基于稀疏表示模型和先验结构信息的低剂量PET/MRI成像研究

Comparing with PET/CT, PET/MR scanners allow simultaneous acquisition of PET and MRI data and can provide more soft tissue and function information. One of the key problems to solve is to further reduce the dose in PET scan. Incorporating MR information into PET image reconstruction can reduce the dose level by reducing noise level in the reconstructed images. However, this method has many limitations since it mainly depends on the consistency of anatomical and functional information. To address this issue, we propose a low-dose PET/MR reconstruction method based on sparse representation model and prior information, which includes: (1) training of mapping matrix between different image modalities and improve accuracy of sparse representation model, (2) construction of gradient domain and multilayer dictionary learning model to improve the accuracy and robust of learning dictionary, (3) development of new iterative algorithm for training and testing to improve low-dose PET image quality. This project aims to provide a new field of vision for low-dose PET imaging and improve the clinical application of PET/MR.

和只能进行相继成像的PET/CT相比，PET/MRI可以实现真正的同时成像，MRI还可以提供比CT更多的软组织和功能信息。如何进一步降低PET辐射剂量，是PET/MRI成像需要解决的关键问题。目前，利用MRI图像作为先验模型来降低PET辐射剂量，由于需要依赖解剖信息与功能信息的符合程度，具有很大局限性。因此，本项目拟提出一种基于稀疏表示模型和先验结构信息的低剂量PET/MRI成像方法，具体包括：①寻找训练集中不同模态图像块之间的映射关系，获得映射矩阵并提高稀疏表示模型精度；②开发梯度域字典学习与多层字典学习相结合的特征提取方法，以改善学习字典的精度和鲁棒性并获得更加抽象和丰富的表征能力；③开发适用于训练和测试阶段的迭代逐步求精方法，以进一步提高低剂量PET图像的恢复精度。本项目将为低剂量PET成像研究提供全新视野，有助于推动PET/MRI成像技术发展并提高其临床应用价值。

和只能进行相继成像的PET/CT相比，PET/MRI可以实现真正的同时成像，MRI还可以提供比CT更多的软组织和功能信息。如何进一步降低PET辐射剂量，是PET/MRI成像需要解决的关键问题。目前，利用MRI图像作为先验模型来降低PET辐射剂量，由于需要依赖解剖信息与功能信息的符合程度，具有很大局限性。因此，本项目提出了一种基于稀疏表示模型和先验结构信息的低剂量PET/MRI成像方法。项目通过对志愿者进行正常PET/MRI扫描来获得训练所需图像库，包括PET图像、MRI图像及相应的低剂量PET图像。最终实现基于MRI图像结构先验信息和稀疏表示模型的低剂量PET图像恢复，对于任意一幅输入的分辨率较差的低剂量PET图像，都可以将其恢复为对应的高质量PET图像。.. 项目取得的成果如下：（1）发表SCI论文8篇，申请发明专利8项，培养硕士研究生3名，博士研究生2名；（2）项目负责人获批2020年度基金委“国家优青”项目（低剂量医学成像方法，2021/01-2023/12，120万）；（3）项目的相关技术成果，应用在国产联影PET系统中，并和中大肿瘤医院开展了临床科研合作，相关成果也获得了媒体的广泛报到。.. 项目的相关技术成果实现了产业转化和落地，技术应用在国产联影PET系统中，并和中大肿瘤医院开展了大规模的临床科研合作。我们提出的多模态医学图像成像技术已经申请国家发明专利，该方法可以有效减少PET成像过程中额外解剖成像设备的扫描频率，在提高医生临床诊断效率、节省患者经济支出以及降低PET扫描带来的辐射风险等方面均具有较大潜力，有望获得临床转化。