醫(yī)學(xué)圖像部分容積效應(yīng)校正方法研究及其應(yīng)用.pdf

1、部分容積效應(yīng)是各種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備普遍存在的問題。在同一掃描層面中含有兩種或兩種以上不同密度的物質(zhì)時,所測值是這些物質(zhì)信號值的平均,不能反映其中任何一種物質(zhì)的信號值。這種現(xiàn)象稱為部分容積效應(yīng)。
　　 正電子發(fā)射計算機斷層顯像是核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中較先進的臨床檢查影像技術(shù)。與其他成像設(shè)備相比,具有靈敏度高、特異性高、全身顯像、安全性好等優(yōu)勢。由于PET顯像理論和探測技術(shù)上的限制,PET成像的部分容積效應(yīng)較CT、MRI等其他顯像設(shè)備更為突出。病

2、灶上的每一點都會經(jīng)點擴展函數(shù)擴展成一個分布,使圖像中不應(yīng)有放射性物質(zhì)的地方出現(xiàn)顯像,而應(yīng)顯像的地方變?nèi)?。部分容積效應(yīng)不僅使病灶放射性濃度降低,并且使病灶尺寸擴大、邊界模糊從而影響臨床診斷。部分容積效應(yīng)是影響PET圖像質(zhì)量及定量分析精度的主要因素。因此,對部分容積效應(yīng)的校正問題是核醫(yī)學(xué)亟需解決的一個難題。
　　 目前PET圖像部分容積效應(yīng)校正方法有:一是恢復(fù)系數(shù)校正法,該方法是部分容積效應(yīng)校正最簡單最常用的方法?；謴?fù)系數(shù)等于觀察圖

3、像上所測得濃度與真實放射性濃度的比值,但恢復(fù)系數(shù)的取值受病灶大小以及感興趣區(qū)域大小的影響,在臨床上很難界定病灶的真實大小,因此該方法難以應(yīng)用于臨床。二是合并示蹤劑動力學(xué)模型的方法,將部分容積效應(yīng)合并到示蹤劑的動力學(xué)模型中,用生理參數(shù)對部分容積效應(yīng)進行估計。但該方法僅適用于可以使用示蹤劑動力學(xué)模型分析的情況,三是基于MRI/CT等解剖成像的方法。基本原理是利用MRI或CT圖像確定病灶的解剖結(jié)構(gòu)大小,結(jié)合PET提供的病灶的功能和代謝等分子信

4、息,設(shè)計算法恢復(fù)真實的放射性濃度。該方法主要用于研究PET腦圖像,且要求有高分辨率的CT或MRI解剖圖像與PET圖像進行精確配準(zhǔn)。四是基于圖像理論的方法,利用數(shù)學(xué)最優(yōu)化理論估計真實放射性濃度的大小,該類方法需先建立模型,計算較復(fù)雜且耗時長。
　　 磁共振成像是一種非侵入性的對人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像的技術(shù),是利用人體中水分子的原子核在磁場內(nèi)共振所產(chǎn)生信號經(jīng)重建成像的一種成像技術(shù)。與其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)相比,具有無電離輻射損害、多序列多方向多

5、參數(shù)成像、軟組織結(jié)構(gòu)顯像清晰等優(yōu)點,是醫(yī)學(xué)臨床和科研的一種十分重要的檢測手段。
　　 在磁共振成像技術(shù)的發(fā)展過程中,各種偽影干擾著其成像質(zhì)量。偽影包括金屬偽影、化學(xué)位移偽影、運動偽影、截斷偽影和部分容積效應(yīng)偽影等等。其中,圖像處理偽影中的部分容積效應(yīng)偽影是本課題所研究的主要對象。由于偽影導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)了虛假信息,造成關(guān)鍵組織細(xì)節(jié)的模糊,影響MR成像質(zhì)量,從而嚴(yán)重影響臨床診斷的準(zhǔn)確性。因此對其進行校正是十分必要的。
　　

6、MRI圖像部分容積效應(yīng)校正方法主要有三類:一是圖像插值方法,包括經(jīng)典的最近鄰插值、雙線性插值、雙三次插值及一些改進的插值方法。但該類方法僅利用灰度級信息,未對部分容積過程作假定,得到的結(jié)果往往較模糊。二是非線性擴散方法,一般先采用插值方法進行處理,再通過控制擴散過程達到平滑同質(zhì)區(qū)域同時銳化邊緣的效果。該類方法效果較好但有可能產(chǎn)生額外的圖像偽影。三是分類的方法,先建立圖像直方圖模型,采用像素間的空間信息來估計每個像素中的混合組織類型并對其

7、進行分類。該類方法直方圖建模的精確性對結(jié)果影響很大且需定義較多參數(shù)。
　　 各向異性擴散方法因其能同時平滑圖像和保留邊緣在圖像處理中引起了廣泛關(guān)注。各向異性逆擴散方法是在時間軸上逆向執(zhí)行擴散方程,能實現(xiàn)在濾波的同時,增強圖像邊緣。逆擴散即灰度值從低灰度區(qū)域向高灰度區(qū)域擴散,使得高灰度區(qū)域更高、低灰度區(qū)域更低,達到銳化的作用。部分容積效應(yīng)是使圖像兩種物質(zhì)邊界模糊的一種偽影,采用逆擴散方法的邊緣增強特性可以得到解決。因此,從原理上逆

8、擴散方法可以應(yīng)用于部分容積效應(yīng)的去除。
　　 本文分別對PET圖像和MRI圖像的部分容積效應(yīng)的成因及其校正方法進行了深入的分析和研究,分別提出了校正方法,并進行了推廣應(yīng)用。主要包括:
　　 研究了正電子圖像部分容積效應(yīng)校正方法,本文采用基于MRI解剖圖像的方法,使用高分辨率的MRI解剖圖像進行病灶的精確解剖定位,結(jié)合PET提供病灶的功能與代謝等分子信息,設(shè)計算法恢復(fù)真實的放射性濃度達到校正效果。并對兩組(年輕組和年老組)

9、校正前、后PET圖像數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,結(jié)果顯示:校正前圖像統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),相對年輕組,年老組腦血流在部分感興趣區(qū)出現(xiàn)顯著下降,而校正后圖像統(tǒng)計分析未發(fā)現(xiàn)有顯著下降,此結(jié)果表明腦血流量并不隨年齡的增長而下降,符合當(dāng)前共識。實驗結(jié)果提示進行腦功能分析時,部分容積效應(yīng)校正的必要性。
　　 研究了基于逆擴散的MRI圖像部分容積效應(yīng)的校正方法。從各向異性逆擴散方法可以同時達到平滑圖像和增強邊緣的作用出發(fā),針對帶部分容積效應(yīng)偽影的MRI圖像特

10、點,研究一種基于逆擴散的后處理方法。該方法采用像素直接擴散方法,在二維圖像上進行像素的擴散流動,設(shè)定流動限制代替擴散系數(shù)項控制圖像不同區(qū)域的擴散速度,以保證結(jié)果的穩(wěn)定性。避免了求解偏微分方程并克服逆擴散方程的不穩(wěn)定性,實現(xiàn)了MRI圖像部分容積效應(yīng)的校正。
　　 同時針對MRI圖像中的Gibbs環(huán)形偽影問題,應(yīng)用上述逆擴散方法進行處理,有效去除了圖像偽影并保留有價值的邊緣細(xì)節(jié),明顯提高了圖像質(zhì)量。
　　 本文在逆擴散方法的