磁共振弥散加权成像数学模型的对比研究
摘 要为了对比分析1.5T和3.0T两种不同场强下，单指数模型、双指数模型、统计模型、峭度模型和拉伸指数模型中哪个数学模型最适合拟合正常前列腺中央区的磁共振弥散加权信号，本毕设对弥散加权成像的各数学模型进行了深入的研究。本文中数据来源于1.5T高场强磁共振成像仪和3.0T超高场强磁共振成像仪扫描的没有病变的前列腺弥散加权图像，使用Ginkgo CADx软件提取弥散加权图像的信号强度值和b值，将提取的数据输入MATLAB软件中，调用数学模型拟合函数处理后得到两种不同场强下各数学模型的拟合曲线、调整后的拟合优度值（Adjusted R-square）、表面扩散系数（ADC）值以及其他一些参数值。对结果进行分析后发现：低b值时，磁共振弥散加权信号的衰减速率与磁共振成像仪主磁体的场强大小成正相关；高b值时，磁共振弥散加权信号的衰减速率趋于0。1.5T和3.0T场强下最适合进行前列腺磁共振弥散加权信号拟合的数学模型都是双指数模型，单指数模型在两种场强下拟合前列腺磁共振弥散加权信号的效果都不如其他数学模型的效果好。两种场强下，峭度模型和统计模型对于磁共振弥散加权信号的拟合效果一致。由此可以将数学模型对比分析后得到的结论应用于前列腺疾病的诊断，提高医疗诊断的效率和精确性！
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的和意义 2
1.3 研究现状 2
1.4本文的研究内容 3
第2章 磁共振成像工作原理 5
2.1 磁共振成像仪 5
2.1.1磁共振成像仪的组成 5
2.1.2 主流的磁共振成像仪及其生产商 6
2.2 磁共振成像技术的工作原理 7
2.3 磁共振弥散加权成像技术的工作原理 12
2.4 本章小结 14
第3章 实验数据处理方法 15
3.1 数据采集 15
3.1.1 Ginkgo CADx软件的应用 15
3.1.2 实验数据采集方法 15
3.2 数学模型的搭建 17
3.2.1 单指
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
数模型的扩散加权成像 17
3.2.2 双指数模型的扩散加权成像 18
3.2.3 统计模型的扩散加权成像 18
3.2.4 峭度模型的扩散加权成像 18
3.2.5 拉伸指数模型的扩散加权成像 19
3.3 数据处理 19
3.3.1 MATLAB软件的应用 19
3.3.2 MATLAB中数据分析界面 19
3.4 本章小结 21
第4章 结果与结论 22
4.1 数据处理结果 22
4.1.1 数据拟合曲线 22
4.1.2 各模型拟合优度值 24
4.1.3 数学模型中各参数数值 24
4.2 结果分析 24
4.1.2 拟合曲线的对比分析 24
4.2.2 拟合优度值的对比分析 25
4.2.3 数学模型中各参数的对比分析 26
4.3 结论 27
4.4 本章小结 27
总结与展望 29
总结 29
展望 29
致 谢 31
参考文献 32
附 录 35
附录A 数学模型拟合函数代码 35
附录B 英文文献原文 38
附录C 英文翻译 50
第1章 绪论
前列腺癌已经成为中老年男性最常见的疾病，尤其是在西方国家。随着科技的发展，前列腺疾病的诊断已经由最初的直肠指检发展到功能性磁共振成像，如DWI、SWI等。利用数学建模，构建弥散加权图像的数学模型来分析病患的医学影像有助于医生对疾病类型和症状的判断，具有研究意义和价值。
1.1 研究背景
前列腺癌是中老年男性最常见的疾病之一，根据美国癌症协会的统计[1]，2013年全年前列腺癌的新增病例为238590例，增长率为28%，在所有癌症发病率排行榜中位列第一；而前列腺癌的死亡病例为29720例，死亡率为10%，在所有癌症死亡率排行榜上位列第二。由此可见，随着医疗技术的进步和人类寿命的延长，前列腺癌的检出率和发病率都在不断增加。
这些年来，随着科学技术的发展，前列腺疾病的诊断方式已经从传统的直肠指检[2]、前列腺特异性抗原（prostatespecific antigen，PSA）[3]、B超以及经直肠前列腺超声[4]等方式发展到使用功能性磁共振成像（functional MRI）[5]方式诊断，如弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）[6]、弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）[7]、磁共振波谱[8]（magnetic resonance spectroscopy，MRS）等。弥散加权成像已经被证实了能够提高前列腺癌的检出率[9]，由此被普遍应用于临床检查和科学研究领域。
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI），是由美国人F.Bloch和E.Purcell在1946年同时独立发现的，为此被授予了1952年的诺贝尔物理学奖[10]。1973年美国化学家Lauterbur发现了磁共振成像技术，使得核磁共振技术不仅仅在物理学和化学领域应用，而是突破性地应用于临床医学领域，到现今磁共振成像技术已经在医学界应用了40多余年，为此Lauterbur被授予了2003年的诺贝尔生理学或医学奖。近年来，核磁共振成像技术已经得到了突飞猛进的进步和发展，并日益趋于成熟和完善!
