一种获取造影剂迟豫时间的方法
【专利摘要】本发明涉及一种获取造影剂迟豫时间的方法。自动化识别图像中造影剂样品，精确定位样品中心点计算样品试管半径大小，并以试管中心点根据试管半径大小自动选取ROI，计算ROI内像素信号平均值，实验标准偏差。最后对自动化提取的信号做非线性拟合，准确快速高效地计算出造影剂的自旋-晶格弛豫时间T1和自旋-自旋弛豫时间T2值。在图像中识别多个样品选取样品ROI过程为计算机自动化过程，不需要人工过程，在定位精确性、ROI形状一致性、结果准确性远高于传统方法；该方法从ROI选取、ROI信号提取到非线性拟合整个流程为全自动化过程，在时间效率上远远高于传统方法。
【专利说明】一种获取造影剂迟豫时间的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磁共振成像领域，特别涉及一种自动化提取磁共振造影剂成像中 信号并用以拟合计算造影剂迟豫时间的方法。
【背景技术】
[0002] 磁共振中图像对比度反映两组织间信号强度差，对比度增强是改变这信号强度的 过程。造影剂，又称对比剂（Contrast agents)是一种药剂，能改变组织的物理特性，从而 影响物理参数，进而增强图像对比度。磁共振造影剂通过改变组织的局部磁环境而改变图 像对比度。在磁共振成像中，质子所产生的磁共振信号及其自旋-晶格弛豫时间（纵向弛 豫时间）Tl和自旋-自旋弛豫时间(横向弛豫时间）T2决定着不同组织在磁共振图像上的 对比，磁共振造影剂与质子相互作用来影响Tl和T2弛豫时间。
[0003] 磁共振造影剂根据其磁特性分为顺磁性、超顺磁性和铁磁性三类。顺磁性对比剂 由顺磁性金属元素组成，如Gd、Mn。对比剂浓度低时，主要使T2缩短并使信号增强，浓度高 时，则组织Tl缩短超过T2效应，使MR信号降低，常用其Tl效应作为Tl加权像中的阳性对 比剂；铁磁性及超顺磁性对比剂由氧化铁组成，为不同大小微晶金属粒子，二者均影响局部 磁场均匀性且产生磁化率效应，使质子失相位加速，T2弛豫时间缩短。
[0004] 因此对于造影剂合成制备以及应用中，Tl和T2是造影剂的重要属性，也是衡量造 影剂作用与影响的重要指标，利用磁共振技术对造影剂迟豫时间的准确测量成为关键。磁 共振成像相比于磁共振波谱技术，对试剂样品的测量有时间快，效率高等优势，目前已成为 造影剂迟豫时间测量的重要手段。
[0005] 磁共振成像技术中对样品试剂的Tl弛豫时间通常可采用饱和恢复法或反转恢复 法进行测量。饱和恢复法利用SE序列，通过改变成像参数中的恢复时间（TR)值进行成像 得到不同TR时间的图像；反转恢复法通过施加一个180度反转预脉冲后紧接一个SE序列 构成，把180度翻转预脉冲中点到90度脉冲中点的时间间隔定义为反转时间（TI)，通过改 变成像参数TI值进行成像得到不同TI时间的图像；对样品的T2弛豫时间的测量可使用多 回波SE序列，通过设定单调递增的回波时间（TE)对每个回波信号进行采集成像，从而得到 不同TE时间的图像。
[0006] 对上述三种成像方法得到的不同成像参数时间的图像中的样品选取R0I，抽取图 像信号，再通过做非线性拟合方法可以测得Tl和T2值。现有的一些图像处理软件如MRIcro 是人工手动选取样品的R0I，得到各个时间点ROI内像素信号的平均值，然后再用Origin软 件做非线性拟合得到样品Tl或T2值；还有一些软件如ImageJ的测量迟豫时间的方法是对 图像中的样品信号所有像素做非线性拟合，最终得到一个Tl和T2的map图，最后在map图 上手动画ROI，以ROI内像素平均值作为样品Tl或T2值。
