磁共振成像中组织特性的适应性和互动性评估

摘要

实施例涉及使用磁共振成像(MRI)评估组织特性。MR图像被用于测量影响到组织的特定化学特性的特性。在一个示例性实施例中，组织的横向弛豫值或横向弛豫速率，其可以从MR图像中轻易测得，被用于评估组织中的铁沉积。铁沉积影响了组织的横向弛豫值(T

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年11月5日提交的美国临时专利申请No.61／722,281 的优先权，其全部内容通过引用被合并到本文中。

技术领域

本申请一般的涉及采用磁共振成像(MRI)来评估组织特性，并且更特 别地涉及根据由磁共振(MR)图像获得的值对组织中的铁沉积进行评估。

背景技术

因为许多疾病都会影响组织或器官中的铁沉积，因此评估组织中的铁沉 积是有临床兴趣的。可以通过磁共振成像(MRI)实现铁沉积的评估。因为 MRI是非侵入性的并且可以对整个器官成像，因而成为一种值得拥有的技 术。已知铁沉积会影响组织横向弛豫值(T₂或T₂^*)或弛豫速率(R₂＝1／T₂或 )，且这些值可以通过MRI测得。不同的已知方法可以用于在MR 图像上测量像素的R₂或值，以及对应的T₂或T₂^*值，MR图像也被称为图。

不同的组织类别，诸如水和脂肪，具有不同的值。虽然水的值可 以精确的反映大多数组织或器官中的铁沉积，但对于某些区域也可能是不精 确的，诸如具有高脂肪比例的那些区域。典型的，铁沉积对脂肪没有什 么影响。有效的值是水-脂肪混合物的值，并且通常被用于铁沉积的 评估。然而，有效的值同样不能精确反应出具有高脂肪比例区域中的铁 沉积。因此，放射科医师或内科医师可能需要挨个读取并比较有效的水和脂肪R_2f^*图以评估组织的铁沉积。这给实际应用带来不便、困难和 混淆。

该文档描述了一种方法和系统，用于基于已知的有效的值、水值 和脂肪值提供临床相关的图。

发明内容

本发明实施例提供了一种系统和方法，用于根据组织的磁共振(MR) 信号数据对组织特性进行评估。图像数据处理器，被配置用于为组织MR图 像中多个单独图像元素中的每一个单独图像元素，选择多个组织参数中的一 个；以及显示处理器，被配置为使用所选的参数生成表示MR图像的数据以 表示单独图像元素。

在一个实施例中，组织参数包括与组织中铁沉积相关的参数。参数可包 括组织横向弛豫值和组织横向弛豫速率中的至少一个。在一个实施例中，所 述参数可以包括以下中至少一个(i)脂肪的横向弛豫速率；(ii)水的横向 弛豫速率；和(iii)水和脂肪二者的组合横向弛豫速率；并且图像数据处理 器所选的横向弛豫速率是基于单独图像元素的，所述单独图像元素分别表示 了以下由单独图像元素所表示的组织之一的一部分(i)脂肪；(ii)水，和(iii) 水-脂肪混合物。

根据一个实施例，输入处理器，被配置为接收多个使用脉冲序列类型获 得的病人解剖的一部分并且表示包括多个单独图像元素的图像的MR图像 表示信号数据集。所述图像数据处理器响应于接收多个MR图像表示信号数 据集，确定所选参数。

根据一个实施例，多个单独图像元素中的每个单独图像元素都包括下列 中的至少一种(i)一个像素；(ii)一组像素；(iii)一个体元；和(iv)一 组体元。

在一个实施例中，图像数据处理器所选的横向弛豫速率是基于单独图像 元素的，其分别表示了以下由单独图像元素所表示的组织之一的一部分(i) 脂肪；(ii)水，和(iii)水-脂肪混合物。在一个实施例中，所选的横向弛豫 速率是脂肪的横向弛豫速率，其至少基于以下之一(a)脂肪超过第一阈值 的比例和(b)水低于第二阈值的比例，在由单独图像元素所表示的组织中。 在另一个实施例中，所选的横向弛豫速率是水的横向弛豫速率，其至少基于 以下之一(a)水超过第三阈值的比例和(b)脂肪低于第四阈值的比例，在 由单独图像元素所表示的组织中。在又一个实施例中，所选的横向弛豫速率 是水和脂肪二者的组合横向弛豫速率，其至少基于以下之一：位于预定阈值 之间的(a)水的比例和(b)脂肪的比例，在由单独图像元素所表示的组织 中。

