基于瞬时线化的电特性断层成像方法、系统、设备及介质技术方案

本发明专利技术提供了一种基于瞬时线化的电特性断层成像方法、系统、设备及介质，其中方法包括：测量磁共振射频场，基于射频场计算得到发射场；利用数值方法计算得到发射场的点数据信息；基于发射场和发射场的点数据信息，根据麦克斯韦方程组，得到空间中每一点处的电容率初值和电导率初值，并由电容率初值和电导率初值确定约束项K、R1与R2；基于发射场、发射场的点数据信息以及约束项K、R1与R2，根据麦克斯韦方程组结合牛顿迭代法得到迭代方程；基于电容率初值和电导率初值确定迭代方程的初值，将初值代入迭代方程中进行迭代计算，经过若干次迭代后得到空间中每一点处的电容率和电导率；基于空间中每一点处的电容率和电导率输出电特性断层成像图。断层成像图。断层成像图。

【技术实现步骤摘要】
基于瞬时线化的电特性断层成像方法、系统、设备及介质


[0001]本专利技术属于核磁共振成像
，尤其涉及一种基于瞬时线化的电特性断层成像方法、系统、设备及介质。

技术介绍

[0002]对于高场核磁共振成像系统而言，频率会随着场强的变大而变大，波长会随着频率的变大而变小，直至与扫描物体的波长在同一水平。这种状态会引发共振，会使被测物体与射频场相互作用变强，可以利用这种现象来实现成像。上述基于高场磁共振的方法称为介电特性断层成像(MR
‑
ERT)，是一种新的核磁共振量化成像方法。
[0003]生物组织中存在大量水和少量无机盐等电特性较强的物质，而不同组织间物质的分布又各不相同。该特性决定了生物组织是一种电特性较强的物体，可以利用此特性来成像。不同于传统断层成像方法，介电特性断层成像是一种定量测量，这意味着可以量化地进行分析，对癌症的早起分析等一类传统特性成像较难解决的问题，介电特性断层成像有着先天优势。除此之外，介电特性会影响脑内电信号的传播，并与脑组织的类型、活动、功能、衰老、病理改变等信息高度，相关因此MR
‑
EPT有望为研究脑认知与脑疾病提供全新的研究工具。人体内介电特性分布还是计算特定吸收率(SAR)的基础，可以用来评估微波场和射频场下的人体安全。热效应是超高场磁共振成像系统一直需要面对的一个很严重的安全问题，而对于人体组织的介电特性的准确成像能够有助于SAR的研究，推动超高场磁共振系统能够更安全地应用。
[0004]介电特性断层成像分为两个步骤，第一步是射频场信息的采集。第二步是以麦克斯韦方程为基础，得到介电特性断层成像的方程，然后构造求解电特性分布的数学模型，并根据已采集的射频场信息作为模型的输入，来重建电特性的分布。其中第二步是电特性成像算法所需要研究的重点，如何构建正确的数学模型来更加准确地重建电特性分布。
[0005]目前，用于电特性重建的主流算法，大多数是忽略一些次要问题，或者对方程本身的复杂参数进行简化。有一种经典算法的前提条件是电特性本身分布是均匀的，这种方法被称为Helmholtz EPT。这种方法的缺陷非常明显，就是实际的电特性分布不可能全是均匀的，这意味着方法本身的前提就是不符合现实条件的。这会使得均匀假设失效，从而导致严重的计算误差，会在非均匀区产生很多错误数据。而且，亥姆霍兹方程自身是一个高阶非线性非齐次的偏微分复数域方程，这意味着如果不进行简化，方程本身很难进行求解。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于瞬时线化的电特性断层成像方法，能够在尽量少简化或者更改问题模型的前提下，更加准确地得到电特性断层成像。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种基于瞬时线化的电特性断层成像方法，包括以下步骤：
[0009]S1、测量磁共振射频场，基于射频场计算得到发射场；
[0010]S2、利用数值方法计算得到发射场的点数据信息，点数据信息包括发射场在空间中每一点处沿x轴、y轴以及z轴方向的一阶导数和二阶导数；
[0011]S3、基于发射场和发射场的点数据信息，根据麦克斯韦方程组，计算得到空间中每一点处的电容率初值和电导率初值，并由空间中每一点处的电容率初值和电导率初值确定约束项K、R1与R2；
[0012]S4、基于发射场、发射场的点数据信息以及约束项K、R1与R2，根据麦克斯韦方程组结合牛顿迭代法，得到迭代方程，迭代方程如公式(1)所示：
[0013][0014]式中，u
n
表示第n代的u，f(u)为由发射场B的点数据信息确定的函数，α为阻尼因子向量；
[0015]S5、基于空间中每一处的电容率初值和电导率初值，确定迭代方程的初值，将初值代入迭代方程中进行迭代计算，经过若干次迭代后得到空间中每一点处的电容率和电导率；
[0016]S6、基于空间中每一点处的电容率和电导率输出电特性断层成像图。
[0017]进一步地，在迭代方程中，f(u)如公式(2)所示：
[0018]f(u)＝Au+Cu2ꢀꢀ
(2)
[0019]式中，u2为一列向量，u2的每一项的通式为A为矩阵，如公式(3)所示：
[0020][0021]式中，变量如公式(4)所示，变量γ如公式(5)所示：
[0022][0023][0024]C为矩阵，如公式(6)所示：
[0025][0026]进一步地，在迭代方程中，阻尼因子向量α的计算方式如下：
[0027]构建一个nx*ny*nz的矩阵Q，Q每一点的值如公式(7)所示：
[0028][0029]式中，σ
m
和ε
m
均为参数；
