一种fMRI中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法

一种fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法
技术领域
1.本发明属于功能磁共振成像技术领域，具体涉及一种fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法。


背景技术：

2.在7t(tesla，特斯拉)超高场磁共振成像系统中，由于磁场强度的提高，图像信噪比以及功能磁共振成像(fmri，functional magnetic resonance imaging))中检测神经元活动时的对比度也随之提高，因此超高场磁共振被广泛应用于亚毫米功能成像中。然而，在超高场磁共振成像中，随着磁场强度的提高，被试运动利用的时域噪声也随之增强，从而极大削弱了超高场下可能达到的成像潜能。迄今为止，功能磁共振成像在缓解时域噪声方面主要致力于改进数据获取方法，如图像后处理和运动校正算法，但很少能从根本上解决磁场强度相关的时域噪声问题。
3.其中，与磁场强度相关的时域噪声可以归因于随着场强提升的射频工作频率，该射频工作频率使得电磁场与被试之间产生更复杂的相互作用。具体的，成像被试与射频线圈之间由于电动力学耦合而作为介质负载，当射频接收线圈的空间位置相对于成像被试发生变化时，电动力学耦合会受到干扰；当线圈与被成像被试的距离保持不变时，电动力学耦合才会达到稳态。
4.现有技术中，mri(magnetic resonance imaging，磁共振成像)获取序列和图像后处理算法中常假设射频接收线圈和被试之间具有恒定的耦合水平，但这在fmri中显然不适用。原因在于：功能磁共振扫描中人体大脑内部不可避免地发生变化，即使受试者的头部是静止的，也会有脑组织的非刚性运动，以及血液和脑脊液等的流动，从而干扰成像被试与射频接收线圈之间的相互作用。尽管有学者研究了射频接收线圈参与影响功能磁共振成像的时域信噪比(tsnr，time signal noise ratio)，但这些研究均无法将射频接收线圈与其他噪声，如生理噪声相互剥离，从而无法获知射频接收线圈本身带来怎样的时域噪声，进而无法获知该射频接收线圈是否适用于功能磁共振成像中。
5.因此，亟需提出一种在功能磁共振成像中，能够有效测量射频接收线圈本身带来的时域噪声的方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法，用于解决现有技术的方法无法将射频接收线圈与其他噪声相互剥离，进而无法获知射频接收线圈本身带来怎样的时域噪声的技术问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供一种fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法，包括：
9.通过在射频接收线圈与被试仿真模体之间分别插入不同厚度的介质件来改变线
圈-模体间距，以模拟线圈与模体之间的相对运动，其中，所述介质件需要满足电导率小于1
×
10-15
s/m，相对介电常数介于1-3之间；
10.采集在插入不同厚度的介质件时所述被试仿真模体的多个回波epi图像，并对多个所述回波epi图像的原始k空间数据进行处理重建，得到本征成像数据；
11.根据所述本征成像数据计算得到线圈的本征时域稳定性参数，所述本征时域稳定性参数至少包括本征时域信噪比、本征时域灵敏度稳定性和本征时域热噪声稳定性。
12.在一种可能的设计中，所述射频接收线圈至少包括单通道接收线圈和/或多通道接收阵列线圈。
13.在一种可能的设计中，所述被试仿真模体包括水模体，所述水模体内部设有模拟人体电特性的填充液，所述电特性至少包括介电常数和电导率。
14.在一种可能的设计中，所述介质件包括填充有聚四氟乙烯材料的塑料垫。
15.在一种可能的设计中，采集在插入不同厚度的介质件时所述被试仿真模体的多个回波epi图像，包括：
16.在插入每一厚度的介质件时，利用短te序列对所述被试仿真模体进行质子密度加权成像，设置n个时域采样点/次，采集得到不同体素分辨率下的多组回波epi图像。
17.在一种可能的设计中，当采用单通道接收线圈时，对多个所述回波epi图像的原始k空间数据进行处理重建，得到本征成像数据，包括：