与计算机断层成像（CT）检查相比，磁共振成像检查的价格相对来说要贵的多；此外接受磁共振成像检查的受检者体内不适合有金属制品，如心脏起搏器等。尽管磁共振成像检查有上述的种种不足，但其自身的优势还是突出的[11]，例如接受磁共振检查不会对受检者产生辐射，此外磁共振在检查前列腺、乳腺等软组织时成像效果明显优于其它的成像方式，图像更加地清晰。
1950年，Hahn第一次提出了弥散运动对磁共振成像技术中信号强度的影响；1954年，Carr和Purcell首次使用SE序列成功测得水分子的弥散系数；1961年Woessner将受激回波序列应用于磁共振弥散加权成像技术中；为了提高水分子弥散的敏感性，1965年Stejskal和Tanner把脉冲敏感梯度引入到磁共振弥散加权成像中；到1986年，Le Bihan等人首次将弥散加权成像应用于生物组织中[12]；而后弥散加权成像被广泛应用于临床医学领域，到现今，DWI技术已经发展成为活体组织中检测水分子扩散运动最为理想的方法。
DWI作为时下前列腺疾病检查和诊断的一种关键技术，同时也是唯一可以探测活体组织内水分子运动的方法，其优势主要体现在：把T2WI和DWI相结合克服了传统T2WI图像诊断的局限性[13]，提高了诊断的敏感性；此外，弥散加权成像技术还可以降低运动伪影以及缩短成像时间。虽然DWI技术可以降低运动伪影，但目前的技术还不能达到避免伪影的出现，此外随着b值增大，水分子弥散运动的敏感性越强，则信噪比和空间分辨率就越快降低，严重影响了弥散加权成像的质量[14]。
1.2 研究目的和意义
本文的研究意义在于它打破了目前国内外诸多研究者在进行数学模型对比研究时只局限于在同一个场强下采集数据进行拟合和分析的现状，而是分别使用1.5T高场强磁共振成像仪和3.0T超高场强磁共振成像仪对没有病变的前列腺中央区进行扫描，通过分析对比研究出两种不同场强下的最佳拟合模型，可以更好地将模型拟合分析法应用于磁共振技术的诊断中，前景光明。此外，目前大多数研究者在进行前列腺部位的磁共振弥散加权成像扫描时所使用的b值范围在0~1000 s/mm2[15, 16]，而本论文中扫描前列腺部位弥散加权图像时选用的b值范围在0~2100 s/mm2，这有利于分析出更加全面精确的结果。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的和意义 2
1.3 研究现状 2
1.4本文的研究内容 3
第2章 磁共振成像工作原理 5
2.1 磁共振成像仪 5
2.1.1磁共振成像仪的组成 5
2.1.2 主流的磁共振成像仪及其生产商 6
2.2 磁共振成像技术的工作原理 7
2.3 磁共振弥散加权成像技术的工作原理 12
2.4 本章小结 14
第3章 实验数据处理方法 15
3.1 数据采集 15
3.1.1 Ginkgo CADx软件的应用 15
3.1.2 实验数据采集方法 15
3.2 数学模型的搭建 17
3.2.1 单指
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
数模型的扩散加权成像 17
3.2.2 双指数模型的扩散加权成像 18
3.2.3 统计模型的扩散加权成像 18
3.2.4 峭度模型的扩散加权成像 18
3.2.5 拉伸指数模型的扩散加权成像 19
3.3 数据处理 19
3.3.1 MATLAB软件的应用 19
3.3.2 MATLAB中数据分析界面 19
3.4 本章小结 21
第4章 结果与结论 22
4.1 数据处理结果 22
4.1.1 数据拟合曲线 22
4.1.2 各模型拟合优度值 24
4.1.3 数学模型中各参数数值 24
4.2 结果分析 24
4.1.2 拟合曲线的对比分析 24
4.2.2 拟合优度值的对比分析 25
4.2.3 数学模型中各参数的对比分析 26
4.3 结论 27
4.4 本章小结 27
总结与展望 29
总结 29
展望 29
致 谢 31
参考文献 32
附 录 35
附录A 数学模型拟合函数代码 35
附录B 英文文献原文 38
附录C 英文翻译 50
第1章 绪论
前列腺癌已经成为中老年男性最常见的疾病，尤其是在西方国家。随着科技的发展，前列腺疾病的诊断已经由最初的直肠指检发展到功能性磁共振成像，如DWI、SWI等。利用数学建模，构建弥散加权图像的数学模型来分析病患的医学影像有助于医生对疾病类型和症状的判断，具有研究意义和价值。
