一种基于三维稳态自由进动的磁共振成像测温方法

摘要

本发明涉及一种基于三维稳态自由进动的磁共振成像测温方法，它包括以下步骤：1)在初始温度Tb时，确定三维稳态自由进动序列的重复时间TR，温度系数a、b，大翻转角α1和小翻转角α2；2)采集待测组织的图像Ib，1和Ib，2；得到待测组织在所述初始温度Tb时的叠加图像Ib＝Ib，1+Ib，2；3)在待测温度Th时，在步骤1)所确定的温度系数α1，重复时间TR的条件下采集待测组织的图像Ih，1；之后在温度系数为α2，重复时间TR的条件下采集到所述待测组织的图像Ih，2；得到待测组织所述待测温度Th时的图像Ih＝Ih，1+Ih，2；4)叠加出标准化图像IN＝Ih/Ib；5)根据公式IΔT＝a+bIN，算出所述待测组织的温度图像IΔT，所述温度图像IΔT上的每一点的值即是待测组织在该点的ΔT；6)求得该待测组织的待测温度Th＝Tb+ΔT。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物组织测温方法，特别是涉及一种基于三维稳态自由进动的磁共振成像测温方法。

背景技术

肿瘤热疗技术如射频消融(RFA)，高强度聚焦超声(HIFU)等技术，已成为非常具有前景的肿瘤治疗方法。治疗区域组织温度分布是直接决定热疗效果的重要参数，实时准确的进行深部无创测温是目前制约肿瘤热疗进一步发展的一项关键技术。近年来利用磁共振成像(MRI)进行无创测温，正受到越来越多的重视。因为在磁共振系统中的磁场的作用下，组织温度的变化会引起组织的水分子中质子的共振频率、组织平衡磁化强度M₀和组织纵向弛豫特性参数T₁等发生改变，因此利用磁共振测得的这些组织性质就能得到组织的温度图像，由此实现对组织空间温度分布及变化的监测。

由磁共振成像测温方法获取的温度图像的时间分辨率和测温精度与磁共振成像测温所选择的成像序列有很大关系。目前，在利用磁共振成像测温时可以采用自旋回波序列(spin-echo，简称SE)、稳态梯度回波序列(gradient recalledacquisition in the steady state，简称GRASS)、破坏梯度回波序列(spoiledgradient recalled echo，简称SPGR)以及三维稳态自由进动序列(3Dsteady-state free-precession，简称3D-SSFP)等多种序列。其中，自旋回波序列是作组织的纵向弛豫特性参数T₁加权成像的常规序列，此种序列对静态磁场的不均匀性带来的影响不敏感，但成像速度比较慢；稳态梯度回波序列由于可进行小角度激发，因此其成像速度稍快，但是此种序列对静态磁场不均匀度带来的影响比较敏感，而且小角度激发产生的信噪比较低；破坏梯度回波序列的成像速度虽然比较快，但是仍然受磁场均匀度的影响较大，上述这三种序列各有利弊，而且都存在测温精度不高的缺陷。上面所提到的3D-SSFP序列测温精度最高，且具有成像速度快、单位时间信噪比(signal to noise ration，简称SNR)高、运动伪影小等优点，近年来在磁共振成像测温中被广泛采用。

采用基于3D-SSFP序列的磁共振成像对待测组织进行测温原理为：生物组织的纵向弛豫特性参数T₁和横向弛豫特性参数T₂为组织的特性参数，首先根据待测组织的纵向弛豫特性参数T₁和横向弛豫特性参数T₂确定3D-SSFP序列的重复时间T_R。在3D-SSFP序列中重复时间T_R一般小于10ms的范围内取值，大多数生物组织中当T_R处在上述范围内时均满足T_R＜＜T₁，T₂的条件。由3D-SSFP序列成像原理可知，在一定的反转角α下，可以采集到待测组织的二维图像I。图像I上单点的值可以表示为对应于待测组织上的该点的稳态信号强度S(T)。组织的稳态信号强度S(T)以组织的温度T为变量，满足以下公式：

$S\left(T\right)=\frac{1}{2}{M}_0\left(T\right)\sqrt{T_2/T_1\left(T\right)}---\left(1\right)$

其中，M₀(T)是组织平衡磁化强度，纵向弛豫特性参数T₁(T)以T为变量。根据(1)式，求出待测温度T_h下待测组织的稳态信号强度S_h和初始温度T_b下的待测组织的稳态信号强度S_b。将标准化稳态信号强度S_N定义为：

S_N＝S_h/S_b                    (2)

由于在37℃～80℃范围内，标准化信号S_N与组织的温度变化ΔT有很好的线性关系，即

ΔT＝a+bS_N                   (3)

