一种基于实时相位对比磁共振成像序列的脑血管反应性定量方法

本技术涉及磁共振，尤其涉及磁共振脑血管反应性定量领域。

背景技术：

1、脑血管反应性（cerebrovascular reactivity, cvr）是指在血管活性刺激作用下，脑血管发生舒张或收缩并改变脑血流量能力，是评价脑血管储备功能、血管内皮健康的核心生物标志物。cvr在全脑的定量可以使用bold-mri来实现，不过bold-mri测量的是cbf、cbv、cmro2三者的混合信号，属于间接指标，而且无法定量特定血管。现有的pc-mri可同时提供血管解剖与血流速度信息，常用于特定血管的cvr定量，不过其时间分辨率低，只能进行离散静态测量，丢失中间动态过程。相比于现有的方法，实时相位对比成像（real-timepc）时间分辨率高，可连续记录血流随时间的变化曲线，捕捉co2波动引起的瞬态血流响应；不需要进行气体吸入；并且采用径向采样，对于运动的稳健性较好；相较于epi采集，本方法空间分辨率更高，能够测量中小血管的cvr。本发明提供了一种基于实时相位对比磁共振成像序列的脑血管反应性定量方法，精确测量指定血管的cvr。

技术实现思路

1、为了克服现有cvr定量的不足，本发明提出了一种基于实时相位对比磁共振成像序列的脑血管反应性定量方法，以测量指定血管的cvr。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供了一种基于实时相位对比磁共振成像序列的脑血管反应性定量方法，其包括以下步骤：

4、s1、针对目标被试，控制磁共振设备执行成像序列从而采集脑血管的k空间数据，并在成像过程中从监测设备中同步获取被试在呼吸调节状态下呼出气体中的co2分压时序数据；

5、所述成像序列由交替执行的正向序列模块和反向序列模块组成；

6、所述正向序列模块包括四个子模块，其中：第一子模块，用于在序列开始时在层选方向上进行速度编码，以测量层选方向上的血流信号；第二子模块，用于在信号读出方向上进行速度补偿，以消除其他方向的血流信号的影响；第三子模块，用于在速度补偿后，采用非对称回波采集k空间信号，以缩短重复时间（tr），提高时间分辨率；第四子模块，用于在信号采集完成后施加扰相梯度，以破坏残余的横向磁化矢量，避免其对后续重复时间采集的干扰；

7、所述反向序列模块相对于所述正向序列模块的速度编码梯度方向相反，其余均相同；

8、且所述成像序列中的两个序列模块每完成一轮交替后，将频率编码方向与相位编码方向的梯度绕层选方向逆时针旋转一个黄金角增量，再执行下一轮交替；

9、s2、分别针对正向序列模块和反向序列模块采集的k空间数据独立重建，得到两组解剖图后再计算复差，得到幅值图和相位图；

10、s3、利用预先训练好的分割模型基于所述幅值图和任一解剖图进行血管分割，提取目标血管的感兴趣区域掩膜；

11、s4、根据所述感兴趣区域掩膜和所述相位图计算每个时间点的血流量，并将血流量时序数据与同步监测到的co2分压时序数据进行时移匹配后，计算目标血管的脑血管反应性。

12、作为上述第一方面的优选，所述正向序列模块的第一子模块中速度编码的构建方法如下：

13、在施加射频脉冲的同时在层选方向上施加选层梯度，将层选方向上的重聚焦梯度与速度编码梯度合并施加，且从层选梯度的中心点到速度编码结束时的总梯度满足零阶矩为0，一阶矩为m1，m1由π/2除以旋磁比与混叠速度的乘积得到；

14、所述反向序列模块的第一子模块中，所述一阶矩为-m1，其余均与正向序列模块的第一子模块完全一致。

15、作为上述第一方面的优选，所述正向序列模块和反向序列模块的第二子模块、第三子模块、第四子模块的内部执行流程满足以下一种或多种：

16、所述第二子模块中速度补偿的方法为：

17、在信号读出方向上施加梯度，且从梯度施加开始到回波中心的总梯度满足零阶矩和一阶矩均为0。

18、所述第三子模块中采用非对称回波采集k空间信号的方法如下：

19、在k空间信号读出时，通过将回波中心向右侧偏移形成非对称度，使在k空间一侧满采而另一侧仅采集满采侧的一半。

20、所述第四子模块中扰相梯度的施加方法为：

21、在k空间信号采集完成后，在层选方向、频率编码方向和相位编码方向上均施加扰相梯度，其中层选方向上的扰相梯度为2π，频率编码方向和相位编码方向上的扰相梯度为4π。

