基于相位展开技术的磁敏感加权图像后处理方法的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.07MB 60 页 15积分

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摘要

磁敏感加权成像(Susceptibility Weighted Imaging ，SWI)是一种可由各组织磁

敏感性差异产生图像对比，进而可对各组织显影的新技术。与传统磁共振成像方

式相比，SWI 在静脉显影方面具有独特的优势，可应用于脑肿瘤，脑出血或其他

有静脉参与的病灶研究中，从而有效改善对这些疾病的诊断。要利用 SWI 显示清

晰的静脉血管影像需要多个复杂的图像后处理步骤。这其中包括：幅值和相位图

像的重组；消除相位图像中磁场不均一性伪影；制作相位蒙片并与幅值图像加权

获得磁敏感加权图像；通过最小密度投影显示连续层面的静脉血管结构。其中在

滤除由磁场不均一性而产生的伪影时，本文借鉴合成孔径雷达干涉测量技术中的

一项关键技术——相位展开技术，对 SWI 相位图像中的相位缠绕进行展开，恢复

其真实相位，从而达到有效滤除伪影的目的。

本文对 SWI 技术，临床应用和与之相关的图像后处理的关键步骤——相位展

开进行了详细的讨论和研究，采用相位展开技术实现了对 SWI 相位图像的相位展

开，有效消除了由磁场不均一性产生的伪影。编程实现了基于路径跟踪的相位展

开算法和基于最小二乘法的路径无关算法，并对不同算法的性能进行了比较和分

析。本文主要采用算法的运行时间、展开过程中生成的枝切图两个量化指标对不

同算法的性能进行评价。算法运行时间反映其效率，而枝切图则反映了不连续区

域的多少。对于相位图像来讲，缠绕，混叠都是相位不连续的表现，因此不连续

区域的多少也可以成为衡量相位图像好坏的一个标准。

本论文首次在 SWI 图像后处理中引入相位展开技术，较好地解决了 SWI 的相

位伪影问题，为最终清晰显示静脉血管影像奠定了坚实的基础。随着计算机性能

的提高和算法的进一步优化，相位展开技术必将在 SWI 图像后处理领域中发展成

为一项高效有力的图像后处理技术。

关键词：磁敏感加权成像静脉成像磁场不均一性伪影相位展开路

径跟踪法残差点枝切线最小二乘法

ABSTRACT

Susceptibility weighted imaging (SWI) is a new imaging technology based on the

susceptibility’s difference that can make better contrast between different tissues.

Compared to the traditional magnetic resonance imaging (MRI) , SWI provides the

unique superiority for the vein imaging and can be used on the research of cerebral

tumor, cerebral hemorrhage and other nidus with veins. It also can improve the

diagnosis on these diseases effectively. We need to do complicated image

post-processing technology to show the vein blood vessel vein clearly in SWI. The

post-processing includes recombining the magnitude image and phase image; deleting

the artifacts caused by magnetic field inhomogeneity; making the phase mask used to

weighted by the magnitude image; presenting the continuous layers’ texture of vein with

MinIP technology. For the phase unwrapping is the key technology in Interferometric

synthetic aperture radar (InSAR) and work excellent to deal with the artifacts in phase

images. So, it is possible to use the phase unwrapping technology for reference to delete

the artifacts in the phase image of SWI and actually recover the real phase image of

SWI.

This paper focuses on SWI 、the clinical application and the related

technology—phase unwrapping technology in image post-processing. Here, we realized

the unwrapped result of SWI phase image by program, including the path-following

algorithms and the path-independence algorithms based on the least square method , and

make comparison and analysis between them. The time and branch cut image were to be

used to estimate whether an algorithm can accurately and effectively unwrap phase

image. The time using by algorithms reflect the efficiency, and the branch cut image

reflect the discontinuous region. The phase aliasing and the phase winding are also the

phase discontinuity. So, the discontinuous number of regions can be a standard for the

evaluation.

This paper introduced the phase unwrapping technology firstly to SWI image post-

-processing and deal with the artifact problem better. With the improvement of the

computer and optimization of algorithms, phase unwrapping will be the effective

III

technology in SWI image post-processing technology.

Key Word: Susceptibility weighted imaging, vein imaging, Magnetic

field inhomogeneity artifacts, phase unwrapping, path-following

algorithms, branch lines, least square method

摘要

ABSTRACT

第一章绪论............................................................................................................... 1

§1．1引言.............................................................................................................. 1

§1．2磁敏感加权成像概述.................................................................................. 1

§1．3相位展开概述.............................................................................................. 1

§1．4最小密度投影概述...................................................................................... 2

§1．5 SWI 图像后处理技术的国内外研究现状..................................................3

§1．6本论文的组织结构...................................................................................... 4

第二章磁敏感加权成像概述....................................................................................... 5

§2．1磁敏感加权成像原理.................................................................................. 5

§2．2现有文献中 SWI 后处理流程.....................................................................5

§2．3本论文要解决的问题.................................................................................. 8

§2．4 SWI 的临床应用..........................................................................................8

§2．4．1小血管绘制 ................................................................................... 9

§2．4．2外伤出血以及小儿脑损伤与神经性认知..................................... 9

§2．4．3脑梗死和出血............................................................................... 10

§2．4．4铁沉积........................................................................................... 10

§2．4．5肿瘤的诊断................................................................................... 11

§2．4．6其他方面的应用........................................................................... 12

第三章相位展开技术的原理和方法......................................................................... 13

