[發(fā)明專利]基于混合損失函數(shù)3D CNN的動態(tài)雙示蹤PET重建方法

有效

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• 申請日: 2018-11-28
• 公開（公告）號: CN109615674B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉華鋒;徐金旻
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00;G06N3/08;G06N3/04
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發(fā)明公開了一種基于混合損失函數(shù)3D CNN的動態(tài)雙示蹤PET重建方法，其針對雙示蹤PET數(shù)據(jù)的3D格式，選用對應(yīng)的3D卷積核，在立體感受野中進行特征提取(下采樣)和重建(上采樣)過程，精確地從動態(tài)符合計數(shù)序列出發(fā)，重建出兩種不同的雙示蹤PET的三維濃度分布圖。本發(fā)明方法可以較好地對同時注射、單次采集的雙示蹤投影數(shù)據(jù)進行重建，不需要任何模型的約束，對雙示蹤劑的種類也無特殊要求。基于本發(fā)明方法可以最大限度地縮短雙示蹤PET所需的掃描時間，除此之外，向訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型中輸入混合的動態(tài)符合計數(shù)序列，可以在短時間內(nèi)輸出兩種單一示蹤劑的動態(tài)PET圖像，這都有助于重建效率的提高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于PET成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于混合損失函數(shù)3D CNN的動態(tài)雙示蹤PET重建方法。

背景技術(shù)

PET(positron emission tomography，正電子發(fā)射斷層成像)是一種可以檢測人體內(nèi)生理化學(xué)活動的診斷性成像技術(shù)，它經(jīng)常被用來對人體的某些特定部位進行功能成像，從而獲得該部位的葡萄糖代謝、血流和乏氧等生理指標。這種對人體內(nèi)不同位置、不同功能成像的實現(xiàn)主要依賴于不同的示蹤物質(zhì)，研究人員將人體內(nèi)代謝所需的葡萄糖、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子標記上具有正電子放射性的放射性同位素(最常用的有¹¹C、¹³N、¹⁵O、¹⁸F)，就可以制成需要的放射性示蹤劑，而放射性物質(zhì)經(jīng)過注射或者口服進入人體后，藥物會根據(jù)某種生理或者病理的作用原理在體內(nèi)濃聚，此時藥物本身所包含的放射性核素就會發(fā)生衰變，產(chǎn)生正電子，正電子遇到人體內(nèi)游離的電子就會發(fā)生湮滅效應(yīng)，從而產(chǎn)生兩個能量同為511keV，運動方向相反的γ光子，γ光子被體外的探測器探測到，進而利用重建算法得恢復(fù)出示蹤劑在體內(nèi)的分布情況。

然而，對于身體某一特定部位來說，多方面、多角度的檢測可以提供更豐富的信息，從不同方面來刻畫腫瘤的生理和功能狀態(tài)也有助于提高診斷準確率，因此雙示蹤劑PET成像是十分有必要的。為了節(jié)約掃描時間，減輕病人痛苦，提高診斷效率，單次掃描雙示蹤PET動態(tài)成像成為亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)，由于一次湮滅反應(yīng)產(chǎn)生的是一對511ekV的γ光子，所以不能從能量的角度對這兩種示蹤劑進行區(qū)分。目前主流的雙示蹤劑PET重建方法主要有兩類：第一類方法對重建出的雙示蹤劑PET重建圖像進行分離，該方法從原始數(shù)據(jù)出發(fā)進行雙示蹤PET圖像的重建，但是計算復(fù)雜度高，并依賴于人為構(gòu)造的雙示蹤模型，臨床應(yīng)用性不強。第二類方法將分離算法融入雙示蹤劑PET的分離過程中，直接重建出兩種放射性示蹤劑的濃度分布情況，該方法是在預(yù)先重建好的混合PET圖像基礎(chǔ)上進行分離，但此類方法的分離精度很大程度上取決于重建水平的好壞，限制了分離精度的進一步地提高。除此之外，大部分方法不適用于兩種示蹤劑同時注射的情況，這不利于最大限度地節(jié)省掃描時間，提高機器利用率，減輕病人痛苦。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種基于混合損失函數(shù)3D CNN的動態(tài)雙示蹤PET重建方法，其針對雙示蹤PET數(shù)據(jù)的3D格式，選用對應(yīng)的3D卷積核，在立體感受野中進行特征提取(下采樣)和重建(上采樣)過程，精確地從動態(tài)符合計數(shù)序列出發(fā)，重建出兩種不同的雙示蹤PET的三維濃度分布圖。

一種基于混合損失函數(shù)3D CNN的動態(tài)雙示蹤PET重建方法，包括如下步驟：

(1)向生物組織注入由示蹤劑I和示蹤劑II所組成的混合雙示蹤劑并進行動態(tài)PET探測，得到對應(yīng)不同時刻的符合計數(shù)向量，進而組成反映混合雙示蹤劑分布情況的三維動態(tài)符合計數(shù)序列S^dual；

(2)向生物組織先后注入示蹤劑I和示蹤劑II并進行動態(tài)PET探測，得到兩組單示蹤劑對應(yīng)不同時刻的符合計數(shù)向量，進而組成分別反映示蹤劑I和示蹤劑II分布情況的三維動態(tài)符合計數(shù)序列S^I和S^II；