基于稀疏采樣的醫(yī)學成像方法研究.pdf

1、醫(yī)學成像(medical imaging)是以圖像方式顯示人體內(nèi)部形體與功能信息來輔助診斷和治療疾病的科學,主要包括X線、超聲、核素、CT以及磁共振成像。醫(yī)學成像的發(fā)展經(jīng)歷了X線學(Roentgenology)、放射學(Radiology)和影像學(Imaging)三個方面。X線學與放射學的各項診斷技術均以X線作為成像源,隨著科學的發(fā)展又出現(xiàn)了多種影像源,如超聲、核素、磁共振等。
　　 MRI(magnetic resonanc

2、e imaging,MRI)及CT(computed tomography,CT)的臨床應用,開創(chuàng)了影像診斷新紀元。磁共振成像是當今最重要的影像學手段之一,它具有組織分辨率高、可任意方向斷層、空間分辨率高、對人體無放射損傷等優(yōu)點。自20世紀80年代初應用于臨床以來,磁共振血管成像(MR angiography,MRA),磁共振波譜成像(MR spectroscopy,MRS)、并行磁共振成像(parallel MRimaging,PMR

3、I)等技術越來越趨于成熟,使得磁共振成像成為臨床和科學研究中越來越重要的成像方法。計算機斷層成像是英國工程師Godfrey Hounsfield發(fā)明的,近年來,隨著多排CT、雙源CT的出現(xiàn),高質(zhì)量的冠狀動脈成像、胸痛三聯(lián)診的一次實現(xiàn)以及大器官灌注圖像研究都已在臨床中應用。
　　 作為一種重要的臨床成像方式,MRI的主要不足是它的數(shù)據(jù)采集時間較長,從而導致成像速度較慢。二十世紀90年代以來,研究者致力于通過提高靜磁場的場強、研究新

4、的快速成像序列、開發(fā)能夠快速切換的梯度磁場來提高成像速度。然而,梯度磁場切換速度過快時會刺激受檢者的肌肉與神經(jīng),造成人體不適。且發(fā)展到現(xiàn)在,硬件的發(fā)展也極大制約了速度的進一步提高,繼續(xù)依賴提高梯度場切換速度來提高成像速度基本上達到了極限。所以必須尋找新的解決途徑。
　　 另一方面,CT作為近代飛躍發(fā)展的計算機技術和X線檢查技術相結合的產(chǎn)物,為臨床提供了優(yōu)質(zhì)的影像學信息。但是當X線穿透機體被吸收時,可使細胞組織產(chǎn)生抑制、損害甚至壞

5、死,稱為X線的生物作用。X線對機體的損害程度與吸收X線量的大小有關。CT在高劑量X線下可以獲得更優(yōu)質(zhì)的影像,但是同時增加了治療人群的總體受輻射水平。尤其是作為主要功能成像方式之一的CT灌注成像,由于需要長時間的連續(xù)曝光,導致受檢者的輻射劑量增高。為了用最小的人體損傷代價獲得最佳的診斷效果,低劑量CT的研究很有必要。
　　 綜上可知,當前兩項技術要解決的問題分別是,MRI需要縮短采集時間,CT需要減少X線劑量。通過重建算法研究降低

6、成像所需的數(shù)據(jù)量,即在僅獲得部分成像數(shù)據(jù)的情況下,通過優(yōu)化重建算法仍然獲得滿足臨床診斷質(zhì)量需求的圖像,對于磁共振成像,意味著成像速度的提升,對于CT成像,意味著可以降低病人接受的X線輻射劑量。由于部分數(shù)據(jù)成像方法不依賴于硬件性能,成為快速磁共振成像與低劑量CT成像領域的研究熱點之一。
　　 當前,基于多通道采集技術的并行磁共振成像技術(PMRI)的出現(xiàn)對MRI產(chǎn)生了深遠影響,它使用相控陣線圈陣列同時采集部分數(shù)據(jù),即各個線圈在同一