1.1 研究背景
前列腺癌是中老年男性最常见的疾病之一，根据美国癌症协会的统计[1]，2013年全年前列腺癌的新增病例为238590例，增长率为28%，在所有癌症发病率排行榜中位列第一；而前列腺癌的死亡病例为29720例，死亡率为10%，在所有癌症死亡率排行榜上位列第二。由此可见，随着医疗技术的进步和人类寿命的延长，前列腺癌的检出率和发病率都在不断增加。
这些年来，随着科学技术的发展，前列腺疾病的诊断方式已经从传统的直肠指检[2]、前列腺特异性抗原（prostatespecific antigen，PSA）[3]、B超以及经直肠前列腺超声[4]等方式发展到使用功能性磁共振成像（functional MRI）[5]方式诊断，如弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）[6]、弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）[7]、磁共振波谱[8]（magnetic resonance spectroscopy，MRS）等。弥散加权成像已经被证实了能够提高前列腺癌的检出率[9]，由此被普遍应用于临床检查和科学研究领域。
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI），是由美国人F.Bloch和E.Purcell在1946年同时独立发现的，为此被授予了1952年的诺贝尔物理学奖[10]。1973年美国化学家Lauterbur发现了磁共振成像技术，使得核磁共振技术不仅仅在物理学和化学领域应用，而是突破性地应用于临床医学领域，到现今磁共振成像技术已经在医学界应用了40多余年，为此Lauterbur被授予了2003年的诺贝尔生理学或医学奖。近年来，核磁共振成像技术已经得到了突飞猛进的进步和发展，并日益趋于成熟和完善!
与计算机断层成像（CT）检查相比，磁共振成像检查的价格相对来说要贵的多；此外接受磁共振成像检查的受检者体内不适合有金属制品，如心脏起搏器等。尽管磁共振成像检查有上述的种种不足，但其自身的优势还是突出的[11]，例如接受磁共振检查不会对受检者产生辐射，此外磁共振在检查前列腺、乳腺等软组织时成像效果明显优于其它的成像方式，图像更加地清晰。
1950年，Hahn第一次提出了弥散运动对磁共振成像技术中信号强度的影响；1954年，Carr和Purcell首次使用SE序列成功测得水分子的弥散系数；1961年Woessner将受激回波序列应用于磁共振弥散加权成像技术中；为了提高水分子弥散的敏感性，1965年Stejskal和Tanner把脉冲敏感梯度引入到磁共振弥散加权成像中；到1986年，Le Bihan等人首次将弥散加权成像应用于生物组织中[12]；而后弥散加权成像被广泛应用于临床医学领域，到现今，DWI技术已经发展成为活体组织中检测水分子扩散运动最为理想的方法。
DWI作为时下前列腺疾病检查和诊断的一种关键技术，同时也是唯一可以探测活体组织内水分子运动的方法，其优势主要体现在：把T2WI和DWI相结合克服了传统T2WI图像诊断的局限性[13]，提高了诊断的敏感性；此外，弥散加权成像技术还可以降低运动伪影以及缩短成像时间。虽然DWI技术可以降低运动伪影，但目前的技术还不能达到避免伪影的出现，此外随着b值增大，水分子弥散运动的敏感性越强，则信噪比和空间分辨率就越快降低，严重影响了弥散加权成像的质量[14]。
1.2 研究目的和意义
本文的研究意义在于它打破了目前国内外诸多研究者在进行数学模型对比研究时只局限于在同一个场强下采集数据进行拟合和分析的现状，而是分别使用1.5T高场强磁共振成像仪和3.0T超高场强磁共振成像仪对没有病变的前列腺中央区进行扫描，通过分析对比研究出两种不同场强下的最佳拟合模型，可以更好地将模型拟合分析法应用于磁共振技术的诊断中，前景光明。此外，目前大多数研究者在进行前列腺部位的磁共振弥散加权成像扫描时所使用的b值范围在0~1000 s/mm2[15, 16]，而本论文中扫描前列腺部位弥散加权图像时选用的b值范围在0~2100 s/mm2，这有利于分析出更加全面精确的结果。
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