技术领域
[0001] 本
发明涉及磁感应
断层成像（MIT），具体涉及一种用于实施RF-安全MIT扫描的方法和监控设备以使得在MIT扫描期间施加在检查对象（特别是患者）上特别是以
比吸收率（SAR）形式的RF电磁（功率）
辐射不超过特定极限值。
背景技术
[0002] 磁感应断层扫描是具有工业和医学方面应用的非入侵式成像技术。MIT基于放置在所关注的待成像的对象周围的RF发射器与RF接收器之间的耦合。更详细地，时变（主）
磁场借助一个RF发射器或多个RF发射器（或发
电机或励磁线圈或元件）而被施加到待成像的对象。由于待成像的材料的三个无源电磁特性（即它的电导率、它的
介电常数和它的磁导率）中的至少一个的原因，在干扰主磁场的对象的材料内引起
涡流，从而产生次生磁场，其借助一个RF接收器或多个RF接收器（或测量或检测线圈或元件）检测到从而生成检查对象的图像。
发明内容
[0003] 为了检查人的组织，利用处于大约在100kHz与大约10MHz之间的量级中的射频（RF）施加主磁场。因此，必须考虑对电磁（EM）功率的比吸收率（SAR）的调整方针，以便避免对象的危险的励磁和变热，特别是在人的组织的情况下。
[0004] 除了RF发射的
信号的
频率之外，比吸收率及其在所关注的对象内的空间分布还依赖于许多其他因素，例如所应用的MIT测量序列、特别是RF脉冲
波形、RF
脉冲持续时间、占空比和在每个RF发射信道中（每个发射信道包括一个或多个RF发射器元件）RF发射的信号的RF幅度或功率，以及RF发射器元件的频率和顺序的和/或并行的使用。
[0005] 而且，必须考虑RF发射器/接收器元件或线圈放置在所关注的对象的周围显著影响了发射的RF信号到所关注的对象中的耦合（即，RF线圈与对象之间的耦合），以及各RF线圈它们自身之间的耦合。已经发现，这两个RF耦合的值或量可以依赖于所述放置而在大约0.01%与10%或更多之间的范围内变化。
[0006] 本发明的一个方面是提供一种用于实施RF-安全MIT扫描的方法和监控设备以使得在MIT扫描期间施加在检查对象上的RF电磁（EM）（功率）辐射不超过特定的预定或规定的极限值或
阈值。
[0007] 在本公开中，术语“RF/EM（功率）辐射”应当特别地被理解为检查对象的比吸收率（SAR），或施加到检查对象的总RF电磁功率，或检查对象内的
温度增加或
电流密度（以便防止不想要的神经刺激），这些都是由在MIT扫描期间借助至少一个RF发射器元件或线圈发射到对象的RF/EM场（特别是RF或MIT测量序列）所引起的。
[0008] 本发明提供一种对所关注的对象实施RF-安全MIT扫描的方法，包括下列步骤：（a）基于用于将RF
电磁场施加到对象的至少一个RF发射器元件或线圈的模型和对象本身的模型，依赖于预期的MIT操作参数实施RF模拟以便估计或预测施加在对象上的RF
电磁辐射值；
（b）比较所估计的或预测的RF电磁辐射值与针对对象预设的、从而提供对象的RF安全的极限值或阈值，并且如果RF电磁辐射值小于所述极限值或阈值，则借助具有所需的MIT操作参数形式的预期的MIT操作参数来实施MIT扫描；
（c）如果RF电磁辐射值等于或超过所述极限值或阈值，则利用
修改的预期的MIT操作参数重复步骤（a）并且随后重复步骤（b）。
[0009] 而且，本发明提供一种能够有利地用在上述方法中的监控设备，以便通过防止RF-链故障、漂移或任何其他MIT系统故障导致施加在对象上的RF辐射不希望的增加来提供附加的RF安全。该监控设备包括：- 在RF发射线圈（Tr1,…,Trn）的输入处的定向
耦合器（Pc1,…,Pcn），其用于耦合输出被送到RF发射线圈的正向RF发射的信号功率的一部分和在RF发射线圈处被反射的所反射的RF发射信号功率的一部分，以及
- 比较和终止设备（C），其用于基于所述耦合输出的各部分之间的差提供施加到所关注的对象上的实际发射的RF功率，用于比较实际发射的RF功率与所需的RF功率，以及用于在实际发射的RF功率超出所需的RF功率大于预定值的情况下终止RF功率的发射。
[0010] 应当理解，本发明的各个特征易于以任意组合方式来组合，而不脱离由所附
