一种面向超高场磁共振的猕猴大脑皮层重建方法及装置

本发明属于磁共振，特别涉及一种面向超高场磁共振的猕猴大脑皮层重建方法及装置。

背景技术：

1、非人类灵长类动物，尤其是猕猴，是人类医学研究的重要模型之一。由于猕猴在行为、大脑结构、感知觉和情绪等功能方面与人类有着惊人的相似之处，因此已成为大脑研究中主要的动物模型，可以帮助人们更好地了解人类大脑结构、功能和行为。

2、了解大脑结构、功能拓扑，一个重要的方法是利用基于t1加权磁共振图像(mri)对褶皱的大脑皮层表面进行分割和重建。这个过程可以为大脑组织定量分析、可视化、皮层测绘和外科手术计划提供重要参考。

3、目前皮层重建的工具主要局限与人类大脑，然而在超高场磁共振(≥7t)高分辨率磁共振成像条件下，如何高效、准确地重建猕猴大脑皮层是当前神经科学研究领域中还存在技术空缺。

4、传统的皮层重建算法例如索尼公司提出的专利“根据t1 mri的自动3d分割和皮层表面重建”(公开号为cn107430690a，：一种用于执行器官结构的自动3d图像分割和重建的装置和方法，其特别适用于皮层表面。脑提取过程去除非脑图像元素，然后按类型将脑组织分类以为大脑分割过程进行准备，该过程确定图像信息的哪些部分属于特定生理结构。基于来自脑室提取过程的信息对图像数据执行脑室填充。跟随的是重建特定表面(诸如白质(wm)和灰质(gm))的重建过程。)和北京银河方圆科技有限公司提出的“大脑皮层表面重建方法和可读存储介质”(公开号为cn114581628a：该大脑皮层表面重建方法包括以下步骤：将医学影像图像进行数据预处理，以获得标准化图像；将该标准化图像输入分割模型中分割与灰质相邻的大脑解剖结构，以获得区分后的大脑解剖结构分割图像；将区分后的大脑解剖结构分割图像和该标准化图像输入表面水平集预测模型，获得大脑解剖结构与灰质之间的分界面的水平集表示图像；将大脑解剖结构与灰质之间的分界面的水平集表示图像输入拓扑修复模块和多边形网格表示重建模块，以获得大脑解剖结构与灰质之间的分界面的多边形网格表示。)。

5、上述两种方法都能够在一定程度上实现皮层重建，但是这两种方法关注于解决人脑皮层重建方法，既没有考虑猕猴大脑与人脑的结构差异，也没有针对超高场磁共振、高分辨率磁共振成像场景做针对性优化。因此，这些传统方法很难满足高分辨率磁共振条件下的猕猴皮层重建需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向超高场磁共振的猕猴大脑皮层重建方法，满足高分辨率磁共振条件下的猕猴皮层重建需求。

2、本发明提供如下技术方案：

3、一种面向超高场磁共振的猕猴大脑皮层重建方法，所述重建方法包括以下步骤：

4、(1)对猕猴大脑的磁共振图像中的空间信息进行校准，所述空间信息包括扫描体位和头部尺寸；

5、(2)对步骤(1)校准后的磁共振图像进行b1场不均一性校准；

6、(3)对步骤(2)校准后的磁共振图像进行脑外组织去除；

7、(4)在去除脑外组织的掩膜范围内对磁共振图像再次进行b1场不均一性校准；

8、(5)对步骤(4)生成的磁共振图像进行组织分割；

9、(6)对步骤(5)分割后的磁共振图像进行大脑-小脑分割和左右半脑分割，得到分割完成后的磁共振图像；

10、(7)根据分割完成后的磁共振图像进行猕猴大脑皮层重建。

11、在步骤(1)中，所述扫描体位的校准方法为：将以人类数据采集习惯的体位信息校准为猕猴大脑采集时正确的体位信息；头部尺寸的校准方法为：将猕猴的大脑尺寸扩大为与人类相似的大小。

