用于正电子断层成像的方法和图像重建方法及系统与流程

本公开涉及正电子断层成像(pet)技术，具体而言，涉及用于正电子断层成像的方法和系统。

背景技术：

正电子断层成像(pet：positronemissiontomography)在核医学领域是重要的断层成像设备，现已广泛的应用于医学领域的诊断和研究。pet可以有效探测注入生物体内的标记有放射性示踪原子药物的分布。

pet利用正电子湮灭产生一对能量相同、方向相反的伽马光子的符合探测来确定湮灭发生的物理位置。用于pet系统的探测器一般可包括闪烁晶体、光电倍增管和前端电子学部分。当前pet探测器系统通常使用硅酸钇镥(lutetium-yttriumoxyorthosilicate,lyso)晶体条阵列。在应用pet时，将带有放射性核素的药物注入例如人体，带有放射性核素的药物在人体内发生衰变产生正电子，正电子与人体中的负电子发生湮灭反应，产生两个背对背的伽马光子。两个伽马光子入射到探测器的晶体表面，由于伽马光子具有较高能量，入射光子会穿过晶体一定深度后，与晶体发生相互作用产生大量低能闪烁光子。伽马光子在一晶体条中发生能量沉积后，该晶体条的位置即为系统输出的探测到伽马光子的晶体位置。对于伽马光子对，两个能量沉积晶体条的连线称之为符合响应线(lineofresponse,lor)。理论上，放射源的位置一般可被认为在符合响应线上，即在伽马光子对入射晶体条的连线上。利用lor，通过数据处理，可以得到重建图像。

然而，由于伽马光子具有511kev的能量，其在晶体条阵列中具有显著穿透效应，即深度作用效应(depthofinteraction,doi)。因此，探测到入射伽马光子的晶体条位置可能并非是光子入射晶体条的位置，由此带来lor定位的不准确，降低了重建图像的分辨率。例如，如果由产生闪烁光子的两个晶体条的端面中心点的连线来确定lor，这时lor的定位可能是错误的，因为入射伽马光子是穿过晶体一定深度后与晶体发生相互作用产生大量低能闪烁光子，而非在晶体表面的中心点产生闪烁光子。考虑到入射角度的因素，越靠近探测视野边缘，doi效应越严重，即造成重建图像分辨率在视野(fieldofview,fov)边缘严重下降。

点扩展响应函数(psf：pointspreadfunction)用于描述伽马光子在晶体条阵列中的扩展分布。在生成系统矩阵时加入psf信息，可有效减弱doi效应对重建图像的影响。基于psf信息的系统矩阵的获取主要有解析计算法、实验法和蒙特卡罗模拟法。

但是，仍然需要改进的系统矩阵生成方法以提高系统的空间分辨率。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本申请公开一种用于正电子断层成像的方法和图像重建方法及系统，能够提高系统的空间分辨率。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的一个方面，提供一种用于正电子断层成像的方法，该方法用于获得晶体阵列的光子入射响应分布，其特征在于，该方法包括：

将所述晶体阵列的各晶体条基于入射面连续等分为多个入射部分；

将入射角度范围等分为多个角度部分；

对各个入射部分及各个角度部分，利用模拟软件进行光子入射模拟，得到响应占比：

pn-ij＝nn-ij/ntotal-ij

其中，pn-ij为在第i个入射部分、第j个角度部分下，晶体阵列中第n个晶体条的响应占比，nn-ij为在第i个入射部分、第j个角度部分下，晶体阵列中第n个晶体条的响应计数，ntotal-ij为在第i个入射部分、第j个角度部分下，晶体阵列的有效探测总计数。

根据一些实施例，前述方法还包括获得光子穿透所述晶体阵列入射到与所述晶体阵列相邻设置的第二晶体阵列的第二入射响应分布，所述晶体阵列与所述第二晶体阵列的入射面之间具有夹角n为大于2的整数。

