一种基于TVMerge的晶体级PET系统时间修正方法

文档序号:9460376阅读:343来源:国知局
一种基于TV Merge的晶体级PET系统时间修正方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于PET成像技术领域,具体设及一种基于TVMerge (Total Variation Merge,全变差融合法)的晶体级阳T系统时间修正方法。
【背景技术】
[0002] 阳T全称为化sitronemissiontomogra地y,也就是通常所说的正电子发射断层 成像,是一种基于核物理学和分子生物学的医学影像技术,它能够从分子层面上观察细胞 的新陈代谢活动,为早期疾病尤其是肿瘤的检测和预防提供了有效依据。PET本质上是对病 人体内药物的浓度分布进行成像,被注射入病人体内的放射性同位核素标记药物通过血液 进入循环系统,运些物质在人体内各组织器官中将形成一定的浓度分布。由于放射性同位 核素的半衰期较短,且极其不稳定,将很快发生衰变,衰变过程中所释放的正电子与附近的 自由电子发生煙灭反应,产生一对方向几乎相反、能量相等,能量大小为51化ev的伽玛光 子对。运些光子对被阳T系统中的探测器环接收,生成记录有光子能量,探测时间,计数率 和探测器编号的有效数据(Singlemodel或者sinogram)。之后,运些数据被用于生理图像 的重建或生理参数的估计。
[0003] 近几年PET在实际医学领域的应用日趋广泛,但与此同时,很多医学领域都需要 PET能提供更高的空间分辨率,W实现更加精确的医疗诊断。为了获得更高的空间分辨率, 一种被称为T0F(Time-〇f-Fli曲t)-PET的新系统正被广泛的应用在相关的临床医学领域。 T0F-PET的基本原理是通过记录探测器探测到光子的精确时间来提升空间分辨率。因此, T0F-PET对PET系统的时间分辨率有着很高的要求,但是在实际情况中,PET系统的时间分 辨率常会收到探测晶体的延时、探测器部分的延时和后端电路的延时的影响,使PET系统 的时间分辨率变差。所W,PET系统的时间修正对实现高分辨率阳T成像是十分必要的。此 夕F,随着闪烁晶体的尺寸不断缩小和PET系统探测器数量的不断增加,准确的大型PET系统 时间修正也正在变的越来越困难。
[0004] 目前,阳T时间修正方法大致可分为S种:参考探测器法、特殊散射源法和线性转 化法。第一种方法主要是用一个快速光电倍增管作为参考探测器,通过同时记录同一事件 在参考探测器和PET系统探测器所记录的探测时间,来估计两者之间的时间差,从而获取 PET系统的准确延时并借此对系统进行时间修正;第二种方法则是使用一个经过特殊设计 的放射性源来获取系统时间修正序列。在运个特殊设计的放射性源中,每个事件在源内的 具体位置都是已知的,由于所有伽马光子的传播速度都是光速,因此我们可W通过计算其 飞行时间来获取理论上无延时的探测时间,运个理论值和实际阳T系统测量的时间的偏差 就是我们所求的系统的时间修正序列;第S种方法则是将阳T时间修正问题转化为一个线 性过程,通过最小二乘法来求解运一线性过程来获取时间修正序列的估计值。 阳〇化]但是W上运=种方法都有着各自的局限性。第一种方法需要一个额外的参考探测 器来获取时间修正序列,而运个额外的探测器会增加整个系统的构建成本,并且为了获取 较为准确的估计值,运种方法往往需要较长的采集时间,运都制约了其的普遍应用。而第二 种方法虽然不需要额外添加一个参考探测器,但是它却需要一个特别设计的放射性源来计 算时间修正序列,运也限制了它的广泛使用。第=种方法虽然对探测器和放射性源都没有 特殊的要求,但是由于所采集到的信号存在噪声,所W运种方法的准确度不是很好,并且还 受到系统矩阵大小的制约,无法应用于大型的PET系统中。
[0006] 此外,随着临床医疗对医学图像精确程度要求的不断提高,与之相关的闪烁晶体 的尺寸也随之不断变小,晶体数量不断增加,PET的各种修正也不断的向着晶体级和大系统 级迈进。但是,W上的方法大多都是探测器级的修正,且无法很好的应用在晶体数巨大的 PET系统中,所W急需一种新的晶体级的时间修正方法。

