專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于粒子濾波的動(dòng)態(tài)pet圖像重建方法
一種基于粒子濾波的動(dòng)態(tài)PET圖像重建方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于PET成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于粒子濾波的動(dòng)態(tài)PET圖像重建方法。
背景技術(shù)：
PET全稱(chēng)為Positron emission tomography,也就是通常所說(shuō)的正電子發(fā)射斷層成像，是一種基于核物理學(xué)和分子生物學(xué)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，它能夠從分子層面上觀察細(xì)胞的新陳代謝活動(dòng)，為早期疾病尤其是腫瘤的檢測(cè)和預(yù)防提供了有效依據(jù)。PET本質(zhì)上是對(duì)病人體內(nèi)藥物的濃度分布進(jìn)行成像，被注射入病人體內(nèi)的放射性同位核素標(biāo)記藥物通過(guò)血液進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，這些物質(zhì)在人體內(nèi)各組織器官中將形成一定的濃度分布。由于放射性同位核素的半衰期較短，且極其不穩(wěn)定，將很快發(fā)生衰變，衰變過(guò)程中所釋放的正電子與附近的自由電子發(fā)生湮滅反應(yīng)，產(chǎn)生一對(duì)方向幾乎相反、能量相等，能量大小為511kev的伽瑪光子對(duì)，這些光子由探測(cè)器環(huán)接收，再經(jīng)由符合采集系統(tǒng)對(duì)這些帶有放射性藥物分布信息的成對(duì)光子進(jìn)行處理生成投影數(shù)據(jù)(sinogram)。之后，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法對(duì)投影數(shù)據(jù)進(jìn)行反演求解，可重建出人體的放射性物質(zhì)的空間濃度分布。
近幾年P(guān)ET在實(shí)際醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，但與此同時(shí)，臨床上對(duì)PET成像的要求也隨之變高，越來(lái)越多的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需要PET能提供更高成像分辨率和能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)患者進(jìn)行掃描，而與此相應(yīng)的圖像維數(shù)的擴(kuò)展和采集數(shù)據(jù)量的急劇加大對(duì)現(xiàn)有的重建算法提出了挑戰(zhàn)，并且這些需求也對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間有極為苛刻的要求。
目前，PET成像的重建方法大致可分為兩類(lèi)解析法和迭代統(tǒng)計(jì)法。前一類(lèi)主要是濾波反投影法(FBP)，計(jì)算速度快，但成像分辨率低并且存在偽影嚴(yán)重。為此，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)角度進(jìn)行重建的迭代統(tǒng)計(jì)法被提出來(lái)，由于迭代法基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，對(duì)不完全數(shù)據(jù)適應(yīng)性好， 逐漸成為PET重建算法研究關(guān)注點(diǎn)；如ML-EM算法，其根據(jù)最大似然估計(jì)原理，將病人體素 (Voxel)濃度作為待估計(jì)值、建立似然函數(shù)、求得極大值。但是，迭代統(tǒng)計(jì)發(fā)的計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)。為解決重建速度問(wèn)題，大規(guī)模矩陣快速運(yùn)算技術(shù)被不斷運(yùn)用到該算法體系中，如有序子集最大似然法。而針對(duì)于算法中未考慮先驗(yàn)估計(jì)的統(tǒng)計(jì)特性，提出了后驗(yàn)估計(jì)中加以修正的最大后驗(yàn)估計(jì)法。此外，將統(tǒng)計(jì)模型近似為高斯模型后又引入了最小二乘法， 繼而發(fā)展未帶有懲罰加權(quán)的最小二乘、非負(fù)超松弛迭代法等。但是這些算法都只是將患者的結(jié)構(gòu)信息加入重建，并沒(méi)有效的對(duì)患者的生理信息進(jìn)行利用。
