PET-DOT混合成像關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、正電子斷層發(fā)射成像(Positron Emission Tomography，PET)和彌散光學層析成像(Diffuse Optical Tomography，DOT)都是能夠?qū)ι锝M織進行定量功能成像的醫(yī)學成像方式。前者借助放射性核素標記的分子探針對活體生物體內(nèi)的生化過程進行顯像;后者則利用人體對近紅外光的透射窗，通過內(nèi)在生色團獲取組織光學參數(shù)的分布進而得到血氧代謝情況。
　　 混合成像是當前醫(yī)學成像領(lǐng)域發(fā)展的熱點，不同成像方

2、式的組合為科研和臨床應用帶來諸多益處。PET和DOT硬件系統(tǒng)能夠較為方便的結(jié)合，圖像可互相驗證，互相補充，PET高分辨圖像還可作為DOT先驗信息。本文在對這兩種成像方法分別研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合混合成像前沿研究方向，分別在硬件構(gòu)建和圖像重建算法方面的一些關(guān)鍵問題做了研究工作，主要內(nèi)容和貢獻如下。
　　 硬件構(gòu)建方面:
　　 1.構(gòu)建了適用于PET/DOT混合成像的小型平板PET系統(tǒng)，利用鍺酸鉍晶體配合新型位置靈敏型光電倍增管

3、作為探測單元，給出了點源、線源等性能測試結(jié)果，還對小鼠進行了靜態(tài)和動態(tài)成像實驗。
　　 2.開發(fā)適用于混合成像的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):利用現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)技術(shù)處理位置分析電路輸出的數(shù)字信號，進行各種控制和判斷;利用光纖和標準并化、串化模塊實現(xiàn)FPGA模塊之間的高速通信;充分利用FPGA和光纖通信技術(shù)帶來的性能提高，研究了適合特定系統(tǒng)的環(huán)狀符合判斷系統(tǒng)架構(gòu);研究了

4、適用于特定系統(tǒng)的時鐘同步方式。
　　 3.對于DOT，根據(jù)混合成像需要，實現(xiàn)了時域信號轉(zhuǎn)換到頻域并進行校正的過程，制作固體體模進行實驗。提供了一種新的實驗方案，為方便的進行多頻率成像提供了工作基礎(chǔ)。
　　 圖像重建算法方面:
　　 4.傳統(tǒng)PET圖像重建方法中都沒有考慮系統(tǒng)矩陣的不確定性，不符合實際應用情況，影響了重建圖像的質(zhì)量。本文開創(chuàng)性的在PET圖像重建過程中針對系統(tǒng)矩陣和采集過程中的不確定性，建立不確定性懲

5、罰加權(quán)最小二乘估計框架，使用最小最大誤差方法求解狀態(tài)空間體系中的目標函數(shù)，得到系統(tǒng)擾動下的穩(wěn)定解。在優(yōu)化PET重建圖像質(zhì)量的同時，也能為DOT提供更加精確的先驗信息。
　　 5.在DOT圖像重建中，為模擬光子在任意形狀組織內(nèi)的傳輸，傳統(tǒng)上使用有限元方法將成像區(qū)域離散表達為節(jié)點和單元的組合來計算。本文引入無網(wǎng)格方法中的無網(wǎng)格伽遼金法，僅僅用節(jié)點來表達成像區(qū)域，避免了有限元方法繁雜的網(wǎng)格劃分和調(diào)整過程，且方便根據(jù)需要隨時調(diào)整節(jié)點分布

6、。計算結(jié)果也表明該方法能夠得到更精確的正問題解。
　　 6.在利用無網(wǎng)格方法精確求解正問題的基礎(chǔ)上，使用第二重自適應稀疏節(jié)點陣列作為重建基，求解DOT逆問題。給出了狀態(tài)空間體系下優(yōu)化表達式和重建策略。同時引入自適應算法，根據(jù)迭代過程中圖像更新變化量自動調(diào)整稀疏節(jié)點陣列分布，在保證重建圖像質(zhì)量的同時，盡量減少了計算量，以適應當前計算機的計算能力。給出了無網(wǎng)格方法應用于DOT圖像重建的表達式和參數(shù)的選擇方式和具體結(jié)果，以仿真模型和實