一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法技术

本发明专利技术提出了一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法。先计算幅值为1，相位为真实相位的复向量相位局部偏差图，再计算缠绕相位的相位局部偏差图；然后把感兴趣区域内像素分成不连通块和残余像素两类；再识别出任一不连通块内是否含有缠绕，若存在，则对该不连通块进行块内相位解缠绕：先把该不连通块分成不连通子块和残余像素两类，优先进行不连通子块之间的相位解缠绕，然后对残余像素相位解缠绕；最后进行掩膜内相位解缠绕：合并感兴趣内不连通块，再利用解缠绕后的不连通块来对感兴趣区域内的残余像素解缠绕。本发明专利技术能更加准确地把感兴趣区内真实相位变化较快的像素和缠绕相位变化较快的像素分别提取出来，从而可以更加可靠地实现相位的解缠绕。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁共振相位解缠绕
，尤其是涉及一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法。
技术介绍
磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)，由于其无电离辐射、能够获得丰富的组织对比度信息以及具有非入侵式检测等优点，已广泛应用于临床医学影像检查。人们获得磁共振成像数据是复数，由幅值和相位组成。通常情况下，幅值图像得到大量应用，而相位信息则被丢弃。然而，相位信息有一些非常重要的临床应用需求，如化学位移成像，磁敏感度成像，磁共振血管造影成像中的血液流速测量，人脑相位成像等。然而，获得真实相位图像不是一件容易的事情。这是因为获得的相位仅仅被定义在区间(-π,π]。如果真实相位值不在这个区间内，那么它将被缠绕到这个区间，引起相位混叠。这也就是文献中所谓的相位缠绕，因此获得相位也被称为缠绕相位。真实相位与缠绕相位的差为2kπ，k为整数，可以定位为如下形式：这里，φ(x,y)和分别表示位于空间位置(x,y)处的真实相位和缠绕相位。尽管真实相位无法获取，除非获得额外的信息，然而在对获得相位信息做进一步处理之前，通常需要相位解缠绕操作。许多学科需要解决相位缠绕问题，如光学，孔径雷达和磁共振成像等。然而，这不是一个容易的任务，尤其是对于二维及以上的数据。在过去的很多年里，很多相位解缠绕算法得到提出和发展。如，路径追踪；代价函数优化方案；马尔科夫随机场算法；最小二乘方法；最小生成树方法；使用泊松等式解缠绕等。以上提及的大多数算法中，通常假设相邻像素真实相位差小于π，如果该假设得到满足，就很容易得到平滑的解缠绕相位图像。但是当缠绕相位含有严重的噪声、快速相位变换或不连通区域时，这些方法就很难获得较优的解缠绕结果。除了前面提到的方法，Hock Lim提出了基于平面拟合的相位解缠绕方法。该方法首先起始于一个种子点，相位值较平滑区域像素被选为种子点，来保证局部像素解缠绕的可靠性。通常情况下，该方法能够获得合理的解缠绕图像。然而，当它遭遇到严重噪声和快速相位变换时，它可能会失败。这是因为它只沿着相位平面的梯度方向解缠绕。在此基础上，Zhu提出了有质量引导的平面拟合相位解缠绕算法，它使用相位偏差变化作为质量图。近来，Zhou提出了一种结合区域增长技术和局部平面拟合方案来估计相位的算法。该方法使用二阶相位偏导数变化作为质量图。后两种方法增加了平面拟合方法的鲁棒性。然而，这些方法都是逐像素处理，只考虑了局部平面相关性，并且可能把局部误差累积为全局误差，解缠绕结果可能是次优的。Strand提出了一种块最小二乘的方法，该方法把输入图像直接分成小的矩形块。该方法认为每一矩形块内的真实相位值都在区间(a,b]，且|b-a|<2π。然后，每一个子图通过在一个复平面上的简单旋转、缠绕和反旋转操作组合来解缠绕。最后使用最小二乘拟合方法合并已解缠绕的块。由于该方法是逐块解缠绕，速度得到了很大提高。然而，必须保证任一矩形块内最多存在一个缠绕，且对有较大梯度变化和较强噪声的缠绕相位图像不具有较好鲁棒性。在分块解缠绕方法中，代价函数法也可以用来解决区域合并边界问题。通常情况下，代价函数法会获得全局最小。但当遭遇严重噪声污染或2π跳转时，可能获得次优解，在结果图像中出现残余缠绕。
