[發明專利]基于EM算法的動態PET參數圖像分部重建算法

在審

• 申請號: 202011424506.7
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN114612583A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 陳子翔;胡戰利;鄭海榮;梁棟;劉新;楊永峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 楊帥峰

本發明公開了基于EM算法的動態PET參數圖像分部重建算法，涉及醫學成像技術領域，將耦合血流生理學模型與成像線性方程得到的參數圖像成像線性方程進行拆解，將重建目標圖像分解為兩個目標圖像，并通過交替進行的EM迭代圖像重建算法重建斜率圖像κ與截距圖像b，本發明基于EM迭代圖像重建算法和Patlak數學模型的分部直接動態PET參數圖像重建方法，將Patlak曲線的斜率圖像與截距圖像在線性方程中分部分交替迭代重建，極大程度減小斜率圖像與截距圖像在迭代計算中的互相干擾，使重建圖像具有更高的圖像質量，極大程度減少參數圖像重建過程中的誤差引入，使所得參數圖像更加有利于后續的診斷與分析。

技術領域

本發明涉及醫學成像技術領域，具體涉及基于EM算法的動態PET參數圖像分部重建算法。

背景技術

動態PET成像技術應用的關鍵是對病人生理代謝情況的定量分析。基于Patlak生理學模型對圖像序列進行后處理是目前主流的動態PET數據分析方法。間接法重建參數圖像指，使用圖像采集得到的投影數據首先重建出所有動態PET圖像序列，從動態圖像中得到病人各組織的時間活度曲線(TAC)，結合時間活度曲線與成像過程中的血液輸入函數，基于合適的方式模型和Patlak生理學模型，計算出病人各個組織的顯像劑流入率Ki，即Patlak曲線有效區段的斜率。各像素點κ即構成動態PET參數圖像。在間接法之外，動態PET學科前沿科學家提出從圖像采集所得投影數據直接計算參數圖像的方法，即直接法動態PET參數圖像重建。這種方法由于不經過兩次圖像估算，相比較間接法參數圖像重建技術，極大減少了參數圖像計算結果中的誤差和干擾信息。

間接法重建參數圖像由于經過兩次圖像估算的過程，即動態PET圖像重建與參數圖像重建，參數圖像重建結果中存在較大的誤差與干擾信息。相關技術提出的使用最大后驗直接重建參數圖像的方法很大程度減少了重建參數圖像中的誤差與干擾信號。但是，由于這種方法將Patlak曲線的斜率圖像κ與截距圖像b整合為一個目標圖像一次性求解，迭代中所要求解的未知數數量較大，導致重建參數圖像質量仍然存在限制。

發明內容

為了解決現有技術中的問題，本發明提出基于EM算法的動態PET參數圖像分部重建算法，將Patlak曲線的斜率圖像與截距圖像在線性方程中分部分交替迭代重建的方法，極大程度減小斜率圖像與截距圖像在迭代計算中的互相干擾，使重建圖像具有更高的圖像質量，更加有利于后續的診斷與分析。

為了實現以上目的，本發明提供了基于EM算法的動態PET參數圖像分部重建算法，包括：將耦合血流生理學模型與成像線性方程得到的參數圖像成像線性方程進行拆解，將重建目標圖像分解為兩個目標圖像，并通過交替進行的EM迭代圖像重建算法重建斜率圖像κ與截距圖像b。

進一步地，所述參數圖像成像線性方程拆解為下式：

其中，與分別為當前動態PET成像任務對應的血液輸入函數C_p(t)的時間積分函數和C_p(t)的衰減積分函數；P為成像系統矩陣；r為投影數據中的散射與隨機符合時間；為克羅內克積運算；k和b分別為待重建的Patlak曲線斜率圖像與截距圖像。

進一步地，所述時間積分函數表示為：

其中，n表征某個時間幀，t_s,n為時間幀n的起始時間；t_e,n為時間幀n的結束時間；τ為積分時間變量；ξ為內層函數積分時間變量；λ為標記同位素的衰減常數。

進一步地，所述衰減積分函數表示為：

進一步地，所述EM迭代圖像重建算法包括如下斜率圖像κ迭代公式：

其中，N為目標參數圖像像素數，1_N為長度為N的元素值全為1的列向量；T表示矩陣轉置。