利用针对4D磁共振成像的回顾性验证的前瞻性呼吸触发

技术领域

本发明涉及操作磁共振成像系统的方法，以用于准确表征肿瘤和/或器官因感兴趣对象的呼吸而引起的运动，并且本发明涉及通过采用这样的方法来进行操作的磁共振成像系统。

背景技术

在磁共振成像的领域中，已知采用四维(4D)呼吸相位引导的成像方法来准确表征肿瘤和/或器官因感兴趣对象(通常为患者)的呼吸而引起的运动。在这方面，时间被理解为第四维度。

对内部器官因呼吸而引起的运动的研究与若干医学问题相关。一个尤其重要的范例是放射治疗(RT)规划的过程。对要使用哪种技术的决策(例如，立体定向放射手术对常规外部射束RT)或者辐射要被施加的方式(例如，门控的辐照对连续的辐照)是基于目标肿瘤和风险器官的运动的量的。使用磁共振成像(MRI)来对内部运动进行成像(与基于X射线的方法相反)具有如下优点：MRI常常允许对感兴趣结构的直接可视化并且不依赖于例如植入的金属夹子的成像代用标记物。

此外，已知T2加权的磁共振成像提供比T1加权或T2/T1加权更好的肿瘤-组织对比度，但是要求大约100ms的长的回波时间TE和大约3s范围内的长脉冲序列重复时间TR。因此，这些序列不适合用于实时成像。替代地，通过采集在呼吸循环期间在不同时间点处的若干体积数据集来描绘呼吸运动。这些数据集是通过前瞻性地触发关于诸如束带、导航器或相机的呼吸运动传感器的信号的采集的开始来采集的。

在Y.Hu等人在Int J Radiation Oncol Biol Phys，86(1)，198-204(2013)上的文章“Respiratory Amplitude Guided 4-Dimensional Magnetic Resonance Imaging”中描述了一种当前的方法，其中，描述了采集4D呼吸相位引导的磁共振图像的方法，所述方法包括针对要被成像的不同切片交错对不同时间点的采集以便减小总采集时间的方案。

在预选择的呼吸水平处使用触发器使得能够采集不同呼吸循环中的不同呼吸状态处的MRI图像，并且因此消除对长脉冲序列重复时间TR的限制。藉此，更多的磁共振成像序列(尤其是T2加权的磁共振图像)能与4D磁共振成像相兼容。

发明内容

期望关于在感兴趣对象的呼吸样式或呼吸监测器器件的输出信号中的不规则的发生期间的鲁棒性来改进操作磁共振成像系统的方法。

因此，本发明的目标是提供一种关于在感兴趣对象的选定呼吸状态上进行触发的操作磁共振成像系统的改进的并且鲁棒的方法。

在本发明的一个方面中，所述目标是通过一种操作磁共振成像系统的方法来实现的，所述磁共振成像系统被配置用于在感兴趣对象的至少一次呼吸循环上采集来自所述感兴趣对象的至少部分的切片的集合的磁共振图像，并且所述磁共振成像系统能被连接到呼吸监测器件，所述呼吸监测器件被配置为提供输出信号，所述输出信号的水平表示所述感兴趣对象的呼吸状态。

所述方法包括：

-提供前瞻性的采集方案以在所述至少一次呼吸循环内在所述感兴趣对象的选定呼吸状态的集合在的每个呼吸状态处采集切片的集合中的每个切片的至少一幅磁共振图像的步骤，在所述选定呼吸状态上的触发是基于所述呼吸监测器件的预定阈值输出信号水平的，

-依据所提供的前瞻性采集方案并且在依据所述前瞻性采集方案执行磁共振图像采集期间来开始磁共振图像采集的步骤，

-将实际采集磁共振图像处的实际呼吸状态与根据所述前瞻性采集方案的选定呼吸状态以及所述选定呼吸状态的预定容限范围进行比较的步骤，

-如果实际呼吸状态中的一个处在所述选定呼吸状态的预定容限范围之外则修改所述前瞻性采集方案的步骤，

-依据所修改的前瞻性采集方案来继续执行磁共振成像采集的步骤。

本方法的一个优点在于其能够确保磁共振图像是在想要的并且选定的呼吸状态中采集的，这改进了采集的4D磁共振图像数据集的图像质量。

所述方法的另一优点在于其是有效的并且不显著延长用于采集诸如由前瞻性采集方案所描述的呼吸相位引导的磁共振成像扫描包的总逝去时间。

在优选实施例中，所述方法还包括：

-将表示已经针对其采集了在所述前瞻性采集方案中安排的全部磁共振图像的呼吸循环的输出信号的时间过程与表示标准呼吸循环且具有预定标准输出信号容限范围的预定标准输出信号时间过程进行比较的过程，并且

