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1、第卷 第期电 子 测 量 技 术信息技术及图像处理 年 月基于 和 的脊髓扩散张量成像实现苏育挺 董 博（天津大学电子信息工程学院 天津）摘 要： 扩散张量成像是一种新的磁共振成像技术，比传统的扩散加权成像更能够准确地反映出水分子的扩散情况。在脊髓的扩散张量成像方面的研究成果并不多，且存在很大的发展空间。 提出并实现了基于 和 的 脊 髓 图 像扩散张量成像系统，其中使用 实现图像三维配准和扩散张量及其旋转不变量的计算等功能，使用 辅助完 成三维图像显示，为脊髓扩散张量成像进一步研究提供了一个研究平台。 仿真结果表明，该平台可以有效地完成扩散 张量成像及显示等功能。关键词： 扩散张量成像；脊髓
2、中图分类号：文献标识码： （ ，）： ， ， ， ， ：；献的研究表 明，颈髓急性损伤病例的 值 明 显 降 低，且比慢性损伤病例的 值明显低，分析推测这是由于急 性损伤引起较大范围的神经细胞变性、坏死及神经纤维束 断裂造成。慢性损伤的最常见成因是脊髓型颈椎病的慢性 压迫，这方面的研究较多，结果表明较大比例病人受压脊 髓的 值 增 高， 值 降 低，这有助于评价脊髓 长 时 间 缺血缺氧的程度。因此，是显示脊髓损伤尤其是脊髓 型颈椎病脊髓病变的有效手段。在 设备完成扩散加权 成 像 （ ）的数据 采 集 后，后续的处理需要由软件 进行，以实现扩 散 张量及相关参量的计算完成定量分析。 通常使用
3、的软件如 、等都不 是开源的，并没有办法作为研究平台来开展研究，而以（ ）和 （）为代表的一系列 算法开发包为建立 引言磁共振 成 像 （）作为一种非侵入性医学成像技术，近年来有了突飞猛进的发 展，在影像学诊断领域中，已占有非常重要的地位。 扩散张 量成像 （）概念的提出使磁 共振成像技术又向前推进，并得到了广泛的应用。 它 提 供 了一种细胞水平上研究活体组织病理 变 化 的 方 法，目 前 已 成熟地应用于脑白质纤维束结构的研究中。由于脊髓结构 和技术的一些限制，还较难用于脊髓的临床检查中，这 也是目前研究的一个方向。脊 髓损伤会引起表观扩散系数 （ ）和部分各向异性 （ ）发生变化。 急
4、 性 损 伤的后果较严重，早 期 的 诊 断和对损伤程度的评估很重 要，但是这方面研究较少。 文本文于 年 月收到。这样的平台提供了可能。 是一套基于 语言的跨平台开源医学影像算 法开发包。它提供了以图像分割和图像配准为主的众多常 用算法。不过由于可视化功能 的 欠 缺，通常与其他可视化 工具配合使用。 是 语 言 编 写 的 包 括 三 维 计 算 机图形学、图像处理和可视化功能的开源开发包，由于它封 装了一些常用的算法，为从事可视化应用程序开发的研究 人员提供了便捷的技术支持。本文基于 和 实现了脊髓图像的扩散张量成 像，使用 实现了图像三维配准和扩散张量及由其导出 的旋转不变参数的计算等
5、功能，并 使 用 辅 助 完 成 三 维图像显示。式中：、 是 的特征值， （ ）。 反映了各向异性成分占整个扩散张量的比例， 反映了各向 异性成分与 各向同性成分的比值。它们的取值范围是从 （各项同性）到（对于 是槡）。基 于 和 的 脊髓扩散张量成像系统 结构的处理 流 程 在不同的软件上会有一些细节的差 异，本文遵循较为 普 遍 的 处 理 方 式，并 结 合 的 算 法 特 点和 的显示特性形成了图所示的 流程。扩散张量成像基本原理扩散张量成像是由扩散加权成像改进和发展而来的。在扩散加权成像中，扩散现象是用一个单一 参 数（标 量）来 进行表征的，即扩散系数。信号 的扩散效应存在 着衰
