針對高度加速非笛卡爾 MRI 重建的穩健即插即用方法

Core Concepts

本文提出了一種基於即插即用框架的 MRI 重建新方法，採用退火預處理的半二次分裂算法，並利用無監督學習生成乾淨數據集來訓練去噪器，從而實現高效穩定的高質量 MRI 重建，尤其在高加速因子下表現出色。

Abstract

書目信息

Comby, P.-A., Lapostolle, B., Terris, M., & Ciuciu, P. (2024). Robust plug-and-play methods for highly accelerated non-Cartesian MRI reconstruction. arXiv preprint arXiv:2411.01955.

研究目標

本研究旨在解決高加速因子下非笛卡爾 MRI 重建的難題，特別是在高加速因子下傳統壓縮感知方法和純數據驅動方法的局限性。

方法

• 無監督預處理： 使用虛擬線圈組合從 fastMRI 數據集的多線圈數據中生成複數圖像，並利用 Neighbor2Neighbor 損失訓練一個去噪神經網絡，以生成乾淨、無噪聲的複數 MRI 訓練數據集。
• 退火預處理的半二次分裂算法： 提出了一種結合退火策略的半二次分裂（HQS）算法，並結合預處理技術，以提高 PnP 算法的穩定性和重建質量。
• 預處理矩陣： 研究了三種預處理矩陣："F-1" 預處理器、Chebychev 預處理器和標準 PnP 方法 (P = Id)。

主要發現

• 預處理顯著提高了重建圖像質量，尤其是在高加速因子下。
• HQS 分裂方案相較於標準 PGD 和 FISTA PnP 算法，能產生更好的重建結果。
• 在高加速因子（如 AF=16）下，所有 PnP 方法的表現都優於 NCPDNet 和變分方法，且無需進一步微調。
• HQS 算法的收斂速度較慢，但通過自適應學習步長可以進一步優化。

主要結論

• 本文提出的基於 PnP 框架的退火預處理 HQS 算法，結合無監督預處理流程，為高加速非笛卡爾 MRI 重建提供了一種穩健且高效的解決方案。
• 預處理技術和 HQS 算法的結合顯著提高了重建質量和穩定性。

意義

這項研究對提高 MRI 成像速度和質量具有重要意義，特別是在高加速因子下，可以縮短掃描時間，提高患者舒適度，並擴展 MRI 的臨床應用範圍。

局限性和未來研究方向

• 未來的研究可以集中在將該方法擴展到 3D 和 2D+時間數據，例如心臟成像或功能性 MRI 中使用的數據。
• 可以進一步探索自適應學習步長以優化 HQS 算法的收斂速度。

Stats

在加速因子為 4 和 8 的情況下進行模擬非笛卡爾 MRI 採集。
使用的噪聲水平 νl = 10^-4 · max(Pℓ|xℓ|²)。
使用 DRUNet 模型進行去噪，輸入和輸出卷積通道數設置為 2，噪聲水平範圍為 [0, 5 · 10^-5]。
使用 Adam 優化器，學習率為 10^-4，批次大小為 10，並在隨機提取的 128×128 大小的圖像塊上進行訓練。
使用峰值信噪比（PSNR）和結構相似性指標（SSIM）評估重建質量。

Quotes

Key Insights Distilled From

Robust plug-and-play methods for highly accelerated non-Cartesian MRI reconstruction

by Pierre-Antoi... at arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.01955.pdf

Deeper Inquiries

如何將這種基於 PnP 的 MRI 重建方法應用於其他成像模態，例如 CT 或 PET？

將基於 PnP 的 MRI 重建方法應用於其他成像模態（如 CT 或 PET）需要克服一些挑戰：

數據特性差異: 不同成像模態的數據特性差異很大。例如，CT 測量的是 X 射線衰減，而 PET 測量的是放射性示蹤劑的分布。這些差異會影響數據保真度項和正則化項的設計。

解決方案: 需要針對特定成像模態的物理模型和噪聲統計特性設計相應的數據保真度項。此外，需要研究適用於 CT 或 PET 圖像的正則化項或深度去噪網路。

空間分辨率和噪聲水平: CT 和 PET 的空間分辨率和噪聲水平通常比 MRI 低。

解決方案: 可以考慮使用針對低分辨率和高噪聲水平訓練的深度去噪網路。此外，可以探索多尺度或超分辨率技術來提高重建圖像的空間分辨率。

缺乏大型、公開的數據集: 與 MRI 相比，用於訓練深度學習模型的 CT 和 PET 數據集較少。

解決方案: 可以考慮使用遷移學習或數據增強技術來克服數據集大小的限制。此外，可以探索與其他成像模態的聯合重建方法，以利用不同模態之間的互補信息。

總之，將基於 PnP 的 MRI 重建方法應用於其他成像模態需要針對特定模態的數據特性和成像模型進行調整。

在臨床環境中，該方法的計算成本和時間效率如何，特別是與現有的 MRI 重建技術相比？

與傳統的基於 CS 的方法相比，基於 PnP 的 MRI 重建方法通常需要更高的計算成本和更長的重建時間，主要原因是需要迭代執行深度去噪網路。然而，與其他深度學習方法相比，該方法的時間效率更高，因為它不需要像端到端訓練那樣進行大量的訓練數據和時間。
以下是一些可以提高該方法在臨床環境中實用性的策略：

使用高效的深度去噪網路: 選擇參數效率高、計算量小的去噪網路，例如 UNet 的輕量級變體。
GPU 加速: 利用圖形處理單元 (GPU) 來加速深度去噪網路的計算。
預先計算去噪結果: 對於常用的噪聲水平和圖像內容，可以預先計算去噪結果並存儲在查找表中，以減少在線計算時間。
開發快速近似算法: 研究 PnP 算法的快速近似版本，例如使用近端算子的近似或減少迭代次數。
總之，基於 PnP 的 MRI 重建方法在時間效率方面具有潛力，但需要進一步的研究和優化才能滿足臨床環境的嚴格要求。

未來是否可以開發出更先進的無監督預處理技術，以進一步提高去噪數據集的質量，從而進一步提高 MRI 重建的準確性和可靠性？

開發更先進的無監督預處理技術對於進一步提高去噪數據集的質量，進而提高 MRI 重建的準確性和可靠性至關重要。以下是一些潛在的研究方向：

基於深度學習的噪聲估計: 開發更精確的噪聲估計方法，可以為深度去噪網路提供更準確的噪聲水平信息，從而提高去噪效果。
自監督學習: 探索利用自監督學習方法來訓練更強大的去噪網路，例如，使用圖像中的冗餘信息或多模態數據進行訓練。
生成對抗網路 (GAN): 利用 GAN 的能力生成逼真的圖像，可以訓練 GAN 來生成高質量的 MRI 圖像，並將其用於訓練去噪網路或直接用於 MRI 重建。
結合物理模型: 將 MRI 的物理模型融入無監督預處理技術中，例如，在去噪過程中考慮 MRI 信号的稀疏性和低秩特性。
通過不斷探索和開發更先進的無監督預處理技術，我們可以期待在未來獲得更高質量的去噪數據集，從而進一步提高 MRI 重建的準確性和可靠性，為臨床診斷和治療提供更可靠的依據。