基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法、装置及介质转让专利
申请号 : CN202110475243.0
文献号 : CN113171076B
文献日 : 2022-01-04
发明人 : 张祎 , 雍兴旺 , 吴丹
申请人 : 浙江大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,其特征在于,针对CEST图像中的每一个体素,依次执行S1~S3,得到每一个体素的消除背景干扰信号的CEST效应值;其中S1~S3为:
S1、对获得的原始Z谱进行主磁场频率B0偏移校正,得到校正后Z谱;
S2、取校正后Z谱中仅含有MT效应的部分数据点作为拟合样本数据,对预先设置有待定参数初值和上下限的两池模型进行拟合,得到待定参数的拟合值;
所述两池模型表示为
式中:exp表示以自然常数e为底的指数函数;Δt表示时刻t的增量; 分T
别为t+Δt时刻、t时刻的磁化矢量 其中 矩阵M=[Mxa,Mya,Mza,Mzb] ,Mxa、Mya、Mza、Mzb分别为水集团的x方向磁化强度分量、水集团的y方向磁化强度分量、水集团的z方向磁化强度分量、MT集团的z方向磁化强度分量;系数矩阵 其中矩阵T
向量C=[0,0,R1aM0a,R1bM0b] ,Δωa表示外界施加的射频脉冲的频率和水的频率差,ω1表示所施加的射频脉冲强度,kab表示从水集团交换到MT集团的速率,kba表示从MT集团交换到水集团的速率,Rrfb为MT集团对射频脉冲的吸收速率,R1a=1/T1a和R2a=1/T2a分别为水集团的纵向弛豫速率和横向弛豫速率,R1b=1/T1b和R2b=1/T2b分别为MT集团的纵向弛豫速率和横向弛豫速率,M0a和M0b分别为水集团和MT集团的稳态磁化强度;
所述两池模型中的待定参数为T1a,T2a,T2b,M0b,kba;
S3、基于代入所述拟合值的两池模型得到包含MT效应的拟合曲线,将所述拟合曲线与所述校正后Z谱上感兴趣频率处的差值,作为消去背景干扰信号的CEST效应值。
2.如权利要求1所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,其特征在于,所述S2中,两池模型中待定参数的拟合具有两轮,第一轮拟合时对5个待定参数在其预先设定的上下限范围内均利用所述拟合样本数据进行参数优化,获得第一轮拟合值;第二轮拟合时,以第一轮拟合值为中心,选择相对于第一轮拟合上下限范围更窄的上下限,重新使用和第一轮拟合中相同的拟合样本数据对所述两池模型进行第二轮精度更高的拟合,得到待定参数的最终拟合值。
3.如权利要求2所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,其特征在于,在进行所述第二轮拟合时,在所述两池模型的5个待定参数中仅选择部分参数调整其上下限,剩余参数的上下限与第一轮拟合保持一致。
4.如权利要求2所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,其特征在于,在进行所述第二轮拟合时,需改变上下限的参数组合为T1a,T2b,M0b或T1a,T2b或T2b,M0b。
5.如权利要求1所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,其特征在于,所述S2中,仅含有MT效应的数据点为频率位于6~80ppm范围内的数据点。
6.如权利要求5所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,其特征在于,所述S2中,仅含有MT效应的数据点为频率位于20~80ppm范围内的数据点。
7.如权利要求2所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,其特征在于,所述‑6
S2中,进行第一轮拟合时,待定参数T1a,T2a,T2b,M0b,kba预设的上限是[1.5,0.25,12e ,‑6
0.16,40],预设的下限是[0.6,0.065,8e ,0.001,20]。
8.如权利要求2所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,其特征在于,所述S2中,在进行第二轮拟合时,对于需改变上下限的参数,其上限值改为该参数的第一轮拟合值的120%~150%,下限值改为该参数的第一轮拟合值的50%~80%。
9.如权利要求2所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,其特征在于,所述S2中,MT集团对射频脉冲的吸收速率 其中g(·)是一个线形函数,包括洛伦兹型、高斯型或超洛伦兹型,Δωb表示外界施加的射频脉冲的频率和MT的频率差。
