专利名称:磁化率梯度绘图的制作方法
技术领域:
本发明涉及一种确定磁化率梯度图的方法、一种计算机程序产品以及ー种通过磁共振成像确定对象的磁化率梯度图的设备。当前,尤其是在医学诊断领域中广泛使用了成像MR (磁共振)方法,该方法利用磁场和核自旋之间的相互作用,以便形成2维或3维图像,因为对于软组织成像,它们在很多方面优于其他成像方法,不需要电离辐射并且通常是无创的。
背景技术:
根据一般的MR方法,患者身体或一般对象,必须要布置在强的均匀磁场中,磁场的方向同时定义測量所依据的坐标系的轴(通常为z轴)。磁场独立于磁场強度针对个体核 自旋产生不同的能级,可以通过施加规定频率(所谓的拉莫尔频率或MR频率)的交变电磁场(RF场)激励核自旋(自旋共振)。从微观角度讲,个体核自旋的分布产生整体磁化強度,在磁场垂直于也称为纵轴的z轴延伸的同时,通过施加适当频率的电磁脉冲(RF脉冲)可以使磁化強度偏离平衡状态,使得磁化強度关于z轴进行进动。进动运动描绘出锥形表面,锥形的孔径角称为翻转角。翻转角的大小取决于所施加电磁脉冲的强度和持续时间。对于所谓的90度脉冲的情況,自旋从z轴偏斜到横向平面(翻转角90度)。在终止RF脉冲之后,磁化强度弛豫回初始平衡状态,其中以第一时间常数Tl (自旋-晶格或纵向弛豫时间)再次建立z方向的磁化強度,垂直于z方向的方向上的磁化强度以第二时间常数T2 (自旋或横向弛豫时间)弛豫。可以利用接收RF线圈探測到磁化强度的变化,在MR设备的检查体积之内布置并定向所述接收RF线圈,从而在垂直于z轴的方向上测量磁化强度的变化。例如,在施加90度脉冲之后,横向磁化强度的衰减伴随着由局部磁场不均匀性诱发的核自旋从具有相同相位的有序状态到所有相角均匀分布的状态(去相)的过渡。可以利用重新聚焦脉冲,例如180度脉冲补偿去相。这样在接收线圈中产生回波信号(自旋回波)。为了在身体中实现空间分辨,在均匀磁场上叠加沿三个主轴延伸的线性磁场梯度,导致自旋共振频率的线性空间相关性。那么接收线圈拾取的信号包含可能与身体中不同位置相关联的不同频率分量。经由接收线圈获得的信号数据对应于空间频率域,被称为k空间数据。k空间数据通常包括利用不同相位编码采集的多条线。通过收集若干样本对每条线进行数字化。利用傅里叶变换将ー组k空间数据变换成MR图像。
发明内容
具有与周围偏离的磁化率的对象引起主磁场的局部不均匀性。这适用于金属对象,诸如手术器械、植入物或其他设备、含铁物质,如去氧的血液和自然发生的组织之内的铁沉积、或基于氧化铁的造影剤或标记细胞。这还适用于被成像身体之内的空白区域,因为在空白区域(填充气体)和周围组织之间有显著的磁化率差异。这种效应的利用是用于以下不同MR成像应用的重要工具从检测造影剤(例如SPI0)和自然发生的组织边界到定位设备,例如导管或植入物。通常通过T2或T2*加权序列进行磁化率对比度增强的MR成像。利用这些序列,在局部磁场干扰ー侧由信号损失生成对比度。在这些已知技术生成的图像中,不能将由于场不均匀性造成的暗图像特征与导致如低自旋密度或极短的T2时间的信号损失的其他效应导致的特征区分开。已经提出了几种MR序列以将这种暗信号转换成正对比度。不同的方法展示出明亮的正对比度图像,但需要关于场干扰强度的先验知识以便优化正图像对比度。这一点是利用几种为从梯度回波图像计算正对比度而开发的后期处理方法而避免的。在采集基于梯度回波的图像期间,磁化率梯度局部改变所施加的成像梯度。除了已知的几何失真之外,这还导致k空间中受影响回波的移动。确定针对每个成像体素(3D体素)的这种移动导致磁化率诱发的梯度图。为了确定磁化率梯度图,当前使用两种算法。第一种算法是“初始磁化率梯度绘 中详细论述了这种方法。以更高分辨率产生磁化率梯度图的第二种方法依赖于截短傅里叶变换的使用。这种算法在下文中称为“真实分辨率SGM”,该算法在Dahnke H,Liu W,BowtellR, FranK JA,“Hign Resolution Positive Contrast via Post-Processing fromConventional 3D Imaging,,,Int Soc Magn Reson Med 2008 ; 16 1513 中详细描述。