7、時間內(nèi)都進行部分數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)采集時間有效減少。CT中采用的方法為采集有限角度的投影數(shù)據(jù),可以減少每次的曝光時間,當進行灌注圖像掃描時,放射劑量的減少量更加明顯。
　　 并行磁共振成像在計算機求解圖像部分是利用相控陣線圈內(nèi)在包含的空間信息來恢復圖像信息。然而,作為一門新的技術,還沒有找到一種最優(yōu)的成像算法。目前并行成像算法分為三類,基于圖像域的方法、基于k-空間域的方法和基于圖像域和k-空間域相結合的方法。本文主要研究了基于圖像

8、域的敏感度編碼(SENSE,Sensitivity Encoding)方法。當數(shù)據(jù)采樣較少,即欠采樣因子較大時,SENSE重建方法的信噪比嚴重降低,當采樣數(shù)據(jù)為非笛卡爾軌跡數(shù)據(jù)時,這種現(xiàn)象更為明顯。傳統(tǒng)算法優(yōu)化方法是在重建方程中引入·范數(shù)約束或l2范數(shù)約束。本文研究提出自適應約束的SENSE重建算法,由先驗圖像的梯度特征并借鑒PM模型的思想決定懲罰函數(shù),使得在梯度幅值較大區(qū)域使用各向異性擴散的l1范數(shù)約束方式,以較好地保留圖像細節(jié)；在梯

9、度幅值較小區(qū)域使用各向同性擴散的l2范數(shù)約束方式,以有效地抑制噪聲。
　　 另外,諸多稀疏角度CT圖像重建算法相繼提出,整體可分為兩大類:一類為基于變換域的迭代-解析重建算法；另一類為基于級數(shù)展開的迭代-代數(shù)/統(tǒng)計重建算法。迭代重建算法對于含噪聲的不完全投影數(shù)據(jù)或者投影不均勻分布于180或360之間的圖像重建是一種比較有效的算法。為了提高成像的精度和分辨率,一般采用正則化方法或者增加迭代次數(shù)。2004年,Cands、Romber

10、g、Tao和Donoho等人提出壓縮感知(CS,Compressed Sensing)理論。根據(jù)壓縮感知理論在圖像重建中的應用,可以知道,如果待重建圖像在某個變換空間中是稀疏的,那么可以利用部分采樣數(shù)據(jù)重建出質(zhì)量較好的圖像。對于稀疏角度CT灌注成像,相對于未灌注圖像,可以認為在每一個時刻獲得的灌注圖像中增加的灌注信息在圖像域都是稀疏的。本文中提出基于投影域減影的CT灌注圖像重建,利用壓縮感知原理對投影域減影數(shù)據(jù)進行約束迭代重建得出灌注信

11、息圖像,然后和預掃描圖像進行配準相加來得到當前時刻的灌注圖像。
　　 總之,本研究主要利用部分數(shù)據(jù)采集方式來減少MRI的成像時間和CT掃描的輻射劑量。對并行成像SENSE約束重建算法中存在的缺陷進行了分析,提出了自適應約束SENSE非笛卡爾數(shù)據(jù)重建新算法,8通道2.6倍欠采樣可變密度螺旋軌跡人體動靜脈畸形瘤動脈注射X線仿真成像實驗表明,與平方和(SOS)重建方法、傳統(tǒng)無約束SENSE重建方法以及TV約束SENSE重建方法相比,本

12、文所提算法可以有效抑制部分數(shù)據(jù)成像帶來的噪聲和偽影,并能較好保護圖像細節(jié)尤其是小細節(jié)信息,成像效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。另外,對稀疏角度CT灌注成像方法進行了研究,觀察到每個時間序列中灌注信息的變化是較少的,所以提出基于投影域減影的約束重建方法求解各個時刻的灌注信息變化圖像。Shepp—Logan體模實驗和人體腦部灌注成像實驗證明了本文算法的有效性,對結構簡單的Shepp—Logan體模圖像,使用本文算法在[0,p]范圍內(nèi)僅采集18個投影就可以