一种旋转坐标内弛豫时间确定方法、装置及存储介质与流程

本发明涉及磁共振成像领域，尤其涉及一种旋转坐标内弛豫时间确定方法、装置及存储介质。

背景技术：

t1ρ成像是近年出现的一种较新的mri技术，是一种探索缓慢运动中分子相互作用引起弛豫的成像方法，有助于研究运动受限水分子与周围大分子之间的相互作用，目前已经被应用于脑组织、骨关节系统和心血管系统等多种疾病的检查，如椎间盘退变，骨关节炎软骨退变，神经系统疾病，肌肉疾病和肝纤维化等。

目前在通过t1ρ加权图像计算t1ρ参数时，通常所使用的计算模型有两种，分别为单指数模型和双指数模型，其中，对于单指数模型，弛豫速率由质子之间的偶极相互作用的波动局部磁场确定，当描述存在不同质子区室且彼此相互作用或组成成分更为复杂的生物组织时，这种单指数模型变得不充分；而对于双指数模型，有助于更好地描述游离水质子(例如细胞外)和约束水质子(例如细胞内)，以及它们之间的相互作用，但是双指数模型用于描述t1ρ弛豫时具有一定的可行性前提，也即应用环境为宏观结构上具有本质不同的两种t1ρ的组织水的双室环境，从而在实际应用中，还需要先判断待应用环境是否满足该可行性前提。由此可见，上述两种模型在计算t1ρ参数时均具有较大的应用局限性。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提供一种旋转坐标内弛豫时间确定方法、装置及存储介质，至少能够解决相关技术中通过t1ρ加权图像计算t1ρ参数时,所采用的单指数模型以及双指数模型具有较大的应用局限性的问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供了一种旋转坐标内弛豫时间确定方法，该方法包括：

通过多个具有t1ρ准备脉冲的t1ρ加权成像序列分别对目标生物组织进行t1ρ加权图像的采集；各所述t1ρ加权成像序列的所述t1ρ准备脉冲所具有的自旋锁定时间tsl互不相同；

分别获取各目标体素在所采集的多个不同tsl下的所述t1ρ加权图像中的图像信号强度；

通过预设的分数阶式拟合模型分别对所述各目标体素在所述不同tsl下的所述图像信号强度进行非线性拟合，确定所述各目标体素所对应的感兴趣区域roi的t1ρ和分数阶参数；所述分数阶参数用于表征所述roi当前的环境复杂度。

为实现上述目的，本发明实施例第二方面提供了一种t1ρ确定装置，该装置包括：

采集模块，用于通过多个具有t1ρ准备脉冲的t1ρ加权成像序列分别对目标生物组织进行t1ρ加权图像的采集；各所述t1ρ加权成像序列的所述t1ρ准备脉冲所具有的tsl互不相同；

获取模块，用于分别获取各目标体素在所采集的多个不同tsl下的所述t1ρ加权图像中的图像信号强度；

确定模块，用于通过预设的分数阶式拟合模型分别对所述各目标体素在所述不同tsl下的所述图像信号强度进行非线性拟合，确定所述各目标体素所对应的roi的t1ρ和分数阶参数；所述分数阶参数用于表征所述roi当前的环境复杂度。

为实现上述目的，本发明实施例第三方面提供了一种电子装置，该电子装置包括：处理器、存储器和通信总线；

所述通信总线用于实现所述处理器和存储器之间的连接通信；

所述处理器用于执行所述存储器中存储的一个或者多个程序，以实现上述任意一种t1ρ确定方法的步骤。

为实现上述目的，本发明实施例第四方面提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述任意一种t1ρ确定方法的步骤。

根据本发明实施例提供的旋转坐标内弛豫时间确定方法、装置及存储介质，通过多个自旋锁定时间不同的t1ρ加权成像序列分别进行t1ρ加权图像的采集，所采集的t1ρ加权图像反映了各体素在不同自旋锁定时间下的图像信号强度，然后通过分数阶式拟合模型对各体素在不同自旋锁定时间下的图像信号强度进行非线性拟合，确定对应的t1ρ和分数阶参数。通过分数阶式拟合模型进行非线性拟合计算来得到t1ρ和分数阶参数，对不同环境复杂度的生物组织均可有效描述，且无使用条件限制，具有较强的实用性和适用性。

