（生物医学工程专业论文）磁共振图像中偏差场的校正.pdf

摘要 域的边界。手工选择感兴趣区域后，非脑组织只是一些细小的结构。经 过散布滤波，这些非脑组织被除去了，而且图像的亮度分布变成典型的 双峰形状，分别代表背景和组织。由于o t s u 阈值法能根据图像的亮度分 布自动选择谷底处的亮度作为阈值分割图像，所以基于散布滤波的o t s u 阂值分割能够得到令人满意的组织图像。 用同态滤波器处理图像后，图像出现边缘伪迹和低频信息丢失的现 象，这是滤波方法固有的缺陷，仅凭滤波器的改进很难克服。对于组织 和背景之间的伪迹，我们结合归一化卷积的方法消除；对于组织之间的 伪迹，我们基于偏差场的特性提出了用双三次b 样条平滑偏差场的方法。 对偏差场的平滑不仅消除了组织间的伪迹，同时这也是用偏差场中的高 频信息补偿校正图像( 偏差场中的高频信息是相对的，对于原图这是低 频信息，因为同态滤波中我们用的是高斯低通滤波器) 。从原图中除去平 滑后的偏差场，就得到了最后的校正图像。 这种方法校正磁共振图像中的偏差场的效果令人满意，这在 s h e p p - l o g a n 人头模型图像和颅脑磁共振仿真图像上都得到了证实。这个 方法可重复性好，计算量不大，运算速度很快，可以用于实时处理，稍 做修改就可应用于其它类型的磁共振图像。 关键词：磁共振图像，偏差场，校正，非线性各向异性散布滤波，同态 滤波，样条平滑 l i a b s t r a ( 了 i n h o m o g e n e i t y c o r r e c t i o no fm ri m a g e s a b s t r a c t m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g ( m r i ) i sa n o n i n v a s i v em e t h o df o r p r o d u c i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lt o m o g r a p h i ci m a g e so f t h eh u m a nb o d y m r ii s m o s to f t e nu s e df o r t h ed e t e c t i o no ft u m o r s ，l e s i o n s ，a n do t h e ra b n o r m a l i t i e s i ns o f tt i s s u e s ，s u c ha st h eb r a i n a l lm ri m a g e ss u f f e rf r o mi n t e n s i t y n o n u n i f o r m i t yd u et ob i a s f i e l dc a u s e db yi m p e r f e c tm i us c a n n e ra n d s p e c i f i cp a t i e n ta n a t o m y t h eb i a sf i e l di nm ri m a g e si su s u a l l ya s s u m e d a s m u l t i p l i c a t i v e ，s m o o t ha n ds l o w l yv a r y i n g ，w h i c ho f t e nc h a n g e st h el o c a l s t a t i s t i cf e a t u r e so fd i f f e r e n tt i s s u ei n t e n s i t i e s ，a n dc a u s e sa h e a v y d i s t r i b u t i o n so v e r l a p p i n go fd i f f e r e n tt i s s u ei n t e n s i t i e s t h i ss i g n i f i c a n t l y d e g r a d e s t h e a c c u r a c y o ft h e i m a g ep r o c e s s i n g s u c ha sa u t o m a t i c s e g m e n t a t i o nf o rm ri m a g e s a sm r i i su s e di nm o r ea n dm o r ef i e l d s ，m a n y a p p l i c a t i o n sn o wr e q u i r ef u r t h e rq u a n t i t a t i v ea n a l y s e s ，w h i c hu s u a l l y n e e dt o p o s t p r o c e s s t h em ri m a g e ss u c ha ss e g m e n t a t i o n ，r e g i s t r a t i o no r q u a n t i f i c a t i o n t h e s