本文關(guān)鍵詞：PET心肌靶心圖定量分析及圖像重建，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography,PET)是核醫(yī)學(xué)最尖端技術(shù)的代表,是一種非侵入式的核醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。它利用放射性核素標記一些化合物,作為一種示蹤物質(zhì),直接注入人體內(nèi),然后從體外不同角度采集體內(nèi)放射出的射線,再利用計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行圖像重建。PET作為一種無創(chuàng)的檢測技術(shù),通過探測人體內(nèi)攝入放射性核素的分布,可以動態(tài)、定量地評估體內(nèi)各種器官的代謝水平(如心腦代謝)和功能,在心血管疾病、腫瘤學(xué)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和預(yù)后評估上占有重要地位。PET能夠反映人體分子水平上的心肌代謝和功能,具有較高的特異性和靈敏度。利用動力學(xué)模型,可獲得生理或生化參數(shù)。冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)是20世紀中期以來發(fā)達國家的主要死因,為進行性疾病。在我國,冠心病的死亡率及發(fā)病率都逐年上升,使得冠心病的早期診斷和預(yù)后評價顯得尤為重要。PET心肌灌注和代謝顯像在心臟疾病的診斷方面有著其它診斷技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。其中,18F-FDG(氟代脫氧葡萄糖)心肌PET顯像被認為是評估心肌活性的金標準。PET心肌灌注和代謝最常用的定量分析方法是極坐標靶心圖法。靶心圖法是將心尖至基底部不同斷層的心肌圓周剖面圖像以同心圓的方式從內(nèi)到外重新排列,使整個左心室心肌投影到一個靶心圖平面上,實際上是不間斷心肌短軸圖像的重建。國外核醫(yī)學(xué)影像研究領(lǐng)域中已經(jīng)廣泛運用計算機和醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù),目前已有處理PET心肌代謝和灌注成像的靶心圖定量分析軟件運用于臨床。如單房室模型的PMOD,雙房室模型的QPET等。國內(nèi)還缺乏相關(guān)研究。本文研究制作一個靶心圖定量分析軟件,并比較半球圓柱心肌模型和橢圓心肌模型的效果。本文的靶心圖定量分析軟件分以下步驟得到：(1)初始短軸圖片的獲取。將人體橫切軸斷層圖像按照心臟自身的長短軸方向重建,獲得三個方向的斷層圖像,即短軸斷層圖像、水平長軸斷層圖像和垂直長軸斷層圖像。其中垂直心臟長軸呈環(huán)狀的斷層圖像便是短軸斷層圖像；(2)最大放射計數(shù)值采樣。心肌最大放射性計數(shù)值采樣是進行心肌放射性核素顯像定量分析的關(guān)鍵。后續(xù)的左心室長軸自動校正、心肌模型擬合和靶心圖繪制都將用到心肌最大放射性計數(shù)值采樣。本研究選用了半球加圓柱模型和橢圓模型兩種心肌采樣模型；(3)左心室長軸取向校正。由于左心室長軸和人體的長軸不平行,為獲得較好的左心室短軸圖像,需要確定并校正左心室的長軸。本文設(shè)計了左心室長軸自動校正方法；(4)左心室心肌模型擬合。對于兩種左心室模型,我們選取不同的目標函數(shù),采用Gauss-Newton最優(yōu)化方法對模型參數(shù)進行擬合；(5)繪制投影靶心圖。對兩種心肌模型擬合得到的斷層圖像,分別制作17段靶心圖。在極坐標下將整個心肌短軸斷層圖像投影到16環(huán)的平面上,從內(nèi)到外依次為心尖帽,心尖,心腔,心底。1至4環(huán)為心尖帽、5至8環(huán)為心尖,9至12環(huán)為心腔,13至16環(huán)為心底。每個圓環(huán)采樣36個最大放射性計數(shù)值點,整個心肌被劃分為576(16×36)個節(jié)段。再將這576個節(jié)段按照美國心臟協(xié)會提出的17節(jié)段法合并成17個節(jié)段。本文利用一組真實的18F-FDG心肌PET代謝圖像做了靶心圖定量分析,并分別比較兩種心肌模型的17段靶心圖和576段靶心圖,直觀上兩種模型生成的靶心圖區(qū)別較小,為了進一步比較兩者的差異,對兩種模型采樣到的576小節(jié)段的放射性計數(shù)最大值做了Bland-Altman分析,利用變異系數(shù)來評估兩種模型的一致性。