CN114115388B - 一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控方法，涉及图像处理技术领域，包括步骤：根据目标组织的异变程度确定初始周期的加热时长；根据当前周期的加热时长控制射频仪对目标组织进行热处理；控制射频仪对目标组织进行磁成像，并根据磁共振图像获取目标组织区域内温度场的实时极值温度；根据加热时长达到时极值温度与预设温控范围的区间关系，通过第一预设时长计算公式获取当前周期的成像时长；根据成像时长达到时极值温度分别与预设温控范围的区间关系，通过第二预设时长计算公式获取下一周期的加热时长；循环往复至热处理结束。本发明通过对热处理和磁成像进行分时调控，实现了单射频仪同时满足有效加热和有效成像的使用要求。

Description

一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控方法与系统

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控方法与系统。

背景技术

对于异常生物组织进行处理的手段中，除了物理切割外，常用的手段还包括热消融处理或者比热消融温度稍低一些的温热处理。而局部组织的定向热处理技术更是在普通热处理技术上进行了改进，以降低对正常生物组织的破坏。通常而言，精准的局部热疗技术需要同时包括精准定向加热和实时温度监控两部分。通常的处理方法多为介入式测温，也即是光纤伸入组织进行检测，无法实现定向范围内的温度检测，再有就是通过超声射频信号结合机器学习进行测温，但无法保证测温精度。

而在现有技术中，磁共振成像被认为是热处理过程中实现非入侵式实时监测的理想方法。研究表明，磁共振（MR）测温可达到较高的精度和分辨率，同时还可监测生物组织的代谢状态。然而，由于磁共振成像是在射频脉冲关闭后，利用质子回复所产生的电信号进行成像；而磁热效应则是利用外加交变磁场，磁性纳米颗粒由于受到磁滞损耗、弛豫损耗等因素的影响而吸收外磁场能量产生热量，从而使温度上升。因此，在原理上来说，磁共振成像和磁热效应无法同步存在，而如果能使磁共振成像与磁共振热处理在短时间形成近乎同步的效果，使磁共振成像不会对磁热效应的实际使用需求产生影响，就能解决现有定向加热与实时温控无法通过同一设备进行实现的问题。

发明内容

为了实现在对异常生物组织进行处理的过程中，减少对生物组织的破坏，同时降低对不同功能设备的需求量，本发明提出了一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控方法，磁共振包括磁成像阶段和热处理阶段，所述分时调控方法具体包括：

S1：根据目标组织的异变程度确定初始周期的加热时长；

S2：根据当前周期的加热时长控制射频仪对目标组织进行热处理，并在加热时长达到后进入下一步骤；

S3：控制射频仪对目标组织进行磁成像，并根据磁共振图像获取目标组织区域内温度场的实时极值温度；

S4：根据加热时长达到时极值温度与预设温控范围的区间关系，通过第一预设时长计算公式获取当前周期的成像时长；

S5：根据成像时长达到时极值温度分别与预设温控范围的区间关系，通过第二预设时长计算公式获取下一周期的加热时长；

S6：判断目标组织是否热处理完成，若是，结束，若否，进入下一周期并返回S2步骤。

进一步地，所述极值温度为同一时刻目标组织区域内温度场的最高温度和最低温度。

进一步地，所述S4步骤中,当T_max小于（T_H+T_L）/2时，第一预设时长计算公式可表示为如下公式，

式中，

为成像时长，

为磁共振成像的最短有效成像时间，T_max为加热时长达到时目标组织区域内温度场的最高温度，T_H为预设温控范围的最高温度，T_L为预设温控范围的最低温度。

进一步地，当T_max大于等于（T_H+T_L）/2时，所述第一预设时长计算公式可表示为如下公式，

式中，t₁为目标组织区域内温度场的实时最高温度下降至（T_H+T_L）/2所耗费的时间，t₂为目标组织区域内温度场的实时最高温度下降至（T_H+T_L）/2之后所耗费的时间。

进一步地，所述S5步骤中，第二预设时长计算公式可表示为如下公式，

式中，

为加热时长，ρ为目标组织的密度，c为目标组织的比热容,Q_max为目标组织区域内的最高产热率，T_max为成像时长达到时目标组织区域内温度场的最高温度，T_min为成像时长达到时目标组织区域内温度场的最低温度，T_H为预设温控范围的最高温度，T_L为预设温控范围的最低温度。

本发明还提出了一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控系统，磁共振包括磁成像阶段和热处理阶段，所述分时调控系统具体包括：

初值设定单元，用于根据目标组织的异变程度确定初始周期的加热时长；

射频仪，包括加热模式和成像模式，其中，加热模式用于在当前周期加热时长内对目标组织进行热处理，成像模式用于在当前周期成像时长内对目标组织进行磁成像并获取磁共振图像；

