考虑低频伪影。存在由有用信号功率和由DC信号功率降低的总功率之间的商数。当信号中的噪声突出时，S/A反抗S/N。然而，只抑制噪声仅导致S/A比稍微改善。S/A比比S/N比更适合来估计确定位置的可信度。因此，在所执行的研究中，已经发现当测量的S/A比≥20dB时，介入器材的位置有可靠可检测性。

最大熵算法的收敛速度主要由噪声而定。通过适当选择用户定义的背景，即迭代的初始值，能够独立影响迭代的次数，因为在迭代初始X²自适应的成功依赖于该初始值的选择变化。当需要实时信号处理时，提高收敛速度特别重要。

已经发现在根据本发明的方法中，若不另外使用模型函数，当选择测量信号的平均值作为迭代的初始值时，收敛速度最快。同时，对这个用户定义背景的选择，也获得最大S/N比，而S/A比很大程度上不依赖于该迭代的初始值的选择。假定初始值选择适当，ME算法在少于10次迭代步骤中收敛。如果另一方面，使用根据前面所述的关于优化信号处理和消除伪影的模型函数，已经发现最好将所测量的信号和模型函数间的差值的平均值用作该迭代的初始值。该平均值显著小于测量信号的平均值，因为相当部分的伪影已经由模型函数抑制了。

用于提高由最大熵方法提供的测量信号的质量的另一可能性包括通过消除相应的高频或低频输入信号部分而抑制噪声和伪影。由于当存在具有高幅度的扩展伪影时比仅存在噪声时更大程度上损害了对介入器材位置的可靠确定，抑制所述伪影特别重要。在体外和体内中，经常观察到比从标记发出的脉冲宽四至五倍的伪影。假定总数N为256个采样值，通常存在延续超过32个采样值的伪影。

但是抑制不必要的大量信号部分导致S/N比的损失，并且这可以归因于：通过消除这些低频信号部分，平均值显著减小，而噪音基本上保持不变。因此，例如，假定32个采样值的伪影宽度，当消除8个低频采样值时，S/N比处于最大值，并且这对应于采样值的总数与一个伪影在其上扩展的采样值的数量的比值。此外，如果为迭代使用过低的初始值，当大量伪影产生时消除太多包含大量信号功率的低频信号部分，可能导致不再满足ME算法的收敛标准。

通过消除频谱中的高频采样值，可以获得因消除噪声的信号质量改进，从而获得S/N比的改进。然而，消除太多高频采样值导致有用信号功率显著减小，该减小与S/A比的损耗有关。假定总数N＝256个采样值，发现应当消除不超出96个高频采样值，因为在该范围中，有用信号的频谱可忽略不计。不能确定通过抑制高频或低频信号部分，对迭代步骤的数量，从而对计算时间的影响。

在体内实验中，可以证明即使当存在包含大量噪声并受伪影严重干扰的输入信号时，通过消除信号部分，仍然可能确定可靠位置。然而，必须指出在如上所述的从测量信号中减去修改的模型函数的扩展ME方法中，消除采样值没有用。这是因为在x²自适应期间，为了使估计信号与该差值信号一致，必须从测量信号减去对应于模型函数的伪影。因此，另外消除低频信号部分将导致错构，错构不再允许自适应。

除上述迭代方法特别是最大熵方法外，也可以使用其他一维信号处理方法，诸如滤波器。原则上，具有有限脉冲响应的滤波器和具有无限脉冲响应的滤波器都是适合的，这些也称为术语FlR(有限脉冲响应)和IIR(无限脉冲响应)。通常这些滤波器对本领域的技术人员来说是公知的。已经发现适合于实现本发明的目的的两种典型的滤波器是Wiener滤波器和带通滤波器。

用傅立叶形式描述Wiener滤波器如下：

$W=\frac{1}{H}*\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ff}}{\left|H\right|}^2}{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ff}}{\left|H\right|}^2+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{nn}}}$

在这种情况下，H是测量系统的传递函数以及Φ_ff和Φ_nn是找寻的信号f_k和噪声n_k的功率密度谱。

Wiener滤波器特别适合于改进S/N比，即适合于有效抑制噪声。另一方面，比使用最大熵方法时，较低程度地抑制伪影。

另一适合的滤波器是带通滤波器，已经证明其对抑制噪声和伪影有效。借助于带通滤波器，能相当地增加定位介入器材的可信度。带通滤波器仅不太适合于抑制窄伪影的情形，诸如例如图像切片伪影。

最适合的信号处理方法的选择由问题的确切性质而定。一方面，最大熵方法在伪影和噪声抑制方面，特别是当实现如上所述的附加特征时，提供最好结果。另一方面，ME方法作为迭代方法需要比使用滤波器时多很多的计算时间。当对滤波器来说，所述计算时间在从1至2ms的范围内时，对ME方法，计算时间可能＞100ms，这个时间由采样值的总数量而定。因此，当为了实时目测对短暂的计算时间方面有非常严格的要求时，可以使用滤波器代替ME方法。

当有用于定位目的的多个测量信号时，能实现介入器材定位的另一改进，因为在通过一维信号处理方法处理测量信号后，执行关于由所处理的测量信号确定的介入器材的位置的一致性的校验。特别是当使用上述OptiMa导管时提供这种校验，在这种情况下，在病人的身体上，放置并行接收测量信号的多个接收线圈。尽管在定位操作期间，这些测量信号在幅度方面彼此不同，它们将获得介入器材的相同空间位置。

