（生物医学工程专业论文）基于PROPELLER采样的磁共振成像运动伪影消除方法研究.pdf

法运动参数估计的精度与稳健性不够，伪影消除的效果不理想，甚至引入新的 伪影干扰。而且，p r o p e l l e r 数据网格化重建中的现有采样密度补偿算法耗 时太长，需要对算法进行加速研究，以更好地满足临床需求。 在深圳安科公司相关研发人员的支持下，我们在其生产的o p e n m a r k 4 0 0 0 永磁开放式磁共振成像系统上，对t 1 加权磁共振成像设计了p r o p e l l e r 采样 序列，完成了原始k 空间数据采集。 对采集到的t l 加权p r o p e l l e r 采样数据，利用j a m e sgp i p e 所提重建算 法进行了重建实验，发现该算法伪影消除效果不理想；通过分析，确定原蚓是 i 1r 重建中运动估计的精度过低所致：通过对基于频域相关的运动估计算法进 行分析，发现该算法为了实现旋转运动与平移运动估计的分离，在进行旋转估 计时，丢掉了复数的相位信息，导致了估计精度的大大下降。 根据p r o p e l l e r 采样数据的特点，由每个k 空间条都可以重建出一幅较 模糊的临时图像，完全可以由这些临时图像数据，通过图像配准算法，估计出 相关运动信息。因此，本文提出基丁二最大化频域相关与图像域互信息相结合的 运动估计新算法，首先基于频域相关算法给出初始运动参数的粗略估计，然后 在图像域通过最大化互信息来进一步精确估计运动参数。该算法能够充分利用 p r o p e l l e r 采样数据的信息，提高了运动信息估计的精度与稳健性。 由于由每个k 空间条数据重建出的图像非常模糊且受严重的g i b b s 环下扰， 奉文提出图像模糊增强算法，在图像域最大化互信息算法进行运动估计前，对 图像进行预处理，压制图像中过亮与过暗的区域，消除图像中的一部分噪声， 并有效增强了其对比度，进一步提升了运动参数估计的精度与稳健性。 在进行了运动补偿后，本文实现了p r o p e l l e r 磁共振数据的网格化重建算 法，由于p r o p e l l e r 数据量比较大，现有的采样密度补偿算法非常耗时。本 文基于网格化个全为l 的向量，提出p r o p e l l e r 数据网格化中采样密度的 快速补偿方法，实现磁共振图像的快速重建，更好地满足了临床要求。 总之，本文基于当前具有良好的运动伪影消除效果的p r o p e l l e r 采样，针 对其现有重建算法中存在的缺陷，提出了稳健性与精度都更好的c f m 1 s 运动估 计新算法与基于采样密度的快速补偿新算法，并将所提算法应用二t 1 加权成像 数据，有效消除了t 1 加权成像中刚性运动伪影，显著提高了有运动时t 1 加权 磁共振成像的质量。 芙键词：磁共振成像运动伪影p r o p e l l e r 采样运动估讣图像重建 r e s e a r c ho n m o t i o na r t i f a c t ss u p p r e s s i o nm e t h o d si n 王ib a s e do np r o p e l l e r s a m p l i n g n a m e ：y a n q i uf e n g s u p e r v i s o r ：w u f a nc h e n a b s t r a c t m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ( m e d ) h a sb e e nc o n s i d e r e da so n eo ft h eg r e a t e s t i n v e n t i o n si nt h el a s tc e n t u r y c o m p a r e dw i t hc o m p u t e rt o m o g r a p h y ( c t ) ，m r lc a n p r o v i d ei m a g e sw i t hh i g hs o f tt i s s u ec o n t r a s ta n ds p a t i a lr e s o l u t i o na n dw i t h o u t h a r m f u lr a d i a t i o n t h e r e f o r e 删h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nc l 访i c sa n dm a y b et h e m o s tp r o m i s i n gn o n i n v a s i v ed i a g n o s t i ct o o li nm e d i c i n e h o w e v e r , l o n gd a t aa c q u i s i t i o nt i m em a k e s 心s u s c e p t i b l et op a t i e n tm o t i o n a sar e s u l t ，b l u r r i n ga n dg h o s t i n gc a u s e db