95%的置信區(qū)間為(-12.7,18.9),兩者的差異均值為2.5,變異系數(shù)為3.76%。實驗結(jié)果表明兩種模型的靶心圖各個節(jié)段無統(tǒng)計學(xué)差異,本文提出的靶心圖定量分析方法適用于這兩種心肌模型。另外,本研究根據(jù)單房室模型仿真了一套PET動態(tài)82Rb心肌灌注圖像,并對其做靶心圖分析。研究結(jié)果顯示,從本文的靶心圖上得到的心肌缺血位置和信息與仿真圖像一致。證明我們的靶心圖定量分析方法是可靠的。靶心圖定量分析方法在PET動態(tài)心肌血流(MBF)的定量分析上有很大的價值。然而,PET動態(tài)重建將數(shù)據(jù)細分到短幀時,會帶入噪聲,從而影響心肌絕對血流的定量分析,限制了PET動態(tài)灌注成像在臨床上的應(yīng)用。傳統(tǒng)上,標準的動態(tài)PET成像由單獨的幀獨立重建得到,然后在體素或感興趣區(qū)(ROI)水平上運用動力學(xué)模型得到時間活度曲線(TAC)。獨立圖像重建主要靠統(tǒng)計圖像重建方法實現(xiàn),例如最大似然期望值法。然而,當(dāng)在低計數(shù)情況下,采用直接最大似然期望值法方差很大,而且方差隨著采樣間隔的增大而增大。有研究提出通過提高動態(tài)幀的重建準確性來估計動力學(xué)參數(shù)的重建策略。例如4D重建利用動態(tài)PET掃描時的時間和空間校正來提高參數(shù)估計的準確性,但是4D重建方法算法復(fù)雜,計算復(fù)雜度高,需要進一步優(yōu)化。目前已有利用PET圖像的稀疏特性進行圖像重建的研究。例如：全變分正則化已經(jīng)在PET重建上得到運用,不論是在圖像空間,還是在測度空間。多維小波去噪可以恢復(fù)隱藏在動態(tài)PET圖像中的生物信號保真度,從而準確的定量心肌灌注。2008年Su和Shoghi提出了小波降噪技術(shù),它對噪聲敏感度低,在高噪聲水平下可以提供更加準確的參數(shù)估計。最近,有研究者提出了利用矩陣的低秩性質(zhì)恢復(fù)圖像,該研究首先在動態(tài)核磁共振成像上受到關(guān)注。學(xué)者Lingala和Liang將其與稀疏先驗結(jié)合分別運用到磁共振圖像的恢復(fù)和重建上。在動態(tài)PET心肌灌注成像上,連續(xù)的圖像之間有高度相關(guān)的冗余信息,使得圖像矩陣有很好的低秩性。另外在圖像的局部區(qū)域,含有血流灌注信息,是稀疏的。因此,PET圖像矩陣X實際上是背景部分L和動態(tài)部分S的疊加。背景部分L代表幀或區(qū)域之間高度相關(guān)的部分(例如肌肉組織和肺),其示蹤劑活度隨時間變化緩慢,是低秩部分。動態(tài)部分S代表幀或區(qū)域之間變化的部分(例如心肌和血池),其示蹤劑活度隨時間快速變化。因此,PET動態(tài)圖像同時具有低秩性和稀疏性。本文在動態(tài)PET心肌灌注成像上提出一種結(jié)合低秩與稀疏懲罰的重建方法(LS),并采用一種改進的split Bregman法來最優(yōu)化求解代價函數(shù)。在仿真研究中,選用單房室模型仿真一套PET心肌82Rb灌注圖像。首先為多個區(qū)域(心肌,肺等)各自估計K1,k2常數(shù)和Fa。動脈血放射示蹤物濃度Ca(t)過計算動脈血采樣的平均值得到。然后,通過K1,k2,Fa這三個參數(shù)以及動脈血放射示蹤物濃度Ca(t)生成一套動態(tài)PET心肌灌注圖像,并利用真實的的PET心肌82Rb灌注成像來優(yōu)化正則化參數(shù)。為評估本文的LS方法,將其與最大似然期望值法(MLEM)及單獨利用稀疏(S)或低秩(L)懲罰的重建方法進行比較。比較不同重建算法得到的每一幀動態(tài)圖像的均方誤差(MSE),結(jié)果顯示：MLEM方法的每一幀的MSE值都明顯大于其它三種算法；單獨采用低秩懲罰(L)重建的圖像的MSE要小于單獨采用稀疏懲罰(S)重建的圖像的MSE；利用本文方法重建的圖像,其MSE最小。為提供直觀視覺比較,研究收集了上述四種算法重建的圖像和參考組的真實圖像。實驗結(jié)果表明MLEM算法與稀疏懲罰(S)大幅增加了噪聲水平,低秩懲罰(L)和本文的方法明顯降低了噪聲水平。與低秩懲罰(L)重建相比,本文的方法保留了更多圖像特征。此外,為評價心肌缺損,研究還生成了左心室心肌靶心圖。通過靶心圖分析方法對不同重建算法進行比較,研究發(fā)現(xiàn),與其它重建方法相比,LS重建圖像的靶心圖的灰度值和參考組真實的靶心圖較相似,無論是在正常心肌區(qū)域還是缺損部分,與參考靶心圖的偏差都最小,并能夠準確的反應(yīng)出心肌缺血位置和信息。
