CN116258047A - 一种基于磁共振评估骨强度的方法和装置 - Google Patents

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CN116258047A CN202310431857.8A CN202310431857A CN116258047A CN 116258047 A CN116258047 A CN 116258047A CN 202310431857 A CN202310431857 A CN 202310431857A CN 116258047 A CN116258047 A CN 116258047A
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Abstract

本发明属于骨骼无损检测技术领域，涉及一种基于磁共振评估骨强度的方法和装置，包括以下步骤：获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系；对所述磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型；根据所述图像信号强度与骨密度的关系，对所述有限元模型赋予材料属性，建立目标骨骼的生物力学模型；根据所述目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标。其基于体模建立磁共振图像信号强度和骨密度等材料属性的关系，并结合生物力学建模分析方法获得的磁共振评估骨强度的方法和装置。

Description

一种基于磁共振评估骨强度的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种基于磁共振评估骨强度的方法和装置，属于骨骼无损检测技术领域。
背景技术
骨强度是骨骼的固有力学特性，是判断骨骼是否发生骨折的重要指标。骨质疏松症是以骨强度下降和骨折风险增大为特征的重要慢性疾病，其最严重的后果为导致脆性骨折。早期精准评估骨折风险是鉴别高危骨折人群并预防脆性骨折发生的关键。目前临床上评估椎体骨折风险的方法主要依靠骨密度检测，如利用双能X射线吸收法(DXA)或定量计算机断层扫描(Quantitative Computed Tomography,QCT)；但这些方法测得的骨密度仅能反映部分骨强度信息，在评估骨折风险时精准度不高。基于QCT图像的有限元分析方法，以直接计算骨强度为目标，在评估骨折风险时的精准度较骨密度有改进。但是，QCT扫描会带来一定程度的射线辐射，在一些人群中使用受限。因此，迫切需要建立一种可无辐射、无创计算骨强度的方法，用于在体评估骨折风险。
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)作为一种在体、无创且无电离辐射的成像方式，在临床上被广泛使用。MRI与有限元分析方法相结，有望用以准确计算骨强度，进而应用于临床评估骨折风险。但是，MRI图像反映的是含氢质子物质(如脂肪和水)的信号，通常无法直接提供骨密度等骨材料属性，也就无法直接用以计算骨力学特性(如强度)。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供了一种基于磁共振评估骨强度的方法和装置，其基于体模建立磁共振图像信号强度和骨密度等材料属性的关系，并结合生物力学建模分析方法获得的磁共振评估骨强度的方法和装置。
为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种基于磁共振评估骨强度的方法，包括以下步骤：获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系；对所述磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型；根据所述图像信号强度与骨密度的关系，对所述有限元模型赋予材料属性，建立目标骨骼的生物力学模型；根据所述目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标。
进一步，所述磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系通过体模获得；或者通过磁共振成像序列获得。
进一步，通过体模获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系的方法为：同步采集目标骨骼和体模的磁共振影像；所述体模为由骨骼组成成分的类似物质混合而成的若干根体模柱；所述体模放置于目标骨骼的图像采集视野，通过磁共振扫描设备对目标骨骼和体模进行磁共振图像采集；所述目标骨骼和体模的磁共振影像得到图像信号强度和骨密度的关系：所述目标骨骼和体模的磁共振影像得到图像信号强度和骨密度的关系包括：从磁共振图像中选取目标骨骼中感兴趣区域和体模柱，得到感兴趣区域和体模柱的信号强度；通过体模中的磁共振图像的信号强度，结合已知的组织成分体积分数，计算该组织成分中单个分子的等效信号强度；根据n种不同扫描参数下的同一感兴趣区域的磁共振图像，计算得到未知的组织成分体积分数fi；感兴趣区域的骨体积分数
