一体化PET/MRI头部运动两种校正方法的对比

<正>电子发射断层成像(Position emission tomography,PET)/磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)问世以后,通过MRI获取扫描对象运动信息的准确度大为增加。为验证精确的运动信息条件下,基于响应线(Line of Response,LOR)的运动校正方法校正效果更为明显,我们对基于frame和基于LOR的两种头部运动校正方法的精度进行了对比研究。通过PET模拟数据完成两种校正算法的设计和结果比较,进而利用MRI成像速度快、图像质量高的特点,在上海联影医疗科技有限公司一体化PET/MRI上获取实验数据,通过配准MRI图像获取头部运动信息,并对PET数据进行运动补偿,实现对两种校正方法校正效果的验证和评估。通过对模拟和实验数据校正结果的定性定量分析,我们验证了PET/MRI环境中,基于LOR的方法,利用获取的高精度运动信息对于PET头部运动具有更好的补偿效果。     

PET-MRI脑部定量准确性对比研究:MRI与PET脑分区对SUVR计算的影响

在正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)的临床诊断和科研中,为了减小标准化摄取值(Standard Uptake Value,SUV)在不同受试者间的差异性,通常会以特定的参考区域为基准计算标准化摄取值比(Standard Uptake Value Ratio,SUVR)。由于PET图像无法反应脑部结构信息,从PET图像中无法准确分割出参考区域,从而影响了SUVR的准确性。本文利用一体化正电子发射断层成像/磁共振成像(Positron Emission Tomography-Magnetic Resonance Imaging,PET-MRI)同步采集年龄相近的健康志愿者的PET和MRI数据,基于准确反映脑部结构信息的MRI图像分割出参考区域,映射到对应的PET图像后再进行SUVR的计算,将其与利用PET图像分割参考区域算出的SUVR进行比较。结果显示:利用MRI分割参考区域算出的SUVR变异系数更小,离散程度更低,在相似的健康志愿者间具有更好的一致性,更好地消除了受试者间的个体差异。     

基于SOM神经网络和均值漂移算法的DOI-PET探测器泛场图像晶体识别

正电子发射断层扫描(PET)是一种功能性核医学成像设备,已广泛应用于临床检验和临床前研究。其核心探测器主要采用闪烁晶体阵列耦合光电器件阵列的模块化设计。该类型探测器需要对其泛场图像进行分割,制作晶体位置查找表。本文开发了一种针对双层错位的DOI-PET探测器的泛场图像晶体响应中心自动识别和分割算法。基于奇异值分解和均值漂移的算法实现顶层晶体中心的识别;基于自组织映射(SOM)神经网络的算法和均值漂移实现底层晶体中心的识别;采用基于欧氏距离的算法,实现了泛场图像晶体单元的分割。将本文所开发的算法用于整环(48张)PET泛场图像,晶体模块中心识别的准确率为99.34%,完成分割整张泛场图像的平均耗时为101 s。测试结果表明,本文所开发的泛场图像晶体响应中心自动识别和分割算法适用于双层错位的DOI-PET探测器,算法鲁棒性强、准确率高、运算速度快。     

水模型鉴定PET-CT同机融合图像配准误差

本文是应用水模型模拟PET-CT实际检查检测同机融合图像的配准误差。首先制备含59.2 MBq[氟18]-氟代脱氧葡萄糖的水模型,静置80 min,采集2D PET图像20 min,然后经形态学处理与阈值法得水的CT与PET图像,把两组图像的质心位置经线性回归方程拟合,求配准误差。并用Alignment软件测量CT与PET成像系统配准误差4次。得出水PET图像质心较CT图像在X轴偏移(0.011×层数+0.63)mm;在Y轴质心偏移(0.022×层数+1.35)mm,PET图像须经平移且X轴须旋转(0.06±0.07)、Y轴旋转(0.01±0.08)才能与CT图像配准。所以检查床的负载与分布不影响本PET/CT仪系统的配准校正,测量坐标轴旋转角度的随机误差易使PET与CT配准产生偏差。     

