基于相位图像质量的解缠绕方法在磁共振水和脂肪成像中的研究

发布时间：2018-04-04 21:12

本文选题：磁共振成像　切入点：水和脂肪分离　出处：《南方医科大学》2014年硕士论文

【摘要】：磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)是一种利用原子核的核磁共振现象(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)产生磁共振信号,通过外加梯度磁场检测电磁波信号,这些信号通过计算机系统处理实现对物体结构、生理和化学特征的成像。相对于其他的一些医学成像技术,如X线成像,CT成像和超声成像等,磁共振成像技术具有不会对人体造成损伤,也不产生电离辐射,而且具有多种对比度成像,可以得到不同加权特性的图像,并能够根据不同的需要灵活选择成像参数与成像层面等优势。磁共振成像已成为现代医学影像学的重要检查手段之一,正在人类疾病的诊断中发挥着无与伦比的作用。磁共振成像通常是对组织内的氢质子进行成像,氢质子主要存在于水分子和脂肪分子中。人体内的脂肪组织不仅质子密度高,而且纵向弛豫时间很短,横向弛豫时间较长,所以脂肪信号通常在图像中显示较亮。在实际的临床诊断中,水信号的图像往往是我们感兴趣的。高亮度的脂肪信号不但会降低图像的对比度,掩盖潜在的病变,而且还会产生运动伪影；同时由于不同分子内质子进动频率有轻微差别(即化学位移效应),富含脂肪的组织还会产生化学位移伪影。另一方面,在很多临床应用中,脂肪信号也是一种非常重要的诊断指标,组织中是否含有脂肪或组织中脂肪含量的比重对病变的判定和诊断都是十分重要的,例如诊断骨髓疾病、肝脏疾病和心脏疾病等。为了满足临床的需要,对脂肪信号的抑制或者是水和脂肪的分离成像是十分有意义的。这是因为：抑制脂肪信号可以增强水信号图像的对比度,减少因脂肪信号造成的运动伪影与化学位移伪影,有利于观察组织的细微结构；分离出脂肪信号的图像可以定性分析与脂肪有关的疾病,量化细胞内脂肪含量与某些疾病的联系。在磁共振成像中,水中的氢质子和脂肪中的氢质子因为其所处的分子环境不同,他们的共振频率也有差别,即所谓的化学位移效应(Chemical Shift Effect, CSE)。利用这一特性可以将水信号和脂肪信号分离开。目前较为成熟方法是三点Dixon方法实现水和脂肪分离技术。它与传统的脂肪频率饱和抑制(Fat-Sat)、短TI反转恢复序列法(STIR)等方法相比有许多优点。Dixon方法不需要通过预脉冲对组织纵向磁化进行干扰,因此不会影响组织的纵向磁化。由于分子的结构不同,脂肪中的氢质子周围受电子云的屏蔽作用比水分子中的氢质子明显。因此在同一场强下脂肪中的氢质子进动频率要略低于水中的氢质子,根据化学位移定义可知,脂肪质子与水质子频率差约为3.5ppm,即147Hz/T。Dixon方法是根据水和脂肪中氢质子的共振频率差别,通过控制回波时间和采集时间,采集水信号和脂肪信号相位相同和相反的图像,将两个图像相加或相减得到水图像和脂肪图像。另外还需要多采集一幅水和脂肪相反相位的图像来计算磁场不均匀性的信息,所以Dixon方法对静磁场B0的不均匀性不敏感。但是在磁共振成像中,磁场的不均匀性是通过相位信息表现出来,而磁共振系统产生的相位值被限制在(-π,π]这个范围内,所以存在相位缠绕。发生相位缠绕的信号在水和脂肪的图像中会出现互换伪影。所以,三点Dixon方法的关键问题是相位的解缠绕。目前相位解缠绕的方法非常多,主要分为三类：第一类称为路径示踪解缠绕法,采用基于某种先验信息的路径积分来实现相位解缠绕；第二类是最小范数的方法,它是以全局为标准,采用最优化的思想,通过寻求相位解缠绕前后相位梯度差的最小化来实现相位解缠绕；第三类是最大流或最小割法,通过引入图论中最大流模型,将解缠绕问题转化为解一个网络最大流或最小割的问题。但是没有一种方法能够稳定有效地解决相位缠绕问题。