【關(guān)鍵詞】：正電子發(fā)射斷層成像 心肌灌注 心肌代謝 靶心圖 動態(tài)成像 重建
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R817;TP391.41
【目錄】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-17
• 第一章 緒論17-23
• 1.1 引言17-18
• 1.2 研究背景18-21
• 1.3 本文的主要工作21-22
• 1.4 本文的結(jié)構(gòu)22-23
• 第二章 PET成像原理23-34
• 2.1 正電子成像的物理基礎(chǔ)23-25
• 2.2 數(shù)據(jù)的獲取格式25-27
• 2.3 數(shù)據(jù)校正27-31
• 2.3.1 歸一化校正27-28
• 2.3.2 散射符合校正28
• 2.3.3 隨機符合校正28-29
• 2.3.4 衰減校正29-30
• 2.3.5 死時間校正30-31
• 2.4 數(shù)據(jù)采集模式31-32
• 2.5 統(tǒng)計迭代PET重建32-34
• 2.5.1 MLEM重建算法32-33
• 2.5.2 MLEM算法的加速方法33-34
• 第三章 PET心肌顯像靶心圖定量分析方法34-53
• 3.1 引言34-35
• 3.2 基礎(chǔ)理論35-38
• 3.2.1 PET心肌灌注顯像的基本原理35
• 3.2.2 PET心肌代謝顯像的基本原理35-36
• 3.2.3 靶心圖定量分析方法36-38
• 3.3 本文方法38-48
• 3.3.1 初始短軸圖片的獲取39-41
• 3.3.2 心肌最大放射性計數(shù)值采樣41-43
• 3.3.3 左心室長軸自動校正43-46
• 3.3.4 心肌模型擬合46-48
• 3.3.5 繪制17段靶心圖48
• 3.4 實驗和結(jié)果48-52
• 3.4.1 心肌代謝靶心圖49-51
• 3.4.2 心肌灌注靶心圖51-52
• 3.5 討論與結(jié)論52-53
• 第四章 基于低秩與稀疏懲罰的PET動態(tài)圖像重建算法53-63
• 4.1 引言53-54
• 4.2 本文方法54-57
• 4.2.1 低秩矩陣的恢復(fù)54
• 4.2.2 L&S模型重建PET動態(tài)灌注圖像54-56
• 4.2.3 最優(yōu)化方法56-57
• 4.3 實驗57-59
• 4.3.1 ~(82)Rb動態(tài)PET心肌灌注仿真研究57-59
• 4.3.2 PET仿真斷層成像59
• 4.4 實驗結(jié)果59-61
• 4.5 結(jié)論和討論61-63
• 第五章 總結(jié)和展望63-65
• 5.1 本文工作總結(jié)63-64
• 5.2 未來工作和展望64-65
• 參考文獻65-70
• 攻讀學(xué)位期間成果70-71
• 致謝71-73

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 魏夏平;江學(xué)文;馬曉勉;路利軍;;一種結(jié)合低秩與稀疏懲罰的PET動態(tài)圖像重建方法[J];南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報;2015年10期

2 彭程;趙祚全;陳淑婷;馬云川;張現(xiàn)忠;陸潔;;~(18)F標記的新型擕正陽離子PET心肌灌注顯像劑的制備及生物性能評價[J];同位素;2014年04期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 刁楠;雙源CT心肌灌注成像的實驗和臨床研究[D];華中科技大學(xué);2014年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 單福祥;尼可地爾對穩(wěn)定性冠心病心肌灌注的影響[D];新疆醫(yī)科大學(xué);2014年

  本文關(guān)鍵詞：PET心肌靶心圖定量分析及圖像重建，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：305945