基于生物传热模型的磁共振温度成像方法及系统
阅读说明：本技术 基于生物传热模型的磁共振温度成像方法及系统 (Magnetic resonance temperature imaging method and system based on biological heat transfer model ) 是由 应葵 唐文丁 于 2020-11-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于生物传热模型的磁共振温度成像方法及系统,该方法包括以下步骤：S101,在hybrid算法中引入生物传热模型,修改正则约束项；S102,在温度分布计算过程中利用磁共振温度成像模型对生物传热模型的参数进行优化处理与实时更新；S103,利用Kalman滤波器将生物传热模型与磁共振温度成像模型进行结合,迭代更新图像。根据本发明的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法,一方面能够保留hybrid算法对于运动以及温漂的抑制能力；另一方面还能够大大提升温度变化较小区域的重建误差,增加hybrid算法的适用性,提升预测的准确度。(The invention discloses a magnetic resonance temperature imaging method and a system based on a biological heat transfer model, wherein the method comprises the following steps: s101, introducing a biological heat transfer model into a hybrid algorithm, and modifying a regular constraint term; s102, optimizing and updating parameters of the biological heat transfer model in real time by using a magnetic resonance temperature imaging model in the temperature distribution calculation process; and S103, combining the biological heat transfer model with the magnetic resonance temperature imaging model by using a Kalman filter, and iteratively updating the image. According to the magnetic resonance temperature imaging method based on the biological heat transfer model, on one hand, the inhibition capability of the hybrid algorithm on motion and temperature drift can be reserved; on the other hand, the reconstruction error of a region with small temperature change can be greatly improved, the applicability of the hybrid algorithm is improved, and the prediction accuracy is improved.)
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，尤其是涉及一种基于生物传热模型的磁共振温度成像方法及系统。
背景技术
热疗技术作为一种微创甚至无创的新型肿瘤治疗手段，具有死亡率低、复发率低、术后恢复迅速等优点，肿瘤热疗的核心目的为在对肿瘤细胞进行灭活的同时，保障健康组织细胞的安全性。为了实现这一目的，肿瘤热疗过程中需要密切关注被加热区域及周边正常组织的温度变化情况，从而根据不同组织的热耐受度评估手术进度，进行合理手术规划。
磁共振温度成像技术(magnetic resonance temperature imaging,MRTI)由于能够对含水组织进行近实时、全局、无损的温度成像等有点，而且磁共振成像具有高的软组织对比度和成像分辨率，这一技术同时结合了测温及影响引导技术，因而在肿瘤热疗中具有最广泛的运用前景。
在临床治疗的磁共振温度监控过程中，传统的磁共振成像序列需要较长的数据获取时间，在采集过程中温度是变化的，而重建的温度分布仅仅是采集过程中实际温度的拟合值，即时间平均效应，这会大大地降低该技术在临床中的运用前景。为了提升数据获取速度与时间分辨率，磁共振快速成像序列成为了一种选择，但是较高的时间分辨率与成像速度会导致空间分辨率的下降，扫描获得的图像质量较差，信噪比较低，为了解决这一问题，引入了生物传热模型进行辅助。
生物传热(Bio-Heat Transfer,BHT)模型能够利用组织的初始条件、边界条件和热物理学参数，在已知外界热源输入的情况下，对生物组织的温度场变化情况进行模拟，从而预测未来某一时刻组织的温度分布。但是当硬件设施和选用序列一定时，时间分辨率、空间分辨率和图像质量三者在成像过程中不可兼得。因此，上述技术存在改进空间。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，该基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，一方面能够保留hybrid算法对于运动以及温漂的抑制能力；另一方面还能够大大提升温度变化较小区域的重建误差，增加hybrid算法的适用性，提升预测的准确度。
本发明第二个目的提出了一种采用上述基于生物传热模型的磁共振温度成像方法的系统。
本发明第三个目的提出了一种非临时性可读存储介质。
根据本发明实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，包括以下步骤：
S101，在hybrid算法中引入生物传热模型，修改正则约束项；
S102，在温度分布计算过程中利用磁共振温度成像模型对生物传热模型的参数进行优化处理与实时更新；
