一种评价磁共振造影剂成像效果的方法及其系统

技术领域

本发明属于纳米医学图像处理领域，具体涉及一种评价磁共振造影剂成像效果的方法及其系统。

背景技术

乳腺癌(BC)是乳腺上皮细胞在多种致癌因子的作用下，发生增殖失控的现象，是女性中最常见的癌症，占全球女性确诊癌症的四分之一。其中，三阴性乳腺癌由于缺乏激素受体和人表皮生长因子受体-2的表达而缺乏有效的靶向治疗，难以从内分泌治疗和抗HER2靶向治疗中获益。临床实践中发现，三阴性乳腺癌术后复发转移的风险大大增加，患者的5年生存率仍然很低。因此，以影像学数据描绘肿瘤位置，通过准确的影像诊断，可以帮助患者了解手术风险程度，决定是否手术活检及切除，为手术提供更多信息。

现有医学影像检查技术在肿瘤诊断和预后中具有重要的作用，有助于控制和减轻疾病的影响。磁共振成像(MRI)是目前最常用的医学成像技术之一。MRI具有非侵入性特色(使用非电离辐射)，能够在高分辨率和良好的对比度下显示各种组织。与此同时，MRI通过应用不同的图像采集协议和参数，对同一组织区域产生具有不同对比度显示能力的多幅图像。这些图像提供了关于同一组织区域的更多有用的解剖学信息，这些来自不同对比机制的互补信息有助于研究人员更精确地研究分析。在人工诊断中，需要分析的MRI图像数量较大，人眼对MRI图像的敏感性可能随着图像数量的增加而降低，这会给医生的鉴别诊断带来困难。此外，人工诊断耗时较长，依赖于主观判断，难以量化，可能导致判断错误。

现有技术机器学习方法在医学图像处理方面已有了广泛研究。利用计算机辅助进行影像学的分析已经成为主流的研究方向，因此，利用计算机辅助判断磁共振成像结果的优劣非常重要。目前常规的诊断大多是影像科医生通过病灶形态学特征或半定量血流动力学信息进行经验性诊断。该方法主观依赖性比较强，误差较大，影响判断结果的准确性。另外，已有学者利用肿瘤组织和临近的正常肌肉组织间的信号比(TNR)值来量化磁共振图像上肿瘤组织造影后的的信号衰减程度。信号衰减幅度越大，TNR值越小，也就代表成像效果越好。但是该方法只能进行整体评估，且误差较大，并不能表征造影剂在肿瘤中的分布情况。因此，建立一套全面的、准确的MRI造影效果标准化评价体系十分重要。

造影剂的主要作用是为了增加正常组织与异常组织之间的对比，在影像上表现为造影剂浸润区域灰度值小于(阴性造影)或高于(阳性造影)正常组织，因此可以利用图像分割手段将造影剂所在位置提取出来，用于后续成像效果评价。图像分割是MRI图像技术处理中的一个重要研究领域，也是研究中的难点和热点。由于图像采集过程会受到外界因素的影响，使得图像在分割时不是特别准确。比如图像的缺失可能给图像分割带来技术上的难题。因此，对于图像分割，做好分割预处理以及改进图像分割算法极其重要，有非常显著的研究价值和使用意义。图像分割根据图像强度值的不连续性和相似性实现区域划分，可以分为两类。第一类是根据强度的突然变化来划分图像，如图像的边缘。第二类是基于将一幅图像划分为根据预定标准相似的区域。目前来说，主流的分割法有很多，包括直方图阈值法、边缘检测等，其中边缘检测法中的边界跟踪算法较为常用，要经过人为的设定起始点，需要反复处理，用时较长且效率不高，严重情况下可能出现程序死循环。由于分割算数法本身的局限性目前仍然存在两个问题：其一就是不存在一种可以适用于所有类型的图像分割方法；其二就是不存在标准图像分割处理的评价准则。从图像分析的发展来看，主要有两种趋势：一是将新的分割方法或者综合方法应用到新的研究领域当中；二是对原有的图像分割方法适当进行发展。本发明中我们将原有阈值分割方法进行适当发展，全面准确的评价磁共振成像效果。阈值分割算法是图像分割算法中比较经典的算法，对于背景与目标灰度相差很大的图像具有良好的分割效果，具有计算简单、快速等优点。大津法(OTSU)是一种确定图像二值化分割阈值的算法，该方法又称作最大类间方差法，它被认为是图像分割中阈值选取的最佳算法，计算简单，不受图像亮度和对比度的影响，因此在数字图像处理上得到了广泛的应用。

