CN114359262B - 一种基于灌注图像获得流出效应参数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于灌注图像获得流出效应参数的装置和方法，检测步骤包括：先在灌注后连续采集灌注图像和动脉输入函数，将后续时相的灌注图像与第一时相图像对齐，并去除伪影和无法对齐的图像，然后将灌注图像转换成对比剂浓度图像，基于Indicator–Dilution原理获取灌注图像中每个像素点的残余功能函数，计算流出效应参数，本发明充分利用MR或者CT的灌注图像定量后处理过程中的残余功能曲线的来测量组织的流出效应。残余功能曲线反应的是组织对脉冲血流(含对比剂)的响应，所以残余功能函数的下降部分就是灌注中对比剂流出效应的直接反应，这样测量的流出效应参数会比直接使用动态灌注曲线更准确。

Description

一种基于灌注图像获得流出效应参数的装置和方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及一种基于灌注图像获得流出效应参数的装置和方法。

背景技术

动态对比增强成像（DCE, Dynamic Contrast Enhanced）和动态磁敏感对比度成像（DSC,Dynamic Susceptibility Constrast）是核磁测量灌注的两种常用的方法。DSC灌注成像首先静脉团注钆螯合物，随后对感兴趣器官快速获取一系列梯度回波或自旋回波图像。当钆螯合物首次通过局部循环时，它仍然主要局限在血管内空间。由于钆基的顺磁性特征，团注通过时钆基在血管周围产生局部磁场扰动，T2(T2*)失相位造成信号损失。通过测量随时间变化的信号强度，并且按照一定的数学模型拟合，各种灌注参数（如，血容量，血流量，平均通过时间）都能够计算出来。与DSC类似，DCE也需要注射钆基造影剂。但是DCE利用钆螯合物的T1缩短效应，在大约5-10分钟时间内重复获取T1加权图像。在此期间，钆造影剂在组织内的细胞外空间聚集，速度由灌注，毛细血管通透性和毛细血管表面积共同决定。这些图像数据可以直观地分析或半定量分析。应用房室模型可以得到量化结果，计算出多个生理参数。

在以上的生理参数中，wash-out平均速率，wash-out最大速率，作为流出效应的测量，广泛应用了肿瘤分型或者脑血管疾病的检测。“Jayson G.C.,Roberts C.,O'ConnorJ.P.B.,et al.Dynamic contrast-enhanced MRI in clinical trials of antivasculartherapies[J].Nature reviews. Clinical oncology,2012,9(3).”研究中显示描述肿瘤和组织通透性的流入率(wash-in速率)和流出率(wash-out速率)，是大多数癌症相关的血管生成表型的标志。“Xian J, Du H, Wang X, Yan F, Zhang Z, Hao H, Zhao B, TongY, Zhang J, Han D. Feasibility and value of quantitative dynamic contrastenhancement MR imaging in the evalu[J]. June 2014.Chinese Medical Journal 127(12):2259-64”的研究显示良性肿瘤和恶性肿瘤的wash in速率和wash out速率存在显著差异(p<0.001)。基于DCE图像测量的流出效应是直接由每个像素点的时间信号曲线直接或者拟合获取，“M El Backry，M Shady，AE Mousa，MM Zaky.Role of dynamic contrastenhanced MR perfusion in differentiation between benign and malignant tumors[J]. The Egyptian Journal of Radiology and Nuclear Medicine (2015) 46, 715-726”中将时间信号曲线的下降段按照以下公式拟合：y=Span^*exp(λt)+Plateau