-在表示已经针对其采集了在所述前瞻性采集方案中安排的全部磁共振图像的呼吸循环的输出信号的时间过程至少部分地处在所述预定标准输出信号时间过程的所述预定容限范围之外时修改所述前瞻性采集方案的步骤。

在合适的实施例中，能够检测并校正采集到的磁共振图像到所述选定的呼吸状态的不正确的分配，尤其是在所述感兴趣对象的呼吸样式中发生不规则(诸如咳嗽、讲话或高于平均的呼吸循环)的情况下，和/或在呼吸监测器件或其信号路径处发生硬件故障的情况下。

优选地，所述选定呼吸状态的所述预定容限范围或所述预定标准输出信号容限范围分别是预定阈值输出信号水平或预定标准输出信号时间过程的固定百分数。通过这种方式，能够实现在选定呼吸状态的总范围上的恒定相对准确度。

在另一优选实施例中，修改所述前瞻性采集方案的步骤包括：

-舍弃采集到的表示与处在所述选定呼吸状态的所述预定容限范围之外的实际呼吸状态相对应的磁共振图像的数据，并且

-将与处在所述选定呼吸状态的所述预定容限范围之外的所述实际呼吸状态相对应的选定呼吸状态添加到所述前瞻性采集方案，作为在其处仍然要采集另一磁共振图像的选定呼吸状态。

通过这种方式，能够以高时间效率校正采集到的磁共振图像到选定呼吸状态的不正确的分配。

在又一优选实施例中，修改所述前瞻性采集方案的步骤包括：

-舍弃采集到的表示与至少部分处在预定标准输出信号时间过程的预定容限范围之外的呼吸循环的所有选定呼吸状态相对应的磁共振图像的数据，并且

-将与至少部分地处在所述预定标准输出信号时间过程的所述预定容限范围之外的呼吸循环相对应的选定呼吸状态添加到所述前瞻性采集方案，作为在其处仍然要采集磁共振图像的选定呼吸状态。

籍此，能够以高时间效率校正采集到的磁共振图像到选定呼吸状态的不正确的分配，尤其是在感兴趣对象的呼吸样式中发生不规则(诸如咳嗽、讲话或高于平均的呼吸循环)的情况下，和/或在呼吸监测器件或其信号路径处发生硬件故障的情况下。

在本发明的另一方面中，提供了一种磁共振成像系统，所述磁共振成像系统被配置用于在感兴趣对象的至少一次呼吸循环上采集来自所述感兴趣对象的至少部分的切片的集合的磁共振图像。

所述磁共振成像系统包括：

-检查空间，其被提供为将所述感兴趣对象定位在其内，

-主磁体，其被配置用于在所述检查空间中生成静磁场B₀，

-磁梯度线圈系统，其被配置用于生成被叠加到所述静磁场B₀的梯度磁场，

-至少一个射频天线设备，其被配置用于将射频激励场B₁施加到所述感兴趣对象的所述部分的原子核或所述部分之内的原子核以用于磁共振激励，

-至少一个射频天线设备，其被提供用于接收来自所述感兴趣对象的已经通过施加所述射频激励场B₁而被激励的所述部分的原子核或所述部分之内的原子核的磁共振信号，

-控制单元，其用于控制所述磁共振成像系统的至少一项功能，以及

-信号处理单元，其被配置用于处理磁共振信号以根据所接收的磁共振信号确定所述感兴趣对象的至少部分的切片的图像。

所述磁共振成像系统的所述控制单元被配置用于接收来自呼吸监测器件的输出信号以用于触发引导，其中，所述输出信号的水平表示所述感兴趣对象的呼吸状态。所述控制单元还被配置为执行在本文中所公开的方法的任何实施例的步骤或这样的实施例的组合。利用以这种方式改善的磁共振成像系统，能够有利地完成上述目标。

