（生物医学工程专业论文）扩散张量成像关键技术和算法研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d i f f u s i o nt e n s o rm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g d t i m e a s u r e st h ed i f f u s i v i t yo fw a t e ra l o n gd i f f e r e n t d i r e c t i o n s i nt h eh u m a nb o d ya n dy i e l d si m p o r t a n ti n f o r m a t i o na b o u tt i s s u em i c r o s t r u c t u r e t h ew o r ki n t h i st h e s i sw a sc o n d u c t e dt oa d d r e s st h eo b j e c t i v e so fi m p r o v i n gd t if o rg e n e r a t i n gg o o dq u a l i t yd i f f u s i o n t e n s o rf i e l da n dy i e l d i n gm o r ea c c u r a t er e s u l t so ff i b e rt r a c k i n ga sw e l la sv i s u a l i z a t i o n i nd i f f u s i o nt e n s o ri m a g i n g d i f f u s i o nt e n s o rm a p sa r et y p i c a l l yc a l c u l a t e df r o mas e q u e n c eo f d i f f u s i o nw e i g h t e di m a g e s h o w e v e r t h ed i f f u s i o nw e i g h t e di m a g i n gi so f t e ni n f l u e n c e db yb o t ht h e r m a l n o i s ea n dp h y s i o l o g i c a ln o i s es u c ha sa r t i f a c t sc a u s e db yp h y s i o l o g i c a lm o t i o n s i no r d e rt or e d u c et h e r m a l n o i s e an e wa p p r o a c hi sp r o p o s e dt oe s t i m a t et h ed i f f u s i o nt e n s o rf r o mas e q u e n c eo fd i f f u s i o nw e i g h t e d i m a g e s t h ef i r s ts t e po ft h i sa p p r o a c hc o n s i s t so ft h ed e n o i s i n go ft h ed i f f u s i o n w e i g h t e di m a g e s t h e n o i s er e m o v a la l g o r i t h mr e l i e so nd u a l t r e ec o m p l e xw a v e l e tt r a n s f o r ma n db i v a d a t es h r i n k a g er u l e s t h e s e c o n ds t e po ft h ea p p r o a c ha m o u n t st oe s t i m a t i n gd i f f u s i o nt e n s o rf r o md e n o i s e dd i f f u s i o n w e i g h t e d i m a g e su s i n gt h el e a s ts q u a r e sm e t h o d e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e do nb o t hs y n t h e t i cs e c o n d o r d e rt e n s o r f i e l da n dr e a ld t id a t as e t w h e nc o m p a r e dt ot h es m o o t h i n gs c h e m e sa f t e rt e n s o re s t i m a t i o n d e n o i s i n g t h ed i f f u s i o n w e i g h t e di m a g e sl e a d st oam o r ea c c u r a t