S103，利用Kalman滤波器将生物传热模型与磁共振温度成像模型进行结合，迭代更新图像。
根据本发明的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，一方面能够保留hybrid算法对于运动以及温漂的抑制能力；另一方面还能够大大提升温度变化较小区域的重建误差，增加hybrid算法的适用性，提升预测的准确度。
根据本发明一个实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，在步骤S101中，修改正则约束项的过程包括：
S201，对病灶组织加热过程进行生物传热仿真模拟，得到测温时刻的模拟温度场；
S202，通过磁共振中温度与PRF之间的强线性关系预测对应的相位变化量；
S203，利用相位变化量对hybrid算法中的正则约束项进行修正，使相位场变化量的范数约束修改为相位场的测量值与预测值之差的范数约束。
根据本发明一个实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，对磁共振温度成像模型的参数采用拟牛顿法，通过求解Jacobbi矩阵实现对生物传热模型中参数的优化处理。
根据本发明一个实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，步骤S102包括：
S301，根据生物传热模型初始参数确定判据条件和阈值；
S302，根据判据条件，计算终止条件值和磁共振测得到温度分布值是否吻合，满足，终止运算，不满足，进入S303；
S303，根据当前生物传热模型的参数值计算出此时的温度分布值，此时的温度分布值和磁共振测得到温度分布值作差，通过差分法计算Jacobbi矩阵；
S304，根据Jacobbi矩阵，利用拟牛顿法更新参数向量，跳转至S302，通过若干次迭代，收敛得到准确参数值。
根据本发明一个实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，步骤S103包括：
S401，用加热探针对病灶组织进行温度变化检测，筛选出温度大于阈值的部分作为监控区域；
S402，使用Kalman滤波器对监控区域进行滤波处理；
S403，将Kalman滤波器对监控区域的滤波过程放置在GPU上进行运算处理。
根据本发明的第二方面的基于生物传热模型的磁共振温度成像系统，采用如第一方面任一种所述的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，包括：
第一模块，用于执行在hybrid算法中引入生物传热模型、修改正则约束项；
第二模块，用于执行在温度分布计算过程中利用磁共振温度成像模型对生物传热模型的参数进行优化处理与实时更新；
第三模块，用于执行利用Kalman滤波器将生物传热模型与磁共振温度成像模型进行结合，迭代更新图像。
进一步地，第一模块包括：
第一模块A部，用于对病灶组织加热过程进行生物传热仿真模拟，得到测温时刻的模拟温度场；
第一模块B部，用于通过磁共振中温度与PRF之间的强线性关系预测对应的相位变化量；
第一模块C部，用于利用相位变化量对hybrid算法中的正则约束项进行修正，使相位场变化量的范数约束修改为相位场的测量值与预测值之差的范数约束。
进一步地，第二模块包括：
第二模块A部，用于根据生物传热模型初始参数确定判据条件和阈值；
第二模块B部，用于根据判据条件，计算终止条件值和磁共振测得到温度分布值是否吻合；
第二模块C部，用于根据当前生物传热模型的参数值计算出此时的温度分布值；
第二模块D部，用于根据Jacobbi矩阵，利用拟牛顿法更新参数向量。
综上，根据本发明第二方面的基于生物传热模型的磁共振温度成像系统，一方面能够保留hybrid算法对于运动以及温漂的抑制能力；另一方面还能够大大提升温度变化较小区域的重建误差，增加hybrid算法的适用性，提升预测的准确度。
根据本发明的第三方面的非临时性可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面任一种所述的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法。所述非临时性可读存储介质与上述的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法的示意图；
图2是根据本发明实施例的修改正则约束项的过程示意图；
图3是根据本发明实施例的磁共振温度成像模型对生物传热模型的参数进行优化处理的示意图；
图4是根据本发明实施例的利用Kalman滤波器将生物传热模型与磁共振温度成像模型进行结合并迭代更新图像的示意图；
图5是根据本发明实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像系统的结构示意图；
图6是根据本发明实施例的第一模块的结构示意图；
图7是根据本发明实施例的第二模块的结构示意图；
图8是根据本发明实施例的多次迭代后的更新参数向量的结果示意图。
附图标记：
10-基于生物传热模型的磁共振温度成像系统，1-第一模块，11-第一模块A部，12-第一模块B部，13-第一模块C部，2-第二模块，21-第二模块A部，22-第二模块B部，23-第二模块C部，24-第二模块D部，3-第三模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面参考图1-图8描述根据本发明实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法。如图1所示，根据本发明实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，包括以下步骤：
S101，在hybrid(混合)算法中引入生物传热模型，修改正则约束项；进一步地，采用hybrid(混合)算法不仅能够有效抑制成像过程中的运动伪影问题，还能够解决主磁场随时间的变化带来的磁场漂移积累问题。在现有技术中，hybrid(混合)算法受温度的影响很大，即，hybrid(混合)算法在重建的温度分布中，如某区域温度升高值较小，则该区域的温度升高值会被抑制，从而导致对取值的误判，而在本发明中，hybrid(混合)算法通过引入生物传热模型，可以有效地修改正则约束项，从而提升，hybrid(混合)算法取值的准确性。
