【摘要】：正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography, PET)使用放射性核素標(biāo)記核酸、受體、酶等生物分子作為示蹤劑,對生物體內(nèi)生化、代謝等功能性變化過程進行活體顯像,已經(jīng)在腫瘤、心臟系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等疾病的早期診斷以及新藥開發(fā)等方面顯示出巨大前景,是目前功能分子影像技術(shù)的杰出代表。在動態(tài)PET成像模式下,通過動力學(xué)模型的應(yīng)用,可以得到各組織器官的局部血流量、物質(zhì)轉(zhuǎn)運速率、代謝速度和受體結(jié)合率等功能參數(shù),從而在分子水平上定量直觀地反映機體代謝和功能狀態(tài)。顯然,相對于靜態(tài)PET成像所提供的定性的組織器官的示蹤劑活度分布圖像,動態(tài)PET成像通過應(yīng)用動力學(xué)模型所提供的定量的功能參數(shù)具有更為豐富的意義。例如,在肺癌的診斷中,靜態(tài)PET成像通常造成診斷假陽性、不準(zhǔn)確的分期,特別是在FDG-PET診斷中,極易把高代謝的炎癥區(qū)域誤認為是腫瘤,而動態(tài)PET成像提供的定量功能參數(shù)已經(jīng)證實可以有效降低診斷假陽性。據(jù)新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志等權(quán)威期刊報道,在腦部重大疾病如阿爾茲海默癥(Alzheimer's disease,簡稱AD)的早期診斷中,動態(tài)腦PET掃描在AD診斷、病情預(yù)測、治療藥物評價等多方面研究中都發(fā)揮了重要的作用。然而,動態(tài)PET掃描中,為了準(zhǔn)確估計功能參數(shù),需要在一定時間內(nèi)獲取連續(xù)時間點的PET活度分布圖像。毋庸置疑,隨著動態(tài)PET掃描時間采樣的提高,單個時間幀的PET探測數(shù)據(jù)會相應(yīng)減少,重建圖像受有限光子計數(shù)的影響噪聲水平會顯著提高,直接影響動力學(xué)參數(shù)估計的準(zhǔn)確性與可靠性。因此,如何進行優(yōu)質(zhì)的動態(tài)PET圖像重建及動力學(xué)參數(shù)估計是目前動態(tài)PET成像中亟待解決的難題。目前,臨床中動態(tài)PET成像常規(guī)的圖像重建流程為：首先將采集到的動態(tài)序列投影數(shù)據(jù),也稱之為smogram數(shù)據(jù),應(yīng)用解析重建或者迭代重建的方法逐個時間幀進行活度圖像重建,然后由重建的動態(tài)序列活度圖像應(yīng)用動力學(xué)模型進行定量參數(shù)的估計。其中單個時間幀的重建與靜態(tài)PET圖像重建相同,然而,由于單個時間幀采集時間較短,采集到的光子計數(shù)率較低,掃描得到的投影數(shù)據(jù)信噪比較低。這使得動態(tài)PET成像中圖像重建問題在理論上成為一個病態(tài)的逆求解問題。針對單個時間幀活度圖像重建,常用的解析重建方法主要為濾波反投影(Filtered Back Projection, FBP)重建算法,其具有成像速度快的優(yōu)點,不受臨床應(yīng)用對時間的限制,但是FBP重建的圖像中存在大量的噪聲,圖像質(zhì)量較差,會對臨床影像診斷帶來極大干擾；另一種常用重建策略為迭代重建,目前臨床中廣泛使用的為最大似然期望最大(Maximum-Likelihood Expectation-Maximization, ML-EM)重建算法以及其改進算法,ML-EM類算法通過對PET成像系統(tǒng)模型中的物理效應(yīng)以及對探測數(shù)據(jù)的噪聲統(tǒng)計特性進行數(shù)學(xué)建模,重建得到的活度圖像質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)的FBP重建算法。