一种核磁共振成像检测脂肪酸化学组分的方法及系统

本发明涉及医学影像计算机辅助诊断的，尤其涉及一种核磁共振成像检测脂肪酸化学组分的方法及系统。

背景技术：

1、脂肪组织作为一种被严重低估的新的内分泌器官，在内分泌、免疫系统和肿瘤的发生、发展中都扮演着重要角色。脂肪组织的主要成分是甘油三酯分子，根据不饱和双键的数量，这些分子可分为饱和脂肪酸(sfa)、单不饱和脂肪酸(mufa)和多不饱和脂肪酸(pufa)。人体内的脂肪酸是重要的能源物质，同时还参与细胞信号转导、调控免疫反应、维持内环境稳态等活动。因此，人体脂肪组织甘油三酯的脂肪酸化学成分(fac)及其变化对多种疾病的发生、发展产生影响。脂肪组织中甘油三酯的脂肪酸化学成分及其变化与多种疾病的发生和发展密切相关，例如：

2、动脉粥样硬化：不饱和脂肪酸特别是pufa，有助于降低低密度脂蛋白胆固醇(ldl-c)水平，从而减少动脉粥样硬化的风险。

3、急性冠脉综合征：脂肪酸组成的改变可能影响心血管疾病的风险。

4、心力衰竭：脂肪酸代谢紊乱可能会导致心脏功能受损。

5、糖尿病：脂肪酸代谢在胰岛素抵抗和糖尿病发生中起重要作用。

6、肿瘤：脂肪组织的代谢和分泌功能的改变可以影响肿瘤的微环境，促进或抑制肿瘤的生长。

7、目前国内外脂肪酸的检测方法，主要是针对食品(植物油脂、动物油脂、乳粉类)和生物样本等在体外的检测方法，使用最广的是采用传统的滴定法、比色法。比色法已经成为脂肪酸检测的主要方法，其灵敏度高，应用范围广及操作简单、操作技术易大面积推广应用都远超传统的滴定法。临床上主要通过采用液质联用(lc-ms)和生化法测量存在于血液中游离脂肪酸来间接分析与动脉粥样硬化、急性冠脉综合征、心力衰竭等疾病的发生发展的相关性。

8、目前临床上尚缺少在体、实时、准确、可重复的无创检测脂肪组织脂肪酸化学组分的方法。即使现在技术中目前已经存在了采用核磁共振氢谱检测不饱和脂肪酸的方法，但是该方法受场强的影响，目前临床用核磁共振机器上测量准确度尚需改善提高。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种核磁共振成像检测脂肪酸化学组分的方法及系统，针对现有的临床缺少在体、实时、准确、可重复的无创检测脂肪组织脂肪酸化学组分的方法的问题，本发明拟建立基于多回波梯度回波、化学位移编码的核磁共振成像检测脂肪酸化学组分的方法，实现在体、实时和无创检测人体各部位脂肪组织脂肪酸化学组分，用于评价脂肪组织在内分泌、免疫系统和肿瘤的发生、发展中的作用。

2、本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种核磁共振成像检测脂肪酸化学组分的方法，包括以下步骤：

4、s1：设置基于多回波梯度回波和化学位移编码的磁共振成像mri的序列参数，基于所述序列参数进行所述磁共振成像mri的扫描，获得不同回波时间te下的多组原始幅度图像和原始相位图像；

5、s2：分割所述原始幅度图像，形成双聚类分割掩膜，应用所述双聚类分割掩膜去除所述原始相位图像中背景信号，仅保留感兴趣的组织信号，对多回声的所述原始相位图像的零阶相位和一阶相位进行校正，将所述原始幅度图像和校正后的所述原始相位图像相结合，生成最终组织图像；

6、s3：对所述最终组织图像的信号的实部进行建模，将脂肪和水质子密度分离，计算出质子密度脂肪分数，对模型中的参数进行重复拟合，最终计算出包括饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸在内的脂肪酸化学组分的数值。

7、进一步地，在步骤s1中，所述序列参数包括：重复时间tr，所述回波时间te，视野fov，采集矩阵，层厚，层间距，采集时间和读出带宽；

8、其中，所述重复时间tr为进行所述磁共振成像mri的扫描两次射频脉冲之间的间隔，所述回波时间te为从所述射频脉冲发出到信号采集的时间间隔，一般所述回波时间te有多个，所述视野fov为获得的所述原始幅度图像覆盖的物理区域的大小，所述采集矩阵为所述原始幅度图像中像素的数量，通常表示为行和列的数量，所述层厚为定义每个切片的厚度，所述层间距为相邻切片之间的距离，所述采集时间为完成一次所述磁共振成像mri的扫描所需的总时间，所述读出带宽为在信号采集过程中每像素的频率范围；

