模型与数据耦合驱动的快速四维EPRI肿瘤氧成像
批准号:
62071281
项目类别:
面上项目
资助金额:
57.0 万元
负责人:
乔志伟
依托单位:
学科分类:
探测与成像
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
乔志伟
中文摘要
基于氧图像导航的精准放疗是指对肿瘤的不同氧气浓度区域施加不同的剂量。电子顺磁共振成像(EPRI)是一种高精度高分辨氧气浓度成像方法。当前EPRI氧成像的瓶颈问题是扫描时间过长。为通过减少投影数据的采集而提高扫描速度,本项目研究四维EPRI稀疏重建方法,以实现快速成像。在前期模型驱动三维重建方法基础上,项目拟将基于压缩感知的模型驱动方法和基于深度学习的数据驱动方法耦合,设计全新的四维图像重建方法。根据EPRI投影信号的特点,确定最优数据保真项;用核TV范数构建先验型正则器,以压制稀疏伪影;通过深度学习构建经验型正则器,以压制噪声。采用Chambolle-Pock算法框架设计模型求解算法。用数学模体、物理模体及小鼠肿瘤数据验证、评估并定型整套稀疏重建方案。模型驱动与数据驱动的耦合、噪声的多层次建模和压制、直接四维重建等新技术的综合运用,将进一步提高EPRI肿瘤氧成像的扫描速度和重建精度。
英文摘要
The precise radiation based on oxygen image navigation means tumor region of different oxygen concentration should be applied different dose. Electron paramagnetic resonance imaging (EPRI) is an advanced oxygen imaging method of high precise and high resolution. Currently, the bottleneck of EPRI oxygen imaging is too long scan time. To speed up the scan process by reducing projection data, the project focuses on four dimensional EPRI sparse reconstruction method to implement fast imaging. Based on our three dimensional model-driven reconstruction methods, the project will combine the model-driven method based on compressed sensing and the data-driven method based on deep learning to develop new four dimensional image reconstruction method. We will explore the optimal data fidelity term according to the characteristics of the EPRI projection signals, construct a prior regularization term via nuclear TV norm to suppress the sparse artifacts and construct an experimental regularization term by deep learning to suppress noise. We will design model solving optimization algorithm based on Chambolle-Pock algorithm framework. The mathematical phantoms, physical phantoms and mouse-tumor data will be used for validating, evaluating and finalizing the whole sparse reconstruction program. The combined use of model- and data-driven methods, the multi-layered noise modeling and suppression, the fully four dimensional reconstruction and other new techniques will further improve the scan speed and reconstruction accuracy of EPRI tumor-oxygen imaging and lay the foundation for finalizing the fast imaging technology in EPR oxygen imager for small animals.
基于氧图像导航的精准放疗是指对肿瘤的不同氧气浓度区域施加不同的剂量。电子顺磁共振成像(EPRI)是一种高精度高分辨氧气浓度成像方法。当前EPRI氧成像的瓶颈问题是扫描时间过长。为通过减少投影数据的采集而提高扫描速度,本项目研究了四维EPRI稀疏重建方法,以实现快速成像。项目将基于压缩感知的模型驱动方法和基于深度学习的数据驱动方法耦合,设计了全新的四维图像重建方法。根据EPRI投影信号的特点,确定最优数据保真项;用核TV范数构建先验型正则器,以压制稀疏伪影;通过深度学习构建经验型正则器,以压制稀疏伪影。采用Chambolle-Pock算法框架推导出了模型求解算法。用数学模体、物理模体及小鼠肿瘤数据验证、评估并定型了整套稀疏重建方案。. 主要研究内容包括:(1)深度学习正则器的训练;(2)噪声的全方位压制技术研究;(3)模型与数据联合驱动的新模型及其算法的设计与实现;(4)肿瘤氧图像重建评估及算法定型。. 重要成果包括:(1)提出了一种无需系统矩阵的EPRI迭代算法新框架,进一步优化了成像系统模型;(2)提出一种基于扩散模型的深度学习正则器;(3)提出了核TV稀疏重建方法;(4)提出了基于方向TV的快速EPRI成像方法;(5)提出了基于方向TV的EPRI稀疏重建方法。. 关键数据:将扫描速度提高了10倍。. 成果数据:(1)发表了SCI论文14篇;(2)发表了EI论文1篇;(3)发表了中文论文13篇;(4)培养了14名硕士生;(5)申请了3个国家发明专利;(6)获得11项软件著作权;(7)做了2场国际国内学术会议大会报告。. 科学意义:提出的新型的EPRI稀疏重建方法,可以将扫描速度提高10倍,有力地促进了快速EPRI成像技术的发展。研究中获得的新方法和新见解,有望应用到将来的临床用EPRI成像仪。
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