yp a t i e n tm o t i o nm a yr e d u c ea n a t o m i c d e t a i la n dl i m i tt h ed e t e c t i o no fp a t h o l o g i c a l f i n d i n g s i t i s r e p o r t e d t h a t a p p r o x i m a t e l y1 4 o fs u b j e c t sr e q u i r es e d a t i o no rg e n e r a la n e s t h e s i ai no r d e rt o o b t a i ns a t i s f a c t o r yi m a g e s b o t ho fw h i c hc a r r ys i g n i f i c a n tr i s k s i nf u n c t i o n a lm r i ( f m r i ) t h eo b s e r v e db l o o do x y g e n a t i o nl e v e ld e p e n d e n t ( b o l d ) e f f e c tc a nb es m a l l i nc o m p a r i s o nt om o t i o nr e l a t e di n t e n s i t yc h a n g e s c o n s e q u e n t l y , t h ee x t r e m em o t i o n s e n s i t i v i t yo ff m r in e c e s s i t a t e sc o r r e c t i o nf o rm o t i o ne f f e c t si no r d e rt oe x t r a c tt h e p r o p e rs i g n a lf r o ma c t i v a t e db r a i na r e a i na d d i t i o n ，m o t i o n ss u c ha sh e a r t - b e a t i n g ， r e s p i r a t i o n ，b l o o df l o w i n ga n dw r i g g l i n go fs t o m a c ho ri n t e s t i n e sa r em o r es e v e r e o b s t a c l e sf o rm r j p r o p e l l e rn p e r i o d i c a l l yr o t a t e do v e r l a p p i n gp a r a l l e ll i n e sw i t he n h a n c e d r e c o n s t r u c t i o n ) i v l r ii sp r o p o s e di n19 9 9f o rm o t i o nc o r r e c t i o nb yj a m e sgp i p eo f s t j o s e p h sh o s p i t a l t h i sm e t h o dh a st h ea d v a n t a g e so fo v e r s a m p l i n gn e a rt h e c e n t e ro fk s p a c ea n de x t r a c t i n gm o t i o ni n f o r m a l i o nf r o mt h eo v e r l a p p e dd a t a b e t w e e ns t r i p s t h i sm e t h o dh a sb e e ne v a l u a t e dc l i n i c a l l yf o rq u a n t i f i c a t i o na n d c o r r e c t i o nf o rh e a dm o t i o na n df o u n dt ob ea b l et or e d u c em o t i o na r t i f a c ta n di m p r o v e i m a g eq u a l i t yo ft 2 - w e i g h t e dm ri m a g e s i nr e c e n tp a p e r s ，p r o p e l l e rh a sb e e n e x t e n d e dt os u p p r e s sm o t i o ni l ld i f f u s i o n - w e i g l l t e di m a g i n g ( d w i ) a n dd i f l u s i o n t e n s o ri m a g i n g ( d t i ) r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h em e t h o dh a sb