[發明專利]一種基于圖譜分析的腦皮層厚度估計方法

在審

• 申請號: 201810180863.X
• 申請日: 2018-03-06
• 公開（公告）號: CN108346150A
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: 王剛;蘇慶堂;張小峰
• 申請（專利權）人: 魯東大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T17/20;G16H50/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

磁共振成像(MRI)的腦皮層厚度估計是研究大腦神經退行性疾病的一項重要技術。本發明提出一種基于圖譜分析的腦皮層厚度估計方法，可以有效地捕捉腦皮層的幾何形態變化。首先，該方法通過構建四面體網格模型來逼近MRI中的腦皮層形態并反映其內在的幾何特性；其次，該方法利用四面體網格中幾何約束關系構建Laplace?Beltramin算子來計算腦皮層內部溫度場的分布；最后，通過圖譜分析的機理構建由Laplace?Beltramin算子的特征值和特征向量所表征的熱量轉移概率表征體系，并追蹤最大熱量傳播概率確定腦皮層溫度場內梯度場線的方向與長度，最終獲得腦皮層的厚度信息。

技術領域

本發明屬于計算機應用技術領域，涉及MRI腦皮層形態變化檢測技術，用于AD等神經退行性疾病的早期診斷。

背景技術

阿爾茨海默病(AD)已成為一種嚴重危害老年人健康的神經退行性疾病，嚴重威脅人類健康。為了研發有效的治療手段阻礙疾病的惡化進程，需要早期對極易轉化成AD病癥的輕度認知障礙人群(MCI)進行準確診斷，并根據其演化軌跡揭示其病情發展趨勢。由于AD病癥的出現起始于局部區域，表現為局部區域腦皮層厚度變薄，然后這種現象向大腦其他部分擴散。因此諸多研究人員將腦皮層的厚度變化作為AD病癥的輔助診斷依據。為此，采用合適的檢測手段提取在局部區域的腦皮層厚度信息一直是本領域內的重要研究課題。

磁共振成像(MRI)技術可以顯示人腦物理參數（如密度）在空間中的分布，并且得到任何方向的斷層圖像、三維體圖像，因此目前已廣泛用于AD等神經退行性疾病的早期診斷和揭示其演化過程。該技術結合計算機圖形學技術可以量化和評估大腦皮層的微小形態變化，是面向臨床無損傷揭示腦皮層幾何結構變化的分析方法。但對MRI腦皮層形態變化的量化分析中仍然面臨如下核心問題:

1) 如何利用幾何形態度量屬性生成保持原有MRI影像數據的腦皮層四面體網格模型。降低以往借助立方體網格近似MRI影像數據所帶來的擬合誤差；

2) 如何借助圖譜理論所體現的腦皮層本質幾何特征，在原有拉格朗日方法的基礎上，提高腦皮層厚度計算的準確度和魯棒性。降低單純依靠拉格朗日方法求解厚度信息所帶來的計算誤差。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于圖譜分析理論的腦皮層厚度估計方法，其特征是通過構建腦皮層核磁共振（MRI）圖像的四面體網格表征形式和計算調和能量場中的熱量傳導規律來捕捉MRI腦皮層中的幾何信息，具體步驟描述如下：

第一步：立方體網格生成：在保持邊界形狀基礎上,生成由立方體單元所組成的背景網格；采用基于頂點連接關系的快速行進法計算具有符號特征的背景立方體網格點的空間位置屬性，通過邊緣面附近網格點的空間位置的概率分布設計自適應調整網格邊長的運算規則，以達到擬合大腦皮層的最佳程度；

第二步: 四面體網格剖分:分別對處于邊緣面和內部頂點背景網格采用金字塔剖分形式和體心立方點陣的剖分形式進行四面體剖分，然后對剖分后的四面體網格進行零值面的切割、整理；

第三步：四面體網格優化：利用基于空間位移梯度張量的三維形變描述理論，設計感應四面體單元微小形變和網格優化的彈性模量、光滑模量和保真模量等度量策略；構建兼顧腦皮層外部形態保持和內部結構優化的最小化調和能量模型及求解算法，優化四面體網格結構；

第四步：構建Laplace-Beltramin算子：由定義在黎曼流形M上的調和能量表達式入手, 其中分別表示在黎曼流形M上的網格頂點位置,為定義在網格頂點上的函數表達式；結合四面體單元各表面的矢量表達式，以及體內任意一點的重心坐標表達式，推導以邊長和對應兩面角變量的四面體頂點之間的幾何約束關系；結合三維空間熱傳導微分方程，在給定的Dirichlet條件（固定腦皮層內、外表面的溫度）下，構建Laplace-Beltramin算子的離散表達式；