权利要求限定的本发明的范围。
[0011] 本发明的其他细节、特征和优点将根据下文参照
附图给出的本发明的优选的和示范性
实施例的描述而变得清楚。
附图说明
[0012] 图1示出估计或预测检查对象的比吸收率的方法的
框图；以及图2示出与MIT装置的组件相关的监控设备的基本组件的框图。
具体实施方式
[0013] 如上所述，在检查人的组织时非常重要的是，RF辐射、特别是比吸收率（SAR）的特定的预定或规定的极限值不被超过。SAR的或所导致的体内温度增加的直接测量通常是不可能的。取而代之，根据本发明，借助使用至少一个RF发射器元件或线圈的模型（或多个模型，每个模型用于所述多个RF发射器元件或线圈中的一个）并使用对象的模型的数学上的RF模拟工具来估计或预测RF/EM辐射、特别是SAR（或上文提及的其他值中的至少一个），所述至少一个RF发射器元件或线圈被用于将RF场施加到对象。这些模型分别描述了如RF模拟工具所需要的用于计算上述RF/EM辐射程度的所述至少一个RF发射器元件或线圈的特性和对象的特性。
[0014] 更详细地，所述至少一个RF发射器元件或线圈的模型是几何形状的、RF特性的和所述至少一个RF发射器元件或线圈相对于待成像的对象的
位置的模型。对象的模型是几何形状的和对象的RF特性的模型。
[0015] 已知若干个这样的RF模拟工具。它们基于例如如下方法：如
力矩法（MoM）、有限差时域法（FDTD）和其他使用商业可用的麦克斯韦方程的评估的方法。可替代地，可以使用特别开发的RF计算工具，其中考虑
磁感应断层成像的特别条件，比如RF
频率范围和所需的三维模拟
分辨率。
[0016] 一般地，关于如MIT装置中安装的RF发射器元件或线圈（通常使用多个这样的元件或线圈，而不是只有一个元件或线圈）的上述相关的物理和电磁特性和关于它们相对于所关注的对象的位置的数据、以及关于待成像的所关注的对象的上述相关的物理和电磁特性的数据必须被提供作为到这样的RF模拟工具的输入数据，以便使得RF模拟工具能够依赖于预期的MIT操作参数（如待施加到RF发射器元件或线圈的预期的RF功率和待应用的预期的MIT（测量）序列（特别是具有RF脉冲波形、RF脉冲持续时间、占空比、每个RF发射器元件或线圈的RF信号的幅度和RF发射器元件或线圈中若干个的顺序的和/或并行的激活或去活的频率的形式））来估计或预测RF/EM辐射（特别是SAR及其在所关注的对象内的空间分布或电流密度）。
[0017] 这些输入数据是以RF发射器线圈的模型和所关注的对象的模型形式提供的，这些模型分别在数学上描述或代表了所述线圈（和它们相对于所关注的对象的位置）的以及对象本身的上述相关电磁（EM）的RF特性和其他相关物理的RF特性，如上所述。可选地，所关注的对象的运动可以通过向RF模拟工具提供相关的对象运动输入数据来补偿。
[0018] 更详细地，RF模拟工具根据上述输入数据计算由每个RF发射器元件或线圈生成的在所关注的对象内部的RF场分布。
[0019] 随后，预期的MIT序列被分段成多个部分，在此期间，RF发射器元件或线圈的
开关或驱动状态（特别是一个或多个的同时或顺序的激活或去活）和每个RF发射器元件或线圈的/中的RF发射信号的序列参数（例如RF脉冲波形、RF脉冲持续时间、占空比、正弦RF发射信号的大小和频率）至少基本恒定。
[0020] 随后，所计算的RF场分布针对并借助MIT序列的每个部分（
片段）而被缩放为绝对值（即，基于针对每个RF发射器元件的上述预期的RF发射信号），从而导致在所关注的对象内空间相关的RF场分布，其对于MIT序列的每个部分（片段）的持续时间而言是在时间上恒定的。
[0021] 最后，该RF场分布用于通过计算来预测或估计RF/EM辐射、特别是所关注的对象的空间分辨比吸收率、所施加的总RF/EM功率（其在经由多个RF信道的并行发射中不必与所有信道中所施加的功率的和相同）、以及在所关注的对象内的材料的相对密度和
比热容
基础上最坏情况下的温度增加。
[0022] 在针对MIT序列的每个部分或片段计算上述RF/EM辐射值之后，通过将所有部分或片段的RF/EM辐射值相加来计算整个MIT序列的RF/EM辐射的总值。