ee s t i m a t e dt e n s o rf i e l d t h eo b j e c t i v er e s u l t sa n d s u b j e c t i v ee v a l u a t i o no ft h ee s t i m a t e dd i f f u s i o nt e n s o rf i e l da l s op r o v et h a tt h ep r o p o s e dp r o c e d u r eh i g h l y i m p r o v e st h eq u a l i t yo f t h ef i n a ld i f f u s i o nt e n s o rf i e l d f u r t h e r m o r e ar o b u s te s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nt h ec o n s t r a i n e dm e s t i m a t o rw i t hh i g hb r e a k d o w n p o i n ta n dh i g ha s y m p t o t i ce f f i c i e n c yi sa l s op r o p o s e di nt h i sp a p e rf o ra c q u i r i n gm o r ea c c u r a t ed t i d i f f u s i o nt e n s o rf i e l d f i r s t d u r i n gp r e p r o c e s s i n gp h a s e t h e r m a ln o i s ei nt h ed i f f u s i o nw e i g h t e di m a g e si s r e m o v e db yi m p l e m e n t i n gd u a l t r e ec o m p l e xw a v e l e tt r a n s f o r m t h e na l la p p r o p r i a t er e g r e s s i o ns t a r t i n g p o i n tc a r lb ef o u n db yr a n d o ms a m p l i n ga n dc o n s i d e r i n gs i m u l t a n e o u s l yt h ep o s i t i v i t yc o n s t r a i n to ft h e d i f f u s i o nt e n s o rv i a t h ec h o l e s k yf a c t o r i z a t i o n f i n a l l y l o c a lm i n i m u mo ft h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni so b t a i n e d t oa c h i e v ec o n s t r a i n e dm e s t i m a t eo ft h ed t id i f f u s i o n t e n s o r e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e do nt h e s y n t h e t i cs e c o n d o r d e rt e n s o rf i e l da n dt h er e a ld t id a t as e t b o t hc o r r u p t e db yv a r i o u sl e v e l so fo u t l i e r s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a nr e m o v et h e r m a ln o i s ea n dp h y s i o l o g i c a lo u t l i e r s m o r ee f f i c i e n t l y c o m p a r e dt ot h el e a s ts q u a r er e g r e s s i o nm o d e la n dt h eg e m a n m c c l u r em e s t i m a t o r w h i c ha r em o r er o b u s tt h a nt h es t a n d a r dl e a s ts q u a r em e t h o d t h e r e f o r e t h ep r o p o s e dm e t h o dm a yb e p a r t i c u l a r l yu s e f u lf o rt h ed t id i f f u s i o nt e n s o re s t i m a t i n g r e g u l a r i z i n gt h ed i f f u s