動(dòng)態(tài)SPECT心臟分子影像中高維成像算法的研究.pdf

1、結(jié)合放射性示蹤劑動(dòng)力學(xué)建模技術(shù),動(dòng)態(tài) SPECT成像能夠量化組織的功能參數(shù)，如攝取速率，清除速率等，有望為醫(yī)生提供絕對(duì)定量診斷指標(biāo)。但是現(xiàn)階段動(dòng)態(tài)SPECT成像技術(shù)依然存在一些問題，影響其臨床推廣。本論文主要圍繞動(dòng)態(tài)SPECT心臟成像中存在的若干問題進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)對(duì)策。
　　首先，由于目前臨床SPECT系統(tǒng)探頭旋轉(zhuǎn)緩慢，時(shí)間分辨率差，而放射性示蹤劑在被成像活體內(nèi)的循環(huán)速度很快，因此慢速旋轉(zhuǎn)SPECT系統(tǒng)采集到的投影數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)

2、嚴(yán)重的不一致，無法利用常規(guī)三維重建算法來獲取放射性示蹤劑在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的分布情況。本論文提出了基于時(shí)空域降維的四維動(dòng)態(tài)重建算法，估計(jì)放射性示蹤劑在不同組織中活度隨時(shí)間變化的曲線。該算法將放射性示蹤劑在體內(nèi)分布達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的投影數(shù)據(jù)疊加,進(jìn)行三維重建得到靜態(tài) SPECT圖像；并將此靜態(tài) SPECT圖像作為先驗(yàn)知識(shí)引入四維動(dòng)態(tài)重建中進(jìn)行空間域降維；同時(shí)在時(shí)間域利用B樣條基函數(shù)進(jìn)行降維。經(jīng)過仿真和大鼠實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，該重建算法能快速準(zhǔn)確地估計(jì)出組織中

3、放射性示蹤劑活度隨時(shí)間變化的曲線（Time Activity Curve，TAC）。
　　利用時(shí)空域降維的動(dòng)態(tài)重建算法，本文對(duì)原發(fā)性高血壓大鼠（Spontaneously Hypertensive Rat，SHR）及其正常對(duì)照組（Wistar-Kyoto,WKY）進(jìn)行22個(gè)月的跟蹤實(shí)驗(yàn)，期間進(jìn)行了四次動(dòng)態(tài)SPECT心臟123I-meta-iodobenzylguanidine(MIBG)和201Thallium(Tl)成像（鼠齡6

4、個(gè)月，11-12個(gè)月，18個(gè)月，21-22個(gè)月時(shí)），分析原發(fā)性高血壓大鼠從高血壓到左心室心肌肥大最終到心力衰竭這個(gè)過程中左心室心肌神經(jīng)支配功能及灌注情況發(fā)生的變化。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：靜態(tài)成像的半定量診斷指標(biāo)-標(biāo)準(zhǔn)攝取值（Standard Uptake Value，SUV），動(dòng)態(tài)成像指標(biāo)-流入速率（Influx Rate），清除速率（Washout Rate），分布容積（Distribution Volume，DV）。結(jié)果表明利用動(dòng)態(tài) SPE

5、CT123I-MIBG成像所計(jì)算的指標(biāo)-分布容積（DV）在原發(fā)性高血壓大鼠鼠齡6個(gè)月時(shí)即可發(fā)現(xiàn)其與正常對(duì)照組的差別，而利用靜態(tài)SPECT123I-MIBG成像指標(biāo)-SUV最早在鼠齡18個(gè)月時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。201Tl成像也得到相似的結(jié)果，動(dòng)態(tài)201Tl成像指標(biāo)-DV在鼠齡18個(gè)月時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，而靜態(tài)201Tl成像指標(biāo)-SUV則在四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的成像實(shí)驗(yàn)中均未發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)比同一種示蹤劑的動(dòng)態(tài) SPECT成像結(jié)果和靜態(tài) SPECT成像結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)SP

