一种双材PET成像系统与方法与流程

本发明涉及高能物理、核医学成像领域，尤其涉及一种双材pet成像系统与方法。

背景技术：

近年来，影像诊断学的一个重要进展就是图像融合技术的发展与应用。图像融合包括硬件与软件，是一个全自动图像配准及多种图像的解读技术，它不仅具有全自动的功能与解剖图像的融合，还可以让具有不同特征的影像在同一平台显示、解读，对比与分析，为临床诊断与治疗之间架起了一座高速、流畅的桥梁。图像融合最引人瞩目的产品就是pet/ct，就是将正电子发射断层成像(positronemissiontomography，以下均简称pet)所获取的功能性信息，与电子计算机断层扫描(computedtomography，一下均简称ct)获取的解剖学信息进行融合。pet/ct检查设备是pet与ct两种设备的结合。但是，最初与ct组合的功能成像设备，却是单光子发射计算机断层。虽然，这一设备获得的图像效果并不满意，但这一创意推动并形成一种实用的双功能成像概念，促进了pet-ct的出现和发展。在1998年，世界上第一台专用pet-ct的原型机，安装在匹兹堡大学医学中心。该设备机架的长、宽、高分别为110cm、170cm和168cm，ct部分与pet部分中心相距60cm，孔径为60cm。在1998～2001年间，在这台原型机上做了300余例肿瘤病人，并获得很好的效果。这一工作还获得一系列的荣誉:其中一幅图像被评为1999年美国核医学年会最佳图像。

锗酸铋(bi4ge3o12，以下简称bgo)晶体是一种具有立方结构、无色透明的人工合成晶体，该晶体是一种多功能光学晶体材料，具有电光、磁光和闪烁等多种物理效应，并可用作激光介质。1973年，韦伯(m.weber)和蒙尚(r.monchamp)率先发现bgo晶体的闪烁效应，该晶体在高能射线或粒子作用下会发出峰值位于480nm的闪烁光。

bgo晶体的密度为7.13g/cm³，有效原子序数为75.2，对γ射线具有极高的探测效率，非常适合需要高γ射线探测效率的应用，如石油测井和地质勘探等领域；bgo晶体的峰/康比大、反散射峰和逃逸峰小，是非常优异的反康普顿屏蔽材料；bgo晶体的辐射长度仅为1.12cm，莫里哀半径为2.24cm，仅次于pbwo4和cdwo4，非常适于制作结构紧凑的探测器或探测部件，提高空间分辨率和节约设备投资；bgo晶体属于自激活发光的闪烁晶体，不存在激活离子不均匀导致的分辨率恶化问题，其在高能段的能量分辨性能好，可精确测定高能粒子或射线的能量；另外，bgo晶体无余辉，无解离面，莫氏硬度和化学性能稳定等优点，加工、维护和使用方便。综上所述，bgo晶体是一种综合性能优异的无机闪烁晶体。

自1990年melcher和schweitzer发现lso晶体(lu2sio5,以下简称lso)是一种具有潜在应用价值的闪烁晶体以来，国内外众多的专家学者已经对其生长与闪烁特性进行了大量的研究，尤其是在医药工业和高能物理学上已经得到了广泛关注。其具有高密度(7.4g/cm³)，与bgo相当；有效原子序数zeff＝66；具有高光输出特性，约为30000光子mev^-1(是bgo的4～5倍)；衰减时间短，不足40ns；时间分辨率高达450ps；发光波长为420nm，适用于高能γ射线的快速探测，主要应用在高能物理、核医学成像、油井钻探、核物理以及安全检查等领域。综合表面，lso晶体是一种综合性能优良的无机闪烁晶体。

下表为bgo晶体和lso晶体的特性参数

传统的pet只使用单一的一种闪烁晶体，而使用单一的晶体作为闪烁晶体由于晶体其本身有一定的缺陷，所以用单一晶体材料制成的pet成像系统在成像时就会存在信噪比低、时间分辨率低、成像空间分辨率低和灵敏度低这些问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的问题在于提出一种双材pet成像系统与方法，该系统具有更加优良的性能，有效地提升系统信噪比、时间分辨率、成像空间分辨率和灵敏度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

双材pet成像系统包括光电探测及转换模块、采样模块、数据处理模块、图像重建模块、显示屏；

所述光电探测及转换模块与所述采样模块连接并传递信息给所述采样模块；

所述采样模块与所述数据处理模块连接，所述采样模块采样后的数据发送给数据处理模块；

所述数据处理模块与图像重建模块连接，所述数据处理模块把接收的数据提取出特征信息并打包发送给图像重建模块；

所述显示屏与所述图像重建模块连接并显示出重建后的图像，便于研究人员检查实验效果；

所述光电探测及转换模块通过使用两种闪烁晶体材料进行探测。

优选地，两种所述闪烁晶体是bgo晶体和lso晶体。

优选地，所述采样模块采用adc芯片或者tdc芯片或者adc芯片和tdc芯片相结合的芯片。

优选地，所述数据处理模块使用fpga(现场可编程逻辑门阵列)芯片处理数据。

优选地，所述数据处理模块使用千兆以太网芯片进行打包发送传输数据。

双材pet成像方法，包括以下步骤：

步骤1：光电探测及转换模块中的两种闪烁晶体采集到γ射线发出闪烁光，所述闪烁光通过光电转换成电信号(闪烁脉冲)，所述电信号(闪烁脉冲)经放大器放大后传输到采样模块；

