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PET成像：物理与算法
作者：刘华锋
出版社：科学出版社
出版时间：2022-03-01
ISBN：9787030673756
定价：¥128.00
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内容简介
本书从正电子发射体层仪（PET）成像发展历史入手，重点描述了PET成像物理与图像重建算法。本书是在浙江大学光电科学与工程学院开设的一门研究生课程的讲义基础上不断更新而成，大部分内容源自作者及所在研究团队的科研成果，在相对独立的章节中介绍了相关的科学概念和技术细节。全书共四部分：PET成像概述，PET成像技术基础，PET成像信号探测、采集与处理和PET成像技术未来发展。
作者简介
暂缺《PET成像：物理与算法》作者简介
目录
目录
前言
第一部分 PET成像概述
第1章 绪论 3
1.1 PET成像的历史回顾 3
1.2 PET成像的特点 5
第2章 PET成像原理 10
2.1 PET成像的生化原理 10
2.2 正电子湮灭的物理机制 11
2.3 正电子湮灭的探测 12
2.4 PET成像的数学原理 12
第二部分 PET成像技术基础
第3章 原子核的基本性质 17
3.1 模型和结构 17
3.1.1 原子模型和原子结构 17
3.1.2 原子核结构和原子核基本特性 17
3.1.3 核外电子与元素周期表 17
3.2 能级 19
3.2.1 原子的能级 19
3.2.2 原子核的能级 19
3.3 原子核的结合能 20
3.3.1 质能联系定律 20
3.3.2 质量亏损与质量过剩 21
3.3.3 结合能 23
3.3.4 比结合能曲线 23
3.3.5 原子核昀后一个核子的结合能 24
第4章 放射性衰变和衰变规律 26
4.1 核辐射的主要类型 26
4.1.1α辐射 26
4.1.2β辐射 26
4.1.3γ辐射 29
4.2 放射性衰变的基本规律 32
4.2.1 单一放射性指数衰减规律 32
4.2.2 衰变常数、半衰期、平均寿命和衰变宽度 33
4.2.3 放射性的活度和单位 36
第5章 γ射线与物质的相互作用 38
5.1 辐射与物质的相互作用概述 38
5.1.1 辐射的分类 38
5.1.2 带电粒子与靶物质原子的碰撞过程 39
5.1.3 带电粒子在物质中的能量损失 41
5.2γ射线与物质相互作用原理 42
5.2.1 光子与物质的三种主要作用机制 43
5.2.2γ射线窄束的衰减规律 58
5.3 辐射探测中的统计学 60
5.3.1 核衰变和放射性计数的统计分布 60
5.3.2 放射性测量的统计误差 72
5.3.3 带电粒子在介质中电离过程的统计涨落 79
第6章 示踪剂及示踪动力学模型 83
6.1 正电子放射性同位素 83
6.2 示踪动力学模型 88
第三部分 PET成像信号探测、采集与处理
第7章 PET成像系统概述 95
7.1 PET成像系统的计算机模拟 95
7.1.1 探测器构造和数学模型 95
7.1.2 计算机程序实现 97
7.1.3 结果和讨论 97
7.1.4 结论 100
7.2 PET成像系统的参数 100
第8章 PET探测器 104
8.1 闪烁探测器的基本工作原理 104
8.2 闪烁体 105
8.2.1 无机闪烁体 105
8.2.2 有机闪烁体 111
8.3 闪烁体的发光机制 113
8.4 PET探测器对闪烁晶体的要求 115
8.4.1 闪烁晶体材料概述 115
8.4.2 闪烁晶体的物理特性要求 116
8.4.3 闪烁晶体的几何特性要求 121
8.4.4 闪烁体的封装与光的收集 122
8.5 闪烁探测器的输出 124
8.5.1 闪烁探测器的输出回路及信号形成的物理过程 124
8.5.2 闪烁探测器的输出信号 126
8.5.3 闪烁探测器输出信号的涨落 130
8.6 闪烁γ谱学及闪烁探测器的主要性能 131
8.6.1 单能带电粒子的脉冲幅度谱 131
8.6.2 单能γ射线的脉冲幅度谱 132
8.6.3 单晶γ谱仪的性能指标 137
8.7 闪烁晶体的性能测量技术 143
8.7.1 光输出量和能量分辨率 143
8.7.2 符合时间分辨率 144
8.7.3 闪烁衰减时间 144
8.7.4 闪烁晶体的固有空间分辨率 145
8.8 闪烁晶体性能测量及优化 145
8.8.1 闪烁晶体的性能测量 145
8.8.2 闪烁晶体的性能优化 146
第9章 PET用深度编码探测技术研究 150
9.1 PET探测器研究现状 150
9.1.1 普通型PET探测器研究现状 150
9.1.2 带有DOI信息的PET探测器研究现状 152