所述呼吸监测器件可以被设计为公知类型的呼吸监测设备中的任意一种，诸如呼吸束带类型(其包括呼吸传感器并且通常被附接到感兴趣对象的胸部)、呼吸风箱类型、或者各种已知肺活量计类型中的一种。所述呼吸监测器件可以备选地被设计为以其透镜指向感兴趣对象的胸部的光学相机。此外，所述呼吸监测器件可以被设计为至少一个部件和/或磁共振成像系统自身的集成功能，例如，k空间导航器(FID、四叶式交叉，或其他)或者图像导航器(1D笔形射束、2D、3D)。

优选地，被配置用于施加射频激励场B₁的所述至少一个射频天线设备被提供有射频脉冲序列，所述射频脉冲序列适合用于获得T2加权的磁共振图像。藉此，能够实现磁共振图像中的高肿瘤-组织对比度。

在本发明的又一方面中，软件模块被提供用于执行关于触发磁共振图像采集来操作磁共振成像系统的所公开的方法的任何实施例的步骤或者这样的实施例的组合。要进行的所述方法的步骤被转换成软件模块的程序代码，其中，所述程序代码能被实施在磁共振成像系统的存储器单元中并且能由磁共振成像系统的处理器单元来执行。所述处理器单元可以是所述控制单元的处理器单元，所述控制单元习惯性地用于控制磁共振成像系统的功能。备选地或补充地，所述处理器单元可以是被专门分配为执行所述方法的步骤中的至少一些的另一处理器单元。

所述软件模块能够实现所述方法的鲁棒并且可靠的执行，并且能够允许对所述方法的步骤的快速修改。

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并得以阐明。然而，这样的实施例不是必须表示本发明的完整范围，并且可以引用权利要求和本文以用于解读本发明的范围。

在附图中：

图1示出了根据本发明的磁共振成像系统的实施例的部分的示意性图示，

图2是呼吸监测器件的输出信号的曲线图，

图3是依据图2的曲线图的详细局部视图，并且

图4示出了根据本发明的方法的实施例的流程图。

附图标记列表

10 磁共振成像系统

12 扫描器单元

14 主磁体

16 检查空间

18 中心轴

20 感兴趣对象

22 磁梯度线圈系统

24 射频发射器单元

26 控制单元

28 人类接口设备

30 存储器单元

32 处理器单元

34 射频天线设备(发射)

36 射频天线设备(接收)

38 射频切换单元

40 射频屏蔽物

42 信号处理单元

44 软件模块

46 呼吸监测器件

48 输出信号

50 呼吸循环

52 容限范围

54 提供前瞻性采集方案的步骤

56 开始磁共振图像采集的步骤

58 将实际呼吸状态与选定呼吸状态进行比较的步骤

60 修改前瞻性采集方案的步骤

62 继续修改的前瞻性采集方案的步骤

64 比较的步骤

66 修改前瞻性采集方案的步骤

68 标准输出信号时间过程

B₀>

B₁>

具体实施方式

图1示出了磁共振成像系统10的实施例的部分的示意性图示，所述磁共振成像系统10被配置用于在感兴趣对象20的多个呼吸循环50上采集来自感兴趣对象20(通常为患者)的至少部分的切片的集合的磁共振图像。磁共振成像系统10包括具有主磁体14的扫描器单元12。主磁体14具有中心膛，所述中心膛提供围绕中心轴18的检查空间16以用于感兴趣对象20被定位在所述检查空间16内，并且主磁体14还被配置用于至少在检查空间16中生成1.5T的静磁场B₀。出于清楚的原因，在图1中省略了用于支撑感兴趣对象20的常规桌台顶部。静磁场B₀定义检查空间16的轴方向，平行于中心轴18而被对准。应当意识到，本发明也适用于在静磁场内提供检查区域的任何其他类型的磁共振成像系统。

