Параллельная реконструкция изображений в магнитно-резонансной томографии

• Автор: Серёгин, Павел Сергеевич
• Шифр специальности: 05.11.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 150 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ МР Г-СИСТЕМ И ПРИНЦИПОВ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
1.1. Краткий исторический ракурс теории параллельной реконструкции МРТ-изображений
1.2. Обзор и классификация МРТ-еистем
1.3. Основные технические характеристики МРТ-систем
1.4. Импульсные последовательности и их влияние на качество изображения
1.5. Принципы построения МРТ-изображений
1.6. Обзор тестовых объектов для проведения МРТ
1.7. Постановка задачи
1.8 Выводы по главе
2. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В МРТ
2.1. Исследование программных библиотек для реконструкции и обработки МРТ-изображений
2.2. Генерирование многоканальных тестовых изображений
2.3. Исследование основных методов параллельной реконструкции МРТ-изображений
2.5. Разработка математических моделей и метода параллельной реконструкции МРТ-изображений
2.6. Разработка алгоритма параллельной реконс трукции МРТ-изображений
2.7. Оценка погрешности метода параллельной реконструкции МРТ-изображеппп
2.8. Основные результаты и выводы
3. РАЗРАБОТКА ПРИЕМНОЙ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ МРТ
3.1. Разработка приемного тракта МР-сигналов
3.2. Ввод данных в ЭВМ
3.3. Основные результаты и выводы
4. РЕКОНСТРУКЦИЯ МРТ-ИЗОБРАЖЕНИЙ НА МНОГОПРОЦЕССОРНОЙ СИС ТЕМЕ
4.1. Исследование пакета программ Gadgetron
4.2. Реализация алгоритма параллельной реконструкции на основе графического процессора
4.3. 'Тестирование производительности реконструкции с использованием графического процессора
4.4. Основные результаты и выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Библиографический список
Приложение 1. Листинг программы rccon_Spacc_rip.m
Приложение 2. Листинг программы spacerip_CS.ni
Приложение 3. Свидетельства о государственной регистрации
Приложение 4. Акты внедрений и испытаний
Приложение 5. Укладка и позиционирование фантома для тестовых МР Т исследований
ВВЕДЕНИИ
Актуальность темы. Магнитно-резонансная томография (МРТ) является современным и быстроразвивающимся методом медицинской визуализации наравне с рентгеновской компьютерной томографией и УЗИ. МРТ дает возможность более точно определить характер очаговых поражений органов (например, дифференцировать очаги в печени), а также топологию онкологического образования. На фотографии 1.1 показаны изображения, полученные при проведении рентгеновской компьютерной и магнитно-резонансной томографии.
ir "Л

: з »

I: v А

Фогофафия 1.1. Сравнение компьютерной (А, В) и магнитно-резонансной (Б, Г) томографии

В отличие от рентгена и рентгеновской компьютерной томографии, МРТ не оказывает ионизирующего воздействия на организм, поэтому ее развитию уделяют большое значение.
Концепция базовых принципов МРТ была изложена в 1960 году советским ученым В.А.Ивановым. Однако за последние несколько десятилетий MPT-сканеры и методы реконструкции изображения, лежащие в основе работы MPT-систем, бурно и стремительно развивались. Профессором К. Пруессманном (Чехия) и другими исследователями была открыта возможность использования многоканальных приемных систем и параллельных алгоритмов реконструкции для сокращения числа циклов фазового кодирования при построении MPT-изображений (это позволяет существенно сократить время сбора данных при МРТ-сканировании). Позднее появилось множество методов параллельной реконструкции изображений МРТ, наиболее известными из них являются:
-SENSE. Предложен в 1998 году К. Пруессманном (Чехия) и др. [74];
- SPACE-RIP. Предложен в 2000 году В.Е. Кайриакос (США) и др. [81J;
- GRAPPA. Предложен в 2002 году М.А. Грисволд (Германия) и др. [24];
Недостатком базовых методов параллельной реконструкции является их низкая эффективность при работе с высокими степенями акселерации. Несмотря на это, даже при низких степенях акселерации удается значительно (в 2-3 раза) сократить время сбора данных по сравнению с применением классического двумерного преобразования Фурье.
Обзор используемых MPT-сканеров в России, приведенный в работе, показал, что наиболее распространенными являются томографы с напряженностью поля 1 Тесла. Большинству MPT-сканеров данного класса присущи следующие недостатки:
- длительное время сканирования, которое плохо переносят тяжелобольные пациенты и дети;
- неудовлетворительное соотношение сигнал/шум при исследовании с использованием быстрых импульсных последовательностей (например,
Библиотека может работать как с экспериментальными данными, так и с фантомными изображениями. Более подробно работа с данной библиотекой будет проводиться для оценки погрешностей в главе 4.
Одним из важнейших тестовых изображений, применяющихся в практической деятельности, является фантом Шеппа — Логана. Общий вид фантома Шеппа — Логана представлен на рис. 2.3 [ 101.
На рис. 2.3 видно, что фантом можно описать совокупностью эллипсов, ориентированных по отношению к выбранной системе отсчета под разными углами. При этом плотность вещества в пределах каждого из эллипсов можно считать постоянной величиной. В таком случае плотность изображения для фантома, состоящего из И эллипсов, будет иметь следующий вид:
где >' — радиус-вектор в системе отсчета, связанной с фантомом,
ограниченная эллипсом, и значение плотности в ней соответственно.
Как видно из (2.5) и (2.7), основной особенностью генерации фантома Шеппа — Логана будет выполнение преобразования Фурье кусочнопостоянной функции плотности с учетом геометрии ограничений,
2.2. Генерирование многоканальных тестовых изображений
Рис. 2.3. Фантом Шеппа — Логана
(2.7)
описывающий положение точки на плоскости; ^ — область,