分子ＭＲＩ中的磁敏度精确量化制造技术

提供了一种用于磁源磁共振成像的方法和装置。该方法包括从对象收集能量信号，提供所述对象特征的附加信息，以及根据所述能量信号并根据所述附加信息生成图像，使得所述图像包含所述特征的定量估计的显示，例如对磁敏度的定量估计。所述附加信息可包括所述对象的预定特征，由所述对象生成的幅值图像，或者从所述图像和成像系统之间的不同相对方向上收集到的磁信号。基于所收集的信号和所述附加信息，通过反演运算生成所述图像。该反演运算使得代价函数最小化，其中所述代价函数是通过对从所收集的信号和所述对象的附加信息提取出的数据进行组合而得到的。另外，所述图像被用于检测包括微出血、造影剂及类似情况的多种诊断特征。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及对图像数据的分析，更具体地说，涉及从图像数据中提取出在 图像数据中表现出的对象属性。相关申请的交叉引用本专利申请要求美国临时专利申请号61/125752、美国临时专利申请号 61/125709、美国临时专利申请号61/125710、美国临时专利申请号61/125713、美国临时专 利申请号61/125727和美国临时专利申请号61/125704的优先权，这些临时专利申请均于 2008年4月观日提交。这些临时专利申请中的每一个均针对其描述的全部内容无一例外 地在此通过引用而并入。本专利申请还涉及下述公开出版物Kde Rochefort L等人(2009年)，In vivo quantification of contrast agent concentrationusing the induced magnetic field for time-resolved arterial input function measurement with MRI. Med Phys. 2008Dec ；25(12) :5328_39。2、Liu T ^A (2009 ), Calculation of susceptibility through multiple orientationsampling (COSMOS) -.a method for conditioning the inverse problem from measured magneticfield map to susceptibility source image in MRI. Magn Reson Med. 2009 Jan ；61(1) :196_204。3、de Rochefort L ^A (2008 ), Quantitative MR susceptibility mapping using piecewise constant regularized inversion of the magnetic field. Magn Reson Med. 20080ct；60(4) : 1003-9。4、Spincemaille P等人(2008年)，Kalman filtering for real-time navigator processing. Magn Reson Med. 2008Jul ；60(1) :158_68。这些公开文献中的每一个均针对其描述的全部内容无一例外地在此通过引用而 整体并入。
技术介绍
磁共振成像(MRI)由于其没有致电离辐射、对深层组织的良好灵敏度、丰富的组 织对比度以及高分辨率性能，为从人类到老鼠的不同器官系统的解剖学和功能性成像提供 了许多优点。MRI非常适用于细胞和亚细胞水平的成像事件。用成像回波时间和旋磁常数来划分的相位是生物标记的局部磁场。该局部磁场是 偶极场核与生物标记磁化分布的卷积。从场到源的反演定量地确定了针对给定磁性生物标 记的磁化分布或密度度。分子成像是快速兴起的生物医学研究学科，其包括使用标靶报告制剂或可激活的 报告制剂来感测特定的分子标靶、细胞过程或特定途径。量化对于生物学过程的测量和表 征是必不可少的。尽管MRI是用于分子成像的一个重要工具，但由于在检测到的MR信号强 度与磁性生物标记之间的复杂关系，目前在分子MRI中基于弛豫的量化还是存在问题的。分子成像涉及利用内生或外生生物标记在分子和细胞水平上对生物过程进行体 内可视化和测量。生物标记或造影剂的量化对于进行分子成像以预测疾病并测评治疗效果 是必不可少的。MRI是用于分子成像的一种非常有用的手段，因为它并不利用致电离辐射， 而且提供了不受限的穿透深度和高空间分辨率。