一种MRI图像重建的方法

一种mri图像重建的方法
技术领域
1.本技术涉及一种mri图像重建的方法，属于磁共振成像技术领域。


背景技术：

2.近年来，超分辨光学成像技术迅速发展，突破光学衍射极限对于成像空间分辨率的限制。其中，基于荧光随机涨落的超分辨技术在成像速度和空间分辨率达到良好的权衡，具有分辨率高、光毒性小、系统成本低、所需图像帧数少等优点。该技术利用量子点自身发射荧光随时间发生强度涨落的特性，即荧光闪烁，并通过对闪烁信号进行相关函数的分析和处理从而提高超分辨成像的时空分辨率。荧光闪烁遵循幂次法则，产生机制可能是量子点表面的悬空键俘获和失去电子。当悬空键呈正电荷时，量子点能够发光；当悬空键呈中性或者负电荷时，量子点则会处于暗态。
3.作为另一种非侵入性且功能强大的成像技术，磁共振成像(mri)能有效提供组织化学信息以及生理环境信息，实现多参数多方位直接成像。t1加权mri利用纵向弛豫成像，其亮白图像表示高信号；t2加权mri利用纵向弛豫成像，其灰黑图像表示高信号。t1-t2双模造影剂有望实现成像模式的互补，进一步改善对比度以提高成像效果。现阶段，t1-t2双模造影剂可在同一台磁共振成像仪上实现两种模式的mri加权成像。然而，利用t1-t2可切换双模造影剂的磁共振闪烁效应以实现超分辨成像的研究尚未被报道。


技术实现要素：

4.根据本技术的一个方面，提供一种mri图像重建的方法，所述方法基于采用t1-t2可切换双模造影剂获得t1加权图像和t2加权图像交替显示的mri图像序列(即磁共振闪烁)，通过涨落信号分析算法，可以消除低频分量和读出噪声，提取高频分量从而增强成像分辨率，重建得到的二维图像具有较高的对比度，提高了图像的保真度。
5.一种mri图像重建的方法，所述方法包括：
6.(s1)获得基于t1-t2可切换双模造影剂的mri图像序列；
7.其中，所述mri图像序列为连续扫描n次所得的mri图像序列，n≥2；
8.(s2)读取所述mri图像序列中各个单像素点的灰度值，绘制灰度值随时间变化的曲线；
9.(s3)根据所述曲线，计算各个单像素点的时间自相关累积量函数和空间互相关累积量函数；
10.(s4)根据时间自相关累积量函数值和所述空间互相关累积量函数值重建二维图像。
11.可选地，步骤(s1)中所述t1-t2可切换双模造影剂在刺激下的变形通过改变磁性能实现t1型造影剂和t2型造影剂的切换；
12.可选地，所述刺激选自外界能量刺激，选自交变磁场、交变电场、交变光场、交变温度场、交变超声场中的至少一种；
13.可选地，所述变形为粒径改变。
14.可选地，步骤(s1)中所述mri图像序列为t1加权图像序列；
15.所述n＝5～500。
16.可选地，所述n＝5～200。
17.可选地，所述n＝5～100。
18.可选地，所述t1-t2可切换双模造影剂具有核壳式包覆结构：
19.其中壳为亲水性聚合物；
20.核为包覆有聚合物i的磁性纳米粒子，至少一个核均匀分散在壳中；
21.所述聚合物i和所述亲水聚合物通过酰胺键和/或酯键连接。
22.可选地，所述壳中包覆至少两个核；所述核均匀分散在壳中。
23.可选地，所述磁性纳米粒子选自具有式i所示通式的物质中的至少一种；
24.zn
x
fe
3-x
o4ꢀꢀ
式i；
25.x取值范围为0.1～0.9；
26.可选地，所述聚合物i表面含有羧基和/或酸酐基团；
27.所述亲水性聚合物的单体中含有碳碳不饱和键、羟基和/或氨基。
28.可选地，所述x取值范围为0.1～0.5。
29.可选地，所述磁性纳米粒子选自zn
0.1
fe
2.9
o4、zn
0.2
fe
2.8
o4、zn
0.3
fe
2.7
o4、zn
0.4
fe
2.6
o4中的至少一种。
30.可选地，所述聚合物i选自聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐、巯基-聚乙二醇-羧基、氨基-聚乙二醇-羧基中的至少一种。
31.可选地，所述磁性纳米粒子的粒径为1nm～20nm。
32.可选地，所述磁性纳米粒子的粒径上限选自4、7、10、15、20nm；下限选自1、4、7、10、15nm。
