肝臟R2-準確測量的方法研究.pdf

1、磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging)是二十世紀八十年代發(fā)展起來的一種全新的影像檢查技術(shù)。它主要是根據(jù)生物磁性核（氫核）在磁場中受到射頻脈沖的激勵后發(fā)生核磁共振現(xiàn)象而產(chǎn)生磁共振信號，再經(jīng)梯度磁場的檢測以及計算機系統(tǒng)的處理實現(xiàn)對成像物體結(jié)構(gòu)、生理、和化學(xué)特征成像的。與一些其它常規(guī)的成像技術(shù)如X線成像、CT（Computed Tomography）成像以及超聲成像技術(shù)相比，磁共振成像具有好的軟組織分辨率、成像參數(shù)

2、多、對人體沒有電離輻射傷害等優(yōu)點，而且可以對成像生物體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)或功能進行無創(chuàng)的成像。因此，磁共振在臨床上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，在人類各種疾病的診斷中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
　　地中海貧血是一種遺傳性血液病，嚴重威脅著人類的健康。雖然輸血治療對地中海貧血有一定的療效，能提高病人的生存率，但是治療中反復(fù)的輸血加上貧血可以促使腸道對鐵的吸收功能增強，導(dǎo)致了鐵在人體內(nèi)多個實質(zhì)性器官內(nèi)沉積。大量的鐵沉積會導(dǎo)致心臟衰竭、肝硬化、肝功能退化

3、、糖尿等一系列并發(fā)癥。雖然在輸血治療地中海貧血的過程中會進行除鐵治療，但是過多的除鐵治療劑也會對患者造成一定的傷害，引起人體一系列的并發(fā)癥。雖然肝臟疾病不是地中海貧血死亡的主要原因，但是臨床研究表明肝臟的鐵沉積量是反映全身鐵沉積量的一個重要的指標。因此，準確而有效地測量肝臟鐵沉積量對于地貧患者早期的診斷以及后續(xù)的治療都有非常重要的作用。
　　現(xiàn)已有很多方法可以實現(xiàn)地中海貧血患者肝臟鐵沉積量的測量，包括:血清化學(xué)測量法、肝臟組織活檢

4、法、超導(dǎo)量子干涉法以及成像法。研究表明，血清化學(xué)測量法在評估除鐵治療療效中具有很重要的作用，但是這種方法比較容易受到輸血周期、炎癥以及感染等因素的影響，而且測量到的結(jié)果與肝臟中鐵沉積量沒有相關(guān)關(guān)系。肝臟鐵沉積量測量的金標準是肝臟組織活檢法，但是這種檢查法是一種有創(chuàng)的檢查過程，容易造成肝臟出血等并發(fā)癥，而且肝臟內(nèi)鐵的不均勻分布以及測量中取樣的樣本大小都會影響肝組織活檢測量的準確性。超導(dǎo)量子干涉法由于價格昂貴等原因也沒有得到廣泛的應(yīng)用。基于

5、橫向弛豫時間T2和有效橫向弛豫時間T2*的肝鐵測量方法克服了上述方法的缺點，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
　　當(dāng)肝臟中含鐵量增加時，順磁性的鐵化合物會加劇局部磁場的不均勻性，使信號快速的衰減，也就意味著弛豫率R2(1/T2)、R2*(1/T2*)的增加。已有研究表明，R2和R2*均可用于肝臟鐵沉積的測量，且兩種方法的測量精度大致相同。由于R2與R2*值與組織中鐵沉積量呈正相關(guān)關(guān)系，而且肝鐵T2*值比較小，采用R2*會更有利于表達小的T2

6、*值，所以很多相關(guān)文獻采用R2與R2*值。在本論文的研究中，我們用多回波梯度回波的R2*值來進行肝臟鐵沉積的測量。因為梯度回波序列(Gradient-recalled-echo，GRE)對由順磁性物質(zhì)引起的磁場不均勻性很敏感。
　　R2*的測量主要是基于多回波(multi-echo)梯度回波序列，將采集到的各回波時間上的信號值擬合到特定的衰減模型上，即可獲得R2*的估計值。現(xiàn)已提出了不同的方法用于多回波圖像的R2*估計。其中一類是

