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基于压缩感知的超极化~(129)Xe肺部快速磁共振成像

【摘要】:近年来,吸烟、空气污染、人口老龄化等问题日益严重,加速和加剧肺部重大疾病(如肺癌、慢性阻塞性肺疾病)的恶性发展,并且其发病率、致残率和死亡率逐年升高。肺部重大疾病已成为我国一项严峻的公共卫生问题,极大地威胁人类生存和健康。胸透、计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)及正电子发射计算机断层扫描(Positron Emission Tomography,PET)是肺部重大疾病研究和临床诊断常用的影像技术。但是,上述成像技术均具有放射性,且对肺部气气交换与气血交换功能无能为力。磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)因具有非侵入性,无放射性等优点,在临床中得到广泛应用。然而,传统MRI是对水或脂肪中的氢质子进行成像,而肺部的氢质子浓度比正常组织低约1000倍,导致以空腔为结构主体的肺部是其“盲区”。近年来发展的超极化气体MRI利用自旋交换光抽运技术(Spin-Exchange Optical Pumping,SEOP)使惰性气体(如3He,129Xe)的自旋极化度增强4个量级以上,从而成功“点亮”肺部。超极化气体MRI能够探测肺部早期病变更多的结构和功能信息,如肺部通气,肺部微结构和气血交换功能,在肺部重大疾病的早发现、早诊断和早治疗方面具有很大的临床应用前景。然而,成像速度是制约超极化气体MRI发展的一大瓶颈:一是超极化气体的极化度在成像过程中难以恢复(随着成像时间和激发次数呈指数衰减),导致难以获得高分辨率和高信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)肺部图像。二是病人在吸入超极化气体后,需要屏气约15秒,并保持静止状态等待扫描完成,这对于幼儿、老人和危重病人而言尤为困难。三是超极化气体动态MRI能够获取更为全面的肺部结构和功能信息,却受限于成像速度而难以获得同时具有高时空分辨率和高质量的肺部动态图像。因此,提高超极化气体MRI的成像速度将大力促进肺部新影像学技术的推广及应用。压缩感知(Compressed Sensing,CS)利用数据可压缩性,能够从远小于奈奎斯特采样定律的欠采样数据中重建信号。CS-MRI结合CS与MRI,可以节省数据采样时间,且无需额外硬件设备,为肺部快速超极化气体MRI研究提供了新的思路。因此,我们提出了多种超极化气体CS-MRI方法,并将其应用于肺部动态成像,获得了高时空分辨率、高质量的超极化129Xe肺部动态MR图像。在此基础上,我们研究了肺内气流的动力学特征,实现肺内气流动态可视化,这有望为肺部重大疾病的早期诊断提供帮助。主要研究内容如下:一,为获取更为全面的肺部结构和功能信息,实现快速、动态的超极化129Xe肺部MRI,我们提出了一种基于低秩(Low-rank)+稀疏(Sparsity)+气流效应(Gas-inflow effects)的肺部超极化129Xe动态CS-MRI方法(L+S+G)。由于CS方法在加快超极化气体动态MRI过程中易受到气流效应影响,导致成像质量下降,我们首先设计一种考虑气流效应的变角激发策略,补偿快速衰减的超极化磁化矢量。之后,结合低秩、稀疏、气流效应等肺部动态图像特性,构建新的目标函数进行图像重建。结果表明,L+S+G方法能够有效提高成像速度(3倍,即仅获取全采样数据的3 3%)及保证良好的图像质量(时间分辨率为445 ms/帧,空间分辨率为3 mm)。二,由于肺部本身的树状结构和气流特点,气体流经肺的不同位置时对成像速度及细节信息的要求不同(气管分支数随级数增加而快速增加,而气管直径则快速减小)。而L+S+G方法是基于恒定欠采样率,无法满足前述对速度和细节的要求。因此,我们提出一种基于自适应采样率的超极化129Xe动态CS-MRI方法(Highly and Adaptively Undersampling Pattern,HUP)。首先,根据肺部结构及气流特点生成自适应欠采样矩阵,在稀疏度较高时实行高度欠采样,大幅加快成像速度;在稀疏度较低时提高采样率,保持图像细节。之后,根据图像变换域稀疏度的动态变化构建目标函数,该函数结合了低秩、全局稀疏、气流效应、联合稀疏等约束,目的在于消除噪声和伪影,保证重建图像质量。结果表明,HUP方法能够在高加速倍数(3-10倍)条件下获得时间分辨率为202 ms/帧,空间分辨率为3 mm的高质量人体肺部动态图像。三,在获得超极化气体肺部动态MR图像后,我们对肺部动态数据进行分析,从而刻画肺内动力学特性,以期为肺部生理学和病理学研究提供帮助。首先,根据CT数据和流体力学模型对超极化气体在肺内的运动进行建模,获得肺内气流模型。之后,计算肺内气流方向和速度,并采用气流模型进行校正。结果表明,该方法可以有效度量超极化气体的气流方向和速度(即气流运动场),且具有良好的时空分辨率。

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