根据一些实施例，所述第二入射响应分布通过模拟方法得到。

根据一些实施例，所述第二入射响应分布根据利用前述方法得到的光子入射响应分布通过下式得到：

n＝ap¹/λ，

其中，β为光子相对所述第二晶体阵列的入射面的虚拟入射角，α为光子相对所述晶体阵列的入射面的入射角，k表示基于角度步长δ的第k个角度部分，ap¹为所述第二晶体阵列的入射面延长到虚拟入射点p¹的距离，cp⁰为光子在所述晶体阵列的入射点p⁰到所述晶体阵列与所述第二晶体阵列相邻的边缘的距离，n为光子到所述第二晶体阵列的虚拟入射晶体条编号，m表示光子到所述第二晶体阵列的晶体条n的第m个虚拟入射部分，m表示晶体条连续等分为m个入射部分，晶体阵列和第二晶体阵列的设置平面内晶体条横断面的宽度为λ，x为所述晶体阵列与所述第二晶体阵列之间的缝隙。

根据一些实施例，所述晶体阵列和所述第二晶体阵列对穿透入射的光子的响应占比通过如下衰减公式得到：

其中，p0为所述晶体阵列中第n个晶体条的响应占比，p1为所述第二晶体阵列中第m个晶体条的响应占比，光子在所述晶体阵列中的行进距离为λ0，光子在所述第二晶体阵列中的行进距离为λ1，μ为光子在晶体中的吸收长度，为所述第n个晶体条的入射响应分布，为所述第m个晶体条的第二入射响应分布。

根据一些实施例，前述方法还包括根据探测效率对所述响应占比进行修正，修正后的响应占比为pn-ijηij，

其中ηij为探测效率因子，a为源活度，t为模拟时间。

根据本发明的另一方面，提供一种用于正电子断层成像的图像重建方法，其特征在于，包括：

通过前述任一项所述的方法获得晶体阵列的光子入射响应分布；

利用均一化扩展模型计算预定像素位置的点源的各角度下各bin的最终占比；

利用所述最终占比得到系统矩阵；

利用所述系统矩阵对采集数据进行图像重建，

其中在所述均一化扩展模型中，由于穿透效应生成的扩展lor为入射到相应晶体阵列中的晶体条的任意组合，所述扩展lor的占比为入射到相应晶体阵列中的晶体条的响应占比乘积，每一角度下每一条bin的最终占比为均一化扩展模型下的同一条lor占比累计的结果。

根据一些实施例，利用所述最终占比得到系统矩阵包括：利用部分像素位置的点源的各角度下各bin的最终占比得到基础矩阵，然后通过对称性得到整个系统的系统矩阵。

根据一些实施例，利用所述最终占比得到系统矩阵包括：利用全部像素位置的点源的各角度下各bin的最终占比得到整个系统的系统矩阵。

根据本发明的另一方面，提供一种用于正电子断层成像的图像重建系统，包括：入射响应模块，用于获得晶体阵列的光子入射响应分布；均一化模块，用于利用均一化扩展模型计算预定像素位置的点源的各角度下各bin的最终占比；系统矩阵模块，用于利用所述最终占比得到系统矩阵；图像重建模块，用于利用所述系统矩阵对采集数据进行图像重建。

根据本公开的一些实施例，充分考虑伽马光子入射晶体条的角度和位置因素，生成的系统矩阵精确度高，能够提高pet系统的空间分辨率。

根据本公开的另一些实施例，充分考虑阵列(block)的缝隙穿透效应，使模型的构建基本遵从系统实际物理结构及物理规律，并结合模拟与解析计算的优点，实现方法对pet设备的普适性、模拟结果的可移植性、以及系统矩阵的高精确性。

根据本公开的又一些实施例，考虑到探测效率的影响，对模型进行修正，进一步提高系统矩阵的精确性和系统的空间分辨率。

根据本公开的再一些实施例，通过均一化模型得到系统矩阵，进一步提高系统的空间分辨率。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1示出根据本发明实施例的用于获得晶体阵列的光子入射响应分布的方法；