10.如权利要求9所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,其特征在于,所述S3中,所述感兴趣频率为3.5ppm或‑3.5ppm,3.5ppm的感兴趣频率对应的CEST效应值为# #
APT值,‑3.5ppm的感兴趣频率对应的CEST效应值为NOE。
11.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述存储介质上存储有计算机程序,当所述计算机程序被处理器执行时,实现如权利要求1~10任一项所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法。
12.一种基于外插磁化转移信号数值拟合的CEST数据拟合装置,其特征在于,包括处理器和存储介质,所述存储介质上存储有计算机程序,当所述计算机程序被处理器执行时,实现如权利要求1~10任一项所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法。
13.一种去除CEST成像干扰效应的磁共振成像装置,其特征在于,包括磁共振扫描器以及控制单元,所述磁共振扫描器用于通过磁共振CEST成像获取CEST图像;所述控制单元能获取所述CEST图像且控制单元中存储有计算机程序,当所述计算机程序被执行时,用于实现如权利要求1~10任一项所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,输出每一个体素消除背景干扰信号的CEST效应值。
说明书 :
基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法、装置及介质
技术领域
背景技术
个临床领域,比如脑肿瘤分级、监测放化疗的早期治疗反应、预测肿瘤标志物、检测缺血性
中风等。但是CEST信号容易受多种效应的影响,国内外研究者提出了多种计算CEST信号的
方法以去除这些干扰效应,这些方法可以大致分成两类,一是使用参考信号与标记信号作
差得到最终的信号,二是模型拟合得到最终的信号。非对称磁化转移(Magnetization
transfer ration asymmetry,MTRasym)假设(1)参考信号中不包含CEST效应;(2)标记信号
包含CEST效应;(3)其他效应在参考信号和标记信号中相等。然后用参考信号减去实验信
号,就消除了其他效应只保留CEST效应。但是其他干扰效应在参考信号和标记信号中并不
都相等,比如大分子磁化转移(Magnetization transfer,MT)效应,所以MTRaysm方法得到的
信号包含了其他效应。多池洛伦兹拟合假设每个效应的曲线是一条洛伦兹曲线,这些洛伦
兹曲线叠加起来形成了实验采集的曲线,通过拟合实验采集到的曲线,可以得出各个效应
的值,但是其他效应的曲线并不都是洛伦兹曲线,比如MT,它的曲线是超洛伦兹。外插磁化
转移信号(Extrapolated Semisolid Magnetization Transfer Reference,EMR)拟合出的
曲线代表除了CEST效应之外的其他效应,将EMR拟合的曲线与实验得到的曲线作差,就可以
得到CEST效应。EMR假设实验使用的饱和脉冲是方波而且系统已经到达稳态,但是这两个条
件并不总是满足的。
发明内容
扰效应方面,提供一种鲁棒的、适合于多种实验条件的基于外插磁化转移信号的CEST数值
拟合(Numerical Fit of Extrapolated Semisolid Magnetization Transfer Reference
Signal,简称NEMR)方法。
的CEST效应值;其中S1~S3为:
T
Mza,Mzb] ,Mxa、Mya、Mza、Mzb分别为水集团的x方向磁化强度分量、水集团的y方向磁化强度分
量、水集团的z方向磁化强度分量、MT集团的z方向磁化强度分量;系数矩阵
T
其中矩阵 向量C=[0,0,R1aM0a,R1bM0b] ,Δ
ωa表示外界施加的射频脉冲的频率和水的频率差,ω1表示所施加的射频脉冲强度,kab表
示从水集团交换到MT集团的速率,kba表示从MT集团交换到水集团的速率,Rrfb为MT集团对射
频脉冲的吸收速率,Δωb表示外界施加的射频脉冲的频率和MT的频率差,R1a=1/T1a和R2a
=1/T2a分别为水集团的纵向弛豫速率和横向弛豫速率,R1b=1/T1b和R2b=1/T2b分别为MT集
团的纵向弛豫速率和横向弛豫速率,M0a和M0b分别为水集团和MT集团的稳态磁化强度;
化,获得第一轮拟合值;第二轮拟合时,以第一轮拟合值为中心,选择相对于第一轮拟合上
下限范围更窄的上下限,重新使用和第一轮拟合中相同的拟合样本数据对所述两池模型进
行第二轮精度更高的拟合,得到待定参数的最终拟合值。
T1a,T2a,T2b,M0b,kba预设的上限是[1.5,0.25,12e ,0.16,40],预设的下限是[0.6,0.065,
‑6
8e ,0.001,20]。
