压缩感知同步扫描重建及其采样方案的研究

压缩感知(compressed sensing,CS)-磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术使用随机欠采样的k空间数据来重建图像,大大提高了成像速度.但典型的CS重建很费时,这也是CS-MRI临床应用的主要障碍之一.针对这一问题,该文提出了在扫描时同步进行CS图像重建的方案.在同步重建的过程中,可以实时显示重建图像的结果,用户可以根据图像质量来决定何时终止扫描,这样可以在节约扫描和重建时间的同时,更好地控制图像质量.由于预先无法确定最终的采样率,因此传统的变密度随机采样方法并不完全适用.该文设计了适用于同步重建过程的采样模式生成方案,同时提出了分段采样方法,把采样过程分为两个阶段,不同阶段使用不同的概率密度函数(probability density function,PDF)确定待采样的相位编码行.模拟实验的结果表明,与使用单一密度函数的采样方案相比,分段采样方案能够在整个同步扫描重建过程中始终获得更好的图像.     

用于压缩感知磁共振成像的分割字典学习算法

字典学习算法可以根据数据本身的特点构建稀疏域中的基,从而使数据的表示更加稀疏.该文在传统的字典学习算法基础上提出了分割字典学习算法,由于部分磁共振图像组织结构简单、可以进行图像分割,因此可根据此特点来优化字典中基函数的构建,使磁共振图像的表达更为稀疏,从而获得更高的重建图像质量.该文利用模拟数据和真实数据进行了重建实验,结果表明与传统的字典学习算法相比,分割字典学习算法能进一步改善重建图像质量.     

基于压缩感知/重采样的NMR噪声抑制新方法

发展高灵敏检测方法是分析化学的永恒主题之一,提高信号强度和降低噪声水平是增强灵敏度的根本途径.在核磁共振波谱(NMR)分析中,通常采用高磁场强度的谱仪或复杂的脉冲实验方法来提高信号强度,或通过使用超低温探头来降低噪声水平,但这无疑会提高实验成本或增加实验难度.相较而言,利用数据后处理方法辨识和抑制噪声,是更为经济的提高信噪比(SNR)的途径.因此,该文在前期研究中发展的基于统计学中重采样原理的数据后处理方法(NASR)的基础上,通过引入压缩感知(CS)技术,对重采样方法进行了优化改进,所发展的NMR数据处理新方法(CS_NASR)可有效排除主观因素影响,提高处理结果的鲁棒性.     

一种新的磁共振图像处理流水线的设计与实现

磁共振图像的重建、后处理及可视化是磁共振成像（MRI）系统的重要组成部分.本文开发了一个新的用于磁共振图像重建、后处理及可视化的开源框架YAP（Yet Another Pipeline）,利用此框架可以方便地构建图像处理流水线.与现有的一些其他开源框架相比,本文开发的框架具有如下特点：（1）采用基于接口的设计,可使用基于接口的插件对流水线的功能进行扩展;（2）允许用户使用编写脚本的方式构建图像处理流水线,编辑与修改流水线都很方便;（3）支持带有分支结构的流水线,便于流水线的构建与调试.目前,该框架已经在商用系统中获得了应用.     

结合导航回波与压缩感知进行运动伪影矫正

在一定幅度范围内,导航回波可有效追踪刚体运动,用于矫正k空间数据,从而降低运动伪影对图像质量的影响．然而导航回波技术无法很好地矫正大幅度运动以及非刚体运动导致的图像伪影,运动时刻采集到的k空间数据只能舍弃．压缩感知通过非线性规划法,对欠采样数据进行重建,能恢复出原始信号．该文采用伪随机的方式进行数据采集,结合导航回波技术,用压缩感知对未受运动影响的数据进行图像重建,从而减少运动伪影对图像的干扰．该研究为运动伪影的矫正提供了一种新思路．     

基于同时多层激发和并行成像的心脏磁共振电影成像

磁共振成像（MRI）无创无害、对比度多、可以任意剖面成像的特点特别适合用于心脏成像,却因扫描时间长限制了其在临床上的应用.为了解决心脏磁共振电影成像屏气扫描时间过长的问题,该文提出了一种基于同时多层激发的多倍加速心脏磁共振电影成像及其影像重建的方法,该方法将相位调制多层激发（CAIPIRINHA）技术与并行加速（PPA）技术相结合,运用到分段采集心脏电影成像序列中,实现了在相位编码方向和选层方向的四倍加速,并使用改进的SENSE/GRAPPA算法对图像进行重建.分别在水模以及人体上进行了实验,将加速序列图像与不加速序列图像进行对比,结果验证了重建算法的有效性,表明该方法可以在保障图像质量以及准确测量心脏功能的前提下成倍节省扫描时间.     