技术实现思路
本专利技术旨在克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法，利用从磁共振成像中得到的额外信息能够使得提出方法能够很好的适合磁共振相位数据解缠绕。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法，包括如下步骤：①计算幅值为1，相位为真实相位的向量的相位局部偏差图；②计算缠绕相位的相位局部偏差图；③根据步骤①计算得到的真实相位的向量的相位局部偏差图，采用阈值法把感兴趣区内像素分成不连通块和残余像素两类；④用阈值法作用于由步骤②中缠绕相位的相位局部偏差图识别出具有相位缠绕的不连通块后，再把这些不连通块分成平滑的不连通子块和残余像素两类；⑤不连通块内相位解缠绕：利用局部多项式曲面拟合方法优先进行不连通子块之间的相位解缠绕，然后用解缠绕后的不连通子块来对残余像素相位解缠绕；⑥掩膜内相位解缠绕：当所有存在相位缠绕的不连通块都完成了解缠绕，再利用局部多项式曲面拟合方法优先进行不连通块之间的相位解缠绕，然后再利用解缠绕后的不连通块来对剩余残余像素相位解缠绕。进一步，步骤③中，每一个不连通块的真实相位变化平滑，而残余像素的真实相位变化比不连通块的真实相位变化快。进一步，所述步骤④中，每一个不连通子块内的相位变化平滑，无缠绕存在，而残余像素的相位则变化较剧烈，有缠绕存在。进一步，所述步骤③和④中，把感兴趣区域分成不连通块和子块的阈值具有相同大小的特征。进一步，所述步骤⑤中的不连通块内若被识别出含有缠绕，先利用局部曲面拟合方法对不连通子块进行解缠绕合并，再利用合并后的不连通子块进行残余像素相位解缠绕；利用局部曲面拟合方法对不连通子块的解缠绕合并的方法具体为：步骤a，选择起始块，像素个数最多的不连通子块被选为起始块，起始块内相位被认为已经解缠绕；步骤b，选择生长块，下一个将要被解缠绕的子块被命名为生长块，生长块内任一像素具有相同的相位补偿2kπ，k为整数；在确定生长块之前，计算起始块与任一未解缠绕子块两者之间的边沿欧式距离与中心欧式距离之和，这两类距离的权重是9:1；距离最小的不连通子块被选为生长块；步骤c，根据局部多项式曲面拟合方法合并起始块和生长块为新的起始块；步骤d，根据所选取像素的相位和位于设定区间内的整数k进行曲面拟合，选取使得拟合误差最小的k为最优整数补偿。进一步，步骤c中，合并起始块和生长块为新的起始块的方法为：假设解缠绕后的起始块与生长块内的相位可以被拟合为一平滑曲面，分别选取位于生长块和已解缠绕区域内相互最临近的n个像素参加曲面拟合，同时假设生长块的整数补偿k的选取范围为一个较小的整数范围。进一步，所述步骤⑤中利用局部曲面拟合方法对残余像素解缠绕的方法具体为：步骤a，选择生长点，待解缠绕残余像素中，最靠近已解缠绕区域的像素被选为生长点，如果有多个待解缠绕的残余像素距离已解缠绕区域的距离相同，则选择LD-TR值最小的残余像素作为生长点；步骤b，选择曲面拟合窗的大小，通过对圆形仿真数据集解缠绕实验，所有试验的拟合窗设定为19×19；步骤c，根据局部多项式曲面拟合方法把已解缠绕区域和解缠绕后的生长点合并为新的已解缠绕区域，在拟合窗内，假设已解缠绕像素的真实相位可以被拟合为一平滑局部多项式曲面，真实相位值可由拟合的局部多项式曲面去接近估计；在拟合窗内，假设在生长点的周围有P个已解缠绕像素，如下式： Φ = X c ^ + E ]]>上式中，Φ是这P个已解缠绕像素的相位值构成的列向量，X是一个P×(M+1)(N+1)的矩阵，每一行是由每一个已解缠绕像素的多项式基构成，是含有多项式系数的列向量，E是含有残余误差的列向量，使用最小二乘方法可以求系数矩阵然后，生长点的解缠绕相位可以估计为： φ ^ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法，其特征在于，包括如下步骤：①计算掩膜，和幅值为1，相位为真实相位的复向量，并计算该向量的相位局部偏差图LD‑TR；②计算获得的缠绕相位的相位局部偏差图LD‑TW；③根据步骤①计算得到的LD‑TR，利用阈值T1把感兴趣区内像素分成真实相位平滑的不连通块和真实相位快速变化的残余像素两类；④利用阈值T2作用于由步骤②计算得到LD‑TW来识别任一不连通块内是否含有缠绕，若存在，则把该不连通块分成缠绕相位平滑的不连通子块和缠绕相位快速变化的残余像素两类；⑤不连通块内相位解缠绕：利用局部多项式曲面拟合方法优先进行不连通子块之间的相位解缠绕，然后用解缠绕后的不连通子块来对残余像素相位解缠绕；⑥掩膜内相位解缠绕：当所有存在相位缠绕的不连通块都完成了块内解缠绕，再利用局部多项式曲面拟合方法优先进行不连通块之间的解缠绕，然后再利用解缠绕后的不连通块来对剩余残余像素解缠绕。