在一个实施例中，第一和第四阈值是预定的且大体上相同，并且其中第 二和第三阈值是预定的且大体相同。

根据一个实施例，所述图像数据处理器进一步被配置成响应于数据而自 适应的选择至少一个阈值，所述数据指示正在执行的临床程序。

在另一个实施例中，所述图像数据处理器进一步被配置成分别响应于 (i)脂肪的磁化；(ii)水的磁化；和(iii)水-脂肪混合物的磁化中至少之 一确定(i)脂肪；(ii)水；和(iii)水-脂肪混合物中至少之一的比例，在 由单独图像元素所表示的组织中。

在一个实施例中，所述显示处理器产生表示MR图像的数据，使用一个 或多个所述多个单独图像元素中(i)单独图像元素对应的第一子集的多个 所选脂肪横向弛豫速率；(ii)单独图像元素对应的第二子集的多个所选水的 横向弛豫速率；和(iii)单独图像元素的第三子集的水和脂肪二者的组合横 向弛豫速率。

附图说明

根据下面的详细描述，在结合附图阅读时，本发明前述和其他方面将更 易理解。出于说明本发明的目的，附图中所示的实施例都是目前优选的，然 而应当理解，本发明并不限于所公开的特定手段。附图包括下列图：

图1和2为示例性表示，用于评估通过MRI获取的组织特性；

图3示出了一个根据本文所提供的实施例用于使用MRI评估组织特性 的系统；和

图4是一个示例性的计算环境，在其中可以实现本文所公开的实施例。

具体实施方式

本发明实施例涉及使用磁共振成像(MRI)评估组织特性。特别的， MR图像被用于测量对组织的特定化学性质产生影响的特性。在一个示例性 实施例中，组织横向弛豫值或弛豫速率，其可以从MR图像中轻易测得，被 用于评估组织中的铁沉积。已知铁沉积会影响组织横向弛豫值(T₂或T₂^*)或 弛豫速率(R₂＝1／T₂或)。

实施例针对一种方法和系统，其基于已知的组织的有效值、水值 和脂肪值为组织提供临床相关图。所述临床相关图使用一个图 对组织任何区域中的铁沉积提供精确评估。尽管本文描述的实施例作为处理 以获得临床相关的图，R₂，T₂^*或T₂值和图也可选地通过相同的方法 和系统被使用，以获得对应的临床相关图。此外，尽管关于肝脏成像描述了 一些实施例，但这只是示例性的，并且可以通过对参数进行动态调整以将所 述系统和方法应用于其他器官或组织。

水值可以精确地反映大多数组织或器官中的铁沉积，但对于一些区 域也可能是不精确的，诸如具有高脂肪比例的那些区域。典型的，铁沉积对 脂肪的没有什么影响。有效的值是水-脂肪混合物的值，并且通常 被用于铁沉积的评估。然而，有效的值同样不能精确反应出具有高脂肪 比例的区域中的铁沉积。在本文提供的实施例中的临床相关的图，是基 于已知的有效值、水值和脂肪值进行计算的，通过合并组织的 MR图像中多个图像元素中每个单独图像元素最相关的值。采用这种方法， 整个感兴趣组织中最相关的值被呈现在单幅图中以使能铁沉积评估。此外， 在一个附加实施例中，除了观看临床相关的图，用户还可以选择观看有 效水和脂肪图的任一组合，由此提供对临床相关的图中任 意子变量的可选显示。在另一个实施例中，可以采用颜色编码以示出有助于 临床相关的图的值的特定变量。