数据提取单元，用于根据磁共振图像获取目标组织区域内温度场的实时极值温度；

时长预估单元，用于根据加热时长达到时极值温度与预设温控范围的区间关系，通过第一预设时长计算公式获取当前周期的成像时长，并根据成像时长达到时极值温度分别与预设温控范围的区间关系，通过第二预设时长计算公式获取下一周期的加热时长；

模式切换单元，用于在目标组织热处理完成前，在成像时长达到时切换射频仪至加热模式，在加热时长达到时切换射频仪至成像模式。

进一步地，所述极值温度为同一时刻目标组织区域内温度场的最高温度和最低温度。

进一步地，所述时长预估单元中，当T_max小于（T_H+T_L）/2时，第一预设时长计算公式可表示为如下公式，

式中，

为成像时长，

为磁共振成像的最短有效成像时间，T_max为加热时长达到时目标组织区域内温度场的最高温度，T_H为预设温控范围的最高温度，T_L为预设温控范围的最低温度。

进一步地，当T_max大于等于（TH+TL）/2时，所述第一预设时长计算公式可表示为如下公式，

式中，t₁为目标组织区域内温度场的实时最高温度下降至（T_H+T_L）/2所耗费的时间，t₂为目标组织区域内温度场的实时最高温度下降至（T_H+T_L）/2之后所耗费的时间。

进一步地，所述时长预估单元中，第二预设时长计算公式可表示为如下公式，

式中，

为加热时长，ρ为目标组织的密度，c为目标组织的比热容，Q_max为目标组织区域内的最高产热率，T_max为成像时长达到时目标组织区域内温度场的最高温度，T_min为成像时长达到时目标组织区域内温度场的最低温度，T_H为预设温控范围的最高温度，T_L为预设温控范围的最低温度。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

（1）本发明所述的一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控方法与系统，通过对热处理和磁成像的分时调控方法，实现了单射频仪同时满足有效加热和有效成像的实际使用要求；

（2）通过对磁成像结束时极值温度的获取，并以此进行下一周期加热时长的判断，在实际应用中，由于该控制使温度逐渐接近或保持在预设温控范围内，从而使温控更加精准，热处理效果更佳；

（3）基于目标组织区域内极值温度对各阶段时长的不同判断方法，在使实际温度逼近或保持在预设温控范围的同时，避免过高温度对生物组织的过度破坏。

附图说明

图1为一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控方法的方法步骤图；

图2为一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控系统的系统结构图；

图3为热处理阶段和磁成像阶段的持续时长关系示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

由于磁共振成像和磁热效应不同的产生原理，导致其在实际应用中，由于其所利用的射频阶段的不同，现有技术中无法通过同一射频仪实现磁共振成像和磁热效应。为了解决该问题，如图1所示，本发明提出了一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控方法，主要包括步骤：

S1：根据目标组织的异变程度确定初始周期的加热时长；

S2：根据当前周期的加热时长控制射频仪对目标组织进行热处理，并在加热时长达到后进入下一步骤；

S3：控制射频仪对目标组织进行磁成像，并根据磁共振图像获取目标组织区域内温度场的实时极值温度；

S4：根据加热时长达到时极值温度与预设温控范围的区间关系，通过第一预设时长计算公式获取当前周期的成像时长；

S5：根据成像时长达到时极值温度分别与预设温控范围的区间关系，通过第二预设时长计算公式获取下一周期的加热时长；

S6：判断目标组织是否热处理完成，若是，结束，若否，进入下一周期并返回S2步骤。

由于磁共振测温的原理在于通过无线电波、磁场的作用，使组织内的质子产生相互作用，从而产生向周围环境辐射发散的电信号，而不同温度下质子所产生的电信号辐射发散强度是不同的，因此可以根据由电信号组成的磁共振图像进行目标范围内坐标点级的温度识别。相较于放射性射线进行的组织成像以及温度判定，磁共振成像能够在满足测温精度的同时，避免因放射性射线对组织结构的破坏，同时也无需额外添加设备。因此，本发明选用磁共振测温作为本发明的温度测定手段。

针对磁共振测温，为了实现一机多用的效果，本发明选用磁热效应对目标组织进行热处理。而要在同一设备上保证热处理效果和成像效果的前提下，为了实现磁成像和热处理间的无干扰衔接，本发明提出了一种分时调控方法，使得在磁成像时目标组织区域内温度场能够保持在热处理所需要的温度范围内（需要注意的是，热处理所需的温度不是一个定值，而是一个温度范围）。具体来说，完整的分时调控过程在热处理整体完成前包括多个调控周期，每一个调控周期都包括一个热处理阶段和一个磁成像阶段，设热处理所需要控制在的温度范围为[T_L，T_H]，其中T_L为预设温控范围的下限温度（最低温度），T_H为预设温控范围的上限温度（最高温度）。

