分离了微观结构相关频移的磁化率张量成像方法及系统与流程

本发明涉及医学影像处理，尤其涉及分离了微观结构相关频移的磁化率张量成像方法及系统。

背景技术：

1、磁化率是物质的基本属性，反映物质在外磁场作用下的磁化程度，常用符号表示。生物组织的含铁血黄素、髓磷脂和脱氧血红蛋白会引起组织磁化率的变化，某些疾病也会改变组织磁化率，因此定量磁化率的分布为研究组织功能和特性以及疾病诊断和治疗提供重要信息。

2、脑白质的负磁化率来源于髓鞘，髓鞘具有由脂质和蛋白质组成的多膜结构，髓鞘水填充在脂质双层之间。分子的磁化率来源于各个分子键贡献的三维张量之和，由于髓鞘和蛋白质是非对称分子，因此髓鞘的磁化率表现出各向异性。磁化率张量成像(susceptibility tensor imaging,sti)是利用二阶张量模型来表征组织特别是白质磁化率的各向异性，可以与扩散张量成像(diffusion tensor imaging,dti)互补地对人脑白质纤维束成像。sti以毫米级的分辨率重建脑白质纤维通路和定量白质髓鞘含量变化，获得高信噪比的磁化率成像。

3、生物组织的体磁化率可导致局部磁场变化，从而在组织内产生共振频率的变化即频移。使用梯度回波成像的相位数据，尤其是在高场下，可以检测到这种磁场或者频率的变化并进行高空间分辨率成像。除了体磁化率效应，白质的微观结构及白质纤维的多分区(即轴突、髓鞘和细胞外空间)的场扰动和弛豫率会影响梯度回波的幅值和相位，导致梯度回波的幅值出现非单指数衰减和相位的非线性变化。如附图1所示，在一个体素内，用中空纤维柱模型模拟白质纤维群，白质的微观结构即可用两组中空纤维柱交叉模型表示。纤维柱不同的交叉角度，在相同的主磁场h0产生的频移差别很大。这种微观结构引起的场图扰动不能用sti的体磁化率张量模型解释，如果不将其排除，会在sti图像中产生伪影，并且导致磁化率的定量测量不准确。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出分离了微观结构相关频移的磁化率张量成像方法及系统。

2、本发明提出的分离了微观结构相关频移的磁化率张量成像方法，包括以下步骤：

3、s1、采用三维流动补偿梯度回波序列在六个头部方向上扫描采集16通道多回波复数数据s，并对各个头部方向采集的16通道多回波复数数据s进行预处理以得到六个头部方向多回波相位数据和六个方向多回波幅值数据；六个头部方向具体为头部正位、头部后位、头部左侧位、头部右侧位、头部俯位、头部仰位；

4、s2、基于头部正位方向的多回波幅值数据，得到脑部感兴趣区域的模版m，并以头部正位方向的回波幅值数据为基准对其他方向的多回波幅值数据进行配准，以获得配准矩阵；

5、s3、基于配准矩阵对六个头部方向采集的多回波复数数据s进行处理以得到配准后六个头部方向的多回波相位数据和幅值数据，并对配准后六个头部方向的多回波相位数据进行基于快速开源的最小生成树算法结合模版包romeo template解缠绕，以得到六个头部方向的多个回波解缠绕的相位数据；

6、s4、基于六个头部方向的多个回波解缠绕的相位数据计算出六个头部方向的多个回波的频率图，并基于拉普拉斯边界值背景场去除算法lbv和脑部感兴趣区域的模版m对六个头部方向的多个回波的频率图进行背景场去除，以获得六个头部方向的多个回波局部场图flocal_n；

7、s5、对六个头部方向的多个回波局部场图flocal_n进行基于回波时间依赖的频率拟合，以得到六个头部方向的局部场图cf；

8、s6、对六个头部方向的局部场图cf进行磁化率张量图像重建，以获得头部的磁化率张量分布图。

9、优选地，所述预处理具体包括：

10、对16通道多回波复数数据s取绝对值以得到16通道多回波幅值信号，对16通道多回波复数数据s取角度以得到16通道多回波相位信号；

11、对16通道多回波幅值信号取平方和再开方求得多通道结合的六个方向多回波幅值数据，对16通道多回波相位信号利用测量的三维相位偏移多通道相位结合算法mcpc-3d-s结合得到六个方向多回波相位数据。

12、优选地，步骤s2具体包括：

13、基于头部正位方向的多回波幅值数据，使用脑功能磁共振成像中心软件库脑部提取工具包fsl bet对头部正位方向的第一个回波的幅值图进行去脑壳处理，得到脑部感兴趣区域的模版m；

14、以头部正位方向的信噪比和对比度都较好的第三个回波幅值数据为基准，使用医学图像自动配准工具仿射变换工具包ants affine并选用各个方向中第三个回波幅值数据对其他方向进行图像配准，以获得配准矩阵。

15、优选地，步骤s3具体包括：

16、将获得的配准矩阵应用于六个方向多回波复数数据s的实部和虚部，以得到配准后的多回波复数数据s；

17、对配准后的多回波复数数据s取绝对值以得到配准后的多回波幅值数据；

18、对配准后的多回波复数数据s取角度以得到配准后的多回波相位数据；

19、利用基于快速开源的最小生成树算法结合模版包romeo template方法对配准后的多回波相位数据进行解缠绕，以得到配准到正位方向的六个头部方向的多个回波解缠绕的相位数据。