它基于Chen N, Oshio K, Panych LP, “Application of k-space energy spectrum analysis tosusceptibility field mapping and distortion correction in gradient-echo EPI,,,NeuroImage 2006 ;31 :609-622中介绍的k空间能谱分析方法。用于真实分辨率SGM的算法与非常高的计算时间相关联,这阻碍了将它们应用于临床程序。利用上文引用的Chen等人工作中提出的算法,对于64X64X1图像的2D图的计算时间通常为11秒左右,这意味着,例如,对于典型的大脑临床数据集(256X256X 150),计算时间大约为40小时。上文引用的Dahnke等人的工作中提出的真实分辨率SGM改善可以将计算时间減少大约20小时,不过对于临床应用而言仍然太长。因此,容易理解,需要一种改进的方法,用于以高质量和高速确定真实分辨率的磁化率梯度图。因此本发明的目的还有提供ー种MR设备,其能够以高质量和高速度确定真实分辨率磁化率梯度图。根据本发明,公开了ー种确定磁化率梯度图的方法。该方法包括采集磁共振k空间数据集,所述数据集包括磁共振回波数据,以及将所采集的k空间数据集转换成图像数据集I (X,y, Z),其中对于给定k空间方向,例如X,该方法包括如下步骤a)沿所述给定k空间方向对所述图像数据集执行ID离散傅里叶变换,所述ID傅里叶变换得到ー组傅里叶项,所述组的每个傅里叶项都与沿给定k空间方向(X)的k空间指标(index)相关联,b)选择在-N/2和N/2之间沿所述k空间方向平稳变化的截短值(kx),其中N是那个方向上所述k空间数据集的尺寸,c)通过如下方式递归地生成更新图像数据集Ikx1 (X,y, z):确定所述组傅里叶项中相关联的k空间指标数对应于所述截短值的傅里叶项,并从紧接的先前图像数据集生成步骤中生成的图像数据集Ikx-/ (x,y,z)减去所确定的傅里叶项,所述相减得到新的更新图像数据集Ikx1 (x,y,z),d)计算新的更新图像数据集的大小Mkx1 (x,y, z),e)利用増大或减小的截短值(kx)重复步骤b)到d),f)针对给定k空间方向,根据新的更新图像数据集之间的大小变化计算回波移动Cm),
g)根据所述回波移动计算沿所述给定k空间方向的磁化率梯度(Gsu)。优选地,针对所有k空间方向执行上述步骤,其中,之后可以将不同的磁化率梯度图组合成ー个大小梯度图。与用于确定磁化率梯度图的真实分辨率SGM方法的现有技术相比,根据本发明的方法能够显著降低计算时间而不会影响质量,这允许将这种技术应用于临床实践中。例如,在将上述临床数据集用作相应k空间数据集的情况下,可以实现大约10分钟的计算时间。于是,根据本发明,用顺序算法替代现有技术的真实分辨率SGM技术所知的重复完整尺寸3D傅里叶变换的应用,在所述顺序算法中使用递归关系在毎次迭代时更新截短傅里叶变换的计算。所得的算法在大致NxXNyXNzX (Nx+Ny+Nz)次操作中计算3D SGM,从而能够在合理时间内处理大的3D数据集,例如,如在神经学应用中遇到的。通常,SGM技术的输入优选是利用回波序列,例如梯度回波序列,获得的3D,也可能是2D复图像。已知梯度-回波序列通常对BO不均匀性,尤其是对磁化率的局部变化敏感。由于磁化率诱发的BO不均匀性导致的几种效应或伪影是已知的,例如几何失真、急剧信号衰减和回波移动。在SGM技术中,使用从BO不均匀性梯度得到的局部回波移动导出这些梯度的图。由以下方程给出由磁化率诱发的BO不均匀性梯度Gsu导致的局部回波移动m
