基于粒子濾波的磁共振擴(kuò)散成像人體心肌纖維重建方法研究.pdf

1、醫(yī)學(xué)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(xué)跟蹤等方法。磁共振擴(kuò)散成像技術(shù)的出現(xiàn)為醫(yī)學(xué)圖像分析提供了重要的工具，由于其非入侵特點(diǎn)，基于該項(xiàng)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(kuò)散成像心肌纖維重建方法的研究對(duì)進(jìn)一步探索心肌纖維結(jié)構(gòu)的特性改變和病理學(xué)變異原因有著重要的理論意義和臨床應(yīng)用價(jià)值。
　　基于磁共振擴(kuò)散成像的纖維重建方法通過

2、對(duì)水分子擴(kuò)散信號(hào)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(zhǔn)確性。為了描述纖維走向的后驗(yàn)概率分布，本課題引入粒子濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)纖維走向狀態(tài)的估計(jì)，并針對(duì)已有方法在重要性密度函數(shù)的設(shè)計(jì)、自適應(yīng)策略、觀測(cè)模型及運(yùn)行效率等方面的不足開展研究，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）針對(duì)傳統(tǒng)粒子濾波計(jì)算效率低、收斂速

3、度慢的問題，提出了基于擴(kuò)散各向異性自適應(yīng)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(kuò)散各向異性值動(dòng)態(tài)地調(diào)整粒子數(shù)量和預(yù)測(cè)階段的擾動(dòng)強(qiáng)度。在保證狀態(tài)估計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，降低了算法的計(jì)算復(fù)雜度，顯著提高了系統(tǒng)的運(yùn)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(dāng)前體元位置的擴(kuò)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(dòng)態(tài)調(diào)控的預(yù)測(cè)粒子集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的基于擴(kuò)散各向異性自適應(yīng)的粒子濾波心肌纖維重建算法具有較強(qiáng)的抗噪能力，在改善纖維重建精度的同時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算代價(jià)平均下降50％，顯著提高了系統(tǒng)的工作效率。
　?。?）針對(duì)已有觀測(cè)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(cè)模型。首先，通過擬合磁共振擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)計(jì)算出每個(gè)體元位置處的擴(kuò)散張量；然后，根據(jù)給定的潛在纖維方向與擴(kuò)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(cè)模型。與約束模型和分部模型相比，本文提出的觀測(cè)模型可以更加有效地刻畫組織內(nèi)水分子擴(kuò)散狀態(tài)，從而減小了觀測(cè)模型的計(jì)算誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于張量旋轉(zhuǎn)不變特性的觀測(cè)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(yàn)分布，心肌纖維的重建精度也得到了明顯提升。
　?。?）針對(duì)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(kuò)散各項(xiàng)異性值的閾值分析對(duì)可能

6、存在交叉纖維或者邊緣纖維的區(qū)域進(jìn)行判定；然后，通過對(duì)纖維演化方向的修正達(dá)到提高纖維重建精度的目的。對(duì)于可能存在纖維交叉的區(qū)域設(shè)置較大的演化步長(zhǎng)，以達(dá)到跨過交叉區(qū)域保持纖維行進(jìn)方向的目的；對(duì)于可能存在邊緣纖維離心擴(kuò)散的區(qū)域，通過對(duì)纖維走向偏轉(zhuǎn)角度的修正抑制離心擴(kuò)散所造成的纖維演化偏差。仿真數(shù)據(jù)和真實(shí)心臟數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(shí)際應(yīng)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(duì)心肌纖維重建中粒子濾波各計(jì)算單元進(jìn)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(duì)心肌纖維重建給出了具體的并行加速實(shí)現(xiàn)流程。實(shí)驗(yàn)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(jì)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