一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像及图像处理领域技术领域，尤其涉及一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析方法。

背景技术

磁共振成像技术因其高的软组织分辨率和无辐射的特点在临床上应用广泛，定量磁共振成像能对一些生理参数进行定量测定，可以进行疗效的评估、疾病诊断的分级等。此外磁共振成像技术还可以与各种治疗技术相结合形成如磁共振术中导航系统、磁共振引导的放射治疗系统等设备或装置，提高临床诊疗效果。

现有的研究表明，具有磁共振成像功能的钆和铁基纳米粒子的造影剂可以显著增强放疗的效果，并在临床上得到验证与应用，可在磁共振引导放疗中实现诊疗一体化的功效。科学研究显示钆和铁基纳米粒子对放疗的增强效应呈浓度依赖性，同时它们的浓度对成像质量有显著的影响，因此，需要明确体内磁共振纳米造影剂在组织中的分布与代谢情况，对它们在体内的浓度进行实时监测，从而为临床磁共振引导放疗提供指导。

现有定量磁共振成像技术是多参量的磁共振指纹成像，通常需要使用3.0T以上的磁共振成像仪，通过如磷、氟等特殊元素或特殊序列测量来区分获得组织中某一成份。而目前临床用的磁共振引导放疗系统的主磁场是1.5T以下，难以实现组织中某一成份的定量磁共振成像。

发明内容

为了解决上述提出的至少一个技术问题，本发明提供一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析方法，以解决磁共振医疗实验所需要的一种可靠的无创体内磁共振造影剂浓度评价手段这一技术问题。

一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析方法，包括：

获得不同浓度的磁共振造影剂溶液在实验体外的第一磁共振影像；

根据所述第一磁共振影像，得到实验体外的磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值关系的磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线；

获取实验体内的磁共振影像的灰度值变化曲线，结合所述磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度。

优选地，获得不同浓度的磁共振造影剂溶液在实验体外的第一磁共振影像，包括：

将不同浓度的磁共振造影剂溶液置于实验体外环境；

对所述实验体外环境进行磁共振T1加权成像以及T2加权成像，得到第一磁共振影像；

所述第一磁共振影像包括T1加权影像和T2加权影像。

优选地，所述根据所述第一磁共振影像，得到实验体外的磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值关系的磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，包括：

根据所述第一磁共振图像，得到横向弛豫率曲线；

根据横向弛豫率曲线以及横向弛豫率与磁共振造影剂溶液浓度的线性关系，得到横向弛豫率与造影剂溶液浓度关系的横向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线；

根据所述横向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第一磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线。

优选地，所述根据所述第一磁共振影像，得到实验体外的磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值关系的磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，包括

根据所述第一磁共振图像，得到纵向弛豫率曲线；

根据纵向弛豫率曲线以及纵向弛豫率与磁共振造影剂溶液浓度的非线性关系，得到纵向弛豫率与造影剂溶液浓度关系的纵向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线；

根据所述纵向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第二磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线。

优选地，根据所述横向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第一磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，包括：

根据能斯特方程，建立体外磁共振影像灰度值与质子密度、翻转角、纵向弛豫率、横向弛豫率、重复时间、回波时间的数字关系；

设翻转角为90°，根据第一T2加权影像，忽略纵向弛豫率，对所述数字关系取对数，得到T2数据相对关系；

横向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线和T2数据相对关系相结合，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第一磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线。

优选地，根据所述纵向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第二磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，包括：

根据能斯特方程，建立体外磁共振影像灰度值与质子密度、翻转角、纵向弛豫率、横向弛豫率、重复时间、回波时间的数字关系；

设翻转角为90°，根据T1加权影像，忽略横向弛豫率，对所述数字关系取对数，得到T1数据相对关系；

纵向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线和T1数据相对关系相结合，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第二磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线。

优选地，所述获取实验体内的磁共振影像的灰度值变化曲线，结合所述磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度，包括：

对体内被注射磁共振造影剂溶液的实验体进行磁共振T2加权成像，得到T2加权影像；

根据所述T2加权影像，得到实验体内的第一灰度值变化曲线；

将所述实验体内的第一灰度值变化曲线与所述第一磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线进行比对，得到第一修正因子；

根据第一修正因子，计算得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度。

优选地，所述获取实验体内的磁共振影像的灰度值变化曲线，结合所述磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度，包括：

对体内被注射磁共振造影剂溶液的实验体进行磁共振T1加权成像，得到T1加权影像；

根据所述T1加权影像，得到实验体内的第二灰度值变化曲线；

将所述实验体内的第二灰度值变化曲线与所述第二磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线进行比对，得到第二修正因子；

根据第二修正因子，计算得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度。

一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析系统，包括：

成像模块，用于获得不同浓度的磁共振造影剂溶液在实验体外的第一磁共振影像；

数据处理模块，用于根据所述第一磁共振影像，得到实验体外的磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值关系的磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线；

实验体应用模块，用于获取实验体内的磁共振影像的灰度值变化曲线，结合所述磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度。