6、ECT成像技術(shù)能夠更早地檢測(cè)到功能異常，有利于疾病的早發(fā)現(xiàn)、早治療。同時(shí)，對(duì)比動(dòng)態(tài) SPECT123I-MIBG與201Tl成像，利用123I-MIBG成像在鼠齡6個(gè)月的時(shí)候即可發(fā)現(xiàn)原發(fā)性高血壓大鼠的異常，而利用201Tl成像則在鼠齡18個(gè)月的時(shí)候才能檢測(cè)到原發(fā)性高血壓大鼠的異常。此結(jié)果表明在原發(fā)性高血壓大鼠從高血壓到左心室心肌肥大，最終到心力衰竭的過程中，神經(jīng)功能會(huì)先出現(xiàn)異常，可以作為左心室心肌肥大，心力衰竭的早期影像學(xué)診斷指標(biāo)。

7、r>　　其次，動(dòng)態(tài)SPECT成像推廣到臨床應(yīng)用的另一個(gè)主要問題是采集時(shí)間過長(zhǎng)。本文以123I-MIBG成像為例設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化數(shù)據(jù)采集方案縮短采集時(shí)間的流程。該流程利用之前提出的時(shí)空域降維的動(dòng)態(tài)重建算法，通過不斷調(diào)整B樣條基函數(shù)的控制點(diǎn)，獲取不同的TAC，使得調(diào)整后的TAC與參考值的相對(duì)熵最小，同時(shí)估計(jì)的代謝參數(shù)的協(xié)方差最小。最終根據(jù)調(diào)整后的控制點(diǎn)來確定SPECT探頭在每個(gè)角度的采集時(shí)間。該優(yōu)化方案通過相對(duì)熵（Relative Entro

8、py）來保證調(diào)整后所獲得 TAC的準(zhǔn)確性，通過 D-optimal優(yōu)化算法來保證所獲得的無偏估計(jì)代謝參數(shù)的協(xié)方差最小。將這項(xiàng)技術(shù)用于大鼠動(dòng)態(tài)SPECT123I-MIBG成像采集方案的優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化后的采集方案仿真生成了原發(fā)性高血壓大鼠（SHR）與其正常對(duì)照WKY大鼠三種代謝參數(shù)的動(dòng)態(tài)SPECT數(shù)據(jù)，采用基于時(shí)空域降維的動(dòng)態(tài)重建算法和分室模型擬合獲得了SHR與WKY大鼠的代謝參數(shù)。結(jié)果表明優(yōu)化后的非均勻采集時(shí)間間隔的采集方案將傳統(tǒng)方案的采

9、集時(shí)長(zhǎng)從90分鐘降至30分鐘，并且在低劑量成像（劑量為原劑量的1/4）中依然能夠穩(wěn)定地估計(jì)出準(zhǔn)確 TAC和精確的代謝參數(shù)，同時(shí)優(yōu)化的采集方案將存儲(chǔ)空間減少為原來的1/120，計(jì)算時(shí)間降低為1/20，為動(dòng)態(tài)SPECT技術(shù)的臨床推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　心臟跳動(dòng)是 SPECT心臟成像質(zhì)量的一大影響因素。針對(duì)這一問題,本論文提出了一種新的門控SPECT心臟成像重建算法，該算法將心臟相位圖像表示為一個(gè)低秩矩陣和一個(gè)稀疏矩陣的疊加。其中低秩

10、矩陣對(duì)應(yīng)于心跳周期中灰度不隨著心臟跳動(dòng)發(fā)生變化的部分，而稀疏矩陣對(duì)應(yīng)于心跳周期中灰度隨著心臟跳動(dòng)發(fā)生變化的部分，用降采樣的B樣條基函數(shù)及其系數(shù)的乘積來表示。將提出心臟相位圖像重建算法與臨床上基于分窗的重建算法進(jìn)行比較。結(jié)果表明本論文提出的算法在重建圖像的質(zhì)量、左心室心肌灰度均勻性以及心臟缺血診斷上均優(yōu)于基于分窗的重建算法。而且利用本文提出的心臟相位重建算法可以在不增加劑量的情況下重建出一個(gè)心跳周期中更多相位的心臟圖像，為利用SPECT自