一种用于肺顺应性可视化定量评价的快速磁共振成像方法

1.本发明涉及磁共振成像(magnetic resonance imaging，mri)技术领域，具体涉及一种用于肺顺应性可视化定量评价的快速mri方法。适用于以超极化惰性气体快速磁共振为手段的肺顺应性定量评价。


背景技术：

2.肺顺应性是反应肺组织弹性的重要指标，目前在临床上无法进局域测量。在临床中，电传感器现在通常用于测量肺呼吸气流和压力以计算静态顺应性，而动态肺顺应性通过连续监测节律性呼吸中的肺顺应性来进行计算[cotes j e et al.,john wiley&sons,2009.]。这些技术只能获得肺部全局的顺应性，无法对顺应性进行可视化研究。由于肺顺应的计算与肺容量相关，因此，开发一种基于影像手段评估肺顺应性的方法具有重要意义。
[0003]
计算机断层扫描(ct)是目前临床应用最为广泛的肺部影像手段，例如，通过ct获得了人体肺体积变化，进而得到了肺顺应性分布[nair g b et al.,physics in medicine&biology,2021,66(21):21nt06.]。类似地，也可以利用传统质子mri中肺部空腔的区域对肺部体积进行估算[morgan,a.r.et al.proc ismrm 2010；p.2520.]。但是，ct与质子mri并非对肺部空腔进行成像，因此ct与质子mri难以区分对肺体积计算贡献较少的通气缺陷区域，进而无法对肺容量进行准确计算。同时，ct的电离辐射使得重复扫描的技术在临床的推广有着局限性。
[0004]
gy jang等人[jang g y et al.,biomedical engineering online,2019,18(1):1-18.]采用电阻抗成像的方式获得了肺顺应性分布。该方法通过测量肺组织阻抗的变化来评估局部肺体积的变化，进而对肺顺应性做出局域评价，但电阻抗成像固有的空间分辨率劣势限制了它的发展。
[0005]
近几十年来，超极化惰性气体快速mri已被证明是对肺部空腔成像的有效技术，与其他临床成像技术相比，极高的灵敏度、快速采样和特异性使其在肺部空腔体积直接测量上具有内在优势。例如，采用超极化
129
xe气体mri和超极化3he气体mri在两个压力下测量了大鼠肺部的全局肺顺应性[fox m s et al.,magnetic resonance in medicine,2014,71(3):1130-1136.]；s choy等人利用超极化3he气体mri通过测量不同膨胀状态下的肺体积得到全肺的跨肺压-容积曲线，也可以进一步获得肺顺应性。但是，上述两项研究均未获得肺顺应性的局域分布，没有从根本上解决肺顺应性测量的痛点。