[0007] 通过上述图像后处理方法可以计算出造影剂的Tl和T2时间，但是上述方法的第 一个缺点是：不管是在之前原图像选取ROI (Region of Interest)还是之后在Tl或T2的 map上选取ROI都是人工手动过程，对于多个样品成像(如一次成像试管盒中装有几十支甚 至上百支试管样品)，人工手动过程非常耗时而且对于ROI中心点定位准确性以及形状选取 的一致性很低；第二个缺点为上述第一种方法提取ROI信号后还要利用Origin软件做非线 性拟合，其过程分两步进行，需将第一步获取的各个数据人工输入到Origin中，其过程非 常耗时。而上述第二种方法虽然直接做非线性拟合，但做Tl或T2的map由于是逐个对像 素进行非线性拟合计算，一方面效率很低，另一方面磁共振噪声对单个像素信号影响很大， 对于先做拟合后取ROI计算平均值的方法准确性不高。
【发明内容】
[0008] 本发明是针对现在图像处理方法中获取造影剂迟豫时间耗时、效率低、并且受主 观影响的问题，提出了一种获取造影剂迟豫时间的方法，自动化识别图像中造影剂样品， 精确定位样品中心点计算样品试管半径大小，并以试管中心点根据试管半径大小自动选取 R0I，计算ROI内像素信号平均值，实验标准偏差。最后对自动化提取的信号做非线性拟合， 准确快速高效地计算出造影剂的Tl和T2值。
[0009] 本发明的技术方案为：一种获取造影剂迟豫时间的方法，具体包括如下步骤： 1) 读取磁共振样品图像数据：对于图像以样品信号与背景信号对比度最好的图像为基 准，其中，对于测量自旋-晶格弛豫时间Tl的图像数据，以恢复时间TR或反转时间TI最大 的图像为基准；对于测量自旋_自旋弛豫时间T2的图像数据，以单调递增的回波时间TE最 小的图像为基准； 2) 自动化识别样品并定位中心选取ROI提取信号：对步骤1)选取的图像做简单二值 化处理，将样品与背景区分；然后利用圆检测霍夫变换的方法，将图像数据变换为圆心累计 点的参数图像数据，并将参数图像数据中的峰值点所对应的图像数据点确定为各个造影剂 试管的中心；再结合二值化图像，准确计算出各个试管的半径；对每幅图像以试管中心点 为ROI中心，相对于试管半径大小以固定比例自动化选取ROI ;计算ROI内像素信号的平均 值以及实验标准偏差；最后对自动识别后每个样品管进行数字编号； 3) 非线性拟合计算造影剂Tl和T2值：利用步骤2)中提取得到的每幅图像各个造影 剂样品的ROI的信号值， 以及饱和恢复法对应的每幅图像的成像参数值TR、反转恢复法对应的每幅图像的成像 参数值TI做非线性拟合可得到Tl值；或多回波序列法对应的每幅图像的成像参数值TE做 非线性曲线拟合可得到T2值， 对于饱和恢复法测Tl的拟合公式为： M = M0* [1-exp (-TR/T1)]； 对于反转恢复法测Tl的拟合公式为： M = M0* [l-2exp(-TI/Tl)]； 对于多回波序列测T2的拟合公式为： M = M〇*exp (-TE/T2)； 公式中M表示提取得到的ROI内的造影剂图像信号值，Mtl表示M演化过程中的最大值， 将不同TR时间点以及提取得到的对应的M图像信号值分别代入对应拟合公式中，对Mtl、T1 进行拟合计算； 对于反转恢复法来说，将不同TI时间点以及提取得到的对应的M图像信号值分别代入 对应拟合公式中，对Mtl、Tl进行拟合计算； 对于多回波序列法来说，将不同TE时间点以及提取得到的对应的M图像信号值分别代 入对应拟合公式中，对Mtl、T2进行拟合计算； 非线性拟合的数学方法采用Levenberg-Marquardt迭代方法，最终测出各造影剂的Tl 或T2值。
