94學年度大學部專題-頻域對位法 (作者：謝宗霖)
由於技術的進步, MRI心臟影像在近年來開始被廣為使用，做為臨床上冠狀動脈疾病及心肌存活率診斷的依據。心臟隨著心跳週期進行收縮舒張的運動並且隨著呼吸週期跟隨著橫隔膜的位置而移動。這兩項生理週期的運動以及心肺邊緣的磁場不均勻限制了心臟磁振造影的發展。一般在擷取MRI 心臟影像時會配合心電圖(ECG)的量測以決定擷取心臟影像的時機，在連續掃描時，可用來確定心肌收縮程度一致。另外一方面若所使用的取像序列時間較長，則掃描時需要病人閉氣以確保心臟在掃描過程的位置一致。但是病人閉氣的時間的長短(~15s)依然限制了總掃描時間，在某些特殊的情況下(病情嚴重、肺活量不足)，病人甚至無法順利完成閉氣的動作。
本研究將利用頻域對位法，去偵測在連續掃描的心肌影像之間的位移，藉由頻域影像對位配合若干判斷準則去找出掃描間心臟因呼吸韻律所造成的位移，進而修正影像位移或找出相同位置的影像。我們利用此法展示利用在”自由呼吸”下取得的連續掃描心肌影像，在對位後將所有影像平均以得到高信雜比(SNR)的心肌磁振造影。
影像對位方法
假設只考慮兩個影像的相對位移，可將影像經由傅立葉轉換(Fourier Tramsform)後得到兩者的頻譜圖，根據下列式子(f1為位移前影像，f2是位移後之影像)：
由上式可知反傅立葉轉換後其最大特徵值的位置座標即是兩個影像的相對位移量。除此之外，我們更增加了幾項準則以提高頻域對位法的準確性。第一，若最大特徵值的位置座標是兩個影像的相對位移量，即位置上的區塊圖和原圖相似，那麼資料第二大特徵值的座標位置上之區塊圖和原圖也是會有某種程度上的相似。因此我取得五個最大值位置對應的影像與原影像相比較，以提高位置校對的正確率。第二、考慮臨床應用下，心肌的位移量在一定的範圍內才加以修正對位，若因受試者產生深度呼吸而形成心肌的大量位移，則將該次量測捨棄而不加以對位。
受試者在自由的呼吸下接受100張心肌磁振造影的連續掃描。其結果存為dicom格式後，轉存至個人電腦進行對位平均的工作。
下圖說明了頻域對位法對於心肌影像擷取上的功用。由左至右依序為(1)原始影像，(2)平均影像以及(3)對位後之平均影像。我們可以清楚的發現平均影像中的心肌亮度較為平均前均勻許多，這是因為SNR增加的原因。另外經由頻域對位法對位之後，平均影像明顯較為銳利。頻域對位法的成功運算，讓心肌在影像序列中排列在同樣的位置，所以增進了影像的銳利度。
由左至右依序為(1)原始影像，(2)平均影像以及(3)對位後之平均影像
更定量的來看，下圖所顯示的是影像序列的標準差，在影像成功的對位時(左圖)，影像中的標準差明顯比未對位前(右圖)下降許多，也可以證明頻域影像對位法的運算成功。
(左圖)對位後的標準差，(右圖)對位前的標準差
本研究的目的在於應用頻域影像對位法於磁振造影的心肌影像品質改善。於演算法的發展過程中，我們發現頻域對位法對於低對比影像的對位能力較差，其實這種情況也是我們所能預見的，因為對比較小的影像其各個頻率的所代表的特徵值其大小會相當的接近；而頻域對位法卻只認為最大特徵值對應的圖形區塊是與樣本圖最接近的區塊，完全忽略了其他比最大特徵值略小的特徵值，然而事實上可能因為影像相當複雜導致真正的位移量就藏在其他特徵值的座標中。
爲了改善上述缺點，我們可以取用多個較大特徵值座標相對應的影像與樣本圖做影像相減，再將相減結果最小的影像所對應的位移量為正確的位移量(法則一)。由實驗結果我們發現了另一個問題：在擷取心肌影像時可能由於截取影像的時機錯誤或是病人不自覺得使用了深度的呼吸，使得心肌位移過大，引發程式的校位錯誤。因此我們提出法則二，把位移量過多的影像捨去。當然這是一個消極的方法，不過如果影像的數量極多的話，捨去幾張不完美的影像對於平均影像的影響將是很微小而且是可以接受的。
我們的實驗結果證明，頻域對位法有效的將心肌的位移偵測出來並加以修正。對位平均後的影像擁有接近原始影像的銳利度但擁有更高的SNR, 增進了影像的品質。總而言之，我們認為頻域影像對位法是一個可靠且運算簡單的方法，可用於磁振造影的心肌影像品質的提升。未來我們將根據這個研究為出發點再進一步探討頻域對位法，在不同對比的影像中應用的可能性。
Recent Comments