低剂量双能CT迭代重建及稳健PET蒙特卡洛仿真方法研究

发布时间：2020-07-29 19:21

【摘要】：正电子发射成像(Positron emission tomography,PET)是分子影像领域最先进的技术之一,PET图像反映了人体内部各组织新陈代谢的分布,进而发现人体内部新陈代谢异常的组织及病灶。计算机断层成像(Computed tomography,CT)主要作用是对人体组织结构进行显像,能提供清晰的解剖结构信息,具有较高的时空分辨率且简便易用,己广泛应用于临床诊断治疗。单独PET成像存在两个问题:(1)功能病变无法进行解剖定位;(2)利用自身射源进行衰减校正存在问题。PET/CT双模态成像的出现解决了上述两个问题:(1)CT图像与PET图像相互融合,提供了解剖定位信息;(2)CT图像用于PET图像进行衰减校正。近年来,PET/CT技术得到飞速发展,已被广泛应用于诊断各种疾病,如癌症肿瘤、神经系统病变及心血管疾病等。衰减校正是PET成像过程中必不可少的步骤,能够有效的提升PET图像质量。双能CT可以利用物体的能谱特性,得到所需的特定能量下的单能图像,利用此特性双能CT能够得到511 keV能量下的图像,将之转为PET图像的衰减校正因子,进而达到精准校正的目的。由于得到的合成图像是511 keV能量下的相对纯净的单能图像,其与PET光子的衰减系数分布一致性更高,必然优于利用传统CT进行PET衰减校正的方法。对于双能CT,高强度X射线照射有可能引起人体各种疾病的发生,因此减少辐射剂量是非常有必要的,当前CT成像主要有两种降低剂量的数据采集方式:降低入射光子量、减少扫描投影角度数量。然而降低剂量将导致传统重建方法中含有大量噪声和伪影。为了获取优质的图像,需要配以创新型算法,其中以统计迭代重建最为典型,它根据低剂量CT投影数据的统计分布特性和成像系统模型,构建目标函数,通过对目标函数的优化求解实现低剂量CT图像重建。双能CT成像质量直接影响合成图像的准确性,利用不准确的511 keV合成图像对PET进行衰减校正,将增加许多不确定性因素,因此我们对双能CT成像展开了研究:(1)基于均值图像非局部信息先验正则化的低剂量双能CT重建:基于非局部滤波方法和双能CT图像间相似性特点,在迭代重建算法框架下,我们提出了一种新的非局部信息先验正则化,该正则化利用双能CT图像的均值图像作先验。相应重建模型还设计了双能CT投影数据的噪声特性,与新先验一并纳入到了最小加权二乘图像重建目标函数中。实验结果验证了该方法能够有效地重建出高质量图像,包括数字体模实验、物理体模实验以及临床数据分析。(2)基于一种新数据采集方式的低剂量双能CT重建:考虑到低电流和稀疏采样可降低剂量,我们提出了一种相应的双能CT数据采集方式,一方面对双能CT低能量段图像采用低电流的方式实现扫描,其后利用弦图恢复技术对投影数据预处理,进一步实现高质量滤波反投影重建;另一方面对高能量段我们按稀疏角度方式采集,相应的图像重建采用新的PWLS重建方法进行,新方法最大的特点是将低能量恢复后的图像以非局部信息先验形式引入重建。实验结果表明该方法在抑制噪声及去除伪影方面都有显著的效果。另一方面,受限于商业保护,当前PET设备多不对外开放原始数据,更难按照需求采集原始数据。为了给研究PET/CT、PET/DECT相关成像算法作准备,我们设计了两个西门子PET系统仿真模型,即小动物PET系统Inveon PET scanner和临床PET系统Biograph mCT scanner。相关研究如下:(1)基于GATE的Inveon PET系统仿真:首先仿真Inveon模型,再经实验和已公布数据按照NEMANU-42008协议对空间分辨率,灵敏度,散射系数(SF)和噪声等效计数速率(NECR)进行评价。上述指标其仿真实验与实际测量匹配度高,即表明我们的GATE模型可准确地仿真模拟真实Inveon PET系统的所有主要性能特点。(2)基于GATE的Biograph mCT系统仿真:我们进一步设计了一个临床PET系统仿真模型。该模型的设计同样在GATE仿真平台上进行,根据广泛应用的NEMANU2-2007标准协议对其进行了全面的验证,包括三个方面:探测器灵敏度、空间分辨率、散射系数与计数率。结果表明系统仿真模型的有效性。PET仿真模型的建立为PET成像及PET/DECT成像的深入研究建立了基础,仿真模型能为成像方法提供原始投影数据,而这些数据很难在临床中得到。
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R817
【图文】：

