PET误差定量分析研究

 2022-01-17 11:01

论文总字数:23102字

目 录

一 绪论 1

二 数据图像来源处理工具及处理方法 3

2.1 数据图像来源 3

2.2 数据处理工具 3

2.2.1 SPM软件 3

2.2.2 MATLAB软件 3

2.3 PET图像的处理 3

三 提取图像模型数据 5

3.1 打开图像 5

3.2 记录小球边界 7

3.3 切割小球 8

四 数据的统计分析 10

4.1 频数直方图 10

4.2 曲线拟合 10

4.3 峰位及标准差统计分析 18

五 论文总结 21

PET误差定量分析研究

文伟民

,China

Abstract:This article focuses on the quantitative analysis of PET signal error, briefly introduces the positron emission tomography imaging technology, uses spm software to preprocess the data of PET images obtained, and then uses MATLAB software to carry out statistical analysis of PET data extraction. And Gaussian fit, get the signal curve of PET, so as to quantitatively analyze the signal error.

Key words:PET signal;SPM software;Gaussian fitting;statistical analysis

一 绪论

大脑作为一个重要的人体器官,对于大脑的研究以及大脑疾病的治疗是十分必要的,然而,人脑是极为精细复杂且脆弱的,对于大脑的研究不易展开,大脑的疾病不易治疗,治疗手段也受到极大的限制。为了更好地观察、研究和治疗大脑,现代的脑成像技术诞生了。脑成像技术,就是通过技术手段用图像的方式显示大脑结构功能与脑部探测测量结果,可用于研究特定的脑结构和脑功能之间的的关系,动态地检测大脑的各种生理活动,在临床医疗,疾病研治与大脑研究中发挥重要的作用。目前主要的脑成像技术分别为:计算机X线断层摄影(CT),正电子发射断层扫描技术(Positron Emission Computed Tomography),磁共振成像(MRI),功能磁共振成像(fMRI),血管造影术等技术[1]。计算机X线断层摄影(CT):使用x射线束对脑部剖面进行扫描,当x射线穿过头部后,由探测器接收信号后转变成数字信号,再经过电子计算机的处理后构建成脑部结构图像,但是有放射性不利于人体健康,且只显示脑结构,不显示脑功能。磁共振成像(MRI):基于核磁共振现象,从人体中获得电磁信号,并重建成像出人体信息,是断层成像的一种,优点是对人体没有辐射的损伤,不存在骨性伪影,使得可随意多方向的任何角度的切层,多序列,多种图像类型成像,提供了丰富的图像信息 ,但是扫描所需时间较长且成像精度有待提升[2]。功能磁共振成像(fMRI):是根据神经元的兴奋区域的血氧水平变化,通过测量磁共振信号反应血氧的饱和度以及血流量情况,间接反映神经元的活动情况,进行功能成像,优点是不需要注射接触放射性的物质,具有较高的空间分辨率并且对人体无创伤[3]。正电子发射断层扫描技术(PET):通过检测注射的放射物进行脑成像,不同于CT和MRI,PET不可以直接对大脑的结构成像,而是通过观察血流、氧消耗以及将追踪神经递质等方法来间接观测大脑功能,提供大脑的功能视图。血管造影术:往血液中注射造影剂,使用X射线对脑血管进行成像的方法,主要是对脑血管成像[4]。由于研究的课题是关于患者头部的扫描成像,通过注射示踪剂研究大脑功能并成像,所以本论文的成像技术使用的是正电子发射断层扫描技术。

PET:正电子断层扫描成像技术(Positron Emission Computed Tomography),在医学领域中一种高层次且先进的临床检查影像技术,使用的是先进的大型医疗诊断成像的设备正电子发射扫描仪进行成像。主要的方法是将某种特定物质,例如蛋白质、葡萄糖、脂肪酸、核酸等生物代谢活动必不可少的物质进行标记,标记物质通常是短寿命的含放射性的核素(C11、F18),再将它注射进入人体,通过观察该物质在代谢中的聚集情况,来反应人体生命代谢活动的情况,从而进行疾病的诊断工作[4]。由于使用的核素都是C、F、O等人体所含基本元素,能够参与人体相同的代谢活动,所以几乎属于无创无危害的成像技术。近年各地的医院比较常用的物质是氟代脱氧葡萄糖(化学名称为2-氟-2-脱氧-D-葡萄糖,简称FDG)。因为人体的正常细胞与恶性肿瘤细胞的代谢水平不同,恶性肿瘤组织代谢状态远远大于正常细胞,导致葡糖糖代谢旺盛,所以FDG聚集量大,经设备成像后的图像中显示为较亮的亮点,从而可以对病变部位进行描述。PET技术目前是世界上唯一能在活体上显示生物的分子代谢、受体活动、神经介质活动的医疗成像技术,近年来,PET技术被广泛应用于药物开发中,用于了解药物作用,建立中枢神经系统(CNS)药物的剂量方案,以及制定治疗策略等。这些研究还可以实现“个性化医疗”的手段,用于对药物输送的个别反应的治疗与研究。PET技术中的PET显像被开发成具有生物学意义的分子探针,应用于诊断临床研究,用于理解神经生物学中的生化过程的基础人类研究,以及临床前研究,特别是对于非人类的灵长类动物和啮齿动物的研究,例如新型小型动物PET扫描仪的发展,极大地提高了空间分辨率,彻底改变了分子成像技术。PET技术还被应用在了化学方面,如一门刚兴起的点击化学,用以制备F18标记的化合物。该方法的应用尚处于起步阶段,但对制备具有多种亚结构的F18标记化合物也有很大的前景[5]。PET技术在生物,化学,医学等方面有有着重要的作用。

