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使用示踪剂特异性深度人工神经网络对动态 PET 图像进行降噪。

Use of a Tracer-Specific Deep Artificial Neural Net to Denoise Dynamic PET Images.

出版信息

IEEE Trans Med Imaging. 2020 Feb;39(2):366-376. doi: 10.1109/TMI.2019.2927199. Epub 2019 Jul 5.

DOI:10.1109/TMI.2019.2927199
PMID:31283475
Abstract

Application of kinetic modeling (KM) on a voxel level in dynamic PET images frequently suffers from high levels of noise, drastically reducing the precision of parametric image analysis. In this paper, we investigate the use of machine learning and artificial neural networks to denoise dynamic PET images. We train a deep denoising autoencoder (DAE) using noisy and noise-free spatiotemporal image patches, extracted from the simulated images of [C]raclopride, a dopamine D receptor agonist. The DAE-processed dynamic and corresponding parametric images (simulated and acquired) are compared with those obtained with conventional denoising techniques, including temporal and spatial Gaussian smoothing, iterative spatiotemporal smoothing/deconvolution, and the highly constrained backprojection processing (HYPR). The simulated (acquired) parametric image non-uniformity was 7.75% (19.49%) with temporal and 5.90% (14.50%) with spatial smoothing, 5.82% (16.21%) with smoothing/deconvolution, 5.49% (13.38%) with HYPR, and 3.52% (11.41%) with DAE. The DAE also produced the best results in terms of the coefficient of variation of voxel values and structural similarity index. Denoising-induced bias in the regional mean binding potential was 7.8% with temporal and 26.31% with spatial smoothing, 28.61% with smoothing/deconvolution, 27.63% with HYPR, and 14.8% with DAE. When the test data did not match the training data, erroneous outcomes were obtained. Our results demonstrate that a deep DAE can provide a substantial reduction in the voxel-level noise compared with the conventional spatiotemporal denoising methods while introducing a similar or lower amount of bias. The better DAE performance comes at the cost of lower generality and requiring appropriate training data.

摘要

在动态 PET 图像的体素水平上应用动力学建模(KM)经常受到高水平噪声的影响,这极大地降低了参数图像分析的精度。在本文中,我们研究了使用机器学习和人工神经网络对动态 PET 图像进行去噪。我们使用从模拟的多巴胺 D 受体激动剂[C]raclopride 图像中提取的噪声和无噪声的时空图像补丁来训练深度去噪自动编码器(DAE)。比较了 DAE 处理后的动态和相应的参数图像(模拟和采集)与传统去噪技术(包括时间和空间高斯平滑、迭代时空平滑/解卷积和高度约束的反向投影处理(HYPR))获得的图像。模拟(采集)参数图像不均匀性分别为 7.75%(19.49%)和 5.90%(14.50%)的时间平滑和空间平滑,5.82%(16.21%)的平滑/解卷积,5.49%(13.38%)的 HYPR 和 3.52%(11.41%)的 DAE。在体素值的变异系数和结构相似性指数方面,DAE 也产生了最佳的结果。去噪引起的区域平均结合势偏差分别为 7.8%的时间平滑和 26.31%的空间平滑,28.61%的平滑/解卷积,27.63%的 HYPR 和 14.8%的 DAE。当测试数据与训练数据不匹配时,会得到错误的结果。我们的结果表明,与传统的时空去噪方法相比,深度 DAE 可以显著降低体素级别的噪声,同时引入相似或更低的偏差。DAE 性能的提高是以通用性降低和需要适当的训练数据为代价的。

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