其中，y表示MR信号强度，plateau表示对比度增强衰减到平台时的MR信号值，λ就是拟合的wash-out速率。

另外，CT 灌注的应用中(“AR Mohammed，AT Ahmed，TH Khalil，HFRefaie.Dynamic perfusion CT parameters and delayed contrast washout CT incharacterization of adrenal tumors: A comparative study[J]. The EgyptianJournal of Radiology and Nuclear Medicine (2017) 48, 707-716”)，直接采集增强期和延迟期，然后利用两期灌注图像的灰度值测量绝对wash-out和相对wash-out；超声灌注(“Ernst-Michael Jung，Marc-AndréWeber，Isabel Wiesinger. Contrast-enhancedultrasound perfusion imaging of organs[J]. Der Radiologe volume 61, pages19–28 (2021)”中)也是直接利用增强期和延迟期的灌注图像的不同灰度值测量wash-out效应。而动态信号曲线的变化是由流入该组织的血流信号变化和该组织的灌注功能综合决定的。组织的wash-out和wash-out速率仅反应该组织的灌注功能，所以以上现有技术的方法计算的wash-out 或者wash-out速率是不准确的，这些直接从采集图像获得的信号值变化测量流出效应的方法会带来一些误差，准确的wash-out或者wash-out速率应该把测量的动态信号曲线中流入血流的变化的影响去掉。

发明内容

本发明为解决现有技术中直接从采集图像的信号值变化测量流出效应带来的误差问题，提出通过灌注图像（MR或者CT）后处理过程得到的残余功能曲线（图2）来测量流出效应。由于残余功能曲线是组织对脉冲血流（含对比剂）的响应，所以残余功能函数的下降部分就是灌注中对比剂流出效应的直接反应。这样测量的流出效应参数会比直接使用动态灌注曲线更准确。

本发明的技术方案为：一种基于灌注图像获得流出效应参数的方法，包括以下步骤：

步骤1. 在一段时间内连续采集覆盖动脉血管的感兴趣区的MR灌注图像或者CT灌注图像，记S(t)为灌注采集的各时间点t的时相图，包括对比剂还未到达感兴趣区之前采集的灌注图像的第一时相图像S₀，和对比剂到达感兴趣区至通过感兴趣区的各时间值t的灌注图像的时相图像S(t)；

步骤2.将灌注图像中的其他时间点t的时相图S(t)中感兴趣目标的位置对齐到灌注图像的第一时相图像S₀对应目标的位置，若无法对齐，则删除无法对齐的时相图像S(t)，若时相图像S(t)存在伪影且伪影面积超过阈值的，则删除；

步骤3.将灌注图像转换成对比剂浓度图像C(t):

MR灌注：基于以下公式得到t时刻的对比剂浓度图像C(t)，

其中，TE是回波时间，即在激励射频脉冲作用后，从横向磁化强度最初产生到接收信号间的时间间隔；

CT灌注：将t时刻的时相S(t)减去第一时相图像S₀, 得到t时刻的比剂浓度图像C(t)；

步骤4. 在0~t时间点采集的多组MR灌注图像或者CT灌注图像中选择参考动脉区域，基于各时间点参考动脉区域所有像素点取平均值得到动脉输入函数(AIF)：C_a(t);

步骤5.基于Indicator–Dilution原理获取图像中每个像素点的残余功能函数:

C(t)的变化曲线Ct(t)等于C_a(t)的变化曲线和r(t)的变化曲线的卷积：

F为血流量，为获取r(t)，可以将卷积转换成线性表达式：Y = AX

其中Y=[C(0), C(1), C(2)…C(N)],X=F*[ r(0), r(1), r(2) …r(N)],A为N*N的二维矩阵，A中第i行第j列的值是Ca(i-j)或者Ca (N+i-j-1)，Ca(t)是一维数组，Ca(i-j)是第i-j个元素，如果i大于等于j，A[i,j] = Ca(i-j)；如果i小于j，A[i,j] = Ca (N+i-j-1) ；N表示灌注数据采集了N个时相,X= YA^-1；

