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动态FDG-PET成像中定量分析相关算法的研究
其他题名Study of Quantitative Analysis Algorithms in Dynamic FDG-PET Imaging
代晓倩
学位类型工学博士
导师田捷
2012-05-29
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业计算机应用技术
关键词动态pet Fdg 定量分析 参数估计 输入函数 Dynamic Pet Fdg Quantitative Analysis Parameter Estimation Input Function
摘要正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography, PET)是当前最高层次的核医学影像技术,借助扫描前注入活体内的放射性核素标记的示踪剂进行显像,能够在分子和细胞水平上反映机体的代谢和功能信息,已经在临床研究中的肿瘤学、心血管疾病学、神经系统疾病学,以及基础科学研究中的小动物成像、基因工程、新药研制等领域中显示了其卓越的性能。动态PET成像是指在注射入示踪剂的同时开始采集数据,连续采集形成图像序列(四维数据:三维空间和一维时间)。动态成像一般用于研究示踪剂在活体内的随时间变化的动态过程,能够定量的对体内示踪剂的变化水平进行评估,受个体差异及病理状态影响小,在一些疾病的提前诊断、分级以及预后评估、新药的研制方面,相较静态成像都具有显著的优势。 [18<上标!>F]氟-2-脱氧-D-葡萄糖(FDG)是临床上最为常用的葡萄糖代谢显像示踪剂,常被用于在活体状态下无创的定量测量局部组织的葡萄糖代谢率。虽然动态FDG-PET成像可以得到放射性核素18<上标!>F的浓度随时间变化的分布,但如果不对数据做进一步的数学分析,所获取的信息并无绝对定量的生理意义,即并非每100ml每分钟内有多少毫克葡萄糖被消耗(葡萄糖代谢率)。而借助定量分析的技术,我们可以对得到的时间序列图像做进一步的数学处理,得到非常有意义的定量指标(葡萄糖代谢率),对器官的生理功能进行准确的评测,定量的指出某部分的新陈代谢异于常态的程度。 围绕着动态FDG-PET成像中定量分析的相关算法,归纳其中存在的问题如下: 1)由于动态FDG-PET成像中的动力学模型参数估计算法数目众多,在不同情况下如何选择适用的参数估计算法,不同的噪声水平和扫描时长对各种算法的影响,不同的加权策略是否会提高参数估计的精度,目前尚没有一个文献给出统一的定论,会给众多科研学者在选择算法时带来无所适从感。对参数估计算法的评估工作一些研究者虽然曾开展过,但有的工作是采用不同的商业软件来评估,并非在同一实验环境下进行;有的工作之间得到的结论存在明显的冲突,如对广义最小二乘法(GLLS)的有效性存在争议;且这些工作只评估了部分算法,对于一些新近提出的算法并没有包含进去。 2)由于受到硬件的限制以及PET自身的成像原理限制,PET图像重建后得到的图像质量较差,空间分辨率较低。特别对于动态PET成像,为了捕获完整的核素浓度的变化,在开始核素浓度在组织内变化较快的阶段的采样间隔很短,这样会照成符合光子数不足从而带来扫描前期的重建图像噪声很大。因此逐像素进行动力学参数估计来求解参数图像时会不可避免的受到极大的影响,导致最终产生的具有生理和诊断意义的参数图像质量也较差。 3)在动态PET的定量分析中,血浆中FDG浓度随时间变化曲线(即输入函数),一般需要通过连续动脉采血或静脉动脉化采血并离心处理后测量血浆中比活度的方法获得。虽然利用这种方法得到的输入方法,在进行参数估计时能够得到精确的具有生理意义的参数,但由于需要连续采血,病人不易接受,并有可能引入潜在的危险,在小动物实验时更有可能因为动物体积过小,多次采血造...
其他摘要Positron emission tomography (PET) is one of the most frequently used nuclear imaging procedures that provides metabolic and functional information of physiological activity at the molecular and cellular level by displaying the concentration distribution of radioisotope labeled tracer which pre-injected into the human or animal body before imaging process. PET has shown great superiority in clinical studies of oncology, cardiology and neurology, as well as in pre-clinical studies of small-animal imaging, gene engineering and drug development. Dynamic PET imaging usually involves the collection of a series of frames of image data over contiguous time intervals (4-d data: 3-d space + 1-d time), immediately after injection of the radioisotope labeled tracer. Dynamic PET imaging can be used to study the tracer distribution process in vivo over time and quantitatively estimate physiological parameters, which provides some remarkable advantages over static imaging, such as early diagnosis, staging and therapy monitoring of cancer, drug development and so on. 2-Deoxy-2-18<上标!>F-Fluoro-D-glucose (FDG), as a glucose analog, is the most commonly used PET tracer and has been used to provide a noninvasive quantitative approach to measure the glucose utilization rates in vivo. Dynamic FDG-PET images describe the dynamic behaviors of FDG in different tissue, but not the quantitative index: glucose metabolic rates (the number of milligrams of glucose consumption per 100ml per minute) if the images are not further processed. With the quantitative analysis technology, the physiology and pathophysiology parameters can be extracted to accurate evaluate the metabolism and function of the organs which helps to improve the classification accuracy of different kinds of diseases. Focusing on quantitative analysis algorithms in dynamic FDG-PET studies, we summed some major difficulties below: 1) In dynamic FDG-PET imaging, several approaches to determine kinetic parameters have been proposed continuously in recent years. However, there is not a unified conclusion on how to select an appropriate method under different situations, or the effect of different noise levels, scan lengths, and weighting schedules. Some researchers have evaluated several methods used in dynamic FDG-PET imaging. However, these historical evaluations were not investigated under the same configuration, or some conclusions have led to some confusion in whether or how best to apply these method...
馆藏号XWLW1758
其他标识符200918014629080
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6437
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
代晓倩. 动态FDG-PET成像中定量分析相关算法的研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院研究生院,2012.
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