选择性双向顺序压缩感知重建动态磁共振成像

压缩感知是一种新兴技术,该技术能够用远低于奈奎斯特采样频率采集的信号恢复出原始信号. 压缩感知成像方法大大提高了心脏磁共振成像的采集速度,已有的方法主要利用动态图像时间相关及心脏的周期性运动特征,如采用在时间维做傅立叶变换或求解每帧数据跟参考帧数据的差异获取稀疏数据,满足压缩感知重建的要求. 该文提出了选择性双向顺序压缩感知重建算法,利用相邻帧的差异更小的特点,获取更加稀疏的差异数据,同时利用动态图像的周期性,以目标函数积分为判据,在时间顺序和时间逆序两个方向选择效果更好的方向进行数据重建,降低图像伪影和噪声. 该选择算法,可以在不增加重建时间的情况下,选择双向顺序重建中最佳的结果. 该文对心脏磁共振图像数据进行了数据处理实验,并且跟传统压缩感知算法、参考帧差异方法及匙孔成像方法进行了比较. 结果表明：该方法无论从视觉效果还是从统计结果上,都有很大的改善.     

一种基于时空变换和压缩感知的磁共振螺旋采样的图像重建算法

螺旋采样磁共振快速成像在功能性成像、并行成像和动态成像等领域发挥着越来越重要的作用.螺旋采样图像重建的传统算法是用核函数将螺旋状分布的k空间数据插值到均匀网格中,再利用傅里叶变换和最小二乘法进行重建.但是基于网格化的算法对核函数过于依赖,在网格化过程中产生难以避免的误差.该文提出了基于时空变换和压缩感知的l1范数的最优化模型和重建算法.时空变换矩阵描述了空间上的磁共振图像与采集到的时域信号间的关系,使得算法直接使用采集到的数据作为保真约束项,避免了网格化过程产生的误差.此外,基于图像处理单元的并行计算被用来提高时空变换矩阵的运算速度,使得算法具有较强的应用价值.     

并行压缩感知计算层析成像光谱

计算层析成像光谱既有传统成像光谱仪获取目标二维空间和一维光谱“图谱合一”的能力,还具有高通量测量和免扫描特性,在光谱成像领域拥有广泛应用场景并得到大量研究。根据中心切片定理,计算层析成像光谱仪性能主要受焦平面阵列探测器(FPA)和二维色散元件的性能制约,以往研究主要在改进二维色散元件设计以增加衍射级次和投影角度以提高精确重建光谱所需的采样量。从FPA二维色散投影测量入手,提出并行压缩感知理论和计算层析成像光谱结合的方法,构建并行压缩感知计算层析成像光谱模型,利用低分辨FPA实现更高分辨率的色散投影测量,最终实现高于传统计算层析直接测量的性能水平。该研究为验证该成像光谱模型的正确性与可行性,先选用高光谱数据集对色散投影直接测量模型进行了三光谱立方体到二维色散投影和并行压缩感知测量模型重建的仿真实验,在仿真结果正确的前提下使用连续谱激光器和反射式数字微镜进行了相应的光学系统实验,完成了投影矩阵的逐点精确标定,并提出提高标定效率的并行标定方法,将标定时间降低到单点标定的四分之一。结果显示并行压缩感知计算层析成像光谱可以获得更高的光谱重建质量,能获得高于FPA自身性能的高分辨光谱投影并大幅提高...     

