CN111445520B - 一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位方法及定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位方法，包括：以多回波采集重度T2*加权梯度回波序列(以下简称eSWAN序列)为成像序列，采集包含丘脑在内的颅脑磁敏感加权相位图；根据所述相位图进行颅脑图像重构，得出颅脑的QSM图像；在QSM图像上，根据丘脑不同核团区域磁敏感系数的差异对应的图像信号高低，区分丘脑Vim核及其周边核团，标记并描绘丘脑Vim核的位置与轮廓；将标记丘脑Vim核后的QSM图像与扫描相同部位获得的T2图像进行融合配准，测量丘脑Vim核的绝对位置；本发明还公开一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位装置。本发明能够快速、准确地实现丘脑Vim核的空间定位。

Description

一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位方法及 定位装置

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，尤其涉及一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位方法及定位装置。

背景技术

丘脑腹中间核(以下简称Vim核)指丘脑腹侧核团的中央约三分之一区域，位于丘脑腹外侧核和丘脑腹后核之间。该区域整合小脑-丘脑投射纤维输入以及本体感觉和动觉感官信息，主要接受来自对侧小脑上脚和同侧苍白球的传入纤维，投射传出纤维至大脑的运动皮质区，从实现躯体四肢的本体觉中枢神经系统的传递。Vim核是传导小脑冲动到大脑皮质的重要中继核团。因此，研究Vim核本身的生理及病理改变，对于预测机体的运动功能的改变，揭示机体运动功能调节的机制，具有十分重要的意义(Physiological mechanismsof thalamic ventral intermediate nucleus stimulation for tremorsuppression.Brian,2018.)。

研究Vim核在机体运动功能调节中的作用主要依赖各类检测设备，通过在体研究的方式进行，这就需要首先确定Vim核的准确位置。目前，对Vim核的定位主要依赖高分辨率横断位、冠状位、矢状位的T2加权图像来实现(Magnetic resonance–guided focusedultrasound thalamotomy for tremor:a report of 30Parkinson’s disease andessential tremor cases.Journal of Neurosurgery,2017.)。然而，T2图像上无法将丘脑的Vim核区与附近的其它丘脑核团区分开来。因此在实际操作中，通常结合经验性的Vim核空间坐标信息，在T2图像上以脑前后连合线为基准，依靠经验值向上或者向下及两侧偏移一定距离，标定Vim核区的大致位置。由于个体之间的脑结构形态存在一定的差异，而且Vim核的体积很小，各向径最短约为3mm，最长约为11mm，因此，根据硬性的经验坐标确定的Vim核位置与真实位置相比，不可避免的包含有误差甚至发生偏离，影响对Vim核生物学意义的研究与阐释。为了提高Vim核的定位准确性，需要一种新的定位方法及定位装置以提供目视可见的更精准的丘脑Vim核信息，助推相关研究。

发明内容

本发明针对现有的丘脑Vim核定位耗时长、定位精度差的问题，提出一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位方法及定位装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位方法，包括：

步骤1、以eSWAN序列为成像序列，采集包含丘脑在内的颅脑多层面的横断位、矢状位、冠状位的磁敏感加权相位图；

步骤2、根据所述相位图进行颅脑图像重构，得出颅脑的QSM图像；

步骤3、在所述QSM图像上，根据丘脑不同核团区域磁敏感系数的差异对应的图像信号高低，区分丘脑Vim核及其周边核团，标记并描绘丘脑Vim核的位置与轮廓；

步骤4、将标记丘脑Vim核后的QSM图像与扫描相同部位获得的T2图像进行融合配准，根据Vim核在QSM图像的位置在T2图像上重新标定，测量丘脑Vim核的绝对位置。