步骤6.记t₀为r(t)的变化曲线的峰值时间点，h₁为r(t)的变化曲线的顶峰响应强度，h₂为r(t)的变化曲线的最后时间点的响应强度，计算流出效应参数：

Wash-out平均速率=(h₁-h₂)/t₀；

Wash-out=阴影部分面积；

阴影部分面积即r(t)的变化曲线下降段的曲线下面积。

一种基于灌注图像检测流出效应参数的装置，包括：

灌注图像成像单元，用于在一段时间内连续采集覆盖动脉血管的感兴趣区的MR灌注图像或者CT灌注图像，包括对比剂还未到达感兴趣区之前采集的灌注图像的第一时相图像S₀，和对比剂到达感兴趣区至通过感兴趣区的各时间值t的灌注图像的时相图像S(t)；

动脉输入函数采集单元，用于在所述的一段内同时连续采集参考动脉区域中的动脉输入函数(AIF)：Ca(t)；

时相矫正单元，用于将各时间值t的灌注图像的时相图像S(t)配准到第一时相图像S₀，使S(t)中各组织的位置与S₀中相同，并删除无法矫正的时相图像S(t)；

图像质检单元，用于识别S(t)中的伪影，当伪影面积超过阈值时，删除存在伪影的S(t)；

转换单元，利用S₀对S(t)进行数据处理，得到各t时刻的对比剂浓度图像C(t)，更新矩阵Y=[C(0), C(1), C(2)…C(N)]，N为时相，同时利用动脉输入函数(AIF)：Ca(t)更新矩阵A，A为N*N的二维矩阵，A中第i行第j列的值是Ca(i-j)或者Ca(N+i-j-1)，Ca(t)是一维数组，Ca(i-j)是第i-j个元素，如果i大于等于j，A[i,j]=Ca (i-j)；如果i小于j，A[i,j] =Ca (N+i-j-1)；

残余功能函数采集单元，根据线性表达式X=YA^-1获得矩阵X=F*[ r(0), r(1), r(2) …r(N)]，F为血流量，r(t)为残余功能函数；

流出效应参数生成单元，基于以下表达式生成流出效应参数：Wash-out平均速率=(h₁-h₂)/t₀；Wash-out=阴影部分面积, 阴影部分面积即r(t)的变化曲线下降段的曲线下面积；t₀为r(t)的变化曲线的峰值时间点，h₁为r(t)的变化曲线的顶峰响应强度，h₂为r(t)的变化曲线的最后时间点的响应强度。

本发明充分利用MR或者CT的灌注图像定量后处理过程中的残余功能曲线的来测量组织的流出效应。残余功能曲线反应的是组织对脉冲血流(含对比剂)的响应，所以残余功能函数的下降部分就是灌注中对比剂流出效应的直接反应，这样测量的流出效应参数会比直接使用动态灌注曲线更准确。

附图说明

图1是CT灌注采集得到时间-信号强度的动态变化曲线S(t)；

图2是残余功能曲线；

图3是不同时相时脑部的CT灌注图像；

图4是灌注处理中参考动脉的选取位置（左）及动脉输入曲线AIF(右)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

磁共振成像(MRI)是诊断肿瘤的有效方法，动态对比增强MRI(DCE-MRI)有助于区分正常高血管结构和肿瘤，DCE-MRI分析中的一种常见方法是在感兴趣区域绘制(ROI)，并观察ROI的平均信号强度如何随时间变化。

本发明的基于灌注的流出效应测量方法，包括以下步骤：

步骤1 . 在一段时间内连续采集覆盖动脉血管的感兴趣区的MR灌注图像或者CT灌注图像，记S(t)为灌注采集的各时间点t的时相图，包括对比剂还未到达感兴趣区之前采集的灌注图像的第一时相图像S₀，和对比剂到达感兴趣区至通过感兴趣区的各时间值t的灌注图像的时相图像S(t)；

步骤2. 1灌注图像不同时相间的运动矫正：运动矫正是把其他时相的图配准到第一个时相，确保所有时相中相同组织的位置是一致的，比如大脑的某种组织应该在图像的同一个位置，便于对逐个像素点进行计算。