9、在步骤s1中，所述原始幅度图像为从所述磁共振成像mri信号的振幅部分提取的图像信息，反应每个像素位置上的信号强度，所述原始相位图像为从所述磁共振成像mri信号的相位部分提取的图像信息，反应每个像素位置上信号的相位角度。

10、进一步地，在步骤s2中，分割所述原始幅度图像，形成所述双聚类分割掩膜，应用所述双聚类分割掩膜去除所述原始相位图像中背景信号，仅保留感兴趣的组织信号，具体为：

11、使用双聚类方法对所述原始幅度图像中的组织和背景进行分割，抑制所述背景，仅保留所述组织，形成所述双聚类分割掩膜，并将所述双聚类分割掩膜应用于所述原始相位图像以去除背景信号，仅保留感兴趣的组织信号；

12、其中，所述双聚类方法采用k均值聚类，选择k＝2,将所述原始幅度图像分割成两个簇，一个代表所述组织信号，一个代表所述背景信号，将背景簇抑制，仅保留组织信号簇，形成所述双聚类分割掩膜。

13、进一步地，在步骤s2中，对多回声的所述原始相位图像的零阶相位和一阶相位进行校正，将所述原始幅度图像和校正后的所述原始相位图像相结合，生成所述最终组织图像，具体为：

14、使用最小成本网络流程逐个回声解开多回声的所述原始相位图像，从解开的的所述原始相位图像中，逐像素提取所述零阶相位和所述一阶相位，此过程通过梯度回波gre序列模型与所述回波时间te相关的相噪比差异，使用加权线性最小二乘法拟合所述磁共振成像mri信号的相位

15、

16、其中，代表所述零阶相位，代表所述一阶相位，te为所述回波时间te；

17、对于所述磁共振成像mri的设备中的主磁场b0场的异质性δb0，通过使用推导出，利用计算出的校正多回声的所述原始相位图像的所述零阶相位和所述一阶相位，消除由主磁场b0场异质性引起的相位误差；

18、将所述原始幅度图像和校正后的所述原始相位图像相结合，生成所述最终组织图像，准确反应组织内部的结构和成分。

19、进一步地，在步骤s3中，对所述最终组织图像的信号的实部进行建模，将脂肪和水质子密度分离，计算出质子密度脂肪分数，对模型中的参数进行重复拟合，最终计算出包括饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸在内的脂肪酸化学组分的数值，具体为：

20、s31：使用一个三参数双指数模型整合九个脂肪共振体对所述最终组织图像的信号的实部sreal进行建模，将脂肪质子密度pdf和水质子密度pdw分离，在忽略纵向弛豫时间t1贡献并校正主磁场b0场异质性的稳态条件下，所述最终组织图像的信号的实部sreal关于所述回波时间te的方程式为：

21、

22、其中，sreal(te)表示随着所述回波时间te变化的实部信号,t2*是横向衰减，ck是系数，等于第k个所述脂肪共振体的信号与总脂肪信号的比值，fk对应于水和第k个脂肪共振峰之间的频移，i为虚数单位，用于表示信号的相位信息和频率成分；

23、根据所述最终组织图像的信号的实部的数据结合ck和fk的值，给定pdf、pdw、t2*的初始估计值的初始估计值，使用非线性优化算法调整模型参数，使拟合的信号值与实际测量值之间的误差最小，估计出pdf和pdw；

24、利用估计出的pdf和pdw，计算质子密度脂肪分数pdff，公式为：pdff＝[pdf/(pdf+pdw)]×100；

25、s32：将脂肪谱模型修改为根据质子数以及包括每个甘油三酯分子中脂肪酸链的不饱和双键数ndb、每个脂肪酸分子中间隔亚甲基的双键数nmidb和甘油三酯分子中脂肪酸链的平均碳链长度cl在内的指标进行表达，忽略纵向弛豫时间t1贡献并校正主磁场b0场异质性的稳态条件下，所述最终组织图像的信号的实部sreal关于所述回波时间te的方程式表达如下：

26、

27、其中，w和f分别表示水和甘油三酯分子的数量，nk(ndb,cl,nmidb)表示脂肪谱成分k的质子数，fk表示水和第k个脂肪谱成分之间的频移，nwater表示水分子中的质子数，t2*表示横向衰减，i为虚数单位，用于表示信号的相位信息和频率成分；

28、cl和nmidb被表示为ndb的函数，分别为cl＝16.8+0.25×ndb和nmidb＝0.093×ndb2)；

29、s33：重复进行拟合过程以拟合参数w、f和nmidb，ndb和nmidb的值根据以下方程组转换为饱和脂肪酸fsfa、单不饱和脂肪酸fmufa和多不饱和脂肪酸fpufa在内的脂肪酸化学组分的数值，具体为：