ep r o c e s s i n gn e a r l y a 1 1 d e p e n d o nt h ei n t e n s i t i e s t h e r e f o r et h ei n h o m o g e n e i t yc o r r e c t i o ni saf u n d a m e n t a ls t e pf o rs u c c e s s f u l m ri m a g ep o s t p r o c e s s i n g i nt h i st h e s i s ，w ep r o p o s e da ni m p r o v e d 1 i i h o m o m o r p h i cf i l t e r i n gm e t h o df o ri n h o m o g e n e i t yc o r r e c t i o no fh e a dm r i m a g e s s i n c et h er e g i o no fi n t e r e s ti nt h ep a t h o l o g ys t u d yo nh e a dm r i m a g e si st h eb r a i nt i s s u er e g i o n ，w eh a v et or e m o v et h en o n b r a i nt i s s u e s f i r s t l y i nf a c ti ti sd i f f i c u l tt od e a lw i m t i s s u e so u t s i d et h eb r a i n ，s u c ha ss k i n ， f a ti nt h ei m a g ep r o c e s s i n gb e f o r ec o r r e c t i n gi n t e n s i t yv a r i a t i o n w ea p p l yan o v e lm e t h o df o rt h eb r a i nt i s s u e s e x t r a c t i o n f i r s t l yt h e r e g i o no fi n t e r e s ti sm a n u a l l ys e l e c t e d ，a n dt h e nat h r e s h o l ds e g m e n t a t i o n p r o c e d u r eb a s e do nn o n l i n e a ra n i s o t r o p i cd i f f u s i o nm e t h o di su s e dt oi s o l a t e s t h eb r a i nt i s s u e s t h ea n i s o t r o p i cd i f f u s i o nf i l t e r e n c o u r a g e si n t r a r e g i o n s m o o t h i n gw h i l ep r e s e r v i n gt h ee d g e so ft h eb i gr e g i o n s ，a n di td e c r e a s e st h e i n t e n s i t yo ft i s s u e so u t s i d et h eb r a i na n dm a k e st h ei n t e n s i t i e so ft h eb r a i n t i s s u e sm o r eu n i f o r m a sar e s u l t ，t h ef i l t e r e di m a g eh a sat y p i c a lb i m o d a l p r o b a b i l i t yd e n s i t yd i s t r i b u t i o n t h e r e f o r ei t se a s i e rt os e g m e n tt h e mt h a nt o s e g m e n tt h eo r i g i n a li m a g e s ，e s p e c i a l l yi nt h ep r e s e n c eo fb i a sf i e l d s u b s e q u e n t l y , t h eo t s um e t h o di su s e dt os e g m e n tt h ef i l t e r e di m a g e s s i n c e t h eo t s um e t h o dc a l la u t o m a t i c a l l ys e l e c tt h et h r e s h o l da n dp r o d u c eab i n a r y i m a g e ：1 f o rt i s s u e s ，0f o rb a c k g r o u n d t h i ss e g m e n t