放射性药物针孔伽马成像系统关键技术研究

摘要

2011年美国医学界首次提出了“精准医学”的概念，2016年我国展开了“精准医学”重大专项科研行动，其中放射性药物是“精准医学”中重要的研究内容之一。当前针对放射性药物的研究，主要通过活体生物实验获取真实的数据，由于其研究的特殊性，实验通常采用小动物作为研究对象。如何评价放射性药物的诊治及预防效益，必须依赖先进的医学诊断手段，目前主要采用微型单光子发射层析成像(micro-single photon emission tomography，micro-SPECT)和微型正电子发射层析成像(micro-positron emission tomography，micro-PET)。这两种设备都靠国外进口，由于产品垄断，技术封锁，价格昂贵，体积庞大，很难满足国内生物及医学研究中要求便捷、低成本、多通道等需求。因此，本论文结合研究室多年研究核仪器仪表的基础上，提出开展放射性药物针孔伽马成像系统研究，该系统便捷、价格低廉，并能以图像的方式进行放射性药物相关技术分析，这对推动我国个体化“精准医疗”的研究具有重要意义。
　　本论文所研制的放射性药物针孔伽马成像系统主要通过放射性药物释放出的γ射线与小动物发生作用后，携带小动物信息的γ射线，穿过厚针孔与闪烁体发生作用后被转换为可见光，微弱光线再由MCP(Micro Channel Plate)像增强器增强，然后通过CCD(Charge-coupled Device)相机采集得到伽马图像。过程中由于受MCP像增强器和CCD相机等器件空间分辨率的局限和噪声的影响，所获得的伽马图像严重退化，难以真实反映出放射性药物在小动物体内的真实空间分布。因此，必须专门针对此开展伽马图像去噪、图像复原技术研究，以提高放射性药物针孔伽马成像系统诊断、分析水平。
　　有鉴于此，本论文依托国家自然科学基金项目（批准号:61401049）和国家有关科技专项——新型中高端医疗器械（数字诊疗类）产品研发之“医学影像设备关键技术及新产品研究”项目(项目编号:cstc2015zdcy-0072)，开展了放射性药物针孔伽马射线成像系统的基本理论、仪器设备、方法技术及应用研究工作，研究并开发了一套放射性药物针孔伽马成像系统。
　　本论文研究内容及取得的成果如下:
　　1.采用理论计算和实验测量相结合的方式对厚针孔、闪烁体、MCP像增强器和CCD相机的点扩散函数开展了研究，利用傅里叶变换建立了调制传递函数模型，并评价了针孔成像系统的空间分辨率。
　　2.在分析针孔成像系统各部件特性以及点扩展函数的基础上，通过理论论证和实验测量的方式，研究了针孔成像系统各器件，成功研制了放射性药物针孔伽马成像系统，同时通过系统响应、137Cs下限可测量剂量率、视场角等实验验证了该系统的成像效果。
　　3.通过对系统成像图像的特点和噪声特性的分析研究，将图像噪声分解为伽马噪声、高斯噪声和泊松噪声。在小波变换域中，通过理论验证了泊松噪声和高斯噪声的特性具有相似性，借助高斯噪声模型，分别提出了一种基于系数分类的小波域混合模型图像降噪算法和一种基于Contourlet的图像自适应阈值降噪算法。针对高信噪比的图像，基于系数分类的小波域混合模型图像降噪算法，既反映了小波系数尺度间的依赖性，又反映了尺度内的相关性，该方法降低了图像噪声的同时保护好了细节信息，且效率较高。针对低信噪比的图像，基于Contourlet的图像自适应阈值降噪算法比基于系数分类的小波域混合模型图像降噪算法更好的恢复出图像边缘，具有更好的细节保护能力。实验结果表明，该算法在伽马图像处于低信噪比的情况下，降噪效果较好。
　　4.在对小波降噪原理和Lucy-Richardson(L-R)迭代原理进行研究分析的基础上，提出了一种Wavelet-Lucy-Richardson(W-L-R)伽马图像复原算法，经验证，该方法复原的图像效果较好;它是将小波降噪算法融入到L-R算法中，有效地抑制了L-R算法过程中的噪声放大，使细节恢复与噪声放大达到平衡，相应的提高了图像空间分辨率。
　　5.通过131I标记卟啉化合物的针孔伽马成像实验，采用本文所提出的两种降噪算法对实验获得的肿瘤伽马图像进行了降噪处理后，图像质量得到明显改善。另外，在99mTc标记膦酸化合物的针孔伽马成像实验中，获得的白兔骨显图，该图像模糊不清、噪声较强。采用本文所提出的Wavelet-Lucy-Richardson算法对其进行复原后，细节较好，图像质量得到了明显改善，图像的空间分辨率也有所提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 针孔伽马射线成像系统研究意义

1．2 针孔伽马射线成像系统国内外研究现状

1．3 针孔伽马射线成像系统图像复原研究现状

1．3．1 图像复原技术研究现状

1．3．2 针孔伽马射线成像系统图像复原研究现状

1．4 研究目的及主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 针孔伽马射线成像系统基本理论

2．1 针孔伽马射线成像系统工作原理

2．2 针孔伽马射线成像系统器件结构原理及点扩展函数

2．2．1 PSF和MTF

2．2．2 厚针孔

2．2．3 闪烁体

2．2．4 MCP像增强器

2．2．5 CCD相机

2．3 本章小结

第3章 放射性药物针孔伽马成像系统研制

3．1 便携式针孔伽马成像系统原理结构

3．2 针孔准直器

3．3 闪烁体

3．4 像增强器与光锥

3．5 CCD芯片及其驱动硬件

3．6 系统设计

3．6．1 硬件部分

3．6．2 软件部分

3．7 系统验证

3．7．1 系统响应实验

3．7．2 137Cs下限可测剂量率

3．7．3 视场角和137Cs角分辨

3．8 本章小结

第4章 放射性药物针孔伽马图像去噪算法研究

4．1 概述

4．1．1 伽马图像特点

4．1．2 系统噪声分析

4．1．3 高斯噪声和泊松噪声的性态

4．1．4 不同阈值去噪方法的比较

4．2 伽马图像的小波去噪算法

4．2．1 Bayes降噪

4．2．2 基于小波零树结构的系数分类

4．2．3 基于分类的混合模型降噪算法

4．2．4 降噪算法步骤

4．2．5 Gibbs效应的消除

4．2．6 数值实验

4．3 基于Contourlet的伽马图像自适应阈值去噪算法

4．3．1 小波的局限

4．3．2 多尺度几何分析

4．3．3 Contourlet变换阈值降噪原理

4．3．4 Contourlet系数阈值萎缩降噪

4．3．5 局部自适应窗口估计阈值萎缩因子

4．3．6 算法步骤

4．3．7 数值实验

4．4 本章小结

第5章 放射性药物针孔伽马图像复原算法研究

5．1 概述

5．2 图像降晰模型

5．3 图像复原算法的研究

5．3．1 频域的图像复原算法

5．3．2 小波域的图像复原算法

5．3．3 Lucy-Richardson图像复原算法

5．3．4 Wavelet-Lucy-Richardson图像复原算法

5．3．5 复原算法效果比较

5．4 本章小结

第6章 放射性药物针孔伽马成像系统实验研究

6．2．1 肿瘤标定实验

6．2．2 实验数据处理

6．3 99m Tc标记膦酸化合物的针孔伽马成像实验

6．3．2 实验数据处理

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果