进一步地，所述步骤1还包括：

设置数据采集参数；所述参数包括回波时间，重复时间，翻转角，接收带宽。

进一步地，所述步骤2包括：

对所述相位图进行去卷褶处理，将所有的测量相位值映射到[-π,π]的范围内，去除相位图上脑组织边界外的背景相位，对相位图进行重构处理，重构过程按以下公式进行：

χ＝min{||FT^-1(D₂·FT(χ))-ψ||₂+λ||W·G·χ||₁}

式中，

其中χ为磁化率分布矩阵，FT为傅里叶变换算子，FT^-1为傅里叶逆变换算子，D₂为磁偶极子卷积核，||W·G·χ||₁为正则化项，λ为正则化参数，H为外加的磁场向量，r_x、r_y、r_z为对应的空间坐标，Δr_x、Δr_y、Δr_z为体素单元的尺寸，G_x、G_y、G_z为梯度算子，W_Gx、W_Gy、W_Gz为磁敏感系数分布的边界条件。

一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位装置，包括：

采集模块，用于以eSWAN序列为成像序列，采集包含丘脑在内的颅脑多层面的横断位、矢状位、冠状位的磁敏感加权相位图；

QSM图像得出模块，用于根据所述相位图进行颅脑图像重构，得出颅脑的QSM图像；

标记模块，用于在所述QSM图像上，根据丘脑不同核团区域磁敏感系数的差异对应的图像信号高低，区分丘脑Vim核及其周边核团，标记并描绘丘脑Vim核的位置与轮廓；

融合配准模块，用于将标记丘脑Vim核后的QSM图像与扫描相同部位获得的T2图像进行融合配准，根据Vim核在QSM图像的位置在T2图像上重新标定，测量丘脑Vim核的绝对位置。

进一步地，所述采集模块还包括：

参数设置模块，用于设置数据采集参数；所述参数包括回波时间，重复时间，翻转角，接收带宽。

进一步地，所述QSM图像得出模块包括：

重构模块，用于对所述相位图进行去卷褶处理，将所有的测量相位值映射到[-π,π]的范围内，去除相位图上脑组织边界外的背景相位，对相位图进行重构处理，重构过程按以下公式进行：

χ＝min{||FT^-1(D₂·FT(χ))-ψ||₂+λ||W·G·χ||₁}

式中，

其中χ为磁化率分布矩阵，FT为傅里叶变换算子，FT^-1为傅里叶逆变换算子，D₂为磁偶极子卷积核，||W·G·χ||₁为正则化项，λ为正则化参数，H为外加的磁场向量，r_x、r_y、r_z为对应的空间坐标，Δr_x、Δr_y、Δr_z为体素单元的尺寸，G_x、G_y、G_z为梯度算子，W_Gx、W_Gy、W_Gz为磁敏感系数分布的边界条件。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明公开的一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位方法及定位装置，首先以eSWAN序列为成像序列，采集包含丘脑在内的颅脑多层面的横断位、矢状位、冠状位的磁敏感加权相位图；然后根据所述相位图进行颅脑图像重构，得出颅脑的QSM图像；并根据QSM图像得到丘脑Vim核与周围核团的空间位置关系信息，明确Vim核团在二维图像上的空间标记；然后和T2图像进行融合配准，测量Vim核在大脑空间中的绝对坐标。经测试，本发明能够快速、准确地实现丘脑Vim核的空间定位，并且定位的效果稳定，受个体差异影响小。与传统依靠经验值定位的方法比，该方法更科学化，可为发病机制的研究等提供更多的信息。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位方法的基本流程图；

图2为T2图像示例图；

图3为QSM图像中丘脑Vim核位置示例图；

图4为QSM图像和T2图像融合后图像示例图；

图5为本发明实施例本发明实施例一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

实施例1

如图1所示，一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位方法，包括：

步骤S101、以eSWAN序列为成像序列，采集包含丘脑在内的颅脑多层面的横断位、矢状位、冠状位的磁敏感加权相位图；

作为一种可实施方式，本实施例使用的采集仪器为3.0T磁共振成像仪，具体型号为Discovery MR750，生产厂商为GE Medical System(USA)。采集数据前，被试去除全部体外的金属物品以及其它不宜带入核磁共振扫描间的物品后，平躺在核磁共振检查床上，头部朝向进床位置。选用头颈联合线圈，被试肩部紧贴线圈，左右居中，定位中心位于眉间。扫描范围为全脑，扫描序列为基于多梯度回波的eSWAN序列(多回波采集重度T2*加权梯度回波序列，enhanced gradient echo T2starweighted angiography)，同时启用ASSET功能加快扫描速度，减轻图像变形，启用FC功能减轻流动伪影。

