基于扩散磁共振成像的脑结构网络构建
发布时间：2021-08-31 06:37
人脑是自然界中最复杂的系统之一,脑科学一直以来都是科学家们研究的热门领域。近年来,磁共振成像技术、脑白质纤维追踪技术和脑结构网络构建的飞速发展,人们对大脑内复杂纤维束路径及各脑区间的网络连接情况有了更加深入的认识,且能为临床医学各种神经系统疾病诊断和预防提供强有力的理论依据和技术手段。结合国家及浙江省自然科学基金项目研究,本论文基于扩散磁共振成像构建脑结构网络。首先,本文简述了国内外扩散磁共振成像、神经纤维束跟踪技术以及脑结构网络构建研究进展和现状,并介绍磁共振成像和扩散磁共振成像的基本成像原理。采用扩散张量成像（DTI）、Q-Ball成像（QBI）、SPFI成像三种模型重建脑区中单个体素所对应神经纤维方向,并在Fiber Cup仿真数据集上和脑真实数据集上对比三种重建方案的性能。其次,本文提出了一种新的基于非均匀有理B样条（NURBS）曲线拟合的算法来跟踪白质纤维路径。基于Fiber Cup数据集和脑数据集,采用局部的点对点性能度量和全局的连接度量,并在大脑胼胝体、顶叶和颞叶3个ROI区域与传统纤维跟踪算法FACT进行跟踪性能比较。结果表征本文提出的NURBS算法所跟踪出的纤维路径显...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大脑纤维复杂结构示意图
杭州电子科技大学硕士学位论文5发生器产生一个短而强的射频场，以脉冲形式施加到成像物体上，使其质子发生磁共振现象。射频接收器用来接收MR信号调制的射频信号并对其进行放大处理，再经模数转换器，将模拟信号转换成数字信号，再进入计算机图像系统进行可视化处理。图像处理系统对MR信号进行采集，并根据其信号强弱用不同的灰度等级显示出欲观察层面的图像，即可重建出临床医学中常见的MRI图像。图1.2MRI成像系统框图1.3.2磁共振成像原理1.3.2.1质子自旋磁共振现象为磁共振成像确立了坚实的理论基矗原子是磁共振成像的物质基础，由原子核和电子构成。原子核带有正电荷，会以一定频率发生自旋形成电流环路，从而产生具有一定大小和方向的磁场，称为核磁。人体中氢质子1H占人体原子数量的2/3，且1H的磁化率很高，所以现实中所看到的MRI主要为氢质子1H的MR图像[34]。进入主磁场前，人体内每个质子自旋都会产生一个小磁场，但质子总体上处于随机分布状态，产生的宏观磁化矢量会相互抵消，因此人体在自然状态下并无磁性，宏观磁化矢量M=0。当人体位于主磁场B时，质子自旋产生的小磁场方向与主磁场方向平行或相反，因此人体会产生一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量Mz。同时由于主磁场B的存在，质子磁矩矢量会开始绕B方向以一定的角频率进行陀螺式的摇摆样运动，称为Larmor进动[35]。拉莫尔进动的角频率为：B(1.1)其中为旋磁比，不同物质的旋磁比不同，如氢质子的旋磁比为42.5mHz/T，是一个常数，B为主磁场场强，质子进动示意图如图1.3所示。进动使每个氢质子均能产生稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量，但由于质
杭州电子科技大学硕士学位论文6子相位不同，每个质子横向磁化分矢量相抵消，因而只有宏观纵向磁化矢量产生。图1.3Larmor进动1.3.2.2磁共振现象向主磁场B中施加一个由射频线圈发射出的90o射频脉冲（RF，RadioFrequencyPulse），使磁化矢量发生偏转，产生横向分量，且这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动频率相同，这样质子才能从电磁波中接收能量，此现象称为“共振”。低能态氢质子有一半汲取RF中的能量进入高能态，此时纵向磁化矢量Mz相互抵消等于零，且质子处于同相位，产生最大的旋转宏观横向磁化矢量Mxy。射频脉冲RF撤销后，质子开始释放能量，失去相位一致性，横向宏观磁化矢量很快螺旋式衰减到0，纵向宏观磁化矢量从0逐渐恢复到最初的平衡状态，将这一过程称为核磁弛豫，其过程如图1.4所示。当横向磁化矢量Mxy穿过接收线圈时，会引起线圈磁通量的变化，从而在线圈内可感应出正弦规律振荡、按指数规律衰减的核磁共振信号，也称为自由感应衰减（FID，FreeInductionDecay）信号[36]。为了抵消主磁场B恒定不均匀造成质子的失相位，施加一个180o的射频脉冲，使失相位的质子的相位重聚，获得真正的T2弛豫图像，并产生自旋回波信号（SpinEchoSingal），也即MR信号，其产生过程如图1.5所示。射频接收器接收MR信号并对其进行数字化处理最终得到数字化信息。图1.4核磁弛豫过程示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]大科学引领大发现时代[J]. 贺福初. 国防. 2019(01)