数的第一轮拟合值的80%~50%;进一步的,上限值优选改为该参数的第一轮拟合值的
120%,下限值改为该参数的第一轮拟合值的80%。
趣频率对应的CEST效应值为APT值,‑3.5ppm的感兴趣频率对应的CEST效应值为NOE。
化转移信号的CEST数据拟合方法。
理器执行时,实现如第一方面中任一项所述的基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方
法。
CEST图像;所述控制单元能获取所述CEST图像且控制单元中存储有计算机程序,当所述计
算机程序被执行时,用于实现如第一方面中任一项所述的基于外插磁化转移信号的CEST数
据拟合方法,输出每一个体素消除背景干扰信号的CEST效应值。
中,而不是假定波形为矩形波。其次,NEMR方法采用BM方程仿真来描述CEST效应,而不是经
过简化的解析表达式,使得在系统非稳态时也适用,BM方程是描述CEST效应最基本的方程,
在此基础上进行仿真和迭代可以准确地还原生理参数值。
附图说明
具体实施方式
Signal,NEMR)。该基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法将MT效应的线型融入到
Bloch‑McConnell(BM)方程中,通过对该方程代表的模型的拟合,可以得出MT效应,将拟合
得出的曲线与实验采集到的曲线作差,就可以去除干扰效应。
分别为纵向和横向弛豫速率,M0表示稳态磁化强度。该方程只描述了水的磁化强度在射频
脉冲影响下随时间改变的情况。对于具有两个交换集团(水集团a;MT集团b)的系统,可由以
下方程来描述(需注意的是下列公式中下标a代表水集团的相关参数,而下标b代表MT集团
的相关参数):
速率)。
写为
其中:
线,将此拟合曲线和经过主磁场频率B0偏移校正后的Z谱曲线作差,就可以得到更为干净的
CEST效应。
#
频率称为感兴趣频率。例如,假如需要计算的CEST效应值为APT (Amide proton transfer
signal from NEMR analysis,使用外插磁化转移信号分析得到的酰胺质子转移信号)值,
#
那么其对应的感兴趣频率为3.5ppm;假如需要计算的CEST效应值为NOE (Numerical Fit
of Extrapolated Semisolid Magnetization Transfer Reference Signal,使用外插磁
化转移信号分析得到的核奥氏效应信号),那么其对应的感兴趣频率为‑3.5ppm。当然,假如
Z谱上具有其他频率也可以反映某种CEST效应,那么也可以作为感兴趣频率,通过计算拟合
曲线与校正后Z谱上感兴趣频率处的差值,即可得到该感兴趣频率对应的消去背景干扰信
号的CEST效应值。本发明在实现过程中,可以单次计算一种CEST效应值,亦可同时计算多种
CEST效应值,对此不作限定。
方式为单轮拟合,第二种方式为两轮拟合,其余的做法均相同。下面对两种做法分别通过实
施例进行展示说明。
# # # #
S3,得到每一个体素的APT值和NOE值,从而组成APT图和NOE图。下面对于S1~S3的具体
实现过程进行展开描述。
T
Mza,Mzb] ,Mxa、Mya、Mza、Mzb分别为水集团的x方向磁化强度分量、水集团的y方向磁化强度分
量、水集团的z方向磁化强度分量、MT集团的z方向磁化强度分量;系数矩阵
T
其中矩阵 向量C=[0,0,R1aM0a,R1bM0b] ,Δ
ωa表示外界施加的射频脉冲的频率和水的频率差,ω1表示所施加的射频脉冲强度,kab表
示从水集团交换到MT集团的速率,kba表示从MT集团交换到水集团的速率,参数
其中g(·)为超洛伦兹型,Δωb表示外界施加的射频脉冲的频率和MT
的频率差,R1a=1/T1a和R2a=1/T2a分别为水集团的纵向弛豫速率和横向弛豫速率,R1b=1/
T1b和R2b=1/T2b分别为MT集团的纵向弛豫速率和横向弛豫速率,M0a和M0b分别为水集团和MT
集团的稳态磁化强度。
位于80~20ppm范围内的数据点。
的5个待定参数的拟合值。具体的拟合方法可以利用MATLAB、SPSS等软件或者其他现有技术
实现,拟合程度可以用最小均方误差来表示。
‑6 ‑6
的上限设置为[1.5,0.25,12e ,0.16,40],预设的下限设置为[0.6,0.065,8e ,0.001,
20],初值均设为各自的下限。
磁场B0频率校正后的Z谱,即可得到一条差值曲线,在这条差值曲线上取横坐标为3.5ppm
# #
和‑3.5ppm对应的纵坐标值,分别记为APT值和NOE值。当然,从简化角度来看,差值曲线不
属于必须要获取的,只要能够计算拟合曲线上3.5ppm对应的纵坐标值与主磁场B0频率校正
#
后的Z谱上3.5ppm对应的纵坐标值间的差值,即可作为当前体素的APT值,同时计算拟合曲
线上‑3.5ppm对应的纵坐标值与主磁场B0频率校正后的Z谱上‑3.5ppm对应的纵坐标值间的
