CN103914860B - 晶体条位置查找表生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于局部极值重定位PET探测器的晶体条位置查找表生成方法及装置。本发明首先通过对探测到的光子事件位置进行统计，获取其二维位置谱；然后以晶体单元阵列在实际空间的排布规律为约束，通过对位置谱的投影数据进行寻峰操作，获取晶体条中心位置的快速估计；最后，根据中心位置的估计值从位置谱中取出有效数据片段进行局部峰值重定位，得到晶体条中心的准确位置，并据此完成边界划分，晶体位置查找表生成。本发明还公开了一种PET探测器晶体位置快速辨识装置，包括位置统计与预处理模块、晶体中心位置计算模块和查找表写回模块。本发明能够快速、有效地完成晶体位置查找表的在线生成，为后续处理提供准确可靠的晶体单元位置信息。

Description

晶体条位置查找表生成方法及装置

技术领域

本发明涉及辐射探测领域，尤其涉及正电子发射断层成像系统的一种晶体条位置查找表生成方法及装置。

背景技术

正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography，全文均简称为PET）是一种非侵入式的造影方法。目前主流的PET探测器通常采用闪烁晶体条阵列耦合光电转换器件的设计方式。这种设计结构的探测器，首先是将晶体切割成小的晶体条，再由晶体条组成晶体阵列，构成一个模块，之后再与光电转换器件耦合。当γ光子入射到某个闪烁晶体条时，它们相互作用发生能量沉积并产生可见光信号，光电倍增管接收这些光信号并将其转换为相应的电信号输出，利用该电信号，可以计算出γ光子入射位置坐标（X，Y）；最后可以根据该位置信息定位γ光子事件发生能量沉积所在晶体条单元的位置信息，用于确定湮灭事件响应线（Line of Response，全文均简称LOR）的位置。晶体条单元的位置信息获取的精确度，不仅会影响LOR的确定，而且其还会影响到PET系统能量性能和时间性能的精确获取，因此入射事件晶体条位置信息的准确获取会直接影响PET系统数据获取的准确性和重建图像的质量。

理想情况下，位置坐标和晶体条之间的对应关系为线性关系，也就是说，只要知道位置信息（X，Y）的动态范围，就可以根据晶体条的实际大小，在范围内按比例分割。然而实际应用中，由于探测器对探测到的γ光子事件的输出会受到探测器空间响应非线性、晶体条制作工艺不完全一致性、物理特性存在一定的差异，导致计算出来的γ光子事件位置坐标（X,Y）和实际的晶体条之间的关系是非线性的。因此，我们需要建立晶体位置查找表，得到位置坐标（X,Y）与实际晶体条之间的准确对应关系。

目前现有技术中已经有多种方法被发展出来用于晶体位置查找表的建立，如文献一采用的分水岭方法[1]，文献二采用的基于傅里叶方法的分割方法[2]，文献三采用的基于数据聚类的分割算法[3]，文献四采用的基于混合高斯统计模型的分割方法[4]。这些方法都是对统计大量γ光子事件位置坐标（X,Y）所生成的二维散点图，即位置谱进行直接处理，算法复杂度很高，只能在上位机基于软件实现离线处理。然而目前一台完整的PET系统通常有十万数量级晶体条需要处理，采用离线处理方式，需要经历数据的采集，处理，返回这样一系列的过程，不仅使得整个生成工作费时费力，还增加了系统设计的复杂程度。并且随着新型的快速适应性PET结构的提出，需要PET系统能完成快速校正以适应不同环境的应用。入射事件晶体条位置信息获取是整个PET系统参数校正的基础，采用传统的慢速晶体查找表生成方法，将会直接制约后续校正的快速性。

文献五[5]虽然实现了晶体位置查找表的在线生成，但是由于其采用的神经网络实现方法，需要消耗较长时间才能获取相对准确的晶体位置查找表。并且，在含有较多噪声情况下，会影响该方法的处理结果。此外，工程实现的高复杂度，高资源消耗也是该方法存在的缺陷。

[1]Zhihao Hu,Chien-Min Kao,Wei Liu,Yun Dong,Zhi Zhang,QingguoXie,Chin-Tu Chen,Semi-Automatic Position Calibration for a Dual-Head SmallAnimal,IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record,N24-366,2007。