18.利用傅立叶变换对原始k空间的回波数据进行处理重建，得到本征成像数据，其中，所述本征成像数据的矩阵大小与k空间矩阵大小一致。
19.在一种可能的设计中，当采用多通道接收阵列线圈时，对多个所述回波epi图像的原始k空间数据进行处理重建，得到本征成像数据，包括：
20.利用平方和方法对原始k空间的三维多通道回波数据进行加权组合重建，得到多通道信息压缩后的本征成像数据。
21.在一种可能的设计中，根据所述本征成像数据计算得到线圈本征时域稳定性参数，包括：
22.根据使用不同体素分辨率采集得到的本征成像数据的时域数据，分别计算对应不同体素分辨率下的本征时域信噪比tsnr
*
，包括：
23.计算每一像素点的时域均值和时域标准差，将所述时域均值作为线圈的本征时域灵敏度均值并将所述时域标准差作为线圈的本征时域噪声标准差σ
t*
′
；
24.根据所述本征时域灵敏度均值和所述本征时域噪声标准差σ
t*
′
，计算得到本征时域信噪比tsnr
*
，其中，
25.在一种可能的设计中，在根据所述本征成像数据计算得到线圈的本征时域稳定性参数之前，所述方法还包括：
26.将在射频电源开启时采集得到的本征成像数据作为线圈本征灵敏度数据s
*
；
27.将在射频电源关闭时采集得到的本征成像数据作为热噪声数据，计算得到热噪声标准差
28.根据所述线圈本征灵敏度数据s
*
和所述热噪声标准差计算得到本征信噪比
snr
*
，
29.在一种可能的设计中，根据所述本征成像数据计算得到线圈本征时域稳定性参数，包括：
30.对所述线圈本征灵敏度数据s
*
的时域标准差进行归一化计算，得到本征时域灵敏度稳定性λ
*
，其中，σ
s*
表示线圈本征灵敏度的时域标准差；
31.对所述热噪声数据的时域标准差进行归一化计算，得到本时域热噪声稳定性α
*
，其中，表示被试仿真模体噪声的时域标准差。
32.第二方面，本发明提供一种fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量装置，包括：
33.相对运动模拟模块，用于通过在射频接收线圈与被试仿真模体之间分别插入不同厚度的介质件来改变线圈-模体间距，以模拟线圈与模体之间的相对运动，其中，所述介质件需要满足电导率小于1
×
10-15
s/m，相对介电常数介于1-3之间；
34.成像数据采集模块，用于采集在插入不同厚度的介质件时所述被试仿真模体的多个回波epi图像，并对多个所述回波epi图像的原始k空间数据进行处理重建，得到本征成像数据；
35.时域参数计算模块，用于根据所述本征成像数据计算得到线圈的本征时域稳定性参数，所述本征时域稳定性参数至少包括本征时域信噪比、本征时域灵敏度稳定性和本征时域热噪声稳定性。
36.第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法。
37.第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法。
38.第五方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法。
39.有益效果：
40.本发明通过在射频接收线圈与被试仿真模体之间分别插入不同厚度的介质件来改变线圈-模体间距，以模拟线圈与模体之间的相对运动，从而可以排除所有可能存在于功能磁共振采集中复杂的生理噪声，只考虑由于射频接收线圈与被试模体之间的相对运动带来的时域噪声；通过采集在插入不同厚度的介质件时被试仿真模体的多个回波epi图像，并对多个回波图像进行处理重建，得到本征成像数据；根据本征成像数据计算得到线圈的本征时域稳定性参数，本征时域稳定性参数至少包括本征时域信噪比、本征时域灵敏度稳定
性和本征时域热噪声稳定性，该本征时域稳定性参数可用于指导功能磁共振成像应用中的专用射频接收线圈的设计与使用，提高功能磁共振成像的图像性能。
附图说明
41.图1为本实施例中的fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法的流程图。
具体实施方式
42.为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.实施例
44.由于射频接收线圈的电磁场决定了磁共振信号本征灵敏度和本征热噪声水平，基于此已有本征信噪比snr
*
