一种脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法技术

一种脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法,通过5个步骤得到质子密度脂肪分数PDFF和有效横向弛豫率参数该脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法产生的有益效果有：对不同脂肪分数的脂肪肝组织三维仿真模型，通过仿真即可得到与脂肪分数对应的PDFF和预测值，从而能够建立脂肪分数和参数两者间校正关系。同时可通过调整脂肪肝组织三维仿真模型中的诸多参数(磁场强度等)，便可在不同场景下校正脂肪对参数的影响。该脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法通过脂肪分数与参数的相关关系，能够提高肝脏铁和肝脏脂肪量化精度。铁和肝脏脂肪量化精度。铁和肝脏脂肪量化精度。

【技术实现步骤摘要】
一种脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法


[0001]本专利技术涉及磁共振信号仿真模型构建
，特别涉及一种脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法。

技术介绍

[0002]脂肪肝是甘油三脂在肝细胞内的异常堆积，是最常见的慢性肝病，影响着世界上约25％的人口。作为非酒精性脂肪性肝病的标志特征，主要由肥胖和胰岛素抵抗所引起的肝脏脂质代谢紊乱造成，会逐渐发展成肝纤维化、肝硬化和肝细胞癌。非酒精性脂肪性肝病也与全身铁调控有关，在患者体内经常能观察到铁调控的紊乱，约有三分之一患者伴有铁过载综合征。铁过载不仅可以通过氧化过激反应加重以炎症反应和肝细胞坏死为特点的脂肪性肝炎的严重程度，使非酒精性脂肪性肝病加速转变为非酒精性脂肪性肝炎，而且还会通过抑制极低密度脂蛋白的分泌促使肝细胞脂肪变性。
[0003]近些年发展起来的化学位移编码磁共振成像技术可以同时测得质子密度脂肪分数(Proton Density Fat Fraction，PDFF)和有效横向弛豫率参数分别用于反映甘油三酯浓度和铁浓度。临床研究表明，肝脏脂肪变性与参数之间也存在一定的相关性，但相关关系没有得到数学表征，且两者之间的生物物理机制尚不明确。准确校正对肝脏铁沉积和脂肪沉积量化是十分重要的，一方面，对高脂肪变性轻度铁过载患者而言，参数过高估计会导致假阳性的诊断结果；另一方面，在铁沉积严重时，会影响脂肪量化结果的准确性。理解肝脏脂肪对磁共振参数的影响有助于更准确的对肝脏铁沉积和脂肪沉积量化，这将对同时患有脂肪肝和铁过载患者的诊断、分期和治疗有着重要的意义。通过大量的临床实验校正脂肪分数和参数的相关关系固然可以，但受磁场强度、厂商设备、扫描方案等因素的影响，该过程必将耗费大量的人力物力。
[0004]因此，针对现有技术不足，提供一种脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法以解决现有技术不足甚为必要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法。该脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法通过脂肪分数与参数的相关关系，能够提高肝脏铁和肝脏脂肪量化精度。
[0006]本专利技术的上述目的通过以下技术措施实现：
[0007]提供一种脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法,包括步骤有：
[0008]步骤(1)、根据肝脏活检样本和脂肪滴三维形态学分布构建具有不同脂肪分数的脂肪肝组织三维仿真模型，然后设定脂肪肝组织三维仿真模型的模型参数，进入步骤(2)；
[0009]步骤(2)、仿真主磁场作用于脂肪肝组织三维仿真模型，生成不均匀磁场，进入步
骤(3)；
[0010]步骤(3)、将仿真质子放入脂肪肝组织三维仿真模型中，对每个仿真质子的相位累积，进入步骤(4)；
[0011]步骤(4)、将脂肪肝组织三维仿真模型的所有仿真质子的水信号和脂肪信号进行合成，然后叠加得到磁共振信号；
[0012]步骤(5)、对步骤(4)得到的磁共振信号分析及计算得到质子密度脂肪分数PDFF和有效横向弛豫率参数
[0013]优选的，上述步骤(2)具体是在仿真主磁场作用下，所述脂肪肝组织三维仿真模型的仿真脂肪滴生成偶极场，将所有的仿真脂肪滴的偶极场叠加，得到不均匀磁场。
[0014]每个仿真脂肪滴在脂肪肝组织三维仿真模型内不同位置的偶极场由式(Ⅰ)得到：
[0015][0016]其中，ΔB为不均匀磁场，B0为仿真主磁场的强度，χ
L
为脂肪磁敏感系数，R为仿真脂肪滴的半径，r为脂肪肝组织三维仿真模型内观测点到仿真脂肪滴质心的距离，θ为仿真脂肪滴的质心与观测点连线与仿真主磁场方向的夹角。
[0017]在步骤(3)中，所述仿真质子在脂肪肝组织三维仿真模型的初始位置由计算机软件随机生成。
[0018]优选的，上述仿真质子在脂肪肝组织三维仿真模型的运动为各向同性的高斯扩散，平均绝对位移为其中D为仿真质子扩散系数，δ为仿真质子运动时间间隔。
[0019]将初始位置在仿真脂肪滴外部的仿真质子定义为水中仿真质子，所述水中仿真质子扩散系数D设置为аμm2/ms，且0.1μm2/ms＜а≤2μm2/ms。
[0020]将初始位置在仿真脂肪滴内部的仿真质子定义为仿真脂肪滴中仿真质子，所述仿真脂肪滴中仿真质子为扩散系数D设置为0μm2/ms。