[0010] 本发明的有益效果在于：本发明获取造影剂迟豫时间的方法，在图像中识别多个 样品选取样品ROI过程为计算机自动化过程，不需要人工过程，在定位精确性、ROI形状一 致性、结果准确性远高于传统方法；该方法从ROI选取、ROI信号提取到非线性拟合整个流 程为全自动化过程，在时间效率上远远高于传统方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1为本发明实施例中反转恢复SE序列TI参数为5000ms时的造影剂样品磁共 振成像图； 图2为本发明实施例中对图1进行圆检测霍夫变换后的圆心累计点参数域图像图； 图3为本发明实施例中对各个自动检测出的造影剂样品的编号图。
【具体实施方式】
[0012] 本发明的具体方案如下： 1、自动化识别样品并定位中心选取ROI提取信号 读取磁共振样品图像数据，对于图像以样品信号与背景信号对比度最好的图像为基 准。其中，对于测量自旋-晶格弛豫时间Tl的图像数据，以恢复时间TR或反转时间TI最 大的图像为基准；对于测量自旋-自旋弛豫时间T2的图像数据，以单调递增的回波时间TE 最小的图像为基准。然后先对选取的图像做简单二值化处理，将样品与背景区分，然后利用 圆检测霍夫变换的方法，将图像数据变换为圆心累计点的参数图像数据，并将参数图像数 据中的峰值点所对应的图像数据点确定为各个造影剂试管的中心，有效地确定各个造影剂 试管的中心。再结合二值化图像，准确计算出各个试管的半径，并对每幅图像以试管中心点 为ROI中心，相对于试管半径大小以固定比例自动化选取ROI。计算ROI内像素信号的平均 值以及实验标准偏差。最后对自动识别后每个样品管进行数字编号。
[0013] 2、非线性拟合计算造影剂Tl和T2值 利用上述步骤1中提取得到的每幅图像各个造影剂样品的ROI的信号值，以及饱和恢 复法对应的每幅图像的成像参数值TR、反转恢复法对应的每幅图像的成像参数值TI做非 线性拟合可得到Tl值；或多回波序列法对应的每幅图像的成像参数值TE做非线性曲线拟 合可得到T2值， 对于饱和恢复法测Tl的拟合公式为： M = M0* [1-exp (-TR/T1)]； 对于反转恢复法测Tl的拟合公式为： M = M0* [l-2exp(-TI/Tl)]； 对于多回波序列测T2的拟合公式为： M = M〇*exp (-TE/T2)； 公式中M表示提取得到的ROI内的造影剂图像信号值，Mtl表示M演化过程中的最大值， 也是需要拟合的参数之一。对于饱和恢复法来说，将不同TR时间点以及提取得到的对应的 M图像信号值分别代入上述公式中，对Mtl、Tl进行拟合计算；对于反转恢复法来说，将不同 TI时间点以及提取得到的对应的M图像信号值分别代入上述公式中，对Mtl、T1进行拟合计 算； 对于多回波序列法来说，将不同TE时间点以及提取得到的对应的M图像信号值分别代 入上述公式中，对Mtl、T2进行拟合计算。非线性拟合的数学方法采用Levenberg-Marquardt 迭代方法，最终测出各造影剂的Tl或T2值。
[0014] 现以用反转恢复法测造影剂的Tl值的图像数据为例，分步介绍对图像进行自动 化识别样品并定位中心选取ROI提取信号方法和非线性拟合计算造影剂迟豫时间的方法。
[0015] 本实例的反转恢复法测造影剂的Tl值的图像数据来源于Siemens MGNETOM Trio Tim 3. OT磁共振成像系统，成像序列为SE IR序列，具体 520710 成像参数：TR/TE: 9000ms/llms，F0V:640*640，ETL:7,选取10个不同TI值进行成像， 分别为：24ms、100ms、200ms、400ms、600ms、900ms、1200ms、2000ms、3000ms、5000ms。本实施 例中造影剂样品数目共71个。