[0023] 该计算可以借助已知的用于计算预期的MIT测量序列的每个部分或片段的RF/EM辐射的时间的或空间的平均值的
算法来执行。
[0024] 而且，对象内的电流密度也可以借助基于所关注的对象内的组织参数的RF模拟工具来计算，以便防止由于太高的电流密度的原因而发生不希望的神经刺激。
[0025] 这可以借助已知的最大值发现算法来实施，该算法需要时间微分运算（d/dt），因为感应电流源自磁场的随时间变化，其中特别地所关心的是从MIT序列的一个部分或片段到下一个部分或片段的转变。
[0026] 相关于RF安全MIT扫描的这四个总的RF/EM辐射值（SAR、施加的总的RF功率、最坏情况的温度增加和电流密度）中至少一个随后与必须不被超过的相关规定的或预选的极限值进行比较。如果这些RF/EM辐射值中的一个超过所述相关极限值，则选择上述预期的MIT操作参数或MIT序列的其他值，并且重复RF模拟方法直到发现根据RF模拟方法MIT操作参数不会导致总RF/EM辐射超过相关极限值为止，从而使得使用这些MIT操作参数的MIT扫描可以被认为是RF安全的。
[0027] 图1示出根据使用RF发射器元件或线圈的模型和待成像的对象的模型来预测或估计RF/EM辐射值的上述方法的计算方案的示范性框图。
[0028] 在第一步骤10中，启动RF模拟工具。与该步骤同时或在该步骤之前，执行用于建立RF发射器元件或线圈的第一例程20和用于建立待成像的所关注的对象的模型的第二例程30。
[0029] 基于RF发射器线圈的几何形状来执行用于建立RF发射器线圈的模型的第一例程20。该几何形状可以从线圈的CAD模型21、从MIT线圈数据22（其用于图像重构）和/或从例如可从
磁共振成像系统获得的线圈
数据库23中的至少一个获得。
[0030] 此外，线圈模型通过RF特定信息扩展，该RF特定信息例如线圈的集总元件的放置和尺寸，特别是电容器和电感器的放置和尺寸、RF功率源的放置、以及线圈的调谐和匹配。
[0031] 基于可以从其他医疗器械（如CT、
X射线、MRI或电导率成像系统）获得的数据31、合并在MIT系统中的模型32（因为MIT也合并了用于图像重构的对象数据）以及对象模型的数据库33中的至少一个来执行用于建立所关注的对象的模型的第二例程30。依赖于所需的精确性，使用这样的具有有限数量的对象模型（例如仅仅三个不同尺寸的头部模型，或者甚至更简单的该头部的适当尺寸的球形模型）的数据库可能就足够了。
[0032] 所述三个相关的电磁特性（电导率、介电常数和磁导率）可以根据下面的方式取得：- 教科书和出版物（体外测量），
- MIT结果（
迭代的实时精确化（refinement））
- 或可以假设它们是恒定的。
[0033] 随后，借助RF模拟方法将所建立的RF发射器线圈的模型与所建立的所关注的对象的模型组合，并且在第二步骤50中，基于每个单个RF发射器元件或线圈对总的RF场分布的贡献来计算所关注的对象内的RF场分布。
[0034] 可选地，执行用于检测和补偿所关注的对象的运动的第三例程40。该检测和补偿可以基于RF发射/接
收线圈的负载系数的RF测量41、MIT重构数据42（如果可实时获得）和例如借助对象的移动的激光距离测量或视觉记录进行的光学或其他测量43中的至少一个来执行。在这种情况下，第二步骤50中所计算的所关注的对象内的RF场分布另外地考虑到对象的移动。
[0035] 随后，在第三步骤60中，RF模拟工具通过针对预期施加到对象的MIT序列的每个片段（部分）应用RF发射信号61的绝对值来计算所关注的对象内的空间相关RF场分布（如果经由若干源同时应用RF发射信号61（如在MIT中常见的），则必须相应地考虑各个信号和场的
相位）。
[0036] 最后，在第四步骤70中，RF模拟工具借助上面提及的已知的平均算法从针对MIT测量序列的每个部分的空间相关RF场分布计算、估计或预测下列RF/EM辐射值的至少一个：- 总共施加的RF/EM功率（其在经由多个信道的并行RF发射中不必与这些信道中所施加的功率的和相同），
- 空间分辨比吸收率（SAR），作为RF辐射的限制（即RF功率沉积）以W/kg为单位给出，其需要所关注的对象的模型中的材料的相对密度值，以及