a t i o np r o c e d u r ei s e n o u g ht or e m o v et h en o n - b r a i nt i s s u e s n o r m a lh o m o m o r p h i cf i l t e r i n gm e t h o do f t e ni n t r o d u c e se d g ea r t i f a c t s i n t ot h eo u t p u tm r i m a g e s f u r t h e r m o r et h el o wp a s sf i l t e rw eu s e dt og e t t h eb i a sa p p r o x i m a t i o nc o u l dc a u s el o w f r e q u e n c yi n f o r m a t i o ni nt h em r a b s t r a i ：t i m a g e sl o s t t h i si sa n o t h e rd r a w b a c ko f c o n v e n t i o n a lh o m o m o 删c f i l t e r i n g b a s e dc o r r e c t i o nm e t h o d t om e e tt h e s ep r o b l e m s ，w eu s et h en o r m a l i z e d c o n v o l u t i o nm e t h o dt oe l i m i n a t et h eb o u n d a r ya r t i f a c t sb e t w e e nt i s s u e sa n d t h eb a c k g r o u n d ，a n du s eb i c u b i cbs p l i n ef u n c t i o nt os m o o t ht h ec o a r s eb i a s s oa st or e m o v et h ea r t i f a c t sb e t w e e nt h ed i f f e r e n tt i s s u er e g i o n s ，a n dg e tt h e r e f i n e db i a se s t i m a t i o n f i n a l l yu s et h er e f i n e db i a se s t i m a t i o nt oc o r r e c tt h e c o r r u p t e di m a g e t h es m o o t h i n gs t e pn o to n l yr e m o v e st h ea r t i f a c t s ，b u ta l s o c o m p e n s a t e st h el o s so fl o wf r e q u e n c yi n f o r m a t i o nb ys m o o t h i n gt h eh i g h - f r e q u e n c yi n f o r m a t i o no ft h eb i a s h e r e ，w ea s s u m e dt h a tt h eb i a sf i e l d c o n t a i n so n l yl o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t s s ot h a tt h eh i g hf r e q u e n c yp a r ti n t h ec o a r s eb i a se s t i m a t i o ni sm a i n l yd u et ot h el o wf r e q u e n c yi n f o r m a t i o no f t h eo r i g i n a lm r i m a g e si n t r o d u c e db yl o w - p a s sf i l t e r i n g t h i sm e t h o di ss u c c e s s f u li nb i a sc o r r e c t i o ns i m u l a t i o n so fb i a s c o r r u p t e ds h e p p l o g a nh e a dm o d e li m a g ea n ds i m u l a t e dh e a dm ri m a g e s i t h a sl o wc o m p u t a t i o n s ，h i g hs p e e da n daw i d ea p p l i c a t i o nf i l e d t r i v i a l m o d i f i c a t i o n sc a nb eu s e dt oe x t e n di tt oo t h e rk i n d so fm ri m a g