步骤2：所述采样模块对所述电信号(闪烁脉冲)进行采集，并把采集到的数据传输给数据处理模块；

步骤3：所述数据处理模块接收到采集的数据后提取出其中的时间、能量、位置信息，并把这些特征信息打包通过千兆以太网发送给成像模块；

步骤4：所述成像模块接收到打包文件后把其中的两种晶体数据进行区分；

步骤5：所述成像模块区分完成后，把数据进行重排；

步骤6：所述成像模块对重排后的数据进行迭代重建运算，直到数据符合要求；

步骤7：所述成像模块把重建后的图像发送到显示屏上。

优选地，所述采样模块使用的采样方法可为adc采样、tdc采样或adc采样与tdc采样相结合。

优选地，所述数据处理模块能使用fpga处理。

优选地，所述图像重建模块可使用字典学习进行分辨两种晶体能。

优选地，图像重建模块使用的方法为迭代重建算法。

本发明的有益效果为：

本发明通过在光电探测及转换这一步骤中采用两种闪烁晶体bgo晶体、lso晶体交替排布的材料作为探测材料，两种闪烁晶体互相弥补对方缺点的同时又综合了两者的优点，使得双材pet成像系统有着阻挡光子能力强、空间灵敏度高、时间分辨率高与能量分辨率高这些优点。

附图说明

图1是根据现有技术的结构示意图；

图2是根据本发明的一种装置模块示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的成像方法的流程图；

图4是根据本发明的一种晶体排布方式示意图；

图5是根据本发明的一种装置结构示意简图。

图中：3、光电探测及转换模块和超高速数字信号处理模块；100、光电探测及转换模块；110、晶体模块；111、bgo晶体；112、lso晶体；120、光电转换；130、放大器；200、超高速数字信号处理模块；210、adc模块；211、放大器；212、adc采样；220、mvt模块；221、比较器；222、tdc采样；230、数据处理模块；231、fpga数据处理；232、打包；233、以太网传输；300、成像模块；310、数据获取；320、数据预处理；330、图像重建模块；331、系统矩阵求解；332、数据重排；333、数据迭代重建；340、显示屏。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1至图5所述：

双材pet成像系统包括光电探测及转换模块100、采样模块、数据处理模块230、图像重建模块330、显示屏340；光电探测及转换模块100与采样模块连接并传递信息给采样模块，采样模块与数据处理模块230连接，采样模块采样后的数据发送给数据处理模块230，数据处理模块230与连接，数据处理模块230把接收的数据提取出特征信息特征并打包232发送给图像重建模块330，显示屏340与图像重建模块330连接并显示出重建后的图像，便于研究人员检查实验效果。

具体的工作原理为：光电探测及转换模块100中的晶体模块110先对辐射信号进行探测并发出闪烁光，闪烁光经过光电转换120后变成电信号，然后再经过放大器130对电信号进行放大处理，最终把辐射光子转换成信号，并进入到超高速数字信号处理模块200；

由光电探测及转换模块100传出的信号进入超高速数字信号处理模块200，首先进入adc模块210中的放大器211、mvt模块220中的比较器221，其中adc模块210中的放大器211对信号做进一步的放大，而mvt模块220中的比较器221用于对信号进行数据比较，进过处理的信号而后分别进行adc采样212(采集数据中能量信息和位置信息)与tdc采样222(采集数据中的时间信息)；经过采样后的数据便需进行数据处理230，首先进行fpga数据处理231，然后经过打包232用以太网传输233到成像模块300；

成像模块300首先进行数据获取310，然后对获取的数据进行数据预处理320，经过预处理后的数据进入到图像重建模块330中，通过系统矩阵求解331、数据重排332、数据迭代重建333这三个步骤就可以重建经过预处理的信息，把图像给重新还原出来，最后把数据传递给显示屏340便可以直观的查看情况。

为了提高双材pet成像系统阻挡光子能力、空间灵敏度高、时间分辨率与能量分辨率，进一步地，晶体模块110包括的两种闪烁晶体为lso晶体112、bgo晶体111，其中bgo晶体111依靠其密度大，阻挡光子能力强，灵敏度高的优点用来阻挡光子，而lso晶体112运用时间分配率好的优点用于调整数据的可靠性，从而使得双材pet成像系统有着阻挡光子能力强、空间灵敏度高、时间分辨率高与能量分辨率高这些优点。

