CN101702232A - 正电子发射成像中呼吸校正技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正电子发射成像中呼吸校正技术，特别是基于三维正电子发射(PET)探测器灵敏度特性的呼吸成像伪影校正技术，它属于核医学成像领域。本发明提出的校正方法能够有效地补偿呼吸导致的图像伪影从而提高医生的正确诊断率。在三维PET成像中，利用扫描探测器几何灵敏度的变化特性，将获取的动态数据进行帧分割，其帧内光子数可以反映器官运动所在的运动相位位置，每个相位帧光子数与其运动的位移存在线性关系，据此就可将每个相位移动到某参考相位点进行校正，最后重建的图像就是经过校正而改善PET成像中由于呼吸而导致的图像伪影。与现有门控和其它校正技术相比，本发明方法不涉及硬件设备，不需要患者及临床做额外的扫描前准备，在实际运用中将更简单、更有效和更可靠。

Description

正电子发射成像中呼吸校正技术

技术领域

本发明涉及一种正电子发射成像中呼吸校正技术，特别是核医学正电子发射PET(Positron Emission Tomography)成像中的呼吸造成的图像模糊校正技术。属核医学工程成像技术领域。

背景技术

核医学PET成像主要利用符合线路探测技术和正电子核素及其标记化合物进行成像，其图像可以从分子水平反映人体正常或疾病时的代谢状态。由于变化在疾病早期阶段就可以出现，因此正电子成像能够进行疾病的早期诊断并为治疗决策提供客观依据。这一技术的应用在肺癌患者早期的诊断和治疗计划方面已发挥着重要的作用。

然而，由于PET成像的特殊性，它扫描采集数据的时间相对于CT(ComputerTomography)成像，一般要很长时间。患者不可能像CT扫描成像那样，在短时间内能够屏住呼吸而获得胸腹部清晰的成像。患者的胸腹部PET成像是在扫描时间段内平均呼吸运动叠加情况下的成像，它的成像结果是模糊有伪影的。另外在图像融合时，CT和PET图像上病灶位置的不匹配以及衰减校正后的活性偏差也是产生图像伪影的原因之一。图像伪影给医生对胸腹部肿瘤的诊断和治疗带来困难，这就需要有性能稳定可靠，空间分辨率高，简单速度快的方法来补偿由于呼吸运动而造成的PET/CT成像模糊。

目前有许多种技术可用于改进呼吸运动的成像，其中一种是呼吸门控的技术。这种技术是将呼吸运动视为类似的呼吸循环组成，每一个呼吸循环可划分为不同的相位，用一定的测量方法记录其中某相位对应的呼吸容量和位置，然后提取呼吸循环中相同相位上所有对应获取的扫描数据进行叠加成像，就能得到改善的图像质量。

门控技术可以分为外部和内部两类方法。外部门控方法使用一个呼吸运动监测系统来跟踪呼吸运动的参数，然后将其运用到重建算法中进行运动的补偿。这样的呼吸运动跟踪系统已经被应用于PET/CT成像的研究中。例如胸腹传感带运动检测系统，肺呼吸容量检测仪和信号激光位置跟踪系统。但是它具有对硬件设备的额外需求以及测量运动参数的校准、归一化和医疗设备的接口等缺点。另外一种内部门控的方法是利用数据驱动的方法，在已获取的数据中利用一些特定的算法对数据进行分析处理以便估算出呼吸运动的参数，再提取相应的数据进行图像重建。例如中心质点算法就是典型的数据驱动方法。然而，它具有算法负责，计算量大等缺点。

目前所有门控技术虽然能够降低呼吸成像的伪影而改善图像质量，但是它最大的缺陷就是经过校正的图像信号信噪比太低。因为经过门控技术校正的图像仅只使用了可用呼吸采集数据的10～15％，大部分75～90％的数据被白白浪费了。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有门控技术在PET扫描成像过程中，由于患者的呼吸会导致图像的模糊伪影，从而影响医生对病情的诊断和治疗的不足，发明一种在三维PET成像中，利用所有PET成像采集100％的数据进行图像恢复校正，大大提高校正图像信号的信噪比的正电子发射成像中呼吸校正技术，它可改善在PET成像中由于呼吸而导致的图像伪影，提高医生的正确诊断率。

本发明正电子发射成像中呼吸校正技术是这样实现的：在三维PET成像过程中，首先利用动态模式获取成像的数据；然后根据不同的时间分辨率将数据划分为一定的数据帧，每一帧看作一个呼吸循环中的一个运动相位；结合扫描器空间灵敏度的特性就可分析观察出每帧中光子数的周期性变化情况；依据所有帧内光子数与运动相位的变化关系，将运动相位帧移动到参考相位帧进行帧位置校正，最后获得校正的图像。

