一种基于自适应卷积核的磁共振相位图的背景场去除方法技术

一种基于自适应卷积核的磁共振相位图的背景场去除方法，利用水平集函数创建解缠绕相位图的能量泛函；根据求解得到的相位水平集能量提取出磁化率区域变化的显著度，并逐个体素的创建自适应高斯卷积核；采用自适应高斯卷积核去除背景场。本方法能够有效解决在空气‑组织交界面处因强磁化率变化引起的场分布不均匀问题，实现准确去除背景场的同时保证人体组织的完整性，为研究应用和临床诊断提供高质量的相位信息和局部场图。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应卷积核的磁共振相位图的背景场去除方法
本专利技术涉及，特别是一种基于自适应卷积核的磁共振相位图的背景场去除方法。
技术介绍
磁化率定义为物质放入外磁场后的磁敏感性反应，是物质的固有属性。磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)中，每一种物质在放入磁场后都可以得到一定程度的磁化，磁化与磁场大小及组织的磁化率成正比。如果施加一个足够长的TE，自旋频率不同的质子间将形成明显的相位差别，从而在相位图上区别出磁敏感性不同的组织。定量磁化率成像(QuantitativeSusceptibilityMapping,QSM)利用梯度回波数据的相位信息产生组织的磁场特性图。QSM通过求解关于感应磁场分布的病态逆问题，由测得的相位图像导出潜在的组织体磁化率的定量图，在医学磁共振成像领域具有广阔的应用前景。QSM技术有助于分辨并量化特定生物标记，如铁、钙、钆和超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIO)，已经广泛应用于脑损伤，多发性硬化症、多种神经退行性疾病、骨骼矿化以及动脉粥样硬化的研究中，对此类疾病的临床诊断具有重要意义。QSM还能够对活体组织神经束和脑白质纤维进行非入侵式检测，为神经纤维成像研究提供新的对比机制，这对于神经影像学定量的连接性研究和生物物理研究非常重要。利用相位信息计算定量磁化率图之前，必须通过预处理对相位图像进行校正，包括相位解缠绕和去除背景场。磁化率成像对于局部磁场不均匀性特别敏感，在某些磁化率差异特别大的区域，如颅底的含气鼻窦部位，会造成局部特别强的相位伪影，使我们无法有效观察及利用感兴趣区的相位信息。传统的高通滤波器方法假设背景场是缓慢变化的，虽然可以较好的去除背景低频相位扰动，但是可能从大的解剖结构上将一些生理和病理相关的相位信息去除，尤其在严重磁场不均匀的区域，并不能完全滤除背景的相位改变，从而残留大量的背景相位。因此，在应用相位图之前如何对其进行有效的相位校正是定量磁化率成像的首要关键问题。受物理原理启发，近来提出的偶极场投影方法(PDF)建立在Hilbert空间的投影理论之上，即VOI内部和外部的组织磁化率源产生的磁场近似正交，该方法去除背景场的有效性优于传统方法，但是在组织的边界或是组织—空气的交界面仍存在问题。因为方法的基本假设的有效性在边界处受到限制，而且难以区分边界处的磁场变化来自内部的组织磁化率还是外部的组织源。相位数据复杂谐波伪影抑制算法(SHARP)假设VOI外部的背景在VOI内满足调和函数性质，可用归一化的球均值卷积核求解。由于采用球均值卷积核，SHARP方法在VOI边缘区域的体素因与VOI外的无效信号做卷积运算而导致边缘模糊，模糊点的数量正比于所用球体的直径，需要被剔除。实际中SMV滤波的过程中边界常存在残余相位误差，这是由于空气—组织的交界处高磁化率差异导致的。这个残余误差在去卷积滤波的过程中被进一步放大，放大的尺度与球体的直径成反比。可见，采用大直径的球均值卷积核会减小相位误差，但是不足在于导致剔除较多边界点。针对SHARP存在的上述缺陷，研究人员提出变卷积核半径SHARP法(V-SHARP)，正则化SHARP法(RESHARP)和拉普拉斯方程边界值法(LBV)等改进方法。磁化率映射的不准确主要是由感兴趣区域外的磁化率引起的背景场分布不均匀导致的，例如躯干和头部以及组织—组织和空气—组织的交界面。相位处理过程中，常对变化比较激烈的背景场和组织结构交界处的磁化率差异估计不足，故上述的背景场去除方法均无法有效的抑制强磁化率变化引入的相位偏差。由于脑组织与鼻窦或颅骨的交界处存在很强的磁化率变化现象，为了降低对后续QSM重建准确性的影响，现有方法使用掩模板将该区域的脑组织从VOI中去除以减少相位残余。然而组织结构交界处往往含有重要的医学信息，因算法的局限性而导致脑组织完整性的缺失，将使我们无法获取完整的大脑诊断信息，这不利于QSM技术的临床应用。因此，在去除强磁化率变化区域的脑组织背景场时，现有方法仍存在不足，有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，根据相位的水平集能量值，构造尺度可调的高斯核函数，提出一种基于自适应卷积核的磁共振相位图的背景场去除方法。