第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
现代社会日新月异，高新科技迅猛发展，在人们物质生活越来越丰富的同时，医疗条件和生活环境越来越受人们的关注。健康已是每一个人倾心关注和孜孜追求的梦想。然而，屡遭破坏的自然环境，沉重的生活压力以及日益激烈的社会竞争，都使人们的健康状况日渐堪忧，并且成为新的世界性问题。在这种情况下，作为医生诊断和治疗的重要手段——医学影像学，自然备受关注。如今，医学图像处理技术在医学诊断中已占据了重要的地位，以核磁共振(Magnetic Resonance,MR)、超声(Ultrasound)、计算机 X 射线断层扫描(Computed Tomography，CT)等成像技术为代表，这些都是无侵害性的器官体外成像的有力手段。但是，就影像技术来说，无论是在硬件还是软件方面，我国的相关领域技术水平还很难与国外著名医学设备公司相抗衡。因此，国内各家公司都在借助计算机技术来缩小医学影像技术领域的技术差距，并试图打破国外著名医学设备公司的技术垄断。CT 灌注成像是近年来发展起来的一种崭新的功能成像技术[1]，始于 90 年代中期，主要以多层螺旋 CT 为工具。它不但可以通过测量微循环血流量评估组织器官的生理或病理状态，而且具有无创、安全、全面的特点。CT 灌注成像技术已经逐步应用于脑血管病变、脑肿瘤和一些身体实质性脏器肿瘤如肝脏、肾脏、胰腺、头颈肿瘤及肌骨肿瘤等的评价。因此，CT 灌注成像技术在肝脏病变中的临床价值应受到重视。应用这一新技术实现对肝脏病变的早期诊断和功能诊断是具有巨大潜力和广阔空间的。相信随着经验的积累，其应用的领域会不断的扩展，其价值会得到肯定。目前肝脏灌注方面的研究进展慢于头部、肾脏等组织器官，其原因在于肝脏不仅具有独特的双供血系统，而且在肝动脉系统和门静脉系统之间存在多途径的相互交通，使得肝脏灌注参数的计算要比头部灌注复杂。国际上对于肝脏血流系统，建立了多种多样的数学模型，并不统一。故现代多层螺旋 CT 几乎都配置了头部的灌注软件，而很少见肝脏灌注应用软件的配置，使得肝脏灌注的研究受到了很大的限制。CT 头部灌注成像有两种较为成熟的算法：斜率法[8]和去卷积法[17]。将这两种算法应用于有着双供血系统的肝脏时，由于灌注模型的不同，又可延伸出多种算法。在不同场合下，每种算法各有利弊，难以取舍。在此背景下，开展基于 CT 影像的肝脏灌注 CAD 的研究具有以下意义：1. 使诊断更为直观，使用图像更为清晰和准确的显示出病灶区域；2. 增加诊断的客观性，降低医生可能的漏诊率和误诊率，提高诊断质量；3. 减少医师的诊断时间和工作量，筛减大部分正常的影像，而只把有可疑病灶的图像交付医生进行进一步诊断，提高了诊断效率；4. 避免一些非必要的组织检查。本论文针对肝脏灌注不同的模型计算方法进行软件实现，进行比较，并针对以往经典算法中的不足之处进行改进，提出了一种改进的肝脏灌注算法。
1.2 计算机辅助诊断研究现状
随着计算机技术的快速发展，至 80 年代初，计算机辅助诊断系统已获得长足发展。到了 20 世纪 90 年代，随着计算机技术继续发展以及新兴技术人工神经元网络的出现，CAD 在临床诊断中不断展示出其价值，并成为现代医学影像研究的热点之一。目前，CAD 在乳腺和肺部病变方面研究较为成熟；而在虚拟腔镜、肝脏疾病诊断、脑肿瘤、脑灌注和中医学等诸多方面的研究才刚刚开始，国内仅有少量的研究文献。CAD 之所以能提高诊断的准确性，其根本原因在于：其一，临床医生的诊断实际上是一个主观判断的过程，会受到医生经验、知识水平、身体状况甚至是情绪的影响；其二，由于人眼观察的局限性，很容易遗漏某些细微差别；最后，不同医生间阅片习惯的不同，或是相同医生阅片的差异，都有可能对最后的诊断结果造成影响。而 CAD 正好可以弥补医生的这些不足之处。目前，国外学者们基本达成共识：使用 CAD 系统时，最终的诊断结果是由医生决定的，即 CAD 输出的诊断结果只是作为一种参考。这意味着一些人对 CAD 的理解，即 CAD 可以自动诊断疾病的观念，是不准确的。
第二章 CT 灌注成像技术概述
2.1 引言
CT 灌注1980 年，Axel[5]首次采用同层动态增强 CT 成像来评估头部血流情况。Axel 认为 CT 增强所用的碘对比剂基本符合非弥漫性示踪剂的要求，在对比剂没有外渗的假设情况下，可利用时间密度曲线计算出脑血流量、平均通过时间和脑血容量，其中脑血流量最有临床诊断的实际意义。然而受当时 CT 技术的限制，灌注技术并没有在临床广泛的应用。到了 1991 年，Miles 等[6]提出了新的 CT 灌注成像理念，他认为放射学对比剂在静脉注射后，其药物动力学运动原理与放射性示踪剂的原理基本相同，所以使用放射性示踪剂的原理来分析对比剂。经过数十年的发展，头部灌注技术已较为成熟，用以计算 CT 头部灌注的血流量、血容量等参数的不同方法被相继提出。本章主要介绍灌注成像的基本原理，以及几种灌注成像的数学模型和灌注成像的主要参数。
