[发明专利]心肌微循环灌注体素内不相干运动磁共振成像仿真方法

摘要

心肌微循环灌注体素内不相干运动磁共振成像仿真方法，本发明属于磁共振成像计算机仿真领域，它为了解决活体实验定性评估方法不能精确量化检测效果，以及传统的仿真实验定量评估方法评估难度大，评估成本高，评估周期长的问题。仿真方法：一、利用网络避让算法、边界避让算法及流体分支约束算法，建立虚拟心肌微循环网络模型；二、建立血管内血流灌注模型和血管外水分子扩散运动模型；三、基于扩散磁共振成像原理模拟IVIM MRI机制，生成磁共振衰减信号；四、对衰减信号非线性拟合，获得心肌微循环灌注模型的仿真检测结果。采用本发明的方法能够提供可靠的仿真定量评估结论。

主权项

心肌微循环灌注体素内不相干运动磁共振成像仿真方法，其特征在于是按下列步骤实现：一、采用网络避让方程(1)使将要生成的血管段朝向函数f1(x)为最小值的方向生长；f1(x)=Σn=1NUn||x-xn||βv---(1)]]>其网络避让方程(1)中x表示将要生成的血管段轴线的终点，xn表示已生成血管段的质心，N表示已生成血管的段数，βv表示衰减系数，Un表示避让权值，Un的表达式为：Un=Rn2×Ln---(2)]]>其Un表达式(2)中Rn表示已生成的第n段血管的半径，Ln表示已生成的第n段血管的长度；采用边界避让方程(3)避免将要生成的血管段冲出组织边界，边界避让方程为：f2(x)=Σb=16Ub||x-xb||βb---(3)]]>其边界避让方程(3)中x表示将要生成的血管段轴线的终点，xb表示x在边界上的投影，βb表示衰减系数，Ub表示边界避让权值，Ub的表达式为：Ub=1NΣn=1NUn---(4)]]>其Ub表达式(4)中Un表示避让权值；采用最优分枝角度方程(5)计算子段与母段的夹角；θ1=cos-1[1r04+r14(r14+r24)2+r24(r14+r24)22r12(r14+r24)2r02]---(5)]]>其最优分枝角度方程(5)中θ1表示子段a与母段的夹角，r1表示子段a的半径，r2表示子段b的半径，r0表示母段的半径，基于θ1建立子段a的流体分支约束方程(6)；f3(x)=-Ul(|(x-xp)·v-cosθ1|)β3---(6)]]>其流体分支约束方程(6)中Ul表示流体分支约束方程相对于网络避让方程(1)和边界避让方程(3)在最终的心肌微循环网络建模方程中的权重，β3表示抑制因子，v表示母段的方向矢量，xp表示将要生成的血管段轴线的起点；将网络避让方程(1)、边界避让方程(3)和流体分支约束方程(6)加和，建立心肌微循环网络建模方程(7)，心肌微循环网络建模方程(7)的表达式为：f(x)=Σn=1NUn||x-xn||βv+Σb=16Ub||x-xb||βb-Ul(|(x-xp)·v-cosθ|)β3---(7);]]>二、模拟血流灌注，通过水分子定向流动位移方程(8)计算血管内水分子定向流动的位移，水分子定向流动的位移方程为：其水分子定向流动的位移方程(8)中Δp表示水分子流动位移，表示血管轴线处的最大流速，r表示水分子到血管轴线的距离，R表示血管半径，τ表示水分子单步行走时间；模拟血管外水分子的扩散运动，通过水分子扩散位移模值表达式(9)计算水分子扩散位移的大小，水分子扩散位移模值表达式(9)为：Δx=2mDτ(2/π∫02q-1e-x2dx)---(9)]]>其水分子扩散位移模值表达式(9)中Δx表示水分子单步行走的位移大小，m表示扩散空间维数，τ表示水分子单步行走时间，D表示水分子自由扩散系数，q表示(0,1)之间的随机数；通过水分子扩散位移方向表达式(10)计算水分子的扩散位移方向，水分子扩散位移方向表达式(10)为：其水分子扩散位移方向表达式(10)中表示水分子扩散位移单位矢量在笛卡尔坐标系x轴、y轴、z轴上的投影，θ表示扩散位移方向与z轴正方向的夹角，φ表示扩散位移在xOy平面上的投影与x轴正方向的夹角；三、基于扩散磁共振成像原理以及步骤二中水分子流动位移和水分子扩散位移，计算由水分子位移导致的相位离散，由水分子位移导致的相位离散公式(11)为：其由水分子位移导致的相位离散公式(11)中表示第i个水分子第j步行走导致的相位离散值，γ表示氢核的旋磁比，表示扩散敏感梯度，δ表示扩散敏感梯度持续时间，表示第i个水分子第j步行走的位移；在双极梯度脉冲自旋回波序列作用下，设定双极梯度脉冲的时间间隔为Δ，水分子单步行走时间为τ，则水分子行走步数k＝Δ/τ(12)，在关闭双极梯度脉冲后，水分子i的位移导致的相位离散为Δ时间内水分子i每一步行走位移产生的相位离散之和，水分子i每一步行走位移产生的相位离散之和的表达式为然后依据扩散磁共振成像原理，单位体素内所有水分子相位离散引起的磁共振信号衰减式(14)为：其中S表示扩散敏感梯度作用下的磁共振信号，S0表示未施加扩散敏感梯度的磁共振信号，n表示单位体素内水分子的个数；由IVIM MRI中磁共振信号衰减表达式和单位体素内所有水分子相位离散引起的磁共振信号衰减式(14)可得：其中f表示血液容积分数，D表示扩散系数，D*表示伪扩散系数，b表示衰减因子，在双极梯度脉冲自旋回波序列中，b的表达式为：四、基于由水分子位移导致的相位离散公式(11)、水分子i每一步行走位移产生的相位离散之和的表达式(13)和单位体素内所有水分子相位离散引起的磁共振信号衰减式(14)，计算不同值对应的磁共振衰减信号S/S0，从而获得一系列S/S0的离散值，然后基于b的表达式(17)，计算不同值对应的b值，从而获得一系列b的离散值，基于已获得的S/S0和b的离散值，最后对磁共振信号衰减表达式(15)进行非线性拟合，获得心肌微循环灌注模型的IVIM MRI仿真检测结果。