33.可选地，所述t1-t2可切换双模造影剂的粒径为50nm～1000nm。
34.可选地，所述t1-t2可切换双模造影剂的粒径上限选自80、100、150、200、300、400、500、800、1000nm；下限选自50、80、100、150、200、400、300、500、800nm。
35.可选地，所述t1-t2可切换双模造影剂为zn
0.2
fe
2.8
o4@聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐@2-羟基乙基甲基丙烯酸酯。
36.所述t1-t2可切换双模造影剂的制备方法包括：
37.(si)将含有包裹有聚合物i的磁性纳米粒子和亲水性聚合物的聚合单体的原料在催化剂存在下接触反应ii，得到前驱体；
38.(sii)向前驱体中加入自由基引发剂，经聚合反应iii获得t1-t2可切换双模造影剂。
39.可选地，(si)中，所述反应ii的条件为：温度ii为10～40℃，时间ii不少于1h；
40.所述催化剂选自偶联剂中的至少一种；
41.所述聚合单体选自丙烯酸酯类化合物中的至少一种；
42.(sii)中，所述自由基引发剂选自偶氮化合物中的至少一种；
43.(sii)中，所述聚合反应iii的条件为：温度iii为40℃～100℃，时间iii不超过4h。
44.可选地，所述偶联剂选自1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、二环己基
碳二亚胺、n-羟基丁二酰亚胺、4-二甲氨基吡啶中的至少一种。
45.可选地，所述丙烯酸酯类化合物选自2-羟基乙基甲基丙烯酸酯和/或糖基氧乙基甲基丙烯酸酯。
46.可选地，步骤(s3)中所述单像素点的时间自相关累积量函数表示为：
47.g(r，τ)＝[δf(r，t τ)
×
δf(r，t)]
t
[0048]
＝∑iu2(r-ri)
×
ε
i2
×
[δsi(t τ)δsi(t)]
t
；
[0049]
其中，g函数是以空间r和时间变化量τ为自变量的单个像素点积累函数公式，f为mri信号函数，t为时间，δ为矩阵式通式；u为空间积累函数实部即空间系统中的像素点扩展函数，ε为空间积累函数虚部代表单个像素的灰度，s为时间积累函数部分代表单个像素灰度的变化。
[0050]
可选地，步骤(s4)中所述的重建方法为：
[0051]
根据时间自相关累积量函数值和所述空间互相关累积量函数值获得每个像素点的mri明暗信号强度差f，根据mri明暗信号强度差f重建二维图像，所述mri明暗信号强度差f表示为：
[0052][0053]
其中，r，t分别为空间和时间位置；n为单个像素的数量；u为系统的点扩展函数；ε为单个像素的灰度；s代表单个像素灰度的涨落；ri为第i个单个像素的空间位置。
[0054]
根据本技术的另一个方面，提供一种超分辨成像方法，通过采用上述任一项所述的mri图像重建的方法中的至少一种；
[0055]
可选地，所述超分辨成像基于磁共振闪烁。
[0056]
本技术所提供的超分辨成像方法，基于磁共振闪烁的超分辨成像，用于实现成像信号在时间和空间上的优化，有望消除伪信号，为临床诊断提供更高分辨率的成像效果，促进多元化诊断技术平台的发展。
[0057]
根据本技术的另一个方面，提供上述任一项所述的mri图像重建的方法、上述任一项所述的超分辨成像方法在构建常规磁共振成像、磁共振扩散加权成像、磁共振灌注成像、血氧水平依赖功能成像、磁共振波谱的方法中的应用。
[0058]
根据本技术的一个实施方案，提供一种基于磁共振闪烁的超分辨成像方法，包括：采集一定时间的mri图像序列、读取图像上单个像素点的灰度值绘制其时间变化曲线、计算图像中各个像素点的时间自相关或空间互相关累积量函数、根据各个相关累积量函数值重建二维图像。
[0059]
在优选的实施方案中，所述磁共振闪烁为t1型与t2型造影剂强化的成像信号交替显示，呈明暗变化趋势。
[0060]
在优选的实施方案中，所述采集一定时间的mri图像序列为基于t1-t2可切换双模造影剂的图像采集；