图2示出本发明实施例中使用的光子入射晶体阵列模型示意图；

图3示出了光子的穿透效应导致响应分布在相邻的两个阵列(block)上的示意图；

图4示出根据本发明实施例的均一化模型；

图5示出lor扩展效应的示意图；

图6示出根据本发明实施例的图像重建方法；

图7示出系统矩阵基础区域及对称性的示意图；

图8示出根据本发明实施例的图像重建系统；及

图9示出采用本发明实施例的系统矩阵构建方法重建的图像(右图)与传统方法的重建图像(左图)的对比。

具体实施例

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的步骤。例如，有的步骤还可以分解，而有的步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

图1示出根据本发明实施例的用于获得晶体阵列的光子入射响应分布的方法，其用于正电子断层成像。

图2示出本发明实施例中使用的光子入射晶体阵列模型示意图。

如图1所示，在s110，将所述晶体阵列的各晶体条基于入射面连续等分为多个入射部分。例如，对于一维晶体阵列可记为n×1，对于二维晶体阵列记可为n×k。模拟模型可例如为图2所示的一维晶体阵列的光子入射情况，但本发明不限于此。对于晶体条n，本发明将单个晶体连续等分为m个入射部分，即m个分位置，m大于1。

在s120，将入射角度范围等分为多个角度部分。例如，如果将入射角度范围设置为[0,δ]，角度步长为δ，则总角度数为(δ+δ)/δ。入射角度范围设置由有效视野(fov)决定，要求包括有效视野内所有放射点发射伽马光子的入射角度。对于单个晶体条的划分及角度步长可根据实际需要进行设定。

在s130，对各个入射部分及各个角度部分，利用模拟软件进行光子入射模拟，得到响应占比。可基于geant4applicationforemissiontomography(gate)蒙特卡罗模拟软件对光子入射晶体阵列的扩展分布进行模拟，但本发明不限于此，也可以采用其他模拟软件。模拟角度的设定可采用入射方向偏置法，或者其他方法如准直器方向限定法。

对各个角度各个分位置,记模拟点源活度为a，模拟时间为t,则模拟计数为at。

对于入射晶体条，在晶体第i(i＝0,1,2…m-1)个分位置第j(j＝0,1,2…δ/δ)个角度下,晶体阵列各晶体条n(n＝1，2，...，n)的响应计数分别为nn-ij,有效探测总计数为ntotal-ij。在第i个入射部分、第j个角度部分下，晶体阵列中第n个晶体条的响应占比为pn-ij＝nn-ij/ntotal-ij。

图3示出了光子的穿透效应导致响应分布在相邻的两个阵列(block)上的示意图。

对于靠近晶体阵列边缘且入射角度较大的情况，伽马光子的穿透效应可能导致响应分布在相邻的两个晶体阵列上。如图3所示，伽马光子在晶体阵列block0的p⁰处入射，但由于穿透效应，伽马光子的能量也可能在临近的晶体阵列block1上发生沉积，使得伽马光子的探测位置发生显著改变。

根据本发明的实施例，充分考虑阵列的缝隙穿透效应，使模型的构建基本遵从系统实际物理结构及物理规律，可以得到更精确的结果。具体而言，假设晶体阵列block0与相邻晶体阵列block1的入射面之间具有夹角例如，环形pet系统内晶体阵列的数目为n，本实施例的方法还包括获得光子穿透晶体阵列block0入射到与晶体阵列block0相邻设置的晶体阵列block1的入射响应分布。易于理解，可以通过模拟方法得到相邻晶体阵列block1的入射响应分布。

