基于深度学习的扩散磁共振成像降噪方法研究进展
马素超, 王远军

Research Progress on Diffusion Magnetic Resonance Imaging Noise Reduction Methods Based on Deep Learning
MA Suchao, WANG Yuanjun
表2 基于dMRI的深度学习降噪方法总结
Table 2 Summary of deep learning-based denoising methods for dMRI
模型框架 对应方法 数据来源 优点 展望
CNN 复数域2DCNN[26]

BrainWeb模拟脑数据库

分离实部和虚部处理,较好保留DWI完整信息,优于仅处理幅值图像的方法 目前主要用于2D切片,未来可扩展至3D重构,并结合多b值/多方向DWIs进一步提升降噪性能
Guided DnCNN[27]


30名真实患者的前列腺MRI数据集

通过双输入引导和特征融合机制,利用低b值DWIs的解剖结构信息,提升高b值DWIs的降噪质量并减少过平滑 可进一步优化融合策略和注意力机制;结合k空间与图像域加速技术,有望实现更高效的加速重建
Residual DnCNN[28]

真实采集的带噪声DWIs与合成数据集
用残差学习预测噪声映射,兼顾降噪效率与细节保留,验证了方法在高维任务中的可行性 可探索更少平均次数输入以提升速度,并与运动校正模块结合,以适应临床动态场景
Enhanced SURE-based Method[29]
fastMRI数据集和Siemens Healthineers数据集
仅需输入图像,无需额外噪声先验或扫描设定;利用相邻图像互补信息提升降噪效果 已在fastMRI和西门子7 T场强设备上验证,后续可推广到其他解剖部位,如腹部、膝部DWIs
DeepDTI[31]


Human Connectome Project(HCP)数据集

仅需1个b0图像和6个DWIs即可生成与90个DWIs接近质量的DTI,显著加快采集过程
方向敏感性可能受个体差异和扫描设备影响,需在更多临床人群和不同扫描协议下验证其泛化能力与诊断价值
SDnDTI[32]


HCP数据集


通过子集划分进行损失约束,可在有限样本条件下有效利用7例DWIs进行自监督学习
对极高分辨率或超低信噪比DTI数据,可能需调整子集划分策略,并使用更多DWI方向或更先进的张量拟合方法
JD-CNN[39]


真实采集的低SNR数据和病例数据以及模拟数据集
同时输入所有b值的DWIs,利用跨b值结构相关性联合降噪,增强高b值DWIs的降噪能力 虽未假设噪声分布,但主要在高斯噪声下测试;未来需验证其在更复杂噪声模型下的表现
1D-CNN[13]


HCP数据集以及模拟数据


以重建图像作为监督目标进行训练和评估,可较好解决高b值DWI中SoS重建所引入的噪声 效果依赖高质量参考图像,限制了直接应用范围;后续需扩大数据规模并增强模型鲁棒性
SSECNN[44]


心脏DTI数据


利用不同扩散方向DWI的结构相似性构建自监督信号,并设计Sobel加权损失,有效抑制过平滑 可结合深度学习模型提取更具语义的切片相似性度量,进一步提升匹配精度和降噪效果
MCNN[47]


真实采集的健康受试者、多发性硬化症患者数据以及合成的训练数据

真实采集的健康受试者、多发性硬化症患者数据以及合成的训练数据
直接在幅度图像上完成训练和推理,输入与输出均为SoS图像;标准重建下对噪声峰值伪影更鲁棒 对重建顺序高度敏感;当重建流程变为“先切分后线圈组合”时性能明显下降,不推荐用于高加速场景
CCNN[47]


在复数图像上直接训练与推理,处理实部和虚部信息,较适用于平滑相位并能适应重建顺序变化 基于编码算子的CNN具有较大潜力,可为更强深度学习重建模型提供方向
GNN Node2Node[34]



离体猪心脏、在体人类心脏以及合成数据集


将不同方向DWIs视为图节点,并结合图卷积小波变换进行频谱分解与信息匹配,可同时滤除噪声和谐波干扰,提升结构感知能力 心脏成像易受运动影响,未来可结合运动校正;图信号处理计算开销较大,还需探索更高效实现以满足实时或准实时需求
扩散模型 Di-Fusion[46]



Stanford HARDI、Sherbrooke 3-Shell和PPMI数据集

基于J-invariance优化,仅用成对噪声DWIs训练,并通过迭代式精炼实现高保真重建,在复杂噪声下仍可保留DWIs结构细节 可进一步探索将dMRI物理模型,融入扩散模型或损失函数中,以增强物理可解释性

DDM2[41]


Sherbrooke 3-Shell、Stanford HARDI、PPMI以及真实采集数据
提出三阶段协同策略:先学习噪声分布,再桥接真实噪声与扩散过程,最后生成高质量降噪图像,实现由弱到强的降噪 推理耗时较长,难以满足实时需求;后续可通过推理加速、数据一致性约束及防止结构幻觉等策略进一步改进