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^[r,e,s]十 iaSU,[x,y,z] ) . T[x,y,z]( j )其中G是在三个空间方向(r :读出,e :相位编码,s :切片)之一上施加的成像梯度,τ是施加梯度G的时间间隔(针对读出方向的停留时间),TE是序列的预期回波时间。从这个方程,显然看出,对于给定的梯度Gsu,回波移动随着回波时间TE线性増大。可以将上文所示方程中的关系反转以获得简化的公式,其将k空间中的回波移动和磁化率梯度Gsu的強度相关
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(2)其中Gsu是磁化率诱发的BO不均匀性梯度,G是在三个空间方向(r :读出,e :相位编码,s :切片)之一上施加的成像梯度(或梯度增量),m是回波移动,τ是施加梯度G的时间间隔(针对读出方向的停留时间),TE是序列的期望回波时间。真实分辨率SGM方法通过局部计算(即针对每个体素)每个空间方向上的回波移动量而进行。这个步骤是利用k空间谱分析实现的。这种分析的原理在之后的沿X方向计算回波移动的情况下例示。用s (kx, ky, kz)表示所采集的k空间信号,Nx表示沿X方向的采样矩阵的尺度,真实分辨率SGM算法执行以下步骤-对于1 =-版/2...0的每个值,将所有样本3(1^1^,1 ),1^〈1 设置为0。以下将这种截短的量表示为Sb1。然后计算Skx1的3D傅里叶变换的大小,表示为Mkx1O-针对姆个体素计算如下和M1 (x, y, z) =SkxMkx1 (x,y, z)。-针对kx=+Nx/2.· · 0重复同样的程序,其产生M2 (x,y,z)。-将回波移动计算为归ー化差异(M2(x, y, z) -M1 (x,y, z))/M (x,y, z),其中M是S的3D傅里叶变换的大小(无任何截短)。在图I中示出了没有BO不均匀性梯度的情况下,图2示出了在有BO不均匀性梯度的情况下,根据截短程度kx的量Mkx的演变。观察到在第一种情况下针对kx=0的信号下降100,以及在第二种情况下针对kxデO的信号下降200。那么,差异M2 Cx, y, z) -M1 (x, y, z)与X方向上的回波移动mx成比例(參见图2中的附图
标记202),其允许利用上文所示方程(2)计算磁化率梯度Gsu,x。从关于现有技术真实分辨率SGM的以上描述可以理解,在真实分辨率SGM方法中重复执行所有截短的所采集k空间信号的完整尺寸3D傅里叶变换,因此耗费大量时间。根据本发明,用顺序算法代替所采集k空间信号的截短和后继3D傅里叶变换,在顺序算法中使用递归关系。可以利用以下方程理解这种情况IlQ(x,y,z) = I(x,y,z)jl (χ,タ,z) _ J1 (χ,y -S(NX /2 + L·,ァ,ζ)β Λν
Λ/;(χ,ν,ζ) = ||/;(χ,ν,ζ)||(1)在这里,I (x,y, ζ)表示3D复图像,Ikx1 (x, y, z)表示截短信号Skx Ck, ky, kz)的3D傅里叶变换,S (k, y, ζ)表示图像I U,y, ζ)的ID傅里叶变换(沿X方向)的第k傅里叶系数,其中k=0对应于“空值”频率项。必须要指出,可以通过信号S (kx,ky,kz)的3D傅里叶变换获得3D复图像I (x,y,z)。上文所示的方程提供了一种有效率地计算M1的计算中涉及的项Mkx1 (x,y,z)0为了计算M2,对应的关系写为I0 (x, y, z)=I (x, y, ζ)
.2ηχ(Νχ 2-kx)/2 (ズ,)ノ,ζ) ニ /2 I (χ,ア,ニ)-S{Nx/2-kx, V,z)e Nx
= (4)必须要指出,优选针对所有体素(X,y,Z)执行上述方法。优选地,逐个体素进行Ikn1和傅里叶项之间的相減。还必须要指出,针对每个截短值,仅执行一次方程(3)和(4)中指数的计算和存储,例如,通过明确地评估和存储对应的余弦和正弦项。然后在对所有体素迭代时,可以重新使用这些指数。这些指数仅取决于截短值,例如,在X方向上的情况下,其取决于“X”,而非其他两个指标“y,,和“ζ ”。
