【摘要】：正電子發(fā)射斷層掃描成像(Positron Emission Tomography, PET)是一種非侵入性的醫(yī)學影像技術(shù),可以無創(chuàng)、定量、動態(tài)地反映活體內(nèi)的新陳代謝、生化反應、功能活度與灌注水平。PET是一種對生化過程非常敏感的影像技術(shù),由于任何疾病的發(fā)生、發(fā)展過程從本質(zhì)上都是生化的,這造就了PET在腫瘤、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等重大疾病的早期診斷、治療方案規(guī)劃和療效評估中獨特的應用價值。 傳統(tǒng)PET面向通用的成像目標,采用多個探測器部件組建成接近環(huán)形結(jié)構(gòu)的封閉成像系統(tǒng)。與傳統(tǒng)PET不同,平板PET由一對平板探測器構(gòu)成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、開放且間距可調(diào)節(jié)。其獨特的結(jié)構(gòu)特性有潛力推動諸多新的PET應用的產(chǎn)生和發(fā)展,包括放療、手術(shù)和活檢引導在內(nèi)的與臨床操作同步進行的成像,床旁等有限空間的成像,以及針對特定部位和應用的高靈敏度成像。然而,平板PET存在缺失角和數(shù)據(jù)截斷的問題,傳統(tǒng)方法重建的圖像出現(xiàn)嚴重的偽影和形變。這導致平板PET的發(fā)展一直沒有實質(zhì)性的突破。 本文面向新型PET應用的潛在需求,系統(tǒng)性地研究了平板PET成像方法,探討了平板PET在若干特定應用場景中的成像特性。從小缺失角和部分視角數(shù)據(jù)截斷入手,本文首先研究了迭代重建方法應用于平板PET系統(tǒng)成像的可行性。我們設計并開發(fā)了一臺緊湊型的臨床前平板PET系統(tǒng),實現(xiàn)了30。以下缺失角的成像,結(jié)果顯示圖像未出現(xiàn)顯著的偽影和形變。由于采用了緊湊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)達到了～28.2%的靈敏度,經(jīng)檢索,這是目前有報道的PET靈敏度的最高性能。通過對系統(tǒng)響應矩陣的精確計算,在成像中對視差錯誤進行了校正,系統(tǒng)在達到高靈敏度的同時實現(xiàn)了1.2mm的各向同性的空間分辨率。大鼠18F-FDG的成像結(jié)果對小缺失角平板PET的成像性能進行了系統(tǒng)層級的驗證。 在小缺失角成像得到驗證的基礎上,本文進一步研究了利用飛行時間(Time ofFlight,TOF)實現(xiàn)大缺失角成像的可行性,設計了開放型的臨床平板TOF-PET成像系統(tǒng)。成像結(jié)果證實了TOF的引入可以有效減少缺失角(90。以上)帶來的成像偽影和形變。300ps以上TOF性能,可以幫助系統(tǒng)檢測到1cm以上直徑的熱源病灶,識別非TOF系統(tǒng)無法檢測到的微小病灶,弱化對系統(tǒng)響應矩陣精度及歸一化校正的要求。 在上述工作的基礎上,本文研究了數(shù)據(jù)截斷程度更高的局部重建問題。局部重建對感興趣區(qū)域(Region of Interest, ROI)而非整個目標成像,在多個視角甚至全部視角都存在數(shù)據(jù)截斷。本文探討了TOF-PET數(shù)據(jù)的冗余特性,提出了一種基于TOF的PET局部重建算法,該算法利用TOF測量的湮滅位置處于ROI內(nèi)的數(shù)據(jù)進行重建。利用所設計的平板TOF-PET系統(tǒng)進行了算法驗證,在ROI內(nèi)取得了與傳統(tǒng)全局重建一致的圖像質(zhì)量。由于局部成像只利用與ROI相關(guān)的數(shù)據(jù)進行重建,因此可以大大降低重建數(shù)據(jù)量。所設計的肺部局部成像的案例證實了這一點,對腫瘤區(qū)域達到同樣的成像效果,局部重建僅需全局重建～10%的數(shù)據(jù)量。由于重建計算量由符合事件的數(shù)量決定,因此局部重建有潛力加快成像速度,對于放療引導成像等需要對運動組織實時定位的臨床應用極具實用價值。
【圖文】：

程上易于高性價實現(xiàn)兼有開放性和可調(diào)節(jié)性，一直受到研究人員的關(guān)注。如圖1-1所示，區(qū)別于傳統(tǒng)上懫用多個探測器的環(huán)形PET，平板PET只采用了一對平板探測器即構(gòu)成了整個系統(tǒng)。由于結(jié)構(gòu)上的特性，平板PET在特定的臨床診療和臨床前研宄應用中極具潛力。在諸多臨床聚焦性檢查和治療中，需要針對局部部位得到高質(zhì)量的PET圖像�；谄桨褰Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可針對特定部位和特定應用進行系統(tǒng)定制和優(yōu)化，在可承受的成本下獲得高的靈敏度和空間分辨率[27-M。這些優(yōu)勢在針對特定部位腫瘤的治療規(guī)劃和療效監(jiān)測方面具有獨特的潛在價值：例如在對前列腺癌的診斷中，高靈敏度和高分辨率的PET能幫助判斷是否存在盆腔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移（特別是小于1 cm的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移），從而協(xié)助臨床制定更為科學的治療方案又如在腫瘤綜合治療規(guī)劃 ’中

PEM系統(tǒng)并未采用傳統(tǒng)的PET圖像重建方法，，而是利用焦平面成像（FocalPlane Tomography)方法獲得圖像[⑷。如圖1-2所示，這種方法是在視場（Filed ofView, FOV)中平行于平板探測器的方向設置幾個虛擬的平面，將檢測到的7光子逐個地直接反投影（Back-project)到響應線（Line of Response, LOR)與這些平面的交點上。每做一次反投影，這些交點所在像素的值就會增加。焦平面成像的好處在于簡單易于實現(xiàn)，計算速度較快。主要限制在于這種直接反投影的方式，容易將活度值進行誤定位，且會造成整個圖像本底背景過高，從而導致病灶對比度的退化[60]。另一方面，焦平面成像的方式獲得的是平行于平板探測器方向的平面的活度分布，對于垂直于平板方向的活度分布缺乏有效的解析。由于乳房的構(gòu)成較為單一(多數(shù)為脂肪）
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R817

【共引文獻】

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本文編號：2587249