一种电子设备，包括：

处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序代码，所述计算机程序代码包括计算机指令，当所述处理器执行所述计算机指令时，所述电子设备执行一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析方法。

本发明使用一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析方法，获得不同浓度的磁共振造影剂溶液在实验体外的第一磁共振影像，根据所述第一磁共振影像，得到实验体外的磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值关系的磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，获取实验体内的磁共振影像的灰度值变化曲线，结合所述磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度。本方法能够跟踪体内磁共振造影剂浓度的变化，提供可靠的无创体内磁共振造影剂浓度评价手段，同时可以通过获取不同时间磁共振造影剂的浓度，优化磁共振引导放疗中粒子照射的最佳时间段，为磁共振引导放疗及离子治疗提供支撑。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本发明公开的技术方案。

图1为本发明实施例提供的一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析方法流程图；

图2为本发明实施例提供的用于磁共振成像的动物样品支撑板；

图3为本发明实施例提供的不同浓度钆基纳米造影剂溶液的磁共振T1加权影像和T2加权影像；

图4为本发明实施例提供的不同钆基纳米造影剂溶液的纵向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线和横向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线；

图5为本发明实施例提供的第一磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线；

图6为本发明实施例提供的注射造影剂后不同时间点小鼠T1加权磁共振成像图；

图7为本发明实施例提供的注射造影剂后不同时间点小鼠T2加权磁共振成像图；

图8为本发明实施例提供的小鼠肾皮质中钆纳米造影剂的浓度随时间变化图；

图9为本发明实施例提供的小鼠肾髓质中钆纳米造影剂的浓度随时间变化图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样能够实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

现有的研究表明，具有磁共振成像功能的钆和铁基纳米粒子的造影剂可以显著增强放疗的效果，并在临床上得到验证与应用，可在磁共振引导放疗中实现诊疗一体化的功效。科学研究显示钆和铁基纳米粒子对放疗的增强效应呈浓度依赖性，同时它们的浓度对成像质量有显著的影响，因此，需要明确体内磁共振纳米造影剂在组织中的分布与代谢情况，对它们在体内的浓度进行实时监测，从而为临床磁共振引导放疗提供指导。

现有定量磁共振成像技术是多参量的磁共振指纹成像，通常需要使用3.0T以上的磁共振成像仪，通过如磷、氟等特殊元素或特殊序列测量来区分获得组织中某一成份。而目前临床用的磁共振引导放疗系统的主磁场是1.5T以下，难以实现组织中某一成份的定量磁共振成像。

本方法能够跟踪体内磁共振造影剂浓度的变化，提供可靠的无创体内磁共振造影剂浓度评价手段，同时可以通过获取不同时间磁共振造影剂的浓度，优化磁共振引导放疗中粒子照射的最佳时间段，为磁共振引导放疗及离子治疗提供支撑。

实施例1

一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析方法，如图1，包括：

S100,获得不同浓度的磁共振造影剂溶液在实验体外的第一磁共振影像；

S200,根据第一磁共振影像，得到实验体外的磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值关系的磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线；

S300，获取实验体内的磁共振影像的灰度值变化曲线，结合磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度。

优选地，获得不同浓度的磁共振造影剂溶液在实验体外的第一磁共振影像，包括：

S110,将不同浓度的磁共振造影剂溶液置于实验体外环境；

本实施例使用了用于磁共振成像的动物样品支撑板，如图2，在支撑板结构的两侧留有四个小孔，用于放置磁共振造影剂溶液，这样在进行体内成像时同时获得体外样品的磁共振信号；

S120,对实验体外环境进行磁共振T1加权成像以及T2加权成像，得到第一磁共振影像；

第一磁共振影像包括T1加权影像和T2加权影像，如图3；

此实施例使用Oper1.0T小动物磁共振成像仪对实验体外环境溶液进行成像；

利用T1自旋回波(T1-SE)序列对纳米颗粒造影剂溶液进行MRI成像：

设置重复时间TR为200ms，回波时间TE为12ms，翻转角α为90.0°，平方因子为100，平均数为2，视野(FOV)为60mm×60mm，矩阵尺寸(M)为192×192，层厚THK为3.00mm，GAP为0.50mm；

使用T2快速自旋回波(T2-TSE)序列获取T2加权图像：

设置重复时间TR为10000ms，回波时间TE为668ms，翻转角α为90.0°，平方因子为100，平均数为2，视野FOV为60mm×60mm，矩阵尺寸M为92×160，层厚THK为3.00mm，GAP为0.50mm；

用不同浓度0～0.4mM的钆基纳米造影剂获得磁共振成像T1加权影像和T2加权影像,参考图3，可见不同8浓度的钆基纳米造影剂图像信号随浓度呈梯度变化；

其中T1成像灰度值随浓度的增加而增加，T2成像灰度值随着浓度的增加而降低。

优选地，根据第一磁共振影像，得到实验体外的磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值关系的磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，包括：