这种算法在大致(Nx+Ny+Nz) · Nx · Ny · Nz次运算中计算3D SGM。作为对比,初始算法(使用重复的3D傅里叶变换)对于同样的计算需要(Nx+Ny+Nz) · (Nx · Ny · Nz) · In(Nx · Ny · Nz)次运算,不采用递归关系,仅使用ID傅里叶变换,需要Nx · Ny · Nz · (Nx · In(Nx) +Ny · In (Ny) +Ny · In (Ny))次运算。在以上描述中,计算M1和M2,稍后使用其以利用M2和M1之间的归一化差异来计算回波移动。这对应于本发明的实施例,其中在第一次循环中,在步骤b中,所述截短值从O平稳地増大到沿所述k空间方向的k空间数据集尺寸的一半,在步骤c中得到第一新的更新图像数据集并在步骤d中得到第一大小。此外,在本实施例中,在第二次循环中,在步骤b中,所述截短值从O平稳地减小到沿所述k空间方向的k空间数据集尺寸的负一半,在步骤c中得到第二新的更新图像数据集并在步骤d中得到第二大小。此外,在步骤f中,根据所有第二新的更新图像数据集的所有第二大小之和与所有第一新的更新图像数据集的所有第一大小之和之间的差异计算回波移动。
不过,必须要指出这仅仅是实施例。通常,在步骤f中比较针对不同k空间截短值的大小变化并检测对于每个体素发生强度变化的k空间指标就足够了。通过检测强度发生变化的k空间指标,可以确定每个体素的k空间中的移动。利用O和沿给定k空间方向的k空间数据集尺寸一半之间的截短值结合根据第一和第二更新图像数据集所有大小之和之间的差异(即M2-M1)计算回波移动的特征仅仅是鲁棒地确定回波移动。因此,为此目的,分别针对k空间的两个一半,从到1 (kfO)并从另一方向到1 ,执行k空间截短。不过,可以结合步骤c中论述的顺序和递归算法使用检测针对每个体素发生强度变化的k空间指标的任何其他技木。根据本发明的另ー实施例,在计算第一大小或第二大小的每个单独步骤之后,将所述实际计算的第一大小或第二大小加到迄今为止计算的所有第一大小和第二大小之和,得到新的迄今为止(即到目前为止)计算的所有第一大小或第二大小之和。即在每次更新Mkx1和Mkx2之后,计算M1和M2总和。这限制了所提出算法的存储要求。无需在存储器中保存每个大小计算步骤之后的单个大小,而是简单地将新计算的大小加到先前确定的大小,以数学方式表达为M新=M新+M实际计算的。根据本发明的另ー实施例,该方法还包括针对所有剰余的k空间方向重复步骤a到g。例如,这些k空间方向包括读出梯度方向、相位编码方向或切片编码方向之一。因此,通过重复所有步骤,可以提供总的梯度图。根据本发明的另ー实施例,3D和ID离散傅里叶变换是快速傅里叶变换(FFT)。因此,进ー步加快了算法。根据本发明的另ー实施例,在第一次执行步骤c (即递归算法步骤)的情况下,所述方法包括通过对所采集的k空间数据集进行3D傅里叶变换来生成初始图像数据集,其中在这种情况下,在步骤c中,先前的图像数据集生成步骤通过生成所述初始图像数据集来给出。換言之,一开始对所采集的k空间数据集进行3D傅里叶变换,得到初始图像数据集,将其用作在步骤c中递归生成更新图像数据集的起点。在第一次(“更新”)图像生成时,接着从初始图像数据集减去所确定的傅里叶项,可以将更新的图像数据集用于进一歩递归步骤。根据本发明的另ー实施例,所采集的数据集包括具有不同回波时间的多重回波的磁共振回波数据,其中针对姆个回波时间分别确定磁化率梯度图而得到临时(temporary )磁化率梯度图,其中所述方法还包括通过组合所有确定的临时磁化率梯度图计算总磁化率梯度图。例如,多重回波为双重回波。这样允许进一歩改善所得磁化率梯度图的质量,不会在采集和数据处理时间中导致任何可感知的延迟。为了更深入地理解这种情况,參考方程(2),应用本方程得到了不取决于回波时间TE的特定选择的磁化率梯度的測量。不过,TE的选择对所计算的磁化率梯度图的SNR (信噪比)有影响。