CS-MRI 中评价随机欠采样矩阵的新方法

在压缩感知-磁共振成像(CS-MRI)中,随机欠采样矩阵与重建图像质量密切相关．而选取随机欠采样矩阵一般是通过计算点扩散函数(PSF),以可能产生的伪影的最大值为评价参数,评估欠采样对图像重建的影响,然而最大值只反应了伪影的最坏情况．该文引入了两种新的统计学评价参数平均值(MV)和标准差(SD),其中平均值评估了伪影的平均大小,标准差可以反映伪影的波动情况．该文分别使用这3种参数对小鼠和人体脑部MRI数据以不同的采样比率进行CS图像重建,实验结果表明,当采样比率不低于4倍稀疏度时,使用平均值获得了质量更优的重建图像．因此,通过稀疏度先验知识指导合理选取采样比率,并以平均值为评价参数选取随机欠采样矩阵,能够获得更优的CS-MRI重建图像．
     

多通道磁共振成像仪控制台数据传输模块设计

当前临床高场磁共振成像（MRI）系统要求成像仪控制台支持16个甚至32个接收通道,可以频繁和高速地进行数据传输并支持快速成像．基于此要求,本文研发了一个基于PowerPC处理器的数据传输模块,将其集成于自行研发的MRI成像仪控制台中,用于成像过程中控制台与计算机之间数据的高速传输．该模块以飞思卡尔公司的高性能PowerPC处理器—MPC8270为核心,运行嵌入式Linux操作系统．处理器与用户计算机之间通过百兆以太网连接,使用局部总线连接控制台的序列运行模块和数据采集模块（数量可扩展）．处理器响应数据采集模块发来的中断请求以快速读取和上传数据．本设计通过驱动程序的设计以保障响应的速度与可靠性．成像实验表明此设计方案能够满足多个接收通道数据快速获取与传输的需求．     

一种以超分辨率理论为基础的磁共振眼球成像方法

磁共振成像（MRI）是一种无电离辐射的非介入性的眼内肿瘤检测方法,但分辨率和运动伪影是成像过程中不易克服的困难．以往的扫描方法或是不可避免的引入运动伪影,或是需要受试者做精确的配合,增加了成像的难度,给受试者带来不舒适的体验．本文提出了一种以超分辨率理论为基础的新的磁共振眼球成像方法,使用一种特制的眼球线圈,对眼部区域扫描一系列动态的图像,使得不同方向上的采集分辨率互补．最后经过预处理、配准、超分辨率重建等操作,得到高质量的磁共振眼球图像．实验结果表明,这种方法可以在不需要受试者做额外配合工作的情况下,得到更加清晰的磁共振眼球图像．     

胶束型磁共振成像分子探针的设计与应用

飞速发展的分子影像学在肿瘤的早期诊断及检测中发挥着越来越重要的作用.磁共振成像(MRI)是分子影像学的重要分支,具有其他成像技术不可比拟的优越性和广阔的发展前景.它不需要放射性示踪剂,没有电离辐射,具有高的空间、时间分辨率和组织对比度.近年来,新型磁共振分子探针及成像序列取得了一系列进展,包括环境响应型分子探针、¹⁹F成像、¹²⁹Xe超极化成像以及化学交换饱和转移成像等,进一步拓展了MRI的应用范围.研究和开发靶向性好、弛豫效率高且安全性好的新型多模态MRI造影剂,进一步提高灵敏度是MRI领域的一项重要课题,例如将胶束的特性与一些MRI新方法结合,寻找合适的胶束体系,以提高MRI分子探针的灵敏度;或者引入多模态分子探针,弥补磁共振方法的不足.本文综述了胶束型MRI分子探针核心技术的研究进展与应用,并指出分子影像技术在生物医学工程研究和临床诊断中的重要性.     

MRI梯度预加重模块的分时复用设计

为获得更优的成像质量和更快的成像速度,磁共振成像（MRI）系统的梯度预加重模块需要具有更多的补偿通道和调节参数,常规预加重模块的设计方案使现场可编程门阵列（FPGA）面临巨大的资源消耗.为解决高性能梯度预加重模块的资源消耗大的问题,本文提出了一种基于分时复用技术的梯度预加重实现方案,以常规方案1/44的资源实现了11通道×4组参数的梯度预加重模块.将该模块用于0.35 T MRI系统,测试了补偿前后的涡流曲线和磁共振图像,结果表明该模块有效降低了系统的涡流,减小了磁共振图像中的涡流伪影.