[2]Abhijit J Chaudhari,Anand A Joshi,Spencer L Bowen,Richard MLeahy,Simon R Cherry,Ramsey D Badawi,Crystal identification in positronemissiontomography using nonrigid registration to a Fourier-based template,Phys.Med.Biol.53(2008)5011–5027,2008。

[3]Xiaowen Kang,Xishan Sun,Shi Wang,Yaqiang Liu,Yan Xia,RongZhou,Zhaoxia Wu,Yongjie Jin,Ａ Fast Accuracy Crystal Identification MethodBased onFuzzy C-Means(FCM)Clustering Algorithm for MicroPET BMEIInternationalConference on Volume :1Page(s):779-782,2008。

[4]Kelly A.Stonger and Michael T.Johnso,Optimal Calibration ofPETCrystal Position Maps Using Gaussian Mixture Models,IEEE TRANSACTIONSONNUCLEAR SCIENC E,VOL.51,NO.1,FEBRUARY,2004。

[5]Dongming Hu,Blake E.Atkins,A Neural Network Based AlgorithmforBuilding Crystal Look-up Table of PET Block Detector,IEEE NuclearScienceSymposium Conference Record Volume:4Page(s):2458–2461,2006。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种低复杂度，高效率的晶体条位置查找表生成方法及装置，以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种局部极值重定位的晶体条位置查找表生成方法及装置，该晶体条位置查找表生成方法算法复杂度低，通过该晶体条位置查找表生成方法及装置能够实现晶体位置查找表的在线生成。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种晶体条位置查找表生成方法，其包括如下步骤：

（1）对入射光子事件位置进行二维分布统计，获取光子事件的二维位置谱；

（2）对获取的二维位置谱进行水平和垂直两个方向的投影，得到一维投影数据；

（3）对投影数据进行平滑滤波，滤波后数据，以对应方向上晶体条数目为参考，进行一维寻峰操作；

（4）以两个投影方向寻峰获取的全部峰值位置为起点画垂直于对应方向的直线，将直线的交点做为各个晶体条中心位置的初步估计值；

（5）用步骤（4）中得到的晶体条中心位置的初步估计值，从位置谱中提取有效图像切片，对切片数据进行局部峰值定位，以局部峰值位置作为对应晶体条中心位置的准确定位；

（6）根据确定的晶体条中心位置划分各个晶体条的边界，并根据边界完成晶体条区域的划分填充，将填充数据写回图像存储中，完成晶体查找表生成。

优选的，在上述晶体条位置查找表生成方法中，所述步骤（3）中平滑滤波是通过数字信号处理的方法，减少统计涨落对投影数据的影响，所述平滑滤波的方法包括高斯滤波、均值滤波、多项式滤波，具体选择由实际获取位置谱噪声情况决定。

优选的，在上述晶体条位置查找表生成方法中，所述步骤（3）中的一维寻峰方法包括微商寻峰法、相临道址寻峰法、B样条插值法。

优选的，在上述晶体条位置查找表生成方法中，所述步骤（5）利用晶体条中心位置初步估计值对中提取出有效图像切片，减少运算复杂度，其步骤包括为:以初步估计值为中心，大小为N1×N2的矩形窗范围内所包含像素点，作为有效图像切片；其中N1，N2的大小由位置谱动态范围与晶体条数目决定。