然而,單純的ML-EM重建算法存在的問題是迭代重建收斂速度較慢,而且在迭代過程中會導(dǎo)致重建圖像質(zhì)量退化,出現(xiàn)棋盤格偽影效應(yīng)(checkboard effect),整個迭代重建過程是非收斂的。針對常用重建方法中的問題,基于貝葉斯(Bayesian)最大后驗(Maximum A Posteriori, MAP)框架將待重建圖像先驗信息的合理引入成為PET圖像乃至醫(yī)學(xué)斷層圖像重建的一個研究熱點。最大后驗重建算法通過構(gòu)建正則化項的形式引入待重建圖像空間概率分布的先驗信息,可以顯著改善迭代重建圖像質(zhì)量并可以保證迭代重建過程的收斂性。在PET成像研究中,最大后驗重建算法在理論上已被證明是正確的,在實際應(yīng)用中是有效的。除統(tǒng)計迭代重建技術(shù)之外,根據(jù)PET投影數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性或者活度圖像的噪聲特性,基于投影數(shù)據(jù)恢復(fù)和圖像降噪后處理的方法也先后提出以改善PET活度圖像的質(zhì)量,提高圖像的信噪比。由于單個時間幀的活度圖像重建很難考慮到動態(tài)PET序列圖像中的動力學(xué)時間信息,如何挖掘和利用動態(tài)PET數(shù)據(jù)的時間信息成為近來PET研究的一個熱點問題�？紤]到動態(tài)PET序列活度圖像反應(yīng)的是放射性示蹤劑在組織內(nèi)隨時間變化的活度分布,其對應(yīng)的解剖斷面是相同的,動態(tài)序列圖像之間存在很大的冗余性,因此可以利用數(shù)據(jù)冗余特性設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型或者圖像濾波器形式。另外,由于動態(tài)PET成像中相同組織內(nèi)的放射性示蹤劑的生理代謝過程是相同或者相似的,具體表現(xiàn)為動態(tài)序列活度圖像中相同組織區(qū)域內(nèi)像素點對應(yīng)的時間活度曲線具有相同或者相似的變化趨勢,因此可以將像素點對應(yīng)的時間活度曲線作為反應(yīng)動態(tài)PET動力學(xué)信息的特征,用以設(shè)計相應(yīng)的濾波器形式或者先驗?zāi)Ｐ�。本篇論文針對動態(tài)PET圖像的優(yōu)質(zhì)重建正是基于后者分別從統(tǒng)計迭代重建和圖像濾波兩個方面展開的。而對于動態(tài)PET動力學(xué)參數(shù)估計,目前常用的方法有非線性最小二乘法和Patlak圖形法兩種。除此之外,還有廣義線性最小二乘法、輸出函數(shù)卷積法以及Logan圖形法等。非線性最小二乘法是根據(jù)動力學(xué)房室模型建立動力學(xué)參數(shù)與像素點時間活度曲線之間的非線性關(guān)系式,由重建得到的動態(tài)PET序列活度圖像提取像素點或者感興趣區(qū)域的時間活度曲線作為已知量,求解非線性關(guān)系式中的動力學(xué)參數(shù)值。Patlak圖形法由Patlak等人首先提出,主要應(yīng)用于FDG-PET研究中,其要求FDG磷酸化為FDG-6-PO4的過程是不可逆的,即k4=0。實際中,在FDG-6-PO4濃度不太高的情況下,可忽略k4,基本符合Patlak方法的要求。根據(jù)Patlak的理論,在系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)后(tt0,t0為達到平衡狀態(tài)所需的時間),房室模型的輸入函數(shù)與輸出函數(shù)滿足一個線性表達,通過計算由線性函數(shù)對應(yīng)直線的斜率即可進一步求出葡萄糖的代謝率。