20、优选地，所述基于六个头部方向的多个回波解缠绕的相位数据计算出六个头部方向的多个回波的频率图，具体包括：

21、对每个回波解缠绕的相位数据除以2πten以计算每个回波的频率图，其中ten为n个回波的回波时间。

22、优选地，步骤s5具体包括：

23、基于六个头部方向的多个回波局部场图flocal_n和扫描设置的回波时间te，利用最小二乘法可以求解微观结构相关频移δf和局部场频移cf；

24、局部场频移cf的获取过程如下：

25、多回波复数数据s在回波时间te的有效频率f表示为：

26、

27、根据中空圆柱纤维模型，脑部白质纤维可分为三个区域即轴突、髓鞘和轴突外空间,因此白质纤维对应的多回波复数数据s为三个区域的信号和，多回波复数数据s实部和虚部分别表示为：

28、

29、其中，vax,vm和vex表示一个体素中轴突、髓鞘和轴突外空间的体积分数，ρm是髓鞘的水质子密度，δωax,δωm和δωex代表轴突、髓鞘和轴突外空间磁化率引起的频移，和表示轴突、髓鞘和轴突外空间的时间；简化是由于相比于轴突的均匀磁场，轴突外与磁场变化相关的相位衰减效应可以忽略不计，是非髓鞘区域的时间；

30、对sin(x),cos(x)和arctan(x)进行小相位近似和泰勒展开，并仅保留泰勒级数的第一项，公式(1)可表示为

31、

32、在短回波时间te条件下，信号频率公式(4)可以简化为

33、

34、在长te条件下，信号频率公式(4)可以简化为

35、

36、微观结构相关频移δf可以定义为上述两种状态测量的有效频率之差：

37、

38、结合公式(4)和(7)，第n个回波的局部场图信号flocal_n可以表示为：

39、

40、其中，和优选地，步骤s6具体包括：

41、局部场图cf和磁化率张量关系可表示为：

42、

43、其中在m个头部方向，δb(m)(k)为拟合得到的局部场图的k空间形式，i,j＝1,2,3；m＝1,…n；表示主磁场在成像方向坐标系的向量，k＝[k1 k2 k3]是空间频率向量；

44、基于回波时间依赖的频率拟合的磁化率张量成像模型的数学表达式为

45、

46、其中，第一项是数据保真项，第二项用于约束脑区外体素的磁化率值趋于零；x是磁化率张量的矩阵表现形式：

47、f和f-1分别表示傅立叶变换和反变换算子；m为脑部感兴趣区域的模版；

48、矩阵a是系统矩阵，表示为

49、fcf表示k空间局部场图，fcf＝[fcf(1)(k),…fcf(i)(k),…fcf(n)(k)]t，i＝1…n表示n个方向的局部场图；λ为正则化参数，用于调节约束项的权重；

50、采用最小二乘法lsqr求解公式(10)，且迭代收敛条件设为1×10-4、正则化参数经过优化设置为λ＝10，以获得头部的磁化率张量分布图。

51、本发明提出的分离了微观结构相关频移的磁化率张量成像系统，包括：

52、数据扫描采集模块，用于采用三维流动补偿梯度回波序列在六个头部方向上扫描采集16通道多回波复数数据s，并对各个头部方向采集的16通道多回波复数数据s进行预处理以得到六个头部方向多回波相位数据和六个方向多回波幅值数据；六个头部方向具体为头部正位、头部后位、头部左侧位、头部右侧位、头部俯位、头部仰位；

53、相位配准模块，用于基于头部正位方向的多回波幅值数据，得到脑部感兴趣区域的模版m，并以头部正位方向的回波幅值数据为基准对其他方向的多回波幅值数据进行配准，以获得配准矩阵；

54、解缠绕模块，用于基于配准矩阵对六个头部方向采集的多回波复数数据s进行处理以得到配准后六个头部方向的多回波相位数据和幅值数据，并对配准后六个头部方向的多回波相位数据进行基于快速开源的最小生成树算法结合模版包romeo template解缠绕，以得到六个头部方向的多个回波解缠绕的相位数据；

55、去除背景场模块，用于基于六个头部方向的多个回波解缠绕的相位数据计算出六个头部方向的多个回波的频率图，并基于拉普拉斯边界值背景场去除算法lbv和脑部感兴趣区域的模版m对六个头部方向的多个回波的频率图进行背景场去除，以获得六个头部方向的多个回波局部场图flocal_n；

56、频率拟合模块，用于对六个头部方向的多个回波局部场图flocal_n进行基于回波时间依赖的频率拟合，以得到六个头部方向的局部场图cf；

57、磁化率张量重建模块，用于对六个头部方向的局部场图cf进行磁化率张量图像重建，以获得头部的磁化率张量分布图。

58、本发明中，所提出的分离了微观结构相关频移的磁化率张量成像方法及系统，将回波时间相关的微观结构引起的频移与时间无关的体磁化率引起的频移分离，用于sti重建以便实现更准确的磁化率张量的重建和定量。能更好地描述白质区域的磁化率分布，白质区域包括单纤维束区域和交叉纤维束区域的磁化率张量，从而提高了磁化率的定量测量的准确度。