e e na d o p t e db y g e n e r a le l e c t r i c sf g e lc o m p a n y n o w a d a y s ，p r o p e l l e r ui so n eo ft h em o s t a d v a n c e dt e c h n i q u e so ni t s 删d e v i c e sa n do f p r o m i s i n gf u t u r e h o w e v e r , p r o p l l e rm r ic a r lo n l ys u p p r e s sm o t i o ni nt 2 一w e i g h t e di m a g e s w i t hd a t ac o l l e c t e db yf a s ts p i n - e c h o ( f s e ) s e q u e n c ee t c w h e nu s e di nt 1 - w e i g h t e d m r i ，c u r r e n tr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mc a n n o tp r o d u c es a t i s f a c t o r yr e s u l td u et o i m p r e c i s ee s t i m a t i o no fm o t i o n a d d i t i o n a l l y , t h ec o m p e n s a t i o nf o rs a m p l i n gd e n s i t y i nf m a lg r i d d i n gr e c o n s t r u c t i o nh e l d sah i g hc o m p u t a t i o nl o a d t h ed a t aa c q u i s i t i o ni sa c c o m p l i s h e do i lt h eo p e m m a r k4 0 0 0 涮s 3 7 s t e m m a n u f a c t u r e db ys h e n z h e na l i k eh i g h - t e c hc o m p a n y t h ec u r r e n tr e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h ma r ei m p l e m e n t e do nt h ec o l l e c t e dt 1 - w e i g h t e dp r o p l l e rd a t aa n di t i s f o u n dt h a tn e wa r t i f a c t sa r ec r e a t e de v e nf o rs t a t i o n a r yo b j e c t s t h er e a s o ni s i m p r e c i s e m o t i o ni n f o r m a t i o ne s t i m a t e d b yr e g i s t r a t i o na l g o r i t h m b a s e do n c o r r e l a t i o ni nf r e q u e n c y ( c f ) w h e np e r f o r mr o t a t i o ne s t i m a t i o n ，t h ep h a s eo f k s p a c ed a t ai sn o tt a k e ni n t oa c c o u n ti no r d e rt oe x c l u d ei n f l u e n c eo ft r a n s l a t i o n w h i c ha c c o u n tf o rt h ed r o po f a c c u r a c ya n dr o b u s t n e s s i nf a c t ，a l l i m a g ec a nb er e c o n s t r u c t e db yz e r o p a d d i n ge a c hs t r i pa n d p e r f o r m i n gt h ef o u r i e rt r a n s f o r m t h e nt h em o t i o ni n f o r m a t i o nc a nb ee x t r a c t e d t h r o u g hr e g i s t r a t i o no fi m a g e s t h e r e f o r e an e wa l g o r i t h mf o rm o t i o ne s t i m a t i o ni s p r o p o s e db a s e do nm a x i m i z a t i o no ft h ec o r r e l