步骤2. 2检查图像质量，去掉无法矫正或者伪影严重的时相，图3是9个时相的CT灌注图，图3中的3、图3中的6伪影严重。图3中的1是轻微伪影。去掉伪影是为了更准确计算参数，因为动态曲线是不同时相的同一个像素点构成的。伪影是指原本被扫描物体并不存在而在图像上却出现的各种形态的影像，无法矫正的时相是指与第一时相无法配准对齐组织到相同位置的时相。

步骤3. 将灌注图像转换成对比剂浓度图像C(t):

MR灌注：基于以下公式得到t时刻的对比剂浓度图像C(t)，

其中，TE是回波时间，即在激励射频脉冲作用后，从横向磁化强度最初产生到接收信号间的时间间隔；

CT灌注：将t时刻的时相S(t)减去第一时相图像S₀，得到t时刻的比剂浓度图像C(t)；

由于灌注的前几个时相在被采集时注射的对比剂还没有到采集的位置，都是没有增强的时相图像，其信号强度为S₀，采集没有增强的时相图像可用来做对比。

步骤4.在0~t时间点采集的多组MR灌注图像或者CT灌注图像中选择参考动脉区域，基于各时间点参考动脉区域所有像素点取平均值的变化得到动脉输入函数(AIF)：Ca(t)。如图4右侧的AIF为左侧标注区域内的平均信号曲线。在定量灌注过程中，通常需要获取对比剂在动脉中的浓度变化曲线，即动脉输入函数(Arterial input function,AIF)曲线，生成AIF曲线的传统方法一般是，在推注对比剂后，施加非选择性饱和激发脉冲，然后等待较短的时间，在目标区域产生的AIF信号的峰值未达到饱和前，以二维笛卡尔轨迹采样低分率的AIF信号，得到AIF图像，然后对AIF图像进行运动校准，质子密度(Proton Density,PD)配准，左心室(the left Ventricle,LV)血池信号分割、布洛赫(Bloch)方程转换等处理，得到AIF曲线。

参考动脉位置可以由人工手动完成，即操作者选择增强图像中大动脉血管区域（比如中动脉）；也可以自动获取，如根据动脉位置的AIF信号动态曲线与其他组织的不同特性（曲线峰值大，曲线峰值所在时间点小，曲线半高宽小），使用机器学习自动获取最优的动脉区域。

步骤5.基于Indicator–Dilution原理，C(t)的变化曲线Ct(t) 等于Ca(t)的变化曲线和r(t)的变化曲线的卷积：

F为血流量，为获取r(t)，可以将卷积转换成线性表达式：

Y = AX

其中Y=[C(0), C(1), C(2)…C(N)],X=F*[ r(0), r(1), r(2) …r(N)],A为N*N的二维矩阵，A中第i行第j列的值是Ca(i-j)或者Ca (N+i-j-1)，Ca(t)是一维数组，Ca(i-j)是第i-j个元素，如果i大于等于j，A[i,j]=Ca(i-j)；如果i小于j，A[i,j]=Ca (N+i-j-1) ；N表示灌注数据采集了N个时相。

这样就有X= YA^-1

A^-1表示矩阵A的逆, 获取MR灌注图像或者CT灌注图像中每个像素点的残余功能函数。

组织残余功能曲线r(t)用来描述在即刻注射后的时间t时仍存在于组织区域中的造影剂的部分，因而是组织的生理参数的函数。

步骤6. 如图2，读取r(t)的变化曲线的峰值时间点为t₀，记顶峰响应强度为h₁，最后时间点的响应强度为h₂， 可计算如下流出效应参数：

Wash-out平均速率=(h₁-h₂)/t₀；

Wash-out=阴影部分面积；

阴影部分面积即r(t)的变化曲线下降段的曲线下面积。

一种基于灌注图像检测流出效应参数的装置，包括：

灌注图像成像单元，用于在一段时间内连续采集覆盖动脉血管的感兴趣区的MR灌注图像或者CT灌注图像，包括对比剂还未到达感兴趣区之前采集的灌注图像的第一时相图像S₀，和对比剂到达感兴趣区至通过感兴趣区的各时间值t的灌注图像的时相图像S(t)；

