Digital Signal and Image Processing in Jagiellonian Positron Emission Tomography
Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) jest kluczową techniką w obszarze obrazowania medycznego, która pozwala diagnozować funkcje organizmu i śledzić zmiany nowotworowe. W pomiarze PET pacjentowi wstrzykuje się radioznacznik zawierający dużą liczbę metastabilnych atomów radionuklidu, który emituje pozytony. W wyniku anihilacji pozytonów powstają dwa fotony poruszające się w prawie przeciwnych kierunkach, które są rejestrowane przez system detekcji umieszczony tak, aby otaczał ciało pacjenta. Najnowocześniejsze skanery PET wykorzystują kryształy scyntylacyjne, które charakteryzują się wysoką skutecznością wykrywania fotonów anihilacyjnych.
W tym kontekście warto wspomnieć, że Jagiellońska Współpraca PET (J-PET) opracowała nowatorski skaner PET całego ciała oparty na plastikowych scyntylatorach. Są one znacznie tańsze niż scyntylatory krystaliczne, co daje możliwość obniżenia wysokich kosztów skanerów PET i uczynienia ich bardziej przystępnymi cenowo. Plastikowe scyntylatory mają jednak znacznie niższą skuteczność wykrywania kwantów gamma w porównaniu do nieorganicznych kryształów scyntylacyjnych. Można to zrekompensować zwiększając pole widzenia skanera i poprawiając rozdzielczość czasową pomiaru czasu przelotu kwantów gamma. Skaner J-PET składa się z plastikowych pasków scyntylacyjnych odczytywanych na obu końcach przez parę fotopowielaczy i rozmieszczonych osiowo wokół cylindrycznego tunelu tomografu. Współrzędna osiowa punktu interakcji fotonu anihilacyjnego w pasku scyntylatora jest wyprowadzana z różnicy czasu propagacji światła mierzonego za pomocą pary fotopowielaczy.
Zasady działania skanera J-PET są podobne do konwencjonalnych tomografów, z wyjątkiem tego, że bardzo dokładne informacje o czasie mają ogromne znaczenie. Dlatego skaner J-PET wymaga przygotowania nowatorskich metod na każdym etapie przetwarzania danych. Celem pracy przedstawionej w niniejszej rozprawie jest opracowanie algorytmów przetwarzania sygnału i obrazu z uwzględnieniem unikalności detektora J-PET. Proponowane metody obejmują: odzyskiwanie sygnału na podstawie próbek przebiegu zarejestrowanego na wyjściu fotopowielacza, rekonstrukcję położenia i czasu oddziaływania fotonu anihilacyjnego w pasku scyntylacyjnym, klasyfikację typów zdarzeń PET oraz rekonstrukcję obrazu działającą wyłącznie w przestrzeni obrazu. Ze względu na odmienność od konwencjonalnych skanerów PET, większość metod przedstawionych w niniejszej rozprawie to nowatorskie rozwiązania w zakresie cyfrowego przetwarzania sygnałów i obrazów w tomografii.