a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i na n dm u t u a l i n f o r m a t i o ni ns p a t i a ld o m a i nf c f m i s ) s e q u e n t i a l l y i n i t i a la n dc o a r s ee s t i m a t i o ni s o b t a i n e db ym a x i m i z i n gc o e l a t i o ni nf r e q u e n c y t h e ne s t i m a t i o ni sf u r t h e ri m p r o v e d b yt h er e g i s t r a t i o nb a s e do nm u t u a li n f o r m a t i o ni ns p a t i a ld o m a i n f u z z yi m a g ee n h a n c e m e n ti sp r o p o s e dt op r e p r o c e s st h et e m pi m a g e sb e f o r e m o t i o ne s t i m a t i o nw i t h sa l g o r i t h m 岫i m a g ee n h a n c e m e n t ，t h ep i x e l s w i t hm u c hh i g h e ro rm u c hl o w e ri n t e n s hmt h ei m a g ea r es u p p r e s s e da n dt h e c o n t r a s t sb e t w e e nd i f f e r e n tt i s s u e sa r ee x t e n d e d a sar e s l l l t t h ee s t i m a t i o na c c u r a c y i sf u r t h e ri m p r o v e d a f t e rm o t i o nc o m p e n s a t i o n ，p r o p l l e rd a t aa r er e s a m p l e do n t oac a r t e s i a n g r i d d u r i n gt h eg d d d i n gr e c o n s t r u c t i o n ，t h ec u r r e n ta l g o r i t h mf o rs a m p l i n gd e n s i t y c o m p e n s a t i o ni sc o m p u t a t i o n a l l yi n t e n s i v e p o s t c o m p e n s a t i o na p p r o a c hb yg r i d d i n ga u n i t yd a t av e c t o ri sp r o p o s e di nt h i sp a p e r c o n s e q u e n t l y , t h et i m ec o m p l e x i t yi s d e c r e a s e d g r e a t l y i nc o n c l u s i o n ，t h ep r o p o s e dc f m i sa l g o r i t h mi ss h o w nt ob eo f h i 【g h e ra c c u r a c y t h a nt h ec fa l g o r i t h ma n ds u c c e e di ns u p p r e s s i n gm o t i o na r t i f a c t si nt 1 一w e i g h t e d p r d p e l l e r u t h ep r o p o s e dd e n s i t ye s t i m a t i o nm e t h o dc a np e r f o r mt h e s a m p l i n gd e n s i t yc o m p e n s a t i o nm u c hm o r er a p i d l yw h i l ea c h i e v i n ge q u i v a l e n t q u a l i t yo f r e c o n s t r u c t i o n k e y w o r d m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ；m o t i o na r t i f a c t s ：p r o p l l e r ；m o t i o n e s t i m a t i o n ；i m a g er e c o n s t r u c t i o n 博士学位论文 第一章引言 1 9 4 6 年美国哈佛大学的p u r c e l l 及斯坦福大学的b l o e h 分别独立地发现磁萸 振现象并接收到核子自旋的电信号，同时将该原理最早用于生物实验，在物理 学、化学方面作出了较大的贡献，于1 9 5 2 年荣获诺贝尔物理奖。