根据第一磁共振图像，得到横向弛豫率曲线；

测量不同浓度钆基纳米粒子的横向弛豫时间；

求其倒数得到横向弛豫率

根据横向弛豫率曲线以及横向弛豫率与磁共振造影剂溶液浓度的线性关系，得到横向弛豫率与造影剂溶液浓度关系的横向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线，如图4：

其中，C为磁共振造影剂溶液浓度，

根据横向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第一磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线。

优选地，根据第一磁共振影像，得到实验体外的磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值关系的磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，包括：

根据第一磁共振图像，得到纵向弛豫率曲线；

测量不同浓度钆基纳米粒子的纵向弛豫时间；

求其倒数得到纵向弛豫率R1，绘制出纵向弛豫率R1的曲线；

根据纵向弛豫率曲线以及纵向弛豫率与磁共振造影剂溶液浓度的非线性关系，得到纵向弛豫率与造影剂溶液浓度关系的纵向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线，如图4：

C＝5.61R1+0.241

其中，C为磁共振造影剂溶液浓度，R1为纵向弛豫率；

根据纵向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第二磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线。

优选地，根据横向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第一磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，包括：

根据能斯特方程，建立体外磁共振影像灰度值与质子密度、翻转角、纵向弛豫率、横向弛豫率、重复时间、回波时间的数字关系：

设翻转角为90°，根据第一T2加权影像，忽略纵向弛豫率，对数字关系取对数，得到T2数据相对关系；

设翻转角为90°：

对数字关系取对数：

进行T2加权成像时，回波时间TE和TR都很长，可忽略纵向弛豫率R1带来的影响：

其中，S指磁共振成像信号即磁共振影像灰度值，A指质子密度，α指翻转角，R1指纵向弛豫率，

横向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线和T2数据相对关系相结合，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第一磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，如图5：

S

其中，S

优选地，根据纵向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第二磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，包括：

根据能斯特方程，建立体外磁共振影像灰度值与质子密度、翻转角、纵向弛豫率、横向弛豫率、重复时间、回波时间的数字关系；

设翻转角为90°，根据T1加权影像，忽略横向弛豫率，对数字关系取对数，得到T1数据相对关系；

设翻转角为90°：

对数字关系取对数：

进行T1加权成像时，回波时间TE和TR都很短，可忽略横向弛豫率

ln S＝ln A+ln(1-e

其中，S指磁共振成像信号即磁共振影像灰度值，A指质子密度，α指翻转角，R1指纵向弛豫率，

纵向弛豫率-磁共振造影剂溶液浓度标准曲线和T1数据相对关系相结合，得到实验体外磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值的关系的第二磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线。

优选地，获取实验体内的磁共振影像的灰度值变化曲线，结合磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度，包括：

对体内被注射磁共振造影剂溶液的实验体进行磁共振T2加权成像，得到T2加权影像；

将钆纳米造影剂注射到正常Balb/c小鼠体内，可得到小鼠体内磁共振T2加权成像，如图7；

利用T2快速自旋回波序列(T2-TSE)进行磁共振成像：

设重复时间TR为6000ms，回波时间TE为83.5ms，翻转角α为90.0°，平方因子为100，平均数为2，视野FOV＝80mm×80mm，矩阵尺寸M＝192×144，层厚THK＝1.50mm，GAP＝0.30mm；

根据T2加权影像，得到实验体内的第一灰度值变化曲线；

将实验体内的第一灰度值变化曲线与第一磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线进行比对，得到第一修正因子；

根据第一修正因子，计算得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度，如图8和图9。

优选地，获取实验体内的磁共振影像的灰度值变化曲线，结合磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度，包括：

对体内被注射磁共振造影剂溶液的实验体进行磁共振T1加权成像，得到T1加权影像；

将钆纳米造影剂注射到正常Balb/c小鼠体内，可得到小鼠体内磁共振T1加权成像，如图6；

使用T1快速自旋回波序列进行磁共振成像：

设重复时间TR为1000ms，回波时间TE为17ms，翻转角α为90.0°，平方因子为100，平均数为2，视野FOV＝80mm×80mm，矩阵尺寸M为192×144，层厚THK＝1.5 0mm，GAP为0.30mm；

根据T1加权影像，得到实验体内的第二灰度值变化曲线；

将实验体内的第二灰度值变化曲线与第二磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线进行比对，得到第二修正因子；

根据第二修正因子，计算得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度。

实施例2

一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析系统，包括：

成像模块，用于获得不同浓度的磁共振造影剂溶液在实验体外的第一磁共振影像；

数据处理模块，用于根据第一磁共振影像，得到实验体外的磁共振造影剂溶液浓度与体外磁共振影像灰度值关系的磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线；

实验体应用模块，用于获取实验体内的磁共振影像的灰度值变化曲线，结合磁共振影像灰度值-磁共振造影剂溶液浓度曲线，得到实验体内的磁共振造影剂溶液浓度。

实施例3

一种电子设备，包括：

处理器和存储器，存储器用于存储计算机程序代码，计算机程序代码包括计算机指令，当处理器执行计算机指令时，电子设备执行一种磁共振造影剂溶液体内浓度定量分析方法。