基于压缩感知的核磁共振成像重建技术研究

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1、分类号：TM15密级：编号：UDC：河北工业大学博士学位论文基于压缩感知的核磁共振成像重建技术研究论文作者：李国燕学科门类：工学指导教师：顾军华学生类别：全日制学科专业：电气工程职称：教授本课题是在河北省自然科学基金项目F2010000142和天津市自然科学基金项目11JCZDJC15700资助下完成的。 DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheDoctorDegreeofElectricalEngineeringTHERESEARCHOFT

2、HEMAGNETICRESONANCEIMAGINGRECONSTRUCTIONBASEDONCOMPRESSEDSENSINGbyLiGuoyanSupervisor:Prof.GuJunhuaMay2013ThisworksupportedbytheNaturalScienceFoundationofHebeiProvinceunderGrantNo.F2010000142andtheNaturalScienceFoundationofTianjinunderGrantNo.11JCZDJC15700. 原创

3、性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：2013.6.9关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有

4、权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：2013.6.9日期：2013.6.13导师签名： 摘要核磁共振成像作为一种极其重要的医学成像技术，具有对病灶诊断精确、对人体安全性高等优点，但是较长的数据采集时间成为其广泛应用的瓶颈。因此，在保证成像质量的前提下，探索一种新的快速成像方法迫在眉睫。压缩感知作为一种全新的信号采样理论，针

5、对稀疏信号或可压缩信号，可以在采样数量远少于传统采样方式的情况下精确地恢复出原始信号，这就为核磁共振图像的快速获取提供了一种新的思路。因此，本文在深入研究了压缩感知、核磁共振成像的相关理论之后，对基于压缩感知的核磁共振成像重建技术进行了研究，主要工作和创新包括以下几个方面：（1）针对传统欠采样方式造成的图像混叠伪影问题，研究了几种常用的采样轨迹，考虑到图像的高频部分只包含较少的能量，能量主要集中于低频部分的特点，提出了一种基于变密度的笛卡尔随机采样方式。实验结果表明，该采样方式在基于压缩感知的核磁共振成像中取得了

6、良好的效果，有效地降低了图像的混叠伪影问题。（2）针对传统二维小波变换不能对核磁共振图像提供最优表示的问题，研究了基于多尺度几何分析的剪切波理论，提出了一种新的基于离散剪切波变换的核磁共振图像稀疏表示方法。实验验证了离散剪切波变换重建的准确性以及稀疏性；与小波变换相比，离散剪切波变换在保留系数为1%，相同采样率的情况下，重建图像的结构化相似度值平均优于小波变换0.06，具有更高的重建精度，更有利于保留图像的边缘和纹理信息。（3）针对信号重建过程中算法复杂度高、不利于实时处理的问题，提出了一种基于FPGA硬件平台的

7、内点法设计。将计算量最大的线性方程组的求解进行了改进，选用内在并行性高的共轭梯度算法完成主要的运算，进而提出了FPGA实现的总体设计和分模块设计方案，并着重设计了并行度高、计算密集的矩阵-向量乘模块。并行化和流水的协处理器有效的利用了算法内在的并行性和FPGA本身的并行结构，提高了整个系统的处理速度。仿真实验证明，该系统资源耗费少，硬件加速比可达21倍。（4）针对基于压缩感知理论的核磁共振成像重建算法包含大量的浮点运算，重建所花费的时间要远远大于傅里叶正反变换重建的问题。基于GPU强大的并行处理能力，利用JACK

8、ET技术对正交匹配追踪算法进行了并行化设计与实现。实验结果表明，图像大小为10242时，算法移植到GPU平台获得最大的性能加速比，单精度浮点计算和双精度浮点计算分别获得49和24倍的加速。关键字：压缩感知理论,核磁共振成像,采样方式,离散剪切波,JACKET技术I ABSTRACTMagneticresonanceimagingasanextremelyimportant