基于低秩稀疏分解的心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像恢復(fù).pdf

1、正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography)，簡(jiǎn)稱PET，是核醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，是高水平影像診斷的重要標(biāo)志。PET通過(guò)向患者體內(nèi)注射標(biāo)記有放射性核素的生物分子作為示蹤劑，隨后在有效視野內(nèi)進(jìn)行活體顯像，獲取患者體內(nèi)的示蹤劑活度分布圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝過(guò)程和生理變化的定量分析。相比于靜態(tài)PET成像，動(dòng)態(tài)PET成像可提供連續(xù)時(shí)間點(diǎn)上的示蹤劑分布圖像，揭示了示蹤劑活度隨時(shí)間的變化規(guī)律。通過(guò)后期對(duì)動(dòng)態(tài)PE

2、T序列圖像應(yīng)用動(dòng)力學(xué)模型，可進(jìn)一步獲取組織器官的功能參數(shù)，如局部血液流量、新陳代謝速度和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)速率等，從而在分子水平上對(duì)患者體內(nèi)代謝功能狀態(tài)進(jìn)行描述，具有更為豐富的臨床意義。目前，動(dòng)態(tài)PET成像在心腦血管疾病診斷、癌癥病情分期及相關(guān)病理研究等方面均發(fā)揮了非常重要的作用。其中，作為心肌灌注顯像的掃描方式之一，動(dòng)態(tài)PET成像的優(yōu)勢(shì)尤其明顯。
　　心肌灌注顯像(Myocardial Perfusion Imaging，MPI)作為一種

3、檢測(cè)心肌缺血的非侵入檢查方式，具備技術(shù)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、無(wú)創(chuàng)傷等特點(diǎn)，是診斷冠心病首選的無(wú)創(chuàng)性檢查手段。心肌灌注顯像同樣利用了放射性示蹤劑技術(shù)，示蹤劑隨著血液流動(dòng)到達(dá)心肌組織，被有活性的心肌細(xì)胞攝取，而病變的心肌細(xì)胞無(wú)法攝取，造成心肌組織的示蹤劑攝取量存在差異，通過(guò)PET掃描可獲取特定條件下的心肌血流灌注影像。根據(jù)重建的示蹤劑活度分布圖像可直接判斷患者是否存在心肌缺血的情況，了解患者心肌缺血的范圍和程度，實(shí)現(xiàn)冠心病診斷、療效評(píng)價(jià)以及預(yù)后判斷

4、等目的。目前來(lái)說(shuō)，心肌灌注顯像可采用單光子發(fā)射斷層成像(Single Photon Emission Tomography，SPECT)和正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography，PET)兩種掃描方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于SPECT掃描方式，由于探測(cè)技術(shù)和成像機(jī)制的限制，其提供的定性或半定量結(jié)果遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前診斷需求，因此臨床上較少應(yīng)用MP-SPECT掃描。而心肌灌注動(dòng)態(tài)PET顯像(MP-PET)可提供時(shí)間軸上心

5、肌組織對(duì)示蹤劑的攝取變化信息，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)模型可獲取患者體內(nèi)的示蹤劑傳輸效率K1，冠狀動(dòng)脈血流儲(chǔ)備(Coronary FlowReserve，CFR)以及心肌血流量(Myocardial Blood Flow，MBF)等絕對(duì)定量參數(shù)，為冠心病的鑒別診斷、療效觀察以及后期的治療決策提供準(zhǔn)確可靠依據(jù)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值及重要的臨床意義。
　　然而，在MP-PET動(dòng)態(tài)掃描過(guò)程中，為了達(dá)到一定的時(shí)間分辨率，需要在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)獲取連續(xù)時(shí)間點(diǎn)的

6、示蹤劑活度分布圖像。這將導(dǎo)致單個(gè)時(shí)間幀的掃描時(shí)間極短，光子計(jì)數(shù)極少，從而影響單幀PET重建圖像質(zhì)量。在MP-PET臨床應(yīng)用中，直接用單幀投影數(shù)據(jù)重建得到的單幀PET圖像受噪聲影響極大，圖像質(zhì)量嚴(yán)重退化，這給圖像后期定量分析的準(zhǔn)確性和可靠性帶來(lái)一定影響，也在一定程度上限制了MP-PET的臨床應(yīng)用。因此，在現(xiàn)有硬件條件與掃描協(xié)議下，如何克服低光子計(jì)數(shù)問(wèn)題獲取優(yōu)質(zhì)的PET圖像一直是PET成像技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　傳統(tǒng)的PET圖像重建