i o nt e n s o rf i e l di sn e c e s s a r yf o ri m p r o v i n gt h er e s u l to ff i b e rt r a c k i n g a n o n l i n e a rt e n s o r v a l u e dw e i g h t e dd i r e c t i o n a l d i s t a n c ef i l t e r i n gm e t h o di s p r o p o s e d i nt h et h e s i sf o r r e g u l a r i z i n gt h ed i f f u s i o nt e n s o rf i e l dp r o d u c e db yd t i f i r s t t h ed i r e c t i o n a lf i l t e rf o rt e n s o r v a l u e di m a g e i sd e f i n e dt h r o u g hd o u b l ed o tp r o d u c to ft e n s o r s a n dt h e nt h et e n s o r v a l u e dm e d i a nf i l t e ri sc o m b i n e dt o i n t r o d u c eaj o i n tm i n i m i z a t i o nc r i t e r i o n b a s e do nt h i s c r i t e r i o n t h eg e n e r a l i z e dt e n s o r v a l u e d d i r e c t i o n a l d i s t a n c ef i l t e r i n gs t r u c t u r ei sg i v e n f i l t e ro u t p u tc a na l s ob ec o n t r o l l e db ye m p l o y i n gw e i g h t s v e c t o ro nd i s t a n c ea n dd i r e c t i o nd o m a i n s m o r er o b u s tr e s u l t sa r ea c q u i r e dc o n s e q u e n t l y e x p e r i m e n t sw e r e p e r f o r m e do nb o t hs y n t h e t i cs e c o n d o r d e rt e n s o rf i e l da n dr e a ld i f f u s i o nt e n s o rd a t as e t t h ec o m p a r i s o no f i a b s t r a c t o b j e c t i v er e s u l t sa n ds u b j e c t i v ee v a l u a t i o no ft h ef i l t e r e di m a g e si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e df i l t e r i n gm e t h o d c a r le f f e c t i v e l yr e m o v en o i s ea n dk e e pt e n s o rf i e l dd e t a i l su n c h a n g e d i tm a yb eap r o m i s i n gf i l t e r i n gt o o l f o rt h em a g n e t i cr e s o n a n c ed i f f u s i o nt e n s o rf i e l d o t h e r w i s e a c c o r d i n gt ot h er e f e r e n c e sw ee x p l o r e r e g u l a r i z a t i o n sa r ea l w a y s p e r f o r m e do nt h es p a t i a ls p a c e i n s p i r e db yt h et e c h n o l o g i e so ff r e q u e n c y f i l t e r i n g t h et h e s i sr e s e a r c h e ss e v e r a lf i l t e r i n gm e t h o d sp e r f o r m e do nt e n s o rf r e q u e n c yd o m a i n t h ef o u r i e r t r a n s f o r mo fs e c o n d o r d e rt e n s o rf i e l d si si n t r o d u c e da n dt h eb a s i cl o