基于全数字PET探测器的局部高空间分辨率PET成像研究

摘要

正电子发射断层扫描（PET）是一种核医学成像设备，在肿瘤的早期检测、诊断等方面具有重大的应用价值。PET的普遍应用对成像质量提出了更高的要求。为了提高PET成像质量，获得高系统空间分辨率一直是PET仪器研制的重要方向之一。空间分辨率越高，意味着病灶检出率越高，越可能更早期发现微小病灶。
　　传统PET仪器的研究和开发，主要集中在针对广泛应用的通用模式技术上，成像仪构建完成后各项性能指标几乎完全固定，不能在应用需求变化时进行快速调整或修改。我们注意到，不同的应用对各项性能的需求有所不同，并且在应用中往往对局部区域非常感兴趣，仅需要在感兴趣区域（ROI）获得高质量成像。以数字化技术为核心的全数字PET探测器，采用单事件、模块化的设计，能便利地实现变结构成像。基于全数字PET探测器的特点，本文提出了一种新的具有局部高空间分辨率的PET系统设计（定义为空间异质数字PET系统），研究了探测器的布局与ROI的位置、大小和空间分辨率需求的关系，分析了系统在模拟的肝脏病灶检测应用中的成像特性，最后探索了一种采用薄平板源的快速简易归一化校正方法，为未来实现系统奠定基础。主要研究内容和成果如下：
　　空间异质数字PET系统，由多种具有不同固有空间分辨率的PET探测器构成，在不牺牲成像视野（FOV）的情况下，采用变结构的方式在ROI获得高空间分辨率、非ROI获得普通空间分辨率，从而兼顾应用的整个成像需要。本文首先提出了空间异质数字PET系统设计思想和成像方法，然后设计了一种系统原型，包含高、低两种不同固有空间分辨率的探测器，具有高固有空间分辨率的探测器（HRD）在探测环上采用“一段式分布”，细致研究了该分布方式下HRD的布局（位置和数目）对FOV中各局部区域的空间分辨率的影响。同时设计了一种“均匀分布”的方式，与“一段式分布”形成互补，实现了对FOV中任意ROI的局部高空间分辨率成像。该项工作构建了ROI的空间分辨率需求、位置和大小与HRD布局的关系表，为ROI高空间分辨率成像实现了定制化的空间异质数字PET系统。
　　以肝脏病灶检测为应用背景，采用蒙特卡罗（MC）仿真的方法，分析了“一段式分布”的空间异质数字PET系统的成像特性。具体研究了成像收敛特性，分析成像性能和随机事件对成像质量的影响。实验结果表明，HRD的布局直接影响ROI的成像收敛速度和成像性能，其影响规律与HRD布局对ROI空间分辨率影响的结论一致；并且系统相对于同质系统的成像性能基本不受随机分数高低的影响。
　　为满足离线和在线变结构的空间异质数字PET系统对归一化校正速度的高要求，设计了一种基于薄平板源的快速简易归一化校正方法，对离线变结构系统须进行一次完整的归一化校正而对在线变结构系统仅须更新部分校正因子。经分析该方法同样适用于同质系统，故采用Trans-PET○R系统进行了方法的初步验证。实验结果表明该方法能基本满足离线变结构的空间异质数字PET系统归一化校正的需要，结合对该方法的分析表明，该方法也有潜力为在线变结构的空间异质数字PET系统实现快速归一化校正。

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1 绪论

1.1 PET简介

1.2 传统PET成像系统设计

1.3 异质PET成像系统设计

1.4 选题背景与意义

1.5 本文主要工作及安排

2 空间异质数字PET系统设计

2.1 引言

2.2 设计思想

2.3 系统成像方法

2.4 系统原型设计与实验设置

2.5 成像结果与分析

2.6 讨论

2.7 本章小结

3 空间异质数字PET系统探测器布局研究

3.1 引言

3.2 方法

3.3 ROI空间分辨率结果与分析

3.4 讨论

3.5 本章小结

4 空间异质数字PET系统应用成像特性仿真研究

4.1 引言

4.2 方法

4.3 收敛性分析

4.4 成像性能

4.5 随机分数对成像质量的影响

4.6 讨论

4.7 本章小结

5 空间异质数字PET系统归一化校正初探

5.1 引言

5.2 归一化校正方法

5.3 验证方法

5.4 校正结果与分析

5.5 讨论

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要工作内容与结论

6.2 主要创新

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间的主要成果和奖励