本发明其他特征和相应的效果在说明书的后面部分进行阐述说明，且应当理解，至少部分效果从本发明说明书中的记载变的显而易见。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的旋转坐标内弛豫时间确定方法的流程示意图；

图2为本发明第一实施例提供的不同tsl下的t1ρ加权图像；

图3为本发明第一实施例提供的t1ρ加权成像序列示意图；

图4a为本发明第一实施例提供的t1ρ参数融合在t1ρ加权图像上的示意图；

图4b为本发明第一实施例提供的分数阶参数融合在t1ρ加权图像上的示意图；

图5为本发明第二实施例提供的t1ρ确定装置的结构示意图；

图6为本发明第三实施例提供的电子装置的结构示意图。

具体实施方式

t1ρ也称为旋转坐标系中的自旋晶格弛豫时间(即旋转坐标内弛豫时间)，在实际应用中，可以通过改变t1ρ加权成像序列的tsl(timeofspinlock,自旋锁定时间)，来获得一系列用于计算t1ρ参数的t1ρ加权图像，具体的t1ρ参数的计算，通常可使用单指数模型和双指数模型来实现。所使用的单指数模型通常描述为：

其中，sn为单个体素在自旋锁定时间tsln时的信号强度，s0为初始信号，t1ρ为旋转坐标系下的自旋-晶格弛豫时间。随着tsl减小并接近于零，横向磁化在不施加任何外部rf脉冲场的情况下弛豫。在这种情况下，t1ρ弛豫与正常t2(横向弛豫时间)弛豫相同。

在实际研究中，尽管在许多体内生物组织中用单指数模型可以很好地描述t2弛豫，但也有很多关于t2弛豫的多指数模型的应用，特别是双指数模型。这种多指数或双指数模型通常根据宏观结构上具有本质上不同的t2弛豫时间的组织水的多隔室环境来解释。在双指数t2弛豫模型中，由观察到的短和长t2弛豫分量来代表组织水的结构成分，组织水有可能是细胞内的和细胞外的。由于t1ρ弛豫在非常低的自旋锁定频率下接近t2弛豫，因此假设t1ρ弛豫可能与t2弛豫的行为类似，在t1ρ弛豫中也可以发现多指数或双指数弛豫。基于此，表观单指数t1ρ弛豫分量可被分成两个双指数t1ρ弛豫分量：

其中，sn可分成双室模型中的自旋-晶格弛豫时间来描述，t1ρl代表长自旋-晶格弛豫时间，t1ρs为短自旋-晶格弛豫时间。α为长自旋-晶格弛豫时间成分的分数。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。

第一实施例：

为了解决相关技术中通过t1ρ加权图像计算t1ρ参数时,所采用的单指数模型以及双指数模型具有较大的应用局限性的技术问题，本实施例提出了一种t1ρ确定方法，如图1所示为本实施例提供的t1ρ确定方法的基本流程示意图，本实施例提出的t1ρ确定方法包括以下的步骤：

步骤101、通过多个具有t1ρ准备脉冲的t1ρ加权成像序列分别对目标生物组织进行t1ρ加权图像的采集；各t1ρ加权成像序列的t1ρ准备脉冲所具有的tsl互不相同。