技术实现要素：

[0006]
针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种用于肺顺应性可视化定量评价的快速mri方法，可以实现肺顺应性的精确局域评估。
[0007]
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0008]
一种用于肺顺应性可视化定量评价的快速磁共振成像方法，包括以下步骤：
[0009]
步骤1、受试者在磁共振扫描仪内，一次呼吸周期内，受试者进行n次吸气，每次吸
气后屏气并进行图像采集，完成第n次图像采集后，受试者吐气；
[0010]
步骤2、对n组屏气压力p(i)下的肺部三维通气图像img(i)，分割校准后获得肺部通气区域体积分布v
map
(i,x,y,z)，i∈{1～n}，x，y，z是获取的肺部三维通气图像img(i)在三个维度上的像素序号；
[0011]
步骤3、利用图像配准算法将n组肺部通气区域体积分布v
map
(i,x,y,z)配准到最小屏气压力p(1)下采集的肺部通气区域体积分布v
map
(1,x,y,z)，得到n组体积变化因子图f(i,x,y,z)，将体积变化因子图f(i,x,y,z)与最小压力下采集得到的v
map
(1,x,y,z)点对点相乘，得到配准后的不同屏气压力下的体积分布图v
reg_map
(i,x,y,z)；
[0012]
步骤4，将不同屏气压力下的通气体积分布图v
reg_map
(i,x,y,z)和屏气压力根据如下公式进行线性拟合，得到肺部逐体素点的肺顺应性分布cst(x,y,z)，
[0013]vreg_map
(i,x,y,z)＝cst(x,y,z)
×
p(i)
[0014]
其中i∈{1～n}；
[0015]
步骤5、根据步骤4中获得的肺顺应性分布cst(x,y,z)，分别在肺尖-肺底方向a-b，前肺-后肺方向a-p和左侧肺-右侧肺方向l-r上，按照以下公式拟合肺顺应性对上述三个方向上的依赖系数r
ab
，r
ap
，r
lr
，
[0016][0017][0018][0019]
其中，cst
global
是全肺的cst的均值，i
ab
，i
ap
，i
lr
分别为a-b，a-p，l-r方向上的层面序号，i
ab
∈{1～n
ab
}，i
ap
∈{1～n
ap
}，i
lr
∈{1～n
lr
}，n
ab
，n
ap
与n
lr
分别为a-b，a-p，l-r方向上的层数，mean(cst(i
ab
,all
ap
,all
lr
))为a-b方向上第i
ab
层的肺顺应性均值；mean(cst(all
ab
,i
ap,
all
lr
))为a-p方向上第i
ap
层的肺顺应性均值；mean(cst(all
ab
,all
ap
,i
lr
))为l-r方向上第i
lr
层的肺顺应性均值，m为决定系数；im为决定系数序号，im∈{1～m}，r
ab
，r
ap
，r
lr
分别为a-b，a-p，l-r方向上的肺顺应性依赖系数，根据m的大小，r
ab
，r
ap
，r
lr
分别有零阶、一阶至m-1阶取值，l
ab
，l
ap
，l
lr
分别为a-b，a-p，l-r方向上每一层离肺中心的距离，all
ab
，all
ap
，all
lr
分别代表a-b，a-p，l-r三个方向上的所有像素的遍历。
[0020]
如上所述屏气压力p(i)小于10cm h2o。
[0021]
如上所述肺部三维通气图像img(i)的分割包括以下步骤：将肺部三维通气图像img(i)的前1％信号强度进行平均得到信号均值s，计算肺部三维通气图像img(i)的信号一阶导和二阶导得到图像边缘信息e，根据信号均值s与图像边缘信息e对肺部三维通气图像img(i)进行阈值分割与边缘提取的交错迭代，最终完成肺部三维通气图像img(i)的分割。
[0022]
如上所述步骤2的信号校准包括纵向弛豫时间(t1)校准，还包括表观横向弛豫时间(t2*)、扩散校准(adc)及射频场(b1)均一性校准。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有下列特点：
[0024]
1、超极化惰性气体肺部通气快速mri可直接对肺部空腔区域进行成像，能够快速精准地获取肺通气体积信息。
[0025]
2、超极化惰性气体肺部通气快速mri测量肺部顺应性相较于ct等临床肺部影像手段，无电离辐射与放射性，同时更加准确，更适合在临床推广。
[0026]
3、通过对可视化肺部顺应性结果进行区域划分，可以定量获得肺顺应性的方向依赖系数。
附图说明
[0027]
图1为本发明的原理流程图；
[0028]
图2为本发明实施例步骤1中的呼吸方式与采样触发示意图；
[0029]
图3是本发明实施例步骤2得到的不同屏气压力下肺部某一层面的肺体积分布；
[0030]
图4是本发明实施例步骤3的细节图；
[0031]
图5是本发明实施例步骤4得到的肺顺应性分布代表性结果。
具体实施方式
[0032]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～5和7tmri仪下的大鼠的超极化惰性气体快速mri为实例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0033]
一种用于肺顺应性可视化定量评价的快速mri方法，包括以下步骤：
[0034]
步骤1、如图2所示，受试者在磁共振扫描仪内，通过n次吸入超极化惰性气体完成吸气过程，每次吸气后进行屏气并进行肺部气体mri扫描。该过程中受试者的肺部压力逐步累加，配合吸气后的快速屏气采样，实现了肺部吸气的准静态过程。此外，前一次屏气成像后肺内的超极化惰性气体及其剩余纵向磁化矢量为下一次屏气成像提供了肺内基础压力与额外的信号强度，实现了超极化惰性气体的最优利用，因而无需受试者重复呼吸超极化惰性气体，缩短了检查时间。
