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大呼吸运动下高时空分辨率腹部动态磁共振灌注图像的压缩感知重建

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 动态磁共振成像的技术现状

1.2.1 K数据的快速采集

1.2.2 基于压缩感知的图像重建

1.3 呼吸运动处理的技术现状

1.3.1 呼吸门控技术

1.3.2 呼吸运动下的数据配准

1.4 本文的主要工作和贡献

1.5 论文的内容组织

2 字典学习算法研究

2.1 引言

2.2 字典学习

2.2.1 双稀疏字典学习

2.2.2 基于局部块的时空字典

2.3 动态磁共振重建

2.3.1 问题建模

2.3.2 OMP算法

2.3.3 K-SVD算法

2.3.4 具体求解步骤

2.4 实验结果

2.4.1 实验参数设置

2.4.2 实验结果分析

2.5 本章小结

3 呼吸运动配准算法研究

3.1 呼吸运动配准算法框架简介

3.1.1 运动模型建立模块

3.1.2 插值模块

3.1.3 相似性度量模块

3.1.4 参数优化模块

3.2 基于B样条自由形变的呼吸运动配准技术

3.2.1 多层次B样条的FFD运动模型

3.2.2 RC相似性度量

3.2.3 优化求解

3.2.4 实验结果与分析

3.3 基于马尔可夫随机场的离散优化配准算法

3.3.1 马尔可夫随机场模型

3.3.2 SSC相似性度量

3.3.3 基于聚类的最小生成树

3.3.4 基于消息传递的正则平滑项

3.3.5 离散优化算法框架

3.3.6 算法实验结果与分析

3.4 本章小结

4 大呼吸运动下降采样腹部灌注动态MR重建

4.1 前期工作

4.1.1 螺旋采样

4.1.2 多线圈平行成像

4.1.3 参考图像

4.1.4 运动时段判断

4.2 腹部灌注动态MR重建系统

4.2.1 系统框架

4.2.2 基本重建环节

4.2.3 时间平滑环节

4.3 测试实验

4.3.1 实验参数设置

4.3.2 实验结果分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间的学术成果

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摘要

磁共振成像(MRI)因其具有无辐射,多平面成像,扫描参数多,提供病理信息丰富,软组织对比分辨率高等优点,在临床医学和科研中得到了广泛的应用。而动态MRI可用于捕捉成像目标的动态变化过程,如心脏的收缩舒张、腹部对比剂灌注成像等,所以普遍应用于人体运动器官和功能成像等领域。但是受限于扫描时间,现有的动态MRI技术很难获得同时满足高时空分辨率和高信噪比的重建图像序列。而且扫描期间受检者的呼吸会引起内脏器官的非刚性运动,破坏K空间扫描数据的一致性,引入运动伪影。多次屏气是动态MRI扫描中提高图像质量的一种常用呼吸控制协议,但是在长时间的屏气之后,受检者通常会快速地大幅度换气,导致图像质量严重下降。本文针对大呼吸运动,研究了基于高度降采样数据的动态MRI重建技术,主要成果包括:
  (1)针对降采样动态MR成像问题,提出了一种基于时空块的双稀疏字典学习算法,通过结合双稀疏模型和时空域的高相关性来训练3D字典。相比于传统的单层字典方案和k-tFOCUSS算法,在重建图像的时空域局部细节特征和去除混叠伪影上获得了更好的效果。
  (2)针对人体腹部大幅度呼吸运动问题,提出了一种基于马尔可夫随机场的离散优化配准算法,解决了传统的基于B样条的自由形变配准算法存在的问题。实验表明此算法不但能够很好地建模slice方向大幅度和不连续运动场,而且性能指标要优于同类deedsMST和Elastix配准算法。
  (3)结合上述字典学习和呼吸运动配准算法,实现了大呼吸运动下降采样腹部灌注动态MR重建系统。利用多线圈螺旋采样方式采集人体腹部数据进行测试,对实验结果进行多方面分析,并与TRACER和PROUD算法进行比较,本文算法能够在高时空分辨率下有效改善MR体三维图像的重建质量。
  本文实现的腹部灌注动态MR重建系统,能够在呼吸运动和对比剂双重动态因素影响下,从约50倍降采样的K空间数据中重建出高帧率高信噪比的MR体三维图像。本系统在数据采集中无需呼吸门控等其他技术的配合,采样方式较简便。后期重建过程中对关键算法模块进行多方面改进,经过充分的实验验证,并与现有的先进算法进行比较,重建效果基本满足应用需求。

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