用于磁共振弥散加权成像的多参数后处理模型的构建方法技术

本发明专利技术提供了一种用于磁共振弥散加权成像的多参数后处理模型的构建方法，针对DWI信号在不同弥散敏感系数b下的变化侧重反映生物组织结构不同方面的特征，通过利用统一的数学描述，解决目前的后处理模型只针对某一b值范围DWI信号建立，不能全面反映生物组织结构特征的局限性。该模型考虑在高b值下，生物组织中细胞壁、细胞外基质等限制水分子的扩散运动不再呈高斯性，低b值下，毛细血管中血流微循环引起体素内质子相位不相干从而影响了DWI信号值的变化，所构建的IVIM

【技术实现步骤摘要】
用于磁共振弥散加权成像的多参数后处理模型的构建方法


[0001]本专利技术属于图像处理和医学
，涉及一种用于磁共振弥散加权成像(DWI)的多参数后处理模型(IntraVoxel Incoherent Motion and Varying Diffusion Curvature,IVIM_VDC)的构建方法。

技术介绍

[0002]磁共振弥散加权成像(Diffusion
‑
Weighted Imaging,DWI)方法通过利用运动敏感梯度来检测水分子的扩散受限运动，从而间接反映组织微观结构的变化，包括细胞密度、细胞尺寸、以及组织成分改变等，是目前唯一能够反映活体内水分子在组织内运动状态的成像技术。传统的DWI分析模型假设人体组织是单一均匀结构，水分子的微观运动遵循高斯分布，这种情况下如果存在弥散加权梯度，扩散运动引起的信号衰减可以用单指数衰减模型(6)来描述，拟合DWI方法在不同弥散敏感系数下采集的信号，通过公式(7)能够得到表观弥散系数(Apparent Diffusion Coefficient,ADC)，ADC可以反映水分子宏观的扩散运动能力，从而可以作为区分良恶性肿瘤的定量指标。
[0003]S
b
＝S0*exp(
‑
b*ADC)
ꢀꢀ
(6)
[0004]其中，S
b
为弥散敏感系数值为b时的DWI信号值，S0为弥散敏感系数值为0(无弥散敏感梯度)时的DWI信号值。通过采集两个不同弥散敏感系数值对应的DWI图像，利用公式(7)对两个不同b值b1和b2下采集的DWI图像信号值和进行拟合，计算ADC值。
[0005][0006]然而，在生物组织中，水分子与周围结构(细胞壁、细胞外基质等)相互作用，这些结构充当屏障，导致扩散运动的受限，水分子的扩散运动不再满足高斯分布。同时，毛细血管中血流的微循环也会引起体素内质子相位不相干，这些因素导致DWI信号不再随着弥散敏感系数b以单指数方式衰减。研究发现，当弥散敏感系数b<200s/mm2时信号衰减主要来自毛细血管中血流的微循环，而当b>1000s/mm2时，水分子扩散运动的非高斯分布在信号上表现更加明显。而单指数衰减方式(7)拟合得到的ADC反映的是体素内的平均弥散系数，无法提供更多反映成分和结构变化的信息，并且，ADC值对b值敏感性导致ADC值的一致性在临床应用上也受到限制，因此，经典的单指数DWI分析模型具有一定的局限性。
[0007]针对不同b值范围内水分子扩散运动的特征，有研究提出体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion,IVIM)模型、弥散峰度模型(diffusion kurtosis imaging,DKI)模型，分数微积分(fractional order calculus,FROC)模型、拉伸指数(stretched exponential model,SEM)模型、变弥散曲率(varying diffusion curvature,VDC)模型等。这些有针对性的扩散模型的提出基于物理定律、组织结构以及生物物理约束。
[0008]其中，VDC模型建立在假设由于亚体素内组织结构和成分的复杂性，弥散加权系数D(b)随着弥散敏感系数b变化，
[0009]D(b)＝D0*exp(
‑
b*D1)
ꢀꢀ
(8)
[0010]方程(8)中弥散加权系数D0对应于受阻扩散，而弥散加权系数D1对受限扩散更加敏感，能反映组织的复杂性。
[0011]DWI信号S
b
随b值以方程(9)给定的方式衰减
[0012][0013]能够反映亚体素内组织结构和成分导致的D(b)的变化。
[0014]IVIM模型是个双指数模型，将毛细血管(体积分数为f)中的血流效应，用伪弥散系数D
*
来表征，水扩散效应用弥散系数D来表征，DWI信号S
b
随b值以方程(10)给定的模型衰减
[0015]S
b
＝S0*(f*exp(
‑
b*D
*
)+(1
‑
f)*exp(
‑
b*D)) (10)
[0016]DWI信号在不同弥散敏感系数(b)下的变化会侧重反映生物组织结构不同方面的特征，而目前的DWI后处理模型只能针对某一b值范围DWI信号进行处理，不能全面反映组织结构特征，具有一定的局限性。