[0035]
本步骤中每次吸入的气体量根据设定的屏气压力p(i)决定，其中，i是一个呼吸周期内吸气的次数序号，i∈{1～n}，一次呼吸周期内，受试者进行n次吸气，每次吸气后屏气并进行图像采集，完成第n次图像采集后，受试者吐气。即一个呼吸周期内有n次吸气和1次呼气。
[0036]
优选地，屏气压力p(i)的设置需小于10cm h2o。本实施例中，受试者为大鼠，也可以是其他动物或人。超极化惰性气体包括3he、
83
kr、
129
xe、或
131
xe，它们具有超高磁共振信号灵敏度。实现上述输送超极化惰性气体，屏气和测量屏气时的气道压力的装置为现有的呼吸装置。
[0037]
步骤2、根据步骤1，得到n组屏气压力p(i)下的肺部三维通气图像img(i)，对n组肺部三维通气图像img(i)进行分割与信号校准，对获得肺部通气区域体积分布v
map
(i,x,y,z)，i∈{1～n}，x，y，z是获取的肺部三维通气图像img(i)在三个维度上的像素序号，图3分别展示了4个不同屏气压力p(i)下，z为5时的肺部通气区域体积分布v
map
(1,x,y,5)，v
map
(2,x,y,5)，v
map
(3,x,y,5)，v
map
(4,x,y,5)。
[0038]
优选地，肺部三维通气图像img(i)的分割方法为基于自适应阈值和边缘提取的图像分割算法，将肺部三维通气图像img(i)的前1％信号强度进行平均得到信号均值s，此外计算肺部三维通气图像img(i)的信号一阶导和二阶导得到图像边缘信息e，根据信号均值s与图像边缘信息e对肺部三维通气图像img(i)进行阈值分割与边缘提取的交错迭代，最终完成肺部三维通气图像img(i)的分割，上述图像分割算法充分利用超极化惰性气体图像无
背景干扰信号、信号区域与噪声区域界限清晰的优势对图像进行分割。
[0039]
肺部三维通气图像img(i)的信号校准包括对肺部三维通气图像img(i)的信号强度进行纵向弛豫时间t1、表观横向弛豫时间t2*、气体扩散adc及射频场均一性b1等因素的校准。
[0040]
步骤3、利用图像配准算法将n组v
map
(i,x,y,z)配准到最小屏气压力p(1)下采集得到的肺部通气区域体积分布v
map
(1,x,y,z)，得到n组体积变化因子图f(i,x,y,z)，其中，i是步骤1中一个呼吸周期内吸气的次数序号，i∈{1～n}。优选地，图像配准算法为基于特征的深度学习可变形图像配准算法，算法选取图像中肺部的隆突、支气管、肺尖作为图像特征进行图像间的配准。将体积变化因子图f(i,x,y,z)与最小屏气压力p(i)下采集得到的v
map
(1,x,y,z)点对点相乘，得到配准后的不同屏气压力下的体积分布图v
reg_map
(i,x,y,z)，如图4所示。
[0041]
步骤4，根据公式1对步骤3中的体积分布图v
reg_map
(i,x,y,z)进行拟合，得到肺部逐体素点的肺顺应性分布cst(x,y,z)，如图5所示，
[0042]vreg_map
(i,x,y,z)＝cst(x,y,z)
×
p(i)
ꢀꢀꢀ
公式1
[0043]
其中i∈{1～n}，n为步骤1中的吸气次数。
[0044]
步骤5、根据步骤4中获得的肺顺应性分布cst(x,y,z)，分别在肺尖-肺底方向a-b，前肺-后肺方向a-p和左侧肺-右侧肺方向l-r上，按照公式2-4拟合肺顺应性对上述三个方向上的依赖系数r
ab
，r
ap
，r
lr
，
[0045][0046][0047][0048]
其中，cst
global
是全肺的肺顺应性分布cst的均值。i
ab
，i
ap
，i
lr
分别为a-b，a-p，l-r方向上的层面序号，i
ab
∈{1～n
ab
}，i
ap
∈{1～n
ap
}，i
lr
∈{1～n
lr
}，n
ab
，n
ap
与n
lr
分别为a-b,a-p,l-r方向上的层数。mean(cst(i
ab
,all
ap
,all
lr
))为a-b方向上第i
ab
层的肺顺应性均值；mean(cst(all
ab
,i
ap,
all
lr
))为a-p方向上第i
ap
层的肺顺应性均值；mean(cst(all
ab
,all
ap
,i
lr
))为l-r方向上第i
lr
层的肺顺应性均值。m为决定系数，对人和大鼠而言通常为3；im为决定系数序号，im∈{1～m}。r
ab
，r
ap
，r
lr
分别为a-b,a-p,l-r方向上的肺顺应性依赖系数，根据m的大小，r
ab
，r
ap
，r
lr
分别有零阶、一阶至m-1阶取值。l
ab
，l
ap
，l
lr
分别为a-b,a-p,l-r方向上每一层离肺中心的距离，all
ab
，all
ap
，all
lr
分别代表a-b,a-p,l-r三个方向上的所有像素的遍历。
[0049]
综上所述，本发明为一种用于肺顺应性可视化定量评价的快速mri方法，利用呼吸装置设定并记录受试者的气道压力，通过n次吸入超极化惰性气体另受试者完成吸气过程，记录受试者第i次吸气后肺部的屏气压力p(i)与对应的利用超极化惰性气体通气快速磁共振图像得到的校准并配准后的肺部体积分布v
reg_map
(i,x,y,z)，进而得到受试者肺部顺应性分布cst，以及肺顺应性对不同方向的依赖系数r，其中i∈{1～n}。具体优势如下：可直接对肺部空腔区域进行成像，能够快速精准地获取肺通气体积信息；测量肺部顺应性相较于ct等临床肺部影像手段，无电离辐射与放射性，同时更加准确，更适合在临床推广；对可视化肺部顺应性结果进行区域划分，可定量获得肺顺应性的方向依赖系数。
[0050]
以上为本发明的一部分具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。