基于隨機(jī)優(yōu)化理論的3D ECT數(shù)據(jù)校正及圖像重建.pdf

1、發(fā)射斷層成像(Emission Computed Tomography，ECT)可分為正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography，PET)和單光子發(fā)射斷層成像(Single PhotonEmission Computed Tomography，SPECT)兩大類，它借助放射性核素標(biāo)記的示蹤劑藥物在生物體內(nèi)參與代謝的過(guò)程，記錄放射性核素發(fā)生衰變產(chǎn)生的γ光子，能夠顯示人體正常和病變器官的代謝變化，其數(shù)據(jù)和圖

2、像的準(zhǔn)確程度，對(duì)于疾病的診斷和基本生命過(guò)程的認(rèn)知與了解都至關(guān)重要。
　　 隨著現(xiàn)代ECT掃描儀全3D采集模式的普及，大大提高了系統(tǒng)的靈敏度，縮短了采集時(shí)間，但是由此帶來(lái)的散射光子、視野外光子、探測(cè)器數(shù)目的增加及效率的改變、采集數(shù)據(jù)的復(fù)雜化等將大大影響全3D采集模式的效率，因此必須提出針對(duì)全3D采集模式的數(shù)據(jù)校正方法及新的適應(yīng)性更強(qiáng)的魯棒重建算法。
　　 本文針對(duì)上述問(wèn)題，基于隨機(jī)優(yōu)化理論開展3D ECT的數(shù)據(jù)校正及圖像重

3、建的相關(guān)工作。隨機(jī)優(yōu)化理論的應(yīng)用主要有兩種形式：1、通過(guò)蒙特卡羅模擬的優(yōu)化求解；2、求解問(wèn)題過(guò)程中優(yōu)化處理系統(tǒng)噪聲。本文中第一種蒙特卡羅模擬的優(yōu)化求解形式用于3DECT的數(shù)據(jù)校正，第二種優(yōu)化處理噪聲的形式用于狀態(tài)空間描述下的ECT圖像重建。本文的主要內(nèi)容及貢獻(xiàn)如下：
　　 1．作為數(shù)據(jù)校正的基礎(chǔ)，本文首先參照全身用PET掃描儀性能測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)完成了對(duì)中國(guó)大陸首臺(tái)小動(dòng)物PET掃描儀的全面性能測(cè)試，詳細(xì)的給出了空間分辨率、靈敏度、

4、散射分?jǐn)?shù)、圖像質(zhì)量等的測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果，為后續(xù)工作的開展奠定了基礎(chǔ)并為國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作提供了參照。
　　 2．利用蒙特卡羅模擬對(duì)全身用全3D PET掃描儀和含有鎢擋板的2D/3D小動(dòng)物用PET掃描儀進(jìn)行建模，對(duì)PET系統(tǒng)進(jìn)行散射特性分析，系統(tǒng)的分析了3D采集條件下正電子發(fā)射斷層成像儀的散射分?jǐn)?shù)、散射分布、多次散射、視野外散射四個(gè)主要方面和2D采集條件下?lián)醢鍖?duì)散射分?jǐn)?shù)和散射分布的影響。
　　 3．以單散射模擬法(Sing

5、le Scatter Simulation，SSS)為基礎(chǔ)，利用基于蒙特卡羅模擬直接估計(jì)散射分布的方法來(lái)進(jìn)行全3D PET的散射校正。針對(duì)全3D散射校正中的兩個(gè)難點(diǎn)(特別是大體模實(shí)驗(yàn)中)：多次散射光子和軸向視野外光子，根據(jù)蒙特卡羅散射特性分析的結(jié)果，提出了新的統(tǒng)一化方法(Scale Method)，實(shí)現(xiàn)了更為精確的散射校正，并已將其應(yīng)用于實(shí)際的全身用全3D PET掃描儀上。
　　 4．在已有的狀態(tài)空間圖像重建框架的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步

6、推廣了可以用于魯棒圖像重建的算法，并且考慮到實(shí)際采集過(guò)程中系統(tǒng)概率矩陣和采集數(shù)據(jù)中的不確定性因素，引入了不確定性懲罰加權(quán)的最小二乘估計(jì)，開辟了在重建過(guò)程中考慮系統(tǒng)不確定性的新思路。
　　 5．利用魯棒的無(wú)味卡爾曼濾波(Unscented Kalman Filter，UKF)框架來(lái)求解衰減系數(shù)和放射性濃度同時(shí)估計(jì)的問(wèn)題。兩步迭代的濾波順序地用于估計(jì)放射性濃度分布和衰減系數(shù)分布。UKF相對(duì)于傳統(tǒng)的求解方法也能更好的處理系統(tǒng)噪聲、測(cè)量

7、數(shù)據(jù)噪聲和建模的誤差。本方法為ECT放射性濃度和衰減系數(shù)的同時(shí)估計(jì)提供了一種新的實(shí)用的方法。
　　 6．本文首次建立了同時(shí)估計(jì)多示蹤劑放射性濃度分布的動(dòng)態(tài)PET重建框架。使用狀態(tài)空間理論建模了多次注射、單次掃描的過(guò)程，使用多示蹤劑的平行房室模型作為狀態(tài)空間體系的狀態(tài)方程，同時(shí)將復(fù)合的光子采集過(guò)程作為系統(tǒng)的測(cè)量方程，從而將重建問(wèn)題變?yōu)榱藸顟B(tài)空間體系下的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題，最后應(yīng)用H∞濾波來(lái)做系統(tǒng)的魯棒估計(jì)。本方法首次實(shí)現(xiàn)了多示蹤劑放射性