但是，目前在分子MRI中基于弛豫测量的 磁性标记量化众所周知是存在问题的1)需要一个标度来进行绝对量化，并且2)当在分子 成像中造影剂结合到细胞和分子上时，对于弛豫(Tl和T2)能够在空间上均勻获得自由水 的假设不成立。在MRI中利用负磁化系数弛豫T2*对比或偏共振现象对造影剂进行可视化 的其他方法没有表明能够实现量化。量化对用于研究健康和疾病状态下的生物化学反应、生物分子途径和生物学过程 的实验方法来说是必不可少的。对分子/细胞事件进行量化的重要性对于分子成像而言 怎么强调都不过分。例如，使用纳米颗粒作为诊断和治疗制剂的载体要求精确计量在患病 组织处积累的纳米颗粒，以做出诊断判断并估计治疗剂量。测量标靶位置处的药物剂量对 于监控治疗过程是非常重要的。对患病组织处的干细胞的计量在优化细胞治疗方案时将是 必不可少的。通过成像进行体内生物化学研究的目标使得量化分子事件成为必要。必须 设定量化精度和可再现性，以对分子MRI方法进行标准化和交叉验证。目前为止还没有有 效的工具来对分子/细胞事件进行量化。分子MRI研究还仅仅是定性的或不完全量化的。 目前用在MRI中的信号变化估计，如在检测用SPIO加标记或作为标靶的细胞时的低信号 (hypointensity)，没有提供绝对量化，可能高度依赖于成像参数、脉冲序列和场强。磁性标 记的绝对量化将使得纵向研究以及相互和内部扫描分析成为可能，这些研究和分析对于基 于分子成像的诊断方法和治疗方法来说是非常重要的。一个特别的例子是开发靶向癌灶疗法，其目标是杀死肿瘤而不损伤健康组织。在 人体系统中许多可能的药物相互作用使得很难提高所需的位置特异性，而且对药物的生物 学分布进行非侵入式定量测定将是引领癌灶靶向技术发展的非常有用的工具。近来已经开 发出了用SPIO承载的多功能聚合胶团和用于癌灶靶向输送的阿霉素。现有的MRI技术允 许对SPIO进行可视化，但不能对SPIO进行量化。另一个例子是开发对基因表达的非侵入式MRI0使用光学或放射性报告制剂对基 因表达进行体内检测在监测细胞运输(cell trafficking)、基因置换疗法、蛋白间相互作 用、神经原塑造和胚胎发育方面展现出良好的前景；但是，克服组织的不透明问题以及分辨 率限制仍然是一项关键性的挑战。已经开发出了生成造影剂的MRI报告制剂，提供了高分 辨率深度组织体内成像和解剖学校正。现有的MRI技术允许良好的可视化，但由于对弛豫 而言自由水受限，因而不能对基因表达的造影剂精确定量。为了研究生物医学应用，已经使用了超导量子干涉装置(SQUID)和MRI信号相位 来研究生物材料的磁敏度测量。评价对象的磁敏度的基本方法是用已知的原始磁场来对对 象进行极化，并测量与极化后的对象的磁化相关的场。麦克斯韦方程决定了被测的场与对 象磁化之间的关系。多个对象的场根据重叠原理线性叠加到一起。生物材料和实际浓度下的造影剂的容积磁敏度远小于1 ( << IOOppm)，因此它们的相互极化效应可以忽略。在分子MRI中利用传统的弛豫磁敏对比机制来进行量化是存在困难的。例如，使 用超导检测线圈，超导量子干涉装置(SQUID)能够检测出通过原始场被磁化的对象的磁场 的微小磁通。假设该对象由均勻磁敏度分布的区域组成，通过数值计算得到的几何形状参 数将局部磁敏度与SQUID线圈磁通相关，这样可以通过对一组线性方程进行反演来估值。 并且还已经提出通过利用多个SQ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于根据从对象收集的能量信号提供图像的方法，该方法包括：　　从所述对象收集能量信号，其中所述能量信号包括复信号；　　提供所述对象特征的附加信息；以及　　根据所述能量信号并根据所述附加信息生成所述图像，使得所述图像包含所述特征的定量估计的显示。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US61/125,7092008年4月28日1.一种用于根据从对象收集的能量信号提供图像的方法，该方法包括 从所述对象收集能量信号，其中所述能量信号包括复信号；提供所述对象特征的附加信息；以及根据所述能量信号并根据所述附加信息生成所述图像，使得所述图像包含所述特征的 定量估计的显示。2.如权利要求1所述的方法，还包括利用所收集的复信号生成中间数据。3.如权利要求2所述的方法，其中所述中间数据是根据相位数据生成的。4.如权利要求1所述的方法，其中所述复信号是核磁共振过程中的信号。5.