w p a s sa n dh i g h p a s st e n s o rf i l t e r f u n c t i o n sa r ed e f i n e d t h ei n f l u e n c eo ff r e q u e n c yd o m a i nf i l t e r i n go nf i b e rt r a c k i n gi sa l s od i s c u s s e di nt h e t h e s i s t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tf r e q u e n c yd o m a i nf i l t e r i n gm e t h o dm a yb e rap o t e n t i a lt o o lf o rd t i d a t aa n a l y s i s f i b e rt r a c k i n g t r a c t o g r a p h y y i e l d sc u r v e so fn e u r a lp a t h w a y si sas i g n i f i c a n ta p p l i c a t i o no fd t ia n d h a sg r e a tp o t e n t i a lw h e t h e ri nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c ho rc l i n i ca r e a i n f l u e n e db yn o i s ea n dl o wr e s o l u t i o n t h eo r i e n t a t i o no ff i b e rp r o p a g a t i o nh a su n c e r t a i n t y p a r t i c u l a r l yi nt h ea r e aw h e r et h ew h i t em a t t e r s t r u c t u r e sc h a n g eq u i c k l y s u c h 笛w h e r et r a c t sc r o s s d i v e r g e o ra r ea d j a c e n tt oo t h e rt i s s u e s an o v e l a l g o r i t h m 砸e dt oa d d r e s st h e s ep r o b l e mi sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h ea l g o r i t h ms e a r c h e st h en a l t o wb a n d o fl o wa n i s o t r o p ya r e ao nn e u r a lt r a j e c t o r i e st of i n dn e wp a t h w a y s t h ea d v a n t a g e so ft h i sa l g o r i t h m i n c l u d e u s i n gv e r yf e ws e e d st oo b t a i nl a r g ec l u s t e ro ff i b e r s t h o s ef i b e rc a ne x h i b i tan e u r a ls u b c l a s s o f f e r i n ge x c e l l e n tp o t e n t i a lt od e p i c t c h a r a c t e r i z et h ef i b e rc r o s s d i v e r g ea n dp a r t yd e t e r m i n et h es t r u c t u r e o fn e r v en u c l e u s t h ev i s u a l i z a t i o no fd t id a t a s e t si sac h a l l e n g i n gt a s k t h i s p a p e ri n t r o d u c e sat o p o l o g i c a l v i s u a l i z a t i o nm e t h o df o rd t is l i c e s w ep r o j e c t3 dd i f f u s i o nt e n s o ri n t ot w o d i m e n s i o n a ls l i c ep l a n e t h e i n p l a n ed i f f u s i o nw a sc o n s i d e r e d e x t r a c tt h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h ec o r r e s p o n d i n gd i f f u s i o nt e n s o r