IEEE TMI | 高時(shí)間分辨CT成像
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)人工智能研究中心、醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)(全國(guó))重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李印生研究員、梁棟研究員與上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院合作的高時(shí)間分辨CT成像研究成果,發(fā)表在國(guó)際醫(yī)學(xué)成像頂刊IEEE Transactions on Medical Imaging (IEEE TMI, IF=10.6)上。李印生研究員為論文第一作者和通訊作者,梁棟研究員為論文主要通訊作者。
斷層圖像重建要求被掃物體在采集最小完備數(shù)據(jù)時(shí)間內(nèi)是靜態(tài)的。當(dāng)該要求不被滿足時(shí),重建圖像具有時(shí)間平均誤差(即,時(shí)間分辨低)。當(dāng)機(jī)架轉(zhuǎn)速固定時(shí),使用較短視角范圍數(shù)據(jù)重建圖像,即,提高重建方法的時(shí)間分辨,可減小該誤差。然而,使用較短視角范圍數(shù)據(jù)重建圖像違背數(shù)據(jù)完備性條件,導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完備誤差(如圖1所示)?,F(xiàn)有方法,包括傳統(tǒng)FBP和有限角度重建方法,都無(wú)法將這兩種誤差同時(shí)最小化。
與通過(guò)有限角度重建以提高時(shí)間分辨不同,本文提出方法通過(guò)沿時(shí)間維度外插達(dá)到提高時(shí)間分辨的目的。具體地,從完備數(shù)據(jù)重建的單個(gè)時(shí)間點(diǎn)圖像,通過(guò)沿時(shí)間維度外插得到多個(gè)時(shí)間點(diǎn)圖像,每個(gè)圖像對(duì)應(yīng)更高的時(shí)間分辨。然而,由于存在無(wú)窮多種外插規(guī)則,導(dǎo)致無(wú)窮多種外插結(jié)果。如果沒(méi)有合適的約束條件,無(wú)法從中找到正確的結(jié)果。因此,由單個(gè)時(shí)間點(diǎn)圖像外插得到準(zhǔn)確的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)圖像,在技術(shù)上是非常困難的。
在CT數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,被掃物體的動(dòng)態(tài)信息被順序地記錄在每個(gè)視角投影數(shù)據(jù)中。獲取單個(gè)視角投影數(shù)據(jù)所需時(shí)間很短,時(shí)間分辨很高,例如診斷CT的0.1毫秒或C臂錐束CT的25毫秒。我們很自然地想到使用單個(gè)視角投影數(shù)據(jù)約束上述沿時(shí)間維度外插過(guò)程。通過(guò)最小化外插圖像序列和測(cè)量投影數(shù)據(jù)間的不一致性,得到最優(yōu)的外插規(guī)則。
為實(shí)現(xiàn)上述想法,本文提出數(shù)據(jù)一致性約束的深度時(shí)間維度外插方法,利用數(shù)據(jù)一致性約束學(xué)習(xí)最優(yōu)外插規(guī)則以提高時(shí)間分辨(如圖2所示)。提出方法的創(chuàng)新性在于:(1)該方法將CT時(shí)間分辨提高至系統(tǒng)極限(即獲取單個(gè)視角投影數(shù)據(jù)所需的時(shí)間---診斷CT的0.1毫秒或C臂錐束CT的25毫秒),從而同時(shí)最小化時(shí)間平均誤差和數(shù)據(jù)不完備誤差;(2)該方法適用于單個(gè)短掃描數(shù)據(jù)采集協(xié)議和非稀疏的成像任務(wù);(3)該方法顯式地使用每個(gè)患者測(cè)量投影數(shù)據(jù),使得學(xué)到的外插規(guī)則對(duì)每個(gè)患者來(lái)說(shuō)是最優(yōu)的(如圖3所示)。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院近期獲批了醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)(全國(guó))重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室致力于在新一代成像系統(tǒng)和先進(jìn)醫(yī)學(xué)診療方面,實(shí)現(xiàn)原理創(chuàng)新和技術(shù)突破的國(guó)際引領(lǐng)。智能醫(yī)學(xué)成像是實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)支持的研究方向。本研究工作是在實(shí)驗(yàn)室的支持下所取得的系列成果之一。本研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

圖1. (a)完備數(shù)據(jù)使用現(xiàn)有技術(shù)僅能重建單個(gè)時(shí)間點(diǎn)圖像,該圖像無(wú)數(shù)據(jù)不完備誤差,但時(shí)間平均誤差高,時(shí)間分辨低;(b)按視角范圍分類數(shù)據(jù),每個(gè)數(shù)據(jù)子集不完備,使用現(xiàn)有技術(shù)重建多個(gè)時(shí)間點(diǎn)圖像,每個(gè)圖像時(shí)間平均誤差低,時(shí)間分辨高,但不完備誤差高。

圖2. 方法流程圖。

圖3. 人體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。如黃色箭頭所示,提出的AIRPORT方法能夠正確地重建由造影劑注射導(dǎo)致的動(dòng)脈強(qiáng)度值的變化。
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