9.2 位置灵敏型光电倍增管研究 155
9.2.1 薄玻璃端窗的作用 156
9.2.2 位置响应 158
9.2.3 新型PS-PMT的性能测试 158
9.3 新型DOI探测器理论及其设计 162
9.3.1 新型DOI探测器性能优化 163
9.3.2 分析方法 164
9.3.3 结果和讨论 164
9.4 新型DOI探测器性能测试 167
9.4.1 DOI探测器设计 167
9.4.2 晶体鉴别 167
9.4.3 能量分辨率 168
9.4.4 时间分辨率 169
9.4.5 符合响应函数 171
9.4.6 讨论 173
9.4.7 结论 174
第10章 PET成像数据校正 175
10.1 数据校正概述 175
10.2 基于蒙特卡罗方法的PET散射特性分析及散射校正 177
10.2.1 散射校正方法概述 177
10.2.2 蒙特卡罗模拟在ECT成像系统中的应用 180
10.2.3 基于蒙特卡罗方法的PET散射特性分析 182
10.2.4 基于单散射模拟法的PET散射校正方法 193
10.2.5 散射校正的效果及在实际中的应用 197
第11章 图像重建 202
11.1 PET图像数据格式 202
11.2 数据重组 203
11.3 系统模型 205
11.4 统计方法重建 206
11.4.1 正则化重建 207
11.4.2 解剖信息约束的统计重建方法 208
11.5 优化算法 209
11.6 稀疏表达 211
11.6.1 稀疏编码 211
11.6.2 字典学习 213
11.6.3 稀疏编码和字典学习在医学图像中的应用 215
第12章 基于稀疏表达和字典学习方法的PET图像重建 219
12.1 问题背景 219
12.2 问题描述 219
12.2.1 PET成像数学模型 219
12.2.2 稀疏惩罚项 220
12.3 实验验证 224
12.3.1 蒙特卡罗模拟实验 225
12.3.2 病变区域可探测性 225
12.3.3 真实数据 228
12.3.4 参数分析 229
12.3.5 字典 231
12.3.6 实验总结 233
第四部分 PET成像技术未来发展
第13章 切连科夫光成像 237
13.1 切连科夫辐射基本介绍 237
13.2 基于切连科夫光的双示踪剂成像蒙特卡罗模拟 239
第14章 多示踪剂PET成像 248
14.1 双示踪剂PET成像 248
14.1.1 双示踪剂PET成像放射性浓度分离 249
14.1.2 实验分析 251
14.2 动力学参数引导的多示踪剂放射性浓度的同时估计 256
14.2.1 PET图像动态重建与平行房室模型 257
14.2.2 状态空间表述及重建求解过程 260
14.2.3 结果分析及讨论 262
14.2.4 结论 269
参考文献 270
前言
第一部分 PET成像概述
第1章 绪论 3
1.1 PET成像的历史回顾 3
1.2 PET成像的特点 5
第2章 PET成像原理 10
2.1 PET成像的生化原理 10
2.2 正电子湮灭的物理机制 11
2.3 正电子湮灭的探测 12
2.4 PET成像的数学原理 12
第二部分 PET成像技术基础
第3章 原子核的基本性质 17
3.1 模型和结构 17
3.1.1 原子模型和原子结构 17
3.1.2 原子核结构和原子核基本特性 17
3.1.3 核外电子与元素周期表 17
3.2 能级 19
3.2.1 原子的能级 19
3.2.2 原子核的能级 19
3.3 原子核的结合能 20
3.3.1 质能联系定律 20
3.3.2 质量亏损与质量过剩 21
3.3.3 结合能 23
3.3.4 比结合能曲线 23
3.3.5 原子核昀后一个核子的结合能 24
第4章 放射性衰变和衰变规律 26
4.1 核辐射的主要类型 26
4.1.1α辐射 26
4.1.2β辐射 26
4.1.3γ辐射 29
4.2 放射性衰变的基本规律 32
4.2.1 单一放射性指数衰减规律 32
4.2.2 衰变常数、半衰期、平均寿命和衰变宽度 33
4.2.3 放射性的活度和单位 36
第5章 γ射线与物质的相互作用 38
5.1 辐射与物质的相互作用概述 38
5.1.1 辐射的分类 38
5.1.2 带电粒子与靶物质原子的碰撞过程 39
5.1.3 带电粒子在物质中的能量损失 41
5.2γ射线与物质相互作用原理 42
5.2.1 光子与物质的三种主要作用机制 43
5.2.2γ射线窄束的衰减规律 58
5.3 辐射探测中的统计学 60
5.3.1 核衰变和放射性计数的统计分布 60
5.3.2 放射性测量的统计误差 72
5.3.3 带电粒子在介质中电离过程的统计涨落 79
第6章 示踪剂及示踪动力学模型 83
6.1 正电子放射性同位素 83
6.2 示踪动力学模型 88