如以下方程[1]所指示，通过信号模型的方程可以测得三个值。低翻 转角度被用于数据采集，使得在信号模型中可以合理的忽略T1的作用。对 于第n次回波时间(TE)，所采集的MR信号通过以下给出：

$S_n=(M_w·e^{-R_{2w}^{*}{\mathrm{TE}}_n}+c_n{M}_f·e^{-R_{2f}^{*}{\mathrm{TE}}_n})E_n---\left[1\right].$

在该方程中，已知或测得的变量包括：S_n，在第n次回波测得的MR 信号；c_n，第n次TE的复系数，其由于谱中脂肪和水的差异性所造成，使 用已知脂肪谱模型计算得到；和TE_n，第n次回波时间。未知变量包括：M_w和M_f，分别为组织中水和脂肪的磁化或质子密度；和分别表示水 和脂肪的弛豫速率；和E_n，具有量级为1的复矢量，包括由于诸如由于非共 振、涡电流和梯度延迟等系统缺陷造成的相位误差。为简单起见，假定不同 的脂肪种类有一个共同的在未知变量中，E_n并不是典型的临床感兴趣 的。因此，不需要求解E_n。取方程[1]两侧的量级从信号模型方程中去除E_n， 得出：

$\left|S_n\right|=|M_w·e^{-R_{2w}^{*}{\mathrm{TE}}_n}+c_n{M}_f·e^{-R_{2f}^{*}{\mathrm{TE}}_n}|---\left[2\right].$

方程[2]有四个未知变量，M_w、M_f、和其可以通过使用具有 等于或大于4的回波的采集来求解。

在一些情况下，为了降低方程的复杂度，信号模型被进一步简化，对于 水-脂肪混合物，将和替换为单独的有效信号方程[1]和[2]分别 变成：

$S_n=(M_w+c_n{M}_f)E_n{e}^{-R_{2\mathrm{eff}}^{*}{\mathrm{TE}}_n}---\left[3\right];$和

$\left|S_n\right|=\left|(M_w+c_n{M}_f)e^{-R_{2\mathrm{eff}}^{*}{\mathrm{TE}}_n}\right|---\left[4\right].$

方程[4]将未知变量减少到3个，M_w、M_f和并且可以通过使用 具有等于或大于3的回波的采集来求解。

可以使用已知的方法根据多回波数据计算有效值、水值和脂肪 值以及图。例如，已知为了该目的使用已知方法的变量，该方法被称为 带有不对称回波和最小二乘估计(IDEAL)的水和脂肪迭代分解，以同时测 量M_w、M_f，有效和水和／或脂肪另一个已知方法涉及在关 于S_n的非线性方程中(诸如方程[2]和[4])使用非线性拟和方法，诸如列文 伯格-麦考特算法(也被称为阻尼最小二乘算法)。所述列文伯格-麦考特算法 为最小化函数、广义非线性、函数的跨空间参数提供数值解。所述基于列文 伯格-麦考特的算法已被用于对M_w、M_f、有效水和／或脂肪图的合成解进行拟和。

根据一个实施例，临床相关被定义为：

在方程[5]中，a和b为应用特定恒定值，并且0≤a≤b≤1。例如，对于 肝脏成像应用，a和b可以被选择为a＝b＝0.6。脂肪比例FP被定义为：

$\mathrm{FP}=\frac{M_f}{M_w+M_f}---\left[6\right].$

参考图1和2，提供了腹部成像的示例数据集。如图1中所示，提供了 水的图像110、脂肪图像120、FP图130、水图140、脂肪图150、 有效图160、和临床相关图170。如图2中所示，提供了水的图像 210、脂肪图像220、FP图像230、水图240、脂肪图250、有效图260、和临床相关图270。

尽管水反映了铁沉积，但水图140、240对于低水区域(即皮下 脂肪)却不具有精确和可靠的值。实际上，对于皮下脂肪区域，感兴趣的是 脂肪而在水图140、240中观察皮下脂肪区域中的值可能是没用 的。一种类似的情况是在脂肪图150、250中看到；对于肝脏区域，脂肪 值是有噪的且不能反映肝脏中的铁沉积。有效仅仅表示了水-脂肪混 合物的值，并且当区域中存在大量脂肪时(见有效图160、260)，其 反映铁沉积时带有偏差。