其中系数a和b的值与待测组织测温时所选用的如下参数有关：激励翻转角α、重复时间T_R、纵向弛豫特性参数T₁在初始温度T_b下的初始值T_1b和横向弛豫特性参数T₂。系数a、b可以根据以上参数通过拟合的方法得到，如最小二乘法，这样可利用(3)式计算出该待测组织的温度变化ΔT。

求温度变化ΔT的具体原理为：基于3D-SSFP序列的磁共振成像在一定的反转角α下，可以采集到待测组织的二维图像I。图像I上单点的值可以表示为对应于待测组织上的该点的稳态信号强度S(T)。因此假设在待测组织在初始温度T_b和待测温度T_h时，获得的基于3D-SSFP序列的磁共振图像分别为I_b和I_h，根据(2)式可知有：

I_N＝I_h/I_b                    (4)

再根据(3)式可知有：

I_ΔT＝a+bI_N                  (5)

其中I_ΔT为待测组织的温度变化图像，即图像I_ΔT上的每一点代表上述待侧组织的该点对应的温度变化ΔT值。在得到温度变化ΔT后，由于初始温度T_b已知，就可求得该待测组织的待测温度T_h＝T_b+ΔT。因此可根据基于3D-SSFP磁共振采集到的图像I，实现对组织的温度的监测。

3D-SSFP序列对于主磁场的均匀度和稳定性却非常敏感，因此在磁场均匀性不搞或不稳定，特别是永磁磁共振成像系统中的永磁体的固有特性导致其产生的磁场的均匀度不很高，而且此磁场会由于环境温度变化或器件升温等而改变其磁场均匀性。因此当采用3D-SSFP序列成像，特别是在永磁磁共振系统上成像时，磁共振成像系统中磁场的变化会对由3D-SSFP序列获得的图像产生很大干扰，特别是在手术时间较长，成像区域较大的情况下。目前尚无有效解决方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在基于3D-SSFP序列的磁共振成像测温中可以有效降低磁场不均匀性带来的影响，实现对待测组织温度进行有效监测的基于三维稳态自由进动的磁共振成像测温方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于三维稳态自由进动的磁共振成像测温方法，它包括以下步骤：1)在初始温度T_b时，确定三维稳态自由进动序列的重复时间T_R，温度系数a、b，大翻转角α₁和小翻转角α₂；2)在步骤1)所确定的温度系数α₁，重复时间T_R的条件下采集待测组织的图像I_b，1；之后在温度系数为α₂，重复时间T_R的条件下采集到待测组织的图像I_b，2；得到待测组织在所述初始温度T_b时的叠加图像I_b＝I_b，1+I_b，2；3)在待测温度T_h时，在步骤1)所确定的温度系数α₁，重复时间T_R的条件下采集待测组织的图像I_h，1；之后在温度系数为α₂，重复时间T_R的条件下采集到所述待测组织的图像I_h，2；得到待测组织所述待测温度T_h时的图像I_h＝I_h，1+I_h，2；4)叠加出标准化图像I_N＝I_h/I_b；5)根据公式I_ΔT＝a+bI_N，算出所述待测组织的温度图像I_ΔT，所述温度图像I_ΔT上的每一点的值即是待测组织在该点的ΔT；6)求得该待测组织的待测温度T_h＝T_b+ΔT。

所述步骤1)中大翻转角α₁和小翻转角α₂的组合是利用激励翻转角α、重复时间T_R、纵向弛豫特性参数T₁在初始温度T_b下的初始值T_1b和横向弛豫特性参数T₂在使所述待测组织的稳态信号的频谱平稳的原则下确定。

所述步骤1)中大翻转角α₁处于55°～80°之间，所述小翻转角α₂处于6°～16°之间。

所述重复时间T_R满足T_R＜＜T₁，T₂，其中T₁为所述待测组织的纵向弛豫特性参数，T₂为所述待测组织的横向弛豫特性参数时间。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在同一温度下，分别采用大翻转角α₁和小翻转角α₂获取基于3D-SSFP序列的磁共振图像后，再将这两个图像叠加，这样就可以有效减少磁共振系统中的磁场不均匀给磁共振成像带来的影响，提高了磁共振成像测温的稳定性。2、本发明在基于3D-SSFP序列的磁共振成像采用小翻转角α₂获得待测组织的图像时，通过采集该待测组织的低频部分的信号，在减少基于3D-SSFP序列的磁共振成像以小翻转角α₂获得的待测组织的图像的成像时间的同时，又提高了所获图像的信噪比。

附图说明

图1是本发明的实施例中在表1所示的成像参数下，大翻转角α₁获得的稳态信号、小翻转角α₂获得的稳态信号和它们叠加后得到的稳态信号的仿真频谱图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

