发明内容
本发明的目的是提供一种核磁共振信号衰减拟合方法、系统、设备及存储介质,用以解决现有技术中存在的上述问题。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,提供一种核磁共振信号衰减拟合方法,包括:
构建基于位置参数和尺度参数的扩散系数先验分布函数,并根据扩散系数先验分布函数构建多指数衰减函数拟合公式;
获取通过CPMG序列核磁共振测量得到的由若干个回波构成的时序信号,并根据时序信号确定若干信号值;
将若干信号值分别代入多指数衰减函数拟合公式中,得到多元方程组;
对多元方程组进行求解,得到水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数;
输出水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数。
在一个可能的设计中,所述多指数衰减函数拟合公式为
S=W*(1-exp(TR/R1,W))*exp(-TE/T2,W)*∫rp(x|Dw,σ)g(x)dx
+F*(1-exp(TR/T1,F))*exp(-TE*(1/T2,F+b*DF))
g(x)=exp(-TE*b*x)
其中,S表示信号值,T1,W表示水T1衰减系数,T2,W表示水T2衰减系数,Dw表示水扩散系数,p(·)表示扩散系数先验分布函数,x表示扩散系数先验分布函数的扩散系数值变量,σ表示设定的尺度参数,T1,F表示设定的油脂T1衰减系数,T2,F表示设定的油脂T2衰减系数,DF表示设定的油脂扩散系数,TR为设定的重复时间常数,TE为设定的回波时间常数,b为设定的磁场梯度对扩散系数的影响常数,exp(·)表示以自然常数e为底的指数函数,W表示水的权重,F表示油脂的权重。
在一个可能的设计中,所述多指数衰减函数拟合公式为
S=W*∫xp(x|T1,W,σ)g(x)dx*exp(-TE*(1/T2,F+b*DF))
+F*(1-exp(TR/T1,F))*exp(-TE*(1/T2,F+b*DF))
g(x)=1-exp(-TR/x)
其中,S表示信号值,T1,W表示水T1衰减系数,T2,W表示水T2衰减系数,Dw表示水扩散系数,p(·)表示扩散系数先验分布函数,x表示扩散系数先验分布函数的扩散系数值变量,σ表示设定的尺度参数,T1,F表示设定的油脂T1衰减系数,T2,F表示设定的油脂T2衰减系数,DF表示设定的油脂扩散系数,TR为设定的重复时间常数,TE为设定的回波时间常数,b为设定的磁场梯度对扩散系数的影响常数,exp(·)表示以自然常数e为底的指数函数,W表示水的权重,F表示油脂的权重。
在一个可能的设计中,所述多指数衰减函数拟合公式为
S=W*(1-exp(TR/T1,W))*∫xp(x|T2,W,σ)g(x)dx*exp(-TE*b*Dw)
+F*(1-exp(TR/T1,F))*exp(-TE*(1/T2,F+b*DF))
g(x)=exp(-TE/x)
其中,S表示信号值,T1,W表示水T1衰减系数,T2,W表示水T2衰减系数,Dw表示水扩散系数,p(·)表示扩散系数先验分布函数,x表示扩散系数先验分布函数的扩散系数值变量,σ表示设定的尺度参数,T1,F表示设定的油脂T1衰减系数,T2,F表示设定的油脂T2衰减系数,DF表示设定的油脂扩散系数,TR为设定的重复时间常数,TE为设定的回波时间常数,b为设定的磁场梯度对扩散系数的影响常数,exp(·)表示以自然常数e为底的指数函数,W表示水的权重,F表示油脂的权重。
在一个可能的设计中,所述扩散系数值变量x的取值范围为(0,200],所述对多元方程组进行求解包括:求得多元方程组在扩散系数值变量x取值范围(0,200]内的近似最优解。
在一个可能的设计中,所述尺度参数σ设定为σ=2*10-3,所述位置参数为水扩散系数的平均值。
在一个可能的设计中,所述扩散系数先验分布函数采用高斯函数。
第二方面,提供一种核磁共振信号衰减拟合系统,构建单元、获取单元、代入单元、解算单元和输出单元,其中:
构建单元,用于构建基于位置参数和尺度参数的扩散系数先验分布函数,并根据扩散系数先验分布函数构建多指数衰减函数拟合公式;
获取单元,用于获取通过CPMG序列核磁共振测量得到的由若干个回波构成的时序信号,并根据时序信号确定若干信号值;
代入单元,用于将若干信号值分别代入多指数衰减函数拟合公式中,得到多元方程组;
解算单元,用于对多元方程组进行求解,得到水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数;
输出单元,用于输出水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数。
第三方面,提供一种核磁共振信号衰减拟合设备,包括:
存储器,用于存储指令;
处理器,用于读取所述存储器中存储的指令,并根据指令执行上述第一方面中任意一种所述的方法。
第四方面,提供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指令,当所述指令在计算机上运行时,使得所述计算机执行第一方面中任意一种所述的方法。同时,还提供一种包含指令的计算机程序产品,当所述指令在计算机上运行时,使所述计算机执行第一方面中任意一种所述的方法。
有益效果:本发明通过将CPMG序列核磁共振测量得到的由若干个回波构成的时序信号代入基于先验分布函数所构建多指数衰减函数拟合公式中进行拟合计算,得到所需水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数,可以实现更高效、稳定的核磁共振信号衰减拟合。本发明通过加入对被测量物质的先验知识,在不增加变量数量的条件下提高拟合的准确性和稳定度,可以替代现有的使用单一常数求解的衰减拟合方法,有效提升拟合值的稳定性,使得到的衰减系数和扩散系数可以很好地反映真实情况。