7、先平均后擬合方法，是指在不同回波時間的回波圖像上均勻肝實質(zhì)區(qū)域部分的對應(yīng)位置畫出感興趣區(qū)域，然后對感興趣區(qū)域內(nèi)的灰度求平均值，將不同回波圖像上感興趣區(qū)域內(nèi)灰度的平均值擬合到特定的衰減模型即可得出肝臟的R2*值。這種方法的優(yōu)點就是可以避免血管和膽汁對結(jié)果造成影響。但是，由于鐵在患者肝臟內(nèi)的分布可能是不均勻的，這種方法得出的R2*值只能提供一個肝臟R2*值的平均估計，而不能反映出肝臟內(nèi)鐵的分布。而且，選定的感興趣區(qū)域的位置和大小由于操作者的

8、不同而不同，可能會導(dǎo)致測量誤差。第二類是對整個肝臟內(nèi)的像素點逐點擬合方法，得到肝臟某一層面的R2*圖。這種逐點擬合的方法得到的R2*圖可以很好的反映出肝臟該層面內(nèi)鐵的分布情況，但是在信噪比低的地方尤其是在肝臟鐵沉積嚴重的地方，這種方法就會導(dǎo)致較大的偏差和方差。
　　我們可以采取優(yōu)化圖像協(xié)議，比如增加像素的帶寬或增加激勵的次數(shù)，來達到提高圖像信噪比的目的。但是，它們是以降低圖像的分辨率和增加采集時間為代價的，所以這兩種方法都是不可行

9、的。因此磁共振圖像經(jīng)常會被噪聲污染，這些噪聲將會影響R2*測量的準確性。
　　噪聲對衰減曲線的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:一是，非零均值的噪聲使弛豫衰減曲線由兩部分組成:前期回波時間內(nèi)快速衰減的部分和后期回波時間緩慢衰減達到平臺期的部分。尤其是在肝臟鐵沉積比較嚴重的地方，這種現(xiàn)象更加明顯。二是，噪聲會使衰減曲線偏離其期望值而上下波動。
　　大量的研究針對第一種情況提出了不同的擬合模型。平移模型是一種把后期回波時間內(nèi)緩慢變化的部分

10、看成一個常數(shù)加在單指數(shù)擬合模型上的擬合方法。這種模型可以降低數(shù)據(jù)擬合誤差，然而該模型對噪聲等因素影響磁共振信號的機制缺乏深入的考慮。截斷模型是認為衰減曲線中緩慢變化的部分是由噪聲、偽影等所造成的，可以把平臺期的點舍棄掉，然后將剩余的點用單指數(shù)擬合模型來擬合。在心臟和肝臟的R2*測量中，截斷模型已經(jīng)被證明具有很好的重復(fù)性，而且當(dāng)數(shù)據(jù)是由相位陣線圈采集得到時，截斷模型可以提高R2*測量值的準確性。但是，截斷模型在肝臟R2*的測量中有一個很大

11、的局限性。肝臟中鐵沉積量要比心臟中的鐵沉積量大很多。在鐵含量嚴重超載的肝臟中，衰減信號快速衰減到噪聲水平，那么截斷模型就有可能找不到足夠的點來進行擬合。最近的研究中又提出了一階矩噪聲修正模型和二階矩噪聲修正模型，這兩種方法可以更準確的刻畫非中心卡分布的噪聲對信號衰減曲線的影響，且優(yōu)于平移模型和截斷模型，具有很高的精度。
　　針對第二種情況，有研究提出了一種通過非局部均值(Non-Local Means，NLM)算法來提高逐點擬合R