[0061]
所述一定时间为mri连续快速扫描n次所用时间；
[0062]
可选地，所述n为50～500；
[0063]
所述mri图像序列为t1加权图像序列；
[0064]
所述t1-t2可切换双模造影剂可在刺激下发生变形；
[0065]
可选地，所述造影剂为zn
0.2
fe
2.8
o4@聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐@2-羟基乙基甲基丙烯酸酯；
[0066]
可选地，所述刺激为外界能量刺激，选自交变磁场、交变电场、交变光场、交变温度场、交变超声场中的至少一种；
[0067]
进一步地，所述刺激为交变磁场；
[0068]
所述变形通过改变磁性能实现t1型造影剂和t2型造影剂的切换；
[0069]
可选地，所述变形为粒径改变。
[0070]
在优选的实施方式中，所述读取图像上单个像素点的灰度值绘制其时间变化曲线用于观察各个像素点的灰度值随时间的涨落情况。
[0071]
在优选的实施方式中，所述计算图像中各个像素点的时间自相关或空间互相关累积量函数用于得到mri信号强度f的关联项；
[0072]
所述mri信号强度f可表述为：
[0073][0074]
其中，r，t分别为空间和时间位置；n为样品所含所述单个像素的数量；u为系统的点扩展函数；ε为单个像素灰度；s代表单个单个像素灰度的涨落；ri为第i个单个像素的空间位置。
[0075]
所述时间自相关函数可表示为：
[0076][0077]
g函数是以空间r和时间变化量τ为自变量的单个像素点积累函数公式，f为mri信号函数，t为时间，δ为矩阵式通式；u为空间积累函数实部即空间系统中的像素点扩展函数，ε为空间积累函数虚部代表单个像素的灰度，s为时间积累函数部分代表单个像素灰度的变化。
[0078]
所述空间互相关函数用于消除无相关性、来自不同像素的散粒噪声的影响；
[0079]
所述累积量函数用于消除低阶相关函数引起的交叉项。
[0080]
在优选的实施方式中，所述根据各个相关累积量函数值重建二维图像用于提供对比增强的扫描图像。
[0081]
根据本技术的另一个实施方案，提供了上述检测方法在常规磁共振成像、磁共振扩散加权成像、磁共振灌注成像、血氧水平依赖功能成像以及磁共振波谱分析中的至少一种应用。
[0082]
本技术能产生的有益效果包括：
[0083]
1)本技术所提供的mri图像重建方法，基于采用t1-t2可切换双模造影剂获得t1加权图像和t2加权图像交替显示的mri图像序列(即磁共振闪烁)，采集其中的mri图像进行图
像重建，通过涨落信号分析算法，可以消除低频分量和读出噪声，提取高频分量从而增强成像分辨率，重建得到的二维图像具有较高的对比度，提高了图像的保真度。
[0084]
2)本技术所提供的mri图像重建方法，实现成像信号在时间和空间上的优化，可消除伪信号，为临床诊断提供更高分辨率的成像效果，促进多元化诊断技术平台的发展。
[0085]
3)本技术所提供的mri图像重建方法，采用的双模造影剂能高效进行t1型造影剂和t2型造影剂之间的切换，有效提供涨落信号。
[0086]
4)本技术所提供的mri图像重建方法，采用的双模造影剂可以通过施加外界能量刺激使粒径发生改变，从而实现高效进行t1型造影剂和t2型造影剂之间的切换，有效提供涨落信号。
[0087]
5)本技术所提供的mri图像重建方法，采用t1加权序列连续快速扫描，数据采集周期短，采样频率高。
附图说明
[0088]
图1是本技术mri图像重建方法的原理图。
[0089]
图2是实施例1中所制备的t1-t2可切换双模造影剂(zn
0.2
fe
2.8
o4@聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐@2-羟基乙基甲基丙烯酸酯)的透射电镜照片。
[0090]
图3是实施例2中所采集的t1加权图像序列中最亮态图像及其平均灰度。
[0091]
图4是实施例2中所采集的t1加权图像序列中最暗态图像及其平均灰度。
[0092]