f i e l db yt a k i n ga d v a n t a g eo ft o p o l o g ya n a l y s i s t o p o l o g i c a lf e a t u r e so fc e r e b r a lt i s s u es u c ha l sc o r p u s c a l l o s u ma n dt h a l a m e n c e p h a l o n d e t e c t i n gi nh o r i z o n t a l c o r o n a la n ds a g i t t a lp l a n e i n d i c a t et h a tt h e t o p o l o g i c a lm e t h o dc o m e su pw i t ha na c c u r a t ea n ds y n t h e t i cd e p i c t i o no ft h eu n d e r l y i n gf r a m e w o r k c o m p a r ew i t hs i m p l yf i b e rt r a c k i n g t h et o p o l o g y b a s e dv i s u a l i z a t i o nr e p r e s e n t sc o m p l e xs t r u c t u r eb y s i m p l ep o i n t sa n dl i n e s a n dr e s u l t si nam o r ec l e a r l yd e s c r i p t i o n t h ec o n n e c t i v i t yo ff i e l dc a r la l s ob e d r a m a t i c a l l ye n h a n c e d k e yw o r d s d t i t e n s o re s t i m a t i o n d u a l t r e ec o m p l e xw a v e l e t b i v a r i a t es h r i n k a g e c o n s t r a i n e d m e s t i m a t o r r e g u l a r i z a t i o n d i r e c t i o n a l d i s t a n c ef i l t e r i n g f i b e rt r a c k i n g v i s u a l i z a t i o n t o p o l o g y v i i i 图目录 图目录 图2 1 各向同性和各向异性扩散 1 0 图2 2s t e j s k a l t a n n e r 序列 1 l 图3 1 扩散椭球 1 6 图3 2 由d w i 到d t i 1 6 图3 3 直接显示张量的9 个分量 1 7 图3 4 标量法可视化 l8 图3 5 扩散张量形状的重心空间 1 9 图3 6q 和白颜色映射 1 9 图3 7 特征向量颜色映射 2 0 图3 8 椭球和超二次曲面张量图标 2 1 图3 9 张量场体绘制 2l 图3 1 0 用流管方法显示白质纤维束 2 2 图3 1 ld t c w t 滤波器组的结构 2 4 图3 1 2 实验张量场数据的一个薄层 2 6 图3 1 3 合成张量场的处理结果 2 7 图3 1 4 分数各向异性和方向彩图上的结果比较 2 9 图3 1 5 局部计算结果比较 2 9 图3 1 6 扩散敏感梯度方向 3 2 图3 1 7 几种稳健估计子的比较 3 5 图3 1 8 合成张量场的处理结果 3 6 图3 1 9d t i 的一个薄层 显示平均扩散率 3 7 图3 2 0 局部计算结果比较 3 7 图4 1 合成张量场的处理结果 4 5 图4 2d t i 张量场处理结果 4 5 图4 3 张量值图像和傅里叶谱 4 7 图4 4 张量值图像低通滤波 4 9 图4 5d t i 张量场低通滤波结果 4 9 图4 6 张量值图像高通滤波 5 l 图4 7 频域滤波对纤维跟踪的影响 5 2 图5 1 纤维跟踪算法流程 5 5 图5 2 窄带搜索 5 8 图5 3 脑干 小脑的解剖结构 6 1 图5 4 神经通路 6 2 图5 5 种子点位置 6 2 图5 6 本文方法跟踪结果 6 3 图5 7 张量线方法跟踪结果 图5 8 间脑解剖结构 6 5 图5 9 神经通路 6 6 图5 1 0 种子点位置 6 6 图5 1l 本文方法跟踪结果 6 7 图5 1 2 张量线跟踪结果一 一 6 8 图5 1 3 丘脑放射一一 一一一 6 9 图目录 图5 1 4 丘脑放射神经纤维 6 9 图5 1 5 种子点位置 7 0 图5 1 6 本文方法跟踪结果 7 0 图5 1 7 张量线方法跟踪结果 7 1 图5 1 8 视神经解剖和视神经通路 7 2 图5 1 9 种子点位置 7 2 图5 2 0 本文方法跟踪方法 一7 3 图5 2 l 张量线方法跟踪结果 7 4 图5 2 2 胼胝体解剖结构 7 5 图5 2 3 种子点位置 7 5 图5 2 4 本文方法跟踪结果 7 