假设用于计算Gsu的梯度回波图像特征在于SNR等于S/σ (S和σ分别是局部信号幅度和噪声标准偏差),可以显示出在计算回波移动m中的噪声标准偏差与o/S成比例。从方程(2)最終能够得出结论,对于给定的采集參数G和τ,磁化率梯度图的噪声标准偏差与σ / (S · TE)成比例。因此,増大回波时间对SGM的SNR具有直接影响回波时间加倍使得磁化率梯度图的SNR加倍。不过,通过横向弛豫时间Τ2*,信号振幅S也受到TE影响。尽管通过增加TE获得的噪声降低通常超过由于指数Τ2*衰减导致的信号损失,但如果BO不均匀性梯度非常大,可以观察到非常迅速衰减的信号。在这种情况下,在所施加的TE处可能局部不再有可用信号来计算磁化率梯度。为了受益于长回波时间提供的高SNR,同时避免由于非常大BO不均匀性导致的完全信号损失,根据实施例,使用双重回波方法(或通常多重回波方法)。除了在“通常”回波时间TE1处采集的梯度回波图像,额外采集在短回波时间TEtl处的梯度回波图像。通常,因为TE1足够长,所以可以在双重回波扫描中这样做而无任何扫描时间损失。示出了 TEtl和TE1选择的ー个范例是,TE1至少比TEtl大三倍。从两个梯度回波图像Stl和S1,可以通过应用上述SGM技术计算两个磁化率梯度图Gsu,o和GslU。不过,通常可以结合这种多重回波(例如双重回波)方法使用任何SGM技术。通过组合两个图Gsl^tl和Gsiu,获得最佳的磁化率梯度图Gsu。尽管有很多不同方式组合这两幅图,但根据本发明的实施例,可以使用线性组合,选择权重Wtl和W1,以使最终图中的噪声最小化。这样产生了以下方程
权利要求
1.一种确定磁化率梯度图的方法,所述方法包括采集(300)磁共振k空间数据集,所述数据集包括磁共振回波数据;以及将所采集的k空间数据集转换(306)成图像数据集,其中,对于给定k空间方向,所述方法包括 a)沿所述给定k空间方向对所述图像数据集执行ID离散傅里叶变换,所述ID傅里叶变换得到一组傅里叶项,所述组的每个傅里叶项都与沿所述给定k空间方向的k空间指标相关联, b)选择(314)在-N/2和N/2之间沿所述k空间方向平稳变化的截短值,其中,N是所述k空间方向上所述k空间数据集的尺寸, c)通过如下方式递归地生成(310)更新图像数据集确定所述组傅里叶项中相关联的k空间指标数对应于所述截短值的傅里叶项,并从紧接的先前图像数据集生成步骤中生成的图像数据集减去所确定的傅里叶项,所述相减得到新的更新图像数据集, d)计算(312)所述新的更新图像数据集的大小, e)利用增大或减小的截短值重复步骤b)到d), f)针对所述给定k空间方向,根据所述新的更新图像数据集之间的大小变化计算(322)回波移动, g)根据所述回波移动计算(326)沿所述给定k空间方向的磁化率梯度。
2.根据权利要求I所述的方法,其中 -在第一次循环中,在步骤b)中,所述截短值从零平稳地增大到沿所述k空间方向的所述k空间数据集的k空间指标总数的一半,在步骤c)中得到第一新的更新图像数据集并在步骤d)中得到第一大小, -在第二次循环中,在步骤b)中,所述截短值从零平稳地减小到沿所述k空间方向的所述k空间数据集的k空间指标总数的负一半,在步骤C)中得到第二新的更新图像数据集并在步骤d)中得到第二大小, -在步骤f)中,根据所有第二新的更新图像数据集的所有第二大小之和与所有第一新的更新图像数据集的所有第一大小之和之间的差异计算所述回波移动。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,在计算所述第一大小或所述第二大小的每个单独步骤之后,将实际计算的所述第一大小或所述第二大小加到(312)至今为止计算的所有第一大小或第二大小之和,得到新的至今为止计算的所有第一大小或第二大小之和。
4.根据权利要求I所述的方法,还包括针对所有剩余的k空间方向重复步骤a)到g)。
5.根据权利要求I所述的方法,其中,所述k空间方向是读出梯度方向、相位编码方向或切片编码方向之一。