那么，在对目标组织进行热处理前，由于目标组织区域内的温度场一般处于自身的正常温度范围内，而要对其进行热处理就必须先将其加热至预设温控范围内，因此，热处理开始后的初始周期（第一个周期）需要先对目标组织进行加热，基于此，本发明将一个调控周期设定为先进入热处理阶段再进入磁成像阶段。需要注意的是，初始周期内热处理阶段的加热时长一般是根据实际处理过程中的经验获得的（也即是并非自适应计算获得的），而是基于目标组织不同的异变程度进行经验判断获得的。在一优选实施例中，本发明通过建立一个时长对照表，根据当前目标组织的异变程度（由目标组织的范围、深度等相关参数进行的经验判断）从该表中提取初始周期中热处理阶段所需要的加热时长。

在初始周期中的热处理阶段结束后，进入初始周期的磁成像阶段，在该阶段，本发明通过对初始周期热处理结束后的目标组织磁共振图像获取，并根据磁共振图像提取目标组织区域内的实时温度场，而后依据热处理结束时温度场内的极值温度与预设温控范围的区间关系，通过第一预设时长计算公式进行当前周期成像时长的判定，当T_max小于（T_H+T_L）/2时，公式可表示为，

式中，

为成像时长，

为磁共振成像的最短有效成像时间，T_max为加热时长达到时目标组织区域内温度场的最高温度。

而当T_max大于等于（T_H+T_L）/2时，所述第一预设时长计算公式可表示为如下公式，

式中，t₁为目标组织区域内温度场的实时最高温度下降至（T_H+T_L）/2所耗费的时间，t₂为目标组织区域内温度场的实时最高温度下降至（T_H+T_L）/2之后所耗费的时间。

需要注意的是，为了避免由于磁共振成像完成后，由于目标组织局部温度残余过高，导致进入热处理阶段再次进行加热后局部温度过高导致的组织破坏，当T_max大于等于（T_H+T_L）/2时，射频仪保持对目标组织进行磁成像，只有在T_max下降至（T_H+T_L）/2以下，且成像时长满足磁共振成像的最短有效成像时间后才会结束磁成像阶段进入热处理阶段。

而在磁成像阶段结束后，同样为了避免加热时间过长导致局部温度过高（温度场极大值高于预设温控范围）对组织产生破坏，同时为了避免加热时长不足导致的热处理效果不佳（温度场部分或整体低于预设温控范围），本发明还提出了根据成像时长达到时目标组织区域内温度场极值温度分别与预设温控范围的区间关系，通过第二预算时长计算公式进行加热时长的获取，具体公式可表示为，

式中，

为加热时长，ρ为目标组织的密度，c为目标组织的比热容，Q_max为目标组织区域内的最高产热率，T_max为成像时长达到时目标组织区域内温度场的最高温度，T_min为成像时长达到时目标组织区域内温度场的最低温度。

通过上述对一个调控周期内各阶段时长计算的分析，在实际应用中，随着调控周期的增长，各阶段的持续时长关系实际如图3所示。可以看出的是，在整体热处理完成前的前期阶段，由于要将目标组织升温到预设范围内，需要温度快速上升，所以热处理阶段的持续时长

要大于磁成像阶段的持续时长

。而在经过几个调控周期的自适应后，目标组织区域内的温度场逐渐接近或保持在预设温控范围内，因此热处理阶段的持续时长

减少（由T_min在调控下趋近于（T_H+T_L）/2引起），而磁成像阶段的持续时长

增加（由T_max在调控下逐渐趋近于T_H引起），从而能够更加精准的进行磁共振成像的获取。

可以看出，通过本发明所述的分时调控方法，利用磁成像阶段的核磁共振图像进行当前周期成像时长和下一周期加热时长的计算，既能够满足磁共振成像的完美获取，又能保证成像期间目标组织区域内温度场的极值温度保持在预设温控范围内。而根据加热时长对热处理阶段的处理，使目标组织能够弥补因成像期间没有持续加热导致的目标组织区域内温度场温度降低，进一步保证目标组织的温度保持在预设温控范围内，使热处理效果保持最佳状态。

最后，还需要注意的是，由于对目标组织的热处理是有一定的程度限制的，所在进入下一调控周期前，还需要对是否继续进行热处理进行判断，具体判定标准根据实际要求进行限定，此处不再赘述。

实施例二

为了更好的对本发明的功能逻辑进行理解，本实施例通过系统结构的形式对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控系统，磁共振包括磁成像阶段和热处理阶段，所述分时调控系统具体包括：