eb i a s c o r r e c t i o n s k e y w o r d s ：m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g e ，b i a sf i e l d ，c o r r e c t i o n ，n o n l i n e a r a n i s o t r o p i c d i f f u s i o n f i l t e r i n g ，h o m o m o r p h i cf i l t e r i n g ， s p l i n es m o o t h i n g v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 墩得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：，每年2 - ：巷毫 月z 、7 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 犬部f j 或机构送交论文的复印什和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采_ j 影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密匦，在三一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：蛮亳 指导教师签名： 日期：即年z 月i 7 日 日期磅年纠刁日 黪辫 上海交通大学硕 学位论文 第一幸磁共振成像及其图像 1 1 引言 第一章磁共振成像及其图像 磁共振成像( m r i ，m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 是根据生物体磁性核( 氢核) 在 静磁场中所表现出的共振特性进行成像的高新技术。它的物理基础为核磁共振理论， 其本质是一种能级问跃迁的量子效应。实验结果表明，利用核磁共振现象可以研究 物质的微观结构。掘此，人们以不同的射频脉冲序列对生物组织进行激励，并用线 圈技术检测其弛豫或质子密度信息，就出现了磁共振成像。技术的进步使m r j 的应 用范围不断扩大，几年来先后出现了磁共振血管造影、心脏m r i 、电影m 王u 、快速 与超快速成像、功能成像和介入m r j 等。它在医学诊断中所起的作用也越加重要。 与此同时，医学应用的深入，又对m r j 的发展提出了更高的要求，从而促使其进一 步发展。磁共振成像具有分辨率高、成像参数多、可任意层面断层、对人体无电离 辐射等优点。它不仅能提供人体的解剖图像，还可反映人体组织的生理生化信息。 因此，医学界普遍认为：m m 是2 0 世纪医学诊断方面最重要的进展之一；它的潜力 尚未完全发挥，在2 l 世纪它仍将以一个颏兴学科的面貌在工程技术及医学诊断学两 个方面持续发展。 1 1 1 提取脑组织和校正亮度偏差技术的背景和动机 近年来，磁共振成像( m r i ) 在临床上的应用越束越广泛和深入。磁共振成像是无 损的三维层析成像的人体检测方法，对软组织有很高的分辨率，它已经成为人们进 行脑功能、病理和解剖研究( 如检测肿瘤) 的主要手段。磁共振图像早期的临床应 用主要是定性的病理学诊断，通常由放射科医师定性的分析m r 图像，这要求图像 有足够的清晰度。随着计算机技术和医学科学的发展，以计算机为基础的磁共振成 像的应用扩展到新的领域，对大脑中病变区域的精确定位和定量测量是一个研究的 热点。这个过程中很重要的两个步骤就是自动识别头部磁共振图像中的脑组织和提 高数据质量。这篇论文提出了在头部磁共振图像中提取脑组织和校正其中亮度偏差 的方法。提取脑组织可以精确地把大脑和其它组织如脑膜、颅骨等分开，减少图像 后处理的区域，因为对大脑的病理学研究中整个大脑是所要研究的感兴趣区域。这 里，提取脑组织也就获得了颅内边界。亮度偏差或亮度不均匀是磁共振图像的固有 属性，降低了图像质量，去除或减少这些偏差可以提高计算机自动分析的精度。脑 埔 交通大学硕士学位论文 第一章磁共振成像及其图像 组织提取技术和校正亮度偏差是自动或半自动分割m s 病变区域必需的一个步骤， 亦可应用于m 融配准算法和a n d e r s o n 的m r i 图像压缩算法 1 】。 多发性硬化( m s ) 是中枢神经系统一种慢性退化性疾病，表现为大脑白质中的 髓脂质形成斑状损坏。病人大脑中病变区域的个数和大小随着病情的发展而增加。 在磁共振图像中可清楚的看到病变区域，在临床治疗和研究中，用磁共振扫描来检 测脑中的病变区域和监测病变区域体积的改变。手工描绘病变区域费时费力，现在 自动分割m s 病变区域技术 2 5 懈决了这个问题。基于图像亮度的分割算法假设在 磁共振图像中一种组织类型对应一个亮度或一个较小的亮度范围。实际上，磁共振 图像不是组织类型亮度特异性的，即不是一个亮度范围对应一种组织类型，而是不 同的组织可能有相同的亮度，如眼睛的亮度与一些m s 病变区域的亮度相同。因此， 亮度偏差在一定程度上限制了这个算法的应用，使之不能正确区分脑外组织与脑内 组织。而且，分割的速度与操作区域中的组织类型的个数成比例。