动态扫描数据帧内的光子数会反映出呼吸运动沿扫描探测器轴向变化的位置。

对获取的动态模式数据划分为相同时间间隔的数据帧，其每一帧看作一个呼吸循环中的一个运动相位。

对分割的帧光子进行噪声滤波以凸显呼吸循环的特征。

在已经滤波的帧中，寻找包含最大和最小帧光子数的帧。

根据公式(1)估算出帧光子相对于参考帧移动的位移；

将所有帧光子根据估算出的位移移动到参考点。

将所有移动的帧光子进行叠加变成一个帧；

对叠加的帧进行图像重建。

正电子发射成像中呼吸校正技术具体步骤是：

第一步，用PET的动态数据模式获取两个呼吸循环的扫描成像数据；

第二步，将这两个呼吸循环划分成为16个帧，每个循环包含8个帧；

第三步，计算每个帧内的光子数；

第四步，对帧光子进行噪声滤波以凸显呼吸循环的特征；

第五步，寻找出所有帧光子数中最大的一个；

第六步，估算出所有帧位移中最大的一个；

第七步，根据公式

$D_z\left(i\right)=A*\frac{f_{\max }-f\left(i\right)}{f_{\max }-f_{\min }}(i=\mathrm{1,2,3},......n)$

估算出帧光子移动位移；

第八步，将所有帧光子根据估算出的位移移动到参考点；

第九步，将所有移动的帧光子进行叠加变成一个帧；

第十步，对已叠加的帧进行图像重建，最后获得校正的图像。

本发明基于三维正电子发射(PET)探测器的灵敏度特性，在三维PET成像过程中，首先使用动态模式获取成像的数据。然后根据不同的时间分辨率将数据划分为一定的数据帧，每一帧可以看作一个呼吸循环中的一个运动相位。结合扫描器空间灵敏度的特性就可以分析观察出每帧中光子数的周期性变化情况，获取每一个帧内光子数，这些帧光子数可以反映器官运动所在的运动相位位置；每个相位帧光子数与其运动的位移存在线性关系，据此就可将每个相位移动到某参考相位点，然后进行所有相位帧光子数叠加，最后重建图像就是经过校正的图像。

工作原理：在三维PET成像中，对于获得高质量的图像，扫描探测器几何灵敏度是一个关键因素。它可以被定义为在一定的人体模型中，单位的放射性浓度(每秒光子数/贝克/毫升)可被检测出的光子数。在三维PET成像中，几何灵敏度的变化主要沿轴线方向，如图1示例所示，当接近轴线中心时，灵敏度值达到最大；而靠近轴线边沿时，灵敏度值接近最小。这就意味着由于灵敏度沿轴向的变化，探测器检测到的那些从人体胸腹部器官发射的光子数目，将会随着灵敏度的变化而变化。当器官由于运动到轴向中心点时，探测到的光子数目最多；而当器官运动到轴向扫描器边沿时，探测到的光子数最少。

由此可见，探测到的光子数可以反映器官运动所在的运动相位位置。它们之间存在特殊的线性关系，建立光子数和运动器官位置的方程式如(1)所示，就可以将运动器官校正到某一参考点位置。

$D_z\left(i\right)=A*\frac{f_{\max }-f\left(i\right)}{f_{\max }-f_{\min }}(i=\mathrm{1,2,3},......n)---\left(1\right)$

其中：D_z(i)：沿Z轴方向的移动位移

i：帧序数

A：最大的移动位移

f_max：最大的帧光子数

f_min：最小的帧光子数

f(i)：帧光子数

本发明基于三维正电子发射(PET)探测器灵敏度特性的呼吸校正技术与现有门控技术相比，具有不涉及硬件设备，不需要患者及临床做额外的扫描前准备，在实际运用中将更简单、更有效和更可靠，它能有效地补偿呼吸导致的图像伪影，提高医生的正确诊断率。

附图说明

图1.为本发明PET扫描探测器灵敏度曲线。

图2为本发明门控方法的具体步骤流程示意图。

图3为本发明校正方法，在两个呼吸的循环过程中计算每个帧光子的数目并画出其柱形图，它显示帧内光子的变化率是接近肺容量的变化曲线的。

图4在三维PET扫描仪中，有效帧光子射线移动到参考帧射线位置。两个非参考帧光子LOR_a and LOR_b在经过沿Z轴Δz的位移后，变换到参考帧内的光子位置LOR_a′和LOR_b′。

图5为运用传统门控技术，对运动振幅为5厘米、半径2厘米，长5厘米的圆柱体模用于仿真肿瘤运动变化的人体模进行恢复校正示意图。

图6为运用本发明申请，对运动振幅为5厘米、半径2厘米，长5厘米的圆柱体模用于仿真肿瘤运动变化的人体模进行恢复校正示意图。

在图1中扫描器轴向长度＝180毫米，探测器环直径＝800毫米。可见灵敏度在边缘视野的值是零(在-90毫米或90毫米)，而灵敏度的值在中心视野位置达到最大。

在图3中每个柱状代表一个帧(相位)，柱的高度代表帧的光子数，具有相同纹理的柱状即为帧光子数目相同，根据校正方程式(1)就可以对每一个帧进行校正。图3中显示了8个已被校正的帧。