S102，在温度分布计算过程中利用磁共振温度成像模型对生物传热模型的参数进行优化处理与实时更新；
S103，利用Kalman滤波器将生物传热模型与磁共振温度成像模型进行结合，迭代更新图像。进一步地，在临床温度监控中往往同时需要较高的时间分辨率以及空间分辨率，本发明通过引入Kalman滤波器，利用生物传热模型模型对磁共振测量得到的温度图进行滤波，最后重建出信噪比和测温精度更高的温度图。
根据本发明的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，一方面能够保留hybrid算法对于运动以及温漂的抑制能力；另一方面还能够大大提升温度变化较小区域的重建误差，增加hybrid算法的适用性，提升预测的准确度。
根据本发明一个实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，如图2所示，在步骤S101中，修改正则约束项的过程包括：
S201，对病灶组织加热过程进行生物传热仿真模拟，得到测温时刻的模拟温度场；
S202，通过磁共振中温度与PRF(pulse repetition frequency脉冲重复频率)之间的强线性关系预测对应的相位变化量；
S203，利用相位变化量对hybrid算法中的正则约束项进行修正，使相位场变化量的范数约束修改为相位场的测量值与预测值之差的范数约束。
进一步地，在现有技术中，在非加热区域，生物传热模型模拟的温度为0，此时hybrid目标方程保持不变，hybrid(混合)算法判断是准确的。但是当在加热温度上升较少的区域，当hybrid(混合)算法误判该区域的温度为0时，这样就会导致实际测量的温度值发生偏差。在本发明中，通过生物传热模型的修正，可以使得hybrid(混合)算法对加热温度上升较少的区域作出正确的温度判断，从而使得实际的测量温度值更加准确，有利于降低误差率。
根据本发明一个实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，对磁共振温度成像模型的参数采用拟牛顿法，并通过求解Jacobbi矩阵实现对生物传热模型中参数的优化处理。这样有利于提升预测的准确度。
根据本发明一个实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，如图3所示，步骤S102包括：
S301，根据生物传热模型初始参数确定判据条件和阈值；
S302，根据判据条件，计算终止条件值和磁共振测得到温度分布值是否吻合，满足，终止运算，不满足，进入S303；
S303，根据当前生物传热模型的参数值计算出此时的温度分布值，此时的温度分布值和磁共振测得到温度分布值作差，通过差分法计算Jacobbi矩阵；
S304，根据Jacobbi矩阵，利用拟牛顿法更新参数向量，跳转至S302，通过若干次迭代，收敛得到准确参数值。例如，在一个具体的实施例中，如图8所示，通过三到四次的迭代即可收敛到准确参数值。需要说明的是，PVC即聚氯乙烯(Polyvinyl chloride)。
根据本发明一个实施例的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，如图4所示，步骤S103包括：
S401，用加热探针对病灶组织进行温度变化检测，筛选出温度大于阈值的部分作为监控区域；
S402，使用Kalman滤波器对监控区域进行滤波处理；
S403，将Kalman滤波器对监控区域的滤波过程放置在GPU(Graphics ProcessingUnit图形处理器)上进行运算处理。例如，在一个具体的实施例中，滤波过程通过放置在GPU上进行运算处理，成像时长可降低到每一帧需要五秒的时间，从而有利于满足临床手术需求。
综上所述，根据本发明的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，一方面能够保留hybrid算法对于运动以及温漂的抑制能力；另一方面还能够大大提升温度变化较小区域的重建误差，增加hybrid算法的适用性，提升预测的准确度。
根据本发明的第二方面的基于生物传热模型的磁共振温度成像系统10，采用如第一方面任一种的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，如图5所示，包括：
第一模块1，用于执行在hybrid算法中引入生物传热模型、修改正则约束项；
第二模块2，用于执行在温度分布计算过程中利用磁共振温度成像模型对生物传热模型的参数进行优化处理与实时更新；
第三模块3，用于执行利用Kalman滤波器将生物传热模型与磁共振温度成像模型进行结合，迭代更新图像。
进一步地，如图6所示，第一模块1包括：
第一模块A部11，用于对病灶组织加热过程进行生物传热仿真模拟，得到测温时刻的模拟温度场；
第一模块B部12，用于通过磁共振中温度与PRF之间的强线性关系预测对应的相位变化量；
第一模块C部13，用于利用相位变化量对hybrid算法中的正则约束项进行修正，使相位场变化量的范数约束修改为相位场的测量值与预测值之差的范数约束。
进一步地，如图7所示，第二模块2包括：
第二模块A部21，用于根据生物传热模型初始参数确定判据条件和阈值；
第二模块B部22，用于根据判据条件，计算终止条件值和磁共振测得到温度分布值是否吻合；
第二模块C部23，用于根据当前生物传热模型的参数值计算出此时的温度分布值；
第二模块D部24，用于根据Jacobbi矩阵，利用拟牛顿法更新参数向量。
综上，根据本发明第二方面的基于生物传热模型的磁共振温度成像系统10，根据本发明的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，一方面能够保留hybrid算法对于运动以及温漂的抑制能力；另一方面还能够大大提升温度变化较小区域的重建误差，增加hybrid算法的适用性，提升预测的准确度。
本发明第三方面还提供了一种非临时性可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面的基于生物传热模型的磁共振温度成像方法，从而具有抑制运动以及温漂的能力强、误差率更低和预测的准确度高等优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
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