基于粒子濾波的磁共振擴散成像人體心肌纖維重建方法研究.pdf

1、醫(yī)學研究表明，心肌纖維結(jié)構(gòu)能夠體現(xiàn)心臟的各種功能特性及病變信息。為了獲取人體心肌纖維的結(jié)構(gòu)信息，先后出現(xiàn)了病理切片、熒光染色、化學跟蹤等方法。磁共振擴散成像技術(shù)的出現(xiàn)為醫(yī)學圖像分析提供了重要的工具，由于其非入侵特點，基于該項技術(shù)的心肌纖維重建引起了廣泛的研究興趣。開展基于磁共振擴散成像心肌纖維重建方法的研究對進一步探索心肌纖維結(jié)構(gòu)的特性改變和病理學變異原因有著重要的理論意義和臨床應用價值。
　　基于磁共振擴散成像的纖維重建方法通過

2、對水分子擴散信號的分析，確定可能存在的纖維路徑。但是，受組織結(jié)構(gòu)及噪聲的影響，纖維重建過程存在著較大的不穩(wěn)定性。所以，相比于確定性纖維重建方法，基于概率的纖維重建方法更有利于提高纖維重建的準確性。為了描述纖維走向的后驗概率分布，本課題引入粒子濾波技術(shù)實現(xiàn)纖維走向狀態(tài)的估計，并針對已有方法在重要性密度函數(shù)的設計、自適應策略、觀測模型及運行效率等方面的不足開展研究，本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　（1）針對傳統(tǒng)粒子濾波計算效率低、收斂速

3、度慢的問題，提出了基于擴散各向異性自適應的粒子濾波心肌纖維重建算法。該算法根據(jù)不同體元處的擴散各向異性值動態(tài)地調(diào)整粒子數(shù)量和預測階段的擾動強度。在保證狀態(tài)估計質(zhì)量的同時，降低了算法的計算復雜度，顯著提高了系統(tǒng)的運行效率。首先，在纖維重建的起始位置，利用體元的六鄰域均值初始化粒子集，以保證粒子濾波算法能夠盡快收斂；然后，在纖維演化的過程中，根據(jù)當前體元位置的擴散狀態(tài)調(diào)整粒子數(shù)量，利用各向異性值FA調(diào)整提議分布中的采樣參數(shù)，獲得尺度和狀態(tài)可

4、動態(tài)調(diào)控的預測粒子集。實驗結(jié)果表明：本文提出的基于擴散各向異性自適應的粒子濾波心肌纖維重建算法具有較強的抗噪能力，在改善纖維重建精度的同時，系統(tǒng)計算代價平均下降50％，顯著提高了系統(tǒng)的工作效率。
　　（2）針對已有觀測模型系統(tǒng)誤差較大的問題，提出了基于張量旋轉(zhuǎn)不變特性的觀測模型。首先，通過擬合磁共振擴散成像數(shù)據(jù)計算出每個體元位置處的擴散張量；然后，根據(jù)給定的潛在纖維方向與擴散張量的主特征向量的位置關(guān)系構(gòu)建旋轉(zhuǎn)矩陣；最后，在張量形狀

5、不變的條件下得到新的觀測模型。與約束模型和分部模型相比，本文提出的觀測模型可以更加有效地刻畫組織內(nèi)水分子擴散狀態(tài)，從而減小了觀測模型的計算誤差。實驗結(jié)果表明：基于張量旋轉(zhuǎn)不變特性的觀測模型能夠有效提升粒子濾波中的粒子質(zhì)量，從而更加有效地刻畫纖維走向的后驗分布，心肌纖維的重建精度也得到了明顯提升。
　　（3）針對低角分辨率條件下交叉纖維和邊緣纖維重建誤差較大的問題，提出了心肌纖維重建修正技術(shù)。首先，通過擴散各項異性值的閾值分析對可能

6、存在交叉纖維或者邊緣纖維的區(qū)域進行判定；然后，通過對纖維演化方向的修正達到提高纖維重建精度的目的。對于可能存在纖維交叉的區(qū)域設置較大的演化步長，以達到跨過交叉區(qū)域保持纖維行進方向的目的；對于可能存在邊緣纖維離心擴散的區(qū)域，通過對纖維走向偏轉(zhuǎn)角度的修正抑制離心擴散所造成的纖維演化偏差。仿真數(shù)據(jù)和真實心臟數(shù)據(jù)實驗結(jié)果表明：本文提出的修正技術(shù)能夠有效地降低低角分辨率條件下纖維交叉和邊緣部分容積效應引起的纖維重建誤差。
　　此外，為了能夠

7、使基于粒子濾波的心肌纖維重建方法更好地滿足實際應用需要，本課題還開展了基于OpenMP的多核環(huán)境下粒子濾波并行加速方法研究。首先，對心肌纖維重建中粒子濾波各計算單元進行了并行化分析；然后，從線程管理和內(nèi)存管理的角度給出了并行化方案；最后，針對心肌纖維重建給出了具體的并行加速實現(xiàn)流程。實驗結(jié)果表明：本文的基于粒子濾波的心肌纖維重建方法通過并行加速計算效率得到了顯著提升。
　　綜上所述，本文的研究工作為提高基于粒子濾波的心肌纖維重建的