目前，评价造影剂磁共振成像效果的方法尚不明确，既往的分类方法存在误差较大，主观依赖性强等问题。现有技术虽然已运用部分计算方法评判磁共振结果，但是误差仍然较大，对该问题的优化还不够理想，缺乏系统的方法，导致其精度较低，评价造影剂应用效果优劣缺乏说服力。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供了一种评价磁共振造影剂成像效果的方法，可更为准确的评价磁共振成像效果，判断磁共振造影剂应用效果优劣，降低人为主观评价误差。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种评价磁共振造影剂成像效果的方法，包括如下步骤：

(1)建立磁共振对象的MRI影像数据集；

(2)对获得的MRI影像数据集进行预处理，选取首尾两层及中间关键层进行分析，对目标区域进行轮廓线分割后通过插值拟合及形态学运算构建得到感兴趣区域(regionof interest，ROI)；

(3)确定磁共振对象的范围并找到对应坐标的像素点，计算每一层MRI图像的直方图，将图像的灰度量化至0-255，将每一层MRI图像的直方图叠加，得到磁共振对象的三维空间上的直方图分布信息；

(4)基于大津法(最大类间阈值法)进行阈值计算；

(5)基于步骤(3)和步骤(4)的结果，融合分析，当小于阈值的灰度值所占比例越接近于1，说明T

其中，步骤(1)中，所述磁共振对象为实体肿瘤，包括但不仅限于乳腺癌、还包括肺癌，胃癌，脑肿瘤等。

本发明内容还包括构建肿瘤模型小鼠作为磁共振对象进行磁共振成像，收集小鼠MRI数据。其中，作为优选，所述的小鼠模型为荷瘤小鼠，具体为4T1乳腺癌小鼠。其中，磁共振成像所使用的成像磁场强度包括但不限于1.5T、3T、7T。

其中，步骤(2)中，感兴趣区域包括感兴趣肿瘤区域的选择。所述的区域选择软件包括但不限于imagej、画图、AnatomySketch，最优为AnatomySketch，该软件可以在MRI子集的多个二维磁共振图像中勾画出理想的肿瘤区域，并能够构建三维肿瘤图像，帮助判断所圈区域是否合适。

其中，步骤(3)中，还包括找到对应坐标的像素点，计算每一层MRI图像的直方图，并进行叠加。

其中，步骤(1)具体包括如下步骤：首先，制备包裹磁性纳米颗粒的高分子聚合物作为造影剂，导入磁共振对象；然后，进行MRI，得到MRI数据集。

其中，步骤(2)包括如下步骤：将步骤(1)获得的MRI数据集为3D数据，每个子集由多层二维图像数据组成，利用AnatomySketch软件将首尾两层及中间关键层进行分析，对目标区域进行轮廓线分割后通过插值拟合及形态学运算构建得到图像中的感兴趣区域。

其中，步骤(3)包括如下步骤：磁共振图像可分为多层二维图像，以图像像素点为基础，按照图像灰度值的大小，遍历搜索找到图像灰度值的最大值及最小值，利用线性变换，将图像灰度量化为0-255，统计不同灰度值像素的个数，得到一幅二维图像的直方图，将多层二维图像的直方图叠加，根据式(1)计算每种灰度出现的频率，得到三维数据的频率分布直方图。