Figure BDA0004190564780000021
感兴趣区域的骨密度ρ＝fB×ρB；其中，ρB为纯骨的密度。
进一步，通过磁共振成像序列获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系的方法为：对一批目标骨骼均进行磁共振成像和定量CT成像；通过磁共振成像得到所述目标骨骼的图像信号强度；通过所述定量CT成像得到所述目标骨骼的骨密度，通过回归分析建立磁共振影像的图像信号强度和骨密度的关系。
进一步，对所述磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型的方法为：所述目标骨骼的磁共振影像进行图像分割，按照灰度数据阈值分割，从磁共振图像中分离出目标骨骼图像；对分离出的目标骨骼进行三维重建：对磁共振图像分离出的灰度区域进行面和体构建，得到目标骨骼的三维模型；将目标骨骼的三维模型进行网格划分，将且划分为有限单元以得到有限元模型。
进一步，对建立目标骨骼的生物力学模型的方法为：将目标骨骼磁共振图像中信号强度转化为骨密度；基于骨密度计算弹性模量、屈服应力和极限应力；与目标骨骼的有限元模型进行空间匹配，将相同空间位置处的骨密度、弹性模量、屈服应力和极限应力赋予到相应有限元模型中的单元，生成目标骨骼的生物力学模型。
进一步，所述弹性模量E、屈服应力σys和极限应力σus与所述骨密度呈线性关系、二次函数关系、幂函数关系、指数关系或对数关系。例如，弹性模量E、屈服应力σys和极限应力σus的计算公式为：
Figure BDA0004190564780000022
Figure BDA0004190564780000031
/>
Figure BDA0004190564780000032
其中，ρ为所述目标骨骼的骨密度，a1-l1、a2-l2和a3-l3为经验公式的系数。
进一步，所述根据所述目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标的方法为：通过载荷和边界条件模拟目标骨骼所处的真实力学环境；力学计算包括非线性有限元分析；骨强度指标包括骨应力、骨应变、骨刚度和骨强度。
本发明还公开了一种基于磁共振评估骨强度的装置，包括：骨密度采集模块，用于获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系；有限元模型建立模块，用于对所述磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型；生物力学模型建立模块，用于根据所述图像信号强度与骨密度的关系，对所述有限元模型赋予材料属性，建立目标骨骼的生物力学模型；骨强度指标输出模块，用于根据所述目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现上述任一项所述的基于磁共振评估骨强度的方法。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明提出了从磁共振图像中获取骨密度的方法，摆脱了骨密度检测通常需要依赖CT或X射线成像的限制。
2、本发明提出了基于磁共振图像评估骨强度的方法，可实现在临床上无创且无辐射检测骨强度并用以评估骨折风险。
附图说明
图1是本发明一实施例中提供的一种基于磁共振评估骨强度的方法的技术流程示意图；
图2是本发明一实施例中进行MRI扫描时人体(脊柱)和体模放置示意图；
图3是本发明一实施例中目标骨骼(椎体)和体模的T1加权图像(T1WI)和T2加权图像(T2WI)以及感兴趣区域(ROI)；
图4是本发明一实施例中目标骨骼(椎体)生物力学模型以及载荷和边界条件的示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了解决现有技术中因为MRI图像反映的是含氢质子物质，无法直接提供骨密度等材料属性，因此无法直接用以计算骨力学特性等问题。一种磁共振评估骨强度的方法，包括以下步骤：获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系；对所述磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型；根据所述图像信号强度与骨密度的关系，对所述有限元模型赋予材料属性，建立目标骨骼的生物力学模型；根据所述目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标。下面结合附图，通过实施例对本发明方案进行详细阐述。
实施例一
本实施例公开了一种基于磁共振评估骨强度的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系。
磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系可借助体模获得，也可以由磁共振成像序列得到。
如借助体模，磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系为：同步采集目标骨骼和体模的磁共振影像；目标骨骼和体模的磁共振影像得到图像信号强度和骨密度的关系，本实施例中以脊椎椎体为例进行说明