磁共振成像的 设想出自d a m a d i a n ，他j 二1 9 7 1 年发现了组织的良、恶性细胞的m r 信号有所不 同。1 9 7 2 年p - c l a u t e r b u r 用共轭成像法产生一幅试管的m r 图像，并于1 9 7 4 年作出第一幅动物的肝脏图像。1 9 7 3 年，与p c l a u t e r b u r 几乎同时，但又分别 独立的发表磁共振成像论文的还有英国n o a i n g h 眦大学的p e t e rm a n s f i e l d ，他们 均认识到用线性梯度场来获取磁共振的空间分辨率是一种有效的解决方案，阗 而在成像概念上产生了质的飞跃，因为二人的杰出成就，2 0 0 3 年荣获诺贝尔生 理学或医学奖。 磁共振成像技术根据生物体磁性核( 氢核) 在磁场中表现出的共振特性， 通过磁场获取人体组织的图片信息，用像素显示其内部固有组织细胞核的分子 环境，被认为是过去l00 年里世界上最大的应用技术发明之一。磁共振成像 具有较高的软组织对比度与空间分辨率，并能根据需要灵活选择成像参数与成 像层面，而且对人体没有电离辐射等伤害。如今，磁共振系统已经成为现代医 学影像领域中最先进，最昂贵的诊断设备，并广泛应用于临床，是当前i 临床医 学影像学的重要检查手段之，正在人类疾病的诊断中发挥着无与伦比的作用。 磁共振成像还能反映大脑的新陈代谢活动，使人类能直接“看到大脑的认 知活动”，被誉为研究大脑认知和智力的“望远镜”和“显微镜”，对人类天于 自身精神世界的认识，对大脑和认知关系乃至精神和物质关系的认【 ，其科学 意义之重大、对人类社会发展影响之深远无论怎样估计都不会过分。 然而，由于磁共振数据采集时间比较长，病人常常会发生自主或非自主的 运动，导致图像中出现伪影，图像质量恶化，严重地影响临床诊断。更为严重 的是，在对婴幼儿或者有躁动症的病人检查时，这些病人很难保持静止，往往 会导致整个检查失败。据文献 1 ，在头部磁共振检查中，为了避免运动的影响， 大约1 4 需要服用镇静剂或通过麻醉手段，才能得到满意的图像；在功能磁共 第一章引言 振成像检查中，运动造成的图像信号强度的变化会掩盖观测到的血氧饱和水平 的变化，必须对运动加以有效补偿，才能提取出正确的脑功能激活区的信号。 此外，在腹部与胸部检查中，心脏的跳动、呼吸运动、胃肠的蠕动、血液的流 动等造成的影响更加严重，因此有效地矫正运动伪影在临床上存在巨大的需求。 自从磁共振成像设备出现以来，如何有效地克服运动对成像的影响，一直是医 学磁共振成像研究的热点同时也是技术难题之一。 1 9 9 9 年s t j o s e p h s 医院的j a m e sgp i p e 首次提出了p r o p e l l e r 采样方式 及其垂建算法来消除运动伪影，对刚性运动伪影消除效果非常显著，参考文献 【2 - 4 】，已经在头部磁共振成像中获得了成功应用【5 - 6 】，并被推广用于扩散加权 成像( d i f f u s i o n - w e i g h t e di m a g i n g ，d w i ) 与扩散张量成像( d i f f u s i o nt e n s o ri m a g i n g ， d f i ) 7 1 3 1 自 t ：究。该方法2 0 0 2 年被g e 公司采用，并于2 0 0 4 年推向了中国大 陆市场，成为其高端磁共振成像设备的最新卖点之一。 然而，目前所有文献中报道的p r o p e l l e r 方法与g e 公司现提供的 p r o p e l l e r 成像，只能基f 快速自旋回波( f s e ) 等序列消除t 2 加权成像的 运动干扰。用于t 1 加权成像时，由于现有算法运动参数估计的精确度与稳健性 小够，伪影消除的效果不理想。本文致力于提出p r o p e l l e r 采样数据重建中 精度高且稳健性好的运动参数估计新算法，以期解决t 1 加权磁共振成像中的运 动伪影消除问题，为l 临床医学影像学诊断提供更高质量的图像。本文所做研究 j 。作与创新之处主要有： 1 ) 在深圳安科公司生产的磁共振成像设备上，对t 1 加权磁共振成像设计了 p r o p e l l e r 采样序列，完成了数据采集： 2 ) 对采集到p r o p e l l e r 采样数据，利用现有重建算法进行了重建实验， 发现重建效果不理想，对于静止的物体，该算法引入了新的伪影，通过 分析，发现是由于该重建算法中运动估计算法的精度过低所致； 3 ) 对现有p r o p e l l e r 采样数据重建中基于频域相关的运动估计算法进行 了深入分析，发现该算法为了实现旋转运动与平移运动估计的分离，在 进行旋转估计时，丢掉了复数的相位信息，导致了旋转估计精度的大大 f 降，甚至根本是完全错误的估计； 4 ) 根据p r o p e l l e r 采样数据的特点，本文提出基于频域相关与图像域最 大化互信息相结合的运动估计新算法，充分利用p r o p e l l e r 