而基于房室模型的狀態(tài)空間體系則從另一個(gè)角度為PET圖像的重建提供了新的思路，通過(guò)根據(jù)實(shí)際求解問(wèn)題調(diào)整測(cè)量方程與狀態(tài)方程的統(tǒng)一表達(dá)式，以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)重建以及先驗(yàn)估計(jì)。通過(guò)相關(guān)方法求解，如卡爾曼濾波、H c 濾波等可適應(yīng)不同噪聲特性和清晰度的要求，與傳統(tǒng)的解析法或迭代統(tǒng)計(jì)法相比具有優(yōu)勢(shì)。
但是以上這些算法在PET的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重建方面都有著一些缺陷，有的無(wú)法適應(yīng)動(dòng)態(tài)PET成像龐大的數(shù)據(jù)采集量，從而導(dǎo)致重建準(zhǔn)確率低或耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，而有的則不能將患者的先驗(yàn)生理信息加載到重建中，使重建的信息利用率較低。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種基于粒子濾波的動(dòng)態(tài) PET圖像重建方法，有效提高了 PET圖像動(dòng)態(tài)重建的質(zhì)量。
一種基于粒子濾波的動(dòng)態(tài)PET圖像重建方法，包括如下步驟
(I)利用探測(cè)器對(duì)注入有放射性物質(zhì)的生物組織進(jìn)行探測(cè)，采集到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的多組符合計(jì)數(shù)，每一組符合計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)一幀PET圖像；根據(jù)PET成像原理，建立PET圖像的狀態(tài)空間方程
X (t) = θΑΔ χ (t-1) Xu
y(t) = Dx (t)+v
其中D為系統(tǒng)矩陣且為mX η維矩陣，A為狀態(tài)矩陣；y(t)為第t幀PET圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻采集到的符合計(jì)數(shù)，且為m維向量；x(t)和x(t-l)分別為第t幀PET圖像和第t-Ι幀 PET圖像的體素值，且為η維向量；u為放射性物質(zhì)濃度變化對(duì)探測(cè)器的影響因子，V為測(cè)量噪聲；Λ t為第t幀PET圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻與第t-Ι幀PET圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻的間隔；n為PET圖像的體素個(gè)數(shù)，m為符合計(jì)數(shù)中的元素個(gè)數(shù)；
(2)對(duì)PET圖像中的體素進(jìn)行粒子采樣，獲得每幀PET圖像中每一體素的每一粒子濃度初值；根據(jù)采集到的符合計(jì)數(shù)，利用FBP算法求得PET圖像中每一體素的先驗(yàn)濃度值；
(3)根據(jù)所述的狀態(tài)空間方程建立以下方程表達(dá)式；根據(jù)所述的先驗(yàn)濃度值和粒子濃度初值，通過(guò)以下方程表達(dá)式求得當(dāng)前幀PET圖像中每一體素的每一粒子濃度初值對(duì)應(yīng)的粒子權(quán)重值；
權(quán)利要求
1.一種基于粒子濾波的動(dòng)態(tài)PET圖像重建方法，包括如下步驟(1)利用探測(cè)器對(duì)注入有放射性物質(zhì)的生物組織進(jìn)行探測(cè)，采集到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的多組符合計(jì)數(shù)，每一組符合計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)一幀PET圖像；根據(jù)PET成像原理，建立PET圖像的狀態(tài)空間方程；(2)對(duì)PET圖像中的體素進(jìn)行粒子采樣，獲得每幀PET圖像中每一體素的每一粒子濃度初值；根據(jù)采集到的符合計(jì)數(shù)，利用FBP算法求得PET圖像中每一體素的先驗(yàn)濃度值；(3)根據(jù)所述的狀態(tài)空間方程建立以下方程表達(dá)式；根據(jù)所述的先驗(yàn)濃度值和粒子濃度初值，通過(guò)以下方程表達(dá)式求得當(dāng)前幀PET圖像中每一體素的每一粒子濃度初值對(duì)應(yīng)的粒子權(quán)重值；