§3．1相位展开技术概述.................................................................................... 13

§3．1．1技术简介....................................................................................... 13

§3．1．2相位展开技术发展历史及其分类............................................... 13

§3．2相位展开技术详解.................................................................................... 14

§3．2．1一维相位展开............................................................................... 15

§3．2．2二维相位展开............................................................................... 16

§3．2．3残差点的定义与检测................................................................... 17

§3．3相位展开算法的分类及特点.................................................................... 19

§3．3．1基于路径跟踪的相位展开方法................................................... 20

§3．3．1．1 Goldstein 枝切法.............................................................20

§3．3．1．2品质评价......................................................................... 24

§3．3．1．3质量图引导法................................................................. 25

§3．3．1．4 MaskCut 法..................................................................... 27

§3．3．1．5 Flynn 法...........................................................................28

§3．3．2最小二乘法................................................................................... 30

§3．3．2．1基本迭代法..................................................................... 32

§3．3．2．2基于 FFT 的最小二乘法................................................ 33

§3．3．2．3基于 DCT 的最小二乘法............................................... 34

§3．3．2．4基于误差方程的最小二乘法......................................... 34

§3．3．2．5加权最小二乘法............................................................. 36

§3．3．2．6 Picard 迭代法..................................................................37

§3．3．2．7 Pcg 迭代法...................................................................... 37

§3．3．3网格法........................................................................................... 37

§3．3．4网络流优化算法........................................................................... 39

§3．3．5算法的检验标准与结果展示....................................................... 40

第四章最小密度投影技术......................................................................................... 44

§4．1三维重建技术概述.................................................................................... 44

§4．2最大密度投影............................................................................................ 44

§4．3最小密度投影............................................................................................ 44

§4．4 MinIP 在SWI 图像后处理中的应用........................................................45

§4．4．1技术细节....................................................................................... 45

§4．4．2基本过程....................................................................................... 45

§4．4．3参数选择....................................................................................... 46

§4．4．4实验结果....................................................................................... 46

§4．5 MinIP 在SWI 图像后处理中的讨论与展望............................................47

第五章结论与展望..................................................................................................... 48

§5．1研究工作及创新点.................................................................................... 48

§5．2今后的研究方向........................................................................................ 49

附录................................................................................................................................. 51

参考文献......................................................................................................................... 52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果............................................. 56

致谢............................................................................................................................. 57

第一章绪论

§1.1 引言

磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging, SWI)是一种以 T2*加权梯度

回波序列作为序列基础[1]，根据不同组织间的磁敏感性差异提供对比增强机制的新

技术。近年来，SWI 在临床上的应用越来越广泛和深入，尤其是在检测出血和与

静脉有关的病变方面，SWI 具有独特的优势。因此本论文就对这种技术的原理、

临床应用和与之相关的图像后处理进行详细的讨论。

§1.2 磁敏感加权成像概述

SWI 是近年来发展起来的一种全新的医学磁共振成像方法。不同于以往的质

子密度、

T1 或T2 加权成像，这种方法利用不同组织间磁敏感性[2]的差异产生图像

对比。静脉血的主要成分为顺磁性的去氧血红蛋白，动脉血则是抗磁性的氧合血

红蛋白[3-4]，而磁敏感性差异将最终导致两种血管信号的相位信息强度的不同，在

与幅度信息相加权后，使静脉能独立于动脉清晰成像。而在临床医学诊断中，各

种由外伤所导致的微出血以及很多肿瘤病变都与静脉有关，因此 SWI 是临床诊断

中的新方法，具有广泛的应用价值。

但与此同时，也正因为 SWI 的基本成像原理——磁敏感性差异，在成像过程

中产生了与磁场不一致的相位差，从而导致 SWI 的相位模糊(相位缠绕)问题。由

于SWI 着重利用了相位信息，所以本论文采取了干涉雷达孔径成像中的常用方法

——相位展开来处理医学领域中的磁敏感加权成像中的相位展开问题。

§1.3 相位展开概述

与非相干信号处理只关心信号的幅度与强度不同的是，相干信号处理还同时

涉及到信号的时间和空间的相位信息。医学磁共振成像和干涉孔径雷达成像是相

干信号处理的典型代表，然而因为系统原因，我们所得到的与感兴趣的物理量相

联系的相位均被缠绕在(- ]之间，存在着相位模糊(相位缠绕)的现象。恢复与

磁场一致的真实相位就是本论文所要讨论的相位展开(Phase unwrapping)问题。相

位展开中的难点在于相位图中的残差点—也就是相位不一致现象的存在。实际的

SWI 的256 级灰度相位图像主要表现为明显的黑白交接，而不是真实情况中的灰

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摘要：

I摘要磁敏感加权成像(SusceptibilityWeightedImaging，SWI)是一种可由各组织磁敏感性差异产生图像对比，进而可对各组织显影的新技术。与传统磁共振成像方式相比，SWI在静脉显影方面具有独特的优势，可应用于脑肿瘤，脑出血或其他有静脉参与的病灶研究中，从而有效改善对这些疾病的诊断。要利用SWI显示清晰的静脉血管影像需要多个复杂的图像后处理步骤。这其中包括：幅值和相位图像的重组；消除相位图像中磁场不均一性伪影；制作相位蒙片并与幅值图像加权获得磁敏感加权图像；通过最小密度投影显示连续层面的静脉血管结构。其中在滤除由磁场不均一性而产生的伪影时，本文借鉴合成孔径雷达干涉测量技术中...

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