专利名称：一种正电子发射断层成像中的运动门控方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于核医学工程成像技术领域，涉及一种正电子发射断层扫描成像中的运动门控方法及系统。
背景技术：
正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography, PET)是一种有着毫米级别空间分辨率的非侵入式成像技术，可以提供动态生理过程的量化信息，能够对人体或动物体肿瘤、心脏系统疾病和神经系统疾病进行早期诊断和分期，也可以用于对植物代谢过程的研究。成像过程中物体的运动造成重建图像的伪影是限制PET成像质量的主要原因之一，门控技术是解决PET成像中由于物体运动带来图像伪影的主要方法。PET成像过程中的运动形式有很多种，这些运动都会在不同程度上影响成像的质量，不同运动形式的特征不一样，对应的门控方法也不一样。临床PET中病人的心跳和呼吸运动是引起心脏成像和胸腹部成像图像质量变差的主要原因，对这类运动的门控目前临床上主要是采用硬件监视系统获取运动参数，但监视系统带来额外的硬件系统会增加病人的不适感，且需要增加相应的校正过程，图像质量也受到监视系统精度的影响。 (具体参见 Yang Y，Rendig S，Siegel S，et al. Cardiac PET imaging in mice with simultaneous cardiac and respiratory gating. Physics in Medicine and Biology, 2005,50 :2979-2989. L^ R Visvikis D, Lamare F, Bruyant P， et al. Respiratory motion in positron emission tomography for oncology applications :problems and solutions. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A,2006, 569 :453-457.)对于呼吸运动门控的方法，也有通过处理PET成像数据得到系统灵敏度以指示呼吸运动所处的相位，最后通过合并相同相位的数据或通过相应计算将运动相位移到参考相位进行图像重建，但这些方法都是针对呼吸运动这种具体应用，前提是被检物体沿探测器轴向有较大的位移。(具体参见Jimfeng He，Graeme J. 0’ Keefe，Sylvia Jie GongiGareth Jones,Tim Saunder,Andrew M. Scott,and Moshi Geso. A Novel Method for Respiratory Motion GatedWith Geometric Sensitivity of the Scanner in 3D PET. IEEE Transactions on Nuclear science，2008，55 :2557-2565)旋转运动是PET成像过程中的一种常见运动方式，可以分为被检物体绕探测器轴向旋转和探测器绕被检物体旋转两种类型，比如双头探测器结构的微型PET成像中探测器绕轴向的旋转就是PET中旋转运动的一种。旋转运动相比临床PET中的病人运动，其特点是运动幅度较大，造成严重的图像伪影和量化误差，对旋转运动的门控方法，目前相关的报道少有涉及。
发明内容
本发明的目的在于提出一种正电子发射断层成像(PET)中的运动门控方法，用于对正电子发射断层成像(PET)中的旋转运动进行门控，该方法通过对列表式单事件数据的处理，得到旋转运动的参数，指示物体运动所处的相位，通过整合相同相位的数据重建的方法实现运动门控，在不增加任何额外的硬件设备的条件下，解决旋转运动给正电子发射断层成像(PET)带来的伪影问题。