所以，必须对m r 图像进行预处理，包括提取脑组织减少操作区域的类型个数和减少图像的亮度偏差。 在医学图像中，配准是指把一个对象的两幅或多幅图像在空间上对准的过程。 在m s 的治疗中，把一个病人在不同时期的m r 图像配准对追踪病变的活动是非常 有用的。配准两幅独立采集的图像必须首先进行相同特征的识别 6 8 】。在没有手术 植入标记的情况下，颅内边界就是参照物的最好的特征【7 】。因此，检测颅内边界是 配准的关键步骤。 单独一个临床m r i 图像就占磁盘空间几兆字节，有效的图像压缩方案对储存多 幅图像是非常重要的。在远程医疗中，m r 图像需要通过网络传送到外地由专家分 析，m r 图像压缩对提高传送速度起重要作用【9 】。在头部的磁共振图像中，医生更 感兴趣的是大脑而不是脑外区域。因此，a n d e r s o n 提出了有损的m r i 图像压缩方案， 也就是以高压缩率压缩脑外区域，而以较低的压缩率压缩脑组织区域【1 0 】。这样，在 获得高压缩比的同时保证了脑组织区域的图像质量。显然，提取脑组织是这个方案 的一个首要步骤。 1 2 磁共振成像 1 2 1 磁共振成像的发展和现状 m r i 与c t 扫描一样，都是获得断面解剖图像，但由于成像原理不同，m r i 无 放射线，也就没有c t 和x 线检查均存在的电离辐射对人体组织细胞的损害；同时 现代m r i 扫描技术使我们不仅能任意选择扫描平面和方向，而且可以通过选择不同 的扫描序列和参数获得大量反映体内正常组织和各种病变的信息，从而在病变的准 j - 海交通大学硕士学位论文 第章磁共振成像及苴图像 确定位、病变性质的判断上远优于包括c t 在内的各种检查技术。对于一些过去缺 乏有效检查手段的组织器官，如脊柱的椎体骨质破坏，椎问盘的损伤等，通过磁共 振成像便能很容易地做出早期诊断。对于心血管系统疾病的检查，由于磁共振血管 成像技术( m r a ) 日益广泛地应用于临床，也己部分的取代了过去对人体创伤较大、 且有一定危险的心血管造影检查。而对于中枢神经系统、膝关节、四肢及软组织病 变的检查，m r j 明显优于目前的其他检查手段。实践表明，m 砒在肿瘤的诊断与鉴 别诊断，手术方案、放射治疗计划、化疗方案的制定，治疗后长期随诊观察有无肿 瘤复发和转移等方面均起着十分重要的作用，已成为临床医师诊治肿瘤病人所必不 可少的影像检查手段之一。 磁共振成像从原理的发现到目前l 临床各种先进成像技术的应用，是基于科学家 们对原子结构的不断认识。1 9 2 4 年p a u l i 发现电子除对原子核绕行外，还可高速自 旋，有角动量和磁矩。 1 9 4 6 年美国哈佛大学的p e r c e l l 及斯坦福大学的b l o c h 分别 独立地发现核磁共振现象，同时将该原理最早用于生物实验。1 9 7 2 年，英国学者p c l a u t e 栅利用这一原理，通过在主磁场中附加一个梯度磁场，并逐点诱发核磁共振 无线电波，然后经过复杂的计算机处理与重建，获得一幅二维的磁共振图像。1 9 7 4 年做出第一幅动物的肝脏图像。此后，又经过5 年的研究，1 9 7 8 年5 月2 8 同，英 国诺丁汉大学和阿伯丁大学的物理学家们终于获得了第一幅人体头部的磁共振图 像。今天，m r j 技术亦日臻成熟与完善，其应用范围也已从头部扩展到全身，从而 使我们对许多疑难病变的诊断与鉴别成为可能。 1 2 2 基本原理 含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动， 带正电，产生磁矩。在正常情况下，氢原子核的自旋轴排列无一定规律( 如图1 - l ( a ) ) ， 但在均匀的强外磁场b 。中，它的自旋轴将仅在平行或反平行外磁场的方向排列( 如 图1 - 1 0 ) ) ，平行的原子核多于反平行的，因此产生一个平行于b 。的净磁矩肘。 j b 夺审 ：。 口 嗒 岛 。 蟹。 口瓴 口 口 n 博 ( a ) 正常情况b ) 强磁场存在的情况 图1 1 ：氢原子核的排列状况 上海交通大学硕十学位论文 第一章磁共振成像及其图像 在这种状态下，用特定频率的垂直于风的射频脉冲b ，进行激发，氢原子核吸 收一定能量共振，同时净磁矩m 偏离鼠方向( 如图1 - 2 ( a ) ) 。停止发射射频脉冲， 则被激发的氢原子核把所吸收的能量以射频信号的形式释放出来，其相位和能级都 恢复到激发前的平衡状态( 如图1 - 2 ( b ) ) 。这一恢复过程称为弛豫，在此过程中氢原 子核发出的信号称为自由感应衰减( f i d ) 信号。把检查层面分成一定数量的小体积 ( 体素) ，用接收器收集f i d 信号，数字化后输入计算机处理，获得每个体素信号， 进行空间编码。用转换器将每个信号转为模拟灰度，而重建三维图像。 ( o ) 射频激励下的情况f b ) 弛豫过程中的情况 图1 2 ：垂直主磁场的射频脉冲激励后原子核的情况 图像中组织的亮度取决于组织的质子密度。质子密度越高，f i d 响应信号越强。 m r 图像对比度取决于两个组织特异性的参数：纵向弛豫时间t 1 和横向弛豫时间 t 2 。纵向弛豫时间反映自旋原子核把吸收的能量传给周围晶格所需要的时间，也是 9 0 。