如权利要求1所述的方法，其中所述复信号是声波。6.如权利要求1所述的方法，该方法还包括基于所述图像检测化学反应，并确定所述 化学反应的定量信息。7.如权利要求1所述的方法，还包括基于一系列图像监测化学反应。8.如权利要求1所述的方法，还包括基于图像监测颗粒稳定性。9.如权利要求1所述的方法，其中所述附加信息是独立于所述复信号而被确定的。10.如权利要求1所述的方法，其中所述附加信息包括由所述对象的已知属性确定的 fn息ο11.如权利要求1所述的方法，还包括从所述图像消除不希望有的影响。12.如权利要求11所述的方法，其中所述不希望有的影响是由噪声、背景场或化学位 移造成的。13.如权利要求1所述的方法，其中所述复信号是磁共振信号，而空间特征是所述对象 的磁敏度分布。14.如权利要求13所述的方法，其中由所述磁共振信号中的相位信息确定一局部磁场。15.如权利要求13所述的方法，其中所述对象是患者身上的至少一个部位。16.如权利要求13所述的方法，其中所述磁敏度分布在空间上是变化的。17.如权利要求13所述的方法，其中所述磁共振信号包括第一组成像信号，而所述附 加信息包括第二组成像信号。18.如权利要求13所述的方法，其中所述附加信息把一个或多个预定特征赋予所述对 象的所述图像。19.如权利要求13所述的方法，还包括通过在数字处理器上使代价函数最小化来生成 所述图像。20.如权利要求1所述的方法，还包括根据空间特征对所述图像进行颜色编码。21.如权利要求20所述的方法，还包括通过将经颜色编码的图像和所述对象的另一图 像进行组合来生成合成图像。22.如权利要求21所述的方法，其中所述对象的所述另一图像包括计算机断层扫描图 像、磁共振图像以及超声波图像中的至少一种。23.如权利要求1所述的方法，还包括对所述图像进行处理以在计算机辅助诊断中使用。24.如权利要求13所述的方法，还包括从所述图像提取所述磁敏度分布的定量信息。25.如权利要求13所述的方法，其中所述附加信息包括由所述对象生成的幅值图像。26.如权利要求25所述的方法，还包括 基于所述信号生成所述对象的幅值图像； 将所述幅值图像分成一个或多个图像区域；以及根据所述磁共振信号和分区后的幅值图像生成所述对象的所述图像，其中所述对象的 图像具有一个或多个图像区域，对应于分区后的幅值图像的那些区域。27.如权利要求13所述的方法，其中所述附加信息包括所述对象的预定特征。28.如权利要求27所述的方法，还包括根据从所述对象收集的信号生成所述对象的幅值图像；以及 通过利用分区操作，从所述幅值图像提取所述预定特征。29.如权利要求27所述的方法，其中生成所述对象的所述图像还包括基于所述磁共振信号和所述预定特征生成代价函数，其中所述代价函数至少具有基于 所述磁共振信号的第一项和基于所述预定特征的第二项；以及 使所述代价函数最小化。30.如权利要求四所述的方法，其中所述代价函数根据迭代操作被最小化。31.如权利要求四所述的方法，其中所述代价函数是贝叶斯公式。32.如权利要求30所述的方法，其中所述迭代操作是基于共轭梯度法、对偶坐标上升 法、交叉熵法和基于同伦延拓的方法中的一种。33.如权利要求四所述的方法，其中所述第一项指示了所收集的磁共振信号与所述磁 共振信号的估计之间的差。34.如权利要求四所述的方法，其中所述第二项对磁敏度不变的区域内的磁敏度值进 行正则化。35.如权利要求四所述的方法，其中所述第二项对磁敏度变化的区域内的磁敏度值进 行正则化。36.如权利要求四所述的方法，其中所述第二项具有至少两项。37.如权利要求36所述的方法，其中的一项对磁敏度不变的区域内的磁敏度值进行正 则化，另一项对磁敏度变化的区域内的磁敏度值进行正则化。38.如权利要求33所述的方法，其中所述磁共振信号的估计包括一个核函数与所述磁 敏度分布的定量估计的卷积。39.如权利要求四所述的方法，其中所述第一项包括一个对应于噪声信号的加权因子。40.如权利要求39所述的方法，所述方法还包括 从所述磁共振信号提取所述噪声信号；计算所述噪声信号的协方差；以及基于所述噪声信号的协方差确定所述加权因子。41.如权利要求39所述的方法，其中所述加权因子是所述噪声信号的协方差矩阵。42.如权利要求33所述的方法，其中所述第一项包括所述差的1-2范数。43.如权利要求四所述的方法，其中表示所述预定特征的所述第二项包括1-2范数、 1-1范数、1-0范数、1-1. 1范数、Lp范数以及小波运算中之一。44.如权利要求四所述的方法，其中所述第二项包括线性算子。45.