基于医学图像的葡萄糖代谢率定量分析方法及系统

摘要

本发明提供了一种基于医学图像的葡萄糖代谢率的定量分析方法及系统。由于患者通常在单侧颈内动脉存在进行性狭窄或阻塞，该方法基于患者的PET/MRI图像，对患者的单侧颈内动脉岩端区域进行图像输入函数处理，最终给出患者的葡萄糖代理率绝对数值。本发明提供的方法有效降低了定量分析的数值误差，提高了定量分析的稳定性和鲁棒性，避免了传统定量分析方法患者的参考脑区不稳定的缺陷，比现有的半定量方法更对准确地评估脑部代谢活动，降低患者脑卒中风险，并且对患者无创伤，协助临床医生对患者的脑部代谢活动更为了解，帮助临床治疗方案的选择，具有重要的社会意义和临床价值。

说明书

技术领域

本发明涉及医学图像处理技术领域，具体涉及一种基于医学图像的葡萄糖代谢率定量分析方法及系统。

背景技术

脑卒中、心脏病、恶性肿瘤共同组成大多数国家的三大致死疾病。尤其是，缺血性脑卒中更是占到所有脑卒中的60%-80%，缺血性脑卒中是指由于脑的供血动脉狭窄或闭塞、脑供血不足导致的脑组织坏死的总称。脑的供血动脉包括颈内动脉（Internal carotidartery，ICA）、椎动脉和大脑中动脉。未经过常规治疗的颈内动脉ICA进行性狭窄患者第一年和第二年发生脑卒中风险分别高达13.2%和29.2%。因此，提前预防脑卒中，尤其是缺血性脑卒中的研究是极为必要的。

影像学检查（如PET，Positron emission tomography，正电子发射断层扫描；MRI扫描，Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像等）能够为脑血管疾病提供各种影像学参数，是脑血管病研究重要的检查手段。

其中，18F-氟代脱氧葡萄糖（18F-fluoro-2-deoxy-Dglucose，18F-FDG）正电子发射断层扫描（Positron emission tomography，PET）成像被认为是测量脑部各区域葡萄糖代谢的金标准。对慢性缺血性脑血管患者进行PET扫描，准确定量患者脑部代谢活动是精准治疗的前提，也是筛查高危脑梗死患者的重要手段。

为了保证影像检查时，患者处于同一生理状态，经常进行一体化PET/MRI扫描，即同时、同步、同生理状态下采集患者PET信息与MRI信息，形成高分辨率和组织对比度的PET代谢图像和MRI功能图像。

临床获得18F-FDG葡萄糖代谢率，即葡萄糖标准摄取值比率（Standardizeduptake value ratio，SUVR），最常用的方法是半定量分析：使用非特异性结合的区域作为参考脑区来衡量靶定区域的相对摄取值。但是在半定量分析方法中，由于脑血管疾病的缺血性区域可能会与半定量分析方法中的参考脑区重叠，因此会影响葡萄糖代谢率的结果。

为了准确地得到18F-FDG葡萄糖代谢率的绝对定量数值，对患者进行动脉采血是测量的黄金标准，但是动脉采血对患者的创伤和痛苦很大，具有侵入性、复杂性、多次采集等缺点，因此目前亟需一种能够根据患者PET/MRI扫描的医学图像信息进行准确有效的绝对定量分析方法。

发明内容

本发明提供一种基于患者一体化PET/MRI扫描的医学图像信息的绝对定量分析方法，能够快速准确地获得患者的18F-FDG葡萄糖代谢率的绝对数值，解决了常用的半定量分析方法的数值错误，避免了动脉采血对患者的伤害。