具体的，在实际应用中定量mr(magneticresonance，磁共振)的t1ρ成像通常涉及使用多个自旋锁定时间(即自旋锁定脉冲的持续时间)及对应的t1ρ加权图像来获得t1ρ弛豫值，本实施例中通过多个自旋锁定时间互不相同的t1ρ加权成像序列来采集得到一系列不同自旋锁定时间下的t1ρ加权图像。应当说明的是，在实际应用中，所获取的一组t1ρ加权图像中图像的数量越多，后续在进行t1ρ参数拟合计算时的准确性会越高，但是由于图像数量越多所要求的扫描时间越长，会引入如运动伪影等问题，并且不利于被测试者(病人等)的体验，从而所获取的t1ρ加权图像的数量应当在一个合理值。还应当理解的是，本实施例中的目标生物组织可以包括但不限于膝关节软骨、脑组织、肝等，且tsl互不相同的t1ρ加权成像序列的个数取大于1的正整数，该个数的具体取值可根据实际使用需求而定。在本实施例的一种可选实施方式中，通过4个tsl互不相同的t1ρ加权成像序列对膝关节软骨进行t1ρ加权图像的采集，如图2所示为本实施例中所提供的不同tsl下的4幅t1ρ加权图像，其中，这4幅t1ρ加权图像所采集的生物组织为膝关节软骨，tsl分别为0,10,25,50毫秒。

在本实施例一种可选的实施方式中，t1ρ加权成像序列包括顺序排列的磁化准备脉冲(magnetizationpreparation)、相位误差补偿脉冲(phaseerrorcomp)以及图像采集脉冲(optimizedsstse)。如图3所示为本实施例所提供的t1ρ加权成像序列示意图。

具体的，磁化准备脉冲的主要作用是为获得较强的t1ρ加权信号做准备，而图像采集脉冲则是t1ρ信号获取图像生成阶段。

进一步地，请继续参阅图3，在本实施例一种可选的实施方式中，磁化准备脉冲包括顺序排列的磁化重置脉冲(magreset)、纵向磁化恢复脉冲(t1recoverytime)、t1ρ准备脉冲(t1ρprep)，以及与纵向磁化恢复脉冲同时施加的双翻转脉冲(dir)和脂肪抑制脉冲(spair)。

具体的，在磁化准备阶段，首先由一个磁化重置脉冲破坏所有纵向磁化矢量，然后在由纵向磁化恢复脉冲来提供磁化矢量恢复的时间，以保证所有信号均经历相同的恢复角度及时间。应当说明的是，在实际应用中，待测的目标生物组织的t1ρ可能与脂肪比较接近，从而在本实施例中，可以通过反转恢复序列实现压脂技术，选择特定的反转时间，使脂肪处于无信号状态，以排除脂肪信号所可能造成的混淆。在t1ρ准备阶段，使用自旋锁定技术，这个自旋锁定脉冲的持续时间(或称为自旋锁定时间tsl)，确定了t1ρ的信号权重。紧接着，施加图像采集序列用于读取z轴上的磁化矢量信号，生成t1ρ加权图像。最后z轴上的磁化矢量向热平衡状态弛豫的过程中释放能量。重复此过程，并改变tsl时间，可获得一系列t1ρ加权图像。

进一步地，请继续参阅图3，在本实施例一种可选的实施方式中，t1ρ准备脉冲包括顺序排列的90°脉冲、自旋锁定脉冲以及-90°脉冲，自旋锁定脉冲用于以自旋锁定方式锁紧磁化矢量。

具体的，在实际应用中，t1ρ准备序列的设计多种多样，如图2所示的t1ρ准备序列包含几个脉冲，第一个是90°脉冲，接着是自旋锁定脉冲和一个-90°脉冲，其中，第一个90°脉冲使得原本绕主磁场(b0场，z轴方向)转动的纵向磁化矢量翻转成横向(y轴方向)的磁化矢量。紧接着一个能量较低的长脉冲沿y轴方向以自旋锁定的方式锁紧磁化矢量。然后再通过第二个90°脉冲使已经锁定的磁化矢量回到z轴。自旋锁定脉冲的第二部分包含一个180°的反转脉冲，消除由磁场b1不均匀性对磁化矢量的影响。残余的横向磁化矢量可以由一个消相梯度场消相位。

在本实施例一种可选的实施方式中，t1ρ加权成像序列的图像采集脉冲包括：自旋回波序列、快速自旋回波序列、梯度回波序列中的任意一种。进一步优选的，本实施例中采用快速自旋回波序列构成图像采集脉冲。