式中，k为二维图像的第k级灰度值，N

其中，步骤(4)包括基于大津法进行最佳阈值计算。

阈值分割的基本思路很简单，每个像素点的灰度值和刚开始选择的阈值进行比较，根据比较的结果把像素归类，分成两类：前景或者背景。

其中，阈值的分割方法包括但不限于根据直方图谷底确定阈值、迭代选择阈值法、最小均方误差法、最大类间方差法(大津法)等。

优选地，所述阈值计算法为大津法(Otsu′s二值化)。大津法(OTSU)是一种确定图像二值化分割阈值的算法，求得的阈值进行图像二值化分割后，前景与背景图像的类间方差最大，因此，使类间方差最大意味着错分概率最小。

优选地，步骤(4)包括如下步骤：通过大津法计算得到最佳阈值，利用阈值将造影剂区域分割出来。大津法具体步骤如下：假设一个图像有N个像素点，灰度级数为L，整幅图像的灰度值分布为0，1...，L-1，灰度值为i的概率为p

p

p

根据方差的概念，类间方差表达式为：

σ

将式(1)代入式(3)简化可得：

σ

其中：

根据以上公式，将k从图像的最小灰度值到最大灰度值遍历，使式(4)中σ最大时的k为最佳阈值T。根据式(8)对图像二值化。其中g(x，y)为二值化后图像，f(x，y)为原本二维图像。我们需要的前景部分为g(x，y)＝0处，图像上表现为黑色区域。

其中，步骤(5)是根据计算出的阈值及直方图进行融合分析，当小于阈值的灰度值所占比例越接近1，说明T

具体地，用AnatomySketch软件将肿瘤感兴趣区域勾选出来后进行直方图计算，再运用大津法进行计算，结合大津法计算出的阈值与直方图结果，计算出MRI图像的造影剂区域的像素灰度值比例，根据此进行MRI图像评价。

本发明内容还包括所述的评价方法构建的系统。主要包括感兴趣肿瘤区域选择、基于像素点的直方图计算、基于大津法的阈值计算及融合分析评价磁共振成像效果。

其中，本发明在构建肿瘤磁共振成像数据集时首先提供了一种高分子磁性纳米颗粒作为造影剂。

其中，所述高分子聚合物包括但不仅限于聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸-聚乙烯亚胺嵌段聚合物或聚乳酸-羟基乙酸-聚乙烯亚胺嵌段共聚合物中的一种或几种；所述磁性纳米颗粒为包括但不仅限于四氧化三铁纳米颗粒(Fe

其中，作为优选地，高分子共聚物为聚乳酸-羟基乙酸共聚物-聚乙二醇嵌段共聚合物。

其中，作为优选地，所述聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA-PEG)平均分子量5000～10000Da，最优为10000Da。

其中，作为优选地，聚乙二醇平均分子量为600～5000Da，最优为2000Da。

本发明还提供了所述的高分子磁性纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：制备包裹磁性纳米颗粒的高分子聚合物纳米颗粒：将高分子聚合物、磁性纳米颗粒溶于有机试剂中，并加入到含有乳化剂的水溶液中，在冰浴条件下超声破碎得到初乳液并转移到三颈瓶中，通过机械搅拌和超声震荡挥发有机试剂，超滤洗涤去除多余的乳化剂及其它杂质，收集包裹磁性纳米颗粒的高分子聚合物纳米颗粒(Fe

其中，所述有机试剂为三氯甲烷或二氯甲烷。

其中，上述步骤中，所述的乳化剂包括但不限于聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的一种或两种组合。

其中，作为优选地，乳化剂为聚乙烯醇。

其中，作为优选地，聚乙烯醇分子量为20000～40000Da，最优为31000Da。

其中，上述步骤中所述的超声破碎时间为5～8min，超声间隔时间为2～3s，超声功率为180～300W；机械搅拌时间为3～5h，搅拌速度为400～600rpm/min。

其中，作为优选地，所述的高分子磁性纳米颗粒的纯化方法为超滤，超滤离心所用的超滤管截留分子量为30～100kDa，离心速度为4000～5000rpm，离心时间为3～5min，离心次数为3～5次。

