本文是一篇计算机论文范文，本研究聚焦于解决有监督学习QSM标签中误差的累积、传递问题，并克服无监督重建QSM方法丢失了标签中的多方向特征问题。因此，本研究提出了两种无监督定量磁化率成像算法以解决这两个问题，并将其应用在无先兆偏头痛患者中。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
定量磁化率成像（Quantitative Susceptibility Mapping，QSM）是从磁化率加权成像（Susceptibility-weighted Imaging，SWI）发展来的新技术[1]，其原理是从测得的相位图像中导出潜在的组织体磁化率的定量图，从而定量测量与分析生物组织内的磁化率空间分布。磁化率是描述生物组织在外加磁场中磁化程度的物理量，生物组织的磁化率信息可从磁共振图像的相位数据中获得。在外加磁场的作用下，不同生物组织表现出不同的特性，可以从一个新的角度为研究者提供组织微观结构、病变区域等关键信息。因此，QSM技术成为了一种能够精确表征正常和病理组织特性的定量成像方法，具有极其重要的临床应用意义。例如，阿尔兹海默症与脑铁含量升高有关，而铁元素具有较大的磁化率，故而QSM技术能够精准地反应出脑铁沉积程度，从而为阿尔兹海默病的诊断和治疗提供定量分析的工具[2]。此外，QSM技术在帕金森综合症[3]、多发性硬化[4]、偏头痛[5]等疾病的诊断与辅助治疗上也发挥着重要作用。
在传统的QSM重建方法中，存在伪影严重、计算成本高、需要手动调整参数、计算精度不够等问题。这是由于从原始相位数据重建QSM会经历相位解缠绕、背景场去除和磁化率反演等过程，而且重建过程中由于软件或算法本身的问题每一步都会引起数据损耗，导致重建结果不准确。例如，采用V_SHARP[6]算法去除背景场，但该方法是利用球面均值特性去除背景场，需要研究员根据经验手动调整球面均值滤波半径，面对大量的研究数据时，很难找到一个适合所有数据的半径，导致背景场残留，给QSM的重建带来极大的干扰。因此，如何在QSM重建过程中提高图像质量，对临床医学精准诊断至关重要。再如，磁化率反演阶段涉及病态逆问题，病态逆问题是指从相位图像中恢复磁化率分布的过程中，由于多种因素的影响（如噪声、背景场不均匀性、偶极子卷积核的奇异角等），导致反演过程不稳定、解不唯一或解对噪声很敏感的问题。传统的TKD[7]算法采用K空间阈值填充法来解决这个病态逆问题，这种方法虽然计算速度快，但是会导致重建的QSM图像存在大量的条形伪影，严重影响临床诊断的准确性。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 QSM重建的研究现状
由于QSM重建在磁化率反演过程中必需要解决偶极子核中存在奇异值问题，导致通过磁化率反演得到QSM的过程演变为病态逆问题。为了解决这一问题，国内外研究员做了广泛而深入的研究，根据研究的方法可分为传统方法、有监督方法和无监督方法。
传统方法使用数学方法来解决病态问题，例如Liu等人[8]提出COSMOS算法，通过多方向采样的办法使偶极子核的奇异点偏移，使得重建的QSM伪影更少，当忽略脑白质的各向异性时被视为QSM重建的金标准。但是由于需要至少三个不同扫描方向的数据，导致采集时间较长，对患者的忍耐能力和配合程度具有极高的要求，限制了临床应用。Wharton等人[7]提出TKD算法，该方法通过K空间阈值填充法实现快速的单方向QSM重建，但是极易受到条形伪影的干扰。因此，随后提出的一些方法都致力于减少单方向QSM条形伪影的干扰，例如：MEDI [9]、iLSQR [10]和STAR-QSM [11]等方法，利用数学方法迭代求解QSM。Li等人[12]受DTI的启发，使用二阶对称矩阵展开QSM物理方程，提出STI算法，当不能忽略脑白质各向异性时被视为QSM重建的金标准。STI是最能保持脑白质各向异性这一固有特性的QSM重建方法，但是需要至少6个方向的数据来重建，因此和COSMOS一样极少应用于临床。当前，尽管数学迭代方法在求解QSM方面展现出潜力，但仍面临若干挑战，包括伪影的抑制不足、计算精度有待提高，以及图像过度平滑导致细节丢失等问题。这些问题需要进一步的研究与优化以提升QSM图像的准确性和实用性。
第二章 相关理论与方法
2.1 QSM基本理论
QSM技术诞生于2008年，受到演算方法的限制，早期得出的磁化率值不够准确，在一定程度上限制了QSM技术在临床诊断治疗和疾病研究中的应用，特别是在对脑部疾病如神经退行性疾病、脑肿瘤以及脑血管疾病的早期诊断和疗效监测方面。但随着对QSM序列研究的不断深入，研究人员发现，采用正则化方法可以得出更加精确的组织磁化率值[40]，这是因为正则化方法可以克服QSM重建过程中的混杂因素，这极大的促进了QSM的发展及应用。QSM的核心原理是外加磁场会在物质内部激发磁化过程，进而影响磁共振图像的相位信号。通过精确测量和分析MRI相位信息，可以推导出物质的磁化率分布。不同组织和物质因其独特的电子结构和微观环境，展现出不同的磁化率值，使得QSM能够提供关于不同组织和物质的成分和状态信息。当生物组织置于外部主磁场中时，会发生磁化现象，这一过程会沿着主磁场方向引起磁扰动。
