文摘
磁共振电阻抗断层扫描(MREIT)措施磁通密度信号通过使用磁共振成像(MRI)以可视化的内部电导率和/或电流密度。理解内部电流密度的重建过程,我们直接测量的二阶导数测量的数据讨论数据,我们可以避免乏味的相位获取阶段的信号。我们确定最优加权因素结合磁通密度数据的衍生品,,测量使用multi-echo火车。该方法重构内部电流密度使用诱导内部电流和测量之间的关系数据。幻的实验结果表明,该方法减少了扫描时间和提供内部电流密度,同时抑制背景磁场不均匀性。实现真正的实验中,我们使用一个幽灵与生理盐水包括一个气球,它不包括任何其他工件的浓度梯度的幻影。
1。介绍
磁共振电阻抗断层扫描(MREIT)可视化横断面电导率和/或人体内部的电流密度。MREIT技术注入电流通过附加电极为了探测成像主体措施诱导磁通密度,使用核磁共振扫描仪在主题。核磁共振成像扫描仪只有措施诱导磁通密度的分量;因此MREIT技术集中在重建内部电导率和/或使用可测量的电流密度数据,而不是主题旋转(1- - - - - -18]。
MREIT技术用于重建电导率和/或电流密度被广泛开发和已经达到的阶段成像为活的动物和人体实验18,19]。由于低信噪比的测量数据在当前MREIT实验,关键是在MREIT减少扫描时间,同时保持空间分辨率和足够的对比度,实用在活的有机体内MREIT的实现。
为了提高测量的质量数据,测量技术注入电流非线性编码(ICNE)方法开发,延伸注入电流的持续时间在年底前读出梯度为了最大化信号强度的磁通密度20.]。出于ICNE脉冲序列的方法,一种ICNE-multiecho技术开发和优化,找到一个最优权重因子的多个测量数据(21]。
MREIT技术通常使用一个交叉收购,扫描每个阶段编码连续注射两种电流具有正面和负面的极性相同的扫描时间和幅度的两倍信号,抵消背景磁场不均匀性。为了减少扫描时间,测量,(22]重建相位信号通过填写部分讨论区域使用交叉测量属性。
功能性磁共振成像(fMRI)已经应用于广泛的可视化脑内神经活动的神经科学研究的一个快速和直接的方式23- - - - - -25]。快速MREIT成像技术已被建议作为一个有前途的成像技术的持续的监控主体内部电性质(26]。在本文中,我们提出一个方法来监控时空内部电流密度变化的主题通过使用快速梯度multi-echo脉冲序列测量最大化信号在扫描时间短。此外,我们获得的直接测量方法而不是测量的数据讨论数据。该方法还可以避免乏味的展开过程中,可能引入阶段工件在恢复阶段的信号。
复苏的内部电流密度,我们调查的重建过程内部电流密度的测量数据。在文献[27),预计电流提供的分解,在那里是内部注入电流和电流密度影响的是一个确定组件的从测量数据。预计当前真正的电流是相同的当分的是一样的在哪里是背景电流的分量。
预计当前可以确定一个具体形式由当前的背景吗和解决二维谐波方程狄利克雷条件相匹配的外部表面注入电流。恢复内部电流密度使用生成的注入电流引起的,我们只使用的二阶导数和,这是需要解决的二维谐波方程。
减少噪音的工件,我们应用ICNE-multi-echo训练基于快速梯度回波和解决的最优权重因子,,在那里表示的数量在每个射频脉冲回声。
为了验证该方法是如何工作的,我们设计了一个幻影与生理盐水和幻影内部固定的一个气球,气球膨胀通过注入相同的生理盐水。幻影旨在提供一个均匀大小的图像,但是气球内的恢复电流密度不同。实验,总扫描时间是12.36秒获得完整的使用交叉讨论数据采集以实现该方法空间矩阵的大小。幽灵的实验表明,该方法减少了扫描时间和恢复内部电流密度,同时抑制测量噪声工件。
2。方法
我们将当前通过附加电极三维圆柱进行对象以其电导率分布。注入电流产生的电压分布满足以下椭圆偏微分方程: 在哪里向外单位法向量和吗的法向分量电流密度。很明显,由于在。的电流密度和磁通密度在满足安培定律毕奥萨伐尔定律,Tm /磁导率的自由空间。我们让在哪里是选择成像片的中心。
2.1。测量使用交叉ICNE收购
对于交叉ICNE采集方法,我们注入积极的和消极的电流,和每个阶段,通过附加电极扫描编码连续。对于标准的自旋回波脉冲序列没有电流注入,讨论信号可以表示为先生 在哪里是真正的横向磁化,表示阶段工件背景场的不均匀性,和字段的视图的倒数吗方向和方向,分别。在数据采集期间,我们集 和样本中的数据(2)有限 上述参数的名称 :质子的旋磁比, :磁读梯度强度, :采样间隔, :相位编码步骤, :相位编码时间间隔, :采样点的数量, :相位编码行数。