本发明提供的一种正电子发射断层成像(PET)中的运动门控方法，其步骤包括(1)数据获取和初始参数设定首先，获取运动状态下带有时间信息和事件沉积位置信息的列表式单事件数据， 并将所有单事件数据按时间的先后顺序排列；其次，设定初始参数定义正电子发射断层成像(PET)数据获取系统的一个通道对应的探测器模块为一个基本探测单元，并选择其中任意一个基本探测单元作为探测模组；设定初始的时间间隔S，其中S > 0，且小于旋转运动的最小运动周期；(2)获取单事件计数率变化曲线将所述列表式单事件数据按时间间隔S分成若干个数据帧，统计每个数据帧中位于探测模组内的单事件计数率C(i)，绘制出C(i)随i变化的单事件计数率变化曲线，其中， i为数据帧编号，1^0；(3)旋转运动的运动参数确定首先，调整探测模组和/或时间间隔，以使所述单事件计数率变化曲线具有局部区间周期性；其次，根据所述局部区间周期性将旋转运动划分成若干个运动段，计算每个运动段中的旋转运动周期Tj;然后，将列表式单事件数据按照运动段划分成相应的若干个列表式单事件数据段；(4)确定每个运动段中各数据帧对应的物体旋转运动相位对于任意第j个运动段，首先调整该运动段中数据帧的时间间隔I，再使用调整后的时间间隔h将该运动段对应的列表式单事件数据段划分成多个数据帧ηρ其中r^.表示第 j个运动段中的数据帧编号，计算该数据帧编号r^.除以对应运动段中物体旋转周期L的余数，该余数即确定为数据帧r^.在本运动段中对应的运动相位；(5)数据整合重建挑选各个运动段中相位相同的数据帧，将这些数据帧整合进行图像重建，即可得到各个运动段对应的重建图像。本发明的另一目的还在于提供一种PET成像中的运动门控技术系统，包括数据获取和初始参数设定模块、获取单事件计数率变化曲线模块、旋转运动的运动参数确定模块、 运动段中的旋转运动相位确定模块和数据整合重建模块。数据获取和初始参数设定模块用于获取列表式单事件数据，按时间排序，并初始化时间间隔和探测模组；获取单事件计数率变化曲线模块根据时间间隔将列表式单事件数据划分成若干个数据帧，统计在每个数据帧探测模组内的单事件计数率，生成单事件计数率变化曲线，通过调整时间间隔和探测模组这两个参数使得单事件计数率变化曲线具有明显的局部区间周期性；旋转运动的运动参数确定模块将旋转运动分成不同的运动段，求出每个运动段中的运动周期；各个运动段中的旋转运动相位确定模块根据用户调整后的时间间隔重新划分每个运动段中的数据帧，确定每个运动段中数据帧所对应的运动相位；数据整合重建模块整合每个运动段中相同运动相位的数据进行图像重建。本发明在不增加任何硬件设备的情况下，通过对成像数据的处理监视物体运动， 能很好的降低由于物体旋转运动带来的图像伪影，极大的提高了图像的分辨率。
图1为本发明一种PET成像中的运动门控方法的流程图；图2为本发明一种PET成像中的运动门控系统的系统结构图；图3为单事件计数率变化曲线示意图；图4为运用本发明申请，对旋转速度为η /3弧度/秒、半径35毫米、长度40毫米圆柱体模的勻速旋转运动门控示意图。
具体实施例方式下面结合实例和附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。如图1所示，本发明提出的一种正电子发射断层成像(PET)中的运动门控方法，用于对正电子发射断层成像(PET)中的旋转运动进行门控，该方法包括以下步骤(1)数据获取和初始参数设定首先，获取运动状态下带有时间信息和事件沉积位置信息的列表式单事件数据， 并将所有单事件数据按时间的先后顺序排列；选择基本探测单元作为探测模组；其次，设定初始参数定义PET数据获取系统的一个通道对应的探测器模块为一个基本探测单元，选择任意一个基本探测单元作为探测模组，设定初始的时间间隔S，S为根据物体运动速度取的经验值，S > 0并且小于旋转运动的最小运动周期。(2)获取单事件计数率变化曲线将列表式单事件数据按时间间隔S分成若干个数据帧。统计在每个数据帧中位于探测模组内的单事件计数率C(i)，其中，i为数据帧编号，i >0。绘制C(i)随i变化的单事件计数率变化曲线。观察单事件计数率变化曲线，若不具有明显的局部区间周期性，则采用相邻的多个基本探测单元的组合作为探测模组，和(或)增大每个数据帧的时间间隔S，得到调整后的单事件计数率变化曲线，直到单事件计数率变化曲线具有明显的局部区间周期性。(3)旋转运动的运动参数确定根据单事件计数率变化曲线的局部区间周期性将旋转运动划分成若干个运动段， 将列表式单事件数据按照运动段划分成若干个列表式单事件数据段；计算每个运动段中的旋转运动周期Ir Tj表示第j个运动段的旋转运动周期。具体过程如下(3. 1)求单事件计数率变化曲线的局部极大值，得到局部极大值对应的数据帧编号Pk，k彡0 ；用户根据旋转运动速度的变化设定阈值H，H为整数，且0彡H彡5，定义APa, b= IPb-PaI，以第一个局部极大值对应的数据帧编号Ptl为起点，将APcm与H进行比较，若 APciaC H，继续比较ΔP。,2与H，依次类推，直到ΔPQ,H，将P。至Pm对应的数据帧划分为