2.2 QSM重建方法
从MRI扫描设备中可以获得包含幅度和相位信息的复数图像。首先将其转换为包含结构信息的幅度图和包含相位信息的相位图，相位图反映了局部磁场的变化，这些变化与组织的磁化率直接相关。由于磁共振数据在复数空间表示，对相位编码范围被约束在-π到π之间，存在相位缠绕，需要对相位图进行相位解缠绕以获得真实的相位变化信息。随后，通过算法去除由设备不均匀性和非感兴趣区域（如头外部）引起的背景磁场，以保留由局部组织磁化率引起的磁场变化。去除背景磁场后，剩下的是由组织磁化率引起的局部磁场变化。这一步骤的关键在于分离出真正反映组织磁化属性的信号。最后通过数学模型和算法（如最小二乘、正则化逆问题求解等）将局部磁场变化转换为QSM。
从磁共振扫描数据中得到QSM图像是一个图像重建过程，图像重建是指从不完整、模糊、损坏或低分辨率的图像数据中重建出高质量的图像。这种技术广泛应用于医学成像、图像去噪、超分重建以及图像修复等领域。图像重建的基本理论涵盖了一系列算法和技术，旨在通过已有的图像信息推断出缺失或损坏部分的细节，进而实现图像的完整重建或质量提升。
第三章 基于物理模型的无监督定量磁化率成像算法研究 ................ 19
3.1 基于物理模型的无监督定量磁化率成像算法 ................. 19
3.1.1 无监督模型 ............................ 20
3.1.2 无监督损失函数 ......................... 21
第四章 基于多方向偶极子核的无监督定量磁化率成像算法研究 .... 34
4.1 基于多方向偶极子核的无监督定量磁化率成像算法 ................ 34
4.1.1 理论模型 ............................... 35
4.1.2 融合多方向特征重建QSM ...................... 36
第五章 基于 MUQSM 联合 rs-fMRI 对女性无先兆偏头痛偏侧性的应用研究 ........................ 48
5.1 数据采集及预处理 .......................... 48
5.1.1 志愿者招募 ................................... 48
5.1.2 磁共振图像采集参数 ........................ 49
第五章 基于MUQSM联合rs-fMRI对女性无先兆偏头痛偏侧性的应用研究
5.1 数据采集及预处理
5.1.1 志愿者招募
本论文实验前瞻性地招募了63名女性无先兆偏头痛受试者（MwoA组）以及31名年龄匹配的正常对照组（NC组）。这项研究符合世界医学会在《赫尔辛基宣言中》发表的声明。贵州省人民医院伦理委员会批准了这项研究[伦理审查（科学研究）第[2023-081]号]，所有参与者均签署了书面知情同意书。所有参与者都接受了常规的3D T1、QSM和rs-fMRI序列扫描。本次实验共招募72名患者，排除9例患者，纳入63例患者（如图5-1）。收集受试者的临床数据，如年龄、受教育年限、患者健康问卷-9（PHQ-9）、一般性焦虑障碍-7（GAD-7）、匹兹堡睡眠质量指数（PSQI）、偏头痛残疾评估量表（MIDAS）、疾病持续时间（DD）、视觉模拟量表（VAS）和主要疼痛侧（左侧、右侧和交替疼痛）。根据患者的主要疼痛侧，将其分为三组：左侧MwoA（n=22）、右侧MwoA（n=14）和双侧MwoA（n=27）。
所有患者均符合《国际头痛疾病分类》第3版（ICHD-III）中MwoA的诊断标准，纳入标准如下：（1）偏头痛的诊断是指ICHD-III 1.1小节的无先兆偏头痛；（2）女性，年龄18-50岁之间，右利手，头痛病史一年以上；（3）过去一个月内未使用任何头痛预防或治疗药物；（4）没有其他类型的头痛、非头痛的慢性疼痛、严重焦虑或抑郁，或精神疾病；（5）无酒精、尼古丁、毒品或其他物质滥用。排除标准如下：颅骨创伤、脑血管疾病、长期高血压、高胆固醇血症、糖尿病、肿瘤病史和脑外科手术、心脏病和主要全身性疾病。所有受试者均无MR检查禁忌症，如心脏起搏器和幽闭恐惧症。
第六章 总结与展望
6.1 总结
磁共振成像技术因其具有无创、无辐射、对软组织成像效果好等优点而被广泛应用于医学诊断中，通过调节不同的扫描参数可以获得具有特定功能或表征能力的图像。QSM是一种新型的磁共振成像技术，可以定量测量与