对于传统MREIT的情况,我们注入电流的持续时间从结束的射频脉冲的开始阅读梯度。在这种情况下,诱导磁通密度由于注入电流提供了额外的旋转,因此额外的零相位化阶段期间积累。相应的讨论数据注入电流可以表示成 使用符号 我们可以计算出磁通密度作为 在哪里和想象的和实际的部分吗,分别。
在传统MREIT情况下,噪声测量的标准偏差,作为已知量,这是当前注射时间成反比和先生级图像的信噪比如下(28,29日]: 先生自ICNE脉冲序列注入电流,直到读梯度,年底的总电流注入时间ICNE情况和讨论数据表示为 在哪里数据采集时间。常规自旋回波,ICNE电流注入方法演示了更好的信噪比测量磁通密度数据比传统的电流注入方法。最优数据采集时间已经计算了常规自旋回波为 优化降低了噪音数据,是射频脉冲的时间(30.]。
先生ICNE脉冲序列情况下,噪声测量的标准偏差,,给出如下(30.]: 然而,长时间的数据采集时间,可能遭受不良的构件(如模糊,化学位移和运动构件沿相位编码方向。减少不良工件,我们将长时间的数据采集时间分成几个短的ICNE-multi-echo先生脉冲序列。
2.2。测量使用ICNE-Multiecho火车
使用ICNE-multi-echo先生脉冲序列,测量讨论数据可以表示为 在哪里是回声的数字,是th时间注入电流的宽度,和表示分别th横向磁化强度和相位的工件。
图1礼物的示意图ICNE-multi-echo先生基于梯度回波脉冲序列的脉冲序列。通过快速傅里叶逆变换,ICNE-multi-echo序列生成多个不同的振幅大小取决于复杂的图像衰变和不同宽度的电流注入时间: 使用的关系(13),我们得出一个公式作为 在哪里表示的二维梯度。诱导在(14)工件去除低频阶段通过减去在(14)。
计算向量对应于包括不可避免的测量噪声。当我们考虑的分解形式,旋度是不可避免的一部分测量噪声,散度程序在(14)取消,因此测量包括去噪过程通过抑制测量噪声的一部分。
2.3。最佳组合的测量,
测量,包括不同数量的不可避免的噪声,因为横向磁化强度和注入电流的宽度是不同的在每个回声。
噪声标准差在(14)给出 的常数只有与数值不同,表示的信噪比th级先生的形象。
因为测量的噪音水平,在(14)是作为已知量,我们可以利用已知的信息确定一个优化它结合了多: 确定权重因素的问题为可以制定 在哪里表示噪声的方差,在(14)。
以下类似的参数(21),加权因素可以确定为 在哪里在(13)是测量的快速傅里叶逆变换讨论数据。
2.4。恢复使用优化的内部电流密度
内部电流密度和磁通密度在满足安培定律在哪里磁导率的自由空间。磁谐振电流密度成像(MRCDI)技术,它允许对象的旋转在磁共振扫描仪,直接可视化内部电流密度测量的全部组件(31日]。
MREIT技术关注可视化内部电流密度只使用的组成部分没有旋转。一个圆柱形成像领域可以表示成 在哪里表示中间片成像问题。
在文献[27),唯一可恢复当前的测量数据可以表示为,在那里和。在这里,是一个齐次电压潜在的令人满意吗 和满足以下每片二维拉普拉斯方程: 在哪里和。从优化在(16在每个成像片),我们可以估计在(21)。
方程(20.)和(21)表明,我们可以重建计划从优化立即,而不是通过求解二维拉普拉斯方程在感兴趣的区域(ROI)。预计当前提供了一个最佳逼近真实的电流此外,这一缺口只取决于纵向组件的。
2.5。实验装置
为了演示该方法,我们进行了幻影与生理盐水包括可视化的一个气球内部的电流密度。气球的内部充满了相同的生理盐水和气球的体积控制注射生理盐水,排除其他工件的任何浓度梯度的幻影。图2(一个)说明了幻影气球用于实验,数据2 (b)和2 (c)显示一个设计来描述如何设置气球的幻影。
(一)
(b)
(c)
定位后幻影在3.0 t磁共振扫描仪(阿奇沃,飞利浦),我们收集讨论数据和8路射频线圈使用梯度multi-echo ICNE脉冲序列,延伸在注入电流的持续时间,直到结束的读出梯度(20.]。的最大振幅注入电流5 mA和总成像测量交叉存取时间是12.36秒讨论数据,。切片厚度5毫米,轴向片的数量是一个,重复一次女士,回声间隔女士,翻转角度学位,和multi-echo时间为女士。视场是毫米2矩阵的大小。目前的注射时间为每个回声multi-echo时间几乎是一样的,因为当前不断注入到读出梯度。