图5是实施例2中重建后的图像。
具体实施方式
[0093]
下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
[0094]
如无特殊说明，本技术所用原料和试剂均来自商业购买，未经处理直接使用，所用仪器设备采用厂家推荐的方案和参数。
[0095]
本技术所述的室温为25℃。
[0096]
图1示出了本发明的流程图，整体上反映本发明的构思。
[0097]
实施例1t1-t2可切换双模造影剂的获得
[0098]
亲水磁性实心纳米球样品(zn
0.2
fe
2.8
o4@聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐@2-羟基乙基甲基丙烯酸酯)的制备
[0099]
(1)包覆有聚合物i的zn
0.2
fe
2.8
o4(zn
0.2
fe
2.8o4-pma)的制备
[0100]
取摩尔比为1:50的平均粒径为7nm的油相zn
0.2
fe
2.8
o4纳米粒子与两亲性聚合物pma混合，室温下，通过旋转蒸发仪在氯仿溶液中进行均匀搅拌直至氯仿完全蒸发，获得zn
0.2
fe
2.8o4-pma，所得的zn
0.2
fe
2.8o4-pma的平均粒径为15nm。
[0101]
所述的油相zn
0.2
fe
2.8
o4纳米粒子制备方法参照文献《控制掺杂含量和粒径精确调整zn
x
fe
3-x
o4纳米粒子在磁共振成像中的对比度特性》(ma,yuanyuan,et al."precisely tuning the contrast properties of zn
x
fe
3-x
o4nanoparticles in magnetic resonance imaging by controlling their doping content and size."chemistry of materials,2019,31,18,7255-7264)中的方法制备得到；所述两亲性聚合物pma的合成以及包载zn
0.2
fe
2.8
o4的方法参照文献《聚合物包覆的纳米颗粒：生物标记试验的通用工具》
(f.zhang,e.lees,f.amin,p.rivera gil,f.yang,p.mulvaney,w.j.parak,polymer-coated nanoparticles:a universal tool for biolabelling experiments,small,2011,7,22,3113-27)和《用于纳米涂层和功能化的两亲聚合物的设计》(c.a.lin,r.a.sperling,j.k.li,t.y.yang,p.y.li,m.zanella,w.h.chang,w.j.parak,design of an amphiphilic polymer for nanoparticle coating and functionalization,small,2008,4,3,334-41)中的方法制备得到。
[0102]
(2)单体ii与包覆有聚合物i的zn
0.2
fe
2.8
o4的连接
[0103]
取包覆有聚合物i的zn
0.2
fe
2.8
o4、单体ii和催化剂，分别与sbb 9(ph＝9)混合形成溶液，形成包覆有聚合物i的zn
0.2
fe
2.8
o4的sbb溶液、单体ii的sbb溶液、催化剂的sbb溶液。
[0104]
取包覆有聚合物i的zn
0.2
fe
2.8
o4的sbb溶液与单体ii的sbb溶液于1.5ml的离心管中混合均匀，再加入催化剂的sbb溶液，混合均匀后将离心管放在恒温震荡培养箱中震荡反应，具体链接条件如表1所示。
[0105]
在表1中的条件下，反应结束后将所得液体取出，离心洗涤后将所得样品的sbb溶液放入约4℃的冰箱保存，作为前驱体用于后续反应。
[0106]
表1
[0107][0108][0109]
(3)亲水磁性实心纳米球样品的制备
[0110]
取上述前驱体的sbb溶液于1.5ml的离心管中，加入自由基引发剂的溶液。混合均匀后，将离心管放入细胞破碎仪中反应，反应结束。经过洗涤、离心分离得到所述亲水磁性实心纳米球(zn
