Deep-Learning-Based Optimization of the Under-Sampling Pattern in MRI

计算机科学 采样(信号处理) 人工智能 混叠 笛卡尔坐标系 压缩传感 迭代重建 卷积神经网络 模式识别(心理学) 集合(抽象数据类型) 网格 计算机视觉 欠采样 数学 滤波器(信号处理) 几何学 程序设计语言
作者
Cagla Deniz Bahadir,Alan Q. Wang,Adrian V. Dalca,Mert R. Sabuncu
出处
期刊:IEEE transactions on computational imaging 卷期号:6: 1139-1152 被引量:132
标识
DOI:10.1109/tci.2020.3006727
摘要

In compressed sensing MRI (CS-MRI), k-space measurements are under-sampled to achieve accelerated scan times. CS-MRI presents two fundamental problems: (1) where to sample and (2) how to reconstruct an under-sampled scan. In this article, we tackle both problems simultaneously for the specific case of 2D Cartesian sampling, using a novel end-to-end learning framework that we call LOUPE (Learning-based Optimization of the Under-sampling PattErn). Our method trains a neural network model on a set of full-resolution MRI scans, which are retrospectively under-sampled on a 2D Cartesian grid and forwarded to an anti-aliasing (a.k.a. reconstruction) model that computes a reconstruction, which is in turn compared with the input. This formulation enables a data-driven optimized under-sampling pattern at a given sparsity level. In our experiments, we demonstrate that LOUPE-optimized under-sampling masks are data-dependent, varying significantly with the imaged anatomy, and perform well with different reconstruction methods. We present empirical results obtained with a large-scale, publicly available knee MRI dataset, where LOUPE offered superior reconstruction quality across different conditions. Even with an aggressive 8-fold acceleration rate, LOUPE's reconstructions contained much of the anatomical detail that was missed by alternative masks and reconstruction methods. Our experiments also show how LOUPE yielded optimal under-sampling patterns that were significantly different for brain vs knee MRI scans. Our code is made freely available at https://github.com/cagladbahadir/LOUPE/.
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