具体地，所述步骤S101还包括：

设置数据采集参数；所述参数包括回波时间，首次回波时间，重复时间，翻转角，接收带宽；

作为一种可实施方式，设置数据采集参数如下：

翻转角：12度；回波时间(TE)：4.67毫秒；重复时间(TR)：62.77毫秒；接收带宽：62.5kHz；回波数：12；信号采集次数：6；扫描野FOV：25.6cm*25.6cm；扫描层厚：2mm；频率：426；相位：426；时相FOV：100％；其余参数选用eSWAN序列默认参数。采用以上扫描参数采集被试颅脑多层面的横断位、矢状位、冠状位的磁敏感加权相位图像。

步骤S102、根据所述相位图进行颅脑图像重构，得出颅脑的QSM图像(定量磁敏感图像)；

具体地，对采集的横断位、矢状位、冠状位的磁敏感加权相位图像进行处理，获得对应的QSM图像(包括横断位QSM图像、矢状位QSM图像及冠状位QSM图像)：

对所述相位图进行去卷褶处理，将所有的测量相位值映射到[-π,π]的范围内，去除相位图上脑组织边界外的背景相位，对相位图进行重构处理，重构过程按以下公式进行：

χ＝min{||FT^-1(D₂·FT(χ))-ψ||₂+λ||W·G·χ||₁}

式中，

其中χ为磁化率分布矩阵，FT为傅里叶变换算子，FT^-1为傅里叶逆变换算子，D₂为磁偶极子卷积核，||W·G·χ||₁为正则化项，λ为正则化参数，H为外加的磁场向量，r_x、r_y、r_z为对应的空间坐标，Δr_x、Δr_y、Δr_z为体素单元的尺寸，G_x、G_y、G_z为梯度算子，W_Gx、W_Gy、W_Gz为磁敏感系数分布的边界条件。

步骤S103、在所述QSM图像上，根据丘脑不同核团区域磁敏感系数的差异对应的图像信号高低，区分丘脑Vim核及其周边核团，标记并描绘丘脑Vim核的位置与轮廓；

具体地，丘脑Vim核属于丘脑腹外侧核群，位于丘脑Vo核(腹嘴核)、丘脑Vc核(腹尾核)中间。丘脑不同核团的铁蛋白的沉积量不同，在冠状位QSM图像上，可见不同的丘脑核团呈不同程度的稍低信号，且丘脑周边核区可见明确的稍高信号。丘脑Vim核下方为黑质，两者间隔了一层很薄的未定区，黑质内侧紧邻红核，红核上缘为丘脑内侧核群。在冠状位QSM图像上上，黑质和红核对应图像上端脑中央底部的高信号区域，以黑质和红核的大小适中的冠状位QSM图像为基准图像，以黑质、红核高亮区为参考，黑质、红核区上方有一条由外上方斜行至内下方的稍低信号细条状影，即为丘脑内外侧核群的分界线。以该稍低信号线状影为界，黑质、红核区外上方高低信号交界处外侧稍高信号区即为丘脑Vim核，低信号区为丘脑内侧核团，标注Vim核的轮廓，然后在横断位和矢状位上对相应的位置进行标记，以进行下一步的操作。

步骤S104、将标记丘脑Vim核后的QSM图像与扫描相同部位获得的T2图像进行融合配准，根据Vim核在QSM图像的位置在T2图像上重新标定，测量丘脑Vim核的绝对位置；