通過逐個像素點參數(shù)估計即可得到動態(tài)PET序列活度圖像對應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)圖像。非線性最小二乘法和Patlak圖形法均是基于動力學(xué)房室模型導(dǎo)出的,其中Patlak圖形法由于其是線性特點,計算過程簡單,計算速度快,但是受限于其方法成立的兩個假設(shè)條件,即生理代謝過程非可逆和達到平衡狀態(tài),該方法估計的結(jié)果跟實際結(jié)果存在一定偏差,不如非線性最小二乘法可靠性高。本文研究中涉及的動力學(xué)參數(shù)估計均根據(jù)非線性最小二乘法展開。動力學(xué)參數(shù)估計的準(zhǔn)確度與重建得到的時間活度曲線信噪比緊密相關(guān)。為了提高動力學(xué)參數(shù)估計的準(zhǔn)確度,直接的方式為提高時間活度曲線的信噪比,即提高動態(tài)序列活度圖像的信噪比,可以通過最大后驗迭代重建或者圖像降噪的手段實現(xiàn)。除了提升時間活度曲線信噪比,也有研究者提出在參數(shù)估計中引入正則化項,對估計的參數(shù)進行先驗約束,一般為平滑約束。例如,Zhou等人采用空間平滑約束進行參數(shù)估計,以降低參數(shù)圖像的噪聲水平；Kamasak對空間平滑正則約束在動力學(xué)參數(shù)估計中的作用進行了研究,并指出在圖像感興趣區(qū)域較小的情況下,單純的空間平滑先驗會導(dǎo)致估計參數(shù)的較大偏差。因此設(shè)計一種自適應(yīng)平滑的先驗?zāi)Ｐ?即在去除噪聲的同時仍可以較好地保持圖像邊緣結(jié)構(gòu),是本文展開的第三個研究。綜上所述,受動態(tài)PET掃描物理因素影響,單幀采樣光子計數(shù)率低,重建的動態(tài)序列活度圖像噪聲大,進而降低動力學(xué)參數(shù)估計的準(zhǔn)確度。本論文根據(jù)動態(tài)PET數(shù)據(jù)的動力學(xué)特性,分別從圖像后處理的濾波器設(shè)計,最大后驗重建的先驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建以及動力學(xué)參數(shù)估計中自適應(yīng)平滑約束的建模三個方面進行了深入的研究,并取得了不錯的實驗結(jié)果,有效提高動態(tài)PET序列活度圖像重建質(zhì)量及動力學(xué)參數(shù)估計的準(zhǔn)確性與可靠性,為動態(tài)PET的優(yōu)質(zhì)成像提供一種探索性的技術(shù)參考。歸納起來,本論文的主要工作分為以下三個部分：1)針對動態(tài)PET成像的特點：(1)動態(tài)序列圖像是對相同解剖位置的放射性示蹤劑活度分布的顯像,所有時間幀的圖像在空間的解剖位置上是不變的,具有相同的空間分布特性；(2)動態(tài)PET成像中相同組織區(qū)域內(nèi)的生理代謝過程是相同或者相似的,即同一組織區(qū)域內(nèi)的動力學(xué)特性是相同的,對應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)是一致的,反應(yīng)在序列圖像中即為相同組織區(qū)域內(nèi)的像素點的時間活度曲線的形狀和變化趨勢是一致的；本文設(shè)計了一種動力學(xué)信息導(dǎo)引的雙邊濾波器。新濾波方法是在傳統(tǒng)的雙邊濾波方法的基礎(chǔ)上,將動態(tài)PET序列圖像中像素點之間的空間鄰近性與像素點對應(yīng)的時間活度曲線的相似性結(jié)合在一起,構(gòu)造了由像素空間鄰近度與時間活度曲線相似度刻畫的濾波權(quán)值。新濾波方法采用時間活度曲線作為動態(tài)PET動力學(xué)特征的體現(xiàn),省去了動力學(xué)房室模型的引入,使得方法實現(xiàn)更為簡便易行。