[發(fā)明專利]基于SPECT數(shù)據(jù)采樣與噪聲特性的斷層圖像重建方法

有效

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• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112381741B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李琨;陳思;楊雪松;鄧曉
• 申請（專利權(quán)）人: 佛山讀圖科技有限公司;佛山原子醫(yī)療設(shè)備有限公司
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T11/00;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 佛山市禾才知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44379
• 代理人: 梁永健

基于SPECT數(shù)據(jù)采樣與噪聲特性的斷層圖像重建方法，其包括步驟：步驟A，評估SPECT原始投影數(shù)據(jù)的噪聲水平，選擇與噪聲水平相匹配的第一卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對SPECT原始投影數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理；步驟B，對降噪后的投影數(shù)據(jù)應(yīng)用統(tǒng)計迭代重建算法，得出初步重建圖像；步驟C，應(yīng)用與SPECT投影數(shù)據(jù)采樣角度數(shù)目相匹配的第二卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對初步重建圖像進(jìn)行后處理；步驟D，基于去偽影后的重建圖像和SPECT原始投影數(shù)據(jù)進(jìn)一步應(yīng)用基于壓縮感知的圖像迭代重建算法，得到最終的重建圖像。上述重建方法，特別針對稀疏采樣的SPECT數(shù)據(jù)，可縮短SPECT斷層成像采集時間，進(jìn)行提升效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是基于SPECT數(shù)據(jù)采樣與噪聲特性的斷層圖像重建方法。

背景技術(shù)

SPECT(Single-Photon Emission Computed Tomography，單光子發(fā)射計算機(jī)斷層成像設(shè)備)是一種醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，其基本工作原理如下：利用伽馬相機(jī)環(huán)繞成像目標(biāo)(病人)旋轉(zhuǎn)，在不同角度探測目標(biāo)體內(nèi)放射性藥物發(fā)出的經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直的伽馬光子，形成二維投影數(shù)據(jù)，對所有采樣角度采集的投影數(shù)據(jù)應(yīng)用斷層圖像重建算法重建出成像目標(biāo)體內(nèi)放射性藥物的三維空間分布。

受限于成像物理原理，SPECT在每個投影角度需要采集一定時間——通常在20-60秒之間——以積累伽馬光子計數(shù)，從而提升投影數(shù)據(jù)的信噪比，即便如此，SPECT投影數(shù)據(jù)的噪聲水平仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PET(正電子斷層成像設(shè)備)和X光CT等其它同類放射成像設(shè)備。為滿足斷層成像的角度采樣要求，在全身成像應(yīng)用中，傳統(tǒng)SPECT需要在環(huán)繞成像目標(biāo)軸向360度角的范圍內(nèi)完成60個角度的投影數(shù)據(jù)采樣以完成一個床位的斷層成像，覆蓋軸向視野約40厘米，耗時約15-20分鐘。以此類推，3個床位覆蓋約1.2米軸向視野的斷層成像需要約1個小時，從臨床工作效率和病人耐受性的角度，這是無法接受的。因此一種能夠在降低數(shù)據(jù)采集時間的前提下仍能基本保持圖像質(zhì)量不變的圖像重建方法，會對SPECT斷層成像臨床應(yīng)用的推廣普及產(chǎn)生重要的推動作用。

近年來，以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于CT、PET醫(yī)學(xué)圖像降噪和去除稀疏采樣引入的偽影等領(lǐng)域，取得了較好的效果。但是其局限性在于對差異化數(shù)據(jù)的適應(yīng)性較差，當(dāng)實際應(yīng)用數(shù)據(jù)與訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的噪聲水平和偽影特性接近時，可以有較好的降噪和去偽影效果；否則，降噪和去偽影效果就會有不同程度的降低。

對于SPECT成像來說，降低采集時間可以通過降低每個角度采樣時間、減少采樣角數(shù)目以及二者結(jié)合來實現(xiàn)，不同的采集時間和采樣角數(shù)目選擇都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)和圖像的噪聲與稀疏采樣偽影的特性產(chǎn)生較大差異。另外，在臨床實踐中，SPECT原始投影數(shù)據(jù)和圖像的噪聲水平還受很多因素的影像響：如不同種類或劑量的放射性藥物，放射性藥物在不同病人或同一病人不同部位之間的差異化分布、以及常規(guī)圖像重建算法的參數(shù)設(shè)置等。因此，單一的、固定參數(shù)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無法很好的地完成SPECT稀疏采樣斷層重建的降噪和去偽影的功能。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提出基于SPECT數(shù)據(jù)采樣與噪聲特性的斷層圖像重建方法，特別針對稀疏采樣的SPECT數(shù)據(jù)，旨在解決上述的問題中的一項或多項，以縮短SPECT斷層成像采集時間，進(jìn)行提升效率。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

基于SPECT數(shù)據(jù)采樣與噪聲特性的斷層圖像重建方法，包括步驟：

步驟A，使用泊松噪聲模型評估SPECT原始投影數(shù)據(jù)的噪聲水平，選擇與噪聲水平相匹配的第一卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對SPECT原始投影數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理；

步驟B，對降噪后的投影數(shù)據(jù)應(yīng)用基于物理模型、參數(shù)固定的統(tǒng)計迭代重建算法，得出初步重建圖像；

步驟C，應(yīng)用與SPECT投影數(shù)據(jù)采樣角度數(shù)目相匹配的第二卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對初步重建圖像進(jìn)行后處理，去除因稀疏采樣引起的偽影；