MPI方法與流程

2023-04-23 16:59:01 4

本發明涉及一種用於將磁性粒子定位在試樣中的MPI方法。

背景技術：

在本發明的MPI方法中施加位置相關的磁場，所述磁場具有無場區域，所述方法包括以下處理步驟：

確定校準體積和測量體積，其中所述校準體積大於所述測量體積，並且其中全部的測量體積被設置在所述校準體積內；

檢測校準信號Sj並且從校準信號Sj中產生系統矩陣S；

記錄MPI測量信號u(MPI時間信號或通過MPI時間信號的傅立葉變換獲得的MPI頻譜)，其中通過應用磁性控制場，無場區域藉助於測量序列移動通過測量體積；

根據記錄的MPI測量信號u和產生的系統矩陣S重建校準體積中的具有磁性粒子濃度值ci的位置相關的磁性粒子濃度，以及把磁性粒子濃度值ci與所述校準體積內的體素相關聯。

例如參考文獻[01]-[03]中公開了該類型的方法。

磁性粒子成像(簡寫為「MPI」)是一種成像方法，其允許測定超順磁性納米粒子(在當前情況下被指定為磁性粒子)的局部分布。為此，磁性粒子被暴露到測量體積中的不同的靜態和動態磁場，並且藉助於接收線圈來檢測磁性粒子的磁化強度變化。在MPI中為了空間編碼，在具有無場區域的測量體積的區域中施加磁性梯度場。無場區域藉助於動態磁場(驅動場)和/或均勻的聚焦場沿著測量體積內的預定軌跡(無場區域的每個點的預定相關性)移動。通過用無場區域掃過磁性粒子以及相關的磁化強度變化，產生由接收線圈檢測的測量信號。

為了校準系統而產生了系統矩陣。為此目的，例如可以執行校準測量，其中為每個測量點記錄校準信號並且將其儲存在系統矩陣中。對於測量體積外面的校準樣品的位置，也執行了校準測量，其允許重建比測量體積大的全部體積的MPI圖像。

然而，在參考文獻[01]和[02]中，在磁性粒子的以下假設上進行MPI測量，其中所有的磁性粒子被定位在測量體積內，參考文獻[03]描述了一種用於體內記錄大鼠心臟的方法。在體內記錄期間，磁性粒子同樣位於測量體積的外面。儘管這些粒子未被無場區域掃過，但由於它們的旋轉以及無場區域的不清晰，它們仍然對測量信號做出貢獻。這可以導致MPI圖像中的偽影。

發明目的

本發明的根本目的在於提出一種尤其是用於體內MPI記錄的方法，藉助於該方法，能夠產生低偽影的圖像數據，即使測量體積外面具有高磁性粒子密度，並且省時。

技術實現要素：

根據本發明，採用根據權利要求1的方法實現該目的。

測量體積和校準體積均包括多個體素(體積單元)，其中體素的尺寸取決於用於校準測量體積的校準樣品位置的分離。對於一種優選的應用，體素的尺寸相應於校準樣品的尺寸，並且校準樣品位置相應於體素的中央。

根據本發明，捨棄與測量體積外面的體素關聯的那些磁性粒子濃度值，並且產生專門包含與測量體積內的體素網格的體素相關的磁性粒子濃度值的MPI圖像。

時間信號可以被檢測作為校準信號，或者可以通過傅立葉變換從時間信號獲得頻譜。

為了最小化位於測量體積外面的磁性粒子對測量結果的影響，同樣檢測了用於測量體積外面的樣品位置的校準信號(「過掃描」)。然而，與現有技術相比，捨棄了與測量體積外面的體素關聯的那些重建的磁性粒子濃度值，並且產生了專門包含與測量體積內的體素關聯的磁性粒子濃度值的MPI圖像。

在本發明的範圍內，發現為了利用被選擇成大於測量體積的校準體積進行重建，測量體積外面的磁性粒子的粒子信號被投射到測量體積的外部邊界，不取決於它們的實際位置，從而在重建之後，可能發生過掃描區域(測量體積外面的校準體積區域)的錯誤解釋。本發明在檢測校準信號(校準體積＞測量體積)的期間的「過掃描」以及重建總校準體積，結合捨棄用於測量體積外面的體素的磁性粒子濃度值，確保了考慮位於測量體積外面的磁性粒子對測量體積內的MPI信號的影響。而且，位於測量體積外面的磁性粒子對測量體積外面的重建數據的影響不進入用於進一步評價/解釋的MPI圖像。為此，MPI圖像僅包含可靠的MPI數據(磁性粒子濃度值)。