在本实施例一种可选的实施方式中，t1ρ准备脉冲的自旋锁定脉冲的频率为500hz。

具体的，水分子与周围大分子之间发生能量交换或质子交换引发t1ρ弛豫，将自旋锁的振幅设定在500hz时，这些质子将优先参与t1ρ信号的形成。

步骤102、分别获取各目标体素在所采集的多个不同tsl下的t1ρ加权图像中的图像信号强度。

步骤103、通过预设的分数阶式拟合模型分别对各目标体素在不同tsl下的图像信号强度进行非线性拟合，确定各目标体素所对应的roi的t1ρ和分数阶参数；分数阶参数用于表征roi当前的环境复杂度。

具体的，体素也即体积元素，是三维影像数据中的最小单位。图像信号强度(imageintensity)指所获取的t1ρ加权图像上每个体素的信号值或者灰度值。感兴趣区域(roi，regionofinterest)是从t1ρ加权图像上所选择的一个图像区域，这个区域是图像分析所关注的重点，圈定该区域以便进行进一步处理。本实施例中将从t1ρ加权图像中所确定的图像信号强度以及对应的自旋锁定时间代入分数阶式拟合模型，通过非线性拟合得到图像上每一个体素的t1ρ参数和分数阶参数，分数阶参数用于表示该位置当前的环境复杂度，该分数阶可以表示当前位置的t1ρ参数的分布。如图4a和4b所示，其中，图4a为本实施例提供的膝关节软骨的t1ρ参数融合在t1ρ加权图像上的示意图，图4b为本实施例提供的膝关节软骨的分数阶参数融合在t1ρ加权图像上的示意图。

在本实施例一种可选的实施方式中，分数阶式拟合模型描述如下：

其中，α为分数阶参数，tsln为第n个自旋锁定时间，sn为单个目标体素在tsln下的图像信号强度，s0为单个目标体素的初始图像信号强度，eα为单参数的mittag-leffler函数，当α＝1时，e1(t)＝e^t。

具体的，本实施例中的分数阶式拟合模型通过对传统的bloch方程扩展推导得到，由于t1ρ弛豫在非常低的自旋锁定频率下接近t2弛豫，因此假设t1ρ弛豫可能与t2弛豫的行为类似，在t1ρ弛豫中也可以表示成分数阶式的衰减。应当理解的是，在α＝1时，该分数阶式拟合模型退化成单指数模型。

根据本发明实施例提供的旋转坐标内弛豫时间确定方法，通过多个自旋锁定时间不同的t1ρ加权成像序列分别进行t1ρ加权图像的采集，所采集的t1ρ加权图像反映了各体素在不同自旋锁定时间下的图像信号强度，然后通过分数阶式拟合模型对各体素在不同自旋锁定时间下的图像信号强度进行非线性拟合，确定对应的t1ρ和分数阶参数。通过分数阶式拟合模型进行非线性拟合计算来得到t1ρ和分数阶参数，对不同环境复杂度的生物组织均可有效描述，且无使用条件限制，具有较强的实用性和适用性。

第二实施例：

本实施例示出了一种t1ρ确定装置，具体请参见图5，为了解决现有技术中通过t1ρ加权图像计算t1ρ参数时,所采用的单指数模型以及双指数模型具有较大的应用局限性的技术问题，本实施例的t1ρ确定装置包括：

采集模块501，用于通过多个具有t1ρ准备脉冲的t1ρ加权成像序列分别对目标生物组织进行t1ρ加权图像的采集；各t1ρ加权成像序列的t1ρ准备脉冲所具有的tsl互不相同；

获取模块502，用于分别获取各目标体素在所采集的多个不同tsl下的t1ρ加权图像中的图像信号强度；

确定模块503，用于通过预设的分数阶式拟合模型分别对各目标体素在不同tsl下的图像信号强度进行非线性拟合，确定各目标体素所对应的roi的t1ρ和分数阶参数；分数阶参数用于表征roi当前的环境复杂度。