計算機仿真實驗以及臨床前小動物實驗結(jié)果均表明,新濾波方法能夠明顯提高動態(tài)PET序列活度圖像的信噪比,進而提升了動力學(xué)參數(shù)估計的準(zhǔn)確性和可靠性,為臨床影像診斷以及新藥開發(fā)提供了強力支持。2)在最大后驗迭代重建框架下,為引入動態(tài)PET序列圖像合理的先驗信息,同時突破傳統(tǒng)PET重建中先驗信息單純依賴于目標(biāo)圖像空間鄰域信息的約束,本論文充分結(jié)合動態(tài)PET成像的特點,利用其動態(tài)序列圖像的空間鄰域信息和動力學(xué)時間信息,構(gòu)建了一種新的時空邊緣保持先驗?zāi)Ｐ汀Ｐ孪闰災(zāi)Ｐ屯ㄟ^引入動態(tài)PET圖像刻畫局部鄰域位置關(guān)系的空間約束和刻畫時間活度曲線相似度的時間約束,將動態(tài)序列圖像單幀和幀間信息結(jié)合在一起,為動態(tài)PET序列活度圖像的優(yōu)質(zhì)重建提供了更合理有效的正則約束。計算機數(shù)字體模實驗結(jié)果表明,新重建方法相比傳統(tǒng)的PET重建方法,能夠得到信噪比更高的重建圖像,動力學(xué)參數(shù)估計準(zhǔn)確度更高。3)為了降低動態(tài)PET動力學(xué)參數(shù)估計受序列活度圖像噪聲的干擾,本論文在非線性最小二乘求解中引入了一種參數(shù)圖像域的自適應(yīng)平滑先驗約束,提出一種基于自適應(yīng)平滑正則的動力學(xué)參數(shù)估計方法。該先驗?zāi)Ｐ突趧討B(tài)PET成像的特點,即相同組織區(qū)域內(nèi)的動力學(xué)參數(shù)具有一致性以及動力學(xué)參數(shù)圖像之間具有相同的空間分布特性,將像素點對應(yīng)的不同動力學(xué)參數(shù)量看作一維的參數(shù)向量,利用參數(shù)圖像中像素點之間的空間鄰近度與動力學(xué)參數(shù)向量的相似度構(gòu)建而成。新的先驗?zāi)Ｐ蛯τ谕唤M織區(qū)域內(nèi)參數(shù)值具有平滑效果,而在不同組織區(qū)域邊緣能夠保持邊緣信息,對參數(shù)圖像起到自適應(yīng)平滑的作用。自適應(yīng)平滑約束的引入可以提高非線性最小二乘迭代求解進行參數(shù)估計的魯棒性。計算機數(shù)字體模實驗結(jié)果表明,新動力學(xué)參數(shù)估計方法相比無約束的非線性最小二乘法估計的動力學(xué)參數(shù)更為準(zhǔn)確,參數(shù)圖像信噪比更高。
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R817;TP391.41
【圖文】：

得到Ｈ維斷層圖像。不同之處在于ＰＥＴ的探頭比ＳＰＥＣ！更加復(fù)雜、昂貴，逡逑而且ＰＥＴ只接收高能５１邋ＩｋｅＶ的光子對。同時電子符合線路的應(yīng)用也大幅提高了逡逑設(shè)備的探測靈敏度和圖像分辨率。圖１－１為當(dāng)前臨床中仍在使用的Ｈ代核醫(yī)學(xué)影逡逑像設(shè)備，從左到右依次為丫相機、ＳＰＥＣＴ和ＰＥＴ。逡逑■；\＾哺逡逑圖１－１邋Ｈ代核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備逡逑Ｆｉｇ－１－Ｊ邋Ｔｈｉ＂ｅｅ邋TBｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｎｕｃｌｅａｒ邋ｍｅｄｉｃａｌ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ逡逑作為一種核醫(yī)學(xué)成像方式，ＰＥＴ成像反映的是活體代謝、組織功能的一種逡逑顯像。