High-resolution (HR) quantitative MRI (qMRI) relaxometry provides objective tissue characterization but remains clinically underutilized due to lengthy acquisition times. We propose a physics-informed, self-supervised framework for qMRI super-resolution that uses routinely acquired HR weighted MRI (wMRI) scans as guidance, thus, removing the necessity for HR qMRI ground truth during training. We formulate super-resolution as Bayesian maximum a posteriori inference, minimizing two discrepancies: (1) between HR images synthesized from super-resolved qMRI maps and acquired wMRI guides via forward signal models, and (2) between acquired LR qMRI and downsampled predictions. This physics-informed objective allows the models to learn from clinical wMRI without HR qMRI supervision. To validate the concept, we generate training data by synthesizing wMRI guides from HR qMRI using signal equations, then degrading qMRI resolution via k-space truncation. A deep neural network learns the super-resolution mapping. Ablation experiments demonstrate that T1-weighted images primarily enhance T1 maps, T2-weighted images improve T2 maps, and combined guidance optimally enhances all parameters simultaneously. Validation on independently acquired in-vivo data from a different qMRI sequence confirms cross-qMRI sequence generalizability. Models trained on synthetic data can produce super-resolved maps from a 1-minute acquisition with quality comparable to a 5-minute reference scan, leveraging the scanner-independent nature of relaxometry parameters. By decoupling training from HR qMRI requirement, our framework enables fast qMRI acquisitions enhanced via routine clinical images, offering a practical pathway for integrating quantitative relaxometry into clinical workflows with acceptable additional scan time.


翻译:高分辨率定量磁共振成像弛豫测量技术能够提供客观的组织表征,但由于采集时间过长,在临床上仍未得到充分利用。我们提出了一种基于物理信息的自监督框架,用于定量磁共振成像超分辨率重建。该框架利用常规采集的高分辨率加权磁共振成像扫描作为引导,从而在训练过程中无需高分辨率定量磁共振成像真实值。我们将超分辨率问题构建为贝叶斯最大后验推断,通过最小化两个差异项来实现:(1) 基于超分辨率重建的定量磁共振成像参数图合成的高分辨率图像与通过前向信号模型获取的加权磁共振成像引导图像之间的差异;(2) 采集的低分辨率定量磁共振成像数据与下采样预测结果之间的差异。这一基于物理信息的目标函数使得模型能够在没有高分辨率定量磁共振成像监督的情况下,从临床加权磁共振成像中学习。为验证该概念,我们通过信号方程从高分辨率定量磁共振成像合成加权磁共振成像引导数据以生成训练数据集,随后通过k空间截断降低定量磁共振成像分辨率。深度神经网络学习超分辨率映射关系。消融实验表明:T1加权图像主要提升T1参数图质量,T2加权图像改善T2参数图质量,而组合引导能同时优化所有参数。在不同定量磁共振成像序列独立采集的体内数据上进行验证,证实了该框架具有跨定量磁共振成像序列的泛化能力。利用弛豫参数与扫描设备无关的特性,基于合成数据训练的模型能够从1分钟采集数据中生成超分辨率参数图,其质量可与5分钟参考扫描结果相媲美。通过解除训练过程对高分辨率定量磁共振成像数据的依赖,本框架能够借助常规临床图像增强快速定量磁共振成像采集,为将定量弛豫测量技术以可接受的额外扫描时间整合到临床工作流程提供了实用途径。

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