自由结构PET在束监测碳离子治疗剂量成像过程研究

In-beam PET 成像为碳离子、质子等粒子放射治疗提供了一种非侵入式的实时剂量监测方法。本文设计自由结构的in-beam PET模型,包括环形、C型、双平板型和直角型PET,并在蒙特卡罗模拟平台GATE上仿真碳离子打靶的in-beam PET成像过程。该PET包含32个探测模块,通过自由组合的方式形成探测视野相近、适用于人体或小动物体不同部位的碳离子治疗剂量成像。每个探测模块由20×20的硅酸钇镥晶体阵列耦合硅光电倍增管构成。单个晶体大小为1.5 mm×1.5 mm×10 mm,像素为1.6 mm。在蒙特卡罗模拟平台GATE中仿真230 MeV/u的碳离子笔形束轰击聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）靶体和在束PET成像过程,得到正电子核素分布后通过MLEM算法得到PET断层图像。结果显示,图像峰位的变化反映了正电子活度峰位的移动,表明自由结构PET可用于在束监测碳离子治疗剂量分布。使用八探头平板型在束PET成像实验和仿真进行对比,其图像一维谱峰值均为27 mm,验证了自由结构PET模型用于在束监测碳离子治疗剂量成像可行。     

正常人脑18F-FDG PET显像的解剖功能区自动提取法分析

应用自行设计的脑解剖功能区自动提取软件研究了正常人脑18F-FDG代谢显像的灰度分布及其与剂量、血糖水平以及年龄等因素的关系.按照标准的Talairach脑坐标图谱,将脑18F-FDG代谢显像经过位移和形变配准到标准空间中去,提取出各解剖功能区象素,计算它们的平均灰度值,同时以灰度值为应变量,年龄、血糖以及剂量为自变量,按多元逐步回归统计方法,找出与灰度值相关的脑解剖区.结果显示经过图像配准,额叶、顶叶、枕叶、颞叶和小脑以及丘脑、海马、第三脑室、第四脑室等区域可以进行成功提取,各功能区灰度值与小脑灰度值之比分布在1.01±0.15之间,多元逐步回归分析可见除尾状核和海马区域,另外提取的脑功能区的灰度值高低均与年龄大小成负相关,而所有区域的灰度与血糖和剂量均无相关性.表明自行设计的脑解剖功能区自动提取方法能方便地提取脑解剖功能区,并计算其各项参数作进一步的统计分析,但是解剖功能区的提取区域范围尚需更加细致化,才能准确研究认知和精神疾病领域的变化.     

高能闪光照相中陡坡准直体成像性能实验研究

在针对FTO样品的高能闪光照相实验中,比较了一般准直体与陡坡准直体对FTO样品的成像性能。结果表明,陡坡准直体对降低散射及缩小照射量量程非常有效,可得到层次分明的底片图像;采用一般准直体则无法得到有意义的样品图像。对实验进行了蒙卡模拟,模拟结果与实验结果一致。     

推扫型背散射成像系统图像质量优化

推扫型背散射成像技术是一种成像布局灵活、对有机物敏感的新型成像技术。在以较高速度进行成像的情况下,其探测效率和图像对比度受到一定限制。本文基于自主研发的推扫型背散射成像系统,设计开发了一套专用图像处理算法,包括归一化校正、衰减校正,图像去噪,图像增强,图像分割等,以降低图像噪声和提高图像对比度。目前此算法已实际应用于成像系统进行实验验证,图像质量具有明显改善,是一种行之有效的算法。     

双层错位DOI脑PET探测器晶体厚度组合优化设计

双层错位晶体阵列是正电子发射断层成像（PET）仪获取作用深度（DOI）信息的一种低成本且简便的方案。为获得晶体厚度最优组合方案，本文使用GATE软件进行蒙特卡罗仿真研究。模拟兼容核磁共振成像（MRI）的嵌入式脑PET，环内径345 mm，使用硅酸钇镥（LYSO）晶体，2层晶体总厚度20 mm，内层晶体从0 mm到10 mm共11种厚度（间隔1 mm）；进行点源模拟实验，点源位于中心断层x轴上，偏移从x=0 cm到x=10 cm共6种情况（间隔2 cm）。计算中心点灵敏度；采用滤波反投影算法重建图像，评估径向空间分辨率。结果显示，双层晶体的设计相比于单层晶体灵敏度略有下降，但系统径向空间分辨率显著提高且其均匀性得到改善。随着内层晶体厚度的增大，视野平均径向空间分辨率先减小后增大，在内层晶体厚度为8 mm时达到最小。综上所述，所设计的双层错位DOI脑PET探测器晶体厚度最优组合方案为内层晶体厚度8 mm、外层晶体厚度12 mm。     