6 图5 2 5 张量线方法跟踪结果 7 7 图5 2 6 联合纤维解剖结构 7 7 图5 2 7 短联络纤维 一7 8 图5 2 8 种子点位置 7 8 图5 2 9 本文方法跟踪结果 7 8 图5 3 0 张量线方法跟踪结果 7 9 图6 1 判断单元 8 3 图6 2 退化点类型 8 4 图6 3 分界线方向的判断 8 6 图6 42 d 二阶张量的各个分量 8 7 图6 5 拓扑可视化与主特征矢量跟踪结果比较 轴位 8 8 图6 6 矢 冠 轴位的拓扑可视化结果 8 9 图6 7 其它区域的拓扑可视化结果 轴位 8 9 表目录 表目录 表2 1 不同组织的扩散系数 1 0 表3 1 扩散张量的形状 1 9 表3 2 合成张量场的处理结果定量比较 2 8 表3 3 合成张量场的处理结果定量比较 3 6 表3 4 真实d t i 数据的处理结果 3 8 表4 一l 合成张量场滤波结果 4 6 表4 2d t i 张量场滤波结果 4 6 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 色墅塞ie t 期 里2 三 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论 文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包 括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 雌导师签名 日期 望三 翔一一 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 磁共振成像 m r i 技术是7 0 年代应用于临床的一种先进的医学影像学检查方法之一 水分子 扩散对磁共振信号的影响最早由h a h n 发现 l 之后又观察到由自旋回波测出的自扩散系数依赖于 实验参数 特别是激励脉冲和翻转脉冲之间的时间 2 1 9 6 5 年s t e j s k a l 和t a n n e r 等提出了采用脉冲 梯度代替连续磁场梯度的方法 3 这种方法的优点在于可以更好的控制实验过程 比如控制扩散允 许时间 尽管m r i 在7 0 年代已经应用 但扩散现象和磁共振的结合使用 称为扩散加权成像d w i 到8 0 年代中期才开始 4 7 之后两篇奠基性的文章发表在1 9 9 0 年 一篇研究了神经系统中的各向 异性扩散 8 一篇发现了早期中风的扩散异常 9 扩散张量磁共振 d t m 砌 也称作扩散张量成像 d t i 是9 0 年代初出现的一种新的m r 成像技术 扩散张量通过一系列多方向的扩散加权图像 d w i 定义 d t i 可用于测量组织中水分 子的扩散 得到生物体内水扩散的方向 量级和各向异性等信息 可探测出白质纤维 肌肉纤维等 结构化组织的微小变化 由于d t i 可以提供其它成像方式所不能提供的的独特信息 且具有非侵入 和不需要造影剂等优点 所以在理论研究和临床实验领域均引起了极大关注 为m 砌的应用揭开了 新的一页 d t i 数据分析和可视化技术研究具有重要的理论意义 不同的细胞和亚细胞对扩散的相对贡献 尚不完全清楚 目前属于十分活跃的研究领域 髓磷脂被认为是对扩散各向异性最重要的贡献者之 一 密集的轴突和轴突结构如神经膜 微管 神经丝等也造成扩散的各向异性 除结构成分外 其 它如代谢机制 包括轴突的输运等 也形成扩散的各向异性 在这种情况下 利用d t i 数据获得组织 结构的深层次信息及合理表达这些信息 对非侵入地阐述活体组织微观结构及未来临床上的应用都 具有重要的理论意义 另外 d t i 的临床应用价值主要表现在 d t i 可揭示出许多中枢系统疾病的 细微结构异常 可用于多种疾病的病理诊断 通过d t i 技术可以非侵入地获得白质纤维路径 为脑 部手术提供神经走向定位 例如基于纤维的结构对丘脑核进行定位使在丘脑区的手术更精确有效 重建心肌纤维 为心脏疾病病理分析和诊断提供微观依据 可用于观察新生儿脑白质微细结构的发 育 与伽 信息融合后 可精确分析脑功能的连通性 从而揭示神经认知网络的功能 此外 d t i 也可用于脊髓 骨骼肌肉等系统的研究 1 2d t i 技术研究现状 近年来国内外针对d t i 临床应用开展了大量研究 主要的研究方向包括 1 扩散敏感梯度序列的设计 以快速稳定地获取多方向扩散加权图像 目前使用较多的是单次激发平面回波d t i 成像 s i n g l e s h o te c h o p l a n n a rd i f f u s i o nt e n s o r i m a g i n g 技术 1 0 其实现方法与传统s t e j s k a l t a n n e r 序列相似 该序列成像速度快 但是其磁化 东南大学博士学位论文 率伪影相对严重 单次激发快速自旋回波 s i n g l e s h o tf a s ts p i n e c h od i f f u s i o nt e n s o ri m a g i n g 技术 基本消除了磁化效应 得到的图像具有高分辨率和高信噪比 但是由于回波间隔较长导致t 2 组织信 号发生衰减 iii b r e n d a n 等 1 2 