3所示。结果
图3(一个)显示了获得级图像,,在那里是th测量加权复杂的图像。图3 (b)显示的是测量图像使用(14)对应th讨论数据,。内部和外部的气球,先生级图像是几乎相同的,因为相同的生理盐水,但测量图像显示的信号反映了电导率变化的内部和外部的气球。
(一)
(b)
自双方,内部和外部的气球,均匀,应该是接近于零,除了气球没有噪声影响的边界,因为每个地区的电导率值是恒定的。评估的噪音水平,我们计算离散规范: 在哪里成像的ROI区域,表示气球的边界是像素大小。
表1显示了规范,的值取决于衰减率和注入电流的宽度。
估计噪音减少到4日呼应,但增加在接下来的回声,因为遵循指数级的强度图像衰变,注入电流的宽度线性增加。
数据4(一)和4 (b)显示测量和图像,分别为, 由于横向注入电流,测量主导内部电流反映出来。
(一)
(b)
数据5(一个)和5 (b)显示重建和图像,分别为,通过求解权重因子(17)。
(一)
(b)
图6显示了电流密度图像中恢复过来,和相应的,回声。获取电流密度图像,我们解决了(20.)背景齐次当前和二维谐波方程(21)反映了测量数据。
(一)
(b)
我们恢复电流密度通过求解(20.)和(21使用优化),在那里通过求解权重因子(17)。的恢复和显示在图7。
(一)
(b)
表2显示了估计噪声水平的恢复和通过计算(22)。估计噪声水平验证该方法由于内部和外部的气球幻影应均匀。
4所示。讨论
自从MREIT技术通常使用交叉相位编码收购方案测量交变磁通密度的两个电流正负极性,我们可以获得线圈的灵敏度信息没有额外的扫描的产品和: 在哪里是th线圈灵敏度和线圈的数量。快速MRI,使用先天的空间信息的多个接收线圈,敏感性编码(感觉)技术可以减少傅里叶编码步骤,同时保留的空间分辨率32]。内部导电率的时空变化,如果我们估计参考线圈灵敏度使用(24),这是独立的注入电流,感觉技术可以适用于该方法可视化内部电流密度结合multi-echo火车。
在本文中,我们直接测量,这是足以重建内部电流密度使用注入的当前信息。该方法测量在(14)可以避免单调乏味的展开过程。该方法可能表现出潜在的应用传统的相位成像技术。
多个回声的最佳组合通过确定最优权重因子(17有效地降低了噪声测量。自衰变率的大小和注入电流的宽度可以确定像素到像素,我们可以确定pixel-wise噪音水平的优化数据。因为大多数算法MREIT技术可视化内部电导率和/或电流密度在整个成像区域由于外部注入电流之间的关系和内部磁通密度测量数据,估计噪声水平可用于确定去噪水平测量数据的缺陷区域。
优化多个回声,我们只考虑均匀分布随机噪声效果,但不可避免的上升或不同的非均匀噪声可能恶化测量数据相结合。因此重要的是要开发一种方法丢弃的非均匀噪声以提高质量的优化过程。
我们未来的研究将集中在减少成像时间和一个可行的噪音水平生产导电率图像的应用功能MREIT成像动物的大脑以可视化快速变化的电导率与神经激活有关。
5。结论
我们使用快速可视化内部电流密度ICNE-multi-echo先生基于梯度回波脉冲序列的两个测量交叉收购。MREIT的交叉采集方法是传统方法来抑制背景磁场不均匀性阶段工件和提高信噪比通过加倍积累阶段的信号。我们使用了multi-echo脉冲序列,获得多个采样点在每个重复的时间。该方法的拉普拉斯算子的直接措施从测量讨论数据,这可以避免乏味的展开过程,包括去噪效果通过消除测量噪声的一部分。我们确定一个最优组合的磁通密度multi-echo为了降低噪音水平。使用的优化,该方法可视化内部电流密度使用诱导内部电流和测量之间的关系数据,而抑制背景磁场不均匀性。一个真正的幽灵与生理盐水实验包括一个气球进行了验证该方法可以轻松应用于真实的实验。幻影实验中的总扫描时间还不到13秒可视化的电流密度空间矩阵的大小。
承认
本文通过基础科学研究项目支持韩国国家研究基金会(NRF)由教育部、科技部(2010 - 0022398,2012 r1a1a2009509)。