优选的，在上述晶体条位置查找表生成方法中，所述步骤（5）中对切片数据进行局部峰值定位的具体方法为求取有效图像切片的重心。

优选的，在上述晶体条位置查找表生成方法中，所述步骤（5）利用晶体条在物理空间中的线性排布规则为约束，获取晶体条中心位置的近似估计。

优选的，在上述晶体条位置查找表生成方法中，所述步骤（6）中根据确定的晶体条中心位置划分各个晶体条的边界的具体步骤为：

（11）依次选取某一晶体条，分别计算该晶体条中心与其上下左右四个相邻晶体条中心的中点，作为边界点；

（12）按顺序连接所有边界点，完成边界划分。

一种晶体条位置查找表生成系统，其包括：位置统计与预处理模块、晶体中心位置计算模块及查找表写回模块，

所述位置统计与预处理模块用于完成位置谱的统计与投影数据的生成；

所述晶体中心位置计算模块用于晶体条中心位置的计算；

所述查找表写回模块用于完成晶体条边界的划分和晶体条编号的填充。

优选的，在上述晶体条位置查找表生成装置中，所述位置统计与预处理模块包括位置谱生成模块、投影数据生成模块，

所述位置谱生成模块用于对入射光子事件进行位置统计，生成二维位置谱；

所述投影数据生成模块用于生成位置谱在水平方向和垂直方向的投影。

优选的，在上述晶体条位置查找表生成装置中，所述晶体中心位置计算模块包括局部峰值定位模块、晶体位置估计模块、晶体位置重定位模块，

所述局部峰值定位模块用于对投影数据进行一维寻峰操作；

所述晶体位置估计模块用于根据寻峰结果，获取晶体条中心位置的快速估计；

所述晶体位置重定位模块用于从位置谱中提取有效图像切片，获取晶体条中心的准确位置。

优选的，在上述晶体条位置查找表生成装置中，所述查找表写回模块包括边界生成模块，扫描线填充模块，

所述边界生成模块用于根据晶体条中心位置，生成各个晶体条的划分边界；

所述扫描线填充模块用于根据划分好的边界，将对应的晶体条编号写回其所属区域内。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例的晶体条位置查找表生成方法及装置通过一维预处理，有效减少了运算复杂程度，并且充分考虑硬件数据获取系统特性，算法简单，能够快速实现晶体位置查找表的在线生成，为后续处理提供准确可靠的晶体单元位置信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明晶体条位置查找表生成方法的数据处理流程图；

图2为本发明晶体条位置查找表生成方法中统计获取的原始位置谱的示意图；

图3为本发明晶体条位置查找表生成方法中垂直方向投影及局部峰值定位图；

图4为本发明晶体条位置查找表生成方法中水平方向投影及局部峰值定位图；

图5为本发明晶体条位置查找表生成方法中初始晶体位置估计图；

图6为本发明晶体条位置查找表生成方法中分割结果示意图；

图7为本发明晶体条位置查找表生成装置的框图；

图8为本发明晶体条位置查找表生成装置的具体结构框图；

图9为本发明晶体条位置查找表生成装置的实现结构图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于局部极值重定位PET探测器的晶体条位置查找表生成方法及装置，该晶体条位置查找表生成方法算法复杂度低，通过该晶体条位置查找表生成方法及装置能够实现晶体位置查找表的在线生成。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的晶体条位置查找表生成方法包括以下步骤：

（1）对入射光子事件位置进行二维分布统计，获取光子事件的二维位置谱；统计所需事件数目由具体探测器和射源活度决定。

（2）对获取的二维位置谱进行水平和垂直两个方向的投影，得到一维投影数据；

（3）对投影数据进行平滑滤波，滤波后数据，以对应方向上晶体条数目为参考，进行一维寻峰操作；

其中，滤波方法的选取，一维寻峰算法的选取由具体获得的位置谱情况决定。

其中，平滑滤波是通过数字信号处理的方法，减少统计涨落对投影数据的影响，所述平滑滤波的方法包括高斯滤波、均值滤波、多项式滤波，具体选择由实际获取位置谱噪声情况决定。

其中，一维寻峰方法包括微商寻峰法、相临道址寻峰法、B样条插值法。

（4）以两个投影方向寻峰获取的全部峰值位置为起点画垂直于对应方向的直线，将直线的交点做为各个晶体条中心位置的初步估计值；

（5）用步骤（4）中得到的晶体条中心位置初步估计值，从位置谱中提取有效图像切片，对切片数据进行局部峰值定位，以局部峰值位置作为对应晶体条中心位置的准确定位；

其中，利用晶体条中心位置初步估计值对中提取出有效图像切片，减少运算复杂度，其步骤包括为:以初步估计值为中心，大小为N1*N2的矩形窗范围内所包含像素点的数据，作为有效图像切片；其中N1，N2的大小由位置谱动态范围与晶体条数目决定。