的概念被提出，通过本征信噪比snr
*
可以根据数值电磁仿真计算来确定实际磁共振扫描时图像信噪比的上限；然而，本征信噪比无法评价时域信号带来的动态噪声，因此，射频接收线圈的本征时域性能应当被量化，并且可以用来评估射频接收线圈对时域噪声的贡献。
45.此外，由于在mri扫描中由射频接收线圈的电动力学所决定的磁共振信号本征灵敏度与本征热噪声水平会有波动，本实施例将其定义为本征时域噪声。由于uhf(特高频)的射频波长较短，由此产生的本征时域噪声可能是与磁场强度相关的时域噪声的主要组成部分，从而恶化了亚毫米空间尺度下的成像性能，因此，本征时域噪声的确定对于提高成像性能具有重要意义。
46.此外，现代mri系统使用射频接收线圈的相控阵列设计，以实现在更大的视野范围上获得比较高的图像信噪比，同时可实现并行成像技术以提高图像编码效率。但线圈不同单元之间与被试载荷之间存在复杂的电动力学耦合，不可避免地会影响并行成像的灵敏度、热噪声和噪声放大因子(g因子)。这种电动力学耦合的扰动会导致相控阵列单元间相互耦合发生变化，从而使本征时域噪声更加复杂。目前还没有方法能够将射频接收线圈与其他噪声，如生理噪声相互剥离，从而无法获知射频接收线圈本身带来怎样的时域噪声，进而无法获知该射频接收线圈是否适用于功能磁共振成像中。基于此，本实施例提出了一种fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法，并通过该方法测量得到射频接收线圈本征时域稳定性参数，用于指导功能磁共振成像应用中的专用射频接收线圈的设计与使用，提高功能磁共振成像的图像性能。以下通过实施例对该方法进行说明，具体如下：
47.如图1所示，第一方面，本实施例提供一种fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法，包括但不限于由步骤s101～s103实现：
48.步骤s101.通过在射频接收线圈与被试仿真模体之间分别插入不同厚度的介质件来改变线圈-模体间距，以模拟线圈与模体之间的相对运动，其中，所述介质件需要满足电导率小于1
×
10-15
s/m，介电常数介于1-3之间，即介电性能对电磁场造成的影响非常小；
49.在步骤s101中，所述射频接收线圈至少包括单通道接收线圈和/或多通道接收阵列线圈，优选的，在本实施例中，选用三个直径为2cm、3.5cm和5cm的单通道接收线圈以及一个覆盖面为5cm直径圆的16通道接收阵列线圈，当然，可以理解的是，本实施例不限于采用上述直径或上述通道数的线圈，任意能够实现本实施例发明目的的线圈结构，均属于本发明的保护范围之内，此处不做限定。
50.在步骤s101中，所述被试仿真模体包括水模体，所述水模体内部设有模拟人体人体电特性的填充液，所述电特性至少包括介电常数和电导率，优选的，所述水模体采用底面直径为11cm，长为20cm的均匀圆柱水模体，且该水模体内的填充液为含有37.5％的niso4
·
5h2o和0.5％的nacl的去离子水；当然，可以理解的，本实施例的被试仿真模体不限于采用水模体，任意能够模拟被试人体电特性的模体，均适用于本实施例的方法中，其中，该仿真模体的电导率和介电常数与人体一致，其体积或形状等参数可根据模拟不同人体而有所不同。
51.在步骤s101中，所述介质件包括填充有聚四氟乙烯材料的塑料垫，优选的，本实施例分别选用厚度为3mm、6mm和8mm的塑料垫，并在每次对被试仿真模体进行扫描之前插入其中一种厚度的塑料垫，则通过插入不同厚度的塑料垫来改变线圈与被试仿真模体之间的间距，从而模拟线圈和被试仿真模体的相对运动；此外，为了保证介质件对射频接收线圈的电磁场特性的影响尽量降到最低，本实施例选用介电性能低于阈值的介质件，优选的，所述介质件采用聚四氟乙烯材料，即特氟龙，介电常数εr＝2.1，当然，可以理解的是，本实施例还能够选用其它低介电常数的材料，此处不做限定。
52.步骤s102.采集在插入不同厚度的介质件时所述被试仿真模体的多个回波epi图像，并对多个所述回波epi图像的原始k空间数据进行处理重建，得到本征成像数据；
53.其中，需要说明的是，优选的，所述回波图像为单次回波epi(echo planar imaging，平面回波成像)图像。
54.在步骤s102一种具体的实施方式中，采集在插入不同厚度的介质件时所述被试仿真模体的多个回波epi图像，包括：
