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研究生: 林家榆
論文名稱: 疊代式影像重建演算法在飛行時間正子斷層掃描之研究
An Investigation of Iterative Image Reconstruction Algorithms in Time-of-Flight Positron Emission Tomography
指導教授: 許靖涵
Hsu, Ching-Han
口試委員: 蕭穎聰
王福年
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 生醫工程與環境科學系
Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 87
中文關鍵詞: 正子斷層掃描飛行時間疊代式影像重建
外文關鍵詞: PET, Time-of-Flight, iterative image reconstruction
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  • 飛行時間正子斷層掃描系統(Time-of-flight positron emission tomography, TOF PET)除了能提供傳統PET高空間解析度的功能性影像外,更具有高時間解析度的優勢,使得偵收系統能夠測量互毀光子對到達偵檢器的時間差,進而改善影像品質。然而,在TOF PET成像時,因偵收資料包含空間資訊和時間資訊,因此TOF PET影像重建耗費的時間較傳統PET影像重建多。本研究建立一個飛行時間資料的統計模型,針對TOF PET重建過慢的問題,應用PET快速疊代演算法並加入TOF PET的時間資訊,以加速影像重建的速度。模擬實驗結果顯示,相較於傳統PET重建影像,TOF PET重建影像有較高的訊雜比和較高的對比恢復性。另外在快速疊代演算法的部分,相較於傳統的TOF PET加速演算法,本研究提出的飛行時間加速演算法能進一步提升收斂速度。整體而言,在不影響TOF PET高品質的前提下,本研究所提出的TOF PET加速演算法能確實達到加速影像收斂的目的。


    The time-of-flight (TOF) positron emission tomography(PET) system can provide not only high spatial resolution in functional image as conventional PET but high time resolution. High time resolution provides the measurement ability of time difference of annihilation photon pair reach detector. The characteristic can improve image quality. In TOF PET imaging, the measurement data contain spatial and temporal information. TOF PET image reconstruction takes consequently more time than conventional PET. In this study, we contributed a two-dimension statistical model for TOF data. We also developed a fast TOF iterative image reconstruction algorithm to improve low convergence rate of TOF image reconstruction. The results of experiments show that TOF reconstruction can obtain higher signal-to-noise ratio (SNR) and higher contrast recovery rate than conventional PET. The fast TOF iterative image reconstruction we derived have faster convergent rate than conventional one. In conclusion, the TOF PET fast iterative method we derived can achieve the acceleration of image reconstruction without spoiling high image quality characteristics of TOF PET.

    第1章 序論 1 第2章 正子斷層掃描 3 第2.1節 正子衰變與光子訊號偵收 3 第2.2節 互毀光子偵收系統 4 第2.3節 同符事件偵收資料排列 5 第2.4節 PET光子偵收的物理特性 6 第2.4.1節 光子衰減效應(Photon attenuation effect) 6 第2.4.2節 散射事件(Scatter events) 8 第2.4.3節 隨機事件(Random events) 9 第2.5節 TOF PET系統發展 10 第2.6節 TOF PET 基本物理架構 11 第2.7節 TOF PET的優點 13 第2.8節 TOF PET影像重建發展與臨床影像特性 16 第3章 機率矩陣計算 18 第3.1節 機率矩陣(Probability matrix) 18 第3.2節 幾何機率矩陣(Geometric probability matrix) 19 第3.2.1節 射束追蹤法計算 19 第3.2.2節 幾何機率標準化 20 第3.3節 飛行時間機率矩陣(TOF probability matrix) 21 第3.3.1節 飛行時間偵收資訊 21 第3.3.2節 時間解析度統計模型建立 22 第3.3.3節 飛行時間機率矩陣運算概念 23 第3.3.4節 飛行時間機率計算方式 24 第3.3.5節 飛行時間機率值標準化 26 第4章 統計模型與影像重建演算法 27 第4.1節 統計模型建立 27 第4.2節 相似度函數 27 第4.3節 最大相似度評估(Maximum likelihood estimation, MLE) 29 第4.4節 最大相似度均值最大化演算法(MLEM) 30 第4.5節 MLEM的特性 31 第4.6節 飛行時間最大相似度均值最大化演算法(TOF MLEM) 31 第4.6.1節 飛行時間相似度函數 32 第4.6.2節 最大化飛行時間相似度評估 33 第4.6.3節 TOF MLEM演算法 33 第4.7節 序列子集合均值最大化演算法(Ordered subset expectation maximization, OSEM) 35 第4.8節 OSEM演算法特性 37 第4.9節 飛行時間序列子集合均值最大化演算法(TOF OSEM)37 第4.10節 TOF-OSEM 子集合選擇方式 38 第4.10.1節 角度子集合(Angular subset) 39 第4.10.2節 時間子集合(Temporal subset) 39 第4.10.3節 角度和時間混合式子集合(Angular and temporal hybrid subset) 40 第5章 實驗設計 42 第5.1節 實驗硬體平台 42 第5.2節 模擬假體設計 44 第5.2.1節 點射源 44 第5.2.2節 均勻假體 44 第5.2.3節 非均勻假體 45 第5.3節 PET資料擷取 46 第5.3.1節 TOF 與 Non-TOF正向投影 46 第5.3.2節 蒙地卡羅模擬 47 第5.4節 疊代式演算法收斂定義 48 第5.5節 影像指標 49 第5.5.1節 訊雜比(Signal-to-noise ratio, SNR) 49 第5.5.2節 對比恢復係數(Contrast recovery coefficient, CRC) 50 第6章 實驗結果與討論 51 第6.1節 驗證實驗 51 第6.1.1節 TOF MLEM 驗證實驗 51 第6.1.2節 TOF OSEM 驗證實驗 52 第6.2節 TOF-MLEM空間解析度實驗 54 第6.3節 均勻假體訊雜比實驗 56 第6.3.1節 短圓柱體大小對於訊雜比增益的影響 56 第6.3.2節 隨機事件對於訊雜比增益的影響 57 第6.4節 徑向排列非均勻假體對比恢復係數實驗 58 第6.4.1節 TOF MLEM對高計數高對比假體對比恢復係數影響 58 第6.4.2節 TOF MLEM對低計數高對比假體對比恢復係數影響 61 第6.4.3節 TOF MLEM對低計數低對比假體對比恢復係數影響 64 第6.5節 環向排列非均勻假體對比恢復係數實驗 66 第6.6節 TOF OSEM 均勻假體實驗 70 第6.6.1節 TOF OSEM 數位均勻假體實驗 71 第6.6.2節 TOF OSEM高計數均勻假體實驗 75 第6.6.3節 TOF OSEM 低計數值均勻假體實驗 79 第6.7節 綜合討論 81 第7章 結論與未來方向 84

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