【技术特征摘要】
1.一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法，其特征在于，包括如下步骤：①计算掩膜，和幅值为1，相位为真实相位的复向量，并计算该向量的相位局部偏差图LD-TR；②计算获得的缠绕相位的相位局部偏差图LD-TW；③根据步骤①计算得到的LD-TR，利用阈值T1把感兴趣区内像素分成真实相位平滑的不连通块和真实相位快速变化的残余像素两类；④利用阈值T2作用于由步骤②计算得到LD-TW来识别任一不连通块内是否含有缠绕，若存在，则把该不连通块分成缠绕相位平滑的不连通子块和缠绕相位快速变化的残余像素两类；⑤不连通块内相位解缠绕：利用局部多项式曲面拟合方法优先进行不连通子块之间的相位解缠绕，然后用解缠绕后的不连通子块来对残余像素相位解缠绕；⑥掩膜内相位解缠绕：当所有存在相位缠绕的不连通块都完成了块内解缠绕，再利用局部多项式曲面拟合方法优先进行不连通块之间的解缠绕，然后再利用解缠绕后的不连通块来对剩余残余像素解缠绕。2.根据权利要求1所述的一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法，其特征在于：步骤③中，每一个不连通块内的真实相位变化平滑，残余像素的真实相位变化较快，且残余像素通常位于组织边沿。3.根据权利要求1所述的一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法，其特征在于：所述步骤④中，每一个不连通子块内的相位变化平滑，无缠绕存在，而残余像素的相位则变化较剧烈，且包含缠绕附近的像素。4.根据权利要求1所述的一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法，其特征在于：所述步骤③和④中，阈值T1和阈值T2具有相同大小的特征。5.根据权利要求1所述的一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法，其特征在于：所述步骤⑤中的任意不连通块内若被识别出含有缠绕，先利用局部曲面拟合方法对该块内不连通子块进行解缠绕，再利用合并后的不连通子块进行残余像素相位解缠绕；其中，利用局部曲面拟合方法对不连通子块解缠绕的方法具体为：步骤a，选择起始块，像素个数最多的不连通子块被选为起始块，起始块内相位被认为已解缠绕；步骤b，选择生长块，下一个将要被解缠绕的子块被命名为生长块，生长块内任一像素具有相同的相位补偿2kπ，k为整数；在确定生长块之前，计算起始块与任一未解缠绕子块两者之间的边沿欧式距离与中心欧式距离之和，这两类距离的权重比例是9:1；距离最小的不连通子块被选为生长块；步骤c，根据局部多项式曲面拟合方法合并起始块和生长块为新的起始块；步骤d，根据所选取像素的相位和位于设定区间内的整数k进行曲面拟合，选取使得拟合误差最小的k为最优整数补偿。6.根据权利要求5所述的一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法，其特征在于：步骤c中，合并起始块和生长块为新的起始块的方法为：假设解缠绕后的起始块与生长块内的相位可以拟合为一平滑曲面，分别选取位于生长块和起始块内相互最临近的n个像素参加曲面拟合，同时假设生长块的整数补偿k的选取范围为一个较小的整数范围。7.根据权利要求1所述的一种基于像素分类和局部曲面拟合的磁共振相位解缠绕方法，其特征在于：所述步骤⑤中利用局部曲面拟合方法对残余像素解缠绕的方法具体为：步骤a，选择生长点，待解缠绕残余像素中，最靠近已解缠绕区域的像素被选为生长点，如果有...

【专利技术属性】
技术研发人员：程军营，刘镖水，冯衍秋，陈武凡，
申请(专利权)人：南方医科大学，
类型：发明
国别省市：广东;44