尽管与有效图160、260具有类似的外观，临床相关图170、270 可以精确且有临床兴趣的示出对应身体区域中每一像素的值。在所示的腹 部成像情况中，临床相关图170、270分别在水感兴趣或脂肪感兴趣的 区域中示出了水和脂肪并且临床相关图170、270比有效图 160、260更直接的反映出肝脏中的铁沉积，因为其在肝脏区域中示出了水

所述系统响应于临床应用和被执行程序的类型自适应地选择(或用户选 择)a和b(见方程[5])，因此所呈现的临床相关图可以完全包含了三个 源图中的一个。特别的，

因此，临床相关图可以有效的表示来自三个源图的信息：水图、脂肪图、以及有效图。在一个交互显示的实施例中，可以选择a 和b以可选地仅显示子变量中的一个或两个。在一个实施例中，采用颜 色编码以标识临床相关中的源变量。

转向图3，提供了一个系统300，用于根据组织的磁共振(MR)信号数 据评估组织特性。所述系统300包括一个组织源310，诸如病人。312、314 和316表示了MRI系统中的线圈和磁体，在一个示例性实施例中，为高场 磁体312，梯度线圈314和射频(RF)线圈316。处理器318(梯度和匀场 线圈控制器)和320(射频控制器)控制MR磁体和线圈。图3中所描绘的 MRI系统组件312、314和316以及处理器318和320为MRI系统的一个示 例；可以使用本领域技术人员已知的其他的组件和处理器来获得组织的MR 图像。

系统300进一步包括输入处理器330，图像数据处理器340，显示处理 器360和界面370。中央控制系统350控制处理器318、320、330、340和 360的整体操作和处理器318、320、330、340和360中每个之间的数据通 信。

现在转向系统300的更详细描述，MRI系统组件312、314和316以及 处理器318和320被配置为获取病人310的组织MR图像。所述MR图像 包括多个单独图像元素。所述图像数据处理器340被配置成为组织的MR图 像中多个单独图像元素中的每个单独图像元素，选择多个组织参数中对应于 该单独图像元素的一个参数。所述显示处理器360被配置为使用所选择的参 数产生表示MR图像的数据，以表示所述单独图像元素。采用这种方式，可 以使用所述表示MR图像的数据产生图，其中每个单独图像元素通过精确反 映该单独图像元素的参数来表示。所述图被显示在界面370上。

特别的，在一个实施例中，所述参数是与组织中的铁沉积相关的。例如， 所述参数可以是组织横向弛豫值(T₂或T₂^*)或弛豫速率(R₂＝1／T₂或 )。在一个实施例中，所述参数为下列之一(i)脂肪的横向弛豫速 率；(ii)水的横向弛豫速率；和(iii)水和脂肪二者的组合横向弛豫速率。 所述图像数据处理器340选择满足特定标准的参数(例如，横向弛豫速率) 和因此的所述单独图像元素的精确表示。由图像数据处理器340所选的横向 弛豫速率可以是，在一个实施例中，基于单独图像元素的，其分别表示了下 列之一的一部分(i)脂肪；(ii)水；和(iii)水-脂肪的混合物，在由单独 图像元素所表示的组织中。

根据一个实施例，输入处理器330，被配置为接收多个使用脉冲序列类 型获得的病人解剖的一部分(例如，组织)并且表示包括多个单独图像元素 的图像的MR图像表示信号数据集。响应于从输入处理器330接收多个MR 图像表示信号数据集，图像数据处理器340确定所选的参数。

