應(yīng)用專用平板PET的成像方法研究.pdf

1、正電子發(fā)射斷層掃描成像（Positron Emission Tomography，PET）是一種非侵入性的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，可以無創(chuàng)、定量、動態(tài)地反映活體內(nèi)的新陳代謝、生化反應(yīng)、功能活度與灌注水平。PET是一種對生化過程非常敏感的影像技術(shù)，由于任何疾病的發(fā)生、發(fā)展過程從本質(zhì)上都是生化的，這造就了PET在腫瘤、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等重大疾病的早期診斷、治療方案規(guī)劃和療效評估中獨(dú)特的應(yīng)用價值。
　　傳統(tǒng)PET面向通用的成像目標(biāo)，采用多

2、個探測器部件組建成接近環(huán)形結(jié)構(gòu)的封閉成像系統(tǒng)。與傳統(tǒng)PET不同，平板PET由一對平板探測器構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、開放且間距可調(diào)節(jié)。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性有潛力推動諸多新的PET應(yīng)用的產(chǎn)生和發(fā)展，包括放療、手術(shù)和活檢引導(dǎo)在內(nèi)的與臨床操作同步進(jìn)行的成像，床旁等有限空間的成像，以及針對特定部位和應(yīng)用的高靈敏度成像。然而，平板PET存在缺失角和數(shù)據(jù)截斷的問題，傳統(tǒng)方法重建的圖像出現(xiàn)嚴(yán)重的偽影和形變。這導(dǎo)致平板PET的發(fā)展一直沒有實(shí)質(zhì)性的突破。
　

3、　本文面向新型PET應(yīng)用的潛在需求，系統(tǒng)性地研究了平板PET成像方法，探討了平板PET在若干特定應(yīng)用場景中的成像特性。從小缺失角和部分視角數(shù)據(jù)截斷入手，本文首先研究了迭代重建方法應(yīng)用于平板PET系統(tǒng)成像的可行性。設(shè)計并開發(fā)了一臺緊湊型的臨床前平板PET系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了30以下缺失角的成像，結(jié)果顯示圖像未出現(xiàn)顯著的偽影和形變。由于采用了緊湊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)達(dá)到了～28.2％的靈敏度，經(jīng)檢索，這是目前有報道的PET靈敏度的最高性能。通過對系統(tǒng)

4、響應(yīng)矩陣的精確計算，在成像中對視差錯誤進(jìn)行了校正，系統(tǒng)在達(dá)到高靈敏度的同時實(shí)現(xiàn)了1.2mm的各向同性的空間分辨率。大鼠18F-FDG的成像結(jié)果對小缺失角平板PET的成像性能進(jìn)行了系統(tǒng)層級的驗證。
　　在小缺失角成像得到驗證的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究了利用飛行時間（Time of Flight，TOF）實(shí)現(xiàn)大缺失角成像的可行性，設(shè)計了開放型的臨床平板TOF-PET成像系統(tǒng)。成像結(jié)果證實(shí)了TOF的引入可以有效減少缺失角（90以上）帶來的

5、成像偽影和形變。300ps以上TOF性能，可以幫助系統(tǒng)檢測到1cm以上直徑的熱源病灶，識別非TOF系統(tǒng)無法檢測到的微小病灶，弱化對系統(tǒng)響應(yīng)矩陣精度及歸一化校正的要求。
　　在上述工作的基礎(chǔ)上，本文研究了數(shù)據(jù)截斷程度更高的局部重建問題。局部重建對感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI）而非整個目標(biāo)成像，在多個視角甚至全部視角都存在數(shù)據(jù)截斷。本文探討了TOF-PET數(shù)據(jù)的冗余特性，提出了一種基于TOF的PET局部重建

6、算法，該算法利用TOF測量的湮滅位置處于ROI內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。利用所設(shè)計的平板TOF-PET系統(tǒng)進(jìn)行了算法驗證，在ROI內(nèi)取得了與傳統(tǒng)全局重建一致的圖像質(zhì)量。由于局部成像只利用與ROI相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，因此可以大大降低重建數(shù)據(jù)量。所設(shè)計的肺部局部成像的案例證實(shí)了這一點(diǎn)，對腫瘤區(qū)域達(dá)到同樣的成像效果，局部重建僅需全局重建～10％的數(shù)據(jù)量。由于重建計算量由符合事件的數(shù)量決定，因此局部重建有潛力加快成像速度，對于放療引導(dǎo)成像等需要對運(yùn)動組