此外，磁共振成像系统10包括磁梯度线圈系统22，所述磁梯度线圈系统22被配置用于生成被叠加到静磁场B₀的梯度磁场。磁梯度线圈系统22被同心地布置在主磁体14的膛内，如在现有技术中已知的。

磁共振成像系统10包括控制单元26，所述控制单元26被提供为控制扫描器单元12、磁梯度线圈系统22的功能以及磁共振成像系统10的其他功能。控制单元26包括人类接口设备28，所述人类接口设备28被设计为具有触敏屏幕的监视器单元。

此外，磁共振成像系统10包括射频天线设备34，所述射频天线设备34被设计为全身线圈，所述全身线圈被配置用于在射频发射时间段期间将射频激励场B₁施加到感兴趣对象20的原子核或施加在感兴趣对象20之内的原子核以用于磁共振激励，从而激励感兴趣对象20的原子核或感兴趣对象20之内的原子核以用于磁共振成像的目的。为此，由控制单元26控制将射频功率从射频发射器单元24馈送到全身线圈。所述全身线圈具有中心轴，并且在操作状态中被同心地布置在主磁体14的膛内，使得全身线圈的中心轴和检查空间16的中心轴18重合。如在本领域中常见的，圆柱形金属射频屏蔽物40被同心地布置在磁梯度线圈系统22与全身线圈之间。

全身线圈也被配置为射频天线设备36，所述射频天线设备36用于在射频接收阶段期间接收来自感兴趣对象20的所述部分的原子核或感兴趣对象20的所述部分之内的原子核的磁共振信号，所述原子核已经通过施加射频激励场B₁而被激励。在磁共振成像系统10的操作状态中，射频发射阶段和射频接收阶段以相继的方式发生。

射频发射器单元24被提供为在射频发射阶段期间经由射频切换单元38将磁共振射频的射频功率并且以快速自旋回波(TSE)射频脉冲序列的形式馈送到全身线圈，使得能够获得T2加权的磁共振图像。在射频接收阶段期间，由控制单元26控制的射频切换单元38将磁共振信号从全身线圈导向驻留在控制单元26中的信号处理单元42。信号处理单元42被配置用于处理磁共振信号以根据采集到的磁共振信号来确定感兴趣对象20的至少部分的切片的图像。该技术的许多不同变型对于本领域技术人员来说是公知的，并且因此无需在本文中进行进一步的详细描述。

磁共振成像系统10还包括呼吸监测器件46，所述呼吸监测器件46被设计为束带类型的呼吸监测设备。所述呼吸监测设备包括呼吸传感器，所述呼吸传感器在操作状态中被附接到感兴趣对象20的胸部并且由束带固定，围绕胸部而被缠绕。所述呼吸监测设备被配置为向控制单元26提供输出信号48(图2)，所述输出信号48的水平表示感兴趣对象20的呼吸状态。为此，呼吸监测设备的输出线(未示出)被连接到控制单元26。备选地，可以通过采用合适的无线数据传输器件在呼吸监测设备与控制单元26之间安装无线数据链路。磁共振成像系统10的控制单元26被配置用于接收来自呼吸监测设备的输出信号48以用于触发引导，如将在稍后更为详细地描述的。

在下文中，描述了关于触发磁共振图像采集的方法而操作磁共振成像系统10的实施例。在图4中给出了所述方法的原理流程图。在操作磁共振成像系统10的准备中，应当理解，所有涉及的单元和设备都处于操作状态中并且被配置为如在图1中所图示的。

为了能够执行作为磁共振成像系统10的特定操作的该方法，控制单元26包括软件模块44(图1)。要进行的该方法的步骤被转换成软件模块44的程序代码，其中，所述程序代码能被实施在控制单元26的存储器单元30中，并且能由控制单元26的处理器单元32来执行。

在该方法的第一步骤54中，提供了用于在多次呼吸循环50内在感兴趣对象20的选定呼吸状态的集合中的每个呼吸状态处采集选定切片的集合中的每个切片的一幅磁共振图像的前瞻性采集方案。所述选定呼吸状态的集合包括八个呼吸状态：0％吸气、25％吸气、50％吸气、75％吸气、100％吸气、75％呼气、50％呼气和25％呼气，并且所述选定切片的集合包括32个切片。该实施例的前瞻性采集方案是交错的，但是通常也可以是非交错的。所提供的交错的前瞻性采集方案可以类似于在本申请的“发明内容”部分中提及的Y.Hu等人的文章中所描述的现有技术的采集方案。用于采集选定呼吸状态中的一个处的磁共振图像的触发是基于呼吸监测设备的预定阈值输出信号水平的。预定阈值输出信号水平被存储在控制单元26的存储器单元30中。