- 与所关注的对象的模型内的材料（其而被认为是对象的模型的一部分）的相对密度和比
热容相结合的最坏情况的温度增加，而且多个方法考虑
生物热传递方程（例如在Pennes，H.H：“Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm,”in J.Appl.Physiol,Vol.85,534,1998中公开了该方程）。
[0037] 在许多情况下，除了RF/EM功率沉积的极限值之外，给出所关注的对象内的最大电流密度的极限值，以便防止不希望的神经刺激。这些最大电流密度也可以在第四步骤70中借助RF模拟工具和上面提及的已知的最大值发现算法来计算，该算法考虑到所关注的对象内的组织的参数。
[0038] 随后，如上所述，在第四步骤70中通过将所有部分或片段的上述RF/EM辐射值相加来计算整个MIT序列的RF/EM辐射的总值。
[0039] 最后，可以将上述四个总的RF/EM辐射值（SAR、施加的总的RF功率、最坏情况的温度增加和电流密度）中至少一个与调整的或规定的限值进行比较。如果这些RF辐射值中的一个（例如SAR值）超过相关极限值，则改变MIT操作参数（特别是预期的RF测量序列）中至少一个并且重复所述模拟方法，直到所计算的RF辐射值在规定的极限值内为止，从而使得预期的MIT操作参数可以被认为是RF安全的。
[0040] 上述估计、预测或计算所述四个RF辐射值中的至少一个以及与相关极限值的比较的方法优选地借助计算机以
计算机程序的形式来执行。
[0041] 为了完整起见，应当提及：在上文中首先计算单个RF发射器元件的RF场，并且随后根据针对MIT序列的每个部分的缩放通过加法计算总的RF场分布，但是所述方法可替代地可以以倒序来执行，即首先通过对MIT序列的每个部分的缩放计算每个单个RF发射器元件的RF场贡献并且随后通过加法计算所得的总的RF场分布。
[0042] 这些可替代方案是依赖于RF发射器元件的数量和MIT序列的不同部分的数量而选择的，以便节省计算时间，因为在第一种情况下，单个RF场的计算需要的时间明显多于缩放所需的时间，而在后一种情况下针对每个部分的计算需要的时间明显多于相加得到所得的总RF场分布所需的时间。
[0043] 所计算的RF/EM辐射值可以在
用户界面上显示，以使得在实施MIT扫描时MIT系统的用户可以调节MIT操作参数或将其输入到MIT系统中，根据上述模拟方法所述MIT操作参数已被认为是RF安全的。
[0044] 而且，MIT操作参数可以被自动提交给相关MIT装置或系统以用于执行RF-安全的MIT扫描。
[0045] 提供一种监控设备以便确保上文所计算的RF-安全的MIT操作参数正确地在MIT系统或装置中应用和实现。这种监控设备可以防止RF辐射（特别是施加到所关注的对象的总RF功率）偶然地超过相关RF辐射极限值，特别是在比如RF链中的断掉的线路、MIT系统的组件的漂移或其他故障、或这样的组件（比如
数模转换器和模拟RF
放大器）的错误校准或匹配之类的故障的情况下。
[0046] 图2示出这种用于监控施加到所关注的对象的RF功率的、具有MIT系统或装置的相关组件的监控设备的基本组件的框图。
[0047] 根据图2，待成像的所关注的对象OI被MIT系统的多个RF发射器元件或线圈和RF接收器元件或线圈环绕。第一个RF发射器线圈Tr1和第n个RF发射器线圈Trn，以及第一个RF接收器线圈Rec1和第m个RF接收器线圈Recm被示意性指示。
[0048] RF接收器线圈Rec1,…,Recm连接到用于放大所接收的RF信号并用于将这些信号转换成
数字信号的测量和A/D转换器单元MU。这些信号随后被提供给MIT系统的相关
电路M，以便生成所关注的对象OI的图像。
[0049] 如上所述，已被模拟并如上所述被发现RF安全的并且现在被施加到所关注的对象以便扫描的预期的MIT操作参数以所需的MIT操作参数OP的形式被提供给MIT系统电路M。基于这些所提供的所需的MIT操作参数OP，MIT系统电路M将