同步采集目标骨骼和体模的磁共振影像包括：体模为由油、水和羟基磷灰石混合而成的体模柱；体模放置于目标骨骼的图像采集视野，通过磁共振扫描设备对目标骨骼和体模进行磁共振图像采集，如图2所示。
图3是本实施例中目标骨骼(椎体)和体模的T1加权图像(T1WI)和T2加权图像(T2WI)以及感兴趣区域(ROI)；目标骨骼和体模的磁共振影像得到图像信号强度和骨密度的关系包括：从磁共振图像中选取目标骨骼中感兴趣区域和体模柱，得到感兴趣区域和体模柱的信号强度，如图3所示；
Figure BDA0004190564780000051
其中，i＝1,2,…,n,为感兴趣区域ROI或体模柱中组织的n种组成成分；fi为第i种组织成分的体积分数；SIi为第i种组织成分中单个分子的等效信号强度。
通过体模中的大于等于n根体模柱的磁共振图像的信号强度，结合已知的组织成分体积分数，计算该组织成分中单个分子的等效信号强度；根据n种不同扫描参数下的同一感兴趣区域的磁共振图像，计算得到未知的组织成分体积分数fi；
感兴趣区域的骨体积分数
Figure BDA0004190564780000052
感兴趣区域的骨密度ρ＝fB×ρB；其中，ρB为纯骨的密度。
通过特定磁共振成像序列获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系的方法为：
对一批目标骨骼均进行磁共振成像(MRI，序列如mDIXON)和定量CT(QCT)成像；
通过所述磁共振成像得到所述目标骨骼的信号强度；
通过所述定量CT成像得到所述目标骨骼的骨密度，通过回归分析建立磁共振影像的图像信号强度和骨密度的关系。
本实施例中的回归分析方程为：
ρ＝-2.0024SI+214.426；
其中，ρ为感兴趣区域的骨密度；SI为mDIXON-MRI中水图像和脂肪图像结合获得骨髓脂肪组织分数图像中感兴趣区域的信号强度(即脂肪分数)，范围为[0,100]。以上回归分析方程只是用于示意性说明，并不以此为限。
S2对磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型。
对磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型的方法为：目标骨骼的磁共振影像进行图像分割，按照灰度数据阈值分割，从磁共振图像中分离出目标骨骼图像；对分离出的目标骨骼进行三维重建：对磁共振图像分离出的灰度区域进行面和体构建，利用区域增长的方法将目标骨骼以外及离散的体素剔除，重复计算以得到目标骨骼的三维模型；将目标骨骼的三维模型进行网格划分：将分割后灰度区域的每个体素直接转换为长六面体单元，或将三维体模型剖分成四面体单元，实现三维模型网格划分以得到有限元模型。
S3根据图像信号强度与骨密度的关系，对有限元模型赋予材料属性，建立目标骨骼的生物力学模型。
对建立目标骨骼的生物力学模型的方法为：将目标骨骼磁共振图像中信号强度转化为骨密度；基于骨密度计算弹性模量、屈服应力和极限应力；与目标骨骼的有限元模型进行空间匹配，将相同空间位置处的骨密度、弹性模量、屈服应力和极限应力赋予到相应有限元模型中的单元，生成包含单元力学特性的目标骨骼的生物力学模型，如图4所示。
弹性模量E、屈服应力σys和极限应力σus与所述骨密度呈线性关系、二次函数关系、幂函数关系、指数关系或对数关系。例如，弹性模量E、屈服应力σys和极限应力σus的计算公式为：
Figure BDA0004190564780000061
Figure BDA0004190564780000062
/>
Figure BDA0004190564780000063
其中，ρ为目标骨骼的骨密度，a1-l1、a2-l2和a3-l3为经验公式的系数。弹性模量E、屈服应力σys和极限应力σus的与骨密度的关系也可以为其它形式。
S4根据目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标。
如图4所示，根据目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标的方法为：在本实施例中，将椎体下表面施加固定约束边界条件，在上表面施加向下轴向载荷，以模拟人体椎体所处的轴向压缩力学环境；力学计算包括非线性有限元分析；骨强度指标包括骨应力、骨应变、骨刚度和骨强度。
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种基于磁共振评估骨强度的装置，包括：
骨密度采集模块，用于获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系；
有限元模型建立模块，用于对磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型；
生物力学模型建立模块，用于根据图像信号强度与骨密度的关系，对有限元模型赋予材料属性，建立目标骨骼的生物力学模型；
骨强度指标输出模块，用于根据目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标。