根据本发明的一实施例，基于前述光子入射响应分布提出了一种解析计算的方式，用以处理跨缝隙情况的响应分布处理。如图3所示，在本申请中，用ab、bc表示晶体阵列block0与block1之间的缝隙，即晶体阵列block0和block1的入射面的虚拟交线与晶体阵列block0、block1之间的距离，可令缝隙ab、bc为x，，p1为伽马光子于block1延长部分上的虚拟入射点，晶体阵列block0和晶体阵列block1的设置平面内晶体条横断面的宽度为λ，β为光子相对于晶体阵列block1的入射面的虚拟入射角，α为光子相对晶体阵列block0的入射面的入射角，ap¹为晶体阵列block1的入射面延长到虚拟入射点p¹的距离，cp⁰为光子在晶体阵列block0的入射点p⁰到晶体阵列block0与晶体阵列block1相邻的边缘的距离。

β如公式(1a)所示：

k表示基于角度步长δ的第k个角度部分，k如公式(1b)所示：

ap¹如公式(2)所示：

光子到晶体阵列block1的虚拟入射晶体条编号n如公式(3)所示：

n＝ap¹/λ(3)

光子入射到晶体阵列block1的晶体条n的第m个虚拟入射部分，m如公式(4)所示：

其中m表示晶体条连续等分为m个入射部分。

由上可得到伽马光子入射到block1的入射细分位置编号m及入射角度β，根据前述的光子入射响应分布，可得到block1内的晶体条的响应分布情况。

另外，本发明人注意到，对于某一入射方向的伽马光子束，在穿透晶体阵列block0和block1的情况下，晶体阵列block0和block1的响应分布不同。根据本发明一实施例，采用衰减公式求得相邻两个晶体阵列的响应占比。

设伽马光子在晶体阵列block0中的行进距离为λ0，在晶体阵列block1中的行进距离为λ1，那么晶体阵列block0与block1中的响应分别为其中μ为光子在晶体中的的吸收长度。

这样，对于晶体阵列block0中的第n个晶体条的响应占比，其为对于晶体阵列block1中的第m个晶体条的响应占比，其为为晶体阵列block0中第n个晶体条的入射响应分布，为晶体阵列block1中第m个晶体条的入射响应分布。

本发明人注意到，对于不同入射角度及入射位置的模拟，其源活度a及模拟时间t一致，即模拟伽马光子数一致，但探测到有效粒子的总计数不同，这是由于探测效率不同。前述晶体条n的响应占比为pn-ij＝nn-ij/ntotal-ij,仅反映了在i分位置j角度入射情况下的分布情况，并未考虑探测效率的影响。根据本发明一实施例，在对系统整体考虑时，需考虑到探测效率因子的影响，探测效率如公式(5)所示：

因此，从整体角度来看，第n个晶体条的响应占比为pn-ijηij。

图4示出根据本发明实施例的均一化模型，图5示出lor扩展效应的示意图。

对于探测空间内某一位置正电子点源s，点源的体积认为可以忽略。那么可认为从点源s发射的成对伽马光子是均匀向空间四面八方发射的，即空间内各条lor概率相等，可假设经过s形成的lor共有r条。

对于物理上经过s发射的一对伽马光子形成的lor，其入射晶体条编号分别为m与n。然而，由于伽马光子的穿透效应，该方向的lor被探测的晶体条编号可能为m与n附近的晶体条，这样便形成lor扩展效应，如图5所示。

对于以α角度入射到晶体阵列block0的f号晶体条和以β角度入射到对应的晶体阵列block1的n’号晶体条的lor，穿透效应生成的扩展lor为晶体阵列block0中的{b,c,d,e,f,g,h}(记为cry0)及晶体阵列block1中的{f’,g’,h’,m’,n’,o’,p’}(记为cry1)的任意组合，其lor的占比为cry0与cry1的响应占比乘积。

假设由于扩展效应造成从点源s产生的lor最多产生q条lor。某一角度angle下的某一条bin的最终占比为均一化lor扩展模型下的同一条lor占比累计的结果。

根据一实施例，该占比累计结果可如公式(6)所示：

其中，如果lorr,s不是angle角度下的bin号符合线，则

根据本发明的实施例，通过结合模拟与解析计算的优点，可实现方法对pet设备的普适性、模拟结果的可移植性、以及系统矩阵的高精确性。

图6示出根据本发明实施例的图像重建方法。

参照图6，在s610，通过前述方法获得晶体阵列的光子入射响应分布。光子入射响应分布可以包括前述经缝隙处理的光子入射响应分布以及经进一步归一化处理的光子入射响应分布。