本发明提供了一种基于医学图像的葡萄糖代谢率定量分析方法，其特征在于，所述定量分析方法包括如下步骤：第一，采集患者的医学图像，所述医学图像为一体化PET/MRI扫描的医学图像；第二，对所述医学图像进行预处理，所述预处理包括提取所述医学图像中的患者特征信息，对所述医学图像的图像格式进行转化；第三，在所述预处理后的医学图像中提取感兴趣的医学图像区域；第四，对所述感兴趣的医学图像区域进行患者头动校正；第五， 对所述头动校正后的医学图像区域进行部分容积效应校正；第六，对所述部分容积效应校正后的医学图像区域进行Patlak图形分析，得到患者的葡萄糖代谢参数图像，最终得到所述感兴趣的医学图像区域中的所述葡萄糖代谢率。

进一步地，在所述采集患者的医学图像步骤中，所述医学图像包括FDG PET图像、快速自旋回波T2加权图像、自旋回波T1加权图像、液体衰减反转恢复图像和磁共振血管成像；所述采集范围覆盖患者从颅底至颅顶的全部脑组织。

进一步地，在对所述医学图像进行预处理步骤中，对所述医学图像的所述图像格式进行转化是将DICOM格式的原始医学图像转化成数字医学影像数据格式的医学图像。

进一步地，在所述预处理后的医学图像中提取感兴趣的医学图像区域步骤中，包括如下流程：首先，基于所述预处理后的医学图像提取所述患者的颈部动脉系统；其次，对所述患者的颈部动脉系统进行单侧颈内动脉分割，获得单侧颈内动脉岩端区域，作为所述感兴趣的医学图像区域。

进一步地，所述患者感兴趣区域是根据患者自身的MRI 3D T1结构图像作为参考图像，将动态PET图像和其他的MRI序列进行对齐，使用标准化互信息配准算法来执行共配准。

进一步地，所述部分容积效应校正步骤中使用Muller-Gartner等体素方法。

进一步地，所述Patlak图形分析步骤中，使用所述患者头动校正后的所述医学图像得到对应的时间活动曲线，对图像驱动输入函数进行体素级别的Patlak图形分析。

本发明还提供一种基于医学图像的葡萄糖代谢率定量分析的系统，其特征在于，所述定量分析系统包括：医学图像采集模块，所述医学图像采集模块采集患者的医学图像，所述医学图像为一体化PET/MRI扫描的医学图像；医学图像预处理模块，所述预处理模块对所述医学图像进行预处理，所述预处理包括提取所述医学图像中的患者特征信息，对所述医学图像的图像格式进行转化；感兴趣的医学图像区域提取模块，所述提取模块在所述预处理后的医学图像中提取感兴趣的医学图像区域；患者头动校正模块，所述头动校正模块对所述感兴趣的医学图像区域进行患者头动校正；部分容积效应校正模块，所述部分容积效应校正模块对所述头动校正后的医学图像区域进行部分容积效应校正；Patlak图形分析模块，所述Patlak图形分析模块对所述部分容积效应校正后的医学图像区域进行Patlak图形分析，得到患者的葡萄糖代谢参数图像，最终得到所述感兴趣的医学图像区域中的所述葡萄糖代谢率。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述任一所述的一种基于人工智能的子宫内膜癌风险筛查方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述任一所述的一种基于人工智能的子宫内膜癌风险筛查方法的步骤。

本发明基于患者的18F-FDG PET/MRI图像，对葡萄糖代谢率进行定量分析，给出患者的葡萄糖代理率绝对数值，比现有的半定量方法更对准确地评估脑部代谢活动，本发明提供的方法有效的降低了定量分析的数值误差，提高了定量分析的稳定性和鲁棒性，避免了传统定量分析方法患者的参考脑区不稳定的缺陷，降低患者脑卒中风险，并且对患者无创伤，协助临床医生对患者的脑部代谢活动更为了解，帮助临床治疗方案的选择，具有重要的社会意义和临床价值。

附图说明

图1示出了本发明的步骤流程示意图。

图2示出了本发明的图像格式转化后的图像。

图3示出了颈部动脉系统分割流程示意图。

图4示出了颈内动脉岩端区域分割示意图。

图5示出了图像驱动得到时间活度曲线。

图6示出了patlak分析之后得到对应的脑葡萄糖代谢图像。

具体实施方式

以下实施例和实验例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。下面结合具体实施例和实验例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种基于医学图像的葡萄糖代谢率的定量分析方法。在优选的实施例中，由于患者通常在单侧颈内动脉存在进行性狭窄或阻塞，该方法提供了对患者的PET/MRI扫描图像数据序列分析的定量模型，对患者的单侧颈内动脉岩端区域进行图像输入函数处理，最终得到患者的葡萄糖代谢率，