阵列背散射成像中图像数据校正的仿真研究

阵列背散射成像是一种有发展潜力的辐射成像技术。与透射成像相比,阵列背散射图像数据校正较为复杂,涉及数据不一致性校正和系统响应曲线调整两个方面。基于阵列背散射成像系统的特点分析,应用蒙特卡罗仿真实验方法,归纳总结出1种增益归一化与斜率调整相结合的阵列背散射图像校正方法。利用该方法对仿真实验得到的数据进行校正,获得了较好的校正效果。     

高分辨率小动物Micro Insert PET系统的模拟研究

在西门子Micro PET小动物成像系统中接入高分辨率的Insert探测器环,组成了Micro Insert PET系统,可以进一步提高小动物PET系统的图像分辨率。本文采用蒙特卡罗模拟软件GATE定义Focus-220小动物PET和Micro Insert两种系统,在同步仿真运算中,给出了三种类型的符合数据,即PET Scanner和PET Scanner之间的符合、PET Scanner和Insert之间的符合、Insert和Insert之间的符合。用滤波反投影算法重建了Na-22单点源模型、多点源模型、LZU模型的PET图像。其中,多点源模型的径向图像分辨率的仿真结果与美国华盛顿大学的Micro Insert实验数据,在忽略正电子射程、非线性效应项以及噪声等的贡献下,两者符合得很好。研究表明,使用Micro Insert系统能够将小动物PET系统的图像分辨率提高到亚毫米水平。     

基于硅酸盐钆掺杂的紧凑热中子准直器仿真模拟及性能研究

在核安保管理中，基于中子发生器的热中子成像技术可对被屏蔽核材料进行无损检测成像。为提高成像质量，需对慢化后的中子进行准直。本文使用蒙特卡罗软件Geant4对一种基于硅酸盐钆掺杂的紧凑中子准直器进行了理论建模，对该准直器的热中子透过率和准直率进行了模拟计算，计算结果将用于指导后续的核材料中子成像系统构建。     

基于调制核回归和正则化Richardson-Lucy算法的中子图像复原方法

由于中子成像系统中的诸多物理因素影响,使其得到的中子图像通常会发生严重的图像降质。本文将调制核回归(SK)引入到TV-RL算法中,提出了一种中子图像去模糊去噪方法 SK-TV-RL,即基于SK的TV-RL算法。该方法能解决以往算法噪声放大的问题,并能复原降质图像中的细节信息。对比实验结果表明,无论基于客观评价还是主观评价,该方法都能有效地提高图像复原质量。     

BSRF高灵敏度衍射增强成像系统搭建

作为一种重要的相位衬度成像方法,衍射增强成像(Diffraction Enhanced Imaging,DEI)是利用晶体的角度选择特性探测样品引起的X射线角度变化来获得样品衬度图像。晶体摇摆曲线是衍射增强成像装置的重要特征,理论上晶体的摇摆曲线越窄,则衍射增强成像灵敏度越高,所获得的图像衬度也会越好。在北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility,BSRF)4W1A成像实验站现有Si(111)晶体DEI装置的基础上,通过选用高精度转台并对晶体采取减少加工应力残余和降低安装夹持应力的措施,设计研制了基于Si(400)和Si(333)晶体的高灵敏度DEI实验装置,并利用标准样品和实际生物样品进行了实验验证。系统摇摆曲线测试及成像结果表明,所研制的成像装置可以开展二维和三维成像实验且具有更高的成像灵敏度。     