6、减，即： （）（）式中： 为扩散敏感因子，表征了采集图像所使用的扩散梯度脉冲的强度、持续时间和间隔时间。然而，由于扩散各向异性的存在，仅仅使用一个标量 来表示扩散是远 远 不 够 的。 扩 散 张 量 的引入使问题得 以解决，扩散张量可以完全描述分子沿着各个方向的扩散 运动以及这些方向之间的相关性。扩散张量 是一个的正定对称矩阵。图 基于、 的 处理流程 数据读取 支持很多图像格式，本 文 主 要 处 理 格式 图 像，它 是 一 种 存 储 数据很便捷的医学图 像 格 式。当前版本 的 类 是 新 释 放 的，支 持，但 是对于部分成像参数的提取 熿 燄（包括提取扩散敏感梯度和 值 ）和 维
7、 数 变 换（类读取 得 到 维 数 据， 维 对 应 空 间， 维对应扩散敏感梯度）等处理，需要自行进行一定代码编写 来完成。（）燀燅由于 是一个对称张量，所以只有个独立分量。如果得到个或个以上不同方向的 图像以及一个未施加扩 散敏感梯度的图像，就可以利用式（）得到 基本方程。图像配准由于图像采集中病人的运动会产生伪影，因 此 在 进 行 重建之前要对 图像进行配准。 本文以 值 不 为 零，扩散梯度方向向量为（，）的图像作为参考图像进行 配准。体数据的 配准是依次对每一个断 层 进 行 配 准，再 叠加成新的 图像，但是并没有关注断层之间的联系，会 导致配准结果出现较大偏差，因此选择 配准
8、。常用的配准算法 基 于 特 征 点、互 信 息 量及 频 域 相 位相关等。本文结合 的特点，实现了图像配准的基 本框架。由图可知，通过设置不同类型的变换、优 化 器、 相似性度 量 和 内 插 器，就可以实现不同适用条件的图像 （，） （，）（ ）（），式中：（） 是矩阵，代替了式（）中的因子。实际操作中，由于噪声的存在，需要选择更多不共线的扩散敏感梯度 方向得到更多扩散加权图像数据，然后进行多参数线性回 归处理，以得到可靠的扩散张量图像。根据扩散张量 可以通过计算导出一系列旋转不变 的标量作为 的成像参数，用以描述生物组织结构的内 在扩散特征。常用的有：部分各向异性 （）：槡（ ） （
9、） （ ） 槡（）配准。槡 相对各向异性 （）： 空间的变换 是 配准的重要基础。 中 提 供的 变换包括：刚 体 变 换、 相 似 变 换、刚 性 透视变换、欧拉 变换等。槡（ ） （ ） （ ）（） 槡槡电 子 测量 技 术第 卷光线上采样点颜色叠加，作为最终颜色进行渲染。 体数据 对 象 是渲染场景的实体，它 通过 函数和 函数分别关联了映射 器和体数据属性，其中属性设置完成不 透明度和颜色的映射。最后，渲染器对等几何数据进行描绘，并在渲染 窗口里显示出来。图 图像配准实验结果其中刚体 变换可看作是 变换与一个维向量定义的平移的组合，变换专门用于表达 空间中的 旋 转。 相似变换是则在
10、刚 体 变 换 后加入一个均匀比例缩放变换；刚性 透视变换是在 刚体变换后加入一个透视投影，主 要 用 于 配 准；欧 拉 变换是一种先平移后旋转的 变换，但变换无法通 过优化器补偿大的旋转。内插器包括：最近 邻 内 插 器、线 性 内 插 器、 样 条 内 插 器、加窗的函数内插器等。 度量和优化器可选择类别 则较多。本文选择了性能较好也并不复杂的 刚体 变 换，但空间不同于向量空间，典型的梯度下降法优化 器并不适用参数搜 索， 专 门 提 供 了 刚 体 变 换优化器 来解决这个问题，既考虑了变换的旋转部分的 空间特性，又考虑到了平移部分的向量空间特性。 同时，选择了均方相似性度量及线性内