【发明内容】

[0007] 针对现有技术所存在的上述技术问题,本发明提供了一种基于TVMerge的晶体级 PET系统时间修正方法,能够有效提高PET系统的时间分辨率。
[0008] 一种基于TVMerge的晶体级阳T系统时间修正方法,包括如下步骤:
[0009] (1)对PET系统中的每个探测器按行方向进行晶体级分割,每个探测器通过分割 对应得到n个晶体单元,n为除去1W外m的任一约数,m为探测器原晶体阵列的维度;
[0010] (2)利用晶体级分割后的探测器对注入放射性示踪剂的生物组织进行扫描探测, 得到多组L0R数据; W11] 做对每一组L0R数据进行预处理,W剔除每组L0R数据中时间信息有极大偏差的 Singlemodel数据记录,并确定每组L0R数据的探测时延; 阳01引 (4)将阳T系统时间修正过程转化为线性方程,通过TVUotalVariation,全变 差)对该线性方程进行约束得到W下目标函数L;进而根据由各组LOR数据探测时延组成 的探测时延序列AT,对目标函数L进行最小化求解得到PET系统的时间修正序列X; [0013]
阳014] 其中:A为系统矩阵,IIII为L2范数,A和P均为预设的权重系数,01和e均 为权重系数向量,DiO表示括号内的向量中第i个元素对应的梯度向量,iii为离散梯度向 量y中的第i个元素,i为自然数且1《i《N,T表示转置,N为时间修正序列X的维度 且为PET系统内所有探测器晶体单元的总个数;
[001引 妨根据步骤(1)~(4)对PET系统中的每个探测器按列方向进行晶体级分割,并 计算得到对于列方向分割的时间修正序列y,进而将时间修正序列X和y进行融合得到一个nN维的时间修正序列Z;
[0016] (6)对PET系统中的每个探测器进行晶体级分割,每个探测器通过分割对应得到 一个由nXn个晶体单元组成的晶体单元阵列,利用晶体级分割后的探测器对注入放射性 示踪剂的生物组织进行扫描探测,得到多组L0R数据;最后根据所述的时间修正序列Z对各 组L0R数据Singlemodel数据记录中晶体单元的探测时间进行修正。
[0017] 进一步地,所述的步骤似中的每组L0R数据对应一对探测到同一偶合事件且分 属于不同探测器内的晶体单元Ja和JB,每组L0R数据包含多条Singlemodel数据记录, 其中每条Singlemodel数据记录对应一个探测时间差即晶体单元Ja和Je对于同一偶合事 件的探测时间之差,每条Singlemodel数据记录包含晶体单元Ja和Je的编号、对应探测时 间差精度范围内晶体单元Ja和Je对于同一偶合事件的探测计数W及对应每次探测计数晶 体单元Ja和Je对于同一偶合事件各自的探测时间。
[0018] 进一步地,所述的步骤(3)中对每组L0R数据进行预处理的具体方法为:对于任 一组L0R数据,将该组L0R数据中所有Singlemodel数据记录按探测计数做成直方图,并 计算所有Singlemodel数据记录探测计数的均值,进而剔除探测计数小于均值的Single model数据记录。
[0019] 进一步地,所述的步骤(3)中确定每组L0R数据探测时延的具体方法为:对于预处 理后的任一组L0R数据,将其中所有Singlemodel数据记录对应探测时间差的最大值作为 该组L0R数据的探测时延。
[0020] 进一步地,所述的步骤(4)中线性方程的表达式为A?X=AT。
[0021] 进一步地,所述的步骤(4)中通过W下迭代方程对目标函数L进行最小化求解,具 体算式如下:
[0022]
阳0巧] e w= e k-人(Axk-AT)
[0026] 其中:x哺Xk"分别为第k次迭代和第k+1次迭代的时间修正序列,y哺yk"分 别为第k次迭代和第k+1次迭代的离散梯度向量,终和《"为权重系数向量0 1对应第k次 迭代和第k+1次迭代的结果,ek和ek"为权重系数向量e对应第k次迭代和第k+l次迭 代的结果,iiik为离散梯度向量yk中的第i个元素,k为迭代次数。
[0027] 所述的时间修正序列xk"通过W下迭代方程求解:
[0028] xk"=xk-akg(xk)
[0029]
[0030] 其中:Qk为第k次迭代的求解步长,其通过Amijo线性捜索获取,g(xk)为关于时 间修正序列Xk的梯度函数。
[0031] 所述的离散梯度向量yk"通过W下迭代方程求解:
[0032]
阳03引所述系统矩阵A的维度为MXN,M= (N-DN/2,系统矩阵A的具体表达如下:
[0034]
[00对其中:Ai~An巧为系统矩阵A的子矩阵,对于任一子矩阵A,,其维度为(N-如XN,j为自然数且1《j《N-1 ;所述的子矩阵Aj中第j列向量的所有元素均为1,前j-1列向 量的所有元素均为0,后N-j列向量所组成的方阵为主对角线元素均为-1的对角矩阵。<
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