55.在插入每一厚度的介质件时，利用短te序列对所述被试仿真模体进行质子密度加权成像，设置n个时域采样点/次，采集得到不同体素分辨率下的多组回波图像。
56.其中，优选的，本实施例设置30时域采样点/次，并分别采集体素大小为0.85
×
0.85
×
1mm3,1.15
×
1.15
×
1mm3,1.45
×
1.45
×
1mm3,1.75
×
1.75
×
1mm3、2
×2×
1mm3的回波图像，从而可以获得不同的本征信噪比。需要说明的是，由于在采集每组数据时，仅改变了体素大小这一扫描参数，而尽可能不影响其他参数，例如成像范围、对比度等，从而可以通过仅改变采集图像的体素大小来获取不同的本征信噪比。那么，本实施例每一体素大小下能够采集得到一组30个在时间上离散的数据点，且该30个数据点的本征信噪比一致，从而可以对信噪比数据进行校准。
57.在步骤s102一种具体的实施方式中，当采用单通道接收线圈时，对多个所述回波ep i图像的原始k空间数据进行处理重建，得到本征成像数据，包括：
58.利用傅立叶变换对原始k空间的回波数据进行处理重建，得到本征成像数据，其中，所述本征成像数据的矩阵大小与k空间矩阵大小一致。
59.具体的，原始k空间的回波数据nx*ny通过傅立叶变换进行重建得到图像数据nx’*
ny’，其中，nx，ny分别为回波采样数和相位编码数，nx’*ny’分别为对应图像列数和行数，且该图像的矩阵大小与k空间矩阵大小一致。
60.在步骤s102一种具体的实施方式中，当采用多通道接收阵列线圈时，对多个所述回波epi图像的原始k空间数据进行处理重建，得到本征成像数据，包括：
61.利用平方和方法对k空间的三维多通道回波数据进行加权组合重建，得到多通道信息压缩后的本征成像数据。
62.具体的，对于k空间的三维多通道回波数据nx*ny*nch，nch为接收线圈通道数目，需要将其进行压维处理，即压缩至二维数据，即通过平方和方法进行加权组合重建，得到本征成像数据。
63.步骤s103.根据所述本征成像数据计算得到线圈的本征时域稳定性参数，所述本征时域稳定性参数至少包括本征时域信噪比、本征时域灵敏度稳定性和本征时域热噪声稳定性。
64.其中，需要说明的是，所述本征时域信噪比是指仅考虑射频接收线圈和被试样本相对运动，由射频接收线圈灵敏度、热噪声以及二者的时域波动等因素所决定的时域信噪比性能参数，用于评价特定射频接收线圈是否适用于功能磁共振成像这种时域获取应用中，即同时考虑射频接收线圈和被试样本相对运动带来的时域噪声，以及射频接收线圈的灵敏度和热噪声。
65.在步骤s103一种具体的实施方式中，根据所述本征成像数据计算得到线圈本征时域稳定性参数，包括：
66.根据使用不同体素分辨率采集得到的本征成像数据的时域数据，分别计算对应不同体素分辨率下的本征时域信噪比tsnr
*
，包括：
67.计算每一像素点的时域均值和时域标准差，将所述时域均值作为线圈的本征时域灵敏度均值并将所述时域标准差作为线圈的本征时域噪声标准差σ
t*
′
；
68.根据所述本征时域灵敏度均值和所述本征时域噪声标准差σ
t*
′
，计算得*到本征时域信噪比tsnr
*
，其中，
69.在步骤s103一种具体的实施方式中，在根据所述本征成像数据计算得到线圈的本征时域稳定性参数之前，所述方法还包括：
70.将在射频电源开启时采集得到的本征成像数据作为线圈本征灵敏度数据s
*
；
71.将在射频电源关闭时采集得到的本征成像数据作为热噪声数据，计算得到热噪声标准差
72.根据所述线圈本征灵敏度数据s
*
和所述热噪声标准差计算得到本征信噪比snr
*
，
73.在一种可能的设计中，根据所述本征成像数据计算得到线圈本征时域稳定性参数，包括：
74.对所述线圈本征灵敏度数据s
*
的时域标准差进行归一化计算，得到本征时域灵敏
度稳定性λ
*
，其中，σ
s*
表示线圈本征灵敏度的时域标准差；
75.对所述热噪声数据的时域标准差进行归一化计算，得到本时域热噪声稳定性α
*
，其中，表示被试仿真模体噪声的时域标准差。
76.其中，需要说明的是，所述本时域热噪声稳定性α
*
还可以通过拟合本征信噪比snr
*
和tsnr
*
的关系来得到，为验证模型参数α
*
是否可以表征热噪声的时域稳定性，对每个接收线圈的仅含噪声数据计算热噪声的归一化时域方差var，然后通过线性回归分析方法分析其与α
*
之间的关系，若二者相同或相近，则说明模型参数α
