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三 重建算法 重建算法 * * 《核医学仪器与方法 》Nuclear Medical Instrument and Method 郑州大学物理工程学院—赵书俊 单光子发射断层扫描仪(SPECT) 一、绪论 二、 SPECT的成像原理 三、投影采样 四、重建算法 五、校正原理和质量控制 六、单探头SPECT系统 —— SPECT质量控制及校正 七、衰减和散射校正 八、软件和定量分析 γ照相机不但能摄取动、静态图像，令探头沿人体长轴作平移运动还能得到全身扫描图像，但是这些图像都是二维的、没有纵深分辨能力的投影平片(Planar)。核医学早就有准直器断层成像术(Collimator Tomography)和焦平面断层成像术(Focal-Plane Tomography)，依靠特殊的静止准直器或者运动准直器，从不同角度摄取影像，将它们互相移位叠加，使焦平面清晰显像，模糊掉焦平面以外的组织结构。 绪论 绪 论 这种技术避免不了模糊的背景所引起的干扰和图像朦胧化，以及特殊准直器造成的图像畸变，后来被计算机断层成像术(Computed Tomography，CT)取代了。CT能给出没有重叠干扰的、“干净”的断层图像，因此有更好的信号/噪声比，放射性药物分布表现得更精确，显著改善了低对比度病灶的检出率。 绪论 绪 论 单光子发射计算机断层成像术(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)和正电子发射断层成像术(Positron Emission Tomography，PET)是核医学的两种CT技术，由于它们都是对从病人体内发射的γ射线成像，故统称发射型计算机断层成像术(Emission Computed Tomography，ECT)，以区别于X射线CT所采用的透射型计算机断层成像术(Transmission Computed Tomography，TCT)。X射线CT对透过病人身体的X射线成像，得到人体组织衰减系数的三维图像，即解剖结构。ECT所提供的放射性药物分布的三维图像则反映了病人代谢(Metabolic)和生理学(Physiologic)状况。 绪论 绪 论 γ照相机探头的每个灵敏点探测沿一条投影线(Ray)进来的γ光子，见图1，其测量值代表人体在该投影线上的放射性之和。在同一条直线上的灵敏点可探测人体一个断层上的放射性药物，它们的输出称作该断层的一维投影(Projection)。图中各条投影线都垂直于探测器并互相平行，故称之为平行束，探测器的法线与X轴的交角θ称为观测角(View)。γ照相机是二维探测器，安装了平行孔准直器后，可以同时获取多个断层的平行束投影，这就是平片。 一 SPECT的成像原理 SPECT的成像原理 一 SPECT的成像原理 SPECT的成像原理 一 SPECT的成像原理 SPECT的成像原理 一 SPECT的成像原理 SPECT的成像原理 平片表现不出投影线上各点的前后关系。要想知道人体在纵深方向上的结构，就需要从不同角度进行观测。可以证明，知道了某个断层在所有观测角的一维投影，就能计算出该断层的图像。从投影求解断层图像的过程称作重建(Reconstruction)。这种断层成像术离不开计算机，所以称作计算机断层成像术(Computered Tomography，CT)。CT设备的主要功能是获取投影数据和重建断层图像。 一 SPECT的成像原理 SPECT的成像原理 既然γ照相机所拍摄的平片是三维人体在某个观测角的二维投影，将γ照相机探头装在可以围绕病人旋转的机架上，从各个观测角获取投影，数字化以后送入计算机，就可以求解出各个断层的图像，将它们顺次组织在一起，就得到了三维图像。这就是旋转γ照相机式的SPECT，现代SPECT几乎都采用这种结构。在采集数据时，探头一般沿圆形轨迹围绕病人运动。由于离平行孔准直器的表面越近，它的空间分辨率越好，有些SPECT的探头能够沿椭圆轨迹运行，使准直器尽量紧贴病人的体表，以达到最佳的投影采样质量。 一 SPECT的成像原理 SPECT的成像原理 SPECT投影束的几何形状由准直器决定。除了如图2a所示的平行束(Parallel-Beam)以外，还有各层互相平行，而每层的投影线汇集于一点的扇形束(Fan-Beam)，如图2b，以及图2c所示的，所有投影线都汇集于一点的锥形束(Cone-Beam)，它是由第三讲图3c所示的汇聚型准直器形成的。 一 SPECT的成像原理 SPECT的成像原理 一 SPECT的成像原理 SPECT的成像原理 从理论上说，上述投影束围