在產生圖像文件之前或之後，可以捨棄測量體積外面的磁性粒子濃度值。決定性的是在用於進一步評價的MPI圖像中未檢測與測量體積外面的體素關聯的磁性粒子濃度值，以防止錯誤解釋包含在MPI圖像中的數據。

以用戶定義的方式選擇測量體積，並且根據線圈形貌通過激勵場和/或梯度場和/或聚焦場來定義測量體積。

無場區域例如可以是無場點或者無場線，其沿著通過測量體積的軌跡移動通過測量序列。

當將要確定粒子濃度的區域大於測量體積時，本發明的方法是特別有優勢的。為此，必須執行多個MPI測量，其中測量體積必須相應地移動，並且總測量體積形成將被測量的區域。根據本發明，測量體積外面的重建的磁性粒子濃度值不能進入被示出為MPI圖像的最終確定的位置分辨的磁性粒子濃度。根據本發明，為了記錄多個相鄰的測量體積，必須以校準體積重疊的方式選擇校準體積(圍繞過掃描區域)。

發明的有利實施例

校準體積有利地圍繞測量體積，即校準體積在所有方向上凸出超過測量體積。用這種方式，位於測量體積外面的不同側上的磁性粒子被同等地考慮。

在本發明方法的一種特別優選的變形例中，在每個情況下，校準體積在每個方向上凸出測量體積單個體素。因此，可以最小化校準和重建所需的時間。尤其是，在測量體積外面的磁性粒子濃度和測量體積裡面的磁性粒子濃度之間的比值小的情況下，在選擇較大的過掃描的情況下由於測量期間出現的噪音，未取得實質性的改進，從而具有單個體素厚度的過掃描就足夠了。

在本發明方法的一種優選的變形例中，採用比測量體積裡面低的解析度檢測測量體積外面的區域中的校準信號。因此，能夠以省時的方式掃描過掃描區域。

這能夠得以實現，例如在測量體積外面的區域中記錄比該區域中存在的體素位置更少的校準信號。為此，未對測量體積外面所有的體素檢測校準信號。測量體積的體素網格從而可以被延伸到總校準體積(對於測量體積和過掃描區域是相同的體素網格)。

可替換地或者另外地，可以使用比用於檢測測量體積裡面的校準信號更大的校準樣品來檢測測量體積外面的校準信號。

而且，為了檢測測量體積外面的校準信號，可以使用另一個體素網格，尤其是具有比那些用於檢測測量體積內的校準信號更大的體素的體素網格。過掃描區域中的體素網格的變化意味著校準樣品移動到其它的校準樣品位置。在這種情況下，體素網格因此被調節到過掃描區域中的預期解析度。

同樣可行的是提供用於檢測測量體積外面的校準信號的所有三種措施，即使用較大的校準樣品，調節體素網格，並且記錄比該區域中的體素位置少的校準信號。

所述方法有利地用於測量那些具有至少一個鄰近測量體積的區域的試樣，其中磁性粒子濃度佔優勢，其大於零(即測量體積外面存在磁性粒子，例如在體內測量中)，優選大於或等於測量體積中的磁性粒子濃度。尤其是，在後面的情況中，磁性粒子對測量體積裡面的區域以及測量體積外面的校準體積的區域的影響是大的。為此，採用常規的方法能夠出現相當多的偽影。

為了檢測校準信號，有利地執行校準測量，其中對於校準體積內的校準樣品的不同位置，在每種情況下檢測校準信號Sj，其中在檢測每個校準信號Sj期間，通過根據測量序列應用磁性控制場使無場區域移動通過測量體積。

為了校準系統矩陣，在每個情況下，將校準樣品移動到不同的體素位置並且測量系統響應(校準信號Sj)。由於溫度影響，在測量開始時可能發生校準信號的各個頻率處的飄移。根據本發明，在重建之後，再次捨棄用於測量體積外面的體素的重建數值，並且為此對於校準測量有優勢的是首先為測量體積外面的樣品位置測量校準信號，並且隨後為測量體積裡面的樣品位置測量校準信號。在這種情況下，飄移效應對於MPI圖像不具有實質性的影響。

本發明的方法有利地用於體內記錄。在這裡，由於在體內記錄的情況下，測量體積外面正常地存在不能被忽視的磁性粒子濃度，本發明是特別有優勢的。

附圖說明

圖1示出了本發明方法的流程圖；

圖2示出了具有利薩如(Lissajous)軌跡的測量體積(二維圖)；

圖3示出了圖2的測量體積以及具有單個體素行的過掃描的校準體積(二維圖)；

圖4示出了圖2的測量體積以及具有兩個體素行的過掃描的校準體積(二維圖)；

圖5示出了圖2的測量體積以及具有兩個體素行的過掃描的校準體積(相應於過掃描區域的體素網格)，其中在測量體積的外面使用了具有半解析度的體素網格。校準樣品的尺寸被調節到體素尺寸，從而校準樣品被用於是測量體積四倍的過掃描區域(二維圖)；

