基于區(qū)域時空行驗的動態(tài)PET重建及PET圖像恢復(fù)算法研究.pdf

1、作為功能分子影像技術(shù)的杰出代表,正電子發(fā)射斷層成像(Positron EmissionTomography,PET)借助探測掃描前注射入活體內(nèi)的經(jīng)放射性核素標(biāo)記的示蹤劑進行顯像,能夠在分子水平上利用影像技術(shù)反映機體的心腦代謝和功能,在腫瘤學(xué),心血管疾病學(xué)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病學(xué)研究中,以及新醫(yī)藥學(xué)開發(fā)研究等領(lǐng)域中顯示出它卓越的性能。
　　 尤其在臨床應(yīng)用方面,隨著放射性藥物化學(xué)和硬件設(shè)備的發(fā)展,PET廣泛應(yīng)用于臨床疾病診斷,已經(jīng)成為重要

2、的影像學(xué)診斷工具。通過對放射性藥物的特異性顯像,PET在腫瘤、心臟病及神經(jīng)和精神系統(tǒng)疾病的臨床診斷中展現(xiàn)出無法替代的優(yōu)點,受到越來越多的關(guān)注和重視。同時,在臨床醫(yī)師眼中,PET如今已成為腫瘤、心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等領(lǐng)域疾病確診和進一步治療實施的金標(biāo)準(zhǔn)。
　　 然而在實際中由于受探測數(shù)據(jù)低計數(shù)率和低信噪比的影響,PET圖像的重建問題在理論上是一個病態(tài)問題。傳統(tǒng)的濾波反投影(Filtered Back Projection,FBP)

3、重建方法雖然具有成像速度快的優(yōu)點,但其重建圖像卻含有大量噪聲,圖像質(zhì)量較差。最大似然期望最大法(Maximum Likelihood ExpectationMaximization,ML-EM)能夠針對系統(tǒng)模型的物理效應(yīng)和探測數(shù)據(jù)和噪聲的統(tǒng)計泊松特性建立數(shù)學(xué)模型,其重建的圖像質(zhì)量要優(yōu)于傳統(tǒng)的FBP方法。然而,單純的傳統(tǒng)ML-EM方法收斂速度較慢,而且在迭代過程中會產(chǎn)生質(zhì)量退化的圖像而導(dǎo)致的棋盤效應(yīng),從而導(dǎo)致非收斂的迭代過程。
　　

4、 如何重建出優(yōu)質(zhì)PET圖像,主要集中在兩個研究方面:一個方面是基于最大后驗估計(Maximum A Posteriori,MAP)方法通過引入先驗信息改善重建圖像質(zhì)量；另一方面是利用濾波降噪等圖像恢復(fù)技術(shù)進行改善圖像質(zhì)量。最大后驗估計方法,也被稱為基于馬爾可夫隨機場(Markov Random Fields,MRF)理論的貝葉斯(Bayesian)重建方法,通過引入正則化項來引進待重建圖像目標(biāo)同位素密度數(shù)據(jù)在空間上的概率分布的先驗信息

5、,能夠明顯改善重建圖像質(zhì)量以及迭代過程的收斂性,該方法已被證明了其在理論上的正確性和實際上的有效性。而在圖像降噪改善圖像質(zhì)量方面,根據(jù)探測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性和重建圖像的噪聲特性,主要從投影數(shù)據(jù)恢復(fù)和重建圖像后處理兩個思路進行。投影數(shù)據(jù)恢復(fù)通過對PET投影數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性進行數(shù)學(xué)建模,一般近似認(rèn)為其滿足Poisson分布,采用相應(yīng)的降噪方法進行恢復(fù)處理；重建圖像后處理則主要針對圖像中的偽影噪聲進行濾波處理。
　　 本文對于PET圖像優(yōu)質(zhì)

6、重建的算法研究同樣也是基于以上兩個方面,作者主要做了以下工作:
　　 (1)提出一種基于區(qū)域時空先驗的動態(tài)PET最大后驗重建方法。該方法基于Bayesian重建理論,充分利用PET圖像的局部空間鄰域信息與房室模型動態(tài)時間信息,并結(jié)合預(yù)分割區(qū)域信息,構(gòu)造了一個區(qū)域時空先驗?zāi)Ｐ?可以在空間和時間上對圖像噪聲進行雙重約束。人體腦部18F-FDG動態(tài)PET仿真實驗結(jié)果表明,所提方法在降低圖像噪聲,提高圖像分辨率以及提高動力學(xué)參數(shù)估計準(zhǔn)確

7、度方面均有較好的效果。
　　 (2)提出一種投影數(shù)據(jù)恢復(fù)導(dǎo)引的PET圖像濾波方法。該方法利用恢復(fù)投影數(shù)據(jù)的重建圖像冗余信息優(yōu)化非局部均值權(quán)重,首先對投影數(shù)據(jù)進行恢復(fù),然后采用傳統(tǒng)的濾波反投影(Filtered Back Projection,FBP)法進行PET圖像重建,隨后利用非局部均值(Non-local means)的思想計算權(quán)值矩陣,接著利用該權(quán)值先驗矩陣導(dǎo)引直接重建FBP圖像的非局部均值濾波。仿真和臨床PET數(shù)據(jù)實驗表