采样中心 重叠采样区域数据的信息，提高了运动信息估计的精度与稳健性，特别 博士学位论文 是对于t l 加权p r o p e l l e r 磁共振数据，同样得到了精度很高的运动估 计结果，克服了原有算法的缺陷，更好地消除了运动伪影； 5 ) 提出图像模糊增强算法，在图像域最大化互信息算法进行运动估计时， 对图像进行预处理，压制图像中过亮与过暗的区域，消除图像中的一部 分噪声，并有效增强了图像的对比度，进一步提升了运动参数估计的精 度与稳健性： 6 ) 在进行了运动补偿后，实现了p r o p e l l e r 磁共振数据的优质重建算法； 并提出p r o p e l l e r 数据网格化算法中采样密度的快速补偿方法，实现 磁共振图像的快速重建，更好地满足了临床要求。 本文共有六章组成：第一章即本章为本文的引言部分，介绍了磁共振成像 运动伪影矫正的研究意义，研究现状，本文的主要研究工作；第二章简要介绍 了磁其振成像的基本原理，主要是磁共振信号的产生与检测、二维傅立叶成像 巾k 空间原始数据编码、采样方式与重建算法；第三章基丁二：维傅立叶成像原 理，分析了磁共振成像运动伪影的形成机制，以及当前主要的运动伪影消除算 法，并特别介绍了最新的p r o p e u 正r 采样方法及其重建算法流程：第四章详 细介绍了p r o p e l l e r 采样数据重建中现有基于频域相关的运动估计算法，指 出了，其用ft l 加权数据处理时的局限性，并分析了原因；相应地，提出基于频 域相关与图像域最大化瓦信息相结合的运动估计新算法，并采用模糊增强进行 图像预处理，充分利用中心重叠采样区域的数据，以提高运动信息估计的精度 与稳健性，并给出了所提算法与现有算法在t 1 加权成像中运动伪影消除效果上 的详细实验对照：第五章为本文提出的非笛卡尔数据网格化中采样密度的快速 补偿新算法，在保证重建质量的同时，算法的时间复杂度获得大大降低，从而 实现了算法的快速实现；第六章对全文做了总结，列出了本文的主要贸献，并 针对当前研究现状，对进一步的研究工作做了展颦。 第二章磁共振成像原理 第二章磁共振成像原理 本章介绍磁共振成像的基本原理，为后面理解运动伪影的形成机制奠定理 论基础，主要参考了磁共振成像原理方面的图书 1 4 1 9 。主要内容包括核磁共 振现象的物理学原理，磁共振信号的产生与检测、磁共振成像的空间定位原理 与二维傅立叶变换成像原理。 2 1 核磁共振理论 磁共振成像的物理学原理为核磁共振( n u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c e ，n m r ) 现象。所谓核磁共振，是研究具有磁矩的原子核在静磁场中与电磁波相e i ：作用 的现象，它是由美国s t a n f o r d 大学的f e f i xb l o c h 和h a r v a r d 大学e d w a r dp u r c e l l 于1 9 4 6 年各自独立地发现的，两人并因此而获得了1 9 5 2 年的诺贝尔物理奖。 2 1 1 原子核的自旋与磁矩 任何物质都是由分子组成的，分子是由原子组成的。原子由一个原子核和 数目不同的绕核运动的电子组成，核又分为带正电的质子与不显电性的中子两 部分。原子核与电子都有不停地自旋的特性。虽然质子与电子的自旋现象需要 用量子力学理论才能进行严格意义上的解释，就物质的宏观效应来说，利用经 典力学与电磁学的理论也可以得出相当满意的答案。 磁共振成像差要与原子核的自旋相关。原子核的自旋运动常用自旋角动量p 来描述，尸的方向与核的自旋轴相重合。根据量子力学的计算，尸只能取一系列 不连续的值。其计算公式为 p = 尝厕 ( 2 。1 ) 二r - 式中，为自旋量子数，是原子核的固有属性，只能取整数或者半整数。 原了核是带正电的粒了，其电荷均匀地分布在它的表面上。由于原子核有 自旋运动，上述电荷也随之绕自旋轴旋转，其效应相当于一个环形电流，在其 博士学位论文 周围产生磁场，并具有自身磁矩，如图2 1 所示。设原子核的磁矩为，的方 向可由环形电流的法拉第右手定则确定，与自旋角动量| p 重合，兵大小与尸成 正比，即 z = 俨 ( 2 2 ) 式中，为核的磁旋比( g y r o m a g n e t i cr a t i o ) ，是核的特征常数，不同的原子 核有不同的y 值，与核的运动无关。 表2 1 给出了一些原子核的自旋量子数与磁旋比。在生物组织中，氢原子1 h f 吁原予数量2 3 ，而且1 h 是磁化最高的原子核，所以目前生物组织的磁共振成 像主要是1 h 成像。 ( a ) 自旋的原子核( b ) 自旋核的磁效应 图2 1 原子核的白旋及其磁效应 f i g 2 一is p i n n i n go f n u c l e u sa n di t sm a g n e t i z a t i o n 表2 1 一些原子核的白旋量子数、磁旋比与核磁矩 t a b 2 - 1n m r p r o p e r t i e so f s e l e c t e dn u c l e u s 核的种类自旋量子数磁旋比核磁矩 ( ，)( y )( “) 1 ho 54 2 5 8 2 7 9 1 3 co 51 0 7 10 7 0 1 9 f o 54 0 0 52 6 3 3 l p 0 5 1 1 2 61 1 8 第= 章磁共搌成像原理 2 1 2 静磁场中的原子核 在自然状态下，质子的排列处于无序状态，但是当把物质置入强大的磁 场内时，质子的自身磁场将被强的外磁场规范如图2 2 所示，质子的南北极力 向将被迫沿外磁场方向排列，即平行于外磁场，但是一部分质子的磁矩与外磁 场力 小致，而部分质子的磁矩与外磁场方向相反，而日与外磁场方向一致 排列的质子数目比相反方向者略多。 