提出了一种适用于小视野成像和脊髓成像的线扫描技术 l i n e s c a n d t i d a v i ds 等提出了q 空间成像技术 1 3 通过在三维笛卡尔格点内采样扩散信号直接计算扩散函 数 能更好地描述水分子在任意几何形状中的扩散特性 同时具有信号线性度高 空间分辨率高等 优点 但是对梯度场要求高 且采样点非常密集 另外 较新的成像技术还有快速k 空间填充技术 1 4 及并行采集技术等 1 5 2 扩散张量估计方法的研究及扩散张量非高斯模型的建立 扩散张量估计的经典方法是利用最小二乘法从d w i 图像序列中获得扩散张量 针对最d 乘法 对噪声敏感的缺点 m a r g i n 和p o u p o n 等 1 6 引入了m 估计子进行扩散张量估计 t s h c u m p e r l e 等 1 7 在估计过程中加入了正定约束条件 我们提出了基于双数复数小波降噪扩散张量估计和扩散张量的 c m 估计子算法 1 8 取得了不错的效果 此外 针对生物体内复杂的组织结构 一些学者提出了非 高斯扩散模型 a l e x a n d e r 等 1 9 1 使用不同阶数球谐函数对表观扩散系数测量值进行了分解 将d t i 体元分成了各向同性 各向异性和非高斯型并进行了检验 3 张量值图像的正则化方法研究 由于d t i 成像容易受到噪声干扰 且纤维跟踪算法对扩散张量场质量要求较高 所以针对扩散 张量场的正则化方法也是d t i 技术研究的一个热点 般说来张量值图像平滑可针对张量的各分量 张量的导出量和张量本身进行 前两类计算简单但由于使用了张量的部分信息 效果不甚理想 如 w e s t i n 等 2 0 提出利用张量的几何对称性对张量数据进行正则化 p o u p o n 等 2 l 设计的正则化张量场 导出的矢量场的方法以及t s c h u m p e r l e 等 2 2 提出的针对张量的特征矢量和特征值进行的正则化方法 等 另 类方法针对张量进行 如w e i c k e r t 等 2 3 提出的矩阵值非线性正则化方法 w e l k 等提出的 张量场中值滤波方法均使用了张量全部信息 在滤除脉冲噪声方面性能优越 同时可保留信号细节 2 4 2 5 1 4 纤维束跟踪方法研究 通过跟踪张量场的场线得到纤维路径一直以来都是扩散张量成像研究的重点 d t i 白质纤维束 重建也是目前非侵入获得活体神经纤维的唯一手段 因此备受重视 其中的某些关键问题如跟踪纤 维分岔 交叉及克服部分容积效应也成为研究的难点 9 0 年代末m o i l x u e b a s s e r 等人率先使用d t i 扩散张量成功重建活体纤维束 2 6 2 9 1 之后 l e o n i dz h u k o v 利用规整化技术将b a s s e r 的方法进一步完善 3 0 能更好的跟踪特殊位置的纤维路径 由l a z a r 等 3 l 提出的张量偏斜估计方法 t e n s o rd e f l e c t i o n t e n d 也是一种常见的跟踪方法 该 方法可以使用张量来校正上一步的纤维方向 w e i n s t e i n 等 3 2 3 3 将主特征方向方法与张量偏斜方法 结合起来提出新的张量线 t e n s o rl i n e 方法 通过调整加权系数使跟踪方法适应不同的数据 纤 维跟踪效果极佳 除了上述算法外 针对纤维方向传播过程中存在的不确定因素的影响 近年来一些学者提出统 计型的纤维跟踪算法 如h a g m a n n b e h r e n s 3 4 3 5 等入提出的基于统计的跟踪方法 这些方法估计 各体元的方向概率密度函数 根据此密度函数取样得到纤维走向 p a r k e r 等人利用快速步进 f a s t 2 第一章绪论 m a r c h i n g 算法 3 6 在全脑的扩散张量图像中找到种子点与全脑各点的最短路经 从而找到该种子点 与全脑各点的连接可能性 p r a d o s 提出的蒙特卡洛 m o n t ec a r l o 跟踪算法 3 7 利用张量特征值的熵 控制跟踪过程 5 d t i 张量场可视化方法研究 d t i 张量场可视化可采用标量法 张量图标 对于扩散张量场连续特征的可视化表达以及各向 异性的体绘制方法等 常用的标量有迹 t r a c e 表观扩散系数 a d c 和分数各向异性等 f a 3 8 3 9 某些应用中 也可以对主要扩散方向矢量做颜色映射 4 0 为更好表现张量信息可采用图标 法 如椭球图标 4 1 超二次曲面图标 4 2 等 标量法和张量图标法的缺陷在于只能可视化离散采样 点的张量信息 而张量场连续特征的可视化表达 许多学者进行了深入的研究 d e l m a r c e l l e 和 h e s s e l i n k 4 3 提出了超流线 h y p e r s t r e a m l i n e s 可视化方法 z h a n g 等 4 4 提出了流管 s 仃e a m t u b e 流面 s t e a m f a c e 等可视化方法能更好地表现了生物组织的微结构 另外 利用各向异性参数进行 直接体积绘制也成为扩散张量场的一类可视化方法 直接体绘制免除了分割的过程 且辅以光照等 信息 对于全脑显示可达到比较好的视觉效果 