射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前状态所需 时问。横向弛豫时f b j 反映横向磁化衰减、丧失的过程，也即是横向磁化所维持的时 间。t 2 衰减是由共振质子之间相互磁化作用所引起，而t 1 引起相位的变化。 由于人体内各种不同组织如骨、软骨、软组织和其他器官的水和脂肪等有机物 的含量不同，同一组织中正常与病变环境下质子的分布密度不同，其弛豫时间也存 在着明显的差异。人体不同器官的正常组织与病理组织的t l 是相对固定的，t 2 也 是如此。这种组织问弛豫时间上的差别，是m r j 的成像基础。m r i 有t l 、t 2 和自 旋核密度p d 等几个参数，其中t l 与t 2 尤为重要。因此，获得选定层面中各种组 织的弛豫时问，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。r f 脉冲序列的周期是 重复时间t r 。在t r 的时间间隔内的任何时间都可以测量f i d 响应信号。施加r f 脉冲和测量响应信号之间的时间是回波时间t e 。调整t r 和t e 可用来采集不同对 比度的图像。 1 2 3 成像装置 磁共振成像系统( 如图1 - 3 ) 由磁体系统、谱仪系统、计算机系统和图像显示系 统组成【1 1 】。磁体系统是由主磁体、梯度线圈、垫补线圈和与主磁场正交的射频线圈 4 卜海交通大学硕i 学位论文第一章磁共振成像及萸图像 组成，是磁共振发生和产生信号的主体部分。磁体直接关系到磁场强度、均匀度和 稳定性，并影响m 刚的图像质量，梯度线圈，修改主磁场，产生梯度磁场。其磁场 强度虽只有主磁场的几百分之一。但梯度磁场为人体m r 信号提供了空间定位的三 维编码的可能，梯度场由x 、y 、z 三个梯度磁场线圈组成，并有驱动器以便在扫描 过程中快速改变磁场的方向与强度，迅速完成三维编码。谱仪系统是产生磁共振现 象并接收磁共振信号的装置，主要由梯度磁场发生和控制系统、m r 信号接收和控 制等部分组成。其中，射频发射器与m r 信号接收器为射频系统，射频发射器是为 了产生l 临床检查目的不同的脉冲序列，以激发人体内氢原子核产生m r 信号。射频 发射器及射频线圈像一个短波发射台及发射天线，向人体发射脉冲，人体内氢原子 核相当一台收音机接收脉冲。脉冲停止发射后，人体氢原子核变成一个短波发射台， 而m r 信号接受器则成为一台收音机接收m r 信号。脉冲序列发射完全在计算机控 制之下。计算机图像重建系统要求配备大容量计算机和高分辨的模数转换器，以完 成数掘采集、累加、傅立叶转换、数据处理和图像显示。 图1 - 3 ：( a ) 磁共振成像装置结构图 ( b ) 磁共振成像设备 1 3 磁共振图像数据的性质 磁共振图像所显示的解剖结构非常逼真，在良好清晰的解剖背景上病变同解剖 结构的关系很明确。m r 图像虽然也以不同灰度显示，但反映的是m r 信号强度的 不同或弛豫时间t 1 与他的长短，而c t 图像中，灰度反映的是组织密度。 反映质子密度的m r 图像称为质子加权像( p d w i ) 。反映组织间t 1 特征参数 差别的m r 图像称为t l 加权像( t 1 w i ) 。反映组织间他特征参数时称为t 2 加权 像( t 2 w i ) 。分别获得t l 加权像与t 2 加权像有助于显示正常组织与病变组织。正 常组织，如脑神经各种软组织间t l 差别明显，所以t 1 w i 有利于观察解剖结构；而 t 2 w i 显示病变组织效果较好。在t 1 w i 上，脂肪t l 短，m r 信号强，影像白；脑 与肌肉t 1 居中，影像灰：脑脊液t 1 长；骨与空气含氢量少，m r 信号弱，影像黑。 j | 海交通大学硕十学位论文 第一章磁共振成像及j ( 图像 t 2 w i 与t l w i 不同，例如脑脊液t 2 长，m r 信号强而影像白。表1 1 列举了几种 组织在t 1 w i 和t 2 w i 上的灰度。 表1 1 ：大脑不同组织t 1 w i 和t 2 w i 上的灰度 脑向质脑灰质脑脊液脂肪骨皮质骨髓质脑膜 t l w i白 灰 黑 白 黑 白黑 t 2 w i白 灰白白灰黑灰黑 ( ，) = 舌e x p ( 一笔2 0 ) ( 1 1 ) 盯。 趴一， p a 一( ) = 了三尹e x p ( _ 等) ( 1 2 ) 6 - 卜海交通大学硕七学位论文第一章磁共振成像及其图像 1 - 5 ( a ) ) ，可以认为高亮度区域为大脑区域。图1 - 5 ( b ) 对比了大脑区域的直方图和正态 分布，定量证明了大脑区域的亮度是正态分靠的。 图1 - 6 对比了他加权像中大脑区域部分和图像中高亮度部分的直方图。大脑部 分直方图的曲线形态接近是正态分布，但是，很明显整个分布有些歪斜。 孔a ：= = ：= = + 冀”二竺怒謦 ( o ) 高亮度区域直方图和大脑区域直方图( b ) 大脑区域直方图和正态分布 图1 5 ：磁共振p d 加权图像部分区域的直方图 厂 弘l 1 3 3 亮度偏差 1 3 3 1 概述 磁共振图像中属于同一组织像素的亮度经常是不均匀的，相同组织的不同局部 区域的亮度不同，例如图1 7 中a b 位置像素亮度的曲线( 线图) 在同一组织区域 中不是水平的。