学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于随机优化理论的3D ECT数据校正及图像重建

作　者: 高飞
导　师: 刘华锋
学　校: 浙江大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 发射断层成像随机优化数据校正散射校正状态空间图像重建多示踪剂重建
分类号: R817.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 129次
引　用: 2次
阅　读: 论文下载

内容摘要

发射断层成像(Emission Computed Tomography,ECT)可分为正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)和单光子发射断层成像(Single PhotonEmission Computed Tomography,SPECT)两大类,它借助放射性核素标记的示踪剂药物在生物体内参与代谢的过程,记录放射性核素发生衰变产生的γ光子,能够显示人体正常和病变器官的代谢变化,其数据和图像的准确程度,对于疾病的诊断和基本生命过程的认知与了解都至关重要。随着现代ECT扫描仪全3D采集模式的普及,大大提高了系统的灵敏度,缩短了采集时间,但是由此带来的散射光子、视野外光子、探测器数目的增加及效率的改变、采集数据的复杂化等将大大影响全3D采集模式的效率,因此必须提出针对全3D采集模式的数据校正方法及新的适应性更强的鲁棒重建算法。本文针对上述问题,基于随机优化理论开展3D ECT的数据校正及图像重建的相关工作。随机优化理论的应用主要有两种形式:1、通过蒙特卡罗模拟的优化求解;2、求解问题过程中优化处理系统噪声。本文中第一种蒙特卡罗模拟的优化求解形式用于3DECT的数据校正,第二种优化处理噪声的形式用于状态空间描述下的ECT图像重建。本文的主要内容及贡献如下:1.作为数据校正的基础,本文首先参照全身用PET扫描仪性能测试的国际标准完成了对中国大陆首台小动物PET扫描仪的全面性能测试,详细的给出了空间分辨率、灵敏度、散射分数、图像质量等的测试方法及测试结果,为后续工作的开展奠定了基础并为国内相关研究工作提供了参照。2.利用蒙特卡罗模拟对全身用全3D PET扫描仪和含有钨挡板的2D/3D小动物用PET扫描仪进行建模,对PET系统进行散射特性分析,系统的分析了3D采集条件下正电子发射断层成像仪的散射分数、散射分布、多次散射、视野外散射四个主要方面和2D采集条件下挡板对散射分数和散射分布的影响。3.以单散射模拟法(Single Scatter Simulation,SSS)为基础,利用基于蒙特卡罗模拟直接估计散射分布的方法来进行全3D PET的散射校正。针对全3D散射校正中的两个难点(特别是大体模实验中):多次散射光子和轴向视野外光子,根据蒙特卡罗散射特性分析的结果,提出了新的统一化方法(Scale Method),实现了更为精确的散射校正,并已将其应用于实际的全身用全3D PET扫描仪上。4.在已有的状态空间图像重建框架的基础上,进一步推广了可以用于鲁棒图像重建的算法,并且考虑到实际采集过程中系统概率矩阵和采集数据中的不确定性因素,引入了不确定性惩罚加权的最小二乘估计,开辟了在重建过程中考虑系统不确定性的新思路。5.利用鲁棒的无味卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)框架来求解衰减系数和放射性浓度同时估计的问题。两步迭代的滤波顺序地用于估计放射性浓度分布和衰减系数分布。UKF相对于传统的求解方法也能更好的处理系统噪声、测量数据噪声和建模的误差。本方法为ECT放射性浓度和衰减系数的同时估计提供了一种新的实用的方法。6.本文首次建立了同时估计多示踪剂放射性浓度分布的动态PET重建框架。使用状态空间理论建模了多次注射、单次扫描的过程,使用多示踪剂的平行房室模型作为状态空间体系的状态方程,同时将复合的光子采集过程作为系统的测量方程,从而将重建问题变为了状态空间体系下的状态估计问题,最后应用H_∞滤波来做系统的鲁棒估计。本方法首次实现了多示踪剂放射性浓度的同时鲁棒估计。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-15
第一章绪论  15-21
  1.1 引言  15-16
  1.2 3D ECT数据校正及图像重建的研究现状及存在的问题  16-18
    1.2.1 3D ECT数据校正  16-17
    1.2.2 ECT图像重建  17-18
  1.3 论文的主要内容及创新点  18-20
    1.3.1 3D ECT数据校正  18-19
    1.3.2 3D ECT图像重建  19-20
    1.3.3 论文创新点  20
  1.4 论文的结构安排  20-21
第二章 ECT技术  21-47
  2.1 PET和SPECT  21-29
    2.1.1 PET工作原理  21-25
    2.1.2 SPECT工作原理  25-26
    2.1.3 ECT数据存储-Sinogram  26
    2.1.4 ECT数据重组  26-27
    2.1.5 ECT图像重建  27-29
  2.2 PET扫描仪性能测试  29-35
    2.2.1 全身用PET性能测试方法  30-32
    2.2.2 小动物PET性能测试方法  32-35
  2.3 小动物PET性能测试结果  35-41
    2.3.1 空间分辨率  35-36
