基于CT引导的老年脑PET图像空间标准化系统、方法及装置

本发明涉及pet图像配准领域，尤其涉及基于ct引导的老年脑pet图像空间标准化系统、方法及装置。

背景技术：

1、正电子发射计算机断层扫描(positron emission tomography，pet)是一种前沿的分子影像技术，它利用放射性同位素标记的示踪剂，能够在活体内可视化特定分子的分布，定量地反映生理和病理过程。pet技术在老年群体常见的脑部疾病，如阿尔茨海默症和帕金森病的科学研究和临床诊断中发挥着重要作用。然而，现行的pet影像诊断主要依赖医生的视觉评估，这不仅主观性强，还容易引发漏诊和误诊。

2、为了克服这些限制，自动化提取脑区的标准摄取值(standardized uptakevalue，suv)或标准摄取值比率(standardized uptake value ratio，suvr)变得至关重要。这不仅有助于医生进行客观诊断，减少对医生主观经验的依赖，还能在科学研究中探究不同脑区的生理和病理变化。实现这一目标的关键在于pet影像的空间标准化，即将个体影像配准到标准脑模板空间。

3、目前，pet影像的空间标准化主要有两种方法：脑结构影像辅助的空间标准化和基于pet脑模板的空间标准化。其中脑结构影像包括磁共振成像(magnetic resonanceimaging,mri)结构影像(如t1加权像和t2加权像)和计算机断层扫描(computedtomography,ct)结构影像。脑结构影像辅助的方法通常分为三个步骤：首先，将个体pet图像刚性配准到个体的结构脑图像；其次，将个体结构脑影像非线性配准到标准脑结构模板；最后，应用由上一步产生的非线性形变场将pet图像配准到标准空间。而基于pet脑模板的方法则包括构建特定群体的pet标准脑模板，然后将个体pet影像非线性配准到模板。

4、高分辨率mri提供的精确大脑解剖结构信息，被认为是pet标准化的金标准。尽管基于pet脑模板的方法计算速度较快，但它需要构建特定群体的pet标准脑模板，并且在处理变异性极大的pet图像时，可能会产生较大的配准误差。另一方面，ct脑结构影像辅助的pet标准化方法由于ct图像对大脑解剖结构的分辨率限制，通常需要进一步优化方法以接近mri的效果。

5、已有研究提出了基于低剂量ct的脑pet标准化方法(文献来源：presotto,luca etal.“low-dose ct for the spatial normalization of pet images:a validationprocedure for amyloid-pet semi-quantification.”neuroimage.clinical vol.20153-160.19jul.2018,doi:10.1016/j.nicl.2018.07.013)。该方法遵循基于结构的配准方法的思路，通过寻找低剂量ct图像到标准空间的最佳变换，从而实现与个体ct配准的pet图像的空间标准化。该方法通过“清理”程序和优化的spm12(statistical parametricmapping 12)分割算法，提高了低剂量ct图像的标准化效果。具体而言，该方法先进行“清理”程序，将所有低于-300hu的值设为-1024hu，以避免头部外部的低密度结构影响算法，经过预处理的ct图像加载到优化后的spm12分割算法中。对spm12分割中优化的参数有禁用偏场校正，对灰质和白质的高斯混合模型仅使用1个高斯分布；对于其他4类组织(脑脊液、骨骼、外部组织和空气)则使用2个高斯分布,通过ct的组织分割生成空间标准化的形变场，并把该形变场运用到与ct配准的pet上，从而实现了pet的空间标准化。但这种方法在处理老年患者的pet图像时，由于使用健康青年的组织概率图(tissue probability map，tpm)，在面对脑萎缩明显的老年患者时，可能会出现配准精度下降的问题。此外，直接在个体空间的ct上进行组织分割以获取标准化形变场，也可能产生不稳定的结果。

6、鉴于此，在pet/ct扫描系统中，对于只有低剂量ct结构图的老年脑患者，开发一种针对老年脑pet图像的准确且稳定的空间标准化方法显得尤为迫切。这种方法利用低剂量ct图像，不仅避免了额外的mri扫描需求，还提高了标准化过程的准确性和稳定性，对临床实践和科学研究均具有重要意义。

7、现有pet标准化技术存在若干局限性，这些局限性在临床应用中尤为明显。首先，基于mri结构脑影像的标准化方法要求患者在短时间内接受额外的高质量mri扫描。这不仅增加了患者的经济负担，而且由于在无pet/mri仪器情况下，pet与mri扫描通常不是在同一设备上进行，这种非一体化扫描方式可能降低pet图像与个体mri图像配准的精度，进而影响标准化结果的可靠性。此外，临床实践中常遇到没有匹配高分辨率mri图像的pet图像，这限制了使用mri结构影像辅助的空间标准化流程。

8、而基于pet脑模板的标准化方法，需要具备特异的pet标准脑模板，这一过程需要收集大量同类探针的pet影像来构建特定群体的pet脑模板，这一要求往往难以实现。此外由于不同疾病状态下患者的同一探针的pet影像存在显著不同，个体pet图像与构建的标准脑模板之间的可能会存在较大差异，这限制了该方法在空间标准化中的准确性和稳定性。

9、已有研究提出的低剂量ct辅助pet配准方法，证明了低剂量ct也能辅助pet的空间标准化，但其仍有其局限性。特别是，该方法使用的是基于健康青年的组织概率图(tpm)模板，这一模板空间与脑叶萎缩明显的老年患者大脑结构具有很大差异，容易导致配准精度下降，并不适用于处理这类老年患者图像。此外，直接在个体空间的ct图像上进行组织分割配准的一步空间标准化方法，在算法迭代优化寻找最佳配准非线性形变场时，容易陷入局部最优化情况，导致空间标准化的失败，从而影响pet图像标准化过程的一致性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于ct引导的老年脑pet图像空间标准化系统及方法，本发明基于pet/ct扫描系统中获取的同一床位获得的低剂量ct脑结构图，实现对存在脑室扩大，脑叶萎缩的老年脑pet图像的准确且稳定的空间标准化。该技术不需要mri，因此对于pet/ct仪器上扫描获取pet图像，不需要再进行mri的扫描来辅助标注化。该技术也不需要构建群体特异的pet脑模板，从而克服了小病例量的情况下构建的pet脑模板特异性不够的问题。该技术中使用的低剂量ct图像在pet/ct扫描系统中可与pet图像在同一床位下完成，确保了初始个体空间pet和ct图像配准的准确性。通过采用改进的标准化方法，本发明有效克服了ct图像脑组织对比度不足导致的空间标准化精度和稳定性问题。特别对于老年患者，本技术能够适应其脑室扩大和脑叶萎缩的特殊情况，提供更为精准和稳定的pet图像空间标准化解决方案。

2、总结来说，本发明旨在解决以下技术难题：

3、1.为存在脑室扩大和脑叶萎缩的老年脑pet图像，提供准确且稳定的空间标准化。

4、2.利用低剂量ct图像引导pet图像标准化，避免额外的mri扫描需求，减轻患者负担。

5、3.克服在小病例量情况下基于pet标准脑模板方法的局限性，提供一种具有高普适性的pet空间标准化系统。

6、4.解决ct图像脑组织对比度低导致的标准化过程中精度和稳定性不足的问题，通过优化的流程提升标准化的准确性和稳定性。

7、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：第一方面，本发明提出了一种基于ct引导的老年脑pet图像空间标准化系统，该系统包括：

8、pet/ct图像采集及格式转化模块，用于采集老年患者配对的pet图像和ct图像，并进行格式转换处理；

9、pet/ct预处理模块，用于对格式转换后的pet图像和ct图像进行刚性变换预处理；

10、pet/ct图像粗标准化模块，用于通过非线性配准优化非线性形变场，应用到已刚性变换的pet图像和ct图像，生成粗标准化的pet和ct图像；

11、pet/ct图像细标准化模块，用于对粗配准的ct图像进行组织分类，并与老年脑标准空间的组织概率图对齐，更新体素分类概率，进而优化迭代非线性形变场，应用到粗配准的ct图像和pet图像上，生成细标准化的ct和pet图像；

12、自动化suv提取模块，用于对细标准化的pet图像，采用miitra空间的脑图谱，提取皮层及皮层下roi的suv值，用于后续的suvr计算及疾病诊断分析。

13、进一步地，pet/ct图像采集后转换为nifti格式，并对pet数据逐体素计算标准化摄取值suv。

14、进一步地，预处理过程包括pet图像重采样，以匹配ct图像的体素分辨率，并对ct图像和重采样后的pet图像进行刚性变换。

15、进一步地，pet/ct图像粗标准化模块使用old normalize方法，将刚性变换后的ct图像标准化到ct脑模板图像上，进一步进行非线性配准，通过优化和正则化得到非线性形变场。

16、进一步地，pet/ct图像细标准化模块采用混合高斯模型对粗配准的ct图像进行组织分类，基于空间先验信息和ct图像的分割概率更新体素分类概率，通过优化和正则化迭代非线性形变场。

17、进一步地，自动化suv提取模块使用miitra空间的脑图谱将细标准化的pet图像分割为多个脑区，对每个脑区分别计算平均suv值。

18、第二方面，本发明还提供了一种基于ct引导的老年脑pet图像空间标准化方法，该方法包括以下步骤：

19、(1)采集老年患者配对的pet图像和ct图像，并进行格式转换处理；

20、(2)对格式转换后的pet图像和ct图像进行刚性变换预处理；

21、(3)通过非线性配准优化非线性形变场，应用到已刚性变换的pet图像和ct图像，生成粗标准化的pet和ct图像；

22、(4)对粗配准的ct图像进行组织分类，并与老年脑标准空间的组织概率图对齐，更新体素分类概率，进而优化迭代非线性形变场，应用到粗配准的ct图像和pet图像上，生成细标准化的ct和pet图像；

23、(5)对细标准化的pet图像，采用miitra空间的脑图谱，提取皮层及皮层下roi的suv值，用于后续的suvr计算及疾病诊断分析。

24、第三方面，本发明还提供了一种基于ct引导的老年脑pet图像空间标准化装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现所述的一种基于ct引导的老年脑pet图像空间标准化方法。

25、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现所述的一种基于ct引导的老年脑pet图像空间标准化方法。

26、第五方面，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的一种基于ct引导的老年脑pet图像空间标准化方法。

27、本发明的有益效果：

28、1)简化扫描流程，减轻患者负担：利用低剂量ct图像引导pet图像的标准化，避免了额外的mri扫描，简化了扫描流程，减轻了患者的经济和身体负担。2)提高标准化过程的稳定性和准确性：本发明通过优化的标准化方法，通过低剂量ct图像引导提高配准精度，克服了pet与mri非同一床位扫描导致的配准精度问题，有效解决了因ct图像脑组织对比度低导致的标准化过程中的精度和稳定性问题，特别是在老年患者脑室扩大和脑叶萎缩的情况下。

29、3)解决小样本量问题：本发明避免了因小病例量而导致的pet标准脑模板特异性不足的问题，提供了一种在样本量受限情况下依然有效的标准化方法。

30、4)适应性强，适用于老年患者：本发明特别针对老年患者脑pet图像的特点，无论各种类型脑pet探针，都能够适用，而不局限于某一种探针，能够适应脑室扩大和脑叶萎缩的特殊情况，提供更为精准和稳定的空间标准化解决方案。