PET误差随时间变化关系研究

论文总字数：43397字

目 录

一、数据的来源及相关工具 1

1.1 PET 1

1.2 MATLAB 1

1.3 spm 1

1.4 原始数据 2

二、提取数据和初步处理 2

2.1 研究对象 2

2.2对象裁剪 4

2.2.1 预处理思路 4

2.2.2 对象确定 5

2.2.3 算法拟定 5

2.3 主要程序及参数简介 5

2.4 遇到的一些困难 7

2.4.1 突变 7

2.4.2 衰变 7

三、统计与分析 8

3.1 主要手段 8

3.2 半径与峰 9

3.3 双峰拟合 12

3.4 单峰拟合 14

3.5 分析 2

3.6 噪音 2

3.7 分布偏差 2

3.7.1 带噪音的分布偏差 2

3.7.1 取0.7倍半径的带噪音的分布偏差 12

四、结论分析 20

附录 21

参考文献 39

致谢 40

一、数据的来源及相关工具

1.1 PET

全称为：正电子发射型计算机断层显像（Positron Emission Computed Tomography），是核医学领域比较先进的临床检查影像技术。

其大致方法是，将某种物质，一般是生物生命代谢中必须的物质，如：葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸，标记上短寿命的放射性核素（如18F，11C等），注入人体后，通过对于该物质在代谢中的聚集，来反映生命代谢活动的情况，从而达到诊断的目的。

最近各医院主要使用的物质是氟代脱氧葡萄糖，简称FDG。其机制是，人体不同组织的代谢状态不同，在高代谢的恶性肿瘤组织中葡萄糖代谢旺盛，聚集较多，这些特点能通过图像反映出来，从而可对病变进行诊断和分析。

1.2 MATLAB

MATLAB是matrixamp;laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

1.3 spm

SPM（Statistical Parametric Mapping）是由UCL(University College London)的Wellcome Trust Centre中心的成员及其合作者开发的应用于神经影像的软件。

Statistical Parametric Mapping 是用来验证功能影像数据假说的一种能创建和评估的空间的统计方法。这些想法可被软件实现，这个软件就是SPM。

SPM软件包用来分析脑的影像数据序列。这个序列可以是来自同一目标，不同队列或时间的一系列图像。目前版本可用来分析fMRI（Functional Magnetic Resonance Imaging，功能磁共振成像），PET(Positron Emission Tomography，正电子发射断层扫描)，SPECT，EEG（electroencephalo- graph，脑电图）和MEG（magnetoencephalogram，脑磁图）。

1.4 原始数据

18F-FDG是指氟代脱氧葡萄糖，其完整的化学名称为2-氟-2-脱氧-D-葡萄糖，通常简称为FDG。由于高代谢的恶性肿瘤组织中葡萄糖代谢旺盛，医学上采用FDG静脉注射参与活体组织的代谢过程，根据正常的组织和肿瘤组织对葡萄糖利用率的差异和糖酵解的速率的不同，利用PET探测人体的组织对FDG的摄取，记录数据并生成SINO图。随后重新对SINO图重新调用处理，生成人体切面断层图像用于后续研究。研究图样已由导师给出，共19个源文件包。

二、提取数据和初步处理

2.1 研究对象

论文的研究对象并不是一整块完整的原始三维数据图，而是图样中的某一个区域。这个区域便是FDG代谢高浓度区域。下图是一幅spm工作时的图片，右边的dimensions指的是图片的x,y,z三轴尺寸，Y=3.4402X指的是图样和实际尺寸的比例。

2-1 spm工作图例

以图2-1为例，图中的亮斑区代表的正是FDG代谢的聚集区域，也就是论文研究的目标区域，这种区域总是呈现球体状态。

实验数据中共可见的球体共12个，图2-1中的球体为12个球体中的前6个，后6个球体如图2-2。

2-2 spm工作图例

12个球体就是最终要研究的对象。理论上只要整幅图直接研究单个对象即可，但实际上软件有自身的局限性，这种方法实际上实施的困难度很大。因此需要将每个目标对象单独分割和研究分为两个步骤，以此简化单个程序的复杂度。

