microPET成像物理过程仿真及图像重建算法研究

论文摘要

正电子发射计算机断层扫描装置（Positron Emission Tomography,以下简称PET）以其独具的无创伤、动态评估生物体内各种器官的代谢水平、功能活动的特点,在肿瘤、心脑血管等重大疾病的预防和治疗中具有重要的应用价值。本文对PET图像重建过程中的关键问题进行了研究,并在以下方面取得进展。系统分析了放射性核素的衰变原理、基于回旋加速器的示踪剂生产方法以及放射性核素的聚集机制,为基于GATE模拟PET成像物理过程中放射源活度的选取和定义、闪烁晶体材料的选定、探测器环建模奠定基础。针对实际PET重建过程复杂,在重建算法研究过程中难以获得有效数据的问题,论文作者在Linux操作系统上成功构建了GATE核医学仿真平台,并基于开发平台建立microPET探测器仿真模型,成功模拟了核医学成像过程。基于matlab软件包以离线处理方式对原始符合事件按照径向距离进行编码,将编码后的数据存放于sinogram阵列中,采用滤波反投影（Filtered Back-Projection,以下简称FBP）方法研究了在二维数据采集基础上的单点、多点图像重建过程。为了消除二维数据图像采集重建过程中探测器灵敏度低、探测器隔板产生较为严重的伪影、重建速度慢的问题,本文采用单层重组（single slice re-binning,以下简称SSRB）方法实现了三维数据采集的单点和多点图像重建,为基于windows操作平台的PET图像重建工作站的研究打下基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究内容及意义
• 1.3 本文的组织结构
• 第2章 PET成像物理基础
• 2.1 放射性与衰变
• 2.2 PET示踪剂的制备方法
• 2.3 放射性药物选择性聚集机制
• 2.4 核医学成像
• 2.4.1 r照相机成像原理
• 2.4.2 单光子发射型断层成像原理
• 2.4.3 正电子发射型（PET）断层成像原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 断层成像重建技术
• 3.1 解析法重建
• 3.1.1 傅里叶变换与卷积
• 3.1.2 希尔伯特变换与有限希尔伯特变换
• 3.1.3 中心切片定理
• 3.1.4 FBP算法的推导
• 3.1.5 先卷积后反投影算法的数学表达式
• 3.1.6 Radon反演公式的数学表达式
• 3.1.7 先反投影后滤波算法的推导
• 3.2 迭代法重建
• 3.2.1 解线性方程组
• 3.2.2 ML-EM算法
• 3.2.3 OS-EM算法
• 3.3 发射型断层成像的衰减修正
• 3.4 PET断层成像的实现
• 3.5 图像重建评价准则
• 3.5.1 均方根标准
• 3.5.2 残差范数标准
• 3.5.3 泊松统计准则
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于GATE的图像重建
• 4.1 GATE模拟构架
• 4.2 基于GATE的模拟程序设计
• 4.3 Sinogram图的实现
• 4.4 基于SSRB方法的3D采集的FBP算法的实现
• 4.5 2D和3D采集的图像重建的对比
• 4.5.1 PET的扫描方式
• 4.5.2 2D和3D重建图像的对比
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 个人简历