图1示出了本发明的步骤流程示意图。如图所示，采集患者的一体化PET/MRI扫描的医学图像后，分别进行图像预处理、单侧颈内动脉分割、患者头动校正、部分容积效应校正的图像输入函数提取、基于体素级别的patlak分析，最终得到患者脑葡萄糖代谢率图像，获得患者的梗死区域及健康区域的脑葡萄糖代谢率绝对数值。具体步骤如下：

首先，采集患者的一体化PET/MRI扫描的医学图像，在进行PET扫描时，采集序列分别是9×10秒、3×30秒、4×60秒、6×180秒、9×300秒，共31帧FDG PET图像。在进行MRI扫描时，采集序列分别是快速自旋回波T2加权图像、自旋回波T1加权图像、液体衰减反转恢复图像（fluid-attenuated inversion recovery, FLAIR）、磁共振血管成像。在本实施例中，采集范围覆盖患者从颅底至颅顶的全部脑组织。

其次，对采集到的医学图像进行预处理，包括：提取医学图像中的患者年龄、身高、体重、性别、血糖程度等信息，便于后继的绝对定量分析。对图像格式进行转化，将DICOM格式的原始医学图像转化成数字医学影像数据格式的医学图像，数字医学影像数据格式可增强各种神经影像数据处理软件的功能和处理数据的共享。图2示出了本发明的图像格式转化后的图像。

将预处理后的医学图像进行对预处理后的医学图像中的磁共振血管成像数据进行单侧颈内动脉自动分割，然后，获得单侧颈内动脉的岩端区域，选择该区域做为感兴趣的区域，便于后继计算患者的葡萄糖代谢率。

其中，基于预处理后的磁共振血管成像提取颈部动脉系统，如图3所示，本实施中基于直方图的分位数阈值和自动种子区域生长的组合算法提取患者的整个颈部动脉系统，选择对应于灰度值分布的0.987分位数强度作为最佳阈值。为了消除患者颈部外周脂肪的残余影响，所述组合算法使用连通性约束执行自动种子区域生长，仅产生颈部动脉部分。

图3中获得了分割得到的颈部动脉系统，该动脉系统由颈内动脉和颈外动脉组成。确定葡萄糖代谢率的数值需要获得颈内动脉，在本实施例中，仅需要获得颈内动脉中的岩端区域，如图4所示，示出了颈内动脉岩端区域分割步骤。该步骤是基于形态特征向量确定颈内动脉岩端区域，所述形态特征向量表征血管树的形状，因为只需要获得颈内动脉岩端区域，因此，形态特征曲线仅对所述预处理后的磁共振血管成像的颅内段进行计算。

所述形态特征曲线包含平均强度、长轴长度、椭圆率以及横轴切片中存在的血管段的方向等特征。与血管成90度结构的轴向切片表示颈内动脉海绵状段的位置，需要去除该部分。颈内动脉和颈外动脉起源于颈总动脉，分支点的定位是修剪动脉血管的关键。所述形态特征曲线将图像中的椭圆结构突出显示为突出的峰值，颈内动脉岩端区域被确定为具有最高峰的结构，最终，颈内动脉岩端区域是唯一剩余的部分。

然后，进行头动校正，用于降低在进行一体化PET/MRI扫描中患者的头部晃动引起的差异。

该步骤使用MRI 3D T1结构图像作为参考图像，将动态PET图像和其他的MRI序列进行对齐，使用标准化互信息配准算法来执行共配准。该配准算法基于代价函数，将PET图像和MRI图像两者之间的配准误差（如最小二乘法或互信息）最小化。所述代价函数根据数据之间的共享信息进行对齐（如皮层边界），使其在某种程度上依赖于所采集数据的强度分布和分辨率。