7、方法采用依次對(duì)單幀投影數(shù)據(jù)應(yīng)用最大似然-期望最大重建算法(Maximum-Likelihood Exception-Maximum，MLEM)。然而，MLEM重建受有限光子計(jì)數(shù)影響，噪聲水平顯著提高，圖像質(zhì)量嚴(yán)重退化。針對(duì)該問(wèn)題，目前主要有兩種解決方法:(1)引入先驗(yàn)的圖像重建策略;(2)圖像恢復(fù)技術(shù)。針對(duì)第一種解決方法，有學(xué)者在傳統(tǒng)的重建模型中引入相關(guān)先驗(yàn)信息達(dá)到提升圖像質(zhì)量的目的。但如何選擇合理的先驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵彩且粋€(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。也有學(xué)者

8、提出在重建過(guò)程中引入動(dòng)態(tài)PET序列圖像的時(shí)空相關(guān)性，如4D重建，從而降低圖像噪聲水平，提高重建圖像質(zhì)量。然而，4D重建算法的優(yōu)化和計(jì)算極其復(fù)雜，較高的時(shí)間代價(jià)導(dǎo)致該重建策略并不適合應(yīng)用于臨床。與此相對(duì)，原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的圖像恢復(fù)技術(shù)更為臨床上廣泛采用。
　　圖像恢復(fù)技術(shù)是指在圖像域里對(duì)重建的PET噪聲圖像進(jìn)行恢復(fù)，圖像重建算法可以是MLEM算法或OSEM(Ordered-Subset Exception-Maximum)算法。最

9、為簡(jiǎn)單的圖像恢復(fù)技術(shù)為高斯濾波，其濾波核在空間上是移不變的，無(wú)法保持組織結(jié)構(gòu)的邊緣細(xì)節(jié)信息，因此容易導(dǎo)致圖像的模糊效應(yīng)。對(duì)于邊緣保持濾波或非局部均值濾波等方法，其恢復(fù)效果更多的依賴于濾波過(guò)程中超參數(shù)的選取，而如何選取參數(shù)目前仍是一個(gè)公開(kāi)的問(wèn)題。引入CT/MRI解剖信息的PET圖像恢復(fù)方法受PET圖像與解剖圖像之間匹配程度的影響較大，要求患者在兩次掃描過(guò)程中不能存在明顯的運(yùn)動(dòng)幅度，實(shí)施難度較大。另外一種較為主流的動(dòng)態(tài)PET圖像恢復(fù)策略HY

10、PR考慮了合成圖像的特性，利用合成圖像的高信噪比改善時(shí)間序列圖像的信噪比。HYPR策略要求序列圖像之間的空間位置必須一一對(duì)應(yīng)。上述幾種圖像恢復(fù)方法主要針對(duì)二維圖像濾波，即依次對(duì)單幀PET圖像進(jìn)行恢復(fù)。由于未考慮到動(dòng)態(tài)序列中圖像與圖像間存在的關(guān)聯(lián)，因此用于動(dòng)態(tài)PET圖像恢復(fù)并不十分合適，恢復(fù)效果有限。鑒于此，有學(xué)者提出基于稀疏特性的圖像恢復(fù)技術(shù)，如引入總變分正則化項(xiàng)的圖像恢復(fù)算法或是基于小波分解的圖像恢復(fù)方法。相比于單個(gè)時(shí)間幀的濾波方法，

11、基于稀疏特性的圖像恢復(fù)方法明顯表現(xiàn)更優(yōu)。
　　目前來(lái)說(shuō)，針對(duì)心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像恢復(fù)的研究較少，臨床上通常采用傳統(tǒng)的圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行恢復(fù)，尚無(wú)專用于心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像的恢復(fù)方法。然而，由于心肌灌注掃描區(qū)域的特殊性，傳統(tǒng)的圖像恢復(fù)方法并不完全適用。考慮到心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)開(kāi)展基于心肌灌注動(dòng)態(tài)PET特性的圖像恢復(fù)模型研究工作，并開(kāi)展心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像分析與評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究，主要包括:1、基于不同評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