当处理完测量信号之后校验处理过的测量信号的一致性时，进行关于通过各线圈确定的位置是否一致的检测。这种完全或部分的一致性又增加了所确定的位置正确的概率。

优选地，在一维信号处理方法中共同处理用来确定介入器材的不同测量信号，使得各测量信号对于位置确定的影响也是相同的。通过使用诸如最大熵方法的迭代方法和通过使用滤波器，这都是可能的。然后可以检测为介入器材确定的位置的一致性。还可以通过一维信号处理方法直接计算测量信号的相关性，以便用这种方式获得关于信号频谱一致性的测量。

将参考在附图中所示的示例性实施例进一步描述本发明，但是不限制本发明。

图1表示根据采样值绘制的信号幅度，以便示例说明在输入信号受瞬态伪影强干扰的情况下使用扩展ME方法的信号恢复。

图2表示根据采样值绘制的信号幅度，以便示例说明在输入信号受图像切片伪影强干扰的情况下使用扩展ME方法的信号恢复。

图1(a)表示具有总数N＝256个采样值的活体外输入信号，其中，用箭头标记导管位置。以图的形式显示在各个采样值的横坐标上，以纵坐标表示的信号幅度。使用“干扰的”梯度回波序列(FOV＝256mm)，通过1.5Tesla MR层析扫描仪(GyroScan ACS-NT，PhilipsMedical Systems)进行测量，其中导管，该导管是OptiMa导管，已经被置于管模型中。输入信号受瞬态伪影严重干扰，在ME方法中通过形成和修改从测量信号提取的模型函数消除瞬态伪影。所使用的模型函数是如(b)所示的关闭时射影，并且这表示当停用导管上的标记时所记录的信号。已经完成信号恢复后的结果显示在(c)中，并且在此能清楚地看见导管位置的明确可确定性。信号处理与S/N和S/A比的显著上升相关。类似地，示例(d)(f)表示受瞬态伪影严重干扰的活体内输入信号的信号恢复，在此例中采样值的总数为N＝128。在该实例中，图1(d)表示输入信号，(e)表示相应的关闭时射影，以及(f)表示在已经完成信号恢复后的结果。对活体内测量使用与活体外测量相同的方法，尽管在活体内测量的情况下，适当的导管被插入猪的主动脉内并且使用重聚焦梯度回波序列(FOV＝300mm)。

图2(a)表示具有窄图像切片伪影的导管信号，其中，再次以图的形式表示各个采样值的信号幅度，并且通过箭头表示导管的位置。在(b)中示出了扩展ME方法的上下文中使用的模型函数，在该迭代方法中再次从测量信号中减去所述模型函数。在(c)中，能看出即使在(a)中出现的伪影非常窄并且在幅度方面超出实际导管的位置，在信号恢复后也能明确确定导管的位置。

Claims (20)

1.一种用于定位介入器材特别是在活体内定位介入器材的磁共振方法，其中，所述介入器材具有在磁共振采集中影响测量信号或产生其自己的测量信号的标记，该方法的特征在于通过一维信号处理方法处理测量信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一维信号处理方法是迭代法。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述迭代法基于最大熵方法。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，对在测量信号中产生的伪影，当执行迭代法时，根据测量信号形成、改变和减去模型函数。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过缩放参数使模型函数适应记录的测量信号。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在迭代法中的每个迭代步骤后，使模型函数重新适应所记录的测量信号。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在执行迭代法前，使模型函数适应记录的测量信号一次。

8.如权利要求4至7中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，将当介入器材上的标记无效时记录的测量信号用作模型函数。

9.如权利要求4至8中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，将矩形或高斯函数用作模型函数。

10.如权利要求4至9中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，选择测量信号和模型函数间的差值的平均值作为迭代的初始值。

11.如权利要求2至9中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，选择测量信号的平均值作为迭代的初始值。

12.如权利要求1至11中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，消除高和/或低频信号部分以便抑制所记录的测量信号中的噪声和/或伪影。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将具有有限或无限脉冲响应的滤波器用作一维信号处理方法。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，滤波器是Wiener滤波器或带通滤波器。

15.如权利要求1至14中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，在估计用来定位介入器材的多个测量信号期间，在通过一维信号处理方法处理了测量信号后，执行关于处理过的测量信号确定的介入器材的位置的一致性的校验。

16.如权利要求1至15中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，在一维信号处理方法中共同处理用来定位介入器材的多个测量信号。

17.如权利要求1至16中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，由多个接收线圈并行记录测量信号。

18.如权利要求1至17中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，所述一维信号处理方法计算一个或多个测量信号的相关性。

19.一种用于借助于磁共振采集定位介入器材的装置，其中，介入器材具有在磁共振采集中影响测量信号或生成其自己的测量信号的标记，其特征在于，该装置具有用于执行如权利要求1至18中任何一个权利要求所述的方法的程序控制。

20.一种用于在借助于磁共振采集定位介入器材期间处理测量信号的计算机程序，其中，介入器材具有在磁共振采集中影响测量信号或生成其自己的测量信号的标记，其特征在于，通过该计算机程序可以执行如权利要求1-18中任何一个权利要求所述的方法。

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