本专利技术采用如下技术方案：一种基于自适应卷积核的磁共振相位图的背景场去除方法，其特征在于：利用水平集函数创建解缠绕相位图的能量泛函；根据求解得到的相位水平集能量提取出磁化率区域变化的显著度，并逐个体素的创建自适应高斯卷积核；采用自适应高斯卷积核去除背景场。优选的，所述利用水平集函数创建解缠绕相位图的能量泛函，其模型为其中：Ψ为水平集函数，f1(x)和f2(x)为灰度拟合函数，αi是权系数，y是以x为中心的局部图像域中任意点的坐标；I(y)表示点y的灰度值，s为局部图像域的尺度，由二维高斯核函数Ks定义；为弧长约束项，为水平集正则项，μ和ν为权常数，和div分别为梯度算子和散度算子，d为单位冲击函数。优选的，所述的采用能量泛函求解得到的相位水平集函数值，构造自适应的高斯卷积核，其定义为其中：标准差σ由当前体素的水平集函数值Ψ(X,Y,Z)和该点所处层面的水平集均值Ψ0(Z)之比调制，表示为σ(X,Y,Z)＝rΨ0(Z)/CΨ(X,Y,Z)；常数C用于调节比值Ψ0(Z)/Ψ(X,Y,Z)与卷积核标准差σ之间的关系。优选的，根据水平集函数值将感兴趣区域划分为不均匀背景场和均匀背景场两个区域，采用不同的卷积核去除背景场，其模型为其中：为单位冲击函数，Bloc为局部场，为中间变量，ρSGK为自适应高斯卷积核，ρSMV为球均值核。优选的，所述磁化率变化显著的区域为不均匀背景场，采用自适应高斯卷积核ρSGK去除背景场；而磁化率变化不明显的区域为均匀背景场，采用球均值核ρSMV作卷积去除背景场。由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1.本专利技术采用水平集函数创建解缠绕相位图的能量泛函，根据求解得到的相位水平集能量提取出磁化率显著变化的区域，并逐个体素的创建自适应高斯卷积核。卷积核自适应可调的权重和半径能够有效去除背景场，抑制强磁化率变化导致的伪影，防止边缘信息丢失。2.本专利技术的方法根据各体素的水平集函数值将感兴趣区域划分为不均匀背景场和均匀背景场两个区域，采用不同的卷积核去除背景场。用于人脑定量磁化率成像时，本方法能够获得准确局部场的同时有效保留鼻窦周围组织以及脑组织与颅骨交界处的结构完整性，其效果明显优于现有的方法。附图说明图1为活体人脑磁共振数据图。(a)解缠绕相位图，(b)水平集函数值图，(c)局部场图，(d)磁化率图。图2为数值仿真数据实验图。(a)仿真的局部场图，(b)V-SHARP计算得到的局部场图，(c)RESHARP计算得到的局部场图，(d)R-SHARP计算得到的局部场图，(e)仿真的磁化率图，(f)由V-SHARP得到的局部场重建磁化率图，(g)由RESHARP得到的局部场重建磁化率图，(h)由R-SHARP得到的局部场重建磁化率图。图3为钆溶液体模数据实验图。(a)含有相位残余的局部场图，(b)V-SHARP计算得到的局部场图，(c)RESHARP计算得到的局部场图，(d)R-SHARP计算得到的局部场图。图4为活体人本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自适应卷积核的磁共振相位图的背景场去除方法，其特征在于：利用水平集函数创建解缠绕相位图的能量泛函；根据求解得到的相位水平集能量提取出磁化率区域变化的显著度，并逐个体素的创建自适应高斯卷积核；采用自适应高斯卷积核去除背景场。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应卷积核的磁共振相位图的背景场去除方法，其特征在于：利用水平集函数创建解缠绕相位图的能量泛函；根据求解得到的相位水平集能量提取出磁化率区域变化的显著度，并逐个体素的创建自适应高斯卷积核；采用自适应高斯卷积核去除背景场。2.如权利要求1所述的一种基于自适应卷积核的磁共振相位图的背景场去除方法，其特征在于：所述利用水平集函数创建解缠绕相位图的能量泛函，其模型为其中：Ψ为水平集函数，f1(x)和f2(x)为灰度拟合函数，αi是权系数，y是以x为中心的局部图像域中任意点的坐标；I(y)表示点y的灰度值，s为局部图像域的尺度，由二维高斯核函数Ks定义；为弧长约束项，为水平集正则项，μ和ν为权常数，和div分别为梯度算子和散度算子，d为单位冲击函数。3.如权利要求1所述的一种基于自适应卷积核的磁共振相位图的背景场去除方法，其特征在于：所述的采用能量泛函求解得到的相位水平集函数值，构造自适应的高斯卷积核，其定义为

【专利技术属性】
技术研发人员：包立君，方金生，陈忠，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35