醫(yī)學(xué)X-CT稀疏投影成像優(yōu)化算法及其運動偽影校正研究.pdf

1、美國國家科學(xué)院、美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）等單位于2011年共同發(fā)出了邁向精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)（Precision Medicine）的倡議，時任美國總統(tǒng)奧巴馬于2015年正式批準(zhǔn)了“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計劃”，以推動個性化醫(yī)療的發(fā)展。我國為全面落實《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》相關(guān)任務(wù)時設(shè)立了“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究”重點專項，建立創(chuàng)新性的研發(fā)疾病診斷、治療等療效評價和分析技術(shù)體系。為此，我國剛邁入十三、五計劃發(fā)展時期，就先期啟動了國家

2、重點研發(fā)計劃“數(shù)字診療裝備研發(fā)重點專項”，其中，新型成像前沿技術(shù)是該計劃重要研究內(nèi)容之一。
　　毋庸置疑，醫(yī)用X-CT成像新原理、新技術(shù)及新方法將成為當(dāng)今邁向精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)必不可少的重要研究熱點和前沿技術(shù)及方法。據(jù)國內(nèi)外新近研究證實，在肺癌高危人群中開展低劑量螺旋X-CT篩查乃是發(fā)現(xiàn)早期肺癌的有效方法，與常規(guī)胸片相比，可以降低約20％的肺癌死亡?？梢?，X射線 CT（X-CT）在醫(yī)療診斷中起著舉足輕重的作用。
　　有鑒于此，本文是作

3、者獲得中國留學(xué)基金委“國家建設(shè)高水平公派研究生項目”（錄取文號：201406050068，批件號：留金發(fā)[2014]3026）的資助下，依托美國國家衛(wèi)生研究院(NIH)有關(guān)科研項目（US NIH/NIBIB Grant R01 EB016977、U01 EB017140）和中國國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：61201346、61401049）等科研課題，歷經(jīng)國外兩年、國內(nèi)兩年取得的研究工作成果。
　　盡管醫(yī)學(xué)X-CT技術(shù)在醫(yī)療臨

4、床診斷中起著舉足輕重的作用，但是 X射線是一種電離輻射，過多或超量的 X射線輻射，其對人體是有害的甚或會增加病人患癌的風(fēng)險。論文以低劑量、稀疏投影、運動偽影的醫(yī)學(xué)X射線CT成像關(guān)鍵技術(shù)為切入點，研究內(nèi)容主要包括：
　?。?）深入、系統(tǒng)調(diào)研了國內(nèi)外醫(yī)學(xué)X射線CT成像的原理、結(jié)構(gòu)、方法及技術(shù)，明晰了醫(yī)學(xué)X-CT成像理論、裝備及方法技術(shù)的發(fā)展歷程。闡述了欲清楚發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)部組織病變或病灶所面臨的挑戰(zhàn)，即，如何在存在干擾和限制條件下，重建出

5、高質(zhì)量的CT圖像；如何在保證CT重建圖像質(zhì)量的前提下，盡可能減少人體的X射線輻射劑量或者開發(fā)出其他的診療方法來減少輻射劑量。在此基礎(chǔ)上，確立了低劑量、稀疏投影、運動偽影的醫(yī)學(xué)X射線CT成像關(guān)鍵技術(shù)研究思路。
　?。?）研究分析了醫(yī)學(xué)X射線CT成像稀疏投影重建方法。為了在稀疏投影的情況下仍可重建出高質(zhì)量的CT圖像，立足于X射線CT投影數(shù)據(jù)是典型的稀疏信號的原理，依據(jù)壓縮感知理論，選取適當(dāng)?shù)恼蛔儞Q，可以在稀疏投影的情況下重建出高質(zhì)量

6、的CT圖像?；诖?，針對壓縮感知的正則化范數(shù)L1稀疏性不足的特點，將二分之一范數(shù)引入作為正則化范數(shù)L1/2，研究了基于二分之一正則化范數(shù)L1/2的 CT稀疏投影重建算法。與常用的正則化范數(shù)L1相比，二分之一正則化范數(shù)L1/2可以更好的表達(dá)信號的稀疏性，并可在稀疏投影的情況下重建出了高質(zhì)量的CT圖像。針對傳統(tǒng)全變差僅使用一個方向的梯度信息的缺點，引入了多方向全變差的概念，研究了基于多方向全變差的CT稀疏投影重建算法。與基于傳統(tǒng)全變差的CT

7、稀疏投影重建算法相比，多方向的全變差可以提供更多方向的梯度信息，確保了在稀疏投影情況下重建出高質(zhì)量的CT圖像。
　?。?）研究了基于局部線性嵌入、無需模體的在線幾何參數(shù)校正算法。采用原始投影數(shù)據(jù)，通過對重建圖像的再投影，借助于局部線性嵌入對幾何參數(shù)進(jìn)行更新?；诖?，利用中科院高能所提供的扇形束CT系統(tǒng)投影數(shù)據(jù)的幾何參數(shù)進(jìn)行了校正，同時，還利用美國倫斯勒理工學(xué)院Ge Wang教授實驗室相位CT系統(tǒng)的CT幾何參數(shù)進(jìn)行了校正，二者都獲得

8、了較為精確的幾何參數(shù)和清晰的CT重建圖像。
　?。?）研究了基于局部線性嵌入的病人剛性運動校正方法。針對病人剛性運動校正尚未簡單通用的算法，在不需要外界運動感知設(shè)備的情況下，通過對重建圖像的再投影，利用局部線性嵌入對病人運動參數(shù)進(jìn)行校正。這是一種純軟件的病人剛性運動校正算法，將此算法應(yīng)用于扇形束CT系統(tǒng)和錐形束CT系統(tǒng)的病人運動校正，重建出了高質(zhì)量的CT圖像。其中，錐形束CT系統(tǒng)的病人運動問題，乃是一般性的病人剛性運動，基于局部線

9、性嵌入的病人校正算法，可以解決一般性的病人剛性運動問題。
　?。?）研究了基于開關(guān)式立體X-CT成像系統(tǒng)的超低劑量肺部腫瘤量化方法。針對基于錐形束CT系統(tǒng)傳統(tǒng)肺部腫瘤量化方法輻射劑量高、成本高的不足，僅利用數(shù)對投影條件下，通過在虛擬空間中植入一個橢球，以此對其進(jìn)行投影。使用立體成像系統(tǒng)觀察橢球的投影與腫瘤的投影是否重合，借以判斷橢球的位置和大小是否與腫瘤的位置和大小相吻合?；诖?，利用了美國麻省總醫(yī)院提供的肺部腫瘤數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真和