磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)是一种利用组织中原子核(质子)在磁场中受到射频脉冲的激励而发生核磁共振现象,产生磁共振(Magnetic Resonance, MR)信号,经过电子计算机处理,重建出组织某一层面的图像的成像技术。与其他的成像技术如常规X线及CT (Computed Tomography)等相比,MRI具有可任意方向断层、成像参数多、对人体无电离辐射伤害等优点,而且可以对人体及生物体的内部组织结构或功能进行无创成像。因此,MRI广泛应用于疾病诊断、分期,并成为医学、科学研究领域中最重要的方法之一。随着MRI技术的不断进步,基于磁共振弛豫参数测量地中海贫血患者肝脏铁沉积的方法采用受到人们极大的关注。地中海贫血是一类严重威胁人类健康的单基因遗传性血液病。虽然反复输血已经提高了这些患者的生存率,但是治疗中的反复输血,加上贫血促使肠道对铁的吸收功能增强,使铁在人体多种实质器官沉积。大量的铁沉积在肝脏会造成肝纤维化、肝硬化、肝细胞瘤等严重并发症。所以,这些患者在反复输血的同时也会接受去铁治疗,但这种去铁治疗有自身的毒性,可能会导致一些并发症。临床研究表明肝脏铁沉积是反映全身铁沉积的一个重要指标。因此,准确可靠地测量肝脏铁沉积对于指导和监控地中海贫血治疗具有重要的临床意义。研究者提出了多种方法以实现地中海贫血患者肝脏铁沉积的测量,包括血清化学测量法、肝组织活检法、超导量子干涉法、磁共振成像等方法。研究表明血清铁沉积测量对去铁治疗很重要,但易受感染、炎症、输血周期等因素的影响,且与肝组织中的铁沉积没有相关关系。肝组织活检被认为是肝铁沉积测量的金标准,但属于有创检查,易造成肝脏大出血等并发症,且测量精度受样本大小及肝铁不均匀分布的影响,不宜在临床推广。超导量子干涉法需要专用设备,考虑到成本也不易于推广应用。基于磁共振成像T1(纵向弛豫时间)、T2(横向弛豫时间)与T2*(有效横向弛豫时间)的肝铁测量方法在国内外广泛应用。当组织含铁量增加时,顺磁性的铁化合物会加剧局部磁场的不均匀性,引起组织的弛豫率R1(1/T1)、R2(1/T2)与R2*(1/T2*)增加。已有研究表明肝脏R1与R2值和肝铁含量成线性正相关关系,而且R2比R1对铁含量更敏感。Wood等发表于《Blood》杂志的研究表明R2与R2*均可用于定量测量肝铁沉积,且两种方法的测量精度相当。尽管用于肝铁定量的R2方法已经完善地建立了,但是R2*方法采用的是多回波梯度回波序列,具有采集速度快的优点,因而在临床上使用更为频繁。在技术上,R2*方法己被证明有很好的同一中心和不同中心的可重复性；在临床上,已有文献报道了测量的R2*向肝铁浓度转换的校正曲线。理想状态下R2*值是通过将各个回波时间(Echo Time, TE)上的信号值拟合到单指数衰减模型而获得的。然而当R2*值较大时,所测量的信号看上去包含两个部分,一为开始TE阶段的快速衰减部分,二为后续TE阶段的慢速衰减部分,这时仍然用单指数模型或者单指数加一常数模型(即平移模型)进行拟合得到的结果误差较大。磁共振成像设备输出的基本都是模图像,采用单通道或正交线圈采集,取模后图像中的噪声服从Rician分布；采用多通道线圈采集均方根重建,图像中的噪声服从非中心的Chi分布。Rician与非中心Chi噪声的一个典型表现就是背景噪声不为零。而单指数模型和平移模型因为没有充分考虑噪声的分布,于是在测量中可能会产生误差。最近的一项研究表明在肝铁沉积严重时,噪声是最主要的影响因素,并提出将单指数模型在非中心Chi分布噪声影响下的一阶矩与二阶矩作为拟合模型,可以更准确地刻画噪声对R2*衰减曲线的影响,并且更准确的估计R2*值。这两种模型分别称为一阶矩噪声补偿模型和二阶矩噪声补偿模型。不过,相比于二阶矩噪声补偿模型,一阶矩噪声补偿模型估计的R2*值方差更小。测量肝脏的R2*值,除了要确定拟合模型外,还需要确定肝实质感兴趣区域。而肝脏包含丰富的血管与胆管,而其中的血液和胆汁含铁量小,R2*值较小,如不排除,会造成肝铁R2*估计偏低。为了避免血液和胆汁的干扰,目前临床上通常都是通过人工勾划提取肝实质感兴趣区域,主要有两种方法。第一种方法是基于多个小感兴趣区域(Multiple Regions Of Interest, mROI)的方法。计算每个TE图像所有小感兴趣区域(Region Of Interest, ROI)内的平均灰度值,再将得到的灰度值与对应的回波时间拟合到一个合适的曲线模型(平均再拟合,ATF)从而计算出R2*值；或者逐个拟合感兴趣区域内的所有像素灰度值,得到R2*图,然后计算R2*图的均值或是中值(逐个拟合,PWF；逐个拟合求均值,PWFmea;逐个拟合求中值,PWFmed),并将此值作为全肝的R2*值。