磁共振成像中的非均勻場(chǎng)校正及線圈靈敏度估計(jì)算法研究.pdf

1、磁共振成像由于其高對(duì)比度、高分辨率、可任意選擇成像層面、無輻射傷害等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療診斷、科學(xué)研究等領(lǐng)域。磁共振成像系統(tǒng)是一種極為精細(xì)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)備中的微小誤差或環(huán)境干擾都可能影響成像質(zhì)量，其中一個(gè)比較嚴(yán)重的問題就是由磁場(chǎng)分布不均勻或者線圈靈敏度存在空間差異性造成的灰度不均勻現(xiàn)象。灰度不均勻現(xiàn)象會(huì)造成圖像中同一組織區(qū)域的灰度變化，降低圖像信噪比，對(duì)醫(yī)生診斷和計(jì)算機(jī)輔助分析，如分割、配準(zhǔn)等造成干擾。因此必須在磁共振圖像被應(yīng)用之前

2、進(jìn)行處理以消除非均勻場(chǎng)。非均勻場(chǎng)是一種光滑的、緩慢變化的乘性場(chǎng)，它的存在會(huì)導(dǎo)致磁共振圖像發(fā)生漸變的亮度變化，使同一組織區(qū)域的灰度值發(fā)生偏差。利用這一特性，本文在之前的一些非均勻場(chǎng)校正研究的基礎(chǔ)上提出了兩種新的校正算法:利用灰度信息通過尋找多組織區(qū)域進(jìn)行曲面擬合的方法和利用梯度信息消除類間灰度差的曲面擬合方法。
　　本文首先提出了一種基于多組織區(qū)域查找與多項(xiàng)式擬合的非均勻場(chǎng)校正方法。基于灰度信息的校正方法一般假設(shè)同一種組織所在區(qū)域內(nèi)

3、的灰度值大致相同，為一常數(shù)值。由于受到非均勻場(chǎng)干擾產(chǎn)生偏差，組織內(nèi)部的灰度偏差就反映了圖像的非均勻性特征。傳統(tǒng)的校正算法通過在直方圖中確定閾值的方法來確定某一組織區(qū)域并利用區(qū)域內(nèi)的灰度變化來估計(jì)非均勻場(chǎng)。但這種方法所估計(jì)的非均勻場(chǎng)的精度過于依賴于閾值的選取，閾值的不當(dāng)選擇會(huì)對(duì)圖像中組織分割的結(jié)果造成影響:把應(yīng)分屬于不同組織的區(qū)域劃歸屬于同一組織，或把屬于同一組織的區(qū)域分裂成屬于不同組織的區(qū)域。而這樣的錯(cuò)誤分割結(jié)果會(huì)造成對(duì)非均勻場(chǎng)的錯(cuò)誤估

4、計(jì)。此外，非均勻場(chǎng)的估計(jì)精度還與組織的分布范圍有關(guān)，若用于擬合的組織區(qū)域過于集中于某一局部區(qū)域，則其他區(qū)域的非均勻場(chǎng)會(huì)依賴于多項(xiàng)式的外推，這增加了過擬合的風(fēng)險(xiǎn)。為解決以上問題，本文提出一種改進(jìn)方法，通過區(qū)域增長(zhǎng)來選取磁共振圖像中的組織區(qū)域，并迭代地選取多種組織，從圖像中提取盡可能多的、可以反映非均勻場(chǎng)變化情況的區(qū)域以盡可能覆蓋圖像中的大多數(shù)組織區(qū)域。在擬合菲均勻場(chǎng)曲面時(shí)將這些不同組織區(qū)域內(nèi)的非均勻性特征融合到同一多項(xiàng)式擬合問題中進(jìn)行求解

5、。這種方法提高了非均勻場(chǎng)估計(jì)的精度和魯棒性。
　　本文提出了一種利用梯度信息消除類間灰度差的曲面擬合方法。由于一般的磁共振圖像包含多種組織類型，而非均勻場(chǎng)為乘性場(chǎng)，與組織灰度耦合在一起，采用灰度信息進(jìn)行非均勻場(chǎng)估計(jì)時(shí)，若組織區(qū)域分割錯(cuò)誤，則不同組織之間的灰度差會(huì)對(duì)非均勻性信息的提取造成影響。為了消除這一影響，本文提出一種改進(jìn)算法，將非均勻圖像轉(zhuǎn)換到對(duì)數(shù)域，并對(duì)對(duì)數(shù)域圖像的梯度進(jìn)行處理，通過圖像梯度的變化趨勢(shì)代替灰度值的變化來擬合曲

6、面。這種算法避免了非均勻場(chǎng)與組織灰度耦合的問題。本算法還設(shè)計(jì)了一種結(jié)合x方向和y方向的一階梯度信息的特殊曲面擬合方法，可以避免其他基于梯度的非均勻場(chǎng)估計(jì)方法中的重積分或者二階梯度所引入的較大誤差，能較好地提高非均勻場(chǎng)的估計(jì)精度。將上述方法應(yīng)用于多線圈成像中線圈靈敏度的估計(jì)，并提出了一種改進(jìn)的迭代策略。在多線圈磁共振掃描設(shè)備中，體表線圈的靈敏度變化函數(shù)被用來合成均勻的磁共振圖像或者用于并行加速，因此必須對(duì)線圈靈敏度進(jìn)行精確估計(jì)。線圈靈敏度

7、在圖像上表現(xiàn)為與非均勻場(chǎng)相同的特性，會(huì)使線圈圖像的灰度發(fā)生漸變的變化，因此可以用非均勻場(chǎng)估計(jì)的方法來估計(jì)線圈靈敏度。但是相對(duì)于一般的非均勻場(chǎng)，線圈靈敏度所造成的灰度不均勻性更為強(qiáng)烈，傳統(tǒng)的非均勻場(chǎng)校正算法在用于線圈靈敏度估計(jì)時(shí)會(huì)存在過度放大噪聲的問題。本文提出一種改進(jìn)的層次化迭代的估計(jì)方法，在每一次迭代時(shí)對(duì)當(dāng)前迭代所提取的非均勻性信息與之前迭代所累積的擬合曲面的誤差進(jìn)行估計(jì)。這種改進(jìn)能夠?qū)⒌姆蔷鶆驁?chǎng)估計(jì)方法用于估計(jì)線圈靈敏度，以提高