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(shí),所測(cè)值是這些物質(zhì)信號(hào)值的平均,不能反映其中任何一種物質(zhì)的信號(hào)值。這種現(xiàn)象稱為部分容積效應(yīng)。
　　 正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像是核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中較先進(jìn)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(shì)。由于PET顯像理論和探測(cè)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(diǎn)都會(huì)經(jīng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)擴(kuò)展成一個(gè)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(kuò)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(duì)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(gè)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(jiǎn)單最常用的方法?；謴?fù)系數(shù)等于觀察圖

3、像上所測(cè)得濃度與真實(shí)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(shí)大小,因此該方法難以應(yīng)用于臨床。二是合并示蹤劑動(dòng)力學(xué)模型的方法,將部分容積效應(yīng)合并到示蹤劑的動(dòng)力學(xué)模型中,用生理參數(shù)對(duì)部分容積效應(yīng)進(jìn)行估計(jì)。但該方法僅適用于可以使用示蹤劑動(dòng)力學(xué)模型分析的情況,三是基于MRI/CT等解剖成像的方法?；驹硎抢肕RI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(jì)算法恢復(fù)真實(shí)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(jìn)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(jì)真實(shí)放射性濃度的大小,該類方法需先建立模型,計(jì)算較復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)。
　　 磁共振成像是一種非侵入性的對(duì)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(chǎng)內(nèi)共振所產(chǎn)生信號(hào)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(diǎn),是醫(yī)學(xué)臨床和科研的一種十分重要的檢測(cè)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(yùn)動(dòng)偽影、截?cái)鄠斡昂筒糠秩莘e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(duì)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(duì)其進(jìn)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(jìn)的插值方法。但該類方法僅利用灰度級(jí)信息,未對(duì)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(kuò)散方法,一般先采用插值方法進(jìn)行處理,再通過控制擴(kuò)散過程達(dá)到平滑同質(zhì)區(qū)域同時(shí)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(jì)每個(gè)像素中的混合組織類型并對(duì)其

7、進(jìn)行分類。該類方法直方圖建模的精確性對(duì)結(jié)果影響很大且需定義較多參數(shù)。
　　 各向異性擴(kuò)散方法因其能同時(shí)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(kuò)散方法是在時(shí)間軸上逆向執(zhí)行擴(kuò)散方程,能實(shí)現(xiàn)在濾波的同時(shí),增強(qiáng)圖像邊緣。逆擴(kuò)散即灰度值從低灰度區(qū)域向高灰度區(qū)域擴(kuò)散,使得高灰度區(qū)域更高、低灰度區(qū)域更低,達(dá)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(kuò)散方法的邊緣增強(qiáng)特性可以得到解決。因此,從原理上逆

8、擴(kuò)散方法可以應(yīng)用于部分容積效應(yīng)的去除。
　　 本文分別對(duì)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(jìn)行了深入的分析和研究,分別提出了校正方法,并進(jìn)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(jìn)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(jì)算法恢復(fù)真實(shí)的放射性濃度達(dá)到校正效果。并對(duì)兩組(年輕組和年老組)

9、校正前、后PET圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示:校正前圖像統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),相對(duì)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(jì)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(zhǎng)而下降,符合當(dāng)前共識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示進(jìn)行腦功能分析時(shí),部分容積效應(yīng)校正的必要性。
　　 研究了基于逆擴(kuò)散的MRI圖像部分容積效應(yīng)的校正方法。從各向異性逆擴(kuò)散方法可以同時(shí)達(dá)到平滑圖像和增強(qiáng)邊緣的作用出發(fā),針對(duì)帶部分容積效應(yīng)偽影的MRI圖像特

10、點(diǎn),研究一種基于逆擴(kuò)散的后處理方法。該方法采用像素直接擴(kuò)散方法,在二維圖像上進(jìn)行像素的擴(kuò)散流動(dòng),設(shè)定流動(dòng)限制代替擴(kuò)散系數(shù)項(xiàng)控制圖像不同區(qū)域的擴(kuò)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(kuò)散方程的不穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)了MRI圖像部分容積效應(yīng)的校正。
　　 同時(shí)針對(duì)MRI圖像中的Gibbs環(huán)形偽影問題,應(yīng)用上述逆擴(kuò)散方法進(jìn)行處理,有效去除了圖像偽影并保留有價(jià)值的邊緣細(xì)節(jié),明顯提高了圖像質(zhì)量。
　　 本文在逆擴(kuò)散方法的