圖6示出了用於模擬的磁性粒子分布的參考圖像；

圖7示出了圖6的無過掃描的磁性粒子分布的模擬數據；

圖8示出了圖6的具有兩個體素行的過掃描的磁性粒子分布的模擬數據；

圖9示出了圖6的具有兩個體素行的過掃描(相應於過掃描區域的體素網格)的磁性粒子分布的模擬數據，其中在過掃描區域中使用了具有半解析度的體素網格。校準樣品的尺寸被調節到體素尺寸，從而校準樣品被用於是測量體積四倍的過掃描區域；

圖10示出了具有根據圖9的過掃描的本發明方法的結果。

具體實施方式

下面描述在圖1中給出的本發明方法的過程步驟：

首先，選擇用戶定義的測量體積以及用於測量體積的體素網格，其中在隨後的MPI測量期間，在測量體積的體素網格的各個體素上移動無場區域。為此施加了相應的磁場(梯度場、激勵場、聚焦場)，其中測量體積的尺寸取決於這些磁場的幅度，或者磁場被調節，從而獲得測量體積的期望尺寸。

為了建立一個系統矩陣，在先前選擇的校準體積中進行校準，校準體積大於測量體積(校準體積＝測量體積+過掃描區域)並且包含測量體積。隨後可以為過掃描區域選擇不同於測量體積的體素網格的體素網格，或者測量體積的體素網格可以被擴展到總校準體積。可以通過模擬或者通過校準測量來進行校準。對於校準測量，使用了填充有磁性粒子的小樣品(校準樣品)，其中尤其是可以使用不同的校準樣品來檢測測量體積裡面和外面的校準信號。例如藉助於定位機器人將校準樣品移動到校準體積內的不同位置。代替移動校準樣品，藉助於附加磁場，可以模擬不同樣品位置的磁比率。省略機器人運動減少了校準時間。對於校準體積中的每個校準樣品位置，在與實際MPI測量(記錄測量信號)相同的條件下(相同的測量序列)記錄校準信號。因此，為測量體積裡面的每個測量點以及測量體積外面的附加測量點記錄校準信號Sj。隨後通過逐列輸入各個校準信號Sj即各個頻譜或者各個時間信號而根據校準信號產生系統矩陣S。

隨後通過記錄MPI信號(測量矢量u)進行實際MPI測量，然而，根據測量序列，無場區域通過測量體積。

在重建的範圍內，隨後通過藉助於確定的系統矩陣S和測量矢量u解析線性方程系統u＝S·c來確定磁性粒子濃度矢量c。這就意味著為總校準體積重建具有磁性粒子濃度值ci的位置相關的濃度分布(磁性粒子分布)，其中從系統矩陣S中推導出磁性粒子濃度值Ci的局部依賴性。

根據本發明，捨棄與測量體積外面的區域(體素)相關聯的那些磁性粒子濃度值ci。

隨後僅產生MPI圖像，即專門用於與測量體積裡面的體素相關的磁性粒子濃度值ci。為此，作為結果的MPI圖像只包含測量體積裡面的體素的粒子濃度數值ci。

根據本發明，證明了包含在現有技術的MPI圖像中的磁性粒子濃度值包含測量體積外面的偽影，尤其是在靠近具有高磁性粒子密度的區域定位的測量體積的記錄中。本發明的方法確保了考慮測量體積外面的磁性粒子對測量體積裡面的測量信號的影響。而且，確保了為測量體積外面的體素確定的磁性粒子濃度值不被用於進一步的計算或測量，這是由於它們是不可靠的。

圖2示出了具有利薩如(Lissajous)軌跡的測量體積MV，藉助於驅動場(正弦激勵場A和梯度場G的疊加)，無場點沿著該軌跡通過測量體積MV。測量體積MV被分成體素。

圖3至圖5示出了圖2的測量體積MV，其中不同的校準體積KV1、KV2、KV3在所有側面上與測量體積MV重疊，從而形成一個包層。超出測量體積MV的校準體積的重疊(過掃描區域OS1、OS2、OS3)因此形成了測量體積MV的包層。

圖3示出了校準體積KV1的一個特別優選的選擇。在這種情況下，在校準步驟中，除了測量體積V之外，還記錄突出測量體積MV的一個單個附加體素行(2D測量)(過掃描區域OS1)。在3D測量的情況下，過掃描區域OS1包括測量體積MV的包層，厚度d為一個單個體素。實驗測量已顯示出在用於圖像重建的系統矩陣方法中，為了消除測量體積MV外面的所有磁性粒子的貢獻，這經常是足夠的。