[0016] 首先、自动化识别样品并定位中心选取ROI提取信号，以样品信号与背景信号对 比度最好的图像为基准，此实例中为TI为5000ms的图像见附图1。然后先对图像做简单二 值化处理，将样品与背景区分，然后利用圆检测霍夫变换的方法，将图像数据变换为圆心累 计点的参数图像数据，有效地确定各个造影剂试管的中心见附图2。再结合二值化图像，准 确计算出各个试管的半径，并对每幅图像以试管中心点为ROI中心，相对于试管半径大小 以固定比例自动化选取R0I。计算ROI内像素信号的平均值以及实验标准偏差。最后对自 动识别后每个样品管进行数字编号见附图3,以方便之后人对造影剂样品进行识别。
[0017] 然后是非线性拟合计算造影剂Tl和T2值。利用Levenberg-Marquardt迭代方法， 对每幅图像中各个造影剂样品提取的ROI信号值做非线性拟合，从而测得各造影剂样品的 Tl或T2值。在本实施例中利用公式（2)对上述提取到的信号做非线性拟合计算，对每个 检测到的每个造影剂样品数据进行100次迭代计算，最终得到拟合得到的方程及测得的Tl 值。本实例中测得的部分造影剂样品结果见表1。
[0018] 表 1
【权利要求】
1. 一种获取造影剂迟豫时间的方法，其特征在于，具体包括如下步骤： 1) 读取磁共振样品图像数据：对于图像以样品信号与背景信号对比度最好的图像为基 准，其中，对于测量自旋-晶格弛豫时间T1的图像数据，以恢复时间TR或反转时间TI最大 的图像为基准；对于测量自旋_自旋弛豫时间T2的图像数据，以单调递增的回波时间TE最 小的图像为基准； 2) 自动化识别样品并定位中心选取ROI提取信号：对步骤1)选取的图像做简单二值 化处理，将样品与背景区分；然后利用圆检测霍夫变换的方法，将图像数据变换为圆心累计 点的参数图像数据，并将参数图像数据中的峰值点所对应的图像数据点确定为各个造影剂 试管的中心；再结合二值化图像，准确计算出各个试管的半径；对每幅图像以试管中心点 为ROI中心，相对于试管半径大小以固定比例自动化选取ROI ;计算ROI内像素信号的平均 值以及实验标准偏差；最后对自动识别后每个样品管进行数字编号； 3) 非线性拟合计算造影剂T1和T2值：利用步骤2)中提取得到的每幅图像各个造影 剂样品的ROI的信号值，以及饱和恢复法对应的每幅图像的成像参数值TR、反转恢复法对 应的每幅图像的成像参数值TI做非线性拟合可得到T1值；或多回波序列法对应的每幅图 像的成像参数值TE做非线性曲线拟合可得到T2值， 对于饱和恢复法测T1的拟合公式为： M = M0* [1-exp(-TR/T1)]; 对于反转恢复法测T1的拟合公式为： M = M〇* [l-2exp(-TI/Tl)]； 对于多回波序列测T2的拟合公式为： M = M〇*exp (-TE/T2)； 公式中M表示提取得到的ROI内的造影剂图像信号值，M。表示M演化过程中的最大值， 对于饱和恢复法来说，将不同TR时间点以及提取得到的对应的M图像信号值分别代入对应 拟合公式中，对凡、T1进行拟合计算； 对于反转恢复法来说，将不同TI时间点以及提取得到的对应的M图像信号值分别代入 对应拟合公式中，对凡、T1进行拟合计算； 对于多回波序列法来说，将不同TE时间点以及提取得到的对应的M图像信号值分别代 入对应拟合公式中，对凡、T2进行拟合计算； 非线性拟合的数学方法采用Levenberg-Marquardt迭代方法，最终测出各造影剂的T1 或T2值。
【文档编号】G06T7/00GK104331681SQ201410470363
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】王丽嘉, 裴孟超, 李建奇, 聂生东, 王远军 申请人:上海理工大学