12、在步骤(2)中，采用了改进后的b样条平滑策略进行b1场不均一性校准，表示为：

13、

14、其中，是第n次迭代时无损图像的估计，s*{·}是一个b样条曲线拟合值，是第n次迭代时估计的残余偏差场，是第n-1次迭代时无损图像的估计，是无损图像，e是期望值，是对n-1次迭代时无损图像的估计已知下的无损图像期望值。

15、在步骤(2)中，校准由于b1场不均一性造成的数据图像强度的不均一性，可以提高脑外组织去除的准确性。

16、在步骤(3)中，采用滑动参数式进行脑外组织去除。

17、在步骤(4)中，在脑组织范围内进行图像强度的不均一性校正。

18、在步骤(5)中，所述组织分割的方法为：使用标准模板中灰质、白质及脑脊液配准到个体空间后的文件作为组织概率模板，分割个体空间图像，得到个体空间的灰质、白质及脑脊液。

19、在步骤(6)中，利用由标准模板配准到个体空间的左右脑掩膜，区分个体空间的左、右半脑，同时分割去除脑干及小脑。

20、在步骤(7)中，所述重建的方法为：利用分割完成后的磁共振图像，生成以三角形顶点(vertex)为单元的皮层表面，包括白质/灰质表面、灰质/脑脊液表面；以及形成介于白质/灰质表面和灰质/脑脊液表面的中间层皮层。

21、进一步的，本发明还包括步骤(8)：对步骤(7)生成的皮层可选择性地进行皮层精细化处理。

22、进一步地，面向高空间分辨率(≤1mm)的磁共振功能成像，所述方法包括：相邻顶点间添加一个新顶点，然后连接每个网格中三个新顶点的三角形。

23、由于超高场磁共振的一个主要应用场景为高分辨率的功能成像，如果相邻体素之间的距离小于相邻皮层顶点之间的距离，则有可能会遗漏某些体素，造成这些体素不会被投射到任何顶点上。因此，本发明进一步通过将皮层表面网格细化处理，有助于减少丢失体素数量，从而可以保证数据的空间特异性。

24、使用皮层顶点精细化的方法减少体素到皮层投射过程中的体素丢失的方法具体为：在相邻顶点间添加一个新顶点，然后连接每个网格中三个新顶点的三角形。

25、本发明提供的皮层顶点精细化的方法将每个原始三角形细分为四个新的、更小的三角形，从而增加顶点密度并减少顶点间距。该方法不会改变曲面的几何形状和原始顶点所处的三角平面或位置。因为生成的曲面内的三角平面数大约是顶点数的两倍(如通过freesurfer生成)，所以每次迭代将平面数增加了大约四倍，顶点间距减少了两倍。

26、本发明还提供了一种面向超高场磁共振的猕猴大脑皮层重建装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述面向超高场磁共振的猕猴大脑皮层重建方法。

27、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现上述面向超高场磁共振的猕猴大脑皮层重建方法。

28、与现有技术相比，本发明具有以下优异效果：

29、本发明提供的面向超高场磁共振的猕猴大脑皮层重建方法及装置具备模式化和便捷化的特点，满足高分辨率磁共振条件下的猕猴皮层重建需求。

30、本发明提供的方法及装置中通过迭代式的b1场不均一性校准，提升脑外组织去除、脑组织分割的准确性，从而提升皮层重建结果的准确性。

31、本发明提供的方法及装置中自动化的左右半脑分割、小脑分离，排除了人为主观操作带来的数据结果异质性，从而有助于提高结果的可重复性。

32、本发明提供提供的方法及装置中的皮层顶点精细化有助于提高后续高分辨率(亚毫米级)功能结果在皮层空间展示的空间特异性。

33、本发明提供的方法及装置在皮层重建过程中提供自动生成的质量控制检查图，有助于直观检查数据处理过程的准确性，便于研究者根据特定的实验条件调整参数。