磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）是一種無電離輻射的醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù),被廣泛應(yīng)用于臨床診斷的各個場景。近些年來,MRI領(lǐng)域有著諸多進(jìn)展與突破。各種新的成像方法,如正對比磁共振成像、心臟電影成像等,被相續(xù)提出,進(jìn)一步推動了MRI在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。然而,這些先進(jìn)的成像方法往往需要一些復(fù)雜的迭代重建算法來從采集信號中恢復(fù)出磁共振圖像。而另一方面,并行成像等快速磁共振成像方法的廣泛應(yīng)用,使得多通道線圈方法采集的數(shù)據(jù)集變大。結(jié)果造成了龐大的數(shù)據(jù)集和復(fù)雜的重建算法,使得整個重建任務(wù)計算量變大,重建計算變得更加耗費時間�，F(xiàn)代圖形處理器（Graphic Processing Unit,GPU）擁有多核多線程的特性,其計算力和帶寬都明顯超過用于處理一般任務(wù)的中央處理器。GPU的這些特性使得其特別適合處理那些可以被表達(dá)成數(shù)據(jù)并行的計算任務(wù)。本文基于GPU的這些特性,提出了一種多層次并行化的磁共振圖像重建方法,以減少圖像重建所需的時間,應(yīng)付臨床醫(yī)學(xué)中越來越迫切的能快速看到磁共振圖像這一需求。該方法是基于英偉達(dá)公司（NVIDIA Corporation）提供的統(tǒng)一設(shè)備... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)廣東省

【文章頁數(shù)】：55 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

沿主磁場B0方向以拉莫爾頻率共振進(jìn)動的氫質(zhì)子（Hodgson，2011）119

基于硬件加速的磁共振圖像重建研究2圖1.2氫質(zhì)子產(chǎn)生的磁化矢量在橫向射頻脈沖的作用下向xy平面偏轉(zhuǎn)（左），并最終變?yōu)樵趚y平面上進(jìn)動的橫向磁化矢量（右）（Hodgson，2011）120。Figure1.2Themagnetisationgeneratedbythehydrogenprotonisrotatedtothexyplane(left)bytheactionofatransverseradiofrequencypulse,andeventuallybecomesatransversemagnetisationprecessingonthexyplane(right)（Hodgson，2011）120.磁共振圖像重建問題可以被描述成：Axb...（1.1）其中A為MRI的編碼矩陣，在上述的簡單的例子中即為傅里葉變換；x為要重建出的磁共振圖像；b為K空間中采集到的數(shù)據(jù)。磁共振圖像重建過程即為一個求逆過程。MRI與其他醫(yī)學(xué)成像方法相比，有著無電離輻射，對人體沒有已知的副作用，軟組織對比度高，任意方向斷層成像，多參數(shù)成像等優(yōu)點，在臨床醫(yī)學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。然而，MRI得到圖像結(jié)果需要較長的掃描時間及較復(fù)雜的圖像重建計算過程，限制了其在部分臨床醫(yī)學(xué)場景中的應(yīng)用。1.1.2快速磁共振成像一般地，MRI掃描時間與采集的相位編碼行數(shù)成正比（Brown等.，2014）。通過減少采集的相位編碼行數(shù)，可加速圖像采集，進(jìn)而減少總的掃描時間。自上世紀(jì)90年代以來，MRI領(lǐng)域的研究者們一直嘗試通過欠采樣的方式來減少掃描時間，以實現(xiàn)快速磁共振成像。理想情況下MRI采樣的K空間具有共軛對稱性。若只采集K空間的一半，缺失的另一半通過共軛轉(zhuǎn)置計算出來進(jìn)行填充，就可以減少MRI掃描時間。利

基于硬件加速的磁共振圖像重建研究4偽隨機(jī)采樣，并利用L1范數(shù)約束的非線性優(yōu)化重建提高求解精度，可以在低于奈奎斯特采樣定理要求下采集相位編碼行而不產(chǎn)生圖像混疊，且其重建出的圖像信噪比不受幾何因子影響。由于現(xiàn)有的磁共振成像都是基于傅里葉變換的，其編碼矩陣不是完全隨機(jī)的，而又MRI的K空間信號強(qiáng)度是有特定分布規(guī)律的，因此壓縮感知MRI對K空間采樣有著一定的要求。盡管壓縮感知MRI在臨床應(yīng)用中能達(dá)到比并行成像更高的加速倍數(shù)（賈森，2019），但其應(yīng)用往往需要考慮到能與現(xiàn)有的廣泛使用的并行成像技術(shù)相結(jié)合（ZhangT等.，2014；Liang等.，2009）。1.1.3圖形處理器快速磁共振成像技術(shù)大大縮短了MRI掃描時間，為進(jìn)一步減少MRI等待的時間，使用圖形處理器（GraphicProcessingUnit，GPU）加速磁共振圖像重建得到廣泛關(guān)注。GPU是一種用來處理圖形和圖像相關(guān)任務(wù)的微處理器，在現(xiàn)代智能手機(jī)、平板、個人電腦、工作站上被廣泛使用。為應(yīng)對市場上大型三維游戲等應(yīng)用對計算需求的不斷增加，GPU的性能在一定的功率和體積的限制下也不斷的增長。如圖1.3（Natoli，2016）所示，近些年來，GPU的計算力和帶寬已經(jīng)遠(yuǎn)超過中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）。圖1.3近些年CPU與GPU的性能比較（Natoli，2016）。Figure1.3PerformancecomparisonofCPUandGPUinrecentyears（Natoli，2016）.CPU和GPU之間的浮點數(shù)計算能力的差異之所以如此巨大，是因為GPU是專門為了計算繁重的、高度并行計算的任務(wù)，即圖形渲染所設(shè)計的。GPU相較于CPU有著更多的計算單元，更少的控制單元，如圖1.4所示（NVIDIA，2017）。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于圖形處理器加速Wave-CAIPI重建的改進(jìn)共軛梯度法[J]. 蔡訪,丘志浪,蘇適,朱燕杰,王海峰,梁棟.  集成技術(shù). 2019(06)

博士論文
[1]快速高分辨率磁共振成像[D]. 賈森.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院) 2019



本文編號：3305758