N1=位置谱水平方向动态范围/(2×列晶体数目)+1；

N2=位置谱垂直方向动态范围/(2×行晶体数目)+1；

其中，对切片数据进行局部峰值定位的具体方法为求取有效图像切片的重心。

其中，利用晶体条在物理空间中的线性排布规则为约束，获取晶体条中心位置的近似估计。

（6）根据确定的晶体中心位置划分各个晶体条的边界，并根据边界完成晶体条区域的划分填充，将填充数据写回图像存储中，完成晶体查找表生成。

其中，根据确定的晶体条中心位置划分各个晶体条的边界的具体步骤为：

（11）依次选取某一晶体条，分别计算该晶体条中心与其上下左右四个相邻晶体条中心的中点，作为边界点；

（12）按顺序连接所有边界点，完成边界划分。

在具体实现中，本方法可以通过FPGA芯片来进行实现，如图9所示，图9为本方法实现的硬件结构图。该方法中，FPGA芯片首先通过对探测到的入射光子事件的位置进行统计，快速获取二维位置谱及水平和垂直两个方向的投影数据。

初始位置估计模块根据两个方向的投影数据对晶体条中心位置进行估计。峰值重定位模块根据估计位置从位置谱RAM中读出有效图像切片，通过重心计算得到准确晶体条中心位置。晶体编号写回模块完成晶体条边界的生成以及最后查找表生成。

下面通过一个具体的实施例对本发明进行阐述：

本发明提出的基于局部极值重定位的PET探测器的晶体条位置查找表生成方法及装置涉及到若干参数和方法，这些参数和方法需针对具体处理数据进行调节以达到良好的性能。此处列出本应用实例处理数据的参数和方法：

步骤（1.1）：使用13×13的LYSO阵列晶体和Hammatsu R8900PSPMT耦合组成的PET探测器进行数据采集，统计探测器探测到的入射光子事件位置分布，位置谱图如图2所示，入射光子事件总数目为501240。

步骤（1.2）：对位置谱进行水平和垂直两个方向投影，对投影数据采用多项式平滑滤波，对滤波后数据采用微商寻峰法和相临道址寻峰法进行联合寻峰，结果如图3及图4所示。

步骤（1.3）：将水平垂直两个方向的峰值坐标组合作为晶体条中心位置估计点，对应到物理上的晶体条数，共13×13=169个估计点。

步骤（1.4）：按行列顺序依次读出169个局部峰值估计点，矩形窗大小为9×9，其中N1=201/(2×13)+1，N2=199/(2×13)+1。以位置谱为中心，从位置谱中读出如图5所示的9×9局部图像切片进行局部峰值重定位，局部峰值重定位方法为计算有效图像切片的重心。

步骤（1.6）根据确定的晶体中心位置划分各个晶体条的边界，并根据边界完成晶体条区域的划分填充，将填充数据写回图像存储中，完成晶体查找表生成，具体如图6所示。

如图7及图8所示，本发明公开的晶体条位置查找表生成装置，其包括：位置统计与预处理模块100、晶体中心位置计算模块200及查找表写回模块300，其中，

位置统计与预处理模块100用于完成位置谱的统计与投影数据的生成；

晶体中心位置计算模块200用于晶体条中心位置的计算；

所述查找表写回模块300用于完成晶体条边界的划分和晶体条编号的填充。

位置统计与预处理模块100包括位置谱生成模块110、投影数据生成模块120，其中，

位置谱生成模块110用于对入射光子事件进行位置统计，生成二维位置谱；

投影数据生成模块120用于生成位置谱在水平方向和垂直方向的投影。

晶体中心位置计算模块200包括局部峰值定位模块210、晶体位置估计模块220、晶体位置重定位模块230，

局部峰值定位模块210用于对投影数据进行一维寻峰操作；

晶体位置估计模块220用于根据寻峰结果，获取晶体条中心位置的快速估计；

晶体位置重定位模块230用于从位置谱中提取有效图像切片，获取晶体条中心的准确位置。

查找表写回模块300包括边界生成模块310，扫描线填充模块320，其中，

边界生成模块310用于根据晶体条中心位置，生成各个晶体条的划分边界；

扫描线填充模块320用于根据划分好的边界，将对应的晶体条编号写回其所属区域内。

本发明实施例的晶体条位置查找表生成方法通过一维预处理，有效减少了运算复杂程度，并且充分考虑硬件数据获取系统特性，算法简单，能够实现晶体位置查找表的在线生成。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种晶体条位置查找表生成方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)对入射光子事件位置进行二维分布统计，获取光子事件的二维位置谱；