具体实施方式：

结合图2和图3给出一个本发明在核医学三维正电子发射成像中，利用扫描探测器灵敏度特性进行呼吸校正，实现方法的具体步骤：

第一步，用PET的动态数据模式获取两个呼吸循环的扫描成像数据；

第二步，将这两个呼吸循环划分成如图2所示的16个帧，每个循环包含8个帧；

第三步，计算每个帧内的光子数；

第四步，对帧光子进行噪声滤波以凸显呼吸循环的特征；

第五步，寻找出所有帧光子数中最大的一个；

第六步，估算出所有帧位移中最大的一个；

第七步，根据公式(1)估算出帧光子移动位移；

第八步，将所有帧光子根据估算出的位移移动到参考点；

第九步，将所有移动的帧光子进行叠加变成一个帧；

第十步，对已叠加的帧进行图像重建，最后获得校正的图像。

用实验来评价验证该校正方法。实验采用了运动振幅为5厘米的人体模来仿真呼吸运动。然后用传统门控方法和本申请发明技术校正方法，分别对运动体模进行运动恢复的结果对比。其图像重建结果如图5和图6所示。比较重建图像可以看出，图5(a)和图6(a)是静态图像，也是校正质量的比较标准。可以看出运动的体模在轴向方向(如虚线标记)边沿产生了很严重的模糊如图5(b)和图6(b)，在经过门控校正后的图像5(c)与模糊运动图像相比显示，在边沿区域得到了较明显的恢复校正。但是图像校正结果信噪比较小，存在较大的噪声。而经过本发明校正的图像如图6(c)所示，不但模糊边沿区域得到了较明显的恢复校正，而且信噪比较大提高。这样就有利于对呼吸运动目标的大小、形状和位置进行更有效的判断。

Claims (10)

1.一种正电子发射成像中呼吸校正技术，其特征在于在三维PET成像过程中，首先利用动态模式获取成像的数据；然后根据不同的时间分辨率将数据划分为一定的数据帧，每一帧看作一个呼吸循环中的一个运动相位；结合扫描器空间灵敏度的特性就可分析观察出每帧中光子数的周期性变化情况；依据所有帧内光子数与运动相位的变化关系，将运动相位帧移动到参考相位帧进行帧位置校正，最后获得校正的图像。

2.根据权利要求1所述的正电子发射成像中呼吸校正技术，其特征在于动态扫描数据帧内的光子数会反映出呼吸运动沿扫描探测器轴向变化的位置。

3.根据权利1所述的正电子发射成像中呼吸校正技术，其特征是对获取的动态模式数据划分为相同时间间隔的数据帧，其每一帧看作一个呼吸循环中的一个运动相位。

4.根据权利1所述的正电子发射成像中呼吸校正技术，其特征是对分割的帧光子进行噪声滤波以凸显呼吸循环的特征。

5.根据权利1所述的基于三维正电子发射探测器灵敏度特性的呼吸校正技术，其特征是在已经滤波的帧中，寻找包含最大和最小帧光子数的帧。

6.根据权利1所述的正电子发射成像中呼吸校正技术，其特征是根据公式(1)估算出帧光子相对于参考帧移动的位移。

7.根据权利1所述的正电子发射成像中呼吸校正技术，其特征是将所有帧光子根据估算出的位移移动到参考点。

8.根据权利1所述的正电子发射成像中呼吸校正技术，其特征是将所有移动的帧光子进行叠加变成一个帧。

9.根据权利1所述的正电子发射成像中呼吸校正技术，其特征是对叠加的帧进行图像重建。

10.根据权利1所述的正电子发射成像中呼吸校正技术，其特征在于具体步骤如下：

第一步，用PET的动态数据模式获取两个呼吸循环的扫描成像数据；

第二步，将这两个呼吸循环划分成为16个帧，每个循环包含8个帧；

第三步，计算每个帧内的光子数；

第四步，对帧光子进行噪声滤波以凸显呼吸循环的特征；

第五步，寻找出所有帧光子数中最大的一个；

第六步，估算出所有帧位移中最大的一个；

第七步，根据公式

$D_z\left(i\right)=A*\frac{f_{\max }-f\left(i\right)}{f_{\max }-f_{\min }},(i=\mathrm{1,2,3},......n)$

估算出帧光子移动位移；

第八步，将所有帧光子根据估算出的位移移动到参考点；

第九步，将所有移动的帧光子进行叠加变成一个帧；

第十步，对已叠加的帧进行图像重建，最后获得校正的图像。

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