2.2对象裁剪

2.2.1 预处理思路

要将单个对象从数据源中取出，理论上预处理基本算法的思路如下：

基本数据（误差系数等）→数据导入→进行初始数据及初始目标组的锁定并扫描→转储数据→进行剩余文件并重复上述扫描→完成

这样的算法是基于绝对的数据上进行严格计算机算法的切割，从一定意义上来讲有一定的可靠性。另外，这也使得不需要再进入spm界面操作的情况下仅使用spm函数完成数据处理。

数据的读入是一大难点，算法并不是人眼，不能随便辨识出目标。不过，任何对象都是有特征的，只要抓住对象提的特征，就可以在数据文件中寻找到对象体并提取。对象体的特征很明显是数值明显高于周围。

数据的储存结构是img格式，img是具有矩阵格式的在显示时会进行处理的图像格式，这并不干扰直接对点数据的读取。源数据是三维格式的img，它带有hdr头文件。通过MATLAB对头文件分析，可以发现其格式如下，

V =

fname: 'F:\Tools\Matlab 2010b\Phontom-hot-Siemens-img\aaa.PET01.img'

dim: [100 100 100]

mat: [4x4 double]

pinfo: [3x1 double]

dt: [4 0]

n: [1 1]

descrip: ''

private: [1x1 nifti]

头文件需要通过spm_vol调取，它返回一个结构体句柄。通过spm_read_vols以句柄为函数可以打开相应img文件。通过对打开数据分析并工作，最后可以用spm_write_vol把文件写入到新文件中，完成储存。

2.2.2 对象确定

源文件图片数据的格式并不是每一点给一个三色数据，而是一个相对数据，用于描述整幅图的数据高低变化。高位值数据呈现白色，低位值则呈暗色。

既然对象以白色呈现，它一定是整个数据的高位值。只要知道高位和低位的区别值，就可以锁定目标体并找到所需对象。

这里必须要说明一下，由于衰变的原因，对象的值会在某些时候降低到超低位值，这种情况已经得到处理，在后文作相关概述。

2.2.3 算法拟定

数据导入

↓

确定矩阵起伏范围

↓

确定对象

↓

根据误差测量对象

↓

是：选择记录←是否合格？→否：放弃记录

↓

重复上述直至检测完毕

↓

完成剩下文件的锁定和测量

2.3 主要程序及参数简介

以下主要简介matlab程序及输入变量，详细程序内容见附录。

fileid：文件序号；bnum：球体序号；radius：半径；rw:允许剪切向外扩张的范围（可以是负值）。

ballsmk(fileid,bnum,Y,xc,yc,zc,radius)

这是球体文件的创建文件，不会被直接使用，而是被其它函数调用。

border(fileid,AA)

这是对球体数据的处理函数，由其它函数调用。

bstrpc（fileid，b）

剪切函数（handcut,oneredo,Dotmatrixscan函数）产生的一系列球体数据需要使用此函数处理，它会调用border函数。

dispballc(fileid,bnum)

处理后的图像，可以由此函数以plot函数展示出来，用于检验裁剪球体。

Dotmatrixscan(fileid,rw,redd)

球体的自动剪切函数，在条件允许的情况下，可以使用此函数进行自动的原始图裁剪。redd：测试变量，默认置零。

handcut(BB,AA,lx,rw)

手动裁剪程序，介于某些受干扰比较严重的数据图，需要进行手工裁剪。

BB：[fileid bnum]；AA:[球心坐标]；lx:x轴球体边界；rw可省略。

oneredo(BB,AA,lx)

对于某些裁剪失误的图像，可使用此函数重新手动裁剪。

radiorp(bnum,fitw,axd,varargin)

这是对处理后的球体进行统计的一个函数，描述的是半径随时间变化的图像。

fitw：拟合数，fitw=-1不拟合，fitw=0，自动拟合，fitw=n，相应次拟合；axd：调试变量默认需置零。

Varargin：xd，xu，yd，yu,坐标范围。

readballsc(fileid,bnum,fitw,varargin)

这是对处理后的球体进行统计的函数，描述的是半径上的能量分布图。

raer(bnum)

这是用于研究单个分布偏差方的函数。

ballverlist(rv)

这是用于完成所有分布偏差图样绘制及储存的函数，rv即rw，一般取0值。

arccyx=readballsengs(fileid,bnum,rv)

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