[2]DTI脑连接组分析中分割模板的选择[J]. 林岚,张柏雯,靳聪,吴水才. 北京工业大学学报. 2018(04)
[3]基于QBI成像技术构建脑结构连接网络[J]. 吴占雄,李珣. 航天医学与医学工程. 2016(06)
[4]基于阈值的脑白质纤维概率跟踪算法[J]. 钱洁,易三莉,邵党国,郭贝贝,苗莹. 计算机工程. 2015(06)
[5]阿尔茨海默病的神经影像学研究进展[J]. 贺永. 生物化学与生物物理进展. 2012(08)
[6]复杂脑网络研究进展——结构、功能、计算与应用[J]. 孙俊峰,洪祥飞,童善保. 复杂系统与复杂性科学. 2010(04)
[7]人脑连接组研究:脑结构网络和脑功能网络[J]. 梁夏,王金辉,贺永. 科学通报. 2010(16)
[8]应用DTI技术对人脑白质纤维束的初步研究[J]. 邱明国,王健,谢兵,巫北海,张绍祥. 医用生物力学. 2006(03)
[9]磁共振扩散张量成像在显示正常人脑白质纤维中的应用[J]. 王海燕,赵斌,王光彬. 中国医学影像技术. 2006(09)
[10]基于扩散张量的脑白质内神经纤维束的可视化技术[J]. 赵欣,王明时,高伟,刘海婴. 生物医学工程学杂志. 2006(04)
博士论文
[1]基于忆阻器的电路分析及其在神经形态系统中的应用[D]. 董哲康.浙江大学 2019
[2]高角分辨率成像中方向概率密度函数的估计[D]. 张娜.浙江大学 2012
硕士论文
[1]基于卷积神经网络的运动想象脑机接口系统算法研究[D]. 赵泽宇.山东师范大学 2019
[2]Gd-EOB-DTPA增强MRIT1 mapping在DN-HCC分化程度的评估及肝癌TACE碘油沉积预测研究[D]. 覃夏丽.广西医科大学 2019
[3]脑白质纤维追踪算法研究[D]. 郑宁.北京理工大学 2016
[4]脑白质纤维群智能跟踪算法研究及可视化系统开发[D]. 王哲进.浙江工业大学 2013
[5]基于DTI的脊髓型颈椎病定量分析方法的研究[D]. 张金凤.哈尔滨工业大学 2012
[6]面向复杂脑神经纤维结构重建的处理方法研究[D]. 刘美霞.天津大学 2012
[7]面向脑神经结构重建的图像处理方法研究[D]. 周杰.天津大学 2010
[8]DWI对脑转移瘤的的诊断价值研究[D]. 高建伟.泰山医学院 2009
[9]磁共振扩散张量成像的可视化研究[D]. 陈穗芬.第一军医大学 2007
本文编号：3374401
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大脑纤维复杂结构示意图
杭州电子科技大学硕士学位论文5发生器产生一个短而强的射频场，以脉冲形式施加到成像物体上，使其质子发生磁共振现象。射频接收器用来接收MR信号调制的射频信号并对其进行放大处理，再经模数转换器，将模拟信号转换成数字信号，再进入计算机图像系统进行可视化处理。图像处理系统对MR信号进行采集，并根据其信号强弱用不同的灰度等级显示出欲观察层面的图像，即可重建出临床医学中常见的MRI图像。图1.2MRI成像系统框图1.3.2磁共振成像原理1.3.2.1质子自旋磁共振现象为磁共振成像确立了坚实的理论基矗原子是磁共振成像的物质基础，由原子核和电子构成。原子核带有正电荷，会以一定频率发生自旋形成电流环路，从而产生具有一定大小和方向的磁场，称为核磁。人体中氢质子1H占人体原子数量的2/3，且1H的磁化率很高，所以现实中所看到的MRI主要为氢质子1H的MR图像[34]。进入主磁场前，人体内每个质子自旋都会产生一个小磁场，但质子总体上处于随机分布状态，产生的宏观磁化矢量会相互抵消，因此人体在自然状态下并无磁性，宏观磁化矢量M=0。当人体位于主磁场B时，质子自旋产生的小磁场方向与主磁场方向平行或相反，因此人体会产生一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量Mz。同时由于主磁场B的存在，质子磁矩矢量会开始绕B方向以一定的角频率进行陀螺式的摇摆样运动，称为Larmor进动[35]。拉莫尔进动的角频率为：B(1.1)其中为旋磁比，不同物质的旋磁比不同，如氢质子的旋磁比为42.5mHz/T，是一个常数，B为主磁场场强，质子进动示意图如图1.3所示。进动使每个氢质子均能产生稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量，但由于质
