Dictionary Learning Constrained Direct Parametric Estimation in Dynamic Myocardial Perfusion PET

迭代重建 初始化 参数统计 计算机科学 人工智能 正规化(语言学) 算法 体素 噪音(视频) 投影(关系代数) 模式识别(心理学) 数学 图像(数学) 统计 程序设计语言
作者
Bao Yang,Xinhui Wang,Andi Li,Jonathan B. Moody,Jing Tang
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:40 (12): 3485-3497 被引量:3
标识
DOI:10.1109/tmi.2021.3089112
摘要

In myocardial perfusion imaging with dynamic positron emission tomography (PET), direct parametric reconstruction from the projection data allows accurate modeling of the Poisson noise in the projection domain to provide more reliable estimate of the parametric images. In this study, we propose to incorporate a superior denoiser to efficiently suppress the unfavorable noise propagation during the direct reconstruction. The dictionary learning (DL) based sparse representation serves as a regularization term to constrain the intermediate K1 estimation. We rewrite the DL regularizer into a voxel-separable form to facilitate the decoupling of a DL penalized curve fitting from the reconstruction of dynamic frames. The nonlinear fitting is then solved by a damped Newton method with uniform initialization. Using simulated and patient 82Rb dynamic PET data, we study the performance of the proposed DL direct algorithm and quantitatively compare it with the indirect method with or without post-filtering, the direct reconstruction without regularization, and the quadratic penalty regularized direct algorithm. The DL regularized direct reconstruction achieves improved noise versus bias performance in the reconstructed K1 images as well as superior recovery of a reduced myocardial blood flow defect. The dictionary learned from a 3D self-created hollow sphere image yields comparable results to those using the dictionary learned from the corresponding magnetic resonance image. The uniform initializations converge to K1 estimations similar to the result from initializing with the indirect reconstruction. To summarize, we demonstrate the potential of the proposed DL constrained direct parametric reconstruction in improving quantitative dynamic PET imaging.
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