如权利要求44所述的方法，其中所述第二项包括缩放因子。46.如权利要求四所述的方法，其中所述第二项根据所述对象的所述预定特征调整所 述图像。47.如权利要求四所述的方法，其中所述第二项指示了至少一个边界条件。48.如权利要求四所述的方法，其中所述第二项包括线性和非线性正则项中的至少一个。49.如权利要求四所述的方法，其中所述第二项与所述磁敏度分布的先验概率有关。50.如权利要求19所述的方法，其中所述代价函数包括下列项\W{CX - δ)1+^lw0Xt+βψρχΙ,其中C是通过对卷积核函数进行离散化而得到的卷积矩阵，X是所述对象的图像，δ表 示从所述磁共振信号获得的归一化局部磁场，W、Wc^n W1为加权矩阵，α和β为正则化参 数，G是梯度算子，11 I |2为1_范数算子。51.如权利要求19所述的方法，其中所述代价函数包括下列项||w(r)(5b(r)-d(r) X(r))||22 + a||(S[x(r)])||p + p||(G[X(r)]/G[I(r)])||p其中w(r)是权重，δ表示从所述磁共振信号获得的归一化局部磁场，α和β为正则 化参数，其中S[]是根据幅值T2*图像I(r)所定义的分区算子，G[]是梯度算子，Μ I ^为 Lp范数算子。52.如权利要求19所述的方法，其中所述代价函数包括下列项 ||w(r)(6b(r)-d(r) x(r))||22 + a||(S[X(r)])||p + β|| g[x(r)]/xm _ g[I(r)]/Im||p其中w(r)是权重，δ表示从所述磁共振信号获得的归一化局部磁场，α和β为正则 化参数，其中S口是由幅值Τ2*图像I(r)所定义的分区算子，G口是梯度算子，I I I IpSLp 范数算子。53.如权利要求50所述的方法，其中Wtl包括所述磁敏度分布的先验信息。54.如权利要求53所述的方法，其中所述先验信息是从所述对象的幅值图像获得的。55.如权利要求M所述的方法，其中所述先验信息包括从所述幅值图像获得的梯度信肩、ο56.如权利要求10所述的方法，其中所述已知属性是与从所述对象收集的复信号无关 地确定的。57.如权利要求10所述的方法，其中所述已知属性包括由从所述对象的不同方向上收 集的复信号所确定的信息。58.如权利要求15所述的方法，包括检测微出血。59.如权利要求58所述的方法，包括由所述图像确定所述微出血的时间。60.如权利要求58所述的方法，包括确定所述微出血的时间。61.如权利要求15所述的方法，其中所述图像包含血液移动的定量信息。62.如权利要求1所述的方法，其中所述图像包含一种金属化合物的定量信息，而所述 方法还包括检测该金属化合物。63.如权利要求62所述的方法，包括基于所述定量信息对所述金属化合物进行量化。64.如权利要求63所述的方法，其中所述金属化合物包括铁、铜和锰化合物中的至少一种。65.如权利要求1所述的方法，其中所述图像包含矿物质的定量信息，而所述方法还包 括检测该矿物质。66.如权利要求65所述的方法，包括基于所述定量信息对所述矿物质进行量化。67.如权利要求66所述的方法，其中所述矿物质包括患者体内的钙化沉积物和骨组织 中的至少一种。68.如权利要求65所述的方法，其中所述定量信息指示了心血管系统内的钙化沉积 物、骨量和骨密度中的至少一种。69.如权利要求15所述的方法，其中所述图像包含给所述患者服用的造影剂的定量信 息，所述方法还包括检测所述造影剂。70.如权利要求69所述的方法，还包括确定所述造影剂的定量信息。71.如权利要求70所述的方法，其中所述造影剂是钆基造影剂、铁基造影剂、锰基造影 剂、钡基造影剂、氟碳基造影剂和粘土造影剂中的一种。72.如权利要求15所述的方法，其中所述图像包含与给所述患者服用的造影剂相结合 的治疗剂的定量信息，所述方法还包括检测所述治疗剂的存在。73.如权利要求72所述的方法，还包括确定所述治疗剂的定量信息。74.如权利要求73所述的方法，其中所述治疗剂是细胞治疗剂、抗体、小分子、核酸和 基因治疗载体中的一种。75.如权利要求15所述的方法，其中所述图像包含与给所述患者服用的造影剂相结合 的诊断剂的定量信息，所述方法还包括检测所述诊断剂的存在。76.如权利要求75所述的方法，还包括确定所述诊断剂的定量信息。77.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：王乙，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：发明
国别省市：US