实施例三
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现上述任一项的基于磁共振评估骨强度的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(装置)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于磁共振评估骨强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系；
对所述磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型；
根据所述图像信号强度与骨密度的关系，对所述有限元模型赋予材料属性，建立目标骨骼的生物力学模型；
根据所述目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标。
2.如权利要求1所述的基于磁共振评估骨强度的方法，其特征在于，所述磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系通过体模获得；或者通过磁共振成像序列获得。
3.如权利要求2所述的基于磁共振评估骨强度的方法，其特征在于，通过体模获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系的方法为：
同步采集目标骨骼和体模的磁共振影像；
所述体模为由骨骼组成成分的类似物质混合而成的若干根体模柱；
所述体模放置于目标骨骼的图像采集视野，通过磁共振扫描设备对目标骨骼和体模进行磁共振图像采集；
所述目标骨骼和体模的磁共振影像得到图像信号强度和骨密度的关系：
所述目标骨骼和体模的磁共振影像得到图像信号强度和骨密度的关系包括：
从磁共振图像中选取目标骨骼中感兴趣区域和体模柱，得到感兴趣区域和体模柱的信号强度；
通过体模中的磁共振图像的信号强度，结合已知的组织成分体积分数，计算该组织成分中单个分子的等效信号强度；
根据n种不同扫描参数下的同一感兴趣区域的磁共振图像，计算得到未知的组织成分体积分数fi；
感兴趣区域的骨体积分数
Figure FDA0004190564770000011
感兴趣区域的骨密度ρ＝fB×ρB；其中，ρB为纯骨的密度。
4.如权利要求2所述的基于磁共振评估骨强度的方法，其特征在于，通过磁共振成像序列获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系的方法为：
对一批目标骨骼均进行磁共振成像和定量CT成像；
通过磁共振成像得到所述目标骨骼的图像信号强度；
通过所述定量CT成像得到所述目标骨骼的骨密度，通过回归分析建立磁共振影像的图像信号强度和骨密度的关系。
5.如权利要求1所述的基于磁共振评估骨强度的方法，其特征在于，对所述磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型的方法为：
所述目标骨骼的磁共振影像进行图像分割，按照灰度数据阈值分割，从磁共振图像中分离出目标骨骼图像；
对分离出的目标骨骼进行三维重建：对磁共振图像分离出的灰度区域进行面和体构建，得到目标骨骼的三维模型；
将目标骨骼的三维模型进行网格划分，将且划分为有限单元以得到有限元模型。
6.如权利要求1所述的基于磁共振评估骨强度的方法，其特征在于，对建立目标骨骼的生物力学模型的方法为：
将目标骨骼磁共振图像中信号强度转化为骨密度；
基于骨密度计算弹性模量、屈服应力和极限应力；
与目标骨骼的有限元模型进行空间匹配，将相同空间位置处的骨密度、弹性模量、屈服应力和极限应力赋予到相应有限元模型中的单元，生成目标骨骼的生物力学模型。
7.如权利要求6所述的磁共振评估骨强度的方法，其特征在于，所述弹性模量E、屈服应力σys和极限应力σus与所述骨密度呈线性关系、二次函数关系、幂函数关系、指数关系或对数关系。
8.如权利要求1所述的基于磁共振评估骨强度的方法，其特征在于，所述根据所述目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标的方法为：
通过载荷和边界条件模拟目标骨骼所处的真实力学环境；
力学计算包括非线性有限元分析；
骨强度指标包括骨应力、骨应变、骨刚度和骨强度。
9.一种基于磁共振评估骨强度的装置，其特征在于，包括：
骨密度采集模块，用于获得磁共振影像的图像信号强度与骨密度的关系；
有限元模型建立模块，用于对所述磁共振影像进行处理，建立目标骨骼的有限元模型；
生物力学模型建立模块，用于根据所述图像信号强度与骨密度的关系，对所述有限元模型赋予材料属性，建立目标骨骼的生物力学模型；
骨强度指标输出模块，用于根据所述目标骨骼的生物力学模型施加载荷和边界条件，进行力学计算，输出骨强度指标。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1-8任一项所述的基于磁共振评估骨强度的方法。
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