在一个实施例中，所述单独图像元素为下列之一(i)一个像素；(ii) 一组像素；(iii)一个体元；和(iv)一组体元。

在一个示例性实施例中，其中参数为横向弛豫速率并且所选的速率是基 于分别表示了脂肪、水、和／或水-脂肪混合物的一部分的单独图像元素，图 像数据处理器340可以使用阈值值以选择所述横向弛豫速率。在一个实施例 中，所选横向弛豫速率是脂肪的横向弛豫速率，其至少基于以下之一(a) 脂肪超过第一阈值的比例和(b)水低于第二阈值的比例，在由单独图像元 素所表示的组织中。在另一个实施例中，所选的横向弛豫速率是水的横向弛 豫速率，其至少基于以下之一(a)水超过第三阈值的比例和(b)脂肪低于 第四阈值的比例，在由单独图像元素所表示的组织中。所选的横向弛豫速率 可以是水和脂肪二者的组合横向弛豫速率，其至少基于以下之一：位于预定 阈值之间的(a)水的比例和(b)脂肪的比例，在由单独图像元素所表示的 组织中。见以上方程[5]、[6]和[7]。

在一个实施例中，第一和第四阈值是预定的且大体上相同，并且第二和 第三阈值是预定的且大体相同。在一个实施例中，所述图像数据处理器340 被进一步配置为响应于数据而自适应的选择一个或多个阈值，所述数据指示 正在执行的临床程序。例如，如上所述，对于肝脏成像应用，a和b可以被 选择为a＝b＝0.6。

在由单独图像元素所表示的组织中，脂肪、水和水-脂肪混合物的比例 可以分别基于脂肪的磁化、水的磁化和水-脂肪混合物的磁化。

显示处理器360产生表示MR图像的数据，其使用下列之中的一个或多 个：所述多个单独图像元素中(i)针对单独图像元素对应第一子集的多个 所选的脂肪横向弛豫速率；(ii)针对单独图像元素对应第二子集的多个所选 的水的横向弛豫速率；以及(iii)针对单独图像元素第三子集的水和脂肪二 者的组合横向弛豫速率。所产生的数据被显示在界面370上。采用这种方式， 每个单独图像元素都被一个横向弛豫速率来表示，其可以最佳表示对应的单 独图像元素。如上所述，用户可以操纵所产生的图像以显示单独子变量，并 且可以对所产生的图像进行颜色编码以指示各种子变量。

图4示出了一个示例性的计算环境400，在其中可以实现本发明的实施 例。计算环境400可以包括计算机系统410，其为在其上可以实现本发明实 施例的计算系统的一个示例。计算机和计算环境，诸如计算机410和计算环 境400，是本领域技术人员公知的，因此在此仅简要描述。

如图4中所示，计算机系统410可以包括一个通信机制，诸如总线421 或其他用于在计算机系统410内传输信息的通信机制。所述系统410进一步 包括一个或多个处理器420，其与总线421耦合用于处理信息。所述处理器 420可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)，图形处理单元(GPU)，或 其他任何本领域已知的处理器。

计算机系统410还包括一个耦合至总线421的系统存储器430，用于存 储信息和将由处理器420执行的指令。所述系统存储器430可以包括易失和 ／或非易失形式的计算机可读存储介质，诸如只读存储器(ROM)431和／ 或随机存取存储器(RAM)432。所述系统存储器RAM432可以包括(一 个或多个)其他动态存储设备(例如，动态RAM，静态RAM，和同步DRAM)。 所述系统存储器ROM431可以包括(一个或多个)其他静态存储设备(例 如，可编程ROM，可擦除PROM和电可擦除PROM)。此外，系统存储器 430可用于存储处理器420执行指令期间的临时变量或其他中间信息。基本 输改入/输出系统433(BIOS)包括有助于在计算机系统410内传输元素之间 的信息的基本例程，诸如在启动期间，可以被存储在ROM431中。RAM432 可以包括可立即存取和／或目前处理器420正在操作的数据和／或程序模块。 系统存储器430可以附加地包括，例如，操作系统434，应用程序435，其 他程序模块436和程序数据437。

所述计算机系统410还包括耦合至总线421的盘控制器440以控制一个 或多个用于存储信息和指令的存储设备，诸如磁硬盘441和可移动媒体驱动 器442(例如，软盘驱动器、紧致盘驱动器，磁带驱动器，和／或固态驱动器)。 所述存储设备可以使用适当的设备接口(例如，小型计算机系统接口(SCSI)， 电子集成驱动器(IDE)，通用串行总线(USB)或火线)附加至计算机系统 410。