二 数据图像来源处理工具及处理方法

2.1 数据图像来源

采用上述提到的FDG(氟代脱氧葡萄糖)注射人体参与代谢活动的方法,用PET探测人体组织中的FDG代谢情况和人体内的放射性标记物的放射性信号,通过系统的采集与处理,形成投影线并且通过SINO图的方式存放于数据储存媒介中。输入SINO图调出图像然后重新建立模块,可以计算显现出人体的横切断层图像[6]。本文研究的源图像文件已经给出,一共有19组文件,每组文件为一个img与hdr格式的文件,接下来就是对于这19组数据图像进行研究分析。

2.2 数据处理工具

为了对来源数据文件图像进行研究分析,还需要要使用以下两种工具:SPM软件与MATLAB软件。

2.2.1 SPM软件

神经影像SPM软件SPM(Statistical Parametric Mapping)是由伦敦大学学院UCL(University College London)的Karl Friston教授专门设计的一个用于分析脑功能成像数据的一个通用软件包。SPM软件可以做空间变换等预处理、对功能影像数据进行数据统计、可以把已经获得的脑功能图像的数据进行对比。SPM软件是一个功能强大的神经影像软件,现版本的SPM软件主要被应用于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)这几个方面的统计分析。本文使用SPM软件对于PET所得数据图像进行统计分析[7]

2.2.2 MATLAB软件

MATLAB(matrix laboratory)是由美国的Clever Moler博士开发的一款数学软件,是国际公认的三大数学计算软件。MATLAB具有分析数值,科学数据的可视化,矩阵的计算及系统建模、模拟、仿真等多种强大的功能,在科学研究,工程开发等各方面领域提供了巨大的作用。它的基本的数据单位被称为矩阵,指令表达式与数学中常用形式也较为相似,且自身包含很多算法与函数,可以方便地进行调用[8]。本文的研究里,MATLAB可以为SPM软件运行以及提取数据提供必要的环境,可以作为SPM的扩展包,来提供函数的编写运行,同时还提供数据的提取,绘图,提供拟合工具箱,拟合数据等等各种必要的功能。

2.3 PET图像的处理

脑功能图像的信息量是十分庞大的,处理这些信息主要有两种方法,大致分为感兴趣区域解析法与像素解析法,而这两种方法又存在着一定的区别。感兴趣区域解析法指对于脑功能图像上感兴趣(即存在统计统计意义)的区域标记提取,然后使用感兴趣区域提取的数据作为代表数据进行解析研究。这个方法的可以使得计算效率得到提升,同时减少了计算工作量,比较适合图像的显著性分析。而本次研究使用的SPM软件则是使用的第二种方法——体素解析法。在断层图像中的像素点被称为体素(Volume Pixel),包含体素的立体可以通过立体渲染或者提取给定阈值轮廓的多边形等值面表现出来,是数字数据的三维空间分割上的最小单位。SPM可以对图像数据的每一个体素都进行分析,使得探索解析更为精确。所以体素解析法,是以脑功能图像的体素为研究对象进行统计解析。这种方法解析得更加全面,更加准确,但是计算工作量则明显增加。

三 提取图像模型数据

3.1 打开图像

本次研究的脑功能图像是由PET经过十九个时间序列扫描的图像,图像的文件格式包括.img与.hdr文件。img是一种文件压缩格式(archive format),可以用于安装IMG数据文件。hdr(High-Dynamic Range)是高范围动态图像,相比其他的图像,动态范围更广泛,图像细节更加丰富。要进行数据的提取,需要用到之前提到的神经影像SPM软件,SPM软件可以打开需要研究的图像,对图像进行观察研究,还可以用于确定区域边界以及数据结论的校对。在MATLAB将SPM软件包的文件夹设置成默认的工作路径,在MATLAB指令窗口中输入‘SPM’并且按下Enter键,即可进入SPM软件的主界面,如图3.1.1。

图3.1.1 SPM软件初始界面

由图可以看到,在主界面上存在‘PET and SPECT’‘fMRI tinme-senes’‘About SPM’‘SPMweb’‘Quit’这五个按钮。因为处理的是PET图像数据,所以点击第一个按钮‘PET and SPECT’进入主界面如图3.1.2。

图3.1.2 SPM软件主界面

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