PET心肌靶心圖定量分析及圖像重建.pdf

1、正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography，PET)是核醫(yī)學(xué)最尖端技術(shù)的代表，是一種非侵入式的核醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。它利用放射性核素標(biāo)記一些化合物，作為一種示蹤物質(zhì)，直接注入人體內(nèi)，然后從體外不同角度采集體內(nèi)放射出的射線，再利用計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建。PET作為一種無(wú)創(chuàng)的檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)探測(cè)人體內(nèi)攝入放射性核素的分布，可以動(dòng)態(tài)、定量地評(píng)估體內(nèi)各種器官的代謝水平（如心腦代謝）和功能，在心血管疾病、腫瘤學(xué)

2、、神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和預(yù)后評(píng)估上占有重要地位。PET能夠反映人體分子水平上的心肌代謝和功能，具有較高的特異性和靈敏度。利用動(dòng)力學(xué)模型，可獲得生理或生化參數(shù)。
　　冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟?。ü谛牟。┦?0世紀(jì)中期以來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家的主要死因，為進(jìn)行性疾病。在我國(guó)，冠心病的死亡率及發(fā)病率都逐年上升，使得冠心病的早期診斷和預(yù)后評(píng)價(jià)顯得尤為重要。PET心肌灌注和代謝顯像在心臟疾病的診斷方面有著其它診斷技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。其中，18F-FDG（氟

3、代脫氧葡萄糖）心肌PET顯像被認(rèn)為是評(píng)估心肌活性的金標(biāo)準(zhǔn)。PET心肌灌注和代謝最常用的定量分析方法是極坐標(biāo)靶心圖法。靶心圖法是將心尖至基底部不同斷層的心肌圓周剖面圖像以同心圓的方式從內(nèi)到外重新排列，使整個(gè)左心室心肌投影到一個(gè)靶心圖平面上，實(shí)際上是不間斷心肌短軸圖像的重建。國(guó)外核醫(yī)學(xué)影像研究領(lǐng)域中已經(jīng)廣泛運(yùn)用計(jì)算機(jī)和醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)，目前已有處理PET心肌代謝和灌注成像的靶心圖定量分析軟件運(yùn)用于臨床。如單房室模型的PMOD，雙房室模型的Q

4、PET等。國(guó)內(nèi)還缺乏相關(guān)研究。
　　本文研究制作一個(gè)靶心圖定量分析軟件，并比較半球圓柱心肌模型和橢圓心肌模型的效果。本文的靶心圖定量分析軟件分以下步驟得到:(1)初始短軸圖片的獲取。將人體橫切軸斷層圖像按照心臟自身的長(zhǎng)短軸方向重建，獲得三個(gè)方向的斷層圖像，即短軸斷層圖像、水平長(zhǎng)軸斷層圖像和垂直長(zhǎng)軸斷層圖像。其中垂直心臟長(zhǎng)軸呈環(huán)狀的斷層圖像便是短軸斷層圖像;(2)最大放射計(jì)數(shù)值采樣。心肌最大放射性計(jì)數(shù)值采樣是進(jìn)行心肌放射性核素顯像定

5、量分析的關(guān)鍵。后續(xù)的左心室長(zhǎng)軸自動(dòng)校正、心肌模型擬合和靶心圖繪制都將用到心肌最大放射性計(jì)數(shù)值采樣。本研究選用了半球加圓柱模型和橢圓模型兩種心肌采樣模型;(3)左心室長(zhǎng)軸取向校正。由于左心室長(zhǎng)軸和人體的長(zhǎng)軸不平行，為獲得較好的左心室短軸圖像，需要確定并校正左心室的長(zhǎng)軸。本文設(shè)計(jì)了左心室長(zhǎng)軸自動(dòng)校正方法;(4)左心室心肌模型擬合。對(duì)于兩種左心室模型，我們選取不同的目標(biāo)函數(shù)，采用Gauss-Newton最優(yōu)化方法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行擬合;(5)繪制

6、投影靶心圖。對(duì)兩種心肌模型擬合得到的斷層圖像，分別制作17段靶心圖。在極坐標(biāo)下將整個(gè)心肌短軸斷層圖像投影到16環(huán)的平面上，從內(nèi)到外依次為心尖帽，心尖，心腔，心底。1至4環(huán)為心尖帽、5至8環(huán)為心尖，9至12環(huán)為心腔，13至16環(huán)為心底。每個(gè)圓環(huán)采樣36個(gè)最大放射性計(jì)數(shù)值點(diǎn)，整個(gè)心肌被劃分為576(16×36)個(gè)節(jié)段。再將這576個(gè)節(jié)段按照美國(guó)心臟協(xié)會(huì)提出的17節(jié)段法合并成17個(gè)節(jié)段。本文利用一組真實(shí)的18F-FDG心肌PET代謝圖像做了靶

7、心圖定量分析，并分別比較兩種心肌模型的17段靶心圖和576段靶心圖，直觀上兩種模型生成的靶心圖區(qū)別較小，為了進(jìn)一步比較兩者的差異，對(duì)兩種模型采樣到的576小節(jié)段的放射性計(jì)數(shù)最大值做了Bland-Altman分析，利用變異系數(shù)來(lái)評(píng)估兩種模型的一致性。95％的置信區(qū)間為(-12.7，18.9)，兩者的差異均值為2.5，變異系數(shù)為3.76％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種模型的靶心圖各個(gè)節(jié)段無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，本文提出的靶心圖定量分析方法適用于這兩種心肌模型。另