它不同于磁共振成像（Ｍ巧ｎｅｔｉｃ邋Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ邋Ｉｍａｇｉｎｇ，邋ＭＲＩ）和Ｘ線計算逡逑機斷層（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ邋Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＣＴ）成像，后者主要反映的是人體的解剖結(jié)構(gòu)逡逑和形態(tài)的顯像。圖１－２為ＭＲＩ、ＣＴ和ＰＥＴ在頭部解剖位置的圖像顯示。ＰＥＴ成逡逑像作為一種功能成像技術(shù)，通過對人體機體代謝及功能的特異性顯像，成功地逡逑解決了病灶的清晰顯示，使郎器官腫瘤的診斷從單純的解剖影像邁進了功能代逡逑２逡逑

１．２動態(tài)ＰＥＴ成像與靜態(tài)ＰＥＴ成像逡逑根據(jù)ＰＥＴ掃描數(shù)據(jù)采集方式的不同，ＰＥＴ成像分為靜態(tài)ＰＥＴ成像和動態(tài)ＰＥＴ逡逑成像兩種方式。圖１－３分別顯示了靜態(tài)ＰＥＴ掃描與動態(tài)ＰＥＴ掃描兩種成像方式。逡逑其中，靜態(tài)ＰＥＴ成像方式首先將示蹤劑注入人體內(nèi)，經(jīng)過一個等待時間（通常逡逑是２０－４０分鐘）使得示蹤劑在人體內(nèi)活度保持相對穩(wěn)定的時候，開始進行ＰＥＴ逡逑掃描，其結(jié)果是得到一個固定時間段內(nèi)的示蹤劑活度分布圖像；而動態(tài)ＰＥＴ成逡逑像過程首先將整個掃描過程分為一定的時間帖，在每個單獨的時間偵分別獨立逡逑重建圖像，得到隨時間變化的序列的活度分布圖像（四維數(shù)據(jù)；Ｓ維空間和一逡逑維時間）�；^而言，靜態(tài)ＰＥＴ成像由于不需要進行動脈血活度采樣，具有更好逡逑的臨床適用性。通常靜態(tài)ＰＥＴ根據(jù)示蹤劑的相對攝取值作為診斷的依據(jù)，如逡逑４逡逑

逑個維分別代表Ｗ探測器對連線相對于水平角度的角度偏移和距離中屯、點的位逡逑移，如圖２－３所示。實際中，由于一個原目標(biāo)圖像中的點源在此二維數(shù)據(jù)矩陣的逡逑形狀軌跡類似一個正弦波曲線，故此存儲探測數(shù)據(jù)的二維數(shù)據(jù)矩陣又被稱為逡逑ｓｉｎｏｇｒａｍ數(shù)據(jù)矩陣。逡逑］１W W逡逑１１１１逡逑＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝逡逑邐？第ｉ個探測器對符合數(shù)據(jù)或投影數(shù)踞逡逑圖２－３邋ＰＥＴ中二維投影數(shù)據(jù)的獲取與生成逡逑Ｋｇ．邋２－３邋Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋２Ｄ邋ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ邋ｄａｔａ邋ｉｎ邋ＰＥＴ逡逑２．邋１．２邋ＰＥＴ投影數(shù)據(jù)的校正逡逑根據(jù)ＰＥＴ掃描數(shù)據(jù)采集方式的不同，ＰＥＴ成像分為靜態(tài)ＰＥＴ成像和動態(tài)ＰＥＴ逡逑成像兩種方式。在理想環(huán)境下，探測到的光子對只有真實符合事件（Ｔｒｕｅ逡逑ｃｏｉｎｃｉｄ州ｃｅ）彼記錄。也就是說，兩個被探測到的qY滅光子來之同一個衰變并且逡逑沒有改變方向或損失能量。然而由于ＰＥＴ探測器性能的限制化及５ＵＫｅＶ光子逡逑在機體內(nèi)相互作用，探測到的符合事件包括許多無效符合事件，其中有：隨機符逡逑合（Ｒａｎｄｏｍ邋ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ），散射符合巧ｃａｔｔｅｒｅｄ邋ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）和多重符合（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ逡逑１８逡逑

本文編號：2765381