初值设定单元，用于根据目标组织的异变程度确定初始周期的加热时长；

射频仪，包括加热模式和成像模式，其中，加热模式用于在当前周期加热时长内对目标组织进行热处理，成像模式用于在当前周期成像时长内对目标组织进行磁成像并获取磁共振图像；

数据提取单元，用于根据磁共振图像获取目标组织区域内温度场的实时极值温度；

时长预估单元，用于根据加热时长达到时极值温度与预设温控范围的区间关系，通过第一预设时长计算公式获取当前周期的成像时长，并根据成像时长达到时极值温度分别与预设温控范围的区间关系，通过第二预设时长计算公式获取下一周期的加热时长；

模式切换单元，用于在目标组织热处理完成前，在成像时长达到时切换射频仪至加热模式，在加热时长达到时切换射频仪至成像模式。

进一步地，极值温度为同一时刻目标组织区域内温度场的最高温度和最低温度。

进一步地，时长预估单元中，当T_max小于（T_H+T_L）/2时，第一预设时长计算公式可表示为如下公式，

式中，

为成像时长，

为磁共振成像的最短有效成像时间，T_max为加热时长达到时目标组织区域内温度场的最高温度，T_H为预设温控范围的最高温度，T_L为预设温控范围的最低温度。

进一步地，当T_max大于等于（T_H+T_L）/2时，所述第一预设时长计算公式可表示为如下公式，

式中，t₁为目标组织区域内温度场的实时最高温度下降至（T_H+T_L）/2所耗费的时间，t₂为目标组织区域内温度场的实时最高温度下降至（T_H+T_L）/2之后所耗费的时间。

进一步地，时长预估单元中，第二预设时长计算公式可表示为如下公式，

式中，

为加热时长，ρ为目标组织的密度，c为目标组织的比热容，Q_max为目标组织区域内的最高产热率，T_max为成像时长达到时目标组织区域内温度场的最高温度，T_min为成像时长达到时目标组织区域内温度场的最低温度，T_H为预设温控范围的最高温度，T_L为预设温控范围的最低温度。

综上所述，本发明所述的一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控方法与系统，通过对热处理和磁成像的分时调控方法，实现了单射频仪同时满足有效加热和有效成像的实际使用要求。

通过对磁成像结束时极值温度的获取，并以此进行下一周期加热时长的判断，在实际应用中，由于该控制使温度逐渐接近或保持在预设温控范围内，从而使温控更加精准，热处理效果更佳。

基于目标组织区域内极值温度对各阶段时长的不同判断方法，在使实际温度逼近或保持在预设温控范围的同时，避免过高温度对生物组织的过度破坏。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于图像分析自适应的磁共振分时调控系统，其特征在于，磁共振包括磁成像阶段和热处理阶段，所述分时调控系统具体包括：

初值设定单元，用于根据目标组织的异变程度确定初始周期的加热时长；

射频仪，包括加热模式和成像模式，其中，加热模式用于在当前周期加热时长内对目标组织进行热处理，成像模式用于在当前周期成像时长内对目标组织进行磁成像并获取磁共振图像；

数据提取单元，用于根据磁共振图像获取目标组织区域内温度场的实时极值温度；

时长预估单元，用于根据加热时长达到时极值温度与预设温控范围的区间关系，通过第一预设时长计算公式获取当前周期的成像时长，并根据成像时长达到时极值温度分别与预设温控范围的区间关系，通过第二预设时长计算公式获取下一周期的加热时长；

模式切换单元，用于在目标组织热处理完成前，在成像时长达到时切换射频仪至加热模式，在加热时长达到时切换射频仪至成像模式；

所述极值温度为同一时刻目标组织区域内温度场的最高温度和最低温度；

所述时长预估单元中，当T_max小于（T_H+T_L）/2时，第一预设时长计算公式表示为如下公式，

式中，

为成像时长，

为磁共振成像的最短有效成像时间，T_max为加热时长达到时目标组织区域内温度场的最高温度，T_H为预设温控范围的最高温度，T_L为预设温控范围的最低温度；

当T_max大于等于（T_H+T_L）/2时，所述第一预设时长计算公式表示为如下公式，

式中，t₁为目标组织区域内温度场的实时最高温度下降至（T_H+T_L）/2所耗费的时间，t₂为目标组织区域内温度场的实时最高温度下降至（T_H+T_L）/2之后所耗费的时间；

所述时长预估单元中，第二预设时长计算公式表示为如下公式，

式中，

为加热时长，ρ为目标组织的密度，c为目标组织的比热容，Q_max为目标组织区域内的最高产热率，T_max为成像时长达到时目标组织区域内温度场的最高温度，T_min为成像时长达到时目标组织区域内温度场的最低温度，T_H为预设温控范围的最高温度，T_L为预设温控范围的最低温度。

Images