杭州电子科技大学硕士学位论文6子相位不同，每个质子横向磁化分矢量相抵消，因而只有宏观纵向磁化矢量产生。图1.3Larmor进动1.3.2.2磁共振现象向主磁场B中施加一个由射频线圈发射出的90o射频脉冲（RF，RadioFrequencyPulse），使磁化矢量发生偏转，产生横向分量，且这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动频率相同，这样质子才能从电磁波中接收能量，此现象称为“共振”。低能态氢质子有一半汲取RF中的能量进入高能态，此时纵向磁化矢量Mz相互抵消等于零，且质子处于同相位，产生最大的旋转宏观横向磁化矢量Mxy。射频脉冲RF撤销后，质子开始释放能量，失去相位一致性，横向宏观磁化矢量很快螺旋式衰减到0，纵向宏观磁化矢量从0逐渐恢复到最初的平衡状态，将这一过程称为核磁弛豫，其过程如图1.4所示。当横向磁化矢量Mxy穿过接收线圈时，会引起线圈磁通量的变化，从而在线圈内可感应出正弦规律振荡、按指数规律衰减的核磁共振信号，也称为自由感应衰减（FID，FreeInductionDecay）信号[36]。为了抵消主磁场B恒定不均匀造成质子的失相位，施加一个180o的射频脉冲，使失相位的质子的相位重聚，获得真正的T2弛豫图像，并产生自旋回波信号（SpinEchoSingal），也即MR信号，其产生过程如图1.5所示。射频接收器接收MR信号并对其进行数字化处理最终得到数字化信息。图1.4核磁弛豫过程示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]大科学引领大发现时代[J]. 贺福初. 国防. 2019(01)
[2]DTI脑连接组分析中分割模板的选择[J]. 林岚,张柏雯,靳聪,吴水才. 北京工业大学学报. 2018(04)
[3]基于QBI成像技术构建脑结构连接网络[J]. 吴占雄,李珣. 航天医学与医学工程. 2016(06)
[4]基于阈值的脑白质纤维概率跟踪算法[J]. 钱洁,易三莉,邵党国,郭贝贝,苗莹. 计算机工程. 2015(06)
[5]阿尔茨海默病的神经影像学研究进展[J]. 贺永. 生物化学与生物物理进展. 2012(08)
[6]复杂脑网络研究进展——结构、功能、计算与应用[J]. 孙俊峰,洪祥飞,童善保. 复杂系统与复杂性科学. 2010(04)
[7]人脑连接组研究:脑结构网络和脑功能网络[J]. 梁夏,王金辉,贺永. 科学通报. 2010(16)
[8]应用DTI技术对人脑白质纤维束的初步研究[J]. 邱明国,王健,谢兵,巫北海,张绍祥. 医用生物力学. 2006(03)
[9]磁共振扩散张量成像在显示正常人脑白质纤维中的应用[J]. 王海燕,赵斌,王光彬. 中国医学影像技术. 2006(09)
[10]基于扩散张量的脑白质内神经纤维束的可视化技术[J]. 赵欣,王明时,高伟,刘海婴. 生物医学工程学杂志. 2006(04)
博士论文
[1]基于忆阻器的电路分析及其在神经形态系统中的应用[D]. 董哲康.浙江大学 2019
[2]高角分辨率成像中方向概率密度函数的估计[D]. 张娜.浙江大学 2012
硕士论文
[1]基于卷积神经网络的运动想象脑机接口系统算法研究[D]. 赵泽宇.山东师范大学 2019
[2]Gd-EOB-DTPA增强MRIT1 mapping在DN-HCC分化程度的评估及肝癌TACE碘油沉积预测研究[D]. 覃夏丽.广西医科大学 2019
[3]脑白质纤维追踪算法研究[D]. 郑宁.北京理工大学 2016
[4]脑白质纤维群智能跟踪算法研究及可视化系统开发[D]. 王哲进.浙江工业大学 2013
[5]基于DTI的脊髓型颈椎病定量分析方法的研究[D]. 张金凤.哈尔滨工业大学 2012
[6]面向复杂脑神经纤维结构重建的处理方法研究[D]. 刘美霞.天津大学 2012
[7]面向脑神经结构重建的图像处理方法研究[D]. 周杰.天津大学 2010
[8]DWI对脑转移瘤的的诊断价值研究[D]. 高建伟.泰山医学院 2009
[9]磁共振扩散张量成像的可视化研究[D]. 陈穗芬.第一军医大学 2007
本文编号：3374401
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