第三章 常规灌注成像算法对比 ....13
3.1 引言.......13
3.2 最大斜率法.......13
3.2.1 算法原理 .......13
3.2.2 算法实现 .......15
3.2.3 算法分析 .......18
3.3 双输入模型法.........19
3.3.1 算法原理 .......19
3.3.2 算法实现 .......20
3.3.3 算法分析 .......22
3.4 去卷积法.....23
3.4.1 算法原理 .......23
3.4.2 算法实现 .......26
3.4.3 算法分析 .......29
3.5 性能评价与分析.....30
3.6 本章小结..... 34
第四章 改进的双输入模型算法 ....35
4.1 引言....... 35
4.2 算法原理..... 35
4.3 仿真分析..... 36
4.3.1a 对灌注参数的影响.....37
4.3.2p 对灌注参数的影响.....38
4.3.3oF 对斜率法灌注参数的影响..... 39
4.4 临床数据分析......... 40
4.5 本章小结..... 43
第五章 CT 肝脏灌注 CAD 软件设计与实现.......45
5.1 引言....... 45
5.2 软件需求分析......... 45
5.3 软件功能实现......... 47
5.4 本章小结..... 54
结论
本文的主要工作是开发一套针对 CT 肝脏灌注的 CAD 软件，该软件可计算各项肝脏灌注参数，最终达到辅助医生检测肝脏疾病的目的。主要研究成果概括为以下几个方面：
1. 本文分别使用斜率法、双输入法和去卷积法这三种算法针对临床数据进行灌注参数计算，并对实验结果进行分析和讨论。这三种算法均可以生成 CT 肝脏灌注功能图像，并很好的指示出了肝脏病灶处。其中斜率法计算速度最快，受噪声影响最小，算法最稳定，但是需要脾脏灌注作为参考，适用性不强；双输入法图像效果仅次于斜率法，计算速度也次之，但是不需要脾脏的参考，适用性强；去卷积法计算速度最慢，最容易受噪声影响，图像质量稍差，但是同样不需要脾脏的参考，适用性较强。综合各个算法的优劣，我们将这三种算法全部整合入我们的 CT 肝脏灌注 CAD 软件，方便用户针对不同情况，选择使用。
2. 针对双输入法中存在的不足，提出了算法的改进方法，并将改进后的算法与原先的双输入法和斜率法进行比较。通过仿真实验和临床数据实验的分析结果表明，改进后的算法比原算法计算灌注参数更为精确，与较为稳定的斜率法计算出的参数有很好的一致性；定量的分析出斜率法对 HAP 和 PVP 参数值的低估，为校正斜率法灌注参数指明了方向。
3. 开发出了能够对 CT 灌注序列影像进行分析计算的软件，该软件能使用三种不同的算法进行灌注参数计算，并可生成灌注功能图像，辅助医生检测肝脏病灶部位和诊断肝脏疾病。
参考文献
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[4] White MJ, O’Gorman RL, Charles-Edwards EM, et al. Parametric mapping of thehepatic perfusion index with gadolinium-enhanced volumetric MRI The BritishJournal of Radiology, 2007,80:113~120.
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[8] Miles KA, Hayball MP, Dixon AK. Functional images of hepatic perfusionobtained with dynamic CT. Radiology.1993,188(2):405~411.
[9] Meier P, Zierler KL. On the theory of the indicator-dilution method formeasurement of blood flow and volume. Physiology. 1954,3,6:713~744.
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