三维重建图像,螺旋式扫描,物体,扫描体

单层扫描方式在扫描体积较大的物体时依然耗时较长，这在扫描心脏、肺剧烈运动的器官时，难以避免出现运动造成的强烈伪影。螺旋ＣＴ结合了床技术和滑环技术，通过螺旋式扫描得到被扫描物体的三维重建图像。扫

双能,成像技术

图１．４．双能ＣＴ不同成像技术。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４．邋Ｔｈｅ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ邋ｆｏｒ邋ｄｕａｌ－ｅｎｅｒｇｙ邋ＣＴ邋ｄａｔａ邋ａｑｕｉｚｉｔｉｏｎ逡逑ｌｌ逡逑

示意图,正弦图,示意图

逑（ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ邋ｅｖｅｎｔ）的发生，连接被探测到的两个光子形成响应线（Ｌｉｎｅ邋ｏｆ逡逑Ｒｅｓｐｏｎｓｅ，邋ＬＯＲ）如图１．６邋（ａ）。探测器环在各个方向上收集ＬＯＲ，然后对整个逡逑ＬＯＲ集合进行分配和重组得到投影数据，如图１．６邋（ｂ）。对于ＰＥＴ参数成像，许逡逑多因素可影响和损害ＰＥＴ图像中的定量信息，建立准确的药代动力学模型是非逡逑常重要的［９４］。为了获得高质量的ＰＥＴ图像，ＰＥＴ成像过程中需要对原始数据进逡逑行各种校正，包括归一化、散射校正、衰减校正、探测器死时间校正［９５＿９９］，经过逡逑校正后的数据再进行重建及图像后处理等。逡逑Ｏｂｌｉｑｕｅ邋ｓｍｏｇｒａｍｓ逡逑ＭＭ逡逑—邋＼邋－？？？？，？■邋一一逦一逡逑＿＿逦＼逦＇邋逦邋＿＿逦Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ邋ｔｏｇｅｔｈｅｒ：逦—逡逑Ｊ＿＿逦１邋邋￣逦＿逦（Ａｘｉａｌ邋ｍａｓｈｉｎｇ）逦逦逡逑一邋一邋一逦—■逡逑—邋￣￣逦—逡逑Ｏｂｌｉｑｕｅ邋ａｎｇｌｅ逦－Ｄ邋ｄｉｒｅｃｔ逡逑ｓｉｎｏｇｒａｍｓ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．６．邋３Ｄ邋ＰＥＴ正弦图示意图。（ａ）包含２Ｄ正弦图和所有倾斜正弦图。（ｂ）执行轴逡逑向重组以后的数据。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．６．邋Ａ邋３Ｄ邋ＰＥＴ邋ｓｉｎｏｇｒａｍ邋ｃｏｎｔａｉｎｓ邋ｔｈｅ邋２Ｄ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ｓｉｎｏｇｒａｍｓ邋ａｎｄ邋ａｌｌ邋ｏｂｌｉｑｕｅ邋ｓｉｎｏｇｒａｍｓ邋（ａ）．逡逑Ａｘｉａｌ邋ｍａｓｈｉｎｇ邋ｍａｙ邋ｂｅ邋ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ邋ｔｏ邋ｒｅｄｕｃｅ邋ｔｈｅ邋３Ｄ邋ＰＥＴ邋ｄａｔａ邋ｓｉｚｅ邋（ｂ）．逡逑所收集到的ＬＯＲ数据集

【参考文献】