30、

31、其中三不饱和脂肪酸的比例ftriufa用2％的固定值近似表示。

32、在步骤s1中设置不同的所述回波时间te的回波间隔和回波数量，分别采用步骤s1-s3的核磁共振成像检测脂肪酸化学组分的方法计算不同的所述回波间隔和所述回波数量下的包括所述饱和脂肪酸、所述单不饱和脂肪酸和所述多不饱和脂肪酸在内的脂肪酸化学组分的数值；

33、针对不同的所述回波间隔和所述回波数量计算出的脂肪酸化学组分的数值，采用平均绝对误差mae评估所述回波间隔和所述回波数量对脂肪酸化学组分fac计算精度的影响，公式为：

34、

35、其中，yi表示参考值，表示计算出的测量数值。

36、将采用步骤s1-s3的核磁共振成像检测脂肪酸化学组分的方法计算出的包括所述饱和脂肪酸、所述单不饱和脂肪酸和所述多不饱和脂肪酸在内的脂肪酸化学组分的测量数值与参考值进行线性相关性分析比较，评估所述磁共振成像mri的定量分析mr-fac定量的准确性；

37、使用皮尔逊线性相关系数r及其95％置信区间来检验线性度，并进行包括截距、斜率和相应的95％置信范围在内的线性回归分析；

38、此外，还计算了检验测量数值与参考值之间不存在线性关系这一无效假设的p值，显著性水平p<0.05被认为具有统计学意义。

39、评价一致性：

40、由两名测量者分别进行测量以获得基于所述多回波梯度回波和所述化学位移编码的所述磁共振成像mri的cse-mri序列的两组测量值m1和m2进行icc一致性分析；

41、icc一致性分析的评价标准为：icc＜0.4为相关性差，icc在0.40～0.59为相关性中等，icc在0.60～0.74为相关性良好，icc＞0.74为相关性优；

42、评价可重复性：

43、由一名测量者分别进行前后两次测量以获得基于所述多回波梯度回波和所述化学位移编码的所述磁共振成像mri的cse-mri序列的前后2次的两组测量值scan1和scan2进行统计学bland-altman分析；

44、所述bland-altman分析的评价标准为两次差值至少95％位于一致性界限内，即图形中95％以上的点位于一致性界限内。

45、一种采用如上述的核磁共振成像检测脂肪酸化学组分的方法的核磁共振成像检测脂肪酸化学组分的系统，包括：

46、原始图像获取模块，用于设置基于多回波梯度回波和化学位移编码的磁共振成像mri的序列参数，基于所述序列参数进行所述磁共振成像mri的扫描，获得不同回波时间te下的多组原始幅度图像和原始相位图像；

47、组织图像生成模块，用于分割所述原始幅度图像，形成双聚类分割掩膜，应用所述双聚类分割掩膜去除所述原始相位图像中背景信号，仅保留感兴趣的组织信号，对多回声的所述原始相位图像的零阶相位和一阶相位进行校正，将所述原始幅度图像和校正后的所述原始相位图像相结合，生成最终组织图像；

48、化学组分计算模块，用于对所述最终组织图像的信号的实部进行建模，将脂肪和水质子密度分离，计算出质子密度脂肪分数，对模型中的参数进行重复拟合，最终计算出包括饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸在内的脂肪酸化学组分的数值。

49、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机代码，当所述计算机代码被执行时，如上述的方法被执行。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

51、通过提供一种核磁共振成像检测脂肪酸化学组分的方法，包括：s1：设置基于多回波梯度回波和化学位移编码的磁共振成像mri的序列参数，基于所述序列参数进行所述磁共振成像mri的扫描，获得不同回波时间te下的多组原始幅度图像和原始相位图像。s2：分割所述原始幅度图像，形成双聚类分割掩膜，应用所述双聚类分割掩膜去除所述原始相位图像中背景信号，仅保留感兴趣的组织信号，对多回声的所述原始相位图像的零阶相位和一阶相位进行校正，将所述原始幅度图像和校正后的所述原始相位图像相结合，生成最终组织图像。s3：对所述最终组织图像的信号的实部进行建模，将脂肪和水质子密度分离，计算出质子密度脂肪分数，对模型中的参数进行重复拟合，最终计算出包括饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸在内的脂肪酸化学组分的数值。上述技术方案，实现了在体、实时和无创检测人体各部位脂肪组织脂肪酸化学组分的功能，能够用于评价脂肪组织在内分泌、免疫系统和肿瘤的发生、发展中的作用。