人腦三維彌散張量影像數(shù)字化統(tǒng)計圖譜研究.pdf

1、人腦彌散張量DTI圖像作為一種非侵入性成像技術(shù)，能夠提供傳統(tǒng)CT、MRI等結(jié)構(gòu)成像方式難以捕捉的白質(zhì)纖維走行信息，拓展了人腦連接組(human brain connectome)研究、人腦疾病診斷等多個研究領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、處理和分析手段，豐富了描述人腦微觀解剖結(jié)構(gòu)及功能特征的表示方法，在理論及工程上引起了極大的關(guān)注。數(shù)字化統(tǒng)計圖譜（digital statistical atlas）是計算神經(jīng)解剖學(xué)(computational neur

2、oanatomy)研究框架中一個十分重要的分支。通過對大規(guī)模正常人群醫(yī)學(xué)影像樣本數(shù)據(jù)集進行統(tǒng)計意義上的學(xué)習(xí)和建模，形成蘊含正常人群解剖結(jié)構(gòu)共性特征，并帶有一定泛化能力(generalization ability)的數(shù)字化統(tǒng)計圖譜，是檢測未知個體與正常人群結(jié)構(gòu)形態(tài)差異性的基礎(chǔ)。
　　 研究創(chuàng)建三維DTI圖像數(shù)字化統(tǒng)計圖譜（簡稱“DTI統(tǒng)計圖譜”）具有十分重要的意義，國內(nèi)外相關(guān)研究仍處于起步階段。DTI圖像本質(zhì)上是一個三維二階張量

3、場。DTI統(tǒng)計圖譜的創(chuàng)建涉及張量模型優(yōu)化、張量圖像配準(zhǔn)、張量圖像特征表示、圖譜統(tǒng)計模型估計等基本問題。本文旨在將適用于傳統(tǒng)標(biāo)量醫(yī)學(xué)影像的統(tǒng)計圖譜創(chuàng)建技術(shù)加以改進，全面、完整地推廣到三維二階張量場，并通過人腦連接組研究領(lǐng)域的有關(guān)應(yīng)用展示和驗證DTI統(tǒng)計圖譜的創(chuàng)建效果。具體研究成果和創(chuàng)新點介紹如下：
　　 1.在DTI張量模型中引入了Riemannian流形上的Log-Euclidean測度理論，重構(gòu)了張量基本運算，為后續(xù)的配準(zhǔn)、特

4、征表示等研究提供了統(tǒng)一的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。同時，利用該理論提出了保持張量內(nèi)蘊幾何結(jié)構(gòu)一致性的插值算法及改進的張量場正則化算法。實驗表明，Log-Euclidean測度能夠很好地提高張量場插值和正則化的精度。
　　 2.提出了一種基于Log-Euclidean測度和張量重定向的非剛性配準(zhǔn)算法。在將適用于標(biāo)量圖像配準(zhǔn)的LDDMM(large deformation diffeomorphic metric mapping)算法和微分同胚De

5、mons（diffeomorphic Demons）算法推廣到三維二階張量場的基礎(chǔ)上，利用有限應(yīng)變(finite strain)模型對微分同胚Demons算法進行了改進，在配準(zhǔn)形變過程中增加了張量重定向變換，保證了張量內(nèi)蘊幾何特征的一致性。實驗結(jié)果表明，改進的微分同胚Demons算法具有較高的配準(zhǔn)精度，同時具有較小的計算復(fù)雜度，為本文后續(xù)創(chuàng)建DTI統(tǒng)計圖譜提供了有利條件。
　　 3.在前期高分辨率CT圖像紋理特征提取算法研究的基

6、礎(chǔ)上，提出了一種DTI圖像多尺度特征表示的方法，并設(shè)計了TIDA(tensor image discriminative attributes)算法用于構(gòu)造特征描述向量。利用TIDA算法提取的圖像特征結(jié)合半自動的Random Walks算法，實現(xiàn)了對腦白質(zhì)、灰質(zhì)和腦脊液的分割，以及腦部占位性病變區(qū)域的提取。
　　 4.提出了基于大規(guī)模樣本集DTI統(tǒng)計圖譜自動化創(chuàng)建的完整框架，利用前面提出的Log-Euclidean測度下的微分同

7、胚Demons算法，實現(xiàn)了基于多尺度特征描述向量的DTI統(tǒng)計圖譜自動化創(chuàng)建。同時，基于統(tǒng)計圖譜的微分同胚性和無偏性改進了圖譜創(chuàng)建過程中配準(zhǔn)模板的交叉優(yōu)化流程，保證了統(tǒng)計圖譜的無偏性和微分同胚性。
　　 5.利用國際上最新的DTI公共數(shù)據(jù)庫成功創(chuàng)建了基于20例正常人群樣本數(shù)據(jù)的Beijing_Zang_20人腦三維DTI統(tǒng)計圖譜，并以人腦結(jié)構(gòu)連接組作為研究方向，對自主創(chuàng)建的DTI統(tǒng)計圖譜進行了腦網(wǎng)絡(luò)建模的實證研究。實驗中通過配準(zhǔn)的