[发明专利]基于BCD-ED的单扫描双示踪剂PET信号分离方法

说明书

本发明公开了一种基于BCD‑ED的单扫描双示踪剂PET信号分离方法，该方法将传统迭代重建算法与深度学习结合，能够利用数据驱动精确地从混合的双示踪图像中分离出两种单一的示踪剂PET图像。本发明采用的BCD‑ED框架具有三个模块，分别为重建、去噪和分离模块，利用极大似然估计算法对PET采集到的混合示踪剂sinogram进行重建，并使用低秩正则化模型对重建图像进行去噪，更好地约束重建混合浓度图的形状，噪声更小；进而使用编解码模型学习混合示踪剂浓度图和两个全剂量单示踪剂之间的映射关系，并要求对单示踪剂浓度图的细节信息也能较为清晰地恢复。

技术领域

本发明属于PET信号分离技术领域，具体涉及一种基于BCD-ED(块坐标下降-编解码)的单扫描双示踪剂PET信号分离方法。

背景技术

正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，PET)是一种典型的发射型计算机断层成像技术，常与标记¹¹C、¹⁸F、¹⁵O、¹³N等同位素的示踪剂配合使用，具有对示踪剂灵敏度高、无创等优点。PET扫描示踪剂的动态变化，可以表征和量化体内组织的功能，从而获得该部位的葡萄糖代谢、血流和乏氧等生理指标，已知用于肿瘤、心脏病、神经性疾病等多种疾病的研究。用于标记的常用核素按照放射性半衰期时长可分为短半衰期核素、中等半衰期核素和长半衰期核素，半衰期长短会影响示踪剂的合成、运输、剂量、扫描时长、性能以及PET探测器所需灵敏度，需要根据实际情况权衡使用；短半衰期核素有⁸²Rb、¹⁵O、¹³N、⁶²Cu、¹¹C，较短的半衰期可用于短时间内多次扫描成像，但需要实验室配有回旋加速器、高注射剂量、短合成时间或更灵敏的PET探测器；长半衰期核素如⁶⁴Cu、¹²⁴I，可进行生理活动的纵向长时间研究并适用于远离回旋加速器的实验地；中等半衰期核素主要有¹⁸F和⁶⁸Ga，时长适中因此使用频繁，由于¹⁸F具有比其它核素更低的正子能量和范围、中等半衰期、分歧率较高和易于标记生物分子等优点，是科学研究和临床上使用最为广泛的核素。

相比于单示踪剂PET成像技术只能得到某一方面的生理活动特征，信息单一难以准确判断疾病，多示踪剂PET技术可通过成像对不同生理功能变化敏感的放射性示踪剂，提供互补信息以表征更完整的疾病状态，从而减少疾病误诊的可能性，并指导医生选择更有效的治疗方案。早期对于双示踪剂成像往往采用的是分别注射两种示踪剂，分别采集的方式，即双注入-双扫描模式，这种模式会让两种示踪剂在相应的衰减周期内不会发生相互干扰的情况，但是这种扫描方式会给病人带来很大的不舒适感。因为这种扫描方式需要较长的时间，之后为了解决这种问题，Koeppe等人提出了一种双注入-单扫描的模式，即对双示踪剂进行统一的扫描，通过对两种示踪剂进行较短时间间隔的注入，例如10～20分钟来减少两种示踪剂的信号叠加效应，并通过分析像素时间活度曲线(TAC)或非线性最小二乘法(NLS)模拟目标区域(ROI)的方式将不同的示踪剂信号分离出来；这种扫描方式虽然可以把两种扫描合并成一种扫描，在一定程度上减少了扫描时间，但是0～20分钟的间隔扫描时间并不是最完美的扫描方式。

为了能实现完全无间隔的扫描方式，很多研究者都投入了很多精力，目前已经有了一些无间隔双示踪剂成像方式大多利用的是先验信息，比如TAC数据以及房室模型数据来进行不同的示踪剂分离，然而这种基于先验信息的分离方式对先验信息的准确性和双示踪剂数据的信噪比要求比较高，这使其实际应用受到了一些限制。因此，如何利用是示踪剂的本质特征来区分成为了示踪剂成像的重要研究方向之一。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于BCD-ED的单扫描双示踪剂PET信号分离方法，该方法借助于深度学习这一强大的特征提取工具，能够利用数据驱动精确地从混合的双示踪PET图像中分离出两种单一的示踪剂PET图像。