12、2*圖準確性的方法，這篇文章的主要思想是在對衰減信號進行擬合前，首先分別對每幅回波圖像進行非局部均值濾波，去除回波圖像中的噪聲，然后利用濾波后的回波圖像進行二階矩噪聲修正模型的擬合。仿真實驗結(jié)果和真實數(shù)據(jù)實驗結(jié)果都證明了這種先濾波后擬合方法的可行性。
　　非局部均值算法的思想是利用以待去噪點為中心的搜索窗內(nèi)像素值的加權(quán)平均來進行去噪的。這種算法已經(jīng)成功的被應(yīng)用到磁共振圖像萊斯分布噪聲的去除上。這種算法在保持圖像的邊緣和細節(jié)以及在平

13、坦區(qū)域噪聲的去除上都有很好的效果，這是因為非局部均值去噪算法中權(quán)重的大小可以根據(jù)圖像局部特征的不同而自適應(yīng)的改變。所以這種算法本質(zhì)上是非線性的自適應(yīng)濾波過程。在利用非局部均值算法分別對每幅回波圖像進行去噪的時候，由于算法的非線性以及每個回波圖像上的特征不完全相同，這就給衰減曲線帶來額外的失真。
　　針對上述方法的不足，我們將每一個衰減信號看成一個基本單元來進行加權(quán)平均去噪。這就避免了對回波圖像單獨進行去噪時，濾波器的非線性特性所帶

14、來的失真問題。我們提出的方法的思想主要是:在以待去噪衰減信號為中心的大的搜索窗內(nèi)，通過衰減信號之間歐式距離的比較來確定搜索窗內(nèi)其他衰減信號和待去噪衰減信號之間的相似性，并將大的權(quán)重賦予那些與待去噪衰減信號相似的衰減信號，然后通過搜索窗內(nèi)衰減信號的加權(quán)平均來達到去噪的目的。
　　為了驗證我們的方法在R2*測量結(jié)果的準確性方面比原有NLM方法好，我們分別在仿真數(shù)據(jù)上和真實的臨床數(shù)據(jù)上做了對比實驗。
　　仿真實驗中，我們的實驗數(shù)據(jù)

15、仿真方案為:根據(jù)臨床上已分割好的典型真實肝部圖像來仿真肝實質(zhì)與血管等解剖位置;然后將血管區(qū)域的R2*值設(shè)為33s-1，把肝實質(zhì)區(qū)域的R2*值設(shè)為代表不同鐵沉積水平的值，生成參考的R2*圖。根據(jù)參考R2*圖以及預(yù)設(shè)S0，采樣理想自由衰減信號就可以得到不同回波圖像上的理想圖像;將圖像的實部和虛部都加上高斯噪聲再取模，就可以實現(xiàn)噪聲的仿真。根據(jù)實際情況變換仿真數(shù)據(jù)中肝鐵沉積的水平以及噪聲的水平，可以用來評價我們方法和原有NLM方法在不同的鐵沉

16、積水平和噪聲水平級下R2*圖測量的準確性。實驗中用到的臨床數(shù)據(jù)是分別對應(yīng)著正常的肝鐵沉積量、中等的肝鐵沉積量、嚴重的肝鐵沉積量的三名志愿者的肝臟橫斷面回波圖像。圖像是在1.5T西門子磁共振上掃描得到的，采用的是多回波的梯度回波序列。
　　仿真實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明本論文提出的ADSSW方法和NLM方法均可提高R2*圖測量的準確性。ADSSW方法測量得到的R2*圖中，肝實質(zhì)和血管的交界處邊緣清晰，且在血管的周圍沒有奇異值的出現(xiàn)。而NLM方

17、法測量到的R2*圖中，邊緣出現(xiàn)模糊的現(xiàn)象且在血管的周圍可以看到明顯的奇異點。從對應(yīng)的誤差圖上更好的看出來。由肝臟R2*圖中過血管直線的R2*值統(tǒng)計圖可以看出，ADSSW方法測量得到的R2*值更接近真實的R2*值，更好的保持了邊緣細節(jié)。此外，在不同噪聲水平級下，本論文提出方法測得的R2*圖都具有最小的RMSE，再次驗證了我們方法的優(yōu)越性。
　　在臨床真實數(shù)據(jù)實驗中，本論文ADSSW方法得到的R2*圖中血管的形狀得到了很好的保持，且沒