在s620，利用均一化扩展模型计算预定像素位置的点源的各角度下各bin的最终占比，此处不再赘述。

在s630，利用得到的最终占比得到系统矩阵。可利用部分像素位置的点源的各角度下各bin的最终占比得到基础矩阵，然后通过对称性得到整个系统的系统矩阵，或者利用全部像素位置的点源的各角度下各bin的最终占比得到整个系统的系统矩阵。根据一实施例，可选择视野区域内的部分区域作为基础矩阵并通过对称性得到整个系统的系统矩阵。所述部分区域可至少包含一个晶体阵列，但本发明不限于此。例如，如图7所示，考虑到pet系统环形结构的对称性，本发明一实施例采用1/4系统对称结构，但本发明并不局限与1/4对称结构。利用根据本发明实施例的lor扩展法计算第一象限的bin分布，按例如像素组织成基础矩阵进行存储。对其他区域像素可根据系统对称性进行实时计算，得到整个系统的系统矩阵，但本发明不限于此。

在s640，利用系统矩阵对采集数据进行图像重建。例如，可采用sino数据组织组织方式的有序子集最大期望值法(orderedsubsetsexpectationmaximum,osem)进行重建，也可变换系统矩阵的组织方式，采用listmode数据组织方式的最大似然期望最大化(maximumlikelihoodandexpectationmaximization,mlem)进行重建。

图8示出根据本发明实施例的图像重建系统。

如图8所示，图像重建系统800包括入射响应模块810、均一化模块820、系统矩阵模块830和图像重建模块840。入射响应模块810可用于通过前述方法获得晶体阵列的光子入射响应分布。均一化模块820可利用均一化扩展模型计算预定像素位置的点源的各角度下各bin的最终占比。系统矩阵模块830可利用所述最终占比得到系统矩阵。图像重建模块840可利用所述系统矩阵对采集数据进行图像重建。

图像重建系统800可实现前面描述的根据本申请发明构思的方法，与前述类似的说明不再赘述。

下面通过一实例说明根据本发明实施例的方法取得的有益效果。

在该实例中，对中国科学院高能物理研究所自主研制的灵长类pet，利用本发明提出的系统矩阵的生成方法进行图像重建。

探测器相关参数为晶体条(2.0×2.0×10mm³)、探测器有效视野(190×190×64mm³)。

采用derenzophantom的实验数据进行系统矩阵生成后采用osem方法进行重建的结果如图9所示。图9为采用本发明实施例的系统矩阵构建方法重建的图像(右图)与传统方法的重建图像(左图)的对比。对比结果表明，根据本发明实施例的系统矩阵构建方法有效提高了系统的空间分辨率。

通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本公开实施例的系统和方法具有以下优点中的一个或多个。

根据本公开的一些实施例，充分考虑伽马光子入射晶体条的角度和位置因素，生成的系统矩阵精确度高，能够提高pet系统的空间分辨率。

根据本公开的另一些实施例，充分考虑阵列(block)的缝隙穿透效应，使模型的构建基本遵从系统实际物理结构及物理规律，并结合模拟与解析计算的优点，实现方法对pet设备的普适性、模拟结果的可移植性、以及系统矩阵的高精确性。

根据本公开的又一些实施例，考虑到探测效率的影响，对模型进行修正，进一步提高系统矩阵的精确性和系统的空间分辨率。

根据本公开的再一些实施例，通过均一化模型得到系统矩阵，进一步提高系统的空间分辨率。

通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员易于理解，本公开实施例可以通过硬件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，本公开实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本公开实施例的方法。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本公开所必须的，因此不能用于限制本公开的保护范围。

本领域技术人员可以理解上述各模块可以按照实施例的描述分布于装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应该理解，本公开不限于所公开的实施例，相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。