所述计算机系统410还可以包括耦合至总线421的显示控制器465以控 制显示器或监视器466，诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)， 用于向计算机用户显示信息。所述计算机系统410包括输入界面460和一个 或多个输出设备，诸如键盘462和指点设备461，用于与计算机用户进行交 互并为处理器420提供信息。所述指点设备461，例如，可以是鼠标、跟踪 球、或指点杆，用于将方位信息和命令选择发送给处理器420并控制光标在 显示器466上的移动。显示器466可以提供触摸屏界面，其允许通过指点设 备461输入对方位信息和命令选择的传输进行补充或替换。

响应于处理器420执行包含在存储器中，诸如系统存储器430中的一个 或多个指令中的一个或多个序列，计算机系统410可以执行本发明实施例的 部分或全部处理步骤。可以从另一个计算机的可读介质中，诸如硬盘441或 可移动媒体驱动器442中，将这样的指令读取到系统存储器430中。所述硬 盘441可以包含一个或多个本发明实施例所用的数据存储或数据文件。可以 对数据存储内容和数据文件进行加密以提高安全性能。处理器420也可以用 于多处理布置中以执行包含在系统存储器430中的一个或多个指令序列。在 可替换的实施例中，可以使用硬接线电路代替或与软件指令结合。因此，实 施例不限于硬件电路和软件的任何特定组合。

如上所述，所述计算机系统410可以包括至少一个计算机可读介质或存 储器用于保持根据本文提供的实施例的可编程指令并用于包含数据结构、表 格、纪录或其他本文描述的数据。如本文所用的“计算机可读介质”指的是 参与了向处理器420提供用于执行的指令的任何介质。计算机可读介质可以 采取许多形式，包括但不限于，非易失介质，易失性介质和传输介质。非易 失性介质的非限制示例包括光盘，固态驱动器、磁-光盘，诸如硬盘441或 可移动媒体驱动器442。易失性介质的非限制示例包括动态存储器，诸如系 统存储器430。传输介质的非限制性示例包括同轴电缆、铜线和光纤，包括 构成总线421的电线。传输介质也可以采用声或光波的形式，诸如在无线电 波和红外线数据通信期间产生的那些。

计算环境400可以进一步包括计算机系统410，其在联网环境中运行， 使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接，诸如远程计算机480。远程计算 机480可以是个人计算机(膝上型电脑或桌上型电脑)、移动设备、服务器、 路由器、网络PC、同级设备或其他常见的网络节点，并且典型的包括与计 算机系统410相关的上述多个或全部元件。当用在联网环境中时，计算机系 统410可以包括调制解调器472，以通过网络471诸如因特网建立通信。调 制解调器472可以经由用户网络接口470或经由另一适合的机制连接至系统 总线421。

网络471可以是本领域通常公知的任何网络或系统，包括因特网、内联 网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、城域网(MAN)、直接连接或串行 连接、蜂窝电话网络、或其他任何网络或能够在计算机系统410和其他计算 机(例如，远程计算系统480)之间促进通信的介质。网络471可以是有线 的、无线的或其组合。有线连接可以使用以太网、通用串行总线(USB)、 RJ-11、或其他任何本领域公知的有线连接加以实现。无线连接可以使用 Wi-Fi，WiMAX和蓝牙、红外、蜂窝网络、卫星或其它任何本领域公知的 无线连接方法加以实现。此外，若干网络可以单独工作，或彼此通信以促进 网络471中的通信。

如本文中所述，可以使用硬件组件、软件组件，和／或它们的组合实现 各种系统、子系统、代理、管理器和处理。

尽管参照示例性实施例描述了本发明，但其不限于此。本领域技术人员 应当理解，可以对本发明的优选实施例进行多种改变和修改，而所述改变和 调整可以在不脱离本发明本质精神的情况下进行。因此意图为所附的权利要 求应当解释为涵盖了落在本发明的本质精神和范围内的所有同等变形。