基于频率筛选的磁粒子成像量化分析研究.pdf
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1、生 物 医 学 工 程 研 究 ,():国家自然科学基金面上项目()。通信作者 :基于频率筛选的磁粒子成像量化分析研究王璐,黄妍,赵诣深,杜洋,张璐,(首都医科大学 生物医学工程学院,北京 ;首都医科大学 临床生物力学应用基础研究北京市重点实验室,北京 ;中国科学院自动化研究所 中国科学院分子影像重点实验室,北京 )摘要:为实现磁粒子成像(,)中示踪剂铁量化,本研究基于仿真程序,采集二维扫描图像,筛选信号频率并重建图像,以聚类结果作为先验信息,约束水平集函数的演化,对示踪剂图像进行分割,并借助 系数、等参数定量评估分割效果。通过计算分割区域的信号强度总和,建立 信号与已知示踪剂铁含量的校正曲线
2、。结果显示,频率筛选后显著缩短了信号重建时间;基于先验的水平集方法 系数和 均大于 ,实现了肿瘤区域较精准的分割;通过本研究建立的 信号强度与铁含量的校正曲线,实现了示踪剂铁量化,平均误差为 ,最小误差 。结果表明,基于先验的水平集方法可实现较精确的图像分割和铁量化,为 临床前定量研究提供参考。关键词:磁粒子成像;超顺磁性氧化铁纳米颗粒;系统矩阵;重建;聚类;图像分割中图分类号:;文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):(),(),:;引言 年,等 首次提出磁粒子成像(,)理论,即对具有生物相容性的超顺磁性氧化铁纳米颗粒(,)进行浓度生物医学工程研究第 卷分布成像。灵敏度高、无电离辐射且时
3、间分辨率高。与磁共振成像(,)不同,测量的铁磁化信号比氢原子高千万倍 ,检测极限可达纳摩尔级。可实现深度成像,克服了光学成像中信号强度随深度增加而逐渐衰减的问题;与计算机断层扫描成像、正电子发射计算机断层成像相比,避免了电离辐射的危害,且扫描速率较快,可实时成像 。利用 对交变驱动场的非线性磁化响应,进行粒子浓度空间分布成像,通过生成一个无场点或无场线来实现空间编码。位于点或线附近的磁粒子对变化的磁场作出响应,距离较远的粒子处于磁化饱和状态,不产生磁信号。接收线圈接收由粒子磁化产生的感应电压 。磁化曲线反映了 在外磁场中的磁化规律,通过 空间或系统矩阵重构方法将感应电压转换为粒子浓度分布图像
4、。基于系统矩阵的粒子浓度重建过程中通常存在病态求解问题 ,需要正则化。吉洪诺夫正则化可通过求解线性方程组实现,是常用的重建方法。然而,吉洪诺夫正则化的噪声抑制能力有限,并且通过降低对比度平滑图像边界 ,易导致 定位和量化分析的误差较大。近年来,在 图像重建、分割和定量分析方面的研究取得了一定进展。年,等 结合噪声统计和随机奇异值分解来提高 重建精度。年,等 提出对大量空测所得背景做奇异值分解,提取噪声特征值,将粒子分布和背景信号的联合估计转化为吉洪诺夫正则化最小二乘法问题,显著地抑制了背景伪影。以上两种方法均需大量的空测数据,运算量较大、处理时间较长。在成像结果分析方面,年,等 首次应用 实现
5、肿瘤在体成像,对乳腺癌小鼠注射示踪剂 ,进行长时间成像,观察示踪剂的体循环路径,手动选取 信号边界并对乳腺肿瘤区域进行铁定量。上述研究中,肿瘤区域的选取易受主观因素影响且分割效率较低。年,等 提出 与 混合成像系统,通过 获取解剖信息,基于 分割出心室和心房三维结构,计算四个区域随时间变化的 信号,确定心脏血液流速、频率等参数,但采集 数据耗时长且定量结果依赖于双系统的配准效果。年,使用 方法对二维 图像进行分割,并通过将胰岛组织与 共孵育验证 信号强度与吞噬示踪剂的组织体积线性相关,实现胰岛移植后的在体示踪和量化评估。以上基于 聚类的量化分析实现了示踪剂定量,但缺少对分割效果的评估。基于此,
6、本研究基于系统矩阵的仿真程序测试不同频率分量下图像重建效果。将二维 图像 聚类结果作为先验信息,向区域可变拟合(,)模型中引入动态更新项,用聚类结果约束水平集函数的演化,提高初始轮廓线的调整效率,实现对示踪剂分布区域准确、快速地分割,并在肿瘤仿真图像上进行测试,对比肿瘤分割结果与真值,定量评估分割效果。通过计算示踪剂梯度浓度点图像各分割区域内 信号强度和,建立与梯度浓度间的关系曲线,根据仿真图像的分割结果量化示踪剂,并与真值比较,验证曲线可行性。研究方法 量化分析研究主要包括校正曲线的建立和验证两部分,量化分析流程见图 。图 量化分析流程 软件与硬件条件 软件条件本研究使用 作为编程语言;使用
7、 运行聚类分析。硬件条件本研究所使用工作站 为 ()(),主频 ,四核四线程,三级缓存 ,内存为 ,显卡为 ,显存容量 。仿真数据集的建立本研究所用数据集主要包括梯度浓度点样本和肿瘤样本两部分。梯度浓度点仿真图像用于校正曲线的建立,六个浓度设置为 、,体积均为 。本研究采用公开的乳腺钼靶筛查数字数据库(第 期王璐,等:基于频率筛选的磁粒子成像量化分析研究 ,)进行肿瘤 仿真成像测试,每项研究包含每个乳房的两个体位 线摄影图像和掩膜 ,随机从恶性和良性肿瘤病例中选取 个头尾位或内外侧斜位图像进行预处理,构建真值。包括将 后缀文件转换为 格式、肿瘤区域的勾选与缩放、肿瘤仿真输入的浓度设定为 。仿真
8、成像基于哈佛大学医学院和麻省理工学院公开的 系统矩阵仿真代码,测试不同磁场参数下的仿真输出结果。为实现遍历整个视场的李萨如扫描轨迹 ,设置 、方向激励频率,采样频率 ,梯度场强为 ,像素分辨率 。粒径设定为 ,饱和磁化强度为 ,温度 。其中,梯度浓度点扫描成像的视场大小为 ,肿瘤仿真成像的 、方向扫描范围是()。按照以上参数设定,计算单位浓度 在激励场中的磁化响应信号,并保留小于采样频率二分之一的频域信号构建系统矩阵 ,应用吉洪诺夫正则化进行图像重建 。频率筛选 和 方向接收 以内的信号,其中大于激励频率且小于可分析信号最高频率 的分量可用于图像重建。由于 系统矩阵的大小与频率分量的个数、空间
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