22、作为上述第一方面的优选，所述成像序列在交替执行两个序列模块的过程中，每执行完一组正向序列模块和反向序列模块后，对两个序列模块施加黄金角旋转操作，两个序列模块中的射频脉冲以及层选方向的梯度保持不变，但将频率编码方向与相位编码方向的梯度绕层选方向逆时针旋转一个黄金角增量，再在下一轮交替中执行黄金角旋转后的正向序列模块和反向序列模块；不断交替重复采集，直至满足预设的总时长。

23、作为上述第一方面的优选，在监测co2分压过程中，以向被试播放视频的方式指示其进行吸气、呼气和自由呼吸，其中在前11s进行自由呼吸，随后进行时长为12s的呼吸调控：3s吸气3s呼气共重复两次，剩余时间进行自由呼吸，总时长150s。

24、作为上述第一方面的优选，所述s2中，采用grasp图像重建方法，分别对正向序列模块和反向序列模块采集的k空间数据进行重建，每一时间点重建得到的两幅解剖图通过计算复差得到该时间点对应的幅值图和相位图。

25、作为上述第一方面的优选，所述s3中，所述分割模型由nnunet模型在2d pc-mri图像数据上训练而成，其中不同训练样本的扫描中心位于不同的脑血管处，扫描平面垂直血管；nnunet模型以同一时间点对应的解剖图和幅值图作为双通道输入，以目标血管的感兴趣区域掩膜作为输出。

26、作为上述第一方面的优选，所述s4的具体实现方法如下：

27、s41、针对每个时间点，将分割得到的感兴趣区域掩膜叠加到该时间点对应的相位图上，根据感兴趣区域内每个体素的相位信息和物理面积以及混叠速度计算目标血管的血流量，其中ap是单个体素的实际物理面积，是roi中的相位信息，venc是混叠速度；

28、s42、对目标血管的血流量时序数据进行低通滤波去噪，然后将同步监测到的co2分压时序数据重采样至与血流量时序数据相同的时间分辨率，并进行相同的低通滤波去噪，再以相关系数最大为原则确定血流量时序数据和co2分压时序数据之间的最优时间延迟，按照最优时间延迟将两者进行时移匹配完成时间对齐，最后以血流量作为因变量，以co2分压和时间作为自变量，通过多线性回归获得回归系数，并计算目标血管的脑血管反应性。

29、第二方面，本发明提供了一种基于径向采样实时相位对比的脑血管反应性定量系统，其用于实现如上述第一方面任一项所述的基于实时相位对比磁共振成像序列的脑血管反应性定量方法，该系统包括：

30、数据采集模块，用于执行所述s1，采集所述脑血管的k空间数据以及所述co2分压时序数据；

31、数据处理模块，用于执行所述s2~s4，得到目标血管的脑血管反应性。

32、第三方面，本发明提供了一种计算机电子设备，其包括存储器和处理器；

33、所述存储器，用于存储计算机程序；

34、所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上述第一方面任一项所述的基于实时相位对比磁共振成像序列的脑血管反应性定量方法。

35、相对于现有技术，本发明具有以下良好效果：时间分辨率高，可连续记录血流随时间的变化曲线，捕捉co2波动引起的瞬态血流响应；不需要进行气体吸入；并且采用径向采样，对于运动的稳健性较好，被试脑部的微小运动对结果影响小；本方法空间分辨率更高，能够测量中小血管的cvr。利用 nnunet 自适应能力与双通道输入完成血管分割，血管分割dice 系数均大于0.97，显著优于其他血管分割方法；无需人工调参，分割速度快，单帧分割时间小于1s；数据处理效率高。