由背景技术可知，基于3D-SSFP序列的磁共振成像在一定的反转角α下，可以采集到待测组织的二维图像I。图像I上单点的值可以表示为对应于待测组织上的该点的稳态信号强度S(T)。对处于同一温度下的待测组织，首先利用基于3D-SSFP序列的磁共振成像分别以大翻转角α₁和小翻转角α₂采集待测组织的图像后，将上述两个图像叠加后作为该温度下获得的待测组织磁共振图像。其中大翻转角α₁处于55°～80°之间，小翻转角α₂处于6°～16°之间。然后再根据背景技术中基于3D-SSFP序列的磁共振成像测温原理对所得的图像进行后续处理，从而得出待测组织的温度。这样的方法得出的磁共振图像可以有效减少磁共振系统中的磁场不均匀性给磁共振成像带来的影响，提高了磁共振成像测温的稳定性。

由于在本发明中不同的大翻转角α₁和小翻转角α₂组合，得到的磁共振叠加图像的效果不同。因此本发明以使待测组织的稳态信号的频谱最平稳的优化原则选择大翻转角α₁和小翻转角α₂组合，从而使磁共振成像系统中的场均匀度对基于3D-SSFP序列磁共振成像获得的图像影响最小。这个优化原则可以为令所述待测组织的标准化信号频谱的方差最小化的原则。

本发明计算待测组织的待测温度步骤如下：

(1)在初始温度T_b时，首先，根据本发明的纵向弛豫特性参数T₁和横向弛豫特性参数时间T₂，确定3D-SSFP序列的重复时间T_R使之满足T_R＜＜T₁，T₂。其次，利用激励翻转角α、重复时间T_R、纵向弛豫特性参数T₁在初始温度T_b下的初始值T_1b和横向弛豫特性参数T₂通过最小二乘法拟合得到该实施例的温度系数a、b。再次，由T₁(T_b)的值T_1b、T₂和T_R在令所述待测组织的标准化稳态信号强度S_N的方差最小化的原则下，利用已有技术确定大翻转角α₁和小翻转角α₂的取值。

(2)在同一初始温度T_b下，首先在成像参数为α₁，T_R的情况下用基于3D-SSFP序列的磁共振成像采集到上述实施例的一幅图像I_b，1；其次在成像参数为α₂，T_R的情况下由基于3D-SSFP序列的磁共振成像采集到该实施例的另一幅图像I_b，2。最后将图像I_b，1与I_b，2相加作为该初始温度T_b下的图像I_b＝I_b，1+I_b，2。

(3)在待测温度T_b时，分别利用与初始温度T_b时相同的成像参数α₁，T_R和α₂，T_R通过基于3D-SSFP序列的磁共振成像获得本发明实施例的图像I_h，1与I_h，2。其中I_h，2只采集磁共振成像的低频部分，然后将采集到的图像I_h，1和I_h，2叠加后作为该实施例在待测温度时的图像I_h＝I_h，1+I_h，2。

(4)根据得到的本发明的实施例在初始温度T_b时的图像I_b和待测温度T_h时的图像I_h，根据I_N＝I_h/I_b算出标准化图像I_N。

(5)结合步骤(1)得到的系数a，b，根据I_ΔT＝a+bI_N算出待测组织的温度变化图像I_ΔT。I_ΔT上每一点的值代表该点的温度变化值ΔT。

(6)由于初始温度T_b已知，就可求得该待测组织的待测温度T_h＝T_b+ΔT。

下面是本发明的实施例：

表1：基于3D-SSFP序列的磁共振成像参数

  参数名称  参数值  初始温度纵向驰豫时间T_1b(ms)  240  横向驰豫时间T₂(ms)  70  重复时间T_R(ms)  10  回波时间T_E(ms)  5  翻转角α(°)  55  大翻转角α₁(°)  73  小翻转角α₂(°)  12

如图1所示，显示了在37°、57°和77°这三个不同温度下通过前述的步骤得到的稳态信号的仿真图像。其中实线37°-1、57°-1和77°-1分别代表不同温度下采用大翻转角α₁得到的稳态信号；虚线37°-2、57°-2和77°-2分别代表不同温度下采用小翻转角α₂得到的稳态信号；点化线37°-3、57°-3和77°-3分别代表不同温度下大翻转角α₁得到的稳态信号与小翻转角α₂得到的稳态信号叠加后得到的稳态信号。如图可知，在同一温度下，基于3D-SSFP序列磁共振成像采用大翻转角α₁和小翻转角α₂得到的待测组织的稳态信号表现不同，单个翻转角得到的稳态信号变化较大。但是大、小翻转角得到的稳态信号经过叠加后得到的叠加信号37°-3、57°-3和77°-3，则表现出比单个翻转角得到的信号更好的平稳性，从而提高基于3D-SSFP序列的磁共振成像测量温度的精确度。