7一个运动段，若Pm为最后一个局部极大值对应的数据帧，则结束，否则将起点更换为pm+1，使用同样的方法直到将所有数据帧归为不同的运动段，其中a，b，m为计数率变化曲线的局部极大值对应的数据帧编号；(3. 2)在各个运动段对应的单事件计数率变化曲线的周期区间内对单事件计数率变化曲线求局部极大值，计算所有相邻两个局部极大值对应的数据帧编号的差，求这些差的平均值，该平均值则为该运动段中的物体旋转运动周期Τ」。(4)各个运动段中的旋转运动相位确定用户根据具体需求调整每个运动段中数据帧的时间间隔Sp Sj表示第j个运动段中数据帧的时间间隔，再使用调整后的时间间隔h将本运动段对应的列表式单事件数据段划分成若干个数据帧IV Iij表示第j个运动段中的数据帧编号，计算数据帧编号r^.除以对应运动段中物体旋转周期L的余数，该余数为数据帧在本运动段中对应的运动相位。(5)数据整合重建挑选各个运动段中相位相同的数据帧，将这些数据帧整合进行图像重建，得到各个运动段对应的重建图像。对每个运动段中整合后的数据进行图像重建可以采用MLEM(Maximum-Likelihood Expectation-Maximization)、 MAP(Maximum APosteriori)、 FBP(Filtered Backprojection)等方法。(具体参见 Miles N. Wernick, John N. Aarsvold, Emission Tomography :The Fundamentals of PET and SPECT, Elsevier Academic Press,2004.)本发明中的旋转运动包括两种一种是不处于视场中心的被检物体或被检部位绕探测器轴向旋转；第二种是探测器绕轴向旋转，且被检物体或被检部位不处于视场中心。本发明提供的PET成像中的运动门控技术系统结构图如图2所示。该系统包括数据获取和初始参数设定模块100、获取单事件计数率变化曲线模块200、旋转运动的运动参数确定模块300、各个运动段中旋转运动相位确定模块400、数据整合重建模块500。数据获取和初始参数设定模块100用于获取列表式单事件数据，并初始化时间间隔和探测模组，该模块分为2个子模块，分别为数据获取模块110和初始参数设定模块120。 数据获取模块110用于获取获取列表式单事件数据，并按时间排序。初始参数设定模块120 用于初始设定探测模组和时间间隔两个参数。获取单事件计数率变化曲线模块200获取具有明显的局部区间周期性的单事件计数率变化曲线，该模块分为2个子模块，分别为单事件计数率变化曲线生成模块210和单事件计数率变化曲线调整模块220。单事件计数率变化曲线生成模块210将列表式单事件数据按时间间隔S划分成若干个数据帧，统计在每个数据帧探测模组内的单事件计数率， 生成单事件计数率变化曲线。模块220调整探测模组和(或)时间间隔两个参数使得单事件计数率变化曲线具有明显的局部区间周期性。旋转运动的运动参数确定模块300根据模块200得到的单事件计数率变化曲线将旋转运动分成不同的运动段，求出每个运动段中的运动周期，该模块分为2个子模块，分别为运动段划分模块310和运动段内的运动周期确定模块320。所述运动段划分模块(310)用于将旋转运动划分成若干个运动段，所述运动段内运动周期确定模块(320)用于计算每个运动段中的旋转运动周期Τ」。将旋转运动划分成若干个运动段可通过如下具体过程实现
首先，确定单事件计数率变化曲线的局部极大值，得到局部极大值对应的数据帧编号Pk，其中k彡0;其次，用户根据旋转运动速度的变化设定阈值H，H为整数，且0彡5，定义APa, b= IPb-PaI，以第一个局部极大值对应的数据帧编号Ptl为起点，将APcm与阈值H进行比较， 若APciaCH,继续比较Δ P。,2与H，依次进行比较直至八^ 1彡!1，将？(|至？111对应的数据帧划分为一个运动段，其中a，b，m为计数率变化曲线的局部极大值对应的数据帧编号；若Pm为最后一个局部极大值对应的数据帧，则结束，否则将起点更换为Pm+1，重复上述比较过程，直至将所有数据帧归为不同的运动段；计算每个运动段中的旋转运动周期Tj可通过如下具体过程实现为首先，在每个运动段对应的单事件计数率变化曲线的周期区间内对单事件计数率变化曲线求局部极大值；然后，计算所有相邻两个局部极大值对应的数据帧编号的差，并求这些差的平均值，该平均值即为该运动段中的旋转运动周期Tj。