技术实现思路

[0017]本专利技术的目的是提供一种用于磁共振弥散加权成像(DWI)的多参数后处理模型(IVIM_VDC)的构建方法，该方法结合高b值下，生物组织中的水分子与周围结构(细胞壁、细胞外基质等)相互作用，这些结构充当屏障，导致扩散运动的受限，水分子的扩散运动不再呈高斯性，导致DWI信号不再以单指数衰减，而低b值情况下，毛细血管中血流的微循环引起体素内质子相位不相干，活体组织内水分子的扩散，同时毛细血管网络中微循环灌注的都影响了DWI信号值的变化，将DWI信号在不同b值下的变化用IVIM_VDC模型统一描述，模型生成的参数尽可能全面地反映生物组织结构的多样性，因此，构建的模型对DWI信号的拟合优度更好，可用于良、恶性肿瘤的辅助诊断。
[0018]实现本专利技术目的的具体技术方案是：
[0019]一种用于磁共振弥散加权成像(DWI)的多参数后处理模型(IVIM_VDC)的构建方法，具体包括如下步骤：
[0020]步骤1：使用多b值采集一组DWI数据，所述b值为弥散敏感系数；
[0021]步骤2：对采集的DWI数据进行去除Rician噪声处理；
[0022]步骤3：构建DWI多参数后处理模型IVIM_VDC：
[0023][0024]其中，b为弥散敏感系数，S
b
为弥散敏感系数为b值时的DWI信号值，S0为弥散敏感系数b值为0时的DWI信号值，f为灌注效应的体积分数，D
*
为伪弥散加权系数，弥散加权系数D0对应于受阻扩散，弥散加权系数D1对受限扩散更加敏感，反应组织的复杂度；
[0025]步骤4：将每个b值与其对应的DWI信号使用模型IVIM
‑
VDC进行拟合，从而计算出IVIM
‑
VDC模型的参数S0、f、D
*
、D0和D1；其中：
[0026]所构建的DWI多参数后处理模型IVIM_VDC，是一种将DWI信号在不同b值下变化用一个数学表达综合描述的模型，要在不同的b值范围内采集DWI数据；步骤1所述多b值，是有至少4个最高200s/mm2的b值、有至少2个最低200s/mm2最高1000s/mm2的b值和有至少2个最小1000s/mm2的b值。
[0027]步骤2所述对DWI数据进行去除Rician噪声处理，具体处理过程采用如下去噪方
程：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于磁共振弥散加权成像的多参数后处理模型的构建方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：步骤1：使用多b值采集一组DWI数据，所述b值为弥散敏感系数；步骤2：对采集的DWI数据进行去除Rician噪声处理；步骤3：构建DWI多参数后处理模型IVIM_VDC：其中，b为弥散敏感系数，S
b
为弥散敏感系数为b值时的DWI信号值，S0为弥散敏感系数b值为0时的DWI信号值，f为灌注效应的体积分数，D
*
为伪弥散加权系数，弥散加权系数D0对应于受阻扩散，弥散加权系数D1对受限扩散更加敏感，反应组织的复杂度；步骤4：将每个b值与其对应的DWI信号使用模型IVIM
‑
VDC进行拟合，从而计算出IVIM
‑
VDC模型的参数S0、f、D
*
、D0和D1；其中：所构建的DWI多参数后处理模型IVIM_VDC，是一种将DWI信号在不同b值下变化用一个数学表达综合描述的模型，要在不同的b值范围内采集DWI数据；步骤1所述多b值，是有至少4个最高200s/mm2的b值、有至少2个最低200s/mm2最高1000s/mm2的b值和有至少2个最小1000s/mm2的b值。2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，步骤2所述对DWI数据进行去除Rician噪声处理，具体处理过程采用如下去噪方程：其中S
raw
为磁共振扫描采集的DWI信号，S
noise<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴东梅，张成秀，杨光，戴勇鸣，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：