[发明专利]基于结构先验信息的人体心脏左心室扩散张量估计方法

摘要

本发明涉及心脏磁共振扩散张量成像信号处理技术领域，具体涉及一种基于结构先验信息的人体心脏左心室扩散张量估计方法，首先采用经典方法估计初始扩散张量，并根据初始扩散张量估计结果拟合得到先验纤维走向，然后构造基于邻域张量平滑限制和先验纤维走向限制的目标函数，最后求解带正定限制的目标函数最小化问题，从而得到扩散张量的估计结果。估计结果更加符合实际，准确性更高；能够有效的提高人体心脏左心室扩散张量估计的准确性，与经典的线性最小二乘方法相比，本发明方法估计得到的扩散张量的主特征方向(主扩散方向)准确性提高了约31％，扩散各向异性提高了约14％。

主权项

1.一种基于结构先验信息的人体心脏左心室扩散张量估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：估计初始扩散张量：采用线性最小二乘法估计得到每个体素的初始扩散张量D_LLS，并采用特征值分解法得到每个体素的初始主扩散方向d_LLS；

步骤2：对于每层左心室短轴切片，计算每个体素的先验纤维走向V_f；

步骤3：构造基于邻域张量平滑限制和先验纤维走向限制的目标函数；

步骤4：求解带正定限制的目标函数最小化问题，获得扩散张量的估计值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

1)根据每个体素的初始主扩散方向，计算其对应的俯仰角，选取俯仰角的绝对值小于10度的点拟合一个椭圆Ω；

2)计算每个体素p到椭圆Ω的距离d_p，如果p在椭圆Ω外，则定义其到椭圆Ω的距离为负值，即‑d_p；

3)计算每个体素的初始主扩散方向对应的螺旋角，对所有体素到椭圆Ω的距离d_p和对应螺旋角进行线性拟合，得到每个体素的螺旋角的拟合值；

4)令所有体素对应的横向角为0度，将螺旋角的拟合值和横向角转换为向量表示的纤维走向V_f，即获得每个体素的先验纤维走向V_f。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中所构造的目标函数形式如下：

其中，S₀为无扩散加权信号；S_i为第i个扩散梯度方向的扩散加权信号；N为扩散加权梯度方向数量；g_i为第i个扩散梯度方向；D为扩散张量；d为扩散张量D的向量表示；V_m为扩散张量D的主特征向量，即主扩散方向；α和β为两正则化参数，α的取值范围为8～120，β的取值范围为0.05～0.15；REG₁和REG₂分别为两正则化项，其定义如下：给定某体素p，则，

其中，q为p的3×3×3邻域U_p内的体素；加权因子w_pq＝||p‑q||₂为体素p和q之间的欧氏距离；为加权因子之和；H为一N×6矩阵，其第i行定义为：

其中，g_ix，g_iy和g_iz分别为第i个扩散梯度方向g_i的三个分量，即g_i＝[g_ix，g_iy，g_iz]^T，b为扩散敏感因子；

其中V_f为步骤2所得到先验纤维走向。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤4中求解的目标函数最小化问题如下：

arg min{f(D)}s.t.λ₁＞0，λ₂＞0，λ₃＞0    (5)

其中，λ₁，λ₂和λ₃分别为扩散张量D的三个特征值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标函数最小化问题通过如下步骤求解：

1)对目标函数f(D)的形式进行变换：

根据特征值分解，将扩散张量D表示为如下形式：

其中，V₁，V₂，V₃为扩散张量D的三个特征向量；λ₁，λ₂，λ₃分别为扩散张量D的三个特征值；在球坐标系统下，单位向量V₁表示为如下形式：

其中，θ和分别为极角和方位角；

构造任意单位向量V_t满足即V_t⊥V₁，则特征向量V₂可以表示为：

V₂＝T(V₁，ω)V_t    (8)

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