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的動(dòng)態(tài)PET圖像重建方法，其特征在于所述的狀態(tài)空間方程如下X(t) = θΑΔ χ(t-1) Xuy (t) = Dx (t) +v其中D為系統(tǒng)矩陣且為mXη維矩陣，A為狀態(tài)矩陣；y(t)為第t幀PET圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻采集到的符合計(jì)數(shù)，且為m維向量；x(t)和x(t-l)分別為第t幀PET圖像和第t-Ι幀PET 圖像的體素值，且為η維向量；u為放射性物質(zhì)濃度變化對(duì)探測(cè)器的影響因子，V為測(cè)量噪聲；Λ t為第t幀PET圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻與第t-Ι幀PET圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻的間隔；n為PET圖像的體素個(gè)數(shù)，m為符合計(jì)數(shù)中的元素個(gè)數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的動(dòng)態(tài)PET圖像重建方法，其特征在于所述的步驟(2)中，對(duì) PET圖像中的體素進(jìn)行粒子采樣的方法為獲取體素值的分布區(qū)間，所述的分布區(qū)間符合非線性泊松分布；對(duì)于任一體素通過(guò)對(duì)所述的分布區(qū)間進(jìn)行采樣獲得s個(gè)粒子采樣值，進(jìn)而根據(jù)公式vj (O = gj (t)pj ( )計(jì)算出每幀PET圖像中每一體素的每一粒子濃度初值；其中，vj(0為第t幀PET圖像中第j體素的第k粒子濃度初值，g〉(O為第t幀PET圖像中第j體素的第k粒子采樣值，夕丨(O為盡丨(纟)對(duì)應(yīng)的粒子初始權(quán)重，k為自然數(shù)且I < k < S。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的動(dòng)態(tài)PET圖像重建方法，其特征在于對(duì)于第一幀PET圖像，所述的粒子初始權(quán)重(〖)為初始給定值；對(duì)于非第一幀PET圖像，所述的粒子初始權(quán)重/7丨(/)為前一幀PET圖像中第j體素的第k粒子濃度真值對(duì)應(yīng)的粒子權(quán)重真值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的動(dòng)態(tài)PET圖像重建方法，其特征在于所述的步驟(4)中，采用粗糙重采樣算法求取重采樣后的粒子濃度值及其粒子權(quán)重值。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的動(dòng)態(tài)PET圖像重建方法，其特征在于所述的步驟(6)中，根據(jù)以下公式求取當(dāng)前幀PET圖像中每一體素的體素值左=1其中Xj(t)為第t幀PET圖像中第j體素的體素值，為第t幀PET圖像中第j體素的第k粒子濃度真值，為對(duì)應(yīng)的粒子權(quán)重真值，s為粒子采樣個(gè)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于粒子濾波的動(dòng)態(tài)PET圖像重建方法，包括(1)采集符合計(jì)數(shù)，建立狀態(tài)空間方程；(2)對(duì)體素進(jìn)行粒子采樣，并求取體素的先驗(yàn)濃度值；(3)計(jì)算粒子權(quán)重值；(4)進(jìn)行重采樣計(jì)算；(5)迭代求取粒子濃度真值及其粒子權(quán)重真值；(6)求取體素值，遍歷重建每幀PET圖像。本發(fā)明方法通過(guò)利用狀態(tài)空間方程與粒子濾波，將PET的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性和生理特性聯(lián)合起來(lái)用于重建PET的動(dòng)態(tài)圖像，有效地加強(qiáng)了對(duì)噪聲的過(guò)濾，提高了PET圖像動(dòng)態(tài)重建的準(zhǔn)確率，能夠?qū)ET動(dòng)態(tài)圖像更好的還原出來(lái)，使重建結(jié)果在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上更具有使用價(jià)值。
文檔編號(hào)G06T11/00GK102938154SQ20121045577
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者劉華鋒, 于行健, 胡正琿 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)