11、插器来完成 图 像的 配准。实验条件本文 提 出 的 实 现 使 用 了 和 ，在 中开发完成。使用的 数据为一例脊髓型颈椎病病人的颈椎部位 数据，采用 序 列，重 复 时 间 ，回 波 时 间 ，扩散敏感 因 子，扩 散 敏 感 梯 度 个方向，图像尺寸，层 厚 ，层 间 距 ， 层数。张量图像图所示为张量图像 矩 阵，每一个扩散单位对应一个 张量矩阵，将所有对象对应的同一个方向的张量提取出来， 形成一幅张量图像，各个方向张量图像形成矩阵。 图 的 含义对应于 式 （），主 对 角 线 上的图像分别是 、 和 ，对角线外表示的是、 方向之间的相关性。为了能使图像的内容利于人眼观看，调整了图像
12、的对比度，尽管直 观上看几幅图像很类似，但从右侧的灰度映射关系可以反 应出各个图像的灰度差异，也就是扩散程度差异。 另外，主 对角线上的图像对比度较高，而对角线外的图像对比度低 得多，这也反映出不同方向和方向之间的扩散关联性。张量及旋转不变导出量计算计算 张 量 矩 阵：张 量 的 计 算 借 助 于 提 供 的 类 来 完 成。 首先要对图像要进行基于各项异性的降噪处理，然 后 选择 参考图像，本文以 值为零，扩散梯度方向为（，）的图像作为参考，通 过 成 员 函 数 将 其 设 置 为 参 考 图 像； 接 着 通 过 成 员 函 数 添加梯度图像，设置扩散敏感 因子， 设 置 阈 值，
13、设 置计算的线程数；最后通过 函数启动运算。、图 像 的 计 算： 借 助提 供 的 类计算 图像，而在计 算 图 像 时 使 用 类， 的处理流程是典型的流水线形式，只需通过 将张量计算结果输送进去。 基于 的 显示由于 和 开发风格差异较大，数 据 的 对 接 需 要使用 提供的进行连接，完 成数据接口。后续的 处理流程如下：光线投射映射器是将从 传递过来的 数据转换成可以被绘制显示的 几何数据对象，设置对图 张量 图像矩阵 和 图像图为 图像，它反映了扩散的 各向异性成分占整 个扩散的比例，图为 图像，它则反映了扩散的各向异 性成分与各向同性成分的比 值。 同 样，从图像右侧的灰度 映射
14、关系可以看出， 的 值 相 对 高 一 些， 图 像 的 值 整 体很低。 ， ， ， ，： 宋清伟，唐兴，郎志谨磁共振弥散张量成像技术对颈脊髓急、慢 性 损 伤的临床应用研究 中 国 和 杂志，（）： ， ， ： ，（）：李永红，卢昭金，刘哲，等基于直线和 融合特征 的物体 识 别 研 究 国外电子测量技术，（）：张娟，卢振泰，冯 前 进，等相位一致性和区域互信息 量的医学图像 配 准 计算机工程与应用，（）：黄汉川，王培康基于改进频域配准算法的图像超分 辨率重建电子测量技术，（）， ， ， ， ， ，：余锦华，汪源源基于各向异性扩散的图像降噪算法 综述电子测量与仪器学报，（）：洪涛，潘志方
15、，林立本，等 医学图像三维重建应 用及实现计算机系统应用，（）：作 者 简 介结论本文基于 和 实 现 了一个扩散张量成像系 统，通过 实现了图像配准和张量及其旋转不变导出量 的计算，通过 实现了 显示，并使用了颈椎的 图像完成了脊髓 成 像。 实验结果表明该系统可以完 成扩散张量成像的基本功能，同时为 数据处理提供了 一个研究平台。苏育挺，男，年出生，工学博士，教授，主要研究方向为数字视频编码，多媒体取证，医学图像处理。：董博，男，年 出 生，硕 士 研 究 生，从事医学图像处 理与数字视频处理方面研究。：参 考 文 献包尚联，龙 剑 颖，何 群，等 永 磁 系 统 及 相关技术的研究进 展 仪 器 仪 表 学 报，（）：