各个运动段中的旋转运动相位确定模块400确定每个运动段中数据帧所对应的运动相位，该模块分为2个子模块，分别为运动段内时间间隔调整模块410和运动段中运动相位确定模块420。运动段内时间间隔调整模块410根据用户需求调整时间间隔参数，并将运动段对应的列表式单事件数据划分成若干个数据帧。运动段中运动相位确定模块420确定每个运动段中数据帧对应的运动相位。数据整合重建模块500分别整合各个运动段中相同相位的数据帧进行图像重建。实例本发明提出的一种PET成像中旋转运动的门控方法涉及到若干参数，这些参数需要针对具体的应用和旋转运动速度进行调节以达到良好的性能。此处列出本发明处理数据设定的参数步骤(1)中选择时间间隔为1秒；步骤(3. 1)中的阈值H为2以区分不同的运动段；步骤中的时间间隔h为1秒。
权利要求
1.一种正电子发射断层成像(PET)中的运动门控方法，其步骤包括(1)数据获取和初始参数设定首先，获取运动状态下带有时间信息和事件沉积位置信息的列表式单事件数据，并将所有单事件数据按时间的先后顺序排列；其次，设定初始参数定义正电子发射断层成像(PET)数据获取系统的一个通道对应的探测器模块为一个基本探测单元，并选择其中任意一个基本探测单元作为探测模组；设定初始的时间间隔S，其中S > 0，且小于旋转运动的最小运动周期；(2)获取单事件计数率变化曲线将所述列表式单事件数据按时间间隔S分成若干个数据帧，统计每个数据帧中位于探测模组内的单事件计数率C(i)，绘制出C(i)随i变化的单事件计数率变化曲线，其中，i为数据帧编号，i(3)旋转运动的运动参数确定首先，调整探测模组和/或时间间隔，以使所述单事件计数率变化曲线具有局部区间周期性；其次，根据所述局部区间周期性将旋转运动划分成若干个运动段，计算每个运动段中的旋转运动周期Tj ；然后，将列表式单事件数据按照运动段划分成相应的若干个列表式单事件数据段；(4)确定每个运动段中各数据帧对应的物体旋转运动相位对于任意第j个运动段，首先调整该运动段中数据帧的时间间隔h，再使用调整后的时间间隔h将该运动段对应的列表式单事件数据段划分成多个数据帧ηρ其中r^.表示第 j个运动段中的数据帧编号，计算该数据帧编号r^.除以对应运动段中物体旋转周期L的余数，该余数即确定为数据帧r^.在本运动段中对应的运动相位；(5)数据整合重建挑选各个运动段中相位相同的数据帧，将这些数据帧整合进行图像重建，即可得到各个运动段对应的重建图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述划分运动段的具体过程为首先，确定单事件计数率变化曲线的局部极大值，得到局部极大值对应的数据帧编号 1\，其中其次，用户根据旋转运动速度的变化设定阈值H，H为整数，且0 < H < 5，定义Δ Pa,b = IPb-Pj,以第一个局部极大值对应的数据帧编号Ptl为起点，将ΔΡμ与阈值H进行比较，若 APcmSH,继续比较Δ P。,2与H，依次进行比较直至Δ PQ,m彡H为止，将P。至Pm对应的数据帧划分为一个运动段，其中α，b和m为计数率变化曲线的局部极大值对应的数据帧编号；若Pm为最后一个局部极大值对应的数据帧，则结束，否则将起点更换为Pm+1，重复上述比较过程，直至将所有数据帧归为不同的运动段。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，计算任意第j个运动段中的物体旋转运动周期Tj可以通过如下具体过程实现首先，在每个运动段对应的单事件计数率变化曲线的周期区间内对单事件计数率变化曲线求局部极大值；然后，计算所有相邻两局部极大值对应的数据帧编号的差，并求这些差的平均值，该平均值即为该运动段中的物体旋转运动周期η。
4.一种正电子发射断层成像(PET)中的运动门控系统，包括数据获取和初始参数设定模块(100)、单事件计数率变化曲线获取模块000)、旋转运动参数确定模块(300)、旋转运动相位确定模块(400)和数据整合重建模块(500)，其中，所述数据获取和初始参数设定模块(100)用于获取列表式单事件数据，并设定初始化的时间间隔S及确定探测模组；所述单事件计数率变化曲线获取模块(200)获取具有局部区间周期性的单事件计数率变化曲线；所述旋转运动参数确定模块(300)根据所述单事件计数率变化曲线将旋转运动分成不同的运动段，并获得每个运动段中的运动周期；所述旋转运动相位确定模块(400)确定每个运动段中数据帧所对应的运动相位；所述数据整合重建模块(500)用于整合各个运动段中相位相同的数据帧，并以此重建图像。