近日，中国科学院分子影像重点实验室惠辉研究员团队以“Accurate Concentration Recovery for Quantitative Magnetic Particle Imaging Reconstruction via Nonconvex Regularization”为题发表在医学成像领域Top期刊IEEE Transactions on Medical Imaging（SCI IF：10.6）上。
磁纳米粒子成像（Magnetic Particle Imaging，MPI）是一种新型高灵敏分子影像断层成像技术，能够实现在体定量磁纳米粒子在体内的浓度分布。基于系统矩阵的重建方法是目前MPI图像重建的主要算法之一。由于系统矩阵的病态性，求解时通常需要使用正则约束。然而当前主流的正则约项仍存在不足：基于Tikhonov正则的重建结果噪声较大，图像边缘过平滑；基于非负融合拉索（NFL）的正则重建结果边缘清晰，但由于其中使用了有偏的L1约束，当L1约束越强，重建结果的偏差将会越大，导致MPI定量成像结果不准确。
针对上述问题，研究人员提出了一种低偏差的非凸混合正则约束方法，实现了高质量的MPI图像定量重建。该方法利用低偏差的非凸正则约束项极大极小凹，抑制传统L1稀疏约束的偏差效应；同时使用总变分约束提升重建浓度分布的均匀性，并使用交替方向乘子法进行求解（图1）。
图1. 本文提出的正则项与传统正则项对比。(a) MC正则与L1正则的可视化对比。(b) 提出正则约束与传统方法的重建对比实验。
研究人员将提出的方法在MPI仿真数据与实测数据上进行验证，相比于现有正则约束，提出方法能够实现高质量的MPI图像定量重建任务（图2）。同时，将该方法在实验室自主研制的MPI成像设备上进行了实验验证（图3），将重建图像的误差由28%降低至8%。
图2 （左侧）不同浓度的椭圆形仿真数据的MPI成像重建结果和误差图对比；（右侧）（a）MPI公开数据集中不同浓度的点状仿体的重建结果与(b)灰度分布曲线对比图。
图3. （左侧）自主研制的MPI成像设备。(右侧) (a) 线型仿体的重建结果图与(b)灰度分布曲线对比图。
本文提出的基于非凸正则的MPI系统矩阵定量重建方法，提升重建质量的同时有效提升了磁纳米粒子浓度的定量效果，有望实现MPI技术在复杂场景中的精准定量成像。该论文第一作者为中国科学院分子影像重点实验室博士二年级研究生朱涛。本文研究工作得到了基金委国家重大科研仪器研制项目（部门推荐），北京市杰出青年科学基金和中国科学院青年创新促进会优秀会员等项目资助。