然后，进行部分容积效应校正。部分容积效应（partial volume effect，PVE）是指在同一扫描层面中含有两种或者两种以上不同密度的物质时，所测值为这些物质信号值的平均，不能真实反映其中任何一种物质的信号值。部分容积效应会对PET图像精确度造成影响，因此，需要进行部分容积效应校正。

在该步骤中，使用更新后的Muller-Gartner 等体素方法（MG法）。MG 法是一种三室部分容积校正方法，扩展了区分脑实质和周围脑脊液信号的两室法，是常用的部分容积校正方法。该方法假设所观察到的任何给定的灰质体素中的PET 信号是灰质体素中真实示踪剂摄取信号的空间加权平均值，以及周围白质和脑脊液中的信号，其中空间加权由PET扫描仪的点扩展函数决定。提出的部分容积校正算法包括纠正可能的信号溢出效应到灰质，以及信号溢出到周围组织。

然后，经过头动校正和部分容积效应校正后，进行Patlak图形分析，得到患者的脑葡萄糖代谢参数图像。在该步骤中，使用头动校正后的PET图像得到对应的时间活动曲线，图5示出了图像驱动得到时间活度曲线。

对各自图像驱动的输入函数（image-derived input function，IDIF）进行体素级别的Patlak图形分析，在本实施例中，集总常数设置为0.89，将线性函数拟合到Patlak图形分析转换的数据，包括从注射后25分钟到研究结束的数据（9个数据点）。然后将得到的斜率乘以患者的血浆葡萄糖水平 (mmol/L) 并除以集总常数（C = 0.89），生成单位为mmol/100g/min的患者脑部葡萄糖代谢参数图像，分别得到患者的梗死区域及健康区域的脑葡萄糖代谢的绝对数值。图6示出了patlak分析之后得到对应的脑葡萄糖代谢图像。

本发明还提供一种基于医学图像的葡萄糖代谢率定量分析的系统，所述定量分析系统包括：医学图像采集模块，所述医学图像采集模块采集患者的医学图像，所述医学图像为一体化PET/MRI扫描的医学图像；医学图像预处理模块，所述预处理模块对所述医学图像进行预处理，所述预处理包括提取所述医学图像中的患者特征信息，对所述医学图像的图像格式进行转化；感兴趣的医学图像区域提取模块，所述提取模块在所述预处理后的医学图像中提取感兴趣的医学图像区域；患者头动校正模块，所述头动校正模块对所述感兴趣的医学图像区域进行患者头动校正；部分容积效应校正模块，所述部分容积效应校正模块对所述头动校正后的医学图像区域进行部分容积效应校正；Patlak图形分析模块，所述Patlak图形分析模块对所述部分容积效应校正后的医学图像区域进行Patlak图形分析，得到患者的葡萄糖代谢参数图像，最终得到所述感兴趣的医学图像区域中的所述葡萄糖代谢率。

本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现前面任一所述的一种基于医学图像的葡萄糖代谢率定量分析方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现前面任一所述的一种基于医学图像的葡萄糖代谢率定量分析方法的步骤。

本发明的有益效果为：

本发明基于患者的PET/MRI扫描图像，通过对单侧颈内动脉岩端区域进行Patlak图形分析，获得葡萄糖代谢率的绝对数值，避免了常用的半定量分析方法中参考脑区不稳定的缺点，能够及时发现患者脑区的异常，得到的葡萄糖代谢率的数值可用来评估手术治疗等方案的疗效或患者术后的恢复情况，帮助临床医生和患者更好了解疾病的发展和恢复情况。

同时，不同于动脉采血，本发明提供的方法无需患者进行多次采血操作，降低了采血过程中对患者造成的创伤。

本发明所述的系统还可以交互式界面的形式进行展现，如图像工作站，无需专业临床医生的指导，仅输入患者的PET/MRI扫描图像，就能够得到葡萄糖代谢率的绝对数值，节约了医疗资源，为广大临床医生提供治疗参考。