应用专用平板PET的成像方法研究

发布时间：2020-03-15 19:08

【摘要】：正电子发射断层扫描成像(Positron Emission Tomography, PET)是一种非侵入性的医学影像技术,可以无创、定量、动态地反映活体内的新陈代谢、生化反应、功能活度与灌注水平。PET是一种对生化过程非常敏感的影像技术,由于任何疾病的发生、发展过程从本质上都是生化的,这造就了PET在肿瘤、心血管疾病、神经系统疾病等重大疾病的早期诊断、治疗方案规划和疗效评估中独特的应用价值。传统PET面向通用的成像目标,采用多个探测器部件组建成接近环形结构的封闭成像系统。与传统PET不同,平板PET由一对平板探测器构成,系统结构紧凑、开放且间距可调节。其独特的结构特性有潜力推动诸多新的PET应用的产生和发展,包括放疗、手术和活检引导在内的与临床操作同步进行的成像,床旁等有限空间的成像,以及针对特定部位和应用的高灵敏度成像。然而,平板PET存在缺失角和数据截断的问题,传统方法重建的图像出现严重的伪影和形变。这导致平板PET的发展一直没有实质性的突破。本文面向新型PET应用的潜在需求,系统性地研究了平板PET成像方法,探讨了平板PET在若干特定应用场景中的成像特性。从小缺失角和部分视角数据截断入手,本文首先研究了迭代重建方法应用于平板PET系统成像的可行性。我们设计并开发了一台紧凑型的临床前平板PET系统,实现了30。以下缺失角的成像,结果显示图像未出现显著的伪影和形变。由于采用了紧凑的系统结构,该系统达到了～28.2%的灵敏度,经检索,这是目前有报道的PET灵敏度的最高性能。通过对系统响应矩阵的精确计算,在成像中对视差错误进行了校正,系统在达到高灵敏度的同时实现了1.2mm的各向同性的空间分辨率。大鼠18F-FDG的成像结果对小缺失角平板PET的成像性能进行了系统层级的验证。在小缺失角成像得到验证的基础上,本文进一步研究了利用飞行时间(Time ofFlight,TOF)实现大缺失角成像的可行性,设计了开放型的临床平板TOF-PET成像系统。成像结果证实了TOF的引入可以有效减少缺失角(90。以上)带来的成像伪影和形变。300ps以上TOF性能,可以帮助系统检测到1cm以上直径的热源病灶,识别非TOF系统无法检测到的微小病灶,弱化对系统响应矩阵精度及归一化校正的要求。在上述工作的基础上,本文研究了数据截断程度更高的局部重建问题。局部重建对感兴趣区域(Region of Interest, ROI)而非整个目标成像,在多个视角甚至全部视角都存在数据截断。本文探讨了TOF-PET数据的冗余特性,提出了一种基于TOF的PET局部重建算法,该算法利用TOF测量的湮灭位置处于ROI内的数据进行重建。利用所设计的平板TOF-PET系统进行了算法验证,在ROI内取得了与传统全局重建一致的图像质量。由于局部成像只利用与ROI相关的数据进行重建,因此可以大大降低重建数据量。所设计的肺部局部成像的案例证实了这一点,对肿瘤区域达到同样的成像效果,局部重建仅需全局重建～10%的数据量。由于重建计算量由符合事件的数量决定,因此局部重建有潜力加快成像速度,对于放疗引导成像等需要对运动组织实时定位的临床应用极具实用价值。
【图文】：

示意图,环形,示意图,部位

程上易于高性价实现兼有开放性和可调节性，一直受到研究人员的关注。如图1-1所示，区别于传统上懫用多个探测器的环形PET，平板PET只采用了一对平板探测器即构成了整个系统。由于结构上的特性，平板PET在特定的临床诊疗和临床前研宄应用中极具潜力。在诸多临床聚焦性检查和治疗中，需要针对局部部位得到高质量的PET图像。基于平板结构的系统可针对特定部位和特定应用进行系统定制和优化，在可承受的成本下获得高的灵敏度和空间分辨率[27-M。这些优势在针对特定部位肿瘤的治疗规划和疗效监测方面具有独特的潜在价值：例如在对前列腺癌的诊断中，高灵敏度和高分辨率的PET能帮助判断是否存在盆腔淋巴结转移（特别是小于1 cm的淋巴结转移），从而协助临床制定更为科学的治疗方案又如在肿瘤综合治疗规划 ’中

示意图,成像法,焦平面,示意图

PEM系统并未采用传统的PET图像重建方法，，而是利用焦平面成像（FocalPlane Tomography)方法获得图像[⑷。如图1-2所示，这种方法是在视场（Filed ofView, FOV)中平行于平板探测器的方向设置几个虚拟的平面，将检测到的7光子逐个地直接反投影（Back-project)到响应线（Line of Response, LOR)与这些平面的交点上。每做一次反投影，这些交点所在像素的值就会增加。焦平面成像的好处在于简单易于实现，计算速度较快。主要限制在于这种直接反投影的方式，容易将活度值进行误定位，且会造成整个图像本底背景过高，从而导致病灶对比度的退化[60]。另一方面，焦平面成像的方式获得的是平行于平板探测器方向的平面的活度分布，对于垂直于平板方向的活度分布缺乏有效的解析。由于乳房的构成较为单一(多数为脂肪）
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R817

【共引文献】