基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁共振扩散加权图像平滑方法，属于医学图像处理领域。
【背景技术】
[0002] 磁共振扩散成像是目前唯一能够在活体上测量组织内水分子扩散运动与成像的 无创方法，它通过测量和量化组织中水分子的扩散信息来探测组织的微观结构。水分子 沿不同方向的扩散信息包含在一组不同扩散加权梯度方向的扩散加权图像值ifTusion Wei曲ted Image，DWI)中，通过对扩散函数进行建模可W解析出每个体素内的纤维束结构 信息（主要是纤维的走行方向）。根据各体素内纤维束的走行方向，利用纤维束追踪技术可 重建出组织纤维束的H维结构，可用于医疗诊断及相关研究等。
[0003] 目前针对复杂组织纤维结构的解析方法主要有；扩散谱、Q-Ball、多张量、高阶张 量等方法，该些方法一般要求成像时所采用的扩散加权梯度方向数量M较多（>100)，然而 由于硬件和采集时间的限制，在临床中磁共振扩散成像数据采集时一般M《30,因此该些 方法难W应用于临床。
[0004] 而目前能在30的情况下解析纤维结构的有效方法仅有几种，其中较为有效的 是使用受限压缩传感（Constrained Compress Sensing, CC巧技术。该方法基于经典的多 张量模型，即将磁共振扩散加权信号建模为如下多个高斯函数加权求和的形式：
[0005]
【主权项】
1. 基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑方法，其特征在于，实现该方法 的步骤如下： 步骤一：选取参数A、参数a和总迭代次数kN的值，设定初始邻域半径hto)，设定当前迭 代次数1^=1，计算11(1)=&11(°)，人的取值范围为0.5?5,3的取值范围为1〈 &彡2，1%的 取值范围为5?10,h(tl)的取值范围为0. 5?1. 5 ; 步骤二：计算每个体素p的初始纤维结构信息e(:二),，=1，2,…， 并设定参数#f，其中表示该体素存在方向为d(；f的纤维，其所占比重为 af，表示该体素内的纤维存在多少个不同的走行方向，参数的取值范围为1? 2 ； 步骤三：对于每个体素P，记q为以P为中心h(k)为半径的邻域U (p)内的体素，根据每 个体素P的纤维结构信息计算其邻域半径内的所有体素对该体素P的权重，并根据获得的 所有权重值对磁共振扩散加权图像进行加权平滑处理，然后重新计算每个体素的纤维结构 信息； 步骤四：判断是否满足迭代终止条件，如果不满足，则扩大邻域半径并继续进行步骤 三，即如果k<kN，则另k=k+1，h(k)=ah返回步骤三，其中k为迭代次数，kN表示迭 代终止次数；否则，完成基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑。
2. 根据权利要求1所述的基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑方法，其 特征在于，所述步骤二所述计算每个体素P的初始纤维结构信息0=是采用受限压缩传感 方法计算得到的。
3. 根据权利要求1所述的基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑方法，其 特征在于，所述步骤三所述的根据每个体素P的纤维结构信息计算其邻域半径内的所有体 素对该体素的权重，从而对磁共振扩散加权图像进行加权平滑，平滑后重新计算每个体素 的纤维结构信息的方法为： 计算G ^(A)，其中p(p，q)为体素p到体素q的欧氏距离； 计算4Ax_iv(0ri),eri))，义，其中函数炉表示体素p与体素q之 间纤维结构信息的差别； 计算权重O&jfXGO，其中核函数U?)和Kst( ?)为两个定义域为 [〇，°° )的单调递减函数，且满足k1q。(〇) =Kst (〇) = 1，当X彡 1 时k1q。(X)=Kst(X)= 〇; 计算邻域u(P)内所有体素对P的权重之和^^)= q^{p) 计I
i= 1，2,…，M,其中表示 未加扩散梯度场时体素P的磁共振信号经第k次迭代平滑计算的结果，表示未加扩散 梯度场时体素q的磁共振信号经第k_l次迭代平滑计算的结果，*表示扩散梯度方向为 gi时体素P的磁共振信号经第k次迭代平滑计算的结果，表示扩散梯度方向为^时 体素q的磁共振信号经第k_l次迭代平滑计算的结果，M为所加不同扩散梯度方向的个数， 根据迭代平滑计算后的*和重新计算体素p的纤维结构信息
4.根据权利要求3所述的基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑方法，其 特征在于，所述步骤三所述体素P与体素q之间纤维结构信息的差别炉通过 如下步骤计算： 步骤a、分别对经过第k_l次迭代每个体素p所占比重<^_1)和经过第k_l次迭代每 个体素q所占比重ag_1)进行归一化，即'
表示经过第k_l次迭代每个体素p内的纤维存在多少个不同的走行方向、表示经过第k_l次迭代每个体素q内的纤维存在多少个不同的走行方向； 步骤b、通过求解如下线性规划问题得到炉(0(/_1),0^)的值：
式中.
Xij表示线 性规划系数矩阵X中的元素，0(/M)表示经过第k-1次迭代的每个体素p的纤维结构信息、 0(gM)表示经过第k-1次迭代的每个体素q的纤维结构信息、dpi表示体素P的第i个纤维 走行方向、t.表示体素q的第j个纤维走行方向、aw.表示体素q的第j个纤维走行方向 的纤维占体素内纤维总量的比重、api表示体素p的第i个纤维走行方向的纤维占体素内 纤维总量的比重。
5. 根据权利要求3所述的基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑方法，其 特征在于，所述步骤三所述根据迭代平滑计算后的和5^^重新计算体素p的纤维结构 信息是采用受限压缩传感方法。
6. 根据权利要求3所述的基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑方法，其 特征在于，所述步骤三所述核函数K1()。（ ?）和Kst ( ?)选取定义域为[0,…）的单调递减， 且满足Kloc(0) =Kst(0) = 1，当x彡 1 时Kloc(x) =Kst(x) = 0 的函数。
7. 根据权利要求6所述的基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑方法，其 特征在于，所述步骤三所述核函数U*)和Kst(_)分别为
【专利摘要】基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑方法，涉及磁共振扩散加权图像平滑方法，属于医学图像处理领域。本发明解决了现有方法噪声抑制差，从而使得获得的每个体素的纤维结构信息精确度低的问题。基于多张量的磁共振扩散加权图像结构自适应平滑方法：一、选取相关参数，设定初始邻域半径；二、计算每个体素的初始纤维结构信息；三、对于每个体素，根据纤维结构信息计算其邻域半径内的所有体素对该体素的权重，从而对磁共振扩散加权图像进行加权平滑，平滑后重新计算每个体素的纤维结构信息；四、判断是否满足迭代终止条件，如果不满足，则扩大邻域半径并继续进行步骤三，否则计算结束。本发明适用于磁共振扩散加权图像信息处理。
【IPC分类】G06T5-00
【公开号】CN104616270
【申请号】CN201510094923
【发明人】刘宛予, 楚春雨, 朱跃敏, 马格宁.伊莎贝尔
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年3月3日