本文提出了一种基于相位图像质量的解缠绕方法。在相位图像中,由磁场不均匀性等因素造成的相位偏差通常被认为比较平滑的。但是由于相位的缠绕、空气和组织交界处及骨骼和组织交界处产生的共振频率不一致性干扰,实际得到的相位图像是不平滑的。如果把相位图像中相邻像素梯度变化大小作为图像的质量,那么这些出现缠绕和干扰的点相位图像质量差,而相对均匀的连续组织像素点相位图像质量高。我们对相位图像质量高的区域先进行解缠绕,然后利用已解缠绕质量高的区域指导质量差的像素点做解缠绕,就可以得到良好的解缠绕的相位图像。该方法实现的具体步骤：首先对采集到的图像域内的相位图像进行滤波处理,滤波的目的是降低相位噪声污染对相位图像质量的影响,滤波方法是将经典的Non-local均值滤波扩展到复数域内,对图像数据的实部和虚部分别进行滤波；然后,用一个梯度阈值将相位图像按质量高低分成两个部分,其中质量高的部分也因此被分割成几个不连接的区域。由于发生相位缠绕的像素点梯度变化较大,所以质量高的部分每个区域内的所有像素都不存在相位缠绕现象,相位缠绕只存在于区域与区域之间；然后用曲面拟合的方法将这些区域逼近一个平滑的二次曲面,即在不改变相位主值的基础上,对每个区域增加或者减少2π的整数倍数,即Φ(t)=Φw(t)+2kπ, k=0,±1,±2,…,并满足相位梯度差最小,得到高质量区的解缠绕相位；质量低的部分逐个像素点进行解缠绕,利用该点周围高质量区域的点(这些点的相位已经完成解缠绕)拟合一个平滑的曲面来指导该点的相位解缠绕。该方法的创新之处在于：利用傅里叶变换的平移特性,对两个水和脂肪相位相反的k空间数据平移,减少相位图像中的条纹数,降低了相位解缠绕的复杂程度；将Non-local均值滤波扩展到复数域内,对图像数据的实部和虚部分别滤波,相当于对图像的幅度和相位进行滤波,既很好的保留了图像相位组织边缘和相位缠绕的轮廓,又去除了噪声对图像梯度的影响；对图像高质量区按块进行解缠绕,保证了同一区域的相位信息保持不变,避免了相邻像素之间不一致。本文分别用体模数据和临床数据对实验方法进行验证。实验设备为宁波鑫高益磁材有限公司的XGY-OPER-0.35T永磁型MRJ设备,扫描序列采用SE-Dixon序列,线圈选择膝关节线圈,扫面参数为TR/TE=580/28ms, FOV=240×240, FA=90°, Matrix=256×256, NEX=1, Thickness=8.0mm。体模是由10支装有不同比例地纯净水和大豆油的离心管组成,其中有两支离心管作为对比：一只离心管内全部为水,另一只离心管内全部为大豆油。为了使水和油均匀相溶,在溶液中加入适量表面活性剂十二甲基硫酸钠(SDK,15mmol/L)。另外加入少量顺磁性五水硫酸铜(CuSO4·5H2O,0.5g/L)来缩短弛豫时间,加入约40g/L的琼脂粉作为凝固剂。临床数据是扫描14名志愿者右腿膝关节的横断面和矢状面,采集层数为10层,右脚踝矢状面,采集层数为5层,共得到340幅数据图像。分析体模数据实验结果,在分离出来的脂肪图像中,图像的亮度随着油脂浓度升高而变亮,且近似成线性关系；对照组全部为水的离心管在脂肪图像中信号强度为0；全部为油的离心管在水图像中的信号强度也为0,说明水和脂肪完全分开。在临床数据中,所有层面相位图像的解缠绕良好,水和脂肪图像基本全部分离。在水图像中,没有了脂肪信号影响,组织间的对比度更加明显,肌肉组织和骨骼很好的区分开,关节软骨和周围的结缔组织的图像不再被高亮的脂肪掩盖,关节软骨的解剖结构更清晰,更加便于医生的临床诊断；脂肪图像可以根据图像的亮度估计组织内的脂肪分布和含量。
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【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R445.2

【参考文献】