(2)对获取的二维位置谱进行水平和垂直两个方向的投影，得到一维投影数据；

(3)对投影数据进行平滑滤波，滤波后数据，以对应方向上晶体条数目为参考，进行一维寻峰操作；

(4)以两个投影方向寻峰获取的全部峰值位置为起点画垂直于对应方向的直线，将直线的交点做为各个晶体条中心位置的初步估计值；

(5)用步骤(4)中得到的晶体条中心位置的初步估计值，从位置谱中提取有效图像切片，对切片数据进行局部峰值定位，以局部峰值位置作为对应晶体条中心位置的准确定位；

(6)根据确定的晶体条中心位置划分各个晶体条的边界，并根据边界完成晶体条区域的划分填充，将填充数据写回图像存储中，完成晶体查找表生成。

2.根据权利要求1所述的晶体条位置查找表生成方法，其特征在于：所述步骤(3)中平滑滤波是通过数字信号处理的方法，减少统计涨落对投影数据的影响，所述平滑滤波的方法包括高斯滤波、均值滤波、多项式滤波，具体选择由实际获取位置谱噪声情况决定。

3.根据权利要求1所述晶体条位置查找表生成方法，其特征在于：所述步骤(3)中的一维寻峰方法包括微商寻峰法、相临道址寻峰法、B样条插值法。

4.根据权利要求1所述的晶体条位置查找表生成方法，其特征在于：所述步骤(5)利用晶体条中心位置初步估计值对中提取出有效图像切片，减少运算复杂度，其步骤包括为:以初步估计值为中心，大小为N1×N2的矩形窗范围内所包含像素点，作为有效图像切片；其中N1，N2的大小由位置谱动态范围与晶体条数目决定。

5.根据权利要求1所述的晶体条位置查找表生成方法，其特征在于：所述步骤(5)中对切片数据进行局部峰值定位的具体方法为求取有效图像切片的重心。

6.根据权利要求1所述的晶体条位置查找表生成方法，其特征在于：所述步骤(5)利用晶体条在物理空间中的线性排布规则为约束，获取晶体条中心位置的近似估计。

7.根据权利要求1所述的晶体条位置查找表生成方法，其特征在于：所述步骤(6)中根据确定的晶体条中心位置划分各个晶体条的边界的具体步骤为：

(11)依次选取某一晶体条，分别计算该晶体条中心与其上下左右四个相邻晶体条中心的中点，作为边界点；

(12)按顺序连接所有边界点，完成边界划分。

8.一种晶体条位置查找表生成装置，其特征在于：包括：位置统计与预处理模块、晶体中心位置计算模块及查找表写回模块，

所述位置统计与预处理模块用于完成位置谱的统计与投影数据的生成；所述位置统计与预处理模块包括位置谱生成模块、投影数据生成模块，所述位置谱生成模块用于对入射光子事件进行位置统计，生成二维位置谱；所述投影数据生成模块用于生成所述二维位置谱在水平方向和垂直方向的投影以得到一维投影数据；

所述晶体中心位置计算模块用于晶体条中心位置的计算；所述晶体中心位置计算模块包括局部峰值定位模块、晶体位置估计模块、晶体位置重定位模块，所述局部峰值定位模块用于对所述一维投影数据进行一维寻峰操作；所述晶体位置估计模块用于根据寻峰结果，通过两个投影方向寻峰获取的全部峰值位置为起点画垂直于对应方向的直线获取晶体条中心位置的快速估计；所述晶体位置重定位模块用于从位置谱中提取有效图像切片，获取晶体条中心的准确位置；

所述查找表写回模块用于完成晶体条边界的划分和晶体条编号的填充。

9.根据权利要求8所述的晶体条位置查找表生成装置，其特征在于：

所述查找表写回模块包括边界生成模块，扫描线填充模块，

所述边界生成模块用于根据晶体条中心位置，生成各个晶体条的划分边界；

所述扫描线填充模块用于根据划分好的边界，将对应的晶体条编号写回其所属区域内。