依照量子物珲学原理，原子磁矩进八外磁场之后，其空间取向发生量子化， 即只能取一些确定的方向。如自旋量子数为，则只能取2 ，+ 1 个不同方向，从 向彤成它与外磁场的相互作用不同。所以，在外磁场的作用下，使原来的能级 分裂成为凹+ 1 能级，称为塞曼分裂，这些能级成为塞曼能级。 对于氢质了，j = 1 2 ，所以在外磁场中分裂为两个能级：与外磁场方向相反 的质了处于高能级，弓外磁场方向相同的质子处于低能级。从数目上看，处j = 低能级的质子数要比处于高能级的质了数略多。 九 q0 0 0 q 二二 二二 图2 - 2 进入外磁场后厨f 的空问取向及分布 f i g2 - 2o r i e n t a t i o no f p r o t o a f t e re n t e r i n gm a g n e t i cf i e l d 自旋核有一定的自旋角动量和核磁矩，在静磁场作刖下，核磁矩并不足完 全按外磁场的方向排列，其自旋轴与外磁场方向有个小的夹角，同时每个质 了不停地改变其磁化方向，类似旋转陀螺在地球引力场中进动一样运动，称为 舟旋核的进动( p r o c e s s i o n ) ，如图2 - 3 所示。磁矩卢在静磁场中绕的进动颇串 为，通常称为拉莫尔频率( l a r m o r f r e q u e n c y ) ，与，和岛成止比， 为，通常称为托莫尔频率( l a r m o r f r e q u e n c y ) 。c o o 与y 和岛成正比， 博士学位论文 图2 3 磁性核在静态磁场中进动示意图 f i g 2 3 p r o c e s s i o no f m a g n e t i z e dn u c l u si ns t a t i cm a n g n e t i cf i e l d ( 2 3 ) 由于处于低能级的质子数目略多f 处二高能级的质子数日，所具有的磁矩 欠量叠加后，在与外磁场( z 轴) 平行方向上，形成一个静宏观磁化矢量，称为 “纵向磁化矢量”m z ( 1 0 n g i t u d i n a lm a g n e t i z a t i o n ) ；在垂直于外磁场方向即横向 ( x y 甲面) ，尽管质子的自旋轴与外磁场方向有个夹角，每个质子的磁化存横向 均有投影分量，但是因为质子在不停地进动，每个时刻质子之间的方向不同， 即相对于莱一横轴的夹角( 即相位) 不同，因此横向矢量m x y 叠加为零。 2 1 3 核磁共振现象和共振条件 核磁共振实际上是指一定条件下在塞曼能级之间进行的共振吸收跃迁现 象。在静磁场中，核磁矩以定角口作拉莫尔进动，其能量并没有发生变化，系 统处f 稳定状态。但是，如果在静磁场岛的垂直平面内施加一个以融角速度旋 转的磁场且，如果满足条件： 第二章磁共振成像原理 = = 线 ( 2 4 ) 核磁矩就可以与马发生能量交换，产生核磁共振现象。 磁共振成像中采用频率与质子进动频率相同的射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 脉冲作为激发源。向外磁场内的氢质子施加具有拉莫尔频率的射频脉冲后，产 冀：两个同时发生的作用：一是低能级的质子吸收了射频脉冲的能量后跃迁到了 高能级，纵向磁化矢量m z 变小：二是受射频脉冲磁场的磁化作用，进动的质子 趋向于射频磁场方向而变为同步、同速运动，即处于“同相”( i n p h a s e ) ，这样 在拶平面上叠加起来，就形成了一个新的宏观磁化量，即横向磁化( t r a n s v e r s e m a g n e t i z a t i o n ) 矢量，用m x y 表示，m x y 继续绕= 轴进动，整个激发过程中总的 净磁化矢量呈螺旋线运动，如图2 4 ( a ) 所示，。 当在砂平面设置一接收线圈时，由于m x y 的进动，相当于线圈内的磁场大 小和方向的变化，根据法拉第电磁感应原理，即通过闭合回路的磁通量发乍变 化时，闭合回路内产生感应电压，感应电压的大小与磁通量的变化率成正比。 t ：是在线圈两端就会感应出交流电动势，这个电动势就是线圈接收到的磁共振 信号，无疑该信号同样具有迸动频率。 ( a ) 激发过程 ( b ) 弛豫过程 图2 - 4 激发过程与弛豫过程中净磁化矢鼍的运动轨迹 f i g 2 _ 4 t r a c ko f m a g n e t i z a t i o nv e c t o rd u r i n ge x i t a t i o na n dr e l a x i t o n 博士学位论丈 2 2 磁共振图像的信号 2 2 1 弛豫和弛豫时间 一旦射频脉冲停止，质子即迅速由激发态向原来的平衡状态恢复，系统由 激发态恢复至平衡状态的过程叫做“弛豫”( r e l a x a t i o n ) 。