但是对于组织细节信息则无法分辨 故直接体绘制 方法尚不能取代常规的跟踪可视化方法 4 5 4 6 6 d t i 在临床应用方面的研究 近年来 国内外学者针对d t i 临床应用开展了大量研究 揭示出许多中枢系统疾病的细微结构 异常 比如何光武等 4 7 对胶质瘤的表观扩散系数及分数各向异性进行了定量分析 刘影 4 8 研究了 d t i 成像对颅内肿瘤的应用价值 m u k h e r j e e 4 9 和s o r e n s e n 5 0 等指出扩散张量成像可以用于诊断缺 血性中风 w e r r i n g 5 1 b a m m e r 5 2 c i c c a r e l l i 5 3 g e l s 4 等对于多发性硬化 m u l t i p l es c l e r o s i s 的研究则说明了扩散张量成像可以敏感的检测到脑白质细微 早期的病变 而它们在常规m 砒上表 现正常 r u g g a r f a n a k i s 等 5 5 5 6 5 7 等利用扩散率和各向异性指标检测癫痫 e p i l e p s y 病灶 c o n c h a 等 5 8 发现了单侧颞叶癫痫的扩散异常 m o f f a t 等 5 9 指出扩散属性是评价肿瘤治疗的一个有效指 标 x i e 等 6 0 1 分析了老年痴呆症 a l z h e i m e rd i s e a s e 患者与正常对照组的灰 白质扩散张量属性 的关联 林富春 6 1 提出了一种纤维束定量分析方法 并应用于视神经脊髓炎 r n m o 病人锥体束 分析 发现r n m o 病人的锥体束存在异常 龚高浪 6 2 提出了一种针对扣带束的参数化方法 基于 该方法分析了左右利手人群扣带束中扩散的不对称性 此外 针对其他组织器官 比如心肌 骨骼 肌 肾脏 子宫等的d t i 应用研究 6 3 6 6 也进行了许多 取得了大量研究成果 同时在脑科学研究 方面 一些学者利用d t i 研究人脑的发育过程 6 7 6 8 6 9 对诊断和医治认知障碍等神经疾病也进行 了有益的探索 1 3 本文的主要工作 本文对d t i 成像中的若干关键问题和算法进行了研究 1 引入了一个从扩散加权图像序列中估计扩散张量的新方法 首先使用基于双树复数小波变换 和双变量收缩规则降噪算法对扩散加权图像降噪 然后对降噪后的扩散加权图像使用最d 乘法估 计扩散张量 我们在模拟二阶张量场和真实d t i 数据集上进行了实验 并与扩散张量估计后的平滑 3 东南大学博士学位论文 方法进行了比较 客观结果及主观评价可以说明 这种方法可以很好地改进最终扩散场的质量 2 为了获得更精确的d t i 扩散张量场 提出了 种基于约束m 估计子的稳健估计方法 首先 对扩散加权图像序列进行双树复数小波降噪预处理 以减少热噪声影响 然后通过试探法找到一个 合适的回归起始点 并通过c h o l e s k y 分解对扩散张量进行正定约束 最后寻找目标函数局部最小值 获得d t i 扩散张量的约束m 估计 在模拟二阶张量场和真实d t i 数据集上进行了实验 与最小二 乘法和m 估计子回归模型相比 该方法可以更有效地排除热噪声和生理性离群点影响 对d t i 扩散 张量估计很有价值 3 为了正则化扩散张量场 提出了一种非线性张量值加权方向 距离滤波方法 首先通过张量 间的二次点积定义了张量值图像的方向滤波 然后结合张量中值滤波引入了一个联合最小化准则 在此准则的基础上给出张量值方向 距离滤波器的一般结构 并使用权重矢量在距离和方向域上控制 滤波器输出 获得更加稳健的处理结果 在合成二阶张量场和真实扩散张量数据集上进行了实验 实验结果表明 该滤波方法可在保持张量场细节不变的同时有效地消除噪声 是磁共振扩散张量场 的一种有价值的滤波工具 4 研究了d t i 扩散张量场的频域滤波方法 为探索d t i 张量场的频域处理技术做出了贡献 在引入二阶张量场傅里叶变换的基础上定义了基本的张量低通 高通滤波函数 同时讨论了频域滤 波对纤维跟踪的影响 实验结果表明频域滤波技术对d t i 数据分析是一种有潜力的工具 5 本研究中提出了一种基于退化区域窄带搜索的纤维跟踪方法 该算法的优点包括 通过很少 的种子点获得大量的纤维束 表现出相对完整的神经子集 可较好地描述纤维交叉 分岔等情况 可表现出纤维交叉 分岔处神经核的部分结构 在小脑 脑干 间脑和端脑的一些结构上进行了实 验 并与解剖结构进行了比较 充分证明了本算法的价值 6 可视化d t i 数据集是一项具有挑战性的工作 本文引入了d t i 薄层的拓扑可视化方法 我 们将扩散张量磁共振薄层的3 d 扩散张量投影为2 d 考虑平面内的扩散 对这个2 d 张量场进行拓 扑分析 提取出对应的拓扑结构 矢冠轴位上的胼胝体 丘脑等脑组织拓扑结果表明 拓扑方法可 以精确且综合地表现出脑组织的根本结构 与简单的纤维跟踪相比 基于拓扑的可视化结果更加清 晰 用简单的点和线表示扩散张量场的复杂结构 能够突出场的连通性 1 4 本文组织结构 本文共分为七章 组织结构如下 第一章简要介绍课题的意义 研究背景 本论文的主要工作内容以及组织结构 第二章介绍了生物组织中的水分子扩散及其测量方法 着重讨论分子扩散理论 组织中的水分 子扩散以及使用磁共振测量组织中扩散现象的基本理论 由于扩散是建立