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用于正电子发射断层扫描图像重建的图形处理单元(GPU)加速粒子滤波框架。

Graphics processing unit (GPU)-accelerated particle filter framework for positron emission tomography image reconstruction.

作者信息

Yu Fengchao, Liu Huafeng, Hu Zhenghui, Shi Pengcheng

机构信息

State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China.

出版信息

J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 2012 Apr 1;29(4):637-43. doi: 10.1364/JOSAA.29.000637.

DOI:10.1364/JOSAA.29.000637
PMID:22472843
Abstract

As a consequence of the random nature of photon emissions and detections, the data collected by a positron emission tomography (PET) imaging system can be shown to be Poisson distributed. Meanwhile, there have been considerable efforts within the tracer kinetic modeling communities aimed at establishing the relationship between the PET data and physiological parameters that affect the uptake and metabolism of the tracer. Both statistical and physiological models are important to PET reconstruction. The majority of previous efforts are based on simplified, nonphysical mathematical expression, such as Poisson modeling of the measured data, which is, on the whole, completed without consideration of the underlying physiology. In this paper, we proposed a graphics processing unit (GPU)-accelerated reconstruction strategy that can take both statistical model and physiological model into consideration with the aid of state-space evolution equations. The proposed strategy formulates the organ activity distribution through tracer kinetics models and the photon-counting measurements through observation equations, thus making it possible to unify these two constraints into a general framework. In order to accelerate reconstruction, GPU-based parallel computing is introduced. Experiments of Zubal-thorax-phantom data, Monte Carlo simulated phantom data, and real phantom data show the power of the method. Furthermore, thanks to the computing power of the GPU, the reconstruction time is practical for clinical application.

摘要

由于光子发射和探测的随机性,正电子发射断层扫描(PET)成像系统收集的数据可显示为泊松分布。同时,示踪剂动力学建模领域已经做出了相当大的努力,旨在建立PET数据与影响示踪剂摄取和代谢的生理参数之间的关系。统计模型和生理模型对PET重建都很重要。以前的大多数工作都基于简化的、非物理的数学表达式,例如对测量数据进行泊松建模,总体而言,这种建模在不考虑潜在生理学的情况下完成。在本文中,我们提出了一种图形处理单元(GPU)加速的重建策略,该策略借助状态空间演化方程,能够同时考虑统计模型和生理模型。所提出的策略通过示踪剂动力学模型来制定器官活动分布,并通过观测方程来进行光子计数测量,从而有可能将这两个约束统一到一个通用框架中。为了加速重建,引入了基于GPU的并行计算。对祖巴尔胸部体模数据、蒙特卡罗模拟体模数据和真实体模数据的实验证明了该方法的强大功能。此外,由于GPU的计算能力,重建时间对于临床应用来说是可行的。

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