[0030]设一矩阵V，对于V中每一点v,均有在Q中对应的以v坐标为中心的m*m矩阵T，v的值如公式(23)所示：
[0031]v＝min(T)
ꢀꢀ
(8)
[0032]将矩阵V一一映射到阻尼因子向量α中即得到阻尼因子向量α。
[0033]进一步地，由空间中每一点处的电容率初值和电导率初值确定约束项K、R1与R2的步骤包括：
[0034]对于空间中每一点处的电容率初值和电导率初值，判断电容率初值和电导率初值沿各方向导数是否为0；
[0035]若是，则将电容率初值和电导率初值记为目标电容率初值和目标电导率初值，目标电容率初值和目标电导率初值不参与迭代，并根据目标电容率初值和目标电导率初值构造约束项K；
[0036]若否，则将电容率初值和电导率初值记为迭代电容率初值和迭代电导率初值；
[0037]约束项R1为规模为1*(n
x
*n
y
*n
z
)的列向量，约束项R1中每一项的通式如公式(9)所示：
[0038][0039]式中，λ
R1
为约束项R1的系数，ω为核磁共振设备对应的拉莫尔进动频率，n0与(x0,y0,z0)满足如公式(10)所示的关系：
[0040]n0＝n
z
*n
y
*x0+n
z
*y0+z0ꢀꢀ
(10)
[0041]f
R1
如式(11)所示：
[0042][0043]式中，θ
r
为参数；
[0044]常数项θ
t0
如公式(12)所示：
[0045][0046]式中，常数p为目标电容率初值的数量；
[0047]约束项R2为一规模为1*(n
x
*n
y
*n
z
)的列向量，约束项R2如公式(13)所示：
[0048][0049]式中，λ
R2
为约束项R2的系数，为拉普拉斯算子，u为一规模为1*(n
x
*n
y
*n
z
)的列向量，u的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于瞬时线化的电特性断层成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、测量磁共振射频场，基于射频场计算得到发射场；S2、利用数值方法计算得到发射场的点数据信息，所述点数据信息包括发射场在空间中每一点处沿x轴、y轴以及z轴方向的一阶导数和二阶导数；S3、基于发射场和发射场的点数据信息，根据麦克斯韦方程组，计算得到空间中每一点处的电容率初值和电导率初值，并由空间中每一点处的电容率初值和电导率初值确定约束项K、R1与R2；S4、基于发射场、发射场的点数据信息以及约束项K、R1与R2，根据麦克斯韦方程组结合牛顿迭代法，得到迭代方程，所述迭代方程如公式(1)所示：式中，u
n
表示第n代的u，f(u)为由发射场B的点数据信息确定的函数，α为阻尼因子向量；S5、基于空间中每一处的电容率初值和电导率初值，确定迭代方程的初值，将初值代入迭代方程中进行迭代计算，经过若干次迭代后得到空间中每一点处的电容率和电导率；S6、基于空间中每一点处的电容率和电导率输出电特性断层成像图。2.根据权利要求1所述的基于瞬时线化的电特性断层成像方法，其特征在于，在迭代方程中，f(u)如公式(2)所示：f(u)＝Au+Cu2ꢀꢀꢀ
(2)式中，u2为一列向量，u2的每一项的通式为A为矩阵，如公式(3)所示：式中，变量如公式(4)所示，变量γ如公式(5)所示：如公式(4)所示，变量γ如公式(5)所示：C为矩阵，如公式(6)所示：3.根据权利要求1所述的基于瞬时线化的电特性断层成像方法，其特征在于，在迭代方
程中，阻尼因子向量α的计算方式如下：构建一个n
x
*n
y
*n
z
的矩阵Q，Q每一点的值如公式(7)所示：式中，σ
m
和ε
m
均为参数；设一矩阵V，对于V中每一点v,均有在Q中对应的以v坐标为中心的m*m矩阵T，v的值如公式(23)所示：v＝min(T)
ꢀꢀꢀ
(8)将矩阵V一一映射到阻尼因子向量α中即得到阻尼因子向量α。4.根据权利要求1所述的基于瞬时线化的电特性断层成像方法，其特征在于，所述由空间中每一点处的电容率初值和电导率初值确定约束项K、R1与R2的步骤包括：对于空间中每一点处的电容率初值和电导率初值，判断电容率初值和电导率初值沿各方向导数是否为0；若是，则将电容率初值和电导率初值记为目标电容率初值和目标电导率初值，目标电容率初值和目标电导率初值不参与迭代，并根据目标电容率初值和目标电导率初值构造约束项K；若否，则将电容率初值和电导率初值记为迭代电容率初值和迭代电导率初值；约束项R1为规模为1*(n
x
*n
y
*n
z
)的列向量，约束项R1中每一项的通式如公式(9)所示：式中，λ
R1
为约束项R1的系数，ω为核磁共振设备对应的拉莫尔进动频率，n0与(x0,y0,z0)满足如公式(10)所示的关系：n0＝n
z
*n
y
*x0+n
z
*y0+z0ꢀꢀꢀꢀ
(10)f
R1
如式(11)所示：式中，θ
r
为参数；常数项θ
t0
如公式(12)所示：式中，常数p为目标电容率初值的数量；约束项R2为一规模为1*(n
x
*n
y
*n
z
)的列向量，约束项R2如公式(13)所示：式中，λ
R2
为约束项R2的系数，为拉普拉斯算子，u为一规模为1*(n
x
*n
y
*n
z
)的列向量，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈武凡，王兆年，阮国辉，夏灵，路利军，
申请(专利权)人：南方医科大学，
类型：发明
国别省市：