IEEE JBHI | 實現(xiàn) CEST-MRI 運動-強度聯(lián)合校正技術(shù)
近日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國重點實驗室胡戰(zhàn)利研究員、吳垠研究員,聯(lián)合中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院團隊在化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移磁共振成像(CEST-MRI)領(lǐng)域,構(gòu)建了“運動-強度聯(lián)合校正”框架,解決了CEST序列中運動錯位與強度變化的耦合難題。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作為一種無創(chuàng)反映組織代謝、微環(huán)境及分子交換特性的先進磁共振成像技術(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 需要在多個頻率偏移點連續(xù)采集,掃描時間往往從數(shù)分鐘到十余分鐘。呼吸、心跳和體位輕微變化都可能導(dǎo)致幀間錯位,而參數(shù)圖又依賴對整個動態(tài)序列的逐像素整合,微小運動即可引入明顯偏差,從而影響定量結(jié)果和臨床診斷。與此同時,不同頻率偏移點的飽和效應(yīng)與組織對比度差異顯著,圖像在“發(fā)生運動”的同時還在“持續(xù)變亮變暗”,使得現(xiàn)有配準方法難以有效工作。因此,如何解決運動與強度變化之間的強耦合,已成為 CEST-MRI 實現(xiàn)精準定量的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。
研究團隊在有限元數(shù)字圖像相關(guān)(FE-DIC)基礎(chǔ)上,構(gòu)建了面向 CEST-MRI 的交替式運動-強度聯(lián)合校正框架(圖1)。一方面,通過力學(xué)正則化在有限元網(wǎng)格上估計時空連續(xù)、組織一致的位移場;另一方面,在每輪運動校正后自適應(yīng)更新全局亮度和對比度,以補償頻率依賴性的強度變化。二者以迭代交替的方式緊密耦合,使運動估計不再受強度變化干擾、強度校正也不再受到殘余運動限制,從而實現(xiàn)了對 CEST-MRI 動態(tài)序列的協(xié)同優(yōu)化配準。
研究團隊在模擬肝臟、健康志愿者腦部以及巴馬豬心臟三類數(shù)據(jù)上系統(tǒng)驗證了該方法,并與多種主流傳統(tǒng)配準算法及深度學(xué)習(xí)模型進行了對比。結(jié)果顯示,所提出的運動-強度聯(lián)合校正框架在不同器官和不同運動幅度下均取得更高的配準精度(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)量與時間一致性(圖4),為 CEST-MRI 代謝參數(shù)的精準定量提供了更加可靠的影像基礎(chǔ)。
中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院胡戰(zhàn)利研究員、吳垠研究員和中國醫(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。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院與中國醫(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)全國重點實驗室、國家自然科學(xué)基金(數(shù)學(xué)天元重點專項)、國家重點研發(fā)計劃(重大科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)重點專項)、廣東省自然科學(xué)基金(卓越青年團隊項目)和深圳市科技重大專項等項目的資助。
原文鏈接:https://ieeexplore.ieee.org/document/11016183

圖1:提出的交替式運動-強度聯(lián)合校正框架

圖2:腦部圖像在?ω = –1.2 ppm下的配準結(jié)果對比圖

圖3:心肌圖像在不同方法下的配準殘差與結(jié)構(gòu)對比圖

圖4: CEST參數(shù)圖校正前后對比:(a)APT圖,(b)Cr圖
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