具体实施方式
在此需要说明的是,对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而,可用很多备选的形式来体现本发明,并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解,除非另有明确的规定和限定,术语“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;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。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实施例中的具体含义。
在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统,以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中,可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术,以避免使得实施例不清楚。
实施例1:
本实施例提供一种核磁共振信号衰减拟合方法,可应用于相应的核磁共振信号衰减拟合处理终端,如图1所示,方法包括以下步骤:
S1.构建基于位置参数和尺度参数的扩散系数先验分布函数,并根据扩散系数先验分布函数构建多指数衰减函数拟合公式。
具体实施时,可使用随机变量描述同一类物质扩散系数的分布。随机变量服从的概率函数一般可以用两个参数描述——位置参数(μ)和尺度参数(σ)。测量随机变量X得到观测值x的概率可以表达为Pr(X=x)=p(x|μ,σ)。基于位置参数和尺度参数的扩散系数先验分布函数p的位置参数即为水(包括自由水和结合水)的扩散系数平均值。扩散系数先验分布函数p视为水扩散系数值的分布,可采用高斯函数,形成高斯分布,如图2所示,即为扩散系数先验分布函数在不同设定尺度参数σ下的分布情况,横轴为水扩散系数的值,纵轴为具有对应值的水占所有自由水以及结合水的比率。
扩散系数先验分布函数构建多指数衰减函数拟合公式可表示为
S=W*(1-exp(TR/R1,W))*exp(-TE/T2,W)*∫xp(x|Dw,σ)g(x)dx
+F*(1-exp(TR/T1,F))*exp(-TE*(1/T2,F+b*DF))
g(x)=exp(-TE*b*x)
其中,S表示信号值,T1,W表示水T1衰减系数,T2,W表示水T2衰减系数,Dw表示水扩散系数,p(·)表示扩散系数先验分布函数,x表示扩散系数先验分布函数的扩散系数值变量,σ表示设定的尺度参数,T1,F表示设定的油脂T1衰减系数,T2,F表示设定的油脂T2衰减系数,DF表示设定的油脂扩散系数,TR为设定的重复时间常数,TE为设定的回波时间常数,b为设定的磁场梯度对扩散系数的影响常数,exp(·)表示以自然常数e为底的指数函数,W表示水的权重,F表示油脂的权重。
或者,所述多指数衰减函数拟合公式表示为
S=W*∫xp(x|T1,W,σ)g(x)dx*exp(-TE*(1/T2,F+b*DF))
+F*(1-exp(TR/T1,F))*exp(-TE*(1/T2,F+b*DF))
g(x)=1-exp(-TR/x)
其中,S表示信号值,T1,W表示水T1衰减系数,T2,W表示水T2衰减系数,Dw表示水扩散系数,p(·)表示扩散系数先验分布函数,x表示扩散系数先验分布函数的扩散系数值变量,σ表示设定的尺度参数,T1,F表示设定的油脂T1衰减系数,T2,F表示设定的油脂T2衰减系数,DF表示设定的油脂扩散系数,TR为设定的重复时间常数,TE为设定的回波时间常数,b为设定的磁场梯度对扩散系数的影响常数,exp(·)表示以自然常数e为底的指数函数,W表示水的权重,F表示油脂的权重。
或者,所述多指数衰减函数拟合公式表示为
S=W*(1-exp(TR/T1,W))*∫xp(x|T2,W,σ)g(x)dx*exp(-TE*b*DW)
+F*(1-exp(TR/T1,F))*exp(-TE*(1/T2,F+b*DF))
g(x)=exp(-TE/x)
其中,S表示信号值,T1,W表示水T1衰减系数,T2,W表示水T2衰减系数,Dw表示水扩散系数,p(·)表示扩散系数先验分布函数,x表示扩散系数先验分布函数的扩散系数值变量,σ表示设定的尺度参数,T1,F表示设定的油脂T1衰减系数,T2,F表示设定的油脂T2衰减系数,DF表示设定的油脂扩散系数,TR为设定的重复时间常数,TE为设定的回波时间常数,b为设定的磁场梯度对扩散系数的影响常数,exp(·)表示以自然常数e为底的指数函数,W表示水的权重,F表示油脂的权重。
S2.获取通过CPMG序列核磁共振测量得到的由若干个回波构成的时序信号,并根据时序信号确定若干信号值。
具体实施时,可通过CPMG序列(自旋回讯磁振脉冲序列)核磁共振测量得到的由1508个回波构成的时序信号,并根据时序信号确定1508个信号值S,时序信号服从多指数衰减函数拟合公式的指数衰减信号。
S3.将若干信号值分别代入多指数衰减函数拟合公式中,得到多元方程组。
具体实施时,将1508个信号值S分别代入多指数衰减函数拟合公式中,得到相应的多元方程组。在本实施例中油脂T1衰减系数,T1,F,油脂T2衰减系数T2,F,以及油脂扩散系数DF均为根据已有样品中油脂先验知识所设定好的对应常数。TR为设定的重复时间常数,TE为设定的回波时间常数,b为设定的磁场梯度对扩散系数的影响常数。在实际CPMG序列核磁共振测量时,给定TR和TE(16个有不同TR和TE的值的组合)以及b(4个不同值,对应TE)。x的取值范围由被描述物质的性质和描述精度的需求决定,本实施例中使用(0,200]区间内间隔均匀的2000个值,即0.1,0.2,...199.9,200。