8、外，本研究根據(jù)單房室模型仿真了一套PET動(dòng)態(tài)82Rb心肌灌注圖像，并對(duì)其做靶心圖分析。研究結(jié)果顯示，從本文的靶心圖上得到的心肌缺血位置和信息與仿真圖像一致。證明我們的靶心圖定量分析方法是可靠的。
　　靶心圖定量分析方法在PET動(dòng)態(tài)心肌血流(MBF)的定量分析上有很大的價(jià)值。然而，PET動(dòng)態(tài)重建將數(shù)據(jù)細(xì)分到短幀時(shí)，會(huì)帶入噪聲，從而影響心肌絕對(duì)血流的定量分析，限制了PET動(dòng)態(tài)灌注成像在臨床上的應(yīng)用。傳統(tǒng)上，標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)PET成像由單獨(dú)的

9、幀獨(dú)立重建得到，然后在體素或感興趣區(qū)（ROI）水平上運(yùn)用動(dòng)力學(xué)模型得到時(shí)間活度曲線(TAC)。獨(dú)立圖像重建主要靠統(tǒng)計(jì)圖像重建方法實(shí)現(xiàn)，例如最大似然期望值法。然而，當(dāng)在低計(jì)數(shù)情況下，采用直接最大似然期望值法方差很大，而且方差隨著采樣間隔的增大而增大。有研究提出通過(guò)提高動(dòng)態(tài)幀的重建準(zhǔn)確性來(lái)估計(jì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的重建策略。例如4D重建利用動(dòng)態(tài)PET掃描時(shí)的時(shí)間和空間校正來(lái)提高參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性，但是4D重建方法算法復(fù)雜，計(jì)算復(fù)雜度高，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

10、目前已有利用PET圖像的稀疏特性進(jìn)行圖像重建的研究。例如:全變分正則化已經(jīng)在PET重建上得到運(yùn)用，不論是在圖像空間，還是在測(cè)度空間。多維小波去噪可以恢復(fù)隱藏在動(dòng)態(tài)PET圖像中的生物信號(hào)保真度，從而準(zhǔn)確的定量心肌灌注。2008年Su和Shoghi提出了小波降噪技術(shù)，它對(duì)噪聲敏感度低，在高噪聲水平下可以提供更加準(zhǔn)確的參數(shù)估計(jì)。最近，有研究者提出了利用矩陣的低秩性質(zhì)恢復(fù)圖像，該研究首先在動(dòng)態(tài)核磁共振成像上受到關(guān)注。學(xué)者Lingala和Lian

11、g將其與稀疏先驗(yàn)結(jié)合分別運(yùn)用到磁共振圖像的恢復(fù)和重建上。在動(dòng)態(tài)PET心肌灌注成像上，連續(xù)的圖像之間有高度相關(guān)的冗余信息，使得圖像矩陣有很好的低秩性。另外在圖像的局部區(qū)域，含有血流灌注信息，是稀疏的。因此，PET圖像矩陣X實(shí)際上是背景部分L和動(dòng)態(tài)部分S的疊加。背景部分L代表幀或區(qū)域之間高度相關(guān)的部分（例如肌肉組織和肺），其示蹤劑活度隨時(shí)間變化緩慢，是低秩部分。動(dòng)態(tài)部分S代表幀或區(qū)域之間變化的部分（例如心肌和血池），其示蹤劑活度隨時(shí)間快速變

12、化。因此，PET動(dòng)態(tài)圖像同時(shí)具有低秩性和稀疏性。
　　本文在動(dòng)態(tài)PET心肌灌注成像上提出一種結(jié)合低秩與稀疏懲罰的重建方法(L&S)，并采用一種改進(jìn)的split Bregman法來(lái)最優(yōu)化求解代價(jià)函數(shù)。在仿真研究中，選用單房室模型仿真一套PET心肌82Rb灌注圖像。首先為多個(gè)區(qū)域（心肌，肺等）各自估計(jì)K1，k2常數(shù)和Fa。動(dòng)脈血放射示蹤物濃度Ca(t)通過(guò)計(jì)算動(dòng)脈血采樣的平均值得到。然后，通過(guò)K1，k2，F(xiàn)a這三個(gè)參數(shù)以及動(dòng)脈血放射示

13、蹤物濃度Ca(t)生成一套動(dòng)態(tài)PET心肌灌注圖像，并利用真實(shí)的的PET心肌82Rb灌注成像來(lái)優(yōu)化正則化參數(shù)。為評(píng)估本文的L&S方法，將其與最大似然期望值法(MLEM)及單獨(dú)利用稀疏(S)或低秩(L)懲罰的重建方法進(jìn)行比較。比較不同重建算法得到的每一幀動(dòng)態(tài)圖像的均方誤差(MSE)，結(jié)果顯示:MLEM方法的每一幀的MSE值都明顯大于其它三種算法;單獨(dú)采用低秩懲罰(L)重建的圖像的MSE要小于單獨(dú)采用稀疏懲罰(S)重建的圖像的MSE;利用本文

14、方法重建的圖像，其MSE最小。為提供直觀視覺(jué)比較，研究收集了上述四種算法重建的圖像和參考組的真實(shí)圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MLEM算法與稀疏懲罰(S)大幅增加了噪聲水平，低秩懲罰(L)和本文的方法明顯降低了噪聲水平。與低秩懲罰(L)重建相比，本文的方法保留了更多圖像特征。此外，為評(píng)價(jià)心肌缺損，研究還生成了左心室心肌靶心圖。通過(guò)靶心圖分析方法對(duì)不同重建算法進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)，與其它重建方法相比，L&S重建圖像的靶心圖的灰度值和參考組真實(shí)的靶心圖較