控制信号提交给信号发生器S以针对每个RF链或RF信道（即，针对每个RF发射器元件或线圈Tr1,…,Trn）生成数字需求（demand）RF信号。
[0050] 针对每个RF链，所述数字需求RF信号借助
数模转换器D/A被转换成模拟RF信号，其中模拟RF信号代表针对每个RF链的所需的RF发射信号和所需的RF测量序列。
[0051] 每个RF链包括用于放大相关模拟RF信号的RF
功率放大器PA1,…,PAn。每个RF功率放大器PA1,…,Pan的输出端连接到相关的RF发射器线圈Tr1,…,Trn的相应的输入端以便将RF发射信号施加到所关注的对象OI。
[0052] 每个RF功率放大器PA1,…,Pan的输出端与相关的RF发射线圈Tr1,…,Trn之间的每条线路都包含定向耦合器Pc1,…,Pcn，借助这些定向耦合器来耦合输出被送到相关RF发射线圈的正向RF发射信号功率的一部分和在RF发射线圈处被反射的所反射的RF发射信号的一部分。
[0053] 这些RF功率部分被提供给
模数转换器A/D以便将它们转换成数字值。基于正向RF功率与相应的被反射的RF功率之间的差来测量（或计算）实际上从每个RF发射线圈发射的RF发射功率，同时考虑定向耦合器的耦合因子或衰减。
[0054] 所测量的RF发射功率是针对每个信道以数字信号的形式提供给比较和终止电路C的，在该电路中将该数字信号与由信号发生器S生成的并且从中提供的针对每个信道的相关数字需求的RF信号进行比较。如果，例如由于RF链中一个链故障的原因，所估计的针对该RF链的RF发射功率信号偏离针对该链的需求RF信号超过预定值，则相关的RF链（或所有RF链）可以被关闭（逐步地或连续地以避免时间上大的变化，并且RF发射可以借助所述比较和终止电路C来终止。
[0055] 而且，所估计的RF发射功率信号也可以被送到测量单元MU以便校准或调节测量单元MU内RF放大器的增益，该RF放大器被提供用于放大由RF接收器线圈接收的RF信号。
[0056] 如果将RF发射器线圈围绕所关注的对象旋转，则上述监控设备可以另外地设有位置监控设备。而且，如果在每个RF功率信道中RF发射器和接收器线圈被组合成一个收发器线圈，则所述监控设备显然也可以使用。
[0057] 所述监控设备的安装以及借助根据图1的方法对上述四个RF/EM辐射值的估计可以在
体模实验中被校准和验证，在该体模实验中填充有
水或凝胶体的均匀圆柱体代替患者被用作所关注的对象，以便获得由所施加的RF功率引起的比吸收率和温度增加的绝对量度。在所述模拟方法中，几何上简单的对象（如圆柱体）的建模和评估是比较容易的。而且，在均匀的圆柱体内的温度分布可以借助光纤温度
传感器或使用红外摄像机的光学测温法来测量。例如所关注的对象内的电导率的绝对值的测量也可能利用这样的校准系统。
[0058] 尽管已经在附图和前述描述中详细示出并描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性和示范性的而非限制性的，并且本发明不限于所公开的实施例。在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，对前面描述的本发明的实施例的变型是可能的。
[0059] 本领域技术人员在实践要求保护的本发明时通过研究附图、公开和所附权利要求能够理解并实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除复数。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所记载的若干项的功能。在相互不同的
从属权利要求中记载某些措施的起码事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。一种计算机程序可以存储/分布在适当的介质上，比如与其他
硬件一起提供的或作为其一部分的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式比如经由因特网或其他有线或无线电信系统来分布。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制其范围。