弛豫过程中同步地发 生两个过程：原来的纵向磁化矢量逐步恢复的过程和新建立的横向磁化矢量逐 步消失的过程。前者称为纵向弛豫( 1 0 n g i t u d i n a lr e l a x a t i o n ) ，后者称为横向弛豫 ( 订a n s v e r s er e l a x a t i o n ) ，整个弛豫过程中总的净磁化矢量呈螺旋线运动，如图 2 - 4 ( b ) 所示，与射频激发后的运动正好相反。 射频脉冲停止后，纵向磁化矢量由最小恢复到原来大小的过程称纵向弛豫， 又称为自旋一晶格弛豫( s p i n 1 a t t i c er e l a x a t i o n ) 或t l 弛豫。纵向弛豫中纵向磁 化矢量大小的恢复过程呈指数曲线形式，如图2 5 ( a ) 所示，符合公式： m z = m o 1 一e 。”1 ( 2 - 5 ) 式中m z 为t 时刻的纵向磁化矢量值，m o 为平衡态的纵向磁化矢量值，t 为弛豫 时间，t 1 为纵向弛豫时间常数，为纵向磁化从最小值恢复到平衡态磁化矢量6 3 的时间，是纵向磁化恢复快慢的一个尺度。 射频脉冲停i 卜后，横向磁化矢量膨由最大逐步消失的过程称横向弛豫， 由称为自旋一自旋弛豫( s p i n s p i nr e l a x a t i o n ) 或t 2 弛豫。在理想的均匀磁场巾， 横向弛豫随时间的弛豫过程也呈指数曲线形式，如图2 5 ( b ) 所示，符合公式： m x y = m ns i n 国“7 2 一 ( 2 6 ) 式中m x y 为r 时刻的横向磁化矢量值，t 2 为横向弛豫时间常数，为横向磁化衰 减至最大值的3 7 时所经历的时间，是横向弛豫衰减快慢的一个尺度。 第二章磁共振成像原理 6 3 t l t 2 7 ( a ) 纵向弛豫曲线 ( b ) 横向弛豫曲线 图2 - 5 纵向弛豫曲线与横向弛豫曲线 f i g 2 5 i l l u s t r a t i o no f l o n g i t u d i n f lr e l a x a t i o na n d t r a n s v e r s er e l a x a t i o n 2 2 2 磁共振图像的对比度 通过选择采集参数，可以达到在图像中突出某一对比度的目的，临床上常 用的主要加权图像有三种： 1 ) t i 加权图像：在成像序列中采用短t r ( 重复时间， 5 0 0 m s ) 和短t e ( 吲 波时间， ：t ， 3 ) f7 ( x ，y ) = 2 + m a x s i n 。( t e m p7 ( x ，y ) ) ( 4 2 2 ) 萁中步值可以根据经验设定，也可以由二值化闽值分割算法地估计得到；a 值 为： 口= l 2 十( 1 一) 2 ) ( 4 2 3 ) 图4 1 2 给出了模糊增强对图像的处理效果对照。( a ) 与( c ) 分别为第1 个， 第2 个k 宅间条重建出的图像，( b ) 与( d ) 分别为对其进行模糊增强后的结果 图缘，可以看出模糊增强有效地压制了一些g i b b s 环状伪影，图像的对比度也得 到了很大提高，增强的效果显著。 基于上面有关阐述，本文提出的基于频域相关与图像域互信息的运动参数 第四章基于频域相关与图像域互信息最大的p r o p e l l e r 采样数据运动估计新算法 估计新算法流程如图4 1 3 所示，为了简化并与前面的c f 算法相区别，本文将 该算法命名为c f m s ( c o r r e l a t i o ni nf r e q u e n c ya n dm u t u a li n f o r m a t i o ni ns p a t i a l d o m a i n ) 算法。 得到相应运动参数后返回k 空间域分别对各个k 空间条的数据进行补偿， 然后组合全部k 空间条，通过网格化方法，转化到笛卡尔坐标系下均匀分别的 网格点上，再进行二维傅立叶逆变换，取模后得到最终的重建图像。 父于本文所提c f m i s 算法与现有c f 算法的详细的实验比较见下一节。 ( a ) 第1 个k 空间条重建出的图像 ( b ) 模糊增强后的图像 ( c ) 第2 个k 空间条重建出的图像( d ) 模糊增强后的图像 图4 1 2 模糊增强效果对照 f i g 4 1 2c o m p a r i s o n o f i m a g e s b e f o r e a n d a f t e r f u z z ye n h a n c e m e n t 博士学位论文 运行c f 算法，提供初始参数估计 j l 将每个k 空问条补零后分别进行傅立叶 逆变换，得到临时图像，进行模糊增强 l 在图像域以互信息量做测度，用 p o w e l l 优化方法，迭代搜索运动参数 图4 1 3c f m i s 运动估计算法流程图 f i g 4 1 3d i a g r a mo f m o t i o ne s t i m a t i o nw i t hc f - m i sa l g o r i t h m 4 3 实验与分析 为了评价本文