Εκτίμηση Της Κίνησης Από Εικόνες Spin-tagging Mri Με Χρήση Μεθόδου Αρμονικής Φάσης (harp)

Abstract

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη αλγορίθμων για την εξαγωγή του πεδίου κίνησης από εικόνες spin - tagging Magnetic Resonance Imaging (MRI). Στο πλαίσιο της εργασίας αναπτύχθηκαν υπολογιστικές τεχνικές εκτίμησης της κίνησης που βασίζονται στη μέθοδο Αρμονικής Φάσης (HARP). Οι τεχνικές αυτές εφαρμόστηκαν σε συνθετικές αλλά και πραγματικές εικόνες spin - tagging MRI. Η ακρίβεια εκτίμησης της κίνησης μελετάται τόσο με σύγκριση των εκτιμώμενων τιμών με τις πραγματικές τιμές ταχύτητας όσο και ελέγχοντας την ικανοποίηση της αρχής διατήρησης της μάζας.Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια γενική εισαγωγή στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού και στη μέθοδο spin - tagging MRI. Ειδικότερα επεξηγείται ο τρόπος σχηματισμού της SPAMM (spatial modulation of magnetization) ακολουθίας, ο τρόπος απεικόνισης των tagged εικόνων και τα πεδία εφαρμογής αυτής της τεχνολογίας.Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται γνωστές μέθοδοι εξαγωγής κίνησης από spin - tagging MRI. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται αποκλειστικά με τη μέθοδο της αρμονικής φάσης, όπου αναλύονται οι τρεις διαφορετικές μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν.Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της μεθόδου που υλοποιήθηκε, ενώ στο πέμπτο παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα αυτά, σε σύγκριση με τα αποτελέσματα που παρέχει αλγόριθμος οπτικής ροής. Τέλος στο έκτο κεφάλαιο αποτυπώνονται συμπεράσματα και προτείνονται κατευθύνσεις μελλοντικής έρευνας. The aim of this thesis is the development of computational algorithms suitable for extracting motion field from spin - tagging Magnetic Resonance Imaging (MRI) images. Particularly we deal with the harmonic phase (HARP) methods. Motion analysis can be performed through tracking the deformation of the grid, which is created by the longitudinal component of the spin polarization on each picture of the sequence. We have developed different approaches of the HARP method and tested them on synthetic and real data. In order to assess the method’s ability to export the motion field (i) we compare the real velocity of synthetic data with the estimated value and (ii) we check the satisfaction of the mass conservation principle.In the first chapter we refer to MRI and to the spin - tagging MRI method. More specifically we present the way SPAMM (spatial modulation of magnetization) sequence is produced and its main applications. The second chapter is a review of various methods for extracting the motion from spin - tagging MRI. In the third chapter, we focus on the HARP method for motion estimation, describing the three different methods we developed in this thesis. In the fourth chapter we describe the data, synthetic and real, that are used to assess the performance of the implemented HARP method. These results, evaluated by means of the average mean error, the average max error and the mass conservation law, are explicitly presented in the fifth chapter, in comparison with results obtained using the optical flow method. The thesis concludes with the presentation of future research directions.In summary, the HARP method has been proved able to extract the motion field from spin - tagged MR data. Suggestions towards further improvement of method’s performance are provided.