0.2
fe
2.8
o4@聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐@2-羟基乙基甲基丙烯酸酯)，具体制备条件如表2所示。
[0111]
表2
[0112][0113]
(4)亲水磁性实心纳米球样品的表征
[0114]
采用日本电子株式会社的jeol jem 3010uhr型号的透射电镜对所得的亲水磁性实心纳米球样品进行表征，结果如图2所示，结果表明所得的亲水磁性实心纳米球样品粒径分布均匀的球形样品，平均粒径为，平均粒径为400nm。
[0115]
实施例2利用zn
0.2
fe
2.8
o4@聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐@2-羟基乙基甲基丙烯酸酯作为造影剂实现mri图像重建
[0116]
(1)采集一定时间的mri图像序列并读取灰度值
[0117]
按照图1所示的图像重建方法，利用所述zn
0.2
fe
2.8
o4@聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐@2-羟基乙基甲基丙烯酸酯作为造影剂，所用造影剂制成均匀的系列浓度梯度稀释液。将所述稀释液加入样品，利用西门子股份公司生产的1.5t超导型磁共振成像系统magnetom aera扫描样品，扫描过程中，对样品施加交变磁场，使所述造影剂进行t1型造影剂和t2型造影剂之间的切换，扫描采集t1加权图像序列，扫描次数为5次。所采集到的t1加权图像序列中最亮态以及最暗态如图3、图4所示，图中仅显示其平均灰度。
[0118]
(2)计算相关累积量函数以重建对比增强的扫描图像
[0119]
读取所采集的t1加权图像序列中各个单像素点的灰度值，在同一模式进行多次重复扫描，绘制灰度值随时间变化的曲线，根据所述曲线计算各个单像素点的时间自相关累积量函数和空间互相关累积量函数。根据空间和时间的积累量，建立统计柱状图，得到灰度的平均方差值；利用均方差代入所述时间自相关累积量函数和所述空间互相关累积量函数计算每个像素点的mri明暗信号强度差f，重建mri信号的二维图像分析图，由此重建mri图像。所述时间自相关累积量函数表示为：
[0120]
g(r，τ)＝[δf(r，t τ)
×
δf(r，t)]
t
[0121]
＝∑iu2(r-ri)
×
ε
i2
×
[δsi(t τ)δsi(t)]
t
；
[0122]
其中，g函数是以空间r和时间变化量τ为自变量的单个像素点积累函数公式，f为mri信号函数，t为时间，δ为矩阵式通式；u为空间积累函数实部即空间系统中的像素点扩展函数，ε为空间积累函数虚部代表单个像素的灰度，s为时间积累函数部分代表单个像素灰度的变化。
[0123]
所述空间互相关累积量函数利用1.5t超导型磁共振成像系统magnetom aera配套算法进行计算；
[0124]
所述mri明暗信号强度差f表述为：
[0125][0126]
其中，r，t分别为空间和时间位置；n为样品所含所述单个像素的数量；u为系统的点扩展函数；ε为单个像素灰度；s代表单个像素灰度的涨落；ri为第i个单个像素的空间位置。
[0127]
经过重建的图像，与重建前的图像(图3和图4)相比，具有更好的分辨率，可以提供更为直观的扫描信息，其结果如图5所示。
[0128]
本发明的构思在于有效消除低频分量和读出噪声，提取高频分量从而增强成像分辨率，提供对比增强的扫描图像。通过涨落信号分析算法对数据的分析和处理，由此可以优化图像的对比度和精确度。常规磁共振成像、磁共振扩散加权成像、磁共振灌注成像、血氧水平依赖功能成像以及磁共振波谱分析都可以基于本发明的图像重建方法来获得对比增强的扫描图像。
[0129]
以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本申
请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。