其中，所述的高分子磁性纳米颗粒水动力尺寸在50～200nm之间，表面电位为-11.4±4.49mV。

有益效果：本发明的评价肿瘤中磁共振造影剂成像效果的方法由收集MRI数据集、勾画感兴趣区域、叠加计算MRI数据的直方图、大津法计算最佳阈值、融合阈值与直方图分析构成。与现有技术相比，运用AnatomySketch软件勾画肿瘤感兴趣区域更加准确且具有代表性，而使用直方图叠加计算使数据更加全面，引入大津法精准的将图像按照灰度特性，分为背景和前景两部分，其中感兴趣的区域一般为前景。本发明提出的方法与传统方法相比，避免了主观判断带来的误差，构建了一套完整的评价体系，更全面的进行了MRI图像处理，取得了更精确的结果，对磁共振造影剂造影效果的评价更具有信服力。

附图说明

图1为Fe

图2为Fe

图3为Fe

图4为Fe

图5为Fe

图6为大津法阈值计算后MRI图。

图7为本发明实施例2-5的整体原理图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面用实施例进一步阐明本发明，但本发明的内容不局限于下面实例。

实施例1 Fe

将5mg Fe

上述方法中采用的PLGA-PEG购自西安瑞禧公司，聚乙烯醇购自阿拉丁。

取少量制备的Fe

如图3所示，采用马尔文粒度仪测定Fe

实施例2纳米颗粒体内磁共振成像并建立肿瘤MRI数据集

通过在7.0T Micro-MR扫描仪(PharmaScan，Brukers，Germany)上使用MultiSlice Multi Echo方法进行MRI。以5mg Fe/kg的剂量注射Fe

如图4所示，T

4T1乳腺癌小鼠的构建方法：将BALB/c小鼠脱毛后用75％酒精在种瘤处消毒(一般是接近后腿部位)。取在对数生长期的4T1乳腺癌细胞消化离心后，重悬于PBS缓冲液中，细胞计数板计数，调整4T1乳腺癌细胞浓度约为5×10

实施例3计算磁共振图像感兴趣区域内的直方图并对切片数据进行叠加得到三维图像的灰度直方图

按顺序逐层读取磁共振二维图像，通过线性变换将图像灰度级数量化为0-255，遍历图像，若该像素点为感兴趣区域内(肿瘤造影区域)，该点灰度值对应直方图加一，若该点不在感兴趣区域内，不执行计算。最终得到感兴趣区域内的灰度直方图。将不同层的直方图数据叠加并归一化处理，所得即为肿瘤三维空间上的频率分布直方图。归一化直方图的横坐标代表图像灰度级数，本例中为256级。纵坐标是每一个灰度值在三维图像中出现的概率统计，所有灰度值在图像中出现的概率和为1。

如图5所示，灰度直方图百分位数表示灰度值低于该百分位数的像素数量，百分位数差异有统计学意义，一定程度上反映肿瘤细胞灰度值的分布。图5中，横坐标代表像素灰度值，纵坐标代表对应的灰度值所占的比例。从图5中明显看出，各个样本之间灰度值分布有明显的差异。

实施例4基于大津法进行最佳阈值计算

假设一个图像有N个像素点，灰度级数为L，整幅图像的灰度值分布为0，1...，L-1，灰度值为i的像素数为N

p

p

根据方差的概念，类间方差表达式为：

σ

将式(1)代入式(3)简化可得：

σ

其中：

根据以上公式，将k从图像的最小灰度值到最大灰度值遍历，使式(4)最大时的k为最佳阈值T。根据式(8)对图像二值化。其中g(x，y)为二值化后图像，f(x，y)为原本二维图像。我们需要的前景部分为g(x，y)＝0处，图像上表现为黑色区域。

如图6所示，大津法求得的阈值进行图像二值化分割后，黑色区域为造影剂所在区域。此外，采用大津法，公式(1)～(7)求得的阈值如表1所示。表1中1～32代表的32个4T1乳腺癌小鼠样本。

表1

实施例5基于直方图和大津法融合分析，评价MRI造影剂效果

根据大津法计算的阈值结合直方图计算小于阈值的灰度值所占的比例，比例越大，说明T2磁共振成像效果越好。如表2。4T1乳腺癌小鼠样本2小于阈值的灰度值所占的比例最大，说明T2磁共振效果最好，相反，4T1乳腺癌小鼠样本3相对较差。

表2