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《核醫(yī)學(xué)圖像重建快速迭代算法osem 》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、核醫(yī)學(xué)圖像重建快速迭代算法OSEM一、引言核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備如單光子斷層掃描儀(SinglePositronEmissionputeTomography，SPECT)、正電子發(fā)射斷層掃描儀(PositronEmissionTomo-graphy，PET)融合了當(dāng)今最高層次的核醫(yī)學(xué)技術(shù)，是目前醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的極為先進(jìn)的大型醫(yī)療診斷成像設(shè)備，在腫瘤學(xué)、心血管疾病學(xué)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病學(xué)研究中，以及新醫(yī)藥學(xué)開(kāi)發(fā)研究等領(lǐng)域中已經(jīng)顯示出它卓越的性能。隨著核醫(yī)學(xué)斷層影像設(shè)備的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，圖像重建方法作為該類設(shè)備中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，其研究工作越來(lái)越受到人們的重視。本文
2、概述了傳統(tǒng)的圖像重建方法，并詳細(xì)介紹了一種具有較高圖像質(zhì)量和較短計(jì)算時(shí)間的重建算法—有序子集最大期望值方法(Ord-eredSubsetsExpectationMaximization，OSEM)在核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中的應(yīng)用。二、傳統(tǒng)的圖像重建方法在核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中，需要根據(jù)物體某一層面在不同探測(cè)器上檢測(cè)到的投影值來(lái)重建該斷層圖像層面，即二維圖像重建。傳統(tǒng)的圖像重建方法主要分為解析法和迭代法。解析法是以中心切片定理(CentralSliceTheorem)為理論基礎(chǔ)的求逆過(guò)程。常用的一種解析法稱為濾波反投影法(FilteredBack-Projection，F(xiàn)B
3、P)。FBP法首先在頻率空間對(duì)投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，再將濾波后的投影數(shù)據(jù)反投影得到重建斷層圖像。濾波器選為斜坡函數(shù)和某一窗函數(shù)的乘積，窗函數(shù)用于控制噪聲，其形狀權(quán)衡著統(tǒng)計(jì)噪聲和空間分辨。常用的窗函數(shù)有Hanning窗，Hamming窗，ButterumLike-lihoodExpectationmaximization，MLEM)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。MLEM方法旨在尋找與測(cè)量的投影數(shù)據(jù)具有最大似然性(ML)的估計(jì)解，其迭代過(guò)程是由最大期望值算法(EM)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于是以統(tǒng)計(jì)規(guī)律為基礎(chǔ)，MLEM重建法具有很好的抗噪聲能力，是目前公認(rèn)為最優(yōu)秀的迭代重建算法之一，尤其
4、是在處理統(tǒng)計(jì)性差的數(shù)據(jù)時(shí)，更能顯示出它相對(duì)于解析法的優(yōu)越性，但是這種方法仍然存在迭代法的運(yùn)算量大、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。MLEM方法在每一次迭代過(guò)程中，使用所有的投影數(shù)據(jù)對(duì)重建圖像每一個(gè)象素點(diǎn)的值進(jìn)行校正，重建圖像只被替換一次。OSEM方法在每一次迭代過(guò)程中將投影數(shù)據(jù)分成N個(gè)子集，每一個(gè)子集對(duì)重建圖像各象素點(diǎn)值校正以后，重建圖像便被更新一次，所有的子集運(yùn)算一遍，稱為一次迭代過(guò)程，它所需要的運(yùn)算時(shí)間與FBP重建的時(shí)間基本相等。在ML-EM方法一次迭代過(guò)程中，重建圖像被更新一次，而在OSEM方法中重建圖像被更新N次，所以O(shè)SEM方法具有加快收斂的作用。OSEM算法中
5、子集的選取和劃分有很多種，在SPECT中投影數(shù)據(jù)可以根據(jù)每個(gè)采樣角度實(shí)時(shí)地進(jìn)行劃分和重建，在PET中由于各個(gè)探測(cè)器上測(cè)得的投影數(shù)據(jù)是在符合判選之后同時(shí)獲得的，因此可以在全部投影數(shù)據(jù)采集完成之后劃分子集。不同子集的重建順序也可以有選擇的進(jìn)行，如可將兩個(gè)位于相對(duì)垂直的角度上的子集按相鄰順序進(jìn)行重建，以加快收斂速度。四、數(shù)據(jù)模擬與臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別采用FBP法、MLEM法和OSEM法對(duì)仿真模型和臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建。仿真模型類似Jaszczak模型，在64×64的Phantom切片中間的圓形區(qū)域上分布著大小不等、呈指數(shù)衰減的點(diǎn)狀源。選取觀測(cè)角度個(gè)數(shù)為32，探測(cè)器單元
6、(Bin)的個(gè)數(shù)為64，模擬實(shí)際投影矩陣，投影數(shù)據(jù)符合泊松隨機(jī)分布。臨床PET的Transmission投影數(shù)據(jù)由美國(guó)密西根大學(xué)J.Fessler教授提供，觀測(cè)角度為192個(gè)，探測(cè)器Bin個(gè)數(shù)為160，PET為CTIECATEXACT。圖1為采用不同方法對(duì)臨床(人體模型)投影數(shù)據(jù)的重建結(jié)果，其中FBP法選用的濾波器為But-ter模擬數(shù)據(jù)與臨床投影數(shù)據(jù)的重建結(jié)果可以看出，F(xiàn)BP法重建圖像分辨率較低，MLEM法和OSEM法經(jīng)過(guò)多次迭代運(yùn)算以后可以得到較高分辨率的圖像。比較MLEM法和OSEM法，兩者一次迭代運(yùn)算的時(shí)間相同，且子集劃分?jǐn)?shù)目N與迭代次數(shù)乘積相同時(shí)，
7、兩者重建圖像質(zhì)量相近，相當(dāng)于運(yùn)算速度提高了N倍。對(duì)不同子集劃分的研究結(jié)果表明，由于OSEM的一次迭代定義為所有的子集通過(guò)一次投影校正，所以無(wú)論將投影數(shù)據(jù)劃分為多少個(gè)子集，其一次迭代運(yùn)算時(shí)間是相同的，所不同的是迭代過(guò)程中的收斂速度。子集劃分個(gè)數(shù)增加，迭代收斂速度增加，迭代次數(shù)減少，但子集劃分個(gè)數(shù)并不是越多越好，它和圖像重建質(zhì)量之間存在均衡關(guān)系，在臨床應(yīng)用中必須選取合適的子集個(gè)數(shù)，這樣才能在提高運(yùn)算速度的同時(shí)，確保重建圖像質(zhì)量。目前在西門子的HR+等PET的升級(jí)軟件中都含有OSEM重建算法，由于OSEM算法在保證成像質(zhì)量的同時(shí)可以大大減少運(yùn)算時(shí)間，在核醫(yī)學(xué)影像設(shè)
8、備的圖像重建中具有廣闊的應(yīng)用前景。恰當(dāng)?shù)剡x取子集個(gè)數(shù)