动脉输入函数采集单元，用于在所述的一段内同时连续采集参考动脉区域中的动脉输入函数(AIF)：Ca(t)；

时相矫正单元，用于将各时间值t的灌注图像的时相图像S(t)配准到第一时相图像S₀，使S(t)中各组织的位置与S₀中相同，并删除无法矫正的时相图像S(t)；

图像质检单元，用于识别S(t)中的伪影，当伪影面积超过阈值时，删除存在伪影的S(t)；

转换单元，利用S₀对S(t)进行数据处理，得到各t时刻的对比剂浓度图像C(t)，更新矩阵Y=[C(0), C(1), C(2)…C(N)]，N为时相，同时利用动脉输入函数(AIF)：Ca(t) 更新矩阵A，A为N*N的二维矩阵，A中第i行第j列的值是Ca(i-j)或者Ca(N+i-j-1)，Ca(t)是一维数组，Ca(i-j)是第i-j个元素，如果i大于等于j，A[i,j]=Ca (i-j)；如果i小于j，A[i,j] =Ca (N+i-j-1)；

残余功能函数采集单元，根据线性表达式X=YA^-1获得矩阵X=F*[ r(0), r(1), r(2) …r(N)]，F为血流量，r(t)为残余功能函数；

流出效应参数生成单元，基于以下表达式生成流出效应参数：Wash-out平均速率=(h₁-h₂)/t₀；Wash-out=阴影部分面积, 阴影部分面积即r(t)的变化曲线下降段的曲线下面积；t₀为r(t)的变化曲线的峰值时间点，h₁为r(t)的变化曲线的顶峰响应强度，h₂为r(t)的变化曲线的最后时间点的响应强度。

本发明充分利用MR或者CT的灌注图像定量后处理过程中的残余功能曲线的来测量组织的流出效应。残余功能曲线反应的是组织对脉冲血流(含对比剂)的响应，所以残余功能函数的下降部分就是灌注中对比剂流出效应的直接反应，这样测量的流出效应参数会比直接使用动态灌注曲线更准确。

Claims (2)

1.一种基于灌注图像获得流出效应参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1. 在一段时间内连续采集覆盖动脉血管的感兴趣区的MR灌注图像或者CT灌注图像，记S(t)为灌注采集的各时间点t的时相图像，包括对比剂还未到达感兴趣区之前采集的灌注图像的第一时相图像S₀，和对比剂到达感兴趣区至通过感兴趣区的各时间值t的灌注图像的时相图像S(t)；

步骤2.将灌注图像中的其他时间点t的时相图像S(t)中感兴趣目标的位置对齐到灌注图像的第一时相图像S₀对应目标的位置，若无法对齐，则删除无法对齐的时相图像S(t)，若时相图像S(t)存在伪影且伪影面积超过阈值的，则删除；

步骤3.将灌注图像转换成对比剂浓度图像C(t):

MR灌注：基于以下公式得到t时刻的对比剂浓度图像C(t)，

其中，TE是回波时间，即在激励射频脉冲作用后，从横向磁化强度最初产生到接收信号间的时间间隔；

CT灌注：将t时刻的时相图像S(t)减去第一时相图像S₀, 得到t时刻的比剂浓度图像C(t)；

步骤4. 在0~t时间点采集的多组MR灌注图像或者CT灌注图像中选择参考动脉区域，基于各时间点参考动脉区域所有像素点取平均值得到动脉输入函数AIF：C_a(t)，表示对比剂在动脉中的浓度；

步骤5.基于Indicator–Dilution原理获取图像中每个像素点的残余功能函数:

C(t)的变化曲线Ct(t)等于C_a(t)的变化曲线和r(t)的变化曲线的卷积：

F为血流量，r(t)为残余功能函数，用来描述在即刻注射后的时间t时仍存在于组织区域中的造影剂的部分，为获取r(t)，可以将卷积转换成线性表达式：Y = AX

其中Y=[C(0), C(1), C(2)…C(N)],X=F*[ r(0), r(1), r(2) …r(N)],A为N*N的二维矩阵，A中第i行第j列的值是Ca(i-j)或者Ca(N+i-j-1)，Ca(t)是一维数组，Ca(i-j)是第i-j个元素，如果i大于等于j，A[i,j]=Ca(i-j)；如果i小于j，A[i,j]=Ca(N+i-j-1)；N表示灌注数据采集了N个时相,X= YA^-1；

步骤6.记t₀为r(t)的变化曲线的峰值时间点，h₁为r(t)的变化曲线的顶峰响应强度，h₂为r(t)的变化曲线的最后时间点的响应强度，计算流出效应参数：

Wash-out平均速率=(h₁-h₂)/t₀；

Wash-out=阴影部分面积；

阴影部分面积即r(t)的变化曲线下降段的曲线下面积。

2.一种基于灌注图像获得流出效应参数的装置，其特征在于，包括：

灌注图像成像单元，用于在一段时间内连续采集覆盖动脉血管的感兴趣区的MR灌注图像或者CT灌注图像，记S(t)为灌注采集的各时间点t 的时相图像，包括对比剂还未到达感兴趣区之前采集的灌注图像的第一时相图像S₀，和对比剂到达感兴趣区至通过感兴趣区的各时间值t的灌注图像的时相图像S(t)；

动脉输入函数采集单元，用于在0~t时间点采集的多组MR灌注图像或者CT灌注图像中选择参考动脉区域，基于各时间点参考动脉区域所有像素点取平均值得到动脉输入函数AIF：Ca(t) ，表示对比剂在动脉中的浓度；

时相矫正单元，用于将灌注图像中的其他时间点t的时相图像S(t)中感兴趣目标的位置对齐到灌注图像的第一时相图像S₀对应目标的位置，若无法对齐，则删除无法对齐的时相图像S(t)；

图像质检单元，用于识别S(t)中的伪影，当伪影面积超过阈值时，删除存在伪影的S(t)；

转换单元，用于将灌注图像转换成对比剂浓度图像C(t):

MR灌注：基于以下公式得到t时刻的对比剂浓度图像C(t)，

其中，TE是回波时间，即在激励射频脉冲作用后，从横向磁化强度最初产生到接收信号间的时间间隔；

CT灌注：将t时刻的时相图像S(t)减去第一时相图像S₀, 得到t时刻的比剂浓度图像C(t)；

残余功能函数采集单元，Indicator–Dilution原理获取图像中每个像素点的残余功能函数:

C(t)的变化曲线Ct(t)等于C_a(t)的变化曲线和r(t)的变化曲线的卷积：

F为血流量，r(t)为残余功能函数，用来描述在即刻注射后的时间t时仍存在于组织区域中的造影剂的部分，将卷积转换成线性表达式：Y=AX，其中Y=[C(0),C(1),C(2)…C(N)],X=F*[r(0),r(1),r(2)…r(N)],A为N*N的二维矩阵，A中第i行第j列的值是Ca(i-j)或者Ca(N+i-j-1)，Ca(t)是一维数组，Ca(i-j)是第i-j个元素，如果i大于等于j，A[i,j]=Ca(i-j)；如果i小于j，A[i,j]=Ca(N+i-j-1)；N表示灌注数据采集了N个时相,X= YA^-1；

流出效应参数生成单元，基于以下表达式生成流出效应参数：Wash-out平均速率=(h₁-h₂)/t₀；Wash-out=阴影部分面积, 阴影部分面积即r(t)的变化曲线下降段的曲线下面积；t₀为r(t)的变化曲线的峰值时间点，h₁为r(t)的变化曲线的顶峰响应强度，h₂为r(t)的变化曲线的最后时间点的响应强度。

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