    2.3.2 绝对灵敏度和三维灵敏度  36
    2.3.3 散射率  36-39
    2.3.4 图像实验  39
    2.3.5 小结  39-41
  2.4 成像系统模型:发射扫描和透射扫描  41-43
    2.4.1 ECT成像的发射扫描摸型  41-42
    2.4.2 ECT成像的透射扫描模型  42-43
  2.5 药物动力学  43-47
    2.5.1 药物动力学的数学模型-房室模型  43-45
    2.5.2 参数的计算方法  45-47
第三章基于蒙特卡罗方法的PET散射特性分析及散射校正  47-74
  3.1 散射校正方法概述  47-50
    3.1.1 基于能量窗识别的方法  47-48
    3.1.2 将散射补偿加入迭代重建过程的方法  48
    3.1.3 基于卷积或反卷积处理的方法  48-49
    3.1.4 利用蒙特卡罗模拟直接估计散射分布的方法  49
    3.1.5 几种散射校正方法联合使用的散射校正过程  49-50
  3.2 蒙特卡罗模拟在ECT系统中的应用  50-53
    3.2.1 蒙特卡罗方法  50
    3.2.2 模拟ECT系统使用的蒙特卡罗代码  50-51
    3.2.3 应用GATE进行ECT系统建模  51-53
  3.3 应用Monte Carlo模拟进行PET散射特性分析  53-62
    3.3.1 SHR74000散射特性分析  53-58
    3.3.2 SHR17000散射特性分析  58-62
  3.4 基于SSS的PET散射校正方法  62-68
    3.4.1 SSS的单次康普顿散射模拟  65-66
    3.4.2 数据处理流程  66
    3.4.3 统一化方法(Scale method)  66-68
    3.4.4 TOF信息加入到散射校正中  68
  3.5 散射校正的效果及在实际中的应用  68-74
    3.5.1 模型A实验  69
    3.5.2 模型B实验  69-70
    3.5.3 定量统计分析  70-71
    3.5.4 实际PET扫描仪中的应用  71-74
第四章基于状态空间的放射性浓度重建  74-90
  4.1 控制系统中的状态空间描述  74-75
  4.2 PET成像的状态空间体系  75-77
    4.2.1 PET的测量模型  75-76
    4.2.2 PET的状态模型  76
    4.2.3 PET成像的状态空间体系  76-77
  4.3 求解PET状态空间体系的卡尔曼滤波算法  77-79
    4.3.1 卡尔曼滤波算法  77-78
    4.3.2 卡尔曼滤波实现PET图像重建  78-79
    4.3.3 卡尔曼滤波重建效果演示  79
  4.4 求解PET状态空间体系的H_∞滤波算法  79-81
    4.4.1 H_∞滤波器  80-81
    4.4.2 H_∞滤波重建效果演示  81
  4.5 考虑系统不确定性的UPWLS重建体系  81-90
    4.5.1 最小二乘求解过程  82-83
    4.5.2 状态空间表述  83-85
    4.5.3 UPWLS完整PET图像重建求解过程  85
    4.5.4 实验  85-87
    4.5.5 小结  87-90
第五章 ECT放射性浓度和衰减系数的同时估计  90-104
  5.1 同时估计使用的状态空间框架  91-93
    5.1.1 考虑衰减效应的SPECT发射扫描过程  91-92
    5.1.2 考虑衰减效应的PET发射扫描过程  92
    5.1.3 SPECT成像的状态空间表述  92-93
  5.2 UKF求解过程描述  93-97
    5.2.1 放射性浓度分布的UKF状态估计  93-95
    5.2.2 衰减系数分布的UKF参数估计  95-97
  5.3 同时估计的实验结果及讨论  97-102
    5.3.1 Zubal数字胸腔体模实验  97-99
    5.3.2 真实物理模型采集数据实验  99-101
    5.3.3 真实病人采集数据实验  101-102
  5.4 结论  102-104
第六章动力学参数引导的多示踪剂放射性浓度的同时估计  104-118
  6.1 PET动态重建与平行房室模型  105-108
    6.1.1 PET动态重建  105
    6.1.2 PET动态采集过程建模  105-106
    6.1.3 平行房室模型  106-108
  6.2 状态空间表述及重建求解过程  108-109
    6.2.1 状态空间表述  108
    6.2.2 H_∞滤波器  108-109
  6.3 结果分析及讨论  109-115
    6.3.1 数字体模模拟实验  110-113
    6.3.2 蒙特卡罗模拟实验  113-114
    6.3.3 真实采集数据实验  114-115
  6.4 结论  115-118
第七章总结与展望  118-121
  7.1 本文工作的总结  118
  7.2 本文后续工作的展望  118-121
    7.2.1 3D ECT数据校正  119
    7.2.2 3D ECT图像重建  119-121
参考文献  121-137
攻读博士学位期间研究成果  137

基于随机优化理论的3D ECT数据校正及图像重建

内容摘要

全文目录

相似论文