#
差值,即可作为当前体素的NOE值。
APT图和一张NOE图,APT图中的每个位置的值为该位置体素对应的APT值,NOE图中的每
#
个位置的值为该位置体素对应的NOE值。
个模块:(1)CEST饱和模块,该模块包含10个高斯波形饱和脉冲,每个脉冲持续时间约为
100ms,幅度为1μT;(2)频谱预饱和反转恢复压脂模块;(3)快速自旋回波采集模块。
~20ppm的数据作为拟合样本数据(拟合用到的点如图2中所示),未知参数T1a,T2a,T2b,M0b,
‑6 ‑6
kba上限是[1.5,0.25,12e ,0.16,40],下限是[0.6,0.065,8e ,0.001,20],初值等于下限。
最终拟合曲线如图2所示。
APT图和NOE图除了能够清楚地显示出其他模态上可以看到的病灶(T2加权图像上的病灶,
#
白色实线箭头),还能够显示出其他模态上不可见的病灶(NOE 图上的病灶,白色虚线箭
头)。
# # # #
S1~S3,得到每一个体素的APT值和NOE值,从而组成APT图和NOE图。
自的下限。
心,选择相对于第一轮拟合上下限范围更窄的上下限,重新使用和第一轮拟合中相同的拟
合样本数据对上述两池模型进行第二轮精度更高的拟合,得到待定参数的最终拟合值。在
具体实现过程中,两池模型的5个待定参数不需要全部进行上下限调整,可以在两池模型的
5个待定参数中选择部分参数进一步扩大其上下限值,剩余参数的上下限依然与第一轮拟
合保持一致。本实施例在第二轮拟合时,需改变上下限值的参数组合为T1a,T2b,M0b。
合所用的参数上限值优选改为该参数第一轮拟合值的120%,第二轮拟合所用的参数下限
值优选改为该参数第一轮拟合值的80%,从而在第一轮拟合值附近对这几个参数进行进一
步优化。
例1相同。
T2a,T2b,M0b,kba上限是[1.5,0.25,12e‑6,0.16,40],下限是[0.6,0.065,8e‑6,0.001,20],初
值等于下限。第二轮拟合时,使用和第一轮拟合中一样的拟合样本数据,将T1a,T2b,M0b的上
限设为第一轮得到的T1a,T2b,M0b的120%,下限设为第一轮得到的T1a,T2b,M0b的80%,其余参
数的上下限与第一轮拟合保持一致,所有参数的初值设定为该参数值的下限。
APT图和NOE图除了能够清楚地显示出其他模态上可以看到的病灶(T2加权图像上的病灶,
#
白色实线箭头),还能够显示出其他模态上不可见的病灶(NOE 图上的病灶,白色虚线箭
头),且其显示效果比实施例1更优。
80~6ppm等。同样的,在进行参数拟合时,对于参数的上下限限制,可以根据实际情况调整,
上限值可以改为该参数在第一轮得到的第一轮拟合值的120%~150%,下限值可以改为该
参数的第一轮拟合值的80%~50%。再另外,其中第二轮拟合时,需改变上下限值的参数组
合可以是多样的,例如除了T1a,T2b,M0b之外,还可以选择T1a,T2b或T2b,M0b等等。在进行拟合
时,参数的初值设为上下限范围内的合理数值,也可以通过在上下限范围内随机或者均匀
设置几个不同的待选值,所得拟合误差最小的待选值即可选定为最终的初值。
用并执行时,可以按照上述方法实现基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法。
计算机程序被处理器执行时,实现上述基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法。
NVM),例如至少一个磁盘存储器。
器(Digital Signal Processing,DSP)、专用集成电路(Application Specific
Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array,FPGA)
或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
振扫描器以及控制单元,磁共振扫描器可采用现有技术实现,属于成熟商用产品,不再赘
述。控制单元中除了存储有上述计算机程序之外,还应当具有实现CEST成像所必要的成像
序列以及其他软件程序。磁共振扫描器用于通过磁共振CEST成像获取CEST图像,而控制单
元能获取磁共振扫描器得到的CEST图像,且控制单元中存储有前述的计算机程序,当计算
机程序被执行时,用于实现上述基于外插磁化转移信号的CEST数据拟合方法,输出每一个
体素消除背景干扰信号的CEST效应值。
储于存储装置中,并有计算装置中的相应元件执行。本发明的实现便不限制于任何特定的
硬件和软件结合。本发明中的各硬件型号均可采用市售产品,可根据实际用户需求进行选
择。当然,磁共振CEST成像序列及装置中,也需要配合必要的其他硬件或软件,此处不再赘
述。
化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保
护范围内。