6.根据权利要求I所述的方法,其中,3D离散傅里叶变换和所述ID离散傅里叶变换是快速傅里叶变换。
7.根据权利要求I所述的方法,其中,在第一次执行步骤c)的情况下,所述方法包括通过对所采集的k空间数据集的3D傅里叶变换来生成(302)初始图像数据集,其中,在这种情况下,在步骤c)中,所述先前图像数据集生成步骤是通过生成所述初始图像数据集来给出的。
8.根据权利要求I所述的方法,其中,所采集的数据集包括具有不同回波时间的多重回波的磁共振回波数据,其中,针对每个回波时间分别确定磁化率梯度图,得到临时磁化率梯度图,其中,所述方法还包括通过组合所有确定的临时磁化率梯度图计算总磁化率梯度图。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述多重回波为双重回波。
10.根据权利要求8所述的方法,其中,利用超短回波时间序列执行针对所述多重回波之一的所述磁共振k空间数据集的采集。
11.一种确定磁化率梯度图的方法,所述方法包括采集磁共振k空间数据集,所述数据集包括磁共振回波数据,其中,所采集的数据集包括具有不同回波时间的多重回波的磁共振回波数据,其中,针对每个回波时间分别确定磁化率梯度图,得到临时磁化率梯度图,其中,所述方法还包括通过组合所有确定的临时磁化率梯度图计算总磁化率梯度图。
12.—种计算机程序产品,包括用以执行根据前述权利要求I到10或权利要求11中任一项所述的方法的计算机可执行指令。
13.一种用于通过磁共振成像确定对象的磁化率梯度图的设备,其中,所述设备包括数据采集系统,其用于采集(300)磁共振k空间数据集,所述数据集包括磁共振回波数据,其中,所述设备被布置为将所采集的k空间数据集转换(306)成图像数据集,其中,所述设备还被布置为 a)沿给定k空间方向对所述图像数据集执行ID离散傅里叶变换,所述ID傅里叶变换得到一组傅里叶项,所述组的每个傅里叶项都与沿所述给定k空间方向的k空间指标相关联, b)选择(314)在-N/2和N/2之间沿所述k空间方向平稳变化的截短值,其中,N是那个方向上所述k空间数据集的尺寸, c)通过如下方式递归地生成(310)更新图像数据集确定所述组傅里叶项中相关联的k空间指标数对应于所述截短值的傅里叶项,并从紧接的先前图像数据集生成步骤中生成的图像数据集减去所确定的傅里叶项,所述相减得到新的更新图像数据集, d)计算(312)所述新的更新图像数据集的大小, e)利用增大或减小的截短值重复步骤b)到d), f)针对所述给定k空间方向,根据所述新的更新图像数据集之间的大小变化计算(322)回波移动, g)根据所述回波移动计算(326)沿所述给定k空间方向的磁化率梯度。
14.一种用于通过磁共振成像确定对象的磁化率梯度图的设备,其中,所述设备包括数据采集系统,用于采集磁共振k空间数据集,所述数据集包括具有不同回波时间的多重回波的磁共振回波数据,其中,所述设备被布置为 -针对每个回波时间分别确定磁化率梯度图,得到临时磁化率梯度图, -通过组合所有确定的临时磁化率梯度图计算总磁化率梯度图。
全文摘要
本发明涉及一种确定磁化率梯度图的方法,该方法包括采集(300)磁共振k空间数据集,所述数据集包括磁共振回波数据,其中,使用递归迭代以确定磁化率梯度图。此外,本发明涉及一种确定磁化率梯度图的方法,该方法包括采集磁共振k空间数据集,所述数据集包括磁共振回波数据,其中所采集的数据集包括具有不同回波时间的多重回波的磁共振回波数据,其中,针对每个回波时间分别确定磁化率梯度图,得到临时磁化率梯度图,其中所述方法还包括通过组合所有确定的临时磁化率梯度图来计算总磁化率梯度图。
文档编号G01R33/565GK102713658SQ201180006496
公开日2012年10月3日 申请日期2011年1月19日 优先权日2010年1月22日
发明者J·塞内加, T·珀金斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司