12、心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像的恢復(fù)效果;2、應(yīng)用動(dòng)力學(xué)模型對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合估計(jì)并評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。本文在經(jīng)典評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上利用靶心圖進(jìn)行更為全面的評(píng)估。靶心圖，又稱為牛眼圖，作為一種心肌斷層圖像的定量分析方法，可定量評(píng)估心肌活力和心肌缺血程度，作為心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像的評(píng)價(jià)指標(biāo)更具針對(duì)性。因此，利用靶心圖對(duì)心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像及動(dòng)力學(xué)參數(shù)圖像（如K1參數(shù)圖，k2參數(shù)圖）進(jìn)行評(píng)價(jià)更為全面直觀。歸納起來(lái)，本文的主要工作有:
　　(1)針

13、對(duì)心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像特點(diǎn)，提出基于低秩稀疏分解的心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像恢復(fù)算法。由于動(dòng)態(tài)PET序列圖像不同時(shí)間幀的圖像活度變化將導(dǎo)致圖像噪聲的變化，使得動(dòng)態(tài)PET圖像的噪聲分布變得更為復(fù)雜，因此針對(duì)單幀圖像的圖像恢復(fù)方法難以應(yīng)用于整個(gè)動(dòng)態(tài)PET序列圖像。本文從矩陣的觀點(diǎn)出發(fā)，將心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像恢復(fù)問(wèn)題作為一個(gè)矩陣恢復(fù)問(wèn)題。矩陣的行對(duì)應(yīng)單個(gè)像素點(diǎn)的時(shí)間活度曲線(Time Activity Curve，TAC)，矩陣的列對(duì)應(yīng)單個(gè)時(shí)

14、間幀的PET圖像。結(jié)合心肌灌注PET顯像獨(dú)有的特點(diǎn)及低秩稀疏分解理論，該矩陣可以分解為兩個(gè)矩陣的疊加:第一個(gè)矩陣表示示蹤劑緩慢變化的區(qū)域，也稱為背景區(qū)域（如肌肉和肺區(qū)）;第二個(gè)矩陣表示示蹤劑快速變化的區(qū)域，也稱為目標(biāo)區(qū)域（如心肌組織和血池）。相比于背景區(qū)域，目標(biāo)區(qū)域的幀間活度變化更為明顯。連續(xù)的序列圖像之間具有高度相關(guān)的冗余信息，因此圖像矩陣具有低秩性。而在序列圖像的某些區(qū)域，由于含有血流灌注信息因此具有稀疏性。也就是說(shuō)，上述背景區(qū)域和

15、目標(biāo)區(qū)域分別滿足矩陣的低秩特性和稀疏特性。鑒于此，本文將低秩稀疏分解引入到PET圖像恢復(fù)模型，具體研究包括:1、基于低秩稀疏分解的心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像恢復(fù)模型的構(gòu)建及優(yōu)化求解;2、評(píng)估本文所提恢復(fù)模型的可行性和有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于本文恢復(fù)模型的動(dòng)態(tài)PET恢復(fù)圖像噪聲水平大幅度降低，組織結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，展示了較為優(yōu)質(zhì)的恢復(fù)效果。
　　(2)對(duì)心肌灌注動(dòng)態(tài)PET圖像進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)的擬合估計(jì)，并以靶心圖作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行恢復(fù)效果評(píng)估

16、。鑒于動(dòng)力學(xué)參數(shù)在臨床診斷上具有重大意義，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)Rb-82 MP PET心肌灌注成像仿真實(shí)驗(yàn)，基于單房室模型、已知的血輸入函數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)K1、k2對(duì)心肌、肺區(qū)等組織的時(shí)間活度曲線進(jìn)行仿真。在仿真圖像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)恢復(fù)的動(dòng)態(tài)PET圖像，提取感興趣區(qū)（如心肌組織）的時(shí)間活度曲線。本文采用經(jīng)典的動(dòng)力學(xué)參數(shù)估計(jì)方法——加權(quán)最小二乘估計(jì)對(duì)感興趣區(qū)動(dòng)力學(xué)參數(shù)K1，k2進(jìn)行擬合估計(jì)，并以靶心圖作為評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)估動(dòng)力學(xué)參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性，從而驗(yàn)證