磁共振成像中存在的这种光滑、缓慢变化的亮度偏差是磁共振成像 过程决定的，被称为射频不均匀( r f i n h o m o g e n e i t y ) 、寄生干扰( s h a d i n g a r t i f a c t ) 、信 号强度不均匀( i n t e n s i t yn o n u n i f o r m i t y ) 或者偏差场( b i a sf i e l d ) 。 l 八八一 手管 海交通大学硕l 学位论文 第一章磁共振成像及其幽像 图1 7 ：磁共振图像及其线图 1 3 3 2 产生偏差场的物理原因 亮度偏差通常由不完善的m r 设备引起 1 3 】： 不均匀的射频激励； 不均匀的接收灵敏度； 与对象之间的电动交互作用，常用射频穿透率和驻波效应来描述； 引起亮度偏差的次要因素有： 场梯度转换感应产生的涡流 射频线圈失谐 数据滤波的有限带宽 几何失真 对于临床扫描设备，几何失真造成亮度变化约为1 ，这与其他原因造成的偏差 相比是很小的，通常可以忽略不计。在扫描野罩常规的平面几何失真至多有几毫米， 而且这些失真是缓慢变化的。s i m m o n se ta l 1 4 研究表明在1 5 t 的扫描设备中没有 几何失真造成的亮度偏差。 射频线圈在接近其响应频率处的接收敏感性基本是均匀的。现代扫描设备能够 对每一个受检者自动调谐，同时选择相对频率响应均匀的滤波器，所以由于射频线 圈失谐和有限带宽滤波引起的亮度偏差也是很小的。 s i m m o n s 等人【1 4 】研究发现场梯度转换频率和亮度偏差随脉冲重复间隔时间的 减小而增加，因此认为梯度转换产生感应涡流是图像不均匀的原因之一。现在，虽 然涡流效应造成亮度偏差的幅度与其他因素相比很小，但是m r 技术是向着更快的 梯度转换以获得更快的图像采集的方向发展，这种影响程度将会增加。 磁共振成像包括用射频磁场激励受检者和随后接收由受检者发出的射频磁场。 激励场场强和接收灵敏度的空间变化都可以使测得的信号亮度产生很大的变化。以 前的研究者特别重视这些影响，误导了用术语“射频不均匀”来描述亮度偏差。 上海交通大学硕七学位论文 第一章磁共振成像及其图像 敏感度是测量信号与发射信号强度的比值。通常假设接收线圈和数据采集系统 的敏感度是线性的，它在空间上的变化可用一个乘性场模型来表示。通常接收线圈 的几何结构很简单，认为这个乘性场在扫描野中是光滑变化的。激励场场强和图像 亮度的关系是非线性的，和受检者的磁性弛豫特性有关。因此，光滑变化的乘性场 不能完全表示由激励场不均匀引起的图像亮度偏差。 假设射频系统和线圈是线性的，则敏感度偏差与激励场场强的偏差有相同的形 式和相近的幅度。但是，敏感度比激励场对亮度的影响更容易用模型表示。所以， 通常采取措施减小由激励场不均匀引起的亮度偏差。例如，设计标准自旋回波序列 减小不均匀激励场带来的翻转角误差；对头部成像使用体线圈，因为大线圈均匀区 域较大。 磁共振图像中亮度不均匀本质的物理来源是磁共振设备的缺陷。对亮度偏差的 深入分析为建立乘性偏差场模型奠定了基础。 1 3 3 3 亮度偏差建模的回顾 理论上分析激励场和接收灵敏度对亮度的影响，假设激励场是一个静念场，根 据b i o t s a v a r t 定律磁场场强是临近电流产生磁场的积分d 5 ，1 6 1 。这种方法简化了复 杂的线圈形状，但是忽略了实际动态情况下存在的穿透率和驻波效应的影响。磁共 振响应频率和主磁场场强成正比，所以当场强很高时这种准静态激励场的近似是无 效的。假设激励场为静态场，在空载的射频线圈中放置一个小检波线圈时，测量结 果和分析结果一致性最好。以这种方式在6 4 h z ( 适于标准1 5 t 磁场1 用头线圈测量得 到平面内均匀性偏差仅为1 。但是，实际上在这个场强下典型的亮度偏差为2 0 。 显然，模型预计的偏差是不能令人满意的。 磁共振成像过程最初的动态模型 1 7 ，1 8 1 预计在频率超过3 0 0 m h z 的情况下穿透 效应会严重降低图像性能。这是非常不利的，因为6 4 m h z ( 1 5 t ) 仪器是临床成像 的标准仪器。一些学者 1 4 ，1 9 认为这个不足是由于生物组织内的绝缘结构阻止了大 电流回路的形成。但是，g l a v e r 等人【2 0 通过实验充分说明在6 4 h z 时圆柱模型的场 穿透率更大。z y p m a n 2 1 计算了在射频线圈的影响下圆柱模型的场穿透率。这些分 析提出了一个假想，在人头大小的结构中亮度偏差为1 0 2 0 ，这与经常观察到的 结果一致。偏差的幅度说明了电动相互作用是1 5 t 设备测得图像亮度偏差的主要原 因，而不是其他因素如扫描设备的缺陷。 只有当线圈是简单几何结构时解析建模法才能得到它的闭合解。有限元分析提 供了一个对复杂结构动态建模的方法。s i m u n i c 等人【2 2 和v a u g h a n 等人 2 3 1 也分别 研究了人脑在6 4 m h z 和1 7 5 m h z 建模的问题。s i m u n i c 用双翻转角技术验证了线性 9 海交通大学硕l 学位论文第一章磁共振成像及茛图像 极化鞍状线圈在活体内产生的场模型。这些结果预计偏差在3 0 左右。