S4.对多元方程组进行求解,得到水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数。
具体实施时,求解要先确定水扩散系数函数p所服从的分布和尺度参数,根据已有经验统计,在同一个样品上的20次测量结果可以得到如图3和图4所示的关于水扩散系数统计性质,图3为样本中水扩散系数的估计值,图4为样本中水的变异系数(水扩散系数标准差除以均值,越小说明数值越稳定)。可以看出,在σ=2*10-3时,得到的水扩散系数值有较好的统计性质(估计值偏移较小,且值较稳定)。因此,可采用σ=2*10-3,对应的水扩散系数函数p如图2中对应σ的分布所示。基于此,通过解多元方程组1508个等式得到的近似最优解,即得到水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数Dw。
S5.输出水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数。
具体实施时,将求解得到的水T1衰减系数T1,W、水T2衰减系数T2,W和水扩散系数Dw进行输出展示及保存,以便后续利用水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数Dw进行物质性质判断。示例性地,如较高的T1,W和T2,W意味着较多的自由水,在人体组织中可认为有炎症的存在,在岩芯样本中可视为较大的孔隙度,较低的Dw对应较弱的分子扩散,一般对应液体的流动受阻。
本实施例方法通过加入对被测量物质的先验知识,在不增加变量数量的条件下提高拟合的准确性和稳定度,可以替代现有的使用单一常数求解的衰减拟合方法,有效提升拟合值的稳定性,使得到的衰减系数和扩散系数可以很好地反映真实情况。
实施例2:
本实施例提供一种核磁共振信号衰减拟合系统,如图2所示,包括构建单元、获取单元、代入单元、解算单元和输出单元,其中:
构建单元,用于构建基于位置参数和尺度参数的扩散系数先验分布函数,并根据扩散系数先验分布函数构建多指数衰减函数拟合公式;
获取单元,用于获取通过CPMG序列核磁共振测量得到的由若干个回波构成的时序信号,并根据时序信号确定若干信号值;
代入单元,用于将若干信号值分别代入多指数衰减函数拟合公式中,得到多元方程组;
解算单元,用于对多元方程组进行求解,得到水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数;
输出单元,用于输出水T1衰减系数、水T2衰减系数和水扩散系数。
实施例3:
本实施例提供一种核磁共振信号衰减拟合设备,如图5所示,在硬件层面,包括:
数据接口,用于建立处理器与核磁共振测量端的数据对接;
存储器,用于存储指令;
处理器,用于读取所述存储器中存储的指令,并根据指令执行实施例1中的核磁共振信号衰减拟合方法。
可选地,该设备还包括内部总线。处理器与存储器和数据接口可以通过内部总线相互连接,该内部总线可以是ISA(Industry Standard Architecture,工业标准体系结构)总线、PCI(Peripheral Component Interconnect,外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry Standard Architecture,扩展工业标准结构)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。
所述存储器可以但不限于包括随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)、只读存储器(Read Only Memory,ROM)、闪存(Flash Memory)、先进先出存储器(First InputFirst Output,FIFO)和/或先进后出存储器(First In Last Out,FILO)等。所述处理器可以是通用处理器,包括中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、网络处理器(NetworkProcessor,NP)等;还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor,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。
实施例4:
本实施例提供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指令,当所述指令在计算机上运行时,使得所述计算机执行实施例1中的核磁共振信号衰减拟合方法。其中,所述计算机可读存储介质是指存储数据的载体,可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(Memory Stick)等,所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络或者其他可编程系统。
本实施例还提供一种包含指令的计算机程序产品,当所述指令在计算机上运行时,使所述计算机执行实施例1中的核磁共振信号衰减拟合方法。其中,所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络或者其他可编程系统。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。