基于k-tGRAPPA重建算法的磁共振温度成像

基于k-tGRAPPA重建算法的磁共振温度成像 第 1 章 绪论 1.1研究背景 肿瘤是危害人类健康的严重疾病之一， 2010 年世界抗癌大会新闻发布会上一项 研究报告 水源地可行性研究报告美术课题研究中期报告师生关系的个案研究养羊可行性研究报告可行性研究报告诊所 表明每年全球癌症死亡人数约为 700 万人。根据国家癌症中心、卫生部疾病预防控制局发布的《2012 中国肿瘤登记年报》，在中国每 6 分钟就有一人被确诊为癌症，因此癌症的治疗成为了一项重要的科技攻关问题。目前癌症的治疗 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 有手术治疗、放疗、化疗、生物治疗(免疫疗法)、热疗等。其中热疗基于它的无辐射、无毒副作用，与化疗、放疗结合可显著提高疗效等优点正逐渐成为主要的治疗方法。热疗过程中的温度控制是该治疗方法中的关键技术，直接决定治疗效果的好坏。在诸多热疗手段中，HIFU 热疗加热速度极快，对其的温度监控难度最大。磁共振成像无辐射、无伤害、成像分辨率高，同时具备多种对温度敏感的成像参数，是 HIFU 热疗中实时温度监控的最佳选择，但目前磁共振温度成像的时空分辨率还无法满足 HIFU 热疗的要求，现有的快速重建算法又不具备临床适用性。正常组织血管具有较大血流量，在受热时能通过血流带走部分热量。肿瘤组织的结构紊乱、血管生长畸形且毛细血管受压，并有血窦形成，加之新生的肿瘤血管对热不起反应，血流变化小，在加热过程中散热慢，致使受热时肿瘤部位温度会高于邻近的正常组织 5,10?。高温能抑制肿瘤细胞的 RNA、DNA 及蛋白质合成，也就是能抑制肿瘤细胞的增殖。高温时，肿瘤细胞的许多重要功能受损，如溶酶体活性变高、线粒体结构被破坏、聚合酶活性丢失、染色体畸变，从而导致细胞死亡。此外，高温还可影响肿瘤细胞生物膜的状态和功能，对肿瘤组织的代谢产生直接影响，使肿瘤细胞膜通透性增加，小分子蛋白外溢，膜内 ATP 酶消失，使肿瘤组织早期可发生淤血、血管扩张及部分血流停滞，细胞萎缩及数目减少和细胞内呼吸受抑制，此时肿瘤细胞难以抵抗放射线及化疗药物的进攻，容易被杀伤杀死[1]。 1.2磁共振温度成像快速重建算法研究现状 降采 k 空间数据是加快磁共振成像动态图像采集速度的常用方法[21-23]，该方法也适用于磁共振温度成像。要从降采的 k 空间数 据重建出无伪影的图像，需要使用特殊的重建算法。常用的方法可以分为两类:并行成像和 k-t 方法。并行成像使用多元阵列线圈采集信号，利用不同通道的线圈对不同空间位置的信号灵敏度不同来进行空间编码，从而减少相位编码的步数，节省信号采集时间。代表算法有 SENSE[24]和GRAPPA[25]，SENSE 利用线圈的空间灵敏度在图像域解图像伪影，GRAPPA 则在 k空间域通过插值方法恢复没采的k空间数据。这类算法的降采倍数受线圈个数的限制，并且降采倍数高时图像信噪比也会明显损失。K-t[21; 26-28]方法充分利用动态磁共振数据在空间域、时域的关联，在相位编码方向和时间两个维度上进行降采。Mei[29]将UNFOLD 和 2D 选择性激发结合，实现了 24 倍的加速，但 UNFOLD 算法本身只贡献了两倍的加速;Todd[30]等提出 TCR(Temporally Constrained Reconstruction)，显著提升了磁共振温度成像的时空分辨率，但该方法需要较长时间的迭代计算;2013 年，Todd[31]又将 TCR 算法延伸到实时重建中，在离体猪肌肉组织上实现了 1.5 mm×1.5mm×3 mm/1.2s 的时空分辨率，但该方法为了加快迭代速度，只对 HIFU 聚焦点附近的很小的区域进行了温度计算;Guar[32]提出一种基于 k 空间域直接估计温度的方法，在健康志愿者身上实现了 32 倍的加速(未加热)，但该方法每个时间帧需要 8-15s的计算时间。这些重建方法都需要迭代计算或预设参数等，难以在临床中使用。 . 第 2 章 相关磁共振成像基础 2.1 核磁共振现象 根据量子力学理论，微观世界中，自旋和质量一样是所有微观粒子的基本属性。原子核有质子和中子组成，质子和中子统称为核子,都有自旋角动量。原子核自旋角动量等于组成它的所有核子的总角动量之矢量和，由于质子和中子的核磁矩方向相反，因此核子角动量通常成对地抵消，核自旋角动量通常体现为不成对的核子角动量的叠加。质子数和中子数都为偶数的核，即偶-偶核，没有自旋磁矩,这些称为非磁性核，不存在核磁共振现象。自然界中，有自旋磁矩的原子核不下一百三四十种，这些核称为磁性核，可以发生核磁共振现象。根据量子力学理论，我们还知道每个原子核都具有特定的能级，且与它们的自旋量子数 I 有关，能级状态数= 2I+1。对于自旋的氢质子 I= 1/2，因此可得其能级状态数为 2，氢质子的两个能 态用-1/2 和+1/2 表示，氢质子有两个相反的自旋方向，每个不同的自旋方向对应着不同的能态。 2.2 磁共振成像原理 仅有核磁共振现象是无法成像的，劳特伯和恩斯特最大的贡献就在于引进了线性梯度磁场傅里叶成像理论。1974 年恩斯特率先进行了二维傅里叶成像实验，实验使用梯度线圈产生 x，y 两个方向的线性梯度磁场，先使用 90°脉冲将纵向磁化矢量打到横断面，随后通过控制相位编码梯度和频率编码梯度的开关采集信号，如果是 N*N 的磁共振图像，需要进行 N 次相位编码，每进行一次相位编码，需要采集 N 个磁共振信号(即 N 次频率编码)，这样采集到的 N*N 的信号矩阵，正好是图像的傅里叶变换。