具体地，丘脑Vim核最正中切面位于大脑前连合向后约22.6毫米的位置，内缘距离前后连合线矢状面约10毫米，外缘距离前后连合线矢状面约19mm，上缘距离前后连合约6-9mm(内侧-外侧)，下缘约与前后连合线平齐。但不同对象的Vim核具体位置有差异，不能以上述数据为标准确定Vim核的绝对位置，需要更明确的图像指征。将已经标定Vim核位置的QSM图像序列与被试的T2图像进行融合配准，根据Vim核在QSM图像的位置重新在多解剖面的T2图像上重新标定，测量Vim核的绝对位置。

通过图2-图4说明本发明效果，图2是T2图像，图像上没有任何指征，视觉观察图像难以直接确定Vim核的位置；图3是QSM图像，黑色轮廓内稍高信号为丘脑Vim核位置；图4是QSM图像和T2图像融合后图像，在T2图像上标定了Vim核位置(黑色轮廓内)。由图2、图3、图4可知，本发明能够准确地实现丘脑Vim核的空间定位。

实施例2

在实施例1的基础上，如图5所示，本发明还公开一种基于磁共振定量磁敏感图像的磁共振引导聚焦超声治疗的定位装置，包括：

采集模块201，用于以eSWAN序列为成像序列，采集包含丘脑在内的颅脑多层面的横断位、矢状位、冠状位的磁敏感加权相位图；

QSM图像得出模块202，用于根据所述相位图进行颅脑图像重构，得出颅脑的QSM图像；

标记模块203，用于在所述QSM图像上，根据丘脑不同核团区域磁敏感系数的差异对应的图像信号高低，区分丘脑Vim核及其周边核团，标记并描绘丘脑Vim核的位置与轮廓；

融合配准模块204，用于将标记丘脑Vim核后的QSM图像与扫描相同部位获得的T2图像进行融合配准，根据Vim核在QSM图像的位置在T2图像上重新标定，测量丘脑Vim核的绝对位置。

具体地，所述采集模块201还包括：

参数设置模块，用于设置数据采集参数；所述参数包括回波时间，首次回波时间，重复时间，翻转角，接收带宽。

具体地，所述QSM图像得出模块202包括：

重构模块，用于对所述相位图进行去卷褶处理，将所有的测量相位值映射到[-π,π]的范围内，去除相位图上脑组织边界外的背景相位，对相位图进行重构处理，重构过程按以下公式进行：

χ＝min{||FT^-1(D₂·FT(χ))-ψ||₂+λ||W·G·χ||₁}

式中，

其中χ为磁化率分布矩阵，FT为傅里叶变换算子，FT-¹为傅里叶逆变换算子，D₂为磁偶极子卷积核，||W·G·χ||₁为正则化项，λ为正则化参数，H为外加的磁场向量，r_x、r_y、r_z为对应的空间坐标，Δr_x、Δr_y、Δr_z为体素单元的尺寸，G_x、G_y、G_z为梯度算子，W_Gx、W_Gy、W_Gz为磁敏感系数分布的边界条件。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位方法，其特征在于，包括：

步骤1、设置数据采集参数，包括：翻转角：12度；回波时间：4.67毫秒；重复时间：62.77毫秒；接收带宽：62.5kHz；回波数：12；信号采集次数：6；扫描野FOV：25.6cm*25.6cm；扫描层厚：2mm；频率：426；相位：426；时相FOV：100％；其余参数选用eSWAN序列默认参数；以eSWAN序列为成像序列，采集包含丘脑在内的颅脑多层面的横断位、矢状位、冠状位的磁敏感加权相位图；

步骤2、根据所述相位图进行颅脑图像重构，得出颅脑的QSM图像；所述步骤2包括：

对所述相位图进行去卷褶处理，将所有的测量相位值映射到[-π,π]的范围内，去除相位图上脑组织边界外的背景相位，对相位图进行重构处理，重构过程按以下公式进行：

χ＝min{||FT^-1(D₂·FT(χ))-ψ||₂+λ||W·G·χ||₁}

式中，

其中χ为磁化率分布矩阵，FT为傅里叶变换算子，FT^-1为傅里叶逆变换算子，D₂为磁偶极子卷积核，||W·G·χ||₁为正则化项，λ为正则化参数，H为外加的磁场向量，r_x、r_y、r_z为对应的空间坐标，Δr_x、Δr_y、Δr_z为体素单元的尺寸，G_x、G_y、G_z为梯度算子，W_Gx、W_Gy、W_Gz为磁敏感系数分布的边界条件；

