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基于块匹配的脑磁共振图像处理算法研究及其应用

陈耿  
【摘要】:人机与环境工程是航空宇航学科的重要组成部分,而贯穿于人、机与环境三要素的核心是人,特别是人的健康。随着磁共振成像技术和图像处理学的发展,脑磁共振图像处理已经成为保障飞行人员健康和安全的重要工具。为此,本文基于块匹配(BM)方法对脑磁共振图像处理进行研究,并提出了几种改进算法。论文工作首先从非局部均值(NLM)算法入手,提出了两种对原始算法中块匹配组件的改进,并分别将其应用于结构和弥散磁共振图像去噪中。其次借助于块匹配方法能够有效鉴别图像相似信息这一属性,分别应用块匹配方法到方向分布函数(ODF)估计和基于体素的形态学测量(VBM)中以改善原始算法性能。这三类工作的研究意义主要体现于:(1)图像去噪是重要的预处理过程,它不仅可以为飞行人员脑损伤的诊断提供清晰的影像数据,而且是后续算法鲁棒性的保证。(2)ODF估计是揭示脑网络连接特性的关键,而脑网络可以为飞行人员脑损伤的研究提供重要的病理学依据。(3)VBM算法作为标准工具已被广泛应用于飞行人员脑损伤的统计分析中。论文的主要研究内容和创新性表现在:1.扩展和改进了NLM算法的块匹配组件。在结构磁共振图像去噪中,NLM算法将块匹配的搜索域定义在含噪图像内,因此仅有图像内的相似信息被用于去噪。新的联合块匹配(CBM)算法将搜索域扩展到了目标含噪图像和一组协去噪图像内,从而可以同时利用图像内和图像间的相似信息来去除目标图像的噪声。图像内的相似信息是有限的,当块匹配不能搜集到充足的相似信息时,NLM算法的去噪效果会受到影响。CBM算法通过引入图像间的相似信息来提高用于去噪的相似信息量,从而达到改善去噪效果的目的。基础仿真数据实验结果显示CBM算法相比NLM算法取得了最大4.65dB的峰值信噪比(PSNR)提升,变形仿真数据实验证实了CBM算法矫正配准误差的能力。2.提出了一种应用于弥散加权图像去噪的-空间块匹配(XQ-BM)算法。针对弥散加权图像同时由空间(图像几何空间)和空间(弥散梯度波矢空间)决定这一属性,定义在空间的NLM算法块匹配组件被重新定义到了空间,同时块匹配的搜索域被扩展到了-空间。在空间进行块匹配时,算法采用方位等距投影和基于极谐变换的不变量来适应空间球冠状图像块的属性。借助于上述改进,XQ-BM算法保证了相似信息定位的准确度,并能充分利用空间的相似信息来改善去噪效果。仿真数据实验结果显示XQ-BM算法相比NLM算法取得了最大5.19dB的PSNR提升,并有效保留了图像的边缘结构。3.提出了一种无弥散模型拟合的弥散加权(DW)信号重定向方法。该重定向方法基于Funk-Radon变换,通过数学推导得到了重定向信号的解析解。由于避免了传统重定向方法中的弥散模型拟合,所以该方法不会引入拟合过程的误差和大量数值计算,同时重定向后的DW信号保留了梯度方向和信号量级信息。弥散张量成像利用对梯度方向的简单旋转变换来实现重定向,该方法被证实不适用于高角分辨率成像。所提方法可以利用完整的仿射变换矩阵对DW信号做重定向,因此克服了仅使用旋转变换的局限性,保证了应用于高角分辨率成像时的正确性。仿真数据实验结果证实所提方法可以准确地实现DW信号重定向,真实数据实验结果显示所提方法不仅准确地完成了DW信号重定向,而且显著提高了重定向过程的计算效率。4.提出了一种基于块匹配和多组参考弥散加权图像(DWI)的ODF精确估计方法。精确的ODF估计依赖于高信噪比和高角度分辨率的DWI数据,而现有研究仅关注于DWI信噪比的改善,这严重制约了ODF估计精确度的提升。所提方法将提高角度分辨率和信噪比融合在同一框架内,从而全面地提高了ODF估计的精确度。块匹配首先被用于搜集目标DW信号和参考DW信号,随后提出的无弥散模型拟合重定向方法对参考DW信号做重定向,最后目标DW信号和重定向后的参考DW信号被传递到稀疏分解的框架内来完成对ODF的估计。仿真数据实验结果显示所提方法显著降低了估计ODF和标准ODF间的方向差异(OD),其中对比仅使用目标DWI,所提方法取得了最大27.99~°的OD减小。5.应用块匹配和非参量置换检验改进了原始VBM算法,建立了鲁棒VBM算法。配准误差的存在、样本的稀缺和高斯假设的可行性不足是制约原始VBM算法性能的三个主要因素。所提出的鲁棒VBM算法利用块匹配有效减少了配准误差,并增加了样本量,而非参量置换检验的应用避免了高斯假设的引入。另外,exact值、聚类分析、~2多元统计量和基于重采样的多重检验校正被引入以优化算法性能。仿真数据实验结果显示所提方法有效减少了配准误差,同时在不同效应大小下均能显著提高统计检验的准确度。6.将上述四种算法实际应用于脑磁共振图像的处理和分析中。针对T_1加权磁共振图像去噪,CBM算法被证实可以在去噪过程中有效地保留图像中脑皮质区域的细小边缘结构。针对弥散加权图像去噪,XQ-BM算法被证实有效抑制了噪声扰动所引起的错误局部纤维方向。针对弥散加权图像的局部纤维方向估计,ODF精确估计方法被证实可以取得准确度高且一致性好的估计结果。通过在模拟航天员脑损伤真实数据中的应用,鲁棒VBM算法被证实可以在小样本下获得更为可信的统计检验结果。本文基于航空航天领域人机与环境工程的应用背景,提出和改进了四种基于块匹配的脑磁共振图像处理算法,相关研究成果对未来保障飞行人员的健康和安全有着重要的意义和作用。


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