磁共振电特性断层成像方法的仿真对比研究

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生物组织的电学性质反映了组织的结构、功能和病理状况。目前,已有大量文献证明将生物组织的电学性质作为成像标记物有重大的临床应用价值,人体病理过程伴随着组织电学性质的改变,尤其在组织癌变过程中,其电学性质改变较大。因此,通过电特性成像技术对生物组织内部的电特性分布进行映射成像,有望为疾病(尤其是癌症)的早期诊断提供极其有用的信息。磁共振电特性断层成像技术(Magnetic Resonance Electrical Property Tomography,MREPT)是继开端同轴线法和磁共振电阻抗断层成像技术之后发展起来的一种新兴的电特性成像技术。该技术由于其无创、无需外部电流注入、操作简单等优势在近年来引起了广泛的关注和研究。MREPT技术需要结合磁共振射频线圈、用于获取射频场分布的B1 mapping序列以及电特性重建方法来进行实现。近年来,对于MREPT重建方法的研究主要集中在3T及以上的场强,而生物组织的电学性质与其所处电磁场的频率高度相关,重建方法的重建性能可能会受到磁共振主磁场场强的影响,目前1.5T磁共振成像系统在临床中应用广泛,本文主要针对1.5T磁共振系统详细地研究了传统的电特性重建方法和基于梯度的仅相位电导率重建方法的重建性能及其本身限制对重建结果影响。对于传统的电特性重建方法,研究了收发相位假设误差、模型失效误差、有限差分核误差、体素大小、降噪策略对重建结果影响;对于基于梯度的仅相位电导率重建方法,对比了传统的电特性重建方法,且分析了算法中扩散项和边界条件对重建结果的影响。本文的工作将为下一步实际的临床实验提供一定的参考,为推动电特性断层成像技术在1.5T磁共振系统下的实用化进程提供理论指导和技术支持。为了进行上述研究,在电磁仿真软件Sim4Life上对射频线圈进行仿真,并在射频线圈中加载均一体膜、非均一体膜以及人体头部模型,用以获取不同被试对象内部的理想射频场分布,根据所得的射频场分布信息进行重建并分析。实验结果表明,对于传统的电特性重建算法,在1.5T下收发相位假设误差对其影响较小,绝对相位误差的标准差在0.611°到1.1241°之间,对重建结果的影响较小可忽略不计;模型失效误差对其重建结果影响较大,生物组织电特性随空间位置的细微变化也会引起极大的误差;有限差分核误差实验结果表明,有限差分核对噪声十分敏感,当SNR从100dB减少到50dB时,K3和K5卷积核重建结果中的相对误差小于30%的像素占比((1<30%)分别从67.33%和89.99%降低到0.32%和1.33%,而降噪策略可以有效的改善重建质量,对于K3卷积核在SNR=75dB时降噪方法可使(1<30%从6.16%提升到80.05%,此外还发现大的有限差分核对噪声更具鲁棒性,但会引起更严重的边界伪影,当SNR=∞时随着体素的增加,K3和K5卷积核的(1<30%从93.25%和90.07%降低到90.02%和83.88%。对于基于梯度的仅相位电导率重建方法,在对复杂结构的组织如人脑的重建中,该方法相对于传统方法展现了其优越的重建性能,成功地解决了传统方法中边界伪影的问题,整体重建精度远远高于传统方法,且其对噪声更具鲁棒性。
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