IEEE JBHI | 實(shí)現(xiàn) CEST-MRI 運(yùn)動(dòng)-強(qiáng)度聯(lián)合校正技術(shù)
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(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)室胡戰(zhàn)利研究員、吳垠研究員,聯(lián)合中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院團(tuán)隊(duì)在化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移磁共振成像(CEST-MRI)領(lǐng)域,構(gòu)建了“運(yùn)動(dòng)-強(qiáng)度聯(lián)合校正”框架,解決了CEST序列中運(yùn)動(dòng)錯(cuò)位與強(qiáng)度變化的耦合難題。相關(guān)成果以"FE-DIC-Based motion and intensity correction for enhanced CEST-MRI registration"為題,發(fā)表在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域知名期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics上。
CEST-MRI作為一種無(wú)創(chuàng)反映組織代謝、微環(huán)境及分子交換特性的先進(jìn)磁共振成像技術(shù),正逐步應(yīng)用于腦卒中、腫瘤及心肌代謝等領(lǐng)域。與常規(guī) MRI 不同,CEST-MRI 需要在多個(gè)頻率偏移點(diǎn)連續(xù)采集,掃描時(shí)間往往從數(shù)分鐘到十余分鐘。呼吸、心跳和體位輕微變化都可能導(dǎo)致幀間錯(cuò)位,而參數(shù)圖又依賴對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)序列的逐像素整合,微小運(yùn)動(dòng)即可引入明顯偏差,從而影響定量結(jié)果和臨床診斷。與此同時(shí),不同頻率偏移點(diǎn)的飽和效應(yīng)與組織對(duì)比度差異顯著,圖像在“發(fā)生運(yùn)動(dòng)”的同時(shí)還在“持續(xù)變亮變暗”,使得現(xiàn)有配準(zhǔn)方法難以有效工作。因此,如何解決運(yùn)動(dòng)與強(qiáng)度變化之間的強(qiáng)耦合,已成為 CEST-MRI 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。
研究團(tuán)隊(duì)在有限元數(shù)字圖像相關(guān)(FE-DIC)基礎(chǔ)上,構(gòu)建了面向 CEST-MRI 的交替式運(yùn)動(dòng)-強(qiáng)度聯(lián)合校正框架(圖1)。一方面,通過(guò)力學(xué)正則化在有限元網(wǎng)格上估計(jì)時(shí)空連續(xù)、組織一致的位移場(chǎng);另一方面,在每輪運(yùn)動(dòng)校正后自適應(yīng)更新全局亮度和對(duì)比度,以補(bǔ)償頻率依賴性的強(qiáng)度變化。二者以迭代交替的方式緊密耦合,使運(yùn)動(dòng)估計(jì)不再受強(qiáng)度變化干擾、強(qiáng)度校正也不再受到殘余運(yùn)動(dòng)限制,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì) CEST-MRI 動(dòng)態(tài)序列的協(xié)同優(yōu)化配準(zhǔn)。
研究團(tuán)隊(duì)在模擬肝臟、健康志愿者腦部以及巴馬豬心臟三類數(shù)據(jù)上系統(tǒng)驗(yàn)證了該方法,并與多種主流傳統(tǒng)配準(zhǔn)算法及深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示,所提出的運(yùn)動(dòng)-強(qiáng)度聯(lián)合校正框架在不同器官和不同運(yùn)動(dòng)幅度下均取得更高的配準(zhǔn)精度(圖2和圖3),顯著提升了酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(APT)和肌酸(Cr)等參數(shù)圖的質(zhì)量與時(shí)間一致性(圖4),為 CEST-MRI 代謝參數(shù)的精準(zhǔn)定量提供了更加可靠的影像基礎(chǔ)。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院胡戰(zhàn)利研究員、吳垠研究員和中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院羅德紅主任為論文共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院聯(lián)培博士后劉海洲、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院鄭怡嘉技師和劉周副主任醫(yī)師為論文共同第一作者。該研究得到了醫(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、國(guó)家自然科學(xué)基金(數(shù)學(xué)天元重點(diǎn)專項(xiàng))、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(重大科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)重點(diǎn)專項(xiàng))、廣東省自然科學(xué)基金(卓越青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目)和深圳市科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接:https://ieeexplore.ieee.org/document/11016183

圖1:提出的交替式運(yùn)動(dòng)-強(qiáng)度聯(lián)合校正框架

圖2:腦部圖像在?ω = –1.2 ppm下的配準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比圖

圖3:心肌圖像在不同方法下的配準(zhǔn)殘差與結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

圖4: CEST參數(shù)圖校正前后對(duì)比:(a)APT圖,(b)Cr圖
附件下載: