专利名称：用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法
技术领域：
本发明涉及一种成像的方法，尤其涉及一种用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法。
背景技术：
正电子发射计算机断层成像(PositronEmission Computed Tomography,PET)作为一种核医学成像技术，为重大疾病的诊断、愈后观测及新药物的研发等提供了重要信息，在临床应用和生物医学研究方面具有重要价值。其主要原理是:将标记了正电子核素的药物(示踪剂)注入被检测对象体内，示踪剂上的正电子核素发生衰变时发射出正电子，正电子与体内的电子发生湮灭反应生成两个方向相反、能量为511keV的伽马光子(背靠背伽马光子对)，这两个伽马光子被放置在被检测对象周围的探测器探测到。一次湮灭反应被称为一个事例，如图1、图2a和图2b所示，探测到一个事例的两个伽马光子的晶体条之间的连线称作响应线(Line of Response, L0R)。其中，图1示出了正电子湮灭产生两个伽马光子，分别被作为探测器I的两个晶体条探测。图2a和图2b则示出了背靠背伽马光子对在被检测对象内发生散射过程，实线为光子传播路径，虚线为实际LOR线，背靠背伽马光子对具体包括被注入被检测对象体内标记了正电子核素的药物(示踪剂)中的正电子核素发生衰变发射出正电子与被检测对象体内的电子发生湮灭反应生成的两个方向相反、能量为511keV的伽马光子。另外，图2a示出了单光子单次散射，单光子单次散射事例具体包括背靠背伽马光子对中有且只有一个伽马光子与被检测对象相互作用发生一次康普顿散射后被探测器探测的散射光子事例，即发生单光子单次散射的背靠背伽马光子对。在单光子单次散射事例中，背靠背伽马光子对中未与被检测对象发生相互作用的伽马光子将被探测器直接探测。图2b示出了双光子单次散射，双光子单次散射事例具体包括背靠背伽马光子对中的两个伽马光子分别与被检测对象相互作用发生一次康普顿散射后被探测器探测的散射光子事例，即发生双光子单次散射的背靠背伽马光子对。在探测到大量的这种伽马光子后，经过图像重建即可获得示踪药物在被检测对象体内的分布。由于示踪药物参与生物体内的某个生理或生化过程，因此，利用PET图像可以得到生物体内的生理或生化信息。上述PET成像过程只限于一种理想情况，即两个伽马光子在产生以后未与被检测对象发生使得伽马光子能量或传播方向发生改变的相互作用(例如康普顿散射，但不限于此)，以直线传播的方式到达PET探测器被探测器探测到，这种事例被称为非散射光子事例(即好事例)。由于好事例中事例发生的位置在LOR上，因此，由好事例重建出的图像可以真实反映核素(示踪药物)的分布。然而，实际情况中，PET探测到的事例只有一部分是好事例，当一个事例的两个伽马光子在被检测对象内传播时，其中的一个或者两个伽马光子有可能与其中某个原子的核外电子发生碰撞，产生康普顿散射，光子能量和传播方向发生改变，这些发生过散射的事例称为散射光子事例，如前面所详述，散射光子事例具体包括双光子单次散射事例和单光子单次散射事例。由于散射光子事例的LOR线已经偏离了正电子湮灭所在的位置(如图2a、图2b)，如果不予以剔除而将其用于图像重建，势必会造成PET图像不能真实反映示踪剂的分布，给后续的定量计算和临床诊断工作带来较大误差。因此，在传统PET中都是利用散射校正算法将散射光子事例剔除。事实上，当建立合理的散射光子事例投影模型时，散射光子事例也可以用于图像重建获得放射性核素分布图像。由于散射光子事例在PET探测器全部探测到的事例中占了很大比例，同时利用散射光子事例和非散射光子事例进行图像重建，将提高PET的探测效率。在临床应用中，这将大幅度降低被检测对象及操作者所受的辐射剂量；在相同药物剂量下，这将缩短病人检查时间，提高PET的使用效率。此外，PET探测器I有如图3a所示的环状结构(或闭合的多边形结构)和如图3b所示的双平板结构两种。与图3a所示的环形PET探测器I相比，图3b所示的双平板PET探测器I成本较低、安装维护简单，并且可具备更大的探测视野，有较好的应用和普及前景。但是，对于静态双平板PET探测器，发射轨迹与两平板没有交点或只有一个交点的LOR是无法被探测到的，如图4所示，在静态双平板PET探测器I中，利用散射光子事例解决数据采样不完备问题，虚线为非散射光子事例传播路径(探测器I无法获得沿该方向发射的事例)，实线为散射光子事例可能的传播路径(探测器可以获得沿该方向发射的事例)。由于存在数据采样不完备问题，图像重建的质量不高，这限制了静态双平板PET探测器I的广泛应用。鉴于此，业界开发了带有旋转机构的平板PET探测器，其虽然可以解决上述采样不完备问题。但是，与环形PET和静态双平板PET相比，其存在明显的缺点。首先，旋转机构的加入让系统变得更加复杂，探测器中心和旋转中心的偏移，会造成重建时几何定位的偏差，从而严重影响图像质量；其次，旋转采集的方式需要在不同的位置获取被测物信息，扫描时间大大增加，降低了 PET探测器的使用效率。事实上，沿着上述发射轨迹与两平板没有交点或只有一个交点的LOR发射的事例如在传播过程中发生散射，成为散射光子事例，是能够被静态双平板PET的探测器所探测的(如图4)，因此当利用这些散射光子事例进行重建时，将解决静态双平板PET图像重建中数据采样不完备问题。综上，如果将散射光子事例结合非散射光子事例用于PET成像，将会能够提高PET探测器的探测效率，从而在临床应用中，大幅度降低被检测对象及操作者所受的辐射剂量；在相同药物剂量下，缩短病人检查时间，提高PET的使用效率。同时有利于解决平板结构PET探测器数据采样不完备问题，简化PET探测器结构、降低PET探测器制造和维护成本。申请号为CN201080030171.9的中国专利申请公开一种“利用基于飞行时间信息逐个事件生成的图像内容的飞行时间正电子发射断层摄影重建”技术方案，但是该现有技术只限于具有飞行时间(time of flight，T0F)测量技术的PET探测器上使用，其需要利用TOF技术测量得到背靠背伽马光子对中两个伽马光子被探测器探测到的时间差，且只适用于背靠背伽马光子对中有且只有一个伽马光子发生康普顿散射的散射光子事例(单光子单次散射事例)，因此具有较大的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，以解决现有技术存在的具有较大局限性的问题。为了解决上述问题，本发明提供一种用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其包括以下步骤:步骤一:根据康普顿散射的散射光子事例投影工作原理，创建由指定模型参数描述的散射光子事例投影概率模型，其中，所述散射光子事例包括双光子单次散射事例和单光子单次散射事例，所述双光子单次散射事例为背靠背伽马光子对中的两个伽马光子分别与被检测对象相互作用发生一次康普顿散射后被探测器探测的散射光子事例，所述单光子单次散射事例为背靠背伽马光子对中有且只有一个伽马光子与被检测对象相互作用发生一次康普顿散射后被探测器探测的散射光子事例，在所述单光子单次散射事例中，背靠背伽马光子对中未与被检测对象发生相互作用的伽马光子将被探测器直接探测，所述背靠背伽马光子对为被注入被检测对象体内标记了正电子核素的示踪剂中的正电子核素发生衰变发射出正电子与被检测对象体内的电子发生湮灭反应生成的两个方向相反、能量为511keV的伽马光子，所述指定模型参数由基本物理量和被检测对象的物质组成相关的物理量创建，被检测对象的物质组成相关的物理量包括通过创建被检测对象的物质组成后可参照现有的基本物理量获取方式创建的基本物理量；步骤二:根据所述散射光子事例投影概率模型，创建散射光子事例点扩展函数；所述散射光子事例点扩展函数包括双光子单次散射事例点扩展函数和单光子单次散射事例点扩展函数，所述双光子单次散射事例点扩展函数为探测器探测视野内指定一点发射的所述背靠背伽马光子对与被检测对象发生双光子单次散射最后被探测器探测的概率，所述单光子单次散射事例点扩展函数为探测器探测视野内指定一点发射的背靠背伽马光子对与被检测对象发生单光子单次散射最后被探测器探测的概率；步骤三:根据散射光子事例投影模型和散射光子事例点扩展函数，创建非散射光子事例点扩展函数，其中，所述非散射事例为所述背靠背伽马光子对中的两个伽马光子在产生以后未与被检测对象发生使得伽马光子能量或传播方向发生改变的相互作用而以直线传播的方式到达探测器最后被探测器探测的光子事例，所述非散射光子事例点扩展函数为探测器探测视野内指定一点发射的背靠背伽马光子对中的两个伽马光子在产生以后未与被检测对象发生使得伽马光子能量或传播方向发生改变的相互作用而以直线传播的方式到达探测器最后被探测器探测的概率；步骤四:利用统计迭代重建算法，根据散射光子事例点扩展函数和非散射光子事例点扩展函数，由散射光子事例和非散射光子事例重建正电子发射计算机断层成像图像。由上可知，本发明克服了现有技术存在的局限性缺陷，不需要像TOF技术那样测量得到背靠背伽马光子对中两个伽马光子被探测器探测到的时间差，将双光子单次散射事例和单光子单次散射事例结合非散射光子事例用于PET图像重建，能够提高PET的探测效率。在临床应用中，大幅度降低被检测对象及操作者所受的辐射剂量；在相同药物剂量下，缩短病人检查时间，提高PET的使用效率。同时有利于解决平板结构PET探测器数据采样不完备问题，简化PET探测器结构、降低PET探测器制造和维护成本。
图1为一个事例的两个伽马光子在晶体条之间的响应线的示意图；图2a为单光子单次散射的示意图；图2b为双光子单次散射的示意图；图3a为环形PET探测器结构示意图；图3b为平板PET探测器结构示意图4为静态双平板PET探测器利用散射光子事例解决数据采样不完备问题的示意图；图5为根据本发明的用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法的流程示意图；图6为本发明的计算模块的示意图；图7为散射光子事例投影示意图；图8为散射光子事例点扩展函数示意图；图9为实施例装置的示意图。其中，附图标记说明如下:I探测器S1、S2、S3、S4 步骤21散射光子事例投影模型创建模块22散射光子事例点扩展函数创建模块23非散射光子事例点扩展函数创建模块24重建PET图像模块31探测器32电子学模块33计算模块34 仿体35放射源
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细说明。图5示出了根据本发明的用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法的流程图，如图所示，其包括四个步骤S1-S4且依序说明如下。步骤S1:根据康普顿散射的散射光子事例投影工作原理，创建由指定模型参数描述的散射光子事例投影概率模型。在该步骤SI中，散射光子事例包括双光子单次散射事例和单光子单次散射事例。双光子单次散射事例为背靠背伽马光子对中的两个伽马光子分别与被检测对象相互作用发生一次康普顿散射后被探测器探测的散射光子事例，即发生双光子单次散射的背靠背伽马光子对。单光子单次散射事例为背靠背伽马光子对中有且只有一个伽马光子与被检测对象相互作用发生一次康普顿散射后被探测器探测的散射光子事例，即发生单光子单次散射的背靠背伽马光子对；在单光子单次散射事例中，背靠背伽马光子对中未与被检测对象发生相互作用的伽马光子将被探测器直接探测。所述背靠背伽马光子对为被注入被检测对象体内标记了正电子核素的示踪剂中的正电子核素发生衰变发射出正电子与被检测对象体内的电子发生湮灭反应生成的两个方向相反、能量为51 IkeV的伽马光子。指定模型参数由基本物理量和被检测对象的物质组成相关的物理量创建。基本物理量可参照现有的基本物理量(例如后面的公式I)获取方式创建，具体可通过公开的研究资料和基本物理量数据库等现有的基本物理量获取方式创建。被检测对象的物质组成相关的物理量包括通过创建被检测对象的物质组成后可参照现有的基本物理量获取方式创建
的物理量。创建被检测对象的物质组成具体包括:使用测量方法来创建被检测对象的物质组成，具体通过使用计算机断层成像(Computer Tomography, CT)、磁共振成像(MagneticResonance Imaging, MRI)等现有的具有创建被检测对象三维结构图像功能的方式创建被检测对象三维结构图像，从而创建被检测对象的物质组成；或，使用非测量方法创建被检测对象的物质组成，具体通过被检测对象的物质组成的先验知识计算来创建被检测对象的物质组成。该步骤SI可以由计算机根据康普顿散射的散射光子事例投影工作原理，创建由指定模型参数描述的散射光子事例投影概率模型，如下:为突出关键物理规律同时避免冗繁计算，散射光子事例投影概率模型对三维空间进行了抽象，在空间中任意切面形成的二维平面上建立数学描述，当然不限于此，也可以直接在三维空间中建立三维数学描述。公式I描述了初始能量为Etl的光子与被检测对象发生康普顿散射后，其剩余能量Εω与散射角度ω关系。
权利要求
1.一种用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一(SI):根据康普顿散射的散射光子事例投影工作原理，创建由指定模型参数描述的散射光子事例投影概率模型； 其中: 所述散射光子事例包括双光子单次散射事例和单光子单次散射事例； 所述双光子单次散射事例为背靠背伽马光子对中的两个伽马光子分别与被检测对象相互作用发生一次康普顿散射后被探测器探测的散射光子事例； 所述单光子单次散射事例为背靠背伽马光子对中有且只有一个伽马光子与被检测对象相互作用发生一次康普顿散射后被探测器探测的散射光子事例，在所述单光子单次散射事例中，背靠背伽马光子对中未与被检测对象发生相互作用的伽马光子将被探测器直接探测； 所述背靠背伽马光子对为被注入被检测对象体内标记了正电子核素的示踪剂中的正电子核素发生衰变发射出正电子与被检测对象体内的电子发生湮灭反应生成的两个方向相反、能量为51 IkeV的伽马光子； 所述指定模型参数由基本物理量和被检测对象的物质组成相关的物理量创建，被检测对象的物质组成相关的物 理量包括通过创建被检测对象的物质组成后可参照现有的基本物理量获取方式创建的物理量； 步骤二(S2):根据所述散射光子事例投影概率模型，创建散射光子事例点扩展函数； 其中: 所述散射光子事例点扩展函数包括双光子单次散射事例点扩展函数和单光子单次散射事例点扩展函数； 所述双光子单次散射事例点扩展函数为探测器探测视野内指定一点发射的所述背靠背伽马光子对与被检测对象发生双光子单次散射最后被探测器探测的概率； 所述单光子单次散射事例点扩展函数为探测器探测视野内指定一点发射的背靠背伽马光子对与被检测对象发生单光子单次散射最后被探测器探测的概率； 步骤三(S3):根据散射光子事例投影模型和散射光子事例点扩展函数，创建非散射光子事例点扩展函数； 其中: 所述非散射事例为所述背靠背伽马光子对中的两个伽马光子在产生以后未与被检测对象发生使得伽马光子能量或传播方向发生改变的相互作用而以直线传播的方式到达探测器最后被探测器探测的光子事例； 所述非散射光子事例点扩展函数为探测器探测视野内指定一点发射的背靠背伽马光子对中的两个伽马光子在产生以后未与被检测对象发生使得伽马光子能量或传播方向发生改变的相互作用而以直线传播的方式到达探测器最后被探测器探测的概率； 步骤四(S4):利用统计迭代重建算法，根据散射光子事例点扩展函数和非散射光子事例点扩展函数，由散射光子事例和非散射光子事例重建正电子发射计算机断层成像图像。
2.根据权利要求1所述的用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其特征在于，在步骤一中，散射光子事例投影概率模型为克莱因-仁科(Klein-Nishina)通量微分。
3.根据权利要求2所述的用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其特征在于， 克莱因-仁科(Klein -Nishina)通量微分包括双光子单次散射克莱因-仁科(Klein -Nishina)通量微分和单光子单次散射克莱因-仁科(Klein - Nishina)通量微分，且单光子单次散射克莱因-仁科(Klein-Nishina)通量微分是双光子单次散射克莱因-仁科(Klein - Nishina)通量微分的特例。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，双光子单次散射克莱因-仁科(Klein-Nishina)通量微分和单光子单次散射克莱因-仁科(Klein - Nishina)通量微分为二维平面微分。
5.根据权利要求4所述的用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其特征在于，双光子单次散射克莱因-仁科(Klein-Nishina)通量的二维平面微分的获得过程为: 利用下述公式I描述初始能量为Etl的光子与被检测对象发生康普顿散射后，其剩余能量Eω与散射角度ω关系；
6.根据权利要求5所述的用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其特征在于，所述积分为轨迹积分。
7.根据权利要求3所述的用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其特征在于，在步骤三中，非散射光子事例是散射光子事例的特例。
8.根据权利要求1所述的用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述统计迭代重建算法为最大似然期望最大统计迭代重建算法。
9.根据权利要求1所述的用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其特征在于，所述探测器为环状探测器、静态双平板探测器、或动态双平板探测器。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其特征在于，探测器接收到达的所述伽马光子事例，并通过与探测器连接的一电子学模块来以获取伽马事例的包括能量、位置、散射角度、数量在内的信息，这些信息被电子学模块传输到一计算模块中，计算模块计算依据所述散射光子事例点扩展函数和非散射光子事例点扩展函数、进行统计迭代重建算法，重建正电子发射计算机断层成像图像。
全文摘要
本发明提供一种用于重建正电子发射计算机断层成像图像的方法，其包括根据康普顿散射的散射光子事例投影工作原理，创建由指定模型参数描述的散射光子事例投影概率模型；根据所述散射光子事例投影概率模型，创建散射光子事例点扩展函数；根据散射光子事例投影模型和散射光子事例点扩展函数，创建非散射光子事例点扩展函数；利用统计迭代重建算法，根据散射光子事例点扩展函数和非散射光子事例点扩展函数，由散射光子事例和非散射光子事例重建PET图像。本发明能够提高探测效率，在临床应用中大幅度降低被检测对象及操作者所受的辐射剂量、缩短检查时间、提高使用效率、完备数据采样、简化探测器结构、降低探测器成本。
文档编号G06T11/00GK103164863SQ201310112379
公开日2013年6月19日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者贠明凯, 王璐, 曹学香, 张玉包, 孙翠丽, 刘双全, 高娟, 武丽伟, 周小林, 王海鹏, 樊馨, 李道武, 章志明, 单保慈, 魏龙 申请人:中国科学院高能物理研究所