具体的，本实施例中通过多个自旋锁定时间互不相同的t1ρ加权成像序列来采集得到一系列不同自旋锁定时间下的t1ρ加权图像。图像信号强度指所获取的t1ρ加权图像上每个体素的信号值或者灰度值。本实施例中将从t1ρ加权图像中所确定的图像信号强度以及对应的自旋锁定时间代入分数阶式拟合模型，通过非线性拟合得到图像上每一个体素的t1ρ参数和分数阶参数。

在本实施例的一些实施方式中，t1ρ加权成像序列包括顺序排列的磁化准备脉冲、相位误差补偿脉冲以及图像采集脉冲。

进一步地，在本实施例的一些实施方式中，磁化准备脉冲包括顺序排列的磁化重置脉冲、纵向磁化恢复脉冲、t1ρ准备脉冲，以及与纵向磁化恢复脉冲同时施加的双翻转脉冲和脂肪抑制脉冲。

在本实施例的一些实施方式中，t1ρ加权成像序列的图像采集脉冲包括：自旋回波序列、快速自旋回波序列、梯度回波序列中的任意一种。

在本实施例的一些实施方式中，t1ρ准备脉冲包括顺序排列的90°脉冲、自旋锁定脉冲以及-90°脉冲，自旋锁定脉冲用于以自旋锁定方式锁紧磁化矢量。

在本实施例的一些实施方式中，t1ρ准备脉冲的自旋锁定脉冲的频率为500hz。

进一步地，在本实施例的一些实施方式中，确定模块503所采用的分数阶式拟合模型描述如下：

其中，α为分数阶参数，tsln为第n个自旋锁定时间，sn为单个目标体素在tsln下的图像信号强度，s0为单个目标体素的初始图像信号强度，eα为单参数的mittag-leffler函数，当α＝1时，e1(t)＝e^t，该分数阶式拟合模型退化成单指数模型。

应当说明的是，第一实施例中的t1ρ确定方法均可基于本实施例提供的t1ρ确定装置实现，所属领域的普通技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，本实施例中所描述的t1ρ确定装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

采用本实施例提供的t1ρ确定装置，通过多个自旋锁定时间不同的t1ρ加权成像序列分别进行t1ρ加权图像的采集，所采集的t1ρ加权图像反映了各体素在不同自旋锁定时间下的图像信号强度，然后通过分数阶式拟合模型对各体素在不同自旋锁定时间下的图像信号强度进行非线性拟合，确定对应的t1ρ和分数阶参数。通过分数阶式拟合模型进行非线性拟合计算来得到t1ρ和分数阶参数，对不同环境复杂度的生物组织均可有效描述，且无使用条件限制，具有较强的实用性和适用性。

第三实施例：

本实施例提供了一种电子装置，参见图6所示，其包括处理器601、存储器602及通信总线603，其中：通信总线603用于实现处理器601和存储器602之间的连接通信；处理器601用于执行存储器602中存储的一个或者多个计算机程序，以实现上述实施例一中的旋转坐标内弛豫时间确定方法中的至少一个步骤。

本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、计算机程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性或非易失性、可移除或不可移除的介质。计算机可读存储介质包括但不限于ram(randomaccessmemory，随机存取存储器),rom(read-onlymemory，只读存储器),eeprom(electricallyerasableprogrammablereadonlymemory，带电可擦可编程只读存储器)、闪存或其他存储器技术、cd-rom(compactdiscread-onlymemory，光盘只读存储器)，数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。

本实施例中的计算机可读存储介质可用于存储一个或者多个计算机程序，其存储的一个或者多个计算机程序可被处理器执行，以实现上述实施例一中的方法的至少一个步骤。

本实施例还提供了一种计算机程序，该计算机程序可以分布在计算机可读介质上，由可计算装置来执行，以实现上述实施例一中的方法的至少一个步骤；并且在某些情况下，可以采用不同于上述实施例所描述的顺序执行所示出或描述的至少一个步骤。

本实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读装置，该计算机可读装置上存储有如上所示的计算机程序。本实施例中该计算机可读装置可包括如上所示的计算机可读存储介质。

可见，本领域的技术人员应该明白，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件(可以用计算装置可执行的计算机程序代码来实现)、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。

此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、计算机程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明实施例所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。