为了便于采集数据的能量信息、位置信息与时间信息，进一步地，采样模块可使用传统单一的adc芯片、单一的高精度tdc芯片或者adc芯片和tdc芯片的相结合，当只需采集数据的能量信息、位置信息时，只需采用单一的高精度adc芯片；当只需采集数据的时间信息时，便可以只采用单一的高精度tdc芯片；当需要采集数据的能量信息、位置信息与时间信息时，便可以结合使用adc芯片和tdc芯片。

为了弥补可编程器件门电路数有限的缺点，进一步地，数据处理模块230使用fpga芯片处理数据，fpga芯片的基本结构包括可编程输入输出单元、可配置逻辑快、数字时钟管理模块、嵌入式块ram、布线资源、内嵌专用硬核、底层内嵌功能单元。由于fpga芯片布线资源丰富，且可重复编程和集成度高，所以能弥补可编程器件门电路数有限的缺点。

为了使数据传输的速度更快，进一步地，数据处理模块230使用千兆以太网芯片进行打包232发送传输数据，这样可以加快数据的传输速度，提高整个系统的工作效率。

双材pet成像方法，包括以下步骤：

步骤1：光电探测及转换模块100中的两种闪烁晶体采集到γ射线发出闪烁光，闪烁光通过光电转换成电信号(闪烁脉冲)，电信号(闪烁脉冲)经放大器130放大后传输到采样模块；

步骤2：采样模块对电信号(闪烁脉冲)进行采集，并把采集到的数据传输给数据处理模块230；

步骤3：数据处理模块230接收到采集的数据后提取出其中的时间、能量、位置信息，并把这些特征信息打包232通过千兆以太网发送给成像模块300；

步骤4：成像模块300接收到打包232文件后把其中的两种晶体数据进行区分；

步骤5：成像模块300区分完成后，把数据进行重排；

步骤6：成像模块300对重排后的数据进行迭代重建运算，直到数据符合要求；

步骤7：成像模块300把重建后的图像发送到显示屏340上。

为了简化系统的工作量提高系统的运行速度，进一步地，采样模块可使用传统单一的adc采样212、单一的高精度tdc采样222或者adc采样212和tdc采样222的相结合，当只需采集数据的能量信息、位置信息时，只需采用单一的高精度adc采样212；当只需采集数据的时间信息时，便可以只采用单一的高精度tdc采样222；当需要采集数据的能量信息、位置信息与时间信息时，便可以结合使用adc采样212和tdc采样222。

为了提高数据处理模块230的工作频率，进一步的，数据处理模块230能使用fpga处理。

为了使便于图像重建模块330对两种晶体能进行分辨，进一步地，图像重建模块330可使用字典学习进行分辨两种晶体能。

本发明提供了一种两种晶体区别方法，具体步骤如下：

步骤1：已知训练样本数据y，字典x1初始化为矩阵中每个元素接近于零的随机矩阵，

步骤2：利用lars算法求解β1，

步骤3：用求解出的β更新字典x2，

步骤4：用测试数据y和更新后的字典x2以及lars算法再次求解β2，

步骤5：计算测试数据y和x2*β2之间的误差，

步骤6：再利用测试数据和求解出的β2更新x3，再利用lars算法求解β3

步骤7：重复步骤6，直到测试样本和xm*βm没有误差.

以上步骤中，

xm＝(x1，x2，...，xn)^t∈r^n*m

以上步骤2中，lars算法就是希望找到一个回归系数使得回归预测

步骤3中，

y＝xβ，

其中，y为训练样本数据，x为字典，β为算法的解。

为了使图像重建330更加便捷，进一步地，图像重建模块330使用的方法为迭代重建算法。本发明提供了一种图像重建330的方法，具体步骤如下：

步骤1：k＝0，初始化f^(k)，f⁽⁰⁾(x，y)采用像素值均相等的灰度图像；

步骤2：将投影数据p(x，y)按照规则分为11个子集[p1，p2，…，p11]；

步骤3：将编码函数h(x，y)按照投影数据相同分组规则分为11个子集{h1，h2，….，h11}；

步骤4：记首次迭代中第一次子迭代的重建图像为f1(1)，则由

其中，f^(k)为第k次图像估计值，p(k+1)(x，y)为第k+1实测投影值，h(x，y)为编码函数，“*”表示卷积运算，代表相关运算；

步骤5：为第二次子迭代的初值，代入上述公式进行计算；

步骤6：重复步骤4，直到每个子集{h1，h2，…..，h11}和{p1，p2，…，p11}都对图像进行了一次更新；

步骤7：将上一轮子迭代结束后得到的重建图像作为初值，重复步骤2到步骤6；

步骤8：根据相关准则判断重建图像是否达到收敛要求，若达到要求，则停止迭代，若没有达到要求，则继续上述迭代。

以上步骤2中，子集也可以分为12个或者更多的数量。

以上步骤3中，编码函数分成的子集个数一定要和投影数据分成的子集个数一样。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。