PET探测模组缝隙对成像质量影响的研究

在PET探测器中,PMT的有效探测面积小于其外壳尺寸,造成相邻探测模组间存在缝隙,使得获得的数据存在缺失,降低了系统的灵敏度。通过在晶体与PMT之间加入梯形光导的方式可以填补缝隙,然而,光导的加入会致使系统的能量分辨率下降,在要求高能量分辨率的应用中会使得系统成像性能不足;并且,光导的加入也会增加系统成本。通过研究探测模组间缝隙对PET成像质量的影响,基于正在开发的μPET系统,对有光导和无光导两种探测器结构进行仿真建模并实现图像重建。通过分析比较两种结构下的重建图像质量,得出如下结论:当探测模组缝隙比例达17.56%时无光导结构仍能成像;有光导结构下的重建图像的信噪比优于无光导结构;无光导结构下,热源的对比度分数优于有光导结构,而冷源的对比度分数略逊于有光导结构。     

基于CCD的中子数字照相系统成像速度分析

成像速度是中子CCD数字照相系统的主要性能参数。根据中子数字照相的原理、光学成像的基本关系式和CCD的特性,提出了一种基于CCD的中子数字照相系统的成像速度理论推算方法,对SPRR-300中子数字照相系统成像速度进行了计算,并与实验结果相比较证明:理论计算与实验基本吻合,计算方法可信。     

基于互信息的图像配准技术的研究

基于互信息的配准方法有不依赖于图像本身灰度,可实现自动校准等优点,针对基于互信息的多模态医学图像配准方法进行深入研究,从图像配准的框架入手,着重研究了基于最大互信息的配准方法,用PV插值法统计联合直方图的值计算出互信息值,分析了互信息作为配准的测度函数具有的优点和存在的缺点。为了加快配准速度,针对互信息计算量大和存在局部极值的问题,集中于优化策略的研究,在一般优化算法的讨论分析基础上,提出了改进的优化算法,针对一般Powell法不考虑线性无关问题,采用了改进后的Powell法,可以使搜索方向线性无关,共轭程度增加,并且引入了PSO优化搜索算法与Powell算法进行比较,最后通过仿真做定性和定量分析。结果表明,Powell优化算法明显优于PSO优化算法。     

基于FPGA的PET晶体位置映射图数据采集的算法研究

PET晶体位置映射图数据采集是PET数据采集和图像重建系统的重要组成部分。采用Xilinx公司推出的快速可编程门阵列(FPGA)开发环境System Generator for DSP系统设计工具进行平板PET晶体位置映射图数据采集的算法研究;在Lyrtech VHS-ADC开发平台上进行软硬件协同仿真与验证,在开发设计上可大幅度地缩短开发周期,节约成本。实验结果:PET晶体位置映射图白色散点清晰,易于分割,满足PET数据采集系统的要求。     

基于CCD-镜头耦合的数字X射线成像系统设计与改进

通过分析现有基于CCD—镜头耦合的数字X射线成像系统存在的缺陷,对系统结构进行了改进,对系统部件进行了优化。实验表明,改进后的系统除了获得良好的空间分辨率和检测灵敏度之外,还降低了正向散点噪声对图像的干扰,系统的成像质量得到明显提高。     

鼠脑神经网络的同步辐射3D成像研究

探讨同步辐射吸收衬度成像技术在观察高尔基-考克斯染色小鼠脑显微神经网络3D成像中的应用。将12只正常C57小鼠随机分为A、B两组,进行灌注取脑,A组不做染色处理,B组鼠脑进行高尔基-考克斯染色处理,并于梯度乙醇中脱水,标本在上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)X射线成像与生物医学应用光束线站(BL13W1)进行扫描,用Amira等软件处理数据。成像结果显示,X射线吸收衬度成像技术作为一种先进的显微神经网络立体呈现方式,图像精准呈现了小鼠小脑神经网络结构以及单个神经元形态,为小鼠脑神经元的形态学研究提供了三维可视化的新方法、新思路。同步辐射可实现高精度3D神经成像,克服了传统染色2D组织学需要切片对样本造成破坏等劣势,本方法与高尔基-考克斯染色结合,可对局部脑区的显微神经网络构筑进行无损研究且保留了脑部的完整性。