在该方法的下一步骤56中，依照所提供的前瞻性采集方案的磁共振图像采集开始。在图3的呼吸监测设备的输出信号的详细视图中，由三角形指示在预定阈值输出信号水平处的触发，其中，指向上的三角形指代吸气而指向下的三角形意指呼气。在执行依照前瞻性采集方案的磁共振图像采集期间，将实际采集磁共振图像处的实际呼吸状态与根据前瞻性采集方案的选定呼吸状态以及下一步骤58中的选定呼吸状态的预定容限范围52进行比较。所述选定呼吸状态的预定容限范围52是预定阈值输出信号水平的固定百分数，例如，±5％。

如果确定实际呼吸状态中的一个处在选定呼吸状态的预定容限范围52之外，则在另一步骤60中修改前瞻性采集方案。作为范例，在大约212s的时间段中，在图2中突出显示并且在图3中详细示出，要在100％吸气的选定呼吸状态处采集的磁共振图像是在83％的输出信号水平处实际采集的，这是因为在该呼吸循环50中的呼吸输出信号幅度高于平均值。

修改前瞻性采集方案的步骤60包括：舍弃采集到的表示与处在选定呼吸状态的预定容限范围52之外的83％的实际呼吸状态相对应的磁共振图像的数据；并且将与处在选定呼吸状态的预定容限范围52之外的83％的实际呼吸状态相对应的选定呼吸状态添加到前瞻性采集方案，作为仍要采集另一磁共振图像的选定呼吸状态。

在修改前瞻性采集方案的步骤60之后，执行依照经修改的前瞻性采集方案的磁共振成像采集被继续进行作为下一步骤62。

如果针对特定的呼吸循环50已经采集了在前瞻性采集方案中安排的全部磁共振图像，则执行对表示呼吸循环50的输出信号时间过程进行比较的步骤64。利用表示标准呼吸循环并且具有预定标准输出信号容限范围52的预定标准输出信号时间过程68来执行所述比较。已经在开始磁共振图像的采集之前的准备阶段中通过对感兴趣对象20的多次呼吸循环上的输出信号时间过程取平均来获得预定标准输出信号时间过程68。所述预定标准输出信号容限范围52是预定标准输出信号时间过程68的固定百分数，在该实施例中为±5％(图2；出于清楚的目的，预定标准输出信号容限范围52被夸大)。

如果在比较的步骤64的过程中确定表示已经针对其采集了在前瞻性采集方案中安排的全部磁共振图像的呼吸循环50的输出信号时间过程至少部分地处在预定标准输出信号时间过程68的预定容限范围52之外，则执行修改前瞻性采集方案的另一步骤66。

作为范例，在大约160s的时间段内(其在图2中被突出显示)，呼吸传感器失效大约15s。尽管如此，已经在各种选定呼吸状态处采集了磁共振图像。显然，在该时间段中，表示呼吸循环的输出信号部分地处在预定标准输出信号时间过程68的预定容限范围52之外。

修改前瞻性采集方案的步骤66包括舍弃采集到的表示与至少部分地处在预定标准输出信号时间过程68的预定容限范围52之外的呼吸循环50的全部选定呼吸状态相对应的磁共振图像的数据。同样地，在修改的步骤66中，与至少部分地处在预定标准输出信号时间过程68的预定容限范围52之外的呼吸循环50相对应的选定呼吸状态被添加到前瞻性采集方案，作为仍要采集磁共振图像的选定呼吸状态。

如果经修改的前瞻性采集方案被最终确定，在想要的和选定呼吸状态处采集磁共振图像，其因关于所采集到的磁共振图像到感兴趣对象20的呼吸状态的分配的较小系统性误差而提供了所采集到的4D磁共振图像数据集的改进的图像质量。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了某些措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。