类似的，用 笼状头线圈扫描人的颅脑，表明激励磁场的场强偏差小于1 0 。 1 3 3 4 偏差场的特性 1 模拟自旋回波图像 为研究偏差场的特性，我们用横截面是椭圆的均匀圆柱体作为扫描对象，称之 为体模( p h a n t o m ) ，用解析建模法 2 0 ，2 4 1 导出激励场和接收灵敏度的表达式。如果采 用人头大小的体模，则产生的m r 图像可以有效的模拟人头磁共振图像中偏差场。 假设空载线圈产生的环形极化场是均匀的并忽略磁弛豫效应，则横截面是圆形和椭 圆的体模产生的模拟自旋回波图像如图1 - 8 ( a ) 和( b ) 所示，图1 - 8 ( c ) 和( d ) 分别是两种 情况下主轴的线图。对比两图，椭圆圆柱体偏差场是对角线形式的，而圆形圆杜体 的是径向对称的，偏差场的大小与典型的大脑m r 图像中的幅度一致即1 5 一2 0 。 这些仿真解释了m r 设备和受检者的电动相互作用是亮度偏差的主要原因。颅脑的 t 1 加权图如图1 - 9 所示，比较发现三幅图中白质里的偏差场都是对角线形式的，在 图像左上角和右下角亮度更大。 ( c ) ( d 】 图1 - 8 用标称的9 0 。和1 8 0 。翻转角模拟的自旋回波图像及其主轴线图 o 】直径1 5 c m 圆截面的自旋回波图像( b ) 长轴为2 0 c m 短轴为1 5 c m 椭圆截面的自旋回波 图像【c ) 圆形截面主轴的线图( d ) 椭圆截面主轴的线图 ( 主磁场场强为1 5 t ，圆柱体与自由空间的相对电容率占，= 8 0 ，电阻率p = 2 d m ) 上海交通大学硕士学位论文 第一章磁共振成像及茛图像 图1 9 ：偏差场呈现对角线形式的t 1 加权像( 灰度经过调整i , x 夸大亮度变化) 2 脉冲序列敏感度 成像序列也会影响偏差的幅度。忽略弛豫效应，自旋回波脉冲序列在位置x 的 信号可表示如下【2 0 】 s ( 力= 寅( d s s g ( 力( 1 3 ) s ( x ) = s os i n 3o ( x )( 1 4 ) 臼( 工) = ( x 2 ) i b ( z ) l 巩( 1 5 ) r ( 茗) = r o b ( j ) ( 1 6 ) s 。是发射信号，s 是测得的信号，口是翻转角，b 是激励场，b 。是产生9 0 。 翻转角所必需的场强，r 是接收灵敏度。假设对激励场的干扰信号b = b 。+ o w 和对 应接收灵敏度的扰动引起了测得信号的一阶扰动s = s 。+ 舔。将上式代入( 1 3 ) 式， 并假设信号是实数型，可推导得自旋回波成像序列灵敏度的表达式： t s m + 6 s2 警bs i n 3 ( 三2 半) ( 1 ，) s 。 、 b 。 、。 t + 善- ( 1 + 睾c o s 3 ( i r 司b b ( 1 s ) 蚤= o + 爱一等c 罢，2 + o c 罢) 3 ) ， 矿蕊广一 要=瓦06bs 一堡8 c 争b2 州争b 3 。， 。曰。、。7、。 、 符号d ( z ) “表示x 的等于和大于n 阶的项。这个表达式说明了测得信号的部分偏 差是由磁场场强和接收灵敏度的偏差造成的。 等式( 1 9 ) 说明了序列敏感度与接收敏感度是一次相关的，与激励场的均匀度 是二次相关的。因此，序列对接收灵敏度的变化比对激励场场强的变化更敏感。这 证明了亮度偏差可用一个乘性场表示的观点。 对于只包括一个单独的9 0 。射频激励的梯度回波序列，类似的可以表示为： 卜海交通人学硕十学位论文 第一章磁共振成像及苴图像 要2 詈一譬c 鱼b m ，、口c 睾3 n s 。b 。 毫 1 、b m 一、 对比两式发现，9 0 0 梯度回波和9 0 。- 1 8 0 。自旋回波序列的灵敏度仅在二次项有差 别。应当注意到，梯度回波序列通常只能用于小的翻转角。例如，4 5 0 翻转角的梯度 回波序列的灵敏度的表达式为： 堕s m 邓+ 罢+ 三( 1 一一7 r 瓦8 b ) 2 + 。( 罢) 3 ( 1 1 2 ) 这说明了4 5 。梯度回波序列对场强的灵敏度比自旋回波序列和9 0 0 梯度回波序歹l j 大7 8 。 3 ，介质性质的影响 接下来我们研究的是介质性质对偏差场形状的影响。有关相对电容率占和电阻 率p 的模拟图像如图1 1 0 所示。这些值涵盖了生物组织典型的相对电容率和电阻率。 图1 - l o ( a ) 介质电阻率从正常值2 f 2 m 提高到2 0 t ) m ，圆柱体的中心信号亮度增 加，图像均匀性降低。这种杯状亮度偏差是驻波作用的结果。图1 】0 ( b ) 电阻率减少 到0 5 q 嬲杯状偏差倒置，在边缘处产生了最大亮度。中心亮度的减小通常认为是由 感应电流引起的射频穿透作用的结果。图1 - l o ( c ) 相对电容率减小到2 0 ，产生了最均 匀的图像，因为在这种情况下介质和周围空甘j 性质接近。相对电容率提高到1 6 0 ， 这个值远大于生物组织的典型相对电容率，产生的波形图与图1 - 1 0 ( d ) 中显示的偏差 场的图案相似，得到的结果与波长小于圆柱体尺寸的情况一致。射频穿透和驻波效 应在一定程度上是互补的，一个增大中心处的亮度另一个减小它。生物组织的性质 使这两种效应抵消，这或许解释了为什么i 5 t 磁共振图像的均匀性比预计的好。