第三部分 PET成像信号探测、采集与处理
第7章 PET成像系统概述 95
7.1 PET成像系统的计算机模拟 95
7.1.1 探测器构造和数学模型 95
7.1.2 计算机程序实现 97
7.1.3 结果和讨论 97
7.1.4 结论 100
7.2 PET成像系统的参数 100
第8章 PET探测器 104
8.1 闪烁探测器的基本工作原理 104
8.2 闪烁体 105
8.2.1 无机闪烁体 105
8.2.2 有机闪烁体 111
8.3 闪烁体的发光机制 113
8.4 PET探测器对闪烁晶体的要求 115
8.4.1 闪烁晶体材料概述 115
8.4.2 闪烁晶体的物理特性要求 116
8.4.3 闪烁晶体的几何特性要求 121
8.4.4 闪烁体的封装与光的收集 122
8.5 闪烁探测器的输出 124
8.5.1 闪烁探测器的输出回路及信号形成的物理过程 124
8.5.2 闪烁探测器的输出信号 126
8.5.3 闪烁探测器输出信号的涨落 130
8.6 闪烁γ谱学及闪烁探测器的主要性能 131
8.6.1 单能带电粒子的脉冲幅度谱 131
8.6.2 单能γ射线的脉冲幅度谱 132
8.6.3 单晶γ谱仪的性能指标 137
8.7 闪烁晶体的性能测量技术 143
8.7.1 光输出量和能量分辨率 143
8.7.2 符合时间分辨率 144
8.7.3 闪烁衰减时间 144
8.7.4 闪烁晶体的固有空间分辨率 145
8.8 闪烁晶体性能测量及优化 145
8.8.1 闪烁晶体的性能测量 145
8.8.2 闪烁晶体的性能优化 146
第9章 PET用深度编码探测技术研究 150
9.1 PET探测器研究现状 150
9.1.1 普通型PET探测器研究现状 150
9.1.2 带有DOI信息的PET探测器研究现状 152
9.2 位置灵敏型光电倍增管研究 155
9.2.1 薄玻璃端窗的作用 156
9.2.2 位置响应 158
9.2.3 新型PS-PMT的性能测试 158
9.3 新型DOI探测器理论及其设计 162
9.3.1 新型DOI探测器性能优化 163
9.3.2 分析方法 164
9.3.3 结果和讨论 164
9.4 新型DOI探测器性能测试 167
9.4.1 DOI探测器设计 167
9.4.2 晶体鉴别 167
9.4.3 能量分辨率 168
9.4.4 时间分辨率 169
9.4.5 符合响应函数 171
9.4.6 讨论 173
9.4.7 结论 174
第10章 PET成像数据校正 175
10.1 数据校正概述 175
10.2 基于蒙特卡罗方法的PET散射特性分析及散射校正 177
10.2.1 散射校正方法概述 177
10.2.2 蒙特卡罗模拟在ECT成像系统中的应用 180
10.2.3 基于蒙特卡罗方法的PET散射特性分析 182
10.2.4 基于单散射模拟法的PET散射校正方法 193
10.2.5 散射校正的效果及在实际中的应用 197
第11章 图像重建 202
11.1 PET图像数据格式 202
11.2 数据重组 203
11.3 系统模型 205
11.4 统计方法重建 206
11.4.1 正则化重建 207
11.4.2 解剖信息约束的统计重建方法 208
11.5 优化算法 209
11.6 稀疏表达 211
11.6.1 稀疏编码 211
11.6.2 字典学习 213
11.6.3 稀疏编码和字典学习在医学图像中的应用 215
第12章 基于稀疏表达和字典学习方法的PET图像重建 219
12.1 问题背景 219
12.2 问题描述 219
12.2.1 PET成像数学模型 219
12.2.2 稀疏惩罚项 220
12.3 实验验证 224
12.3.1 蒙特卡罗模拟实验 225
12.3.2 病变区域可探测性 225
12.3.3 真实数据 228
12.3.4 参数分析 229
12.3.5 字典 231
12.3.6 实验总结 233
第四部分 PET成像技术未来发展
第13章 切连科夫光成像 237
13.1 切连科夫辐射基本介绍 237
13.2 基于切连科夫光的双示踪剂成像蒙特卡罗模拟 239
第14章 多示踪剂PET成像 248
14.1 双示踪剂PET成像 248
14.1.1 双示踪剂PET成像放射性浓度分离 249
14.1.2 实验分析 251
14.2 动力学参数引导的多示踪剂放射性浓度的同时估计 256
14.2.1 PET图像动态重建与平行房室模型 257
14.2.2 状态空间表述及重建求解过程 260
14.2.3 结果分析及讨论 262
14.2.4 结论 269
参考文献 270
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