而实际上肝铁并不是均匀分布于整个肝实质中,小感兴趣区域的大小及位置不同,所得到的R2*可能会存在一定的差异。故这种基于局部的小感兴趣区域代替全部肝实质的测量方法往往存在采样误差大、测量结果不准确的缺陷,于是有研究者提出了第二种方法。第二种方法是基于整个肝脏的全肝感兴趣区域(全肝ROI)的方法,即把单层图像中的所有肝实质区域作为感兴趣区域(单层内的全肝,非真正意义上的三维全肝),再用ATF、PWFmea或者PWFmed的方法计算出R2*值。虽然这种方法比基于小感兴趣区(即mROI)方法可重复性好,但是由于图像中血管与胆管分布的不规则,通过手动勾画提取全肝图像中肝实质的方法非常复杂耗时,而且对微小的结构难以去除。因此,有研究者提出先手工分割出肝脏图像的外缘,然后在图像分割算法的帮助下实现血管与胆管的去除。目前主要的方法是T2*阈值分割方法和自适应模糊C均值聚类方法。然而,由于噪声与部分容积效应的影响,肝实质与非肝实质的T2*分布没有明确的界限,这种情况下T2*阈值分割方法很难准确地手动确定阈值,且受操作者主观性影响。而自适应模糊C均值聚类方法只对选取的某个TE图像进行分割,也就是说,选取待分割TE图像不同,可能会造成肝实质提取结果不同,而且这种方法可能无法去除像血管瘤这样的病灶。综合利用R2*测量中所有TE图像的信息,并对全肝ROI肝实质提取中的噪声、磁场非均匀性、部分容积效应进行有效的补偿,本文提出了半自动肝实质提取(Semi-Automatic Parenchyma Extraction, SAPE)的R2*测量方法。该方法主要包括以下五个步骤：1)用非局部均值滤波算法(Non-Local Means, NLM)对磁共振肝脏图像进行去噪；2)在图像上绘制全肝感兴趣区域,并用一阶矩噪声补偿模型和PWF拟合方法,获得全肝R2*图；3)采用模糊C均值(Fuzzy C Means, FCM)算法将步骤2)所获得的全肝感兴趣区域的R2*值分成两类,分别对应于肝实质和非肝实质；4)利用形态学操作(Morphological Processing, MP)减少受部分容积效应的肝实质像素,获得最终的肝实质区域；5)对滤波后的肝实质信号采用一阶矩噪声补偿模型和ATF拟合方法,获得最终的肝实质R2*值。为了证明SAPE方法中NLM算法、FCM聚类及MP操作的不可或缺性,SAPE方法分别与FCM, FCM+MP和NLM+MP方法进行了比较。为了评估上述方法的准度与精度,不同的R2*(100s-1-1000s-1,增量为100s-1)在不同噪声水平(信噪比分别15,30,60)下的数据进行了合成,并且模拟了非中心Chi分布噪声、部分容积效应及磁场的不均匀性等影响,成像参数与临床数据保持一致。一共108位地中海贫血患者(平均年龄23±10岁,女52例,男56例)接受了1.5T西门子磁共振的扫描,采用的是多回波梯度回波序列。成像参数包括：偏转度20°,重复时间200ms,层厚10mm,矩阵大小64x128,12个回波时间从0.93ms到16ms不等。本文提出SAPE方法计算的R2*值还与临床常用的mROI方法及现有的T2*阈值方法的结果进行了比较,对这三种方法的可重复性采用Bland-Altman分析方法进行研究,并用变异系数(Coefficient Of Variance, CoV)作为我们的定量结果。据我们所知,计算感兴趣区域的R2*目前有三种方法,分别是ATF, PWFmea和PWFmed方法。因为这三种方法的操作是非线性的,所以这三种方法得到的R2*结果也可能不一致,进而可能会影响到临床的诊断。为此,针对一阶矩噪声补偿模型,我们通对仿真数据实验和临床数据实验对这三种方法进行了完整的比较。仿真数据实验结果表明本文提出的SAPE方法计算的R2*值与真实R2*值的绝对百分误差是0.23%(0.01%-1.09%)。临床数据实验结果表明SAPE方法与mROI方法、T2*阈值方法测量的R2*值均有好的一致性,且CoV分别为5.25%,2.75%。mROI方法及T2*阈值方法的观察者内及观察者间可重复性的CoV分别是3.63%和6.28%,1.62%和2.66%。相比之下,本文提出的SAPE方法的这两种CoV更小,分别为0.83%和1.39%。所以本文提出的SAPE方法能够准确测量R2*,并且测量的可重复性好,对提高R2*测量的诊断置信区间及给予正确的指导治疗有很好的帮助。对于一阶矩噪声补偿模型,实验结果表明ATF和PWFmed方法测量更准确,而PWFmea方法则趋于高估R2*值,在肝铁重度过载时尤其明显。所以,ATF和PWFmed方法均可用于临床测量感兴趣区域的R2*值。与ATF方法相比,PWFmed方法还提供了R2*的空间分布,但所需的曲线拟合次数增加因而增加了计算时间。