步骤3、在所述QSM图像上，根据丘脑不同核团区域磁敏感系数的差异对应的图像信号高低，区分丘脑Vim核及其周边核团，标记并描绘丘脑Vim核的位置与轮廓；具体包括：在冠状位QSM图像上，黑质和红核对应图像上端脑中央底部的高信号区域，以黑质和红核的大小适中的冠状位QSM图像为基准图像，以黑质、红核高信号区域为参考，黑质、红核区外上方有一条由外上方斜行至内下方的稍低信号细条状影，即为丘脑内外侧核群的分界线；以所述稍低信号细条状影为界，黑质、红核区外上方的稍低信号细条状影外侧稍高信号区即为丘脑Vim核，低信号区为丘脑内侧核团，标注Vim核的轮廓，然后在横断位和矢状位上对相应的位置进行标记；

步骤4、将标记丘脑Vim核后的QSM图像与扫描相同部位获得的T2图像进行融合配准，根据Vim核在QSM图像的位置在T2图像上重新标定，测量丘脑Vim核的绝对位置。

2.一种基于磁共振定量磁敏感图像的丘脑腹中间核定位装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于以eSWAN序列为成像序列，采集包含丘脑在内的颅脑多层面的横断位、矢状位、冠状位的磁敏感加权相位图；

QSM图像得出模块，用于根据所述相位图进行颅脑图像重构，得出颅脑的QSM图像；

标记模块，用于在所述QSM图像上，根据丘脑不同核团区域磁敏感系数的差异对应的图像信号高低，区分丘脑Vim核及其周边核团，标记并描绘丘脑Vim核的位置与轮廓；具体用于：在冠状位QSM图像上，黑质和红核对应图像上端脑中央底部的高信号区域，以黑质和红核的大小适中的冠状位QSM图像为基准图像，以黑质、红核高信号区域为参考，黑质、红核区外上方有一条由外上方斜行至内下方的稍低信号细条状影，即为丘脑内外侧核群的分界线；以所述稍低信号细条状影为界，黑质、红核区外上方的稍低信号细条状影外侧稍高信号区即为丘脑Vim核，低信号区为丘脑内侧核团，标注Vim核的轮廓，然后在横断位和矢状位上对相应的位置进行标记；

融合配准模块，用于将标记丘脑Vim核后的QSM图像与扫描相同部位获得的T2图像进行融合配准，根据Vim核在QSM图像的位置在T2图像上重新标定，测量丘脑Vim核的绝对位置；

所述采集模块还包括：

参数设置模块，用于设置数据采集参数，包括：翻转角：12度；回波时间：4.67毫秒；重复时间：62.77毫秒；接收带宽：62.5kHz；回波数：12；信号采集次数：6；扫描野FOV：25.6cm*25.6cm；扫描层厚：2mm；频率：426；相位：426；时相FOV：100％；其余参数选用eSWAN序列默认参数；

所述QSM图像得出模块包括：

重构模块，用于对所述相位图进行去卷褶处理，将所有的测量相位值映射到[-π,π]的范围内，去除相位图上脑组织边界外的背景相位，对相位图进行重构处理，重构过程按以下公式进行：

χ＝min{||FT^-1(D₂·FT(χ))-ψ||₂+λ||W·G·χ||₁}

式中，

其中χ为磁化率分布矩阵，FT为傅里叶变换算子，FT^-1为傅里叶逆变换算子，D₂为磁偶极子卷积核，||W·G·χ||₁为正则化项，λ为正则化参数，H为外加的磁场向量，r_x、r_y、r_z为对应的空间坐标，Δr_x、Δr_y、Δr_z为体素单元的尺寸，G_x、G_y、G_z为梯度算子，W_Gx、W_Gy、W_Gz为磁敏感系数分布的边界条件。

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