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的数据获取和初始参数设定模块 (100)包括数据获取模块(110)和初始参数设定模块(120)，其中，所述数据获取模块(110)用于获取列表式单事件数据，并按时间排序；所述初始参数设定模块(110)用于选择任意一个基本探测单元作为探测模组，并设定初始的时间间隔S，其中，正电子发射断层成像(PET)数据获取系统的一个通道对应的探测器模块即为一个基本探测单元。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述单事件计数率变化曲线获取模块(200)包括单事件计数率变化曲线生成模块(210)和单事件计数率变化曲线调整模块 (220)，其中，所述单事件计数率变化曲线生成模块(210)用于将列表式单事件数据按所述时间间隔S划分成多个数据帧，并统计每个数据帧探测模组内的单事件计数率，生成单事件计数率变化曲线；所述单事件计数率变化曲线调整模块(220)用于调整探测模组和/或时间间隔，以使所述单事件计数率变化曲线具有局部区间周期性。
7.根据权利要求4-6之一所述的系统，其特征在于，所述旋转运动参数确定模块(300) 包括运动段划分模块(310)和运动段内运动周期确定模块(320)，其中，所述运动段划分模块(310)用于将旋转运动划分成若干个运动段，所述运动段内运动周期确定模块(320)用于计算每个运动段中的旋转运动周期Τ」。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，将旋转运动划分成若干个运动段可通过如下具体过程实现首先，确定单事件计数率变化曲线的局部极大值，得到局部极大值对应的数据帧编号 Pk^kSO;其次，用户根据旋转运动速度的变化设定阈值H，H为整数，且0 < H < 5，定义Δ Pa,b = I Pb-Pa I，以第一个局部极大值对应的数据帧编号P。为起点，将ΔΡμ与阈值H进行比较，若 APciaCH,继续比较Δ P。,2与H，依次进行比较直至Δ PQ,H，将P。至Pji应的数据帧划分为一个运动段，其中a，b，m为计数率变化曲线的局部极大值对应的数据帧编号；若Pm为最后一个局部极大值对应的数据帧，则结束，否则将起点更换为Pm+1，重复上述比较过程，直至将所有数据帧归为不同的运动段。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述计算每个运动段中的旋转运动周期L可通过如下具体过程实现为首先，在每个运动段对应的单事件计数率变化曲线的周期区间内对单事件计数率变化曲线求局部极大值；然后，计算所有相邻两个局部极大值对应的数据帧编号的差，并求这些差的平均值，该平均值即为该运动段中的旋转运动周期η。
10.根据权利要求4-9之一所述的系统，其特征在于，所述旋转运动相位确定模块 (400)包括时间间隔调整模块(410)和运动相位确定模块020)，其中，所述时间间隔调整模块(410)用于调整时间间隔参数，并将运动段对应的列表式单事件数据划分成若干个数据帧；所述运动相位确定模块(420)用于确定每个运动段中数据帧对应的运动相位，具体为对于任意第j个运动段，根据调整后的时间间隔Sj将本运动段对应的列表式单事件数据段划分成多个数据帧IV其中r^.表示第j个运动段中的数据帧编号，计算该数据帧编号 η」除以对应运动段中旋转周期L的余数，该余数即确定为数据帧r^.在本运动段中对应的运动相位。
全文摘要
本发明公开了一种PET成像中的运动门控方法，该方法将获取的PET列表式单事件数据分成若干个数据帧，通过统计数据帧中探测模组内的单事件数据计数率生成单事件数据变化曲线，调整单事件数据变化曲线使其具有明显的局部区间周期性，利用局部区间周期性划分旋转运动的运动段，计算每个运动段中的旋转周期，使用旋转周期和数据帧编号得到每个运动段中数据帧对应的运动相位，整合相同相位的数据帧进行图像重建。本发明还公开了一种PET成像中的运动门控系统。本发明在不增加任何硬件设备的情况下，监视物体旋转运动，能很好的降低由于物体运动带来的图像伪影，极大的提高了图像的分辨率。
文档编号A61B6/03GK102151142SQ20111009406
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月14日 优先权日2011年4月14日
发明者刘晶晶, 王希, 谢庆国, 龙岸文 申请人:华中科技大学