*
可以表征热噪声的时域稳定性。
77.基于上述公开的内容，本实施例通过在射频接收线圈与被试仿真模体之间分别插入不同厚度的介质件来改变线圈-模体间距，以模拟线圈与模体之间的相对运动，从而可以排除所有可能存在于功能磁共振采集中复杂的生理噪声，只考虑由于射频接收线圈与被试模体之间的相对运动带来的时域噪声；通过采集在插入不同厚度的介质件时被试仿真模体的多个回波epi图像，并对多个回波图像进行处理重建，得到本征成像数据；根据本征成像数据计算得到线圈的本征时域稳定性参数，本征时域稳定性参数至少包括本征时域信噪比、本征时域灵敏度稳定性和本征时域热噪声稳定性，该本征时域稳定性参数可用于指导功能磁共振成像应用中的专用射频接收线圈的设计与使用，提高功能磁共振成像的图像性能。
78.第二方面，本发明提供一种fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量装置，包括：
79.相对运动模拟模块，用于通过在射频接收线圈与被试仿真模体之间分别插入不同厚度的介质件来改变线圈-模体间距，以模拟线圈与模体之间的相对运动，其中，所述介质件需要满足电导率小于1
×
10-15
s/m，介电常数介于1-3之间；
80.成像数据采集模块，用于采集在插入不同厚度的介质件时所述被试仿真模体的多个回波epi图像，并对多个所述回波epi图像的原始k空间数据进行处理重建，得到本征成像数据；
81.时域参数计算模块，用于根据所述本征成像数据计算得到线圈的本征时域稳定性参数，所述本征时域稳定性参数至少包括本征时域信噪比、本征时域灵敏度稳定性和本征时域热噪声稳定性。
82.本实施例第二方面提供的前述装置的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的方法，于此不再赘述。
83.第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法。
84.具体举例的，所述存储器可以但不限于包括随机存取存储器(random-access memory，ram)、只读存储器(read-only memory，rom)、闪存(flash memory)、先进先出存储器(first input first output，fifo)和/或先进后出存储器(first input last output，
filo)等等；所述处理器可以不限于采用型号为stm32f105系列的微处理器；所述收发器可以但不限于为wifi(无线保真)无线收发器、蓝牙无线收发器、gprs(general packet radio service，通用分组无线服务技术)无线收发器和/或zigbee(紫蜂协议，基于ieee802.15.4标准的低功耗局域网协议)无线收发器等。此外，所述计算机设备还可以但不限于包括有电源模块、显示屏和其它必要的部件。
85.本实施例第三方面提供的前述计算机设备的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的方法，于此不再赘述。
86.第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法。
87.其中，所述计算机可读存储介质是指存储数据的载体，可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(memory stick)等，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。
88.本实施例第四方面提供的前述计算机设备的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的方法，于此不再赘述。
89.第五方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的fmri中射频接收线圈本征时域稳定性参数的测量方法。
90.本实施例第五方面提供的前述计算机可读存储介质的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的方法，于此不再赘述。
91.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。