圖4示出了選擇校準體積KV2的一種可替代的變型例。在這種情況下，校準體積KV2突出測量體積MV兩個體素行，其中體素尺寸由測量體積MV中的校準樣品位置的分離定義。過掃描區域OS2因此具有兩個體素的厚度d′。

已經驚人地證明了為了獲得可靠的結果，不需要測量包含處於校準測量範圍內的磁性粒子的測量體積外面的完整區域。也就是說，發現了測量體積MV外面的區域中的所有磁性粒子向測量體積MV和過掃描區域OS1、OS2、OS3之間的過渡投射類似的圖像。因此能夠以比測量體積MV低的解析度掃描過掃描區域OS1、OS2、OS3而不丟失基本信息。例如，圖5示出了包括兩個體素行(相對於過掃描區域OS3的體素網格)的過掃描區域OS3，其中在這種情況下，將不同於用於測量體積的體素網格用於過掃描區域。過掃描區域的體素網格的體素(OS體素-在圖5中被顯示為過掃描區域OS3中的大正方形)相應於測量體積的體素網格的四個體素(d″＝測量體積的體素網格的4個體素)。對於每個OS體素，僅記錄一個單個校準信號，即在這種情況下，採用比對測量體積MV進行測量的校準樣品(1個體素)大的校準樣品(在當前情況下是2×2個體素)測量過掃描區域OS3，和/或在任何位置(例如，在OS體素的四個體素位置之一處，或者在OS體素的中央)處的2×2個體素的截面內測量校準樣品。

下面示出了與不同的過掃描區域有關的模擬數據：模擬了用於2D測量序列的MPI數據。體素尺寸相應於1×1mm2並且測量體積是32×32mm2。

圖6示出了本發明方法對於測量體積MV內的粒子密度為零的極端情況的模擬的參考圖像，。四個磁性粒子條MS被布置在測量體積MV外面，每個具有2×9個體素，並且接近測量體積的左手側的強度為1。強度為1意味著在這種情況下，在目標測量期間位於該體素中的磁性粒子數量與在校準測量期間位於校準樣品中的磁性粒子數量一樣(與校準測量有關的相對強度)。在這種情況下，磁性粒子密度因此在測量體積MV外面明顯比在測量體積MV裡面要大。

圖7至圖9示出了模擬的圖像數據，其中改變了過掃描區域OS2、OS3。在所有的情況下，過掃描區域OS2、OS3小於其中所有磁性粒子的總體被布置的區域。在圖7-圖9中示出的每個圖像數據涵蓋總校準體積KV1，KV2，KV3，即包含從重建獲得的所有數據。

圖7示出了沒有過掃描(校準體積KV＝測量體積MV)的模擬重建數據。能夠很容易看到高強度的偽影(＞2.5)出現在測量體積內的左手邊緣處。

圖8和圖9示出了具有兩個體素行(圖8)或者兩個OS體素行並且一個OS體素的尺寸是四個體素(圖9)的過掃描的模擬重建數據。在圖8中顯著減小了突出進入測量體積內的外部磁性粒子分布，並且在圖9中幾乎注意不到。過掃描區域OS2、OS3示出了一個具有高信號強度的區域，然而沒有說明真實的磁性粒子分布。用於過掃描區域OS2、OS3的重建數據因此將被視為不可靠的。根據本發明的方法，捨棄為過掃描區域OS2、OS3重建的數據，從而獲得在圖10中示出的磁性粒子分布，作為MPI測量(MPI圖像)的結果(代替在圖9中示出的磁性粒子分布)。

為此，即使對於被具有高磁性粒子密度的區域所環繞的測量體積而言，採用本發明的方法也能夠獲得可靠的MPI數據。

參考文獻列表

[01]T.Knopp，S.Biederer，T.F.Sattel，J.Rahmer，J.Weizenecker，B.Gleich，J.Borgert，T.M.Buzug：「2D model-based reconstruction for magnetic particle imaging」；Medical Physics，37(2)：485-491，2010

[02]B.Gleich，J.Weizenecker，J.Borgert：「Experimental results on fast2D-encoded magnetic particle imaging」Physics in Medicine and Biology，53(6)：N81-N84，Mar.2008

[03]J.Weizenecker，B.Gleich，J.Rahmer，H.Dahnke，J.Borgert：「Three-dimensional real-time in vivo magnetic particle imaging」：Physics in Medicine and Biology，54(5)：L1-L10，2009

參考標記列表

d，d』，d″ 過掃描區域的厚度

KV，KV1，KV2，KV3 校準體積

MS 磁性粒子條

MV 測量體積

OS2，OS3 過 掃描區域