[0021]所述水中仿真质子在脂肪肝组织三维仿真模型内运动时，如果所述水中仿真质子接触到脂肪肝组织三维仿真模型的边界，按照对称原理使所述水中仿真质子从脂肪肝组织三维仿真模型的另一侧边界对称点射入脂肪肝组织三维仿真模型的内部。
[0022]如果所述水中仿真质子穿透仿真脂肪滴，将所述水中仿真质子移动至仿真脂肪滴表面与所述水中仿真质子的运动路径相交的点。
[0023]在步骤(3)中，每个仿真质子在t时刻的相位累积由式(Ⅱ)计算得到，
[0024][0025]其中，γ为磁旋比常数2.675
×
108rad
·
s
‑1·
T
‑1，i为仿真质子的步数，p(i)为仿真质子在第i步时的位置坐标，t为仿真质子运动的时间。
[0026]优选的，上述步骤(4)具体为将脂肪肝组织三维仿真模型中，所有所述水中仿真质子的水信号和所述仿真脂肪滴中仿真质子的脂肪信号进行叠加，得到磁共振信号。
[0027]优选的，上述水中仿真质子的水信号S
w
由式(III)得到，所述仿真脂肪滴中仿真质
子的脂肪信号S
f
由式(IV)得到；
[0028][0029][0030]其中，S(0)为初始信号值，R20为肝脏横向弛豫率的经验值，P为脂肪光谱波峰的个数，α
p
为脂肪信号的相对幅值，f
F，p
为脂肪信号相对于水的光谱波峰的多个光谱波峰的频率，p为光谱波峰的序号。
[0031]优选的，上述磁共振信号由式(V)得到；
[0032]S(t)＝S
w
(t)+S
f
(t)
ꢀꢀ
式(V)。
[0033]本专利技术的脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法，采用自旋回波序列，给定仿真主磁场的强度B0，设定不同的回波时间，得到不同回波时间的磁共振信号。
[0034]优选的，上述步骤(5)包括有：
[0035]步骤5.1、对步骤(4)得到的磁共振信号S(t)，使用化学位移编码成像信号模型进行曲线拟合，得到ρ
w
，ρ
f
和参数的预测值，其中化学位移编码成像信号模型由式(VI)表示；
[0036][0037]其中，ρ
w
为水信号的幅值，ρ
f
为脂肪信号的幅值，φ0为初始相位，f
B
为由磁场不均匀引起的频率偏移；
[0038]步骤5.2、根据步骤5.1得到的ρ
w
，ρ
f
和式(VII)得到PDFF，
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法,其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)、根据肝脏活检样本和脂肪滴三维形态学分布构建具有不同脂肪分数的脂肪肝组织三维仿真模型，然后设定脂肪肝组织三维仿真模型的模型参数，进入步骤(2)；步骤(2)、仿真主磁场作用于脂肪肝组织三维仿真模型，生成不均匀磁场，进入步骤(3)；步骤(3)、将仿真质子放入脂肪肝组织三维仿真模型中，对每个仿真质子的相位累积，进入步骤(4)；步骤(4)、将脂肪肝组织三维仿真模型的所有仿真质子的水信号和脂肪信号进行合成，然后叠加得到磁共振信号；步骤(5)、对步骤(4)得到的磁共振信号分析及计算得到质子密度脂肪分数PDFF和有效横向弛豫率参数2.根据权利要求1所述的脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法,其特征在于：所述步骤(2)具体是在仿真主磁场作用下，所述脂肪肝组织三维仿真模型的仿真脂肪滴生成偶极场，将所有的仿真脂肪滴的偶极场叠加，得到不均匀磁场。3.根据权利要求2所述的脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法,其特征在于：每个仿真脂肪滴在脂肪肝组织三维仿真模型内不同位置的偶极场由式(Ⅰ)得到：其中，ΔB为不均匀磁场，B0为仿真主磁场的强度，χ
L
为脂肪磁敏感系数，R为仿真脂肪滴的半径，r为脂肪肝组织三维仿真模型内观测点到仿真脂肪滴质心的距离，θ为仿真脂肪滴的质心与观测点之间的连线与仿真主磁场方向的夹角。4.根据权利要求3所述的脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法,其特征在于：在所述步骤(3)中，仿真质子在脂肪肝组织三维仿真模型的初始位置由计算机软件随机生成；所述仿真质子在脂肪肝组织三维仿真模型的运动为各向同性的高斯扩散，平均绝对位移为其中D为仿真质子扩散系数，δ为仿真质子运动时间间隔。5.根据权利要求4所述的脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法,其特征在于：将初始位置在仿真脂肪滴外部的仿真质子定义为水中仿真质子，所述水中仿真质子扩散系数D设置为аμm2/ms，且0.1μm2/ms＜а≤2μm2/ms；将初始位置在仿真脂肪滴内部的仿真质子定义为仿真脂肪滴中仿真质子，所述仿真脂肪滴中仿真质子为扩散系数D设置为0μm2/ms；所述水中仿真质子在脂肪肝组织三维仿真模型内运动时，如果所述水中仿真质子接触到脂肪肝组织三维仿真模型的边界，按照对称原理使所述水中仿真质子从脂肪肝组织三维仿真模型的另一侧边界对称点射入脂肪肝组织三维仿真模型的内部；如果所述水中仿真质子穿透仿真脂肪滴，将所述水中仿真质子移动至仿真脂肪滴表面与所述水中仿真质子的运动路径相交的点。6.根据权利要求5所述的脂肪肝组织的磁共振信号仿真方法,其特征在于：在所述步骤(3)中，每个仿真质子在t时刻的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：王常青，李小犇，王金洋，马梦园，范状状，
申请(专利权)人：安徽医科大学，
类型：发明
国别省市：