基于稀疏采樣的醫(yī)學(xué)成像方法研究.pdf

1、醫(yī)學(xué)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(xué),主要包括X線、超聲、核素、CT以及磁共振成像。醫(yī)學(xué)成像的發(fā)展經(jīng)歷了X線學(xué)(Roentgenology)、放射學(xué)(Radiology)和影像學(xué)(Imaging)三個(gè)方面。X線學(xué)與放射學(xué)的各項(xiàng)診斷技術(shù)均以X線作為成像源,隨著科學(xué)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(yīng)用,開創(chuàng)了影像診斷新紀(jì)元。磁共振成像是當(dāng)今最重要的影像學(xué)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(duì)人體無放射損傷等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)80年代初應(yīng)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(shù)越來越趨于成熟,使得磁共振成像成為臨床和科學(xué)研究中越來越重要的成像方法。計(jì)算機(jī)斷層成像是英國(guó)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(dòng)脈成像、胸痛三聯(lián)診的一次實(shí)現(xiàn)以及大器官灌注圖像研究都已在臨床中應(yīng)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(shí)間較長(zhǎng),從而導(dǎo)致成像速度較慢。二十世紀(jì)90年代以來,研究者致力于通過提高靜磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)、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(chǎng)來提高成像速度。然而,梯度磁場(chǎng)切換速度過快時(shí)會(huì)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(jìn)一步提高,繼續(xù)依賴提高梯度場(chǎng)切換速度來提高成像速度基本上達(dá)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(jì)算機(jī)技術(shù)和X線檢查技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,為臨床提供了優(yōu)質(zhì)的影像學(xué)信息。但是當(dāng)X線穿透機(jī)體被吸收時(shí),可使細(xì)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(duì)機(jī)體的損害程度與吸收X線量的大小有關(guān)。CT在高劑量X線下可以獲得更優(yōu)質(zhì)的影像,但是同時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)曝光,導(dǎo)致受檢者的輻射劑量增高。為了用最小的人體損傷代價(jià)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(dāng)前兩項(xiàng)技術(shù)要解決的問題分別是,MRI需要縮短采集時(shí)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(duì)于磁共振成像,意味著成像速度的提升,對(duì)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?jǐn)?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(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
　　 當(dāng)前,基于多通道采集技術(shù)的并行磁共振成像技術(shù)(PMRI)的出現(xiàn)對(duì)MRI產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響,它使用相控陣線圈陣列同時(shí)采集部分?jǐn)?shù)據(jù),即各個(gè)線圈在同一

7、時(shí)間內(nèi)都進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)采集時(shí)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(shí)間,當(dāng)進(jìn)行灌注圖像掃描時(shí),放射劑量的減少量更加明顯。
　　 并行磁共振成像在計(jì)算機(jī)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(fù)圖像信息。然而,作為一門新的技術(shù),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(jié)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(dāng)數(shù)據(jù)采樣較少,即欠采樣因子較大時(shí),SENSE重建方法的信噪比嚴(yán)重降低,當(dāng)采樣數(shù)據(jù)為非笛卡爾軌跡數(shù)據(jù)時(shí),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(yīng)約束的SENSE重建算法,由先驗(yàn)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(kuò)散的l1范數(shù)約束方式,以較好地保留圖像細(xì)節(jié)；在梯

9、度幅值較小區(qū)域使用各向同性擴(kuò)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(jí)數(shù)展開的迭代-代數(shù)/統(tǒng)計(jì)重建算法。迭代重建算法對(duì)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(yīng)用,可以知道,如果待重建圖像在某個(gè)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(duì)于稀疏角度CT灌注成像,相對(duì)于未灌注圖像,可以認(rèn)為在每一個(gè)時(shí)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(duì)投影域減影數(shù)據(jù)進(jìn)行約束迭代重建得出灌注信

11、息圖像,然后和預(yù)掃描圖像進(jìn)行配準(zhǔn)相加來得到當(dāng)前時(shí)刻的灌注圖像。
　　 總之,本研究主要利用部分?jǐn)?shù)據(jù)采集方式來減少M(fèi)RI的成像時(shí)間和CT掃描的輻射劑量。對(duì)并行成像SENSE約束重建算法中存在的缺陷進(jìn)行了分析,提出了自適應(yīng)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(dòng)靜脈畸形瘤動(dòng)脈注射X線仿真成像實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)據(jù)成像帶來的噪聲和偽影,并能較好保護(hù)圖像細(xì)節(jié)尤其是小細(xì)節(jié)信息,成像效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。另外,對(duì)稀疏角度CT灌注成像方法進(jìn)行了研究,觀察到每個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)刻的灌注信息變化圖像。Shepp—Logan體模實(shí)驗(yàn)和人體腦部灌注成像實(shí)驗(yàn)證明了本文算法的有效性,對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)投影就可以