基于相位信息的TCMR圖像心肌運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法研究.pdf

1、近年來(lái)，心臟疾病已成為全球頭號(hào)死因，對(duì)人們的生命健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。標(biāo)記心臟MR成像（Tagging Cardiac MR Imaging，TCMRI）技術(shù)能對(duì)心臟的運(yùn)動(dòng)和變形進(jìn)行精確跟蹤。通過(guò)從標(biāo)記心臟MR（Tagged Cardiac MR，TCMR）圖像中估計(jì)和分析心肌運(yùn)動(dòng)，可以評(píng)估心臟功能是否存在異常并定位異常部位，為心臟疾病的有效預(yù)防和準(zhǔn)確診斷提供科學(xué)量化的依據(jù)?；赥C MR圖像的心肌運(yùn)動(dòng)估計(jì)已成為醫(yī)學(xué)圖像分析領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問(wèn)

2、題?，F(xiàn)有的TC MR圖像心肌運(yùn)動(dòng)估計(jì)研究方法主要包括標(biāo)記跟蹤方法、光流法、基于配準(zhǔn)的方法和基于相位信息的方法等。其中，基于相位信息的方法被認(rèn)為是目前具有最好的綜合性能的一類方法，其中的典型代表為諧波相位（Harmonic Phase，HARP）方法和局部正弦波建模（Local Sine-wave Modeling，SinMod）方法。由于Si nMod方法在噪聲偽影抑制和位移檢測(cè)精度等方面都超過(guò)HARP方法，因此具有更廣闊的應(yīng)用前景。但

3、研究表明，SinMod方法還存在以下四個(gè)主要問(wèn)題：（1）不能自動(dòng)準(zhǔn)確地選取TCMR圖像的中心頻率；（2）無(wú)法估計(jì)幅值超過(guò)半標(biāo)記間距的幀間運(yùn)動(dòng)位移；（3）對(duì)TCMR圖像中標(biāo)記線的運(yùn)動(dòng)跟蹤存在可見(jiàn)的誤差；（4）所估計(jì)的運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)存在較大的局部誤差。
　　針對(duì)SinMod方法不能自動(dòng)準(zhǔn)確選取中心頻率的缺點(diǎn)，在 TCMR圖像的初始標(biāo)記間距和初始標(biāo)記方向角已知時(shí)，提出了中心頻率的直接計(jì)算公式。在兩組標(biāo)記參數(shù)未知時(shí)，提出了一種魯棒精確的中心頻

4、率自動(dòng)估計(jì)算法。該自動(dòng)估計(jì)算法基于均值偏移算法和雙向聯(lián)合策略，根據(jù)TCMRI技術(shù)中初始標(biāo)記方向彼此正交的特點(diǎn)，先通過(guò)傅立葉變換從目標(biāo)TC MR圖像得到功率譜圖像，然后將該功率譜圖像與其旋轉(zhuǎn)90度的結(jié)果相疊加，以得到聯(lián)合兩個(gè)標(biāo)記方向信息的修正功率譜圖像，再根據(jù)均值偏移算法從修正的功率譜圖像中迭代地定位出中心頻率，從而實(shí)現(xiàn)在標(biāo)記參數(shù)未知情況下的中心頻率精確自動(dòng)估計(jì)。
　　提出了一種基于標(biāo)記約束和多級(jí) B樣條插值的運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法。該方法利

5、用圖像在空域中的全局旋轉(zhuǎn)和縮放在對(duì)應(yīng)的頻域中同樣表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)和縮放的性質(zhì)，通過(guò)估計(jì)相鄰TC MR幀各自的中心頻率計(jì)算幀間的旋轉(zhuǎn)角度和縮放倍數(shù)，并將這些全局運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為幀間標(biāo)記交點(diǎn)匹配的參考依據(jù)，在一定程度上克服了SinMod方法不能準(zhǔn)確估計(jì)幅值超過(guò)半標(biāo)記間距的位移的限制；通過(guò)對(duì)插值所得到的標(biāo)記線上各點(diǎn)的局部運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行校正，將原本處于標(biāo)記線上的心肌質(zhì)點(diǎn)在經(jīng)幀間運(yùn)動(dòng)后的位置仍然約束于標(biāo)記線上，從而有效地抑制對(duì)標(biāo)記線運(yùn)動(dòng)的跟蹤誤差；將多級(jí) B

6、樣條逼近（Multilevel B-splines Approximation，MBA）算法應(yīng)用于對(duì)稀疏運(yùn)動(dòng)位移的插值處理中，先利用較低層級(jí)的MBA算法從已經(jīng)過(guò)匹配的標(biāo)記交點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移插值出所有標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移，再利用較高層級(jí)的MBA算法從已經(jīng)過(guò)校正后的標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移插值出圖像中任意像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移，使所得到的運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)的局部平滑性比SinMod方法更好，整體運(yùn)動(dòng)估計(jì)精度更高。
　　對(duì)模擬及實(shí)際數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在標(biāo)記參數(shù)已知的

7、情況下，所提出的中心頻率直接計(jì)算方法將 SinMod方法對(duì)于模擬數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)均值誤差和均方根誤差相比具有最快處理速度的最亮點(diǎn)算法（MAX）分別減小了34.2％和39.9%；在標(biāo)記參數(shù)未知的情況下，所提出的中心頻率自動(dòng)估計(jì)算法將SinMod方法對(duì)于實(shí)際數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)均值誤差和均方根誤差相比 MAX算法分別減小了14.1%和3.0%。所提出的基于標(biāo)記約束和MBA插值的運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法能得到局部平滑性比SinMod方法更好的運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)，在幀間存