磁共振成像，实际上就是要把磁共振参数，比如磁化强度 M，质子密度ρ等表示为空间坐标的函数 M(x，y，z)或ρ(x，y，z)。那如何区分磁共振信号中不同空间位置的点的贡献呢,劳特伯首先想到在样品上施加线性梯度场，那么样品在梯度场的方向上，不同位置就有不同的共振频率，如果在三个方向上都施加梯度场，那么就可以实现像素点的空间编码。在目前使用的磁共振成像平台中，基本都是使用的傅里叶成像。在进行空间编码时，一般是在三维坐标系内使用三个互相垂直的，与 x 、y 、z 轴相对应的梯度线圈。这样就可以在三个坐标方向对数据进行编码。这三个梯度被称作:层面选择梯度、相位编码梯度、频率编码梯度(读出梯度)。 .. 第 3 章 磁共振温度成像方法选择.........18 3.1 基于纵向弛豫时间 T1 ..... 18 3.2 基于横向弛豫时间 T2 ...... 18 3.3 基于水分子扩散系数 D .......... 19 3.4 基于质子共振频率 PRF .......... 19 3.5 本章小结 ........ 22 第 4 章 本课题重建算法及对比算法....23 4.1 Keyhole 重建算法 ............ 23 4.2 Sliding Window 重建算法 ........ 24 4.3 TCR 重建算法 ......... 24 4.4 GRAPPA 和 k-t GRAPPA 算法 ........ 25 4.5 算法实现 ....... 27 4.6 本章小结 ........ 28 第 5 章 实验及结果..........29 5.1 采样及重建方法 ..... 29 5.2 温度图计算 ............ 30 5.3 数值仿真 ....... 30 5.4 仿体实验 ....... 35 5.5 人体实验 ....... 40 5.6 本章小结 ....... 44 第 5 章 实验及结果 5.1 采样及重建方法 实验中 k 空间数据均在磁共振成像系统上满采后，再在线下人工降采(将不采集的点置零)，因此每组数据都可以自由使用不同的降采形式来测试算法准确性。根据k 空间中心低频，外围高频的特点，实验使用变密度采样，k 空间的中心部分降采两倍，以保证准确的图像对比信息，外围部分降采更高倍数(采用间隔采样的形式)，我们选择 k 空间总相位编码数的 1/4 条相位编码线作为 k 空间中心部分，降采两倍，外围分别降采 2、3、4、5、6 倍。这样总体的降采倍数就为 2、2.6、3.2、3.6、4 倍(具体数字因相位编码数不同而略有不同)。这样的采样方式可以保证在加快图像采集速度的同时，保证测温精度。在 HIFU 加热开始之前，会先满采两个时间帧的 k 空间数据，用于 GRPPA 重建权重的计算，同时用来作为基于质子共振频率测温方法的参考相位。重建中，使用GRAPPA和k-t GRAPPPA分别重建k空间的中心部分和外围部分。先使用两个时间帧的中心部分校正 GRAPPA 的重建权重，再用得到的权重重建其余时间帧的 k 空间中心部分，随后重建好的 k 空间中心再用来校正 k-t GRAPPA 的重建权重，最后用来重建 k 空间的外围部分。为了达到实时重建的目的，我们在原始 k-tGRAPPA 的基础上做了改进，在每个未采集数据点的重建过程中，都只使用之前时间帧的采样点和当前时间帧的采样点来进行线性插值，使得算法更符合实际中实时温度监控的要求。下图是整个采样重建过程的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 示意图。 .. 结论 针对磁共振引导 HIFU 肿瘤热疗中时空分辨率无法满足要求的问题，本文提出一种变密度采样与 k-t GRAPPA 重建算法结合的加速方法。秉承 k-t GRAPPA 重建算法无参数、无训练数据、无迭代计算的优点，该方法有很好的临床应用前景。为了验证课题方法的测温准确性和临床可行性，本课题主要从以下三个方面展开: (1)使用 John Soneson 开发的 HIFU 加热仿真工具模拟加热过程的温度场，并将模拟的温度信息转化为相位信息写入磁共振数据，随后人工对 k 空间进行不同倍数降采，再使用 k-t GRAPPA 算法重建，将重建温度图与满采数据的重建结果进行比较。实验结果表明，该方法能从降采四倍的 k 空间数据准确重建温度图，温度均方根误差低于 0.2?。随着温度上升速率的加快，测温精度并没有降低，在温度上升速度达到 3?/s 时，峰值温度曲线与参考温度仍几乎重合。这说明利用 k 空间数据的在相位编码方向和时间方向的关联性进行k空间插值的方法能恢复丢失的相位信息并进一步准确计算出温度图。 (2)以 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 HIFU 仿体为加热对象，进行 HIFU 加热实验，这一步实际上是在仿真基础上加入噪声干扰，磁共振成像参数的变化，以进一步测试算法的鲁棒性。实验在 Philips Sonalleve MR- HIFU 系统上进行，一共进行了五组加热实验，使用不同的加热功率，治疗尺寸，成像分辨率。加热过程 k 空间数据均满采，随后再人工的对 k 空间降采，使用 k-t GRAPPA 进行重建并计算温度图。 ............