SPECT/CT成像与图像重建的数学建模及快速科学计算方法

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11601537
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    18.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0505.反问题建模与计算
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

As an important methodology in medical research, medical imaging provides functional and anatomic bioinformation of patients by means of imaging technique. It is widely applied to clinical diagnosis and treatment, and has become a research focus of medical science, computational science and physics. This project is dedicated to mathematical modeling of specific medical images and development of fast scientific computing methods. Specifically, we will develop continuous integral equation models for SPECT/CT imaging systems. We then discretize the continuous imaging models using high order piecewise polynomial multiscale approximation and propose a high precision discretization strategy. We plan to develop a sparse matrix representation for the involved integral operator. In order to overcome the ill-posedness of image reconstruction problem, suppress random noise and improve spatial resolution, we introduce a novel class of multiscale structure-based sparse regularization methods suitable for piecewise polynomial solutions of the integral equation. We plan to accomplish this task by utilizing the vanishing moment of multiscale wavelet basis. For parameter determination strategy in multi-parameter regularization, we propose to exploit the method of aggregation of regularized solutions. We further plan to characterize the solution of the resulting optimization problem via a system of fixed-point equations and derive other equivalent fixed-point characterizations. We then develop fast preconditioned fixed-point algorithms based on the equivalent characterizations. Finally, we will study the convergence property and convergence rate of the proposed algorithms. This study will lead to high-quality research results, and publish 4 to 5 high-quality papers.
作为医学研究的重要手段,医学影像利用成像技术获得人体功能性和结构性的生物信息。其被广泛应用于临床诊断和治疗,已成为医学、计算科学和物理等学科的热点研究领域。本项目致力于研究特定医学影像数据的数学建模以及相应的快速科学计算方法。具体地,本项目拟建立SPECT/CT成像系统的连续积分方程模型,并在此基础上采用分片多项式多尺度逼近,发展高精度离散策略,建立成像积分算子的稀疏矩阵表示;利用多尺度小波的消失矩性质,构造适用于连续模型高精度逼近解的多尺度稀疏正则化方法,以克服重建问题的不适定性、压制噪声并提高空间分辨率;提出正则解聚合法作为多参数正则化的参数选取策略。本项目拟采用不动点方程刻画图像重建优化问题的最优解,对所得不动点刻画进行适当的等价变换,并基于该等价刻画发展快速的预处理不动点迭代算法,最后分析不动点算法的收敛性以及收敛速度。预计本项目将产生高质量的研究成果,发表一流的学术论文4至5篇。

结项摘要

发射型计算机断层成像(ECT)是当今医学临床上诊断和指导肿瘤治疗的最佳手段。本项目建立了SPECT与PET两种ECT成像系统的连续积分方程模型,并在此基础上采用高阶分片多项式多尺度逼近,发展了高精度的离散策略。借助示踪剂分布函数的先验光滑性质和小波函数的消失矩性质,构造了适用于连续模型高精度逼近解的正则化方法。建立了一种基于自适应非结构化网格的正则化SPECT重建方法以及提出了一种全新的近似稀疏正则化模型。采用不动点方程刻画相应的凸或非凸优化问题的解,并基于该刻画发展了快速数值求解算法,最后分析了不动点算法的收敛性以及收敛速度。项目执行期间,成员共发表SCI期刊论文7篇。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Sparsity promoting regularization for effective noise suppression in SPECT image reconstruction
稀疏性促进正则化,以有效抑制 SPECT 图像重建中的噪声
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Inverse Problems
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Wei Zheng;Si Li;Andrzej Krol;C. Ross Schmidtlein;Xueying Zeng;Yuesheng Xu
  • 通讯作者:
    Yuesheng Xu
A CONTENT-ADAPTIVE UNSTRUCTURED GRID BASED INTEGRAL EQUATION METHOD WITH THE TV REGULARIZATION FOR SPECT RECONSTRUCTION
一种基于内容自适应的基于电视正则化的非结构化网格积分方程法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Inverse Problems and Imaging
  • 影响因子:
    1.3
  • 作者:
    Yun Chen;Jiasheng Huang;Si Li;Yao Lu;Yuesheng Xu
  • 通讯作者:
    Yuesheng Xu
Preconditioned alternating projection algorithm for solving the penalized-likelihood SPECT reconstruction problem
求解惩罚似然 SPECT 重建问题的预处理交替投影算法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Physica Medica
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Si Li;Jiahan Zhang;Andrzej Krol;C. Ross Schmidtlein;David Feiglin;Yuesheng Xu
  • 通讯作者:
    Yuesheng Xu
Relaxed ordered subset preconditioned alternating projection algorithm for PET reconstruction with automated penalty weight selection
用于具有自动惩罚权重选择的 PET 重建的宽松有序子集预条件交替投影算法
  • DOI:
    10.1002/mp.12292
  • 发表时间:
    2017-08
  • 期刊:
    Medical Physics
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Ross Schmidtlein C;Lin Y;Li S;Krol A;Beattie BJ;Humm JL;Xu Y
  • 通讯作者:
    Xu Y
A Higher-Order Polynomial Method for SPECT Reconstruction
SPECT 重建的高阶多项式方法
  • DOI:
    10.1109/tmi.2018.2881919
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING
  • 影响因子:
    10.6
  • 作者:
    Ying Jiang;Si Li;Yuesheng Xu
  • 通讯作者:
    Yuesheng Xu

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其他文献

水质变化时垢层对铸铁腐蚀的影响作用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
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  • 作者:
    孙丽华;李斯;许萍;杜婷婷
  • 通讯作者:
    杜婷婷
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    2019
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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    2016
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  • 作者:
    李斯;许萍;鲁莉萍;孙丽华
  • 通讯作者:
    孙丽华

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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