CN105496436A - 用于pet装置的时间校正方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于PET装置的时间校正方法和装置，其中，所述方法包括以下步骤：将放射源置于PET装置的扫描视野内；检测符合事件，获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差；获取所述放射源的位置，并根据所述位置获取各响应线上符合事件的第二飞行时间差；根据各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量；根据所述通道时延量对各探测单元的输出进行时间校正。本发明可以修正在扫描视野内非中心放置的放射源，放射源在扫描视野内，无论其位置如何，本方法均可适应，无需将放射源定位于中心。

Description

用于PET装置的时间校正方法和装置

技术领域

本发明主要涉及正电子发射断层扫描成像(PositronEmissionTomography，PET)技术领域，尤其涉及一种用于PET装置的时间校正方法和装置。

背景技术

PET装置是根据注入体内的放射性核素在衰变过程中产生的正电子湮灭辐射和符合探测原理构成的计算机断层装置。PET技术是核医学发展的一项最新技术，它从分子水平变化来反映细胞代谢及其功能改变，具有极高的灵敏性和特殊性。

将极其微量的正电子核素示踪剂注射到人体内，正电子在人体内移动，并与人体内的负电子结合发生湮灭辐射，产生两个能量相同、方向相反的Y光子，可由PET的探测器对γ光子进行测量。因为两个光子在人体内移动的路径不同，因此二者到达两个探测器的时间也有一定差别，若在规定的时间窗内，探测器系统探测到两个互成180度的光子，就可将这一事件称为符合事件。PET对符合事件进行处理及计算，形成反映人体脏器生理功能和结构的PET图像。

近年来，正在不断开发一种利用成对湮没Y射线的检测时间差而正确地确定发射Y射线的位置的TOF-PET(TimeOfFIight：飞行时间)装置。由于γ射线的速度为光速，因此TOF-PET装置所要求的检测时间差为数百psec(皮秒)级(order)。所以，TOF-PET装置中需要高精度地对齐用于决定各探测器模块(module)检测时间的时间信息。然而，现有的探测器系统是一个分布式系统，具有多个信号采集模块，而模块内的各单元均采用分立器件实现，受器件的个体性差异、不同工作环境等因素的影响，导致各信号采集模块的时间测量精准度有所不同，影响后续符合事件的判断准确性，进而影响最终的TOF-PET成像效果。

现有的用于PET装置的时间校正方案是在PET扫描视野(FieldofView，FOV)中心放置放射源，收集放射源的湮灭光子，获取数据做计算，定出时间偏移。这种方法存在的普遍问题是放射源一般是定位于PET装置的扫描视野中心，有些可能允许极小量偏移，这种时间刻度方法无法处理放射源偏心放置的情况，并且定位于扫描视野中心本身是一个很耗时的工作。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种用于PET装置的时间校正方法和装置，在将放射源置于扫描视野的非中心位置时，获取符合数据，定出时间偏移。

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于PET装置的时间校正方法，包括以下步骤：

将放射源置于PET装置的扫描视野内；

检测符合事件，获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差；

获取所述放射源的位置，并根据所述位置获取各响应线上符合事件的第二飞行时间差；

根据各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量；

根据所述通道时延量对各探测单元的输出进行时间校正。

优选地，所述放射源的中心轴和所述扫描视野的中心轴平行。

优选地，所述放射源位于所述扫描视野内的非中心位置。

优选地，获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差包括：

获取各响应线上所有符合事件的飞行时间差；

对各响应线上所有符合事件的飞行时间差求取平均值，获取所述第一飞行时间差。

优选地，对各响应线上所有符合事件的飞行时间差求取平均值包括：

对各响应线上的所有符合事件的飞行时间差依时间累积获取直方图；

计算所述直方图对称中心处的时间值，获取所述平均值。

优选地，获取所述放射源的位置包括：重建所述放射源的图像，并根据所述图像获取所述放射源的位置。

优选地，根据所述位置获取各响应线上符合事件的第二飞行时间差包括：

获取各响应线与所述放射源相交部分的中心位置；

计算各响应线上所述中心位置发生的符合事件的飞行时间差，获取所述第二飞行时间差。

优选地，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量包括：

计算各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差的差值，获取各响应线两端的探测单元的通道时延差；

构建探测单元的通道时延方程组，获取各探测单元的通道时延量。

优选地，利用迭代方法获取各响应线两端的探测单元的通道时延量，所述迭代方法包括以下步骤：

1)获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二时间差；

2)计算各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差的差值，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量的差；

3)构建探测单元的通道时延方程组，获取各探测单元的通道时延量；

4)利用步骤3)获取的通道时延量对各响应线上符合事件的第一飞行时间差进行校正；

5)重复步骤1)至步骤4)直至满足迭代终止规则。

优选为，所述放射源为空心桶状放射源、线状放射源或实心桶状放射源。

本发明还提供了一种用于PET装置的时间校正装置，包括：

放射源，位于所述PET装置的扫描视野内；

检测单元，适用检测符合事件；

第一获取单元，适于获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差；

第二获取单元，适于获取所述放射源的位置，并根据所述位置获取各响应线上符合事件的第二飞行时间差；

第三获取单元，适于根据各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量；

校正单元，适于根据所述通道时延量对各探测单元的输出进行时间校正。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

可以修正在扫描视野内非中心放置的放射源，放射源在扫描视野内，无论其位置如何，本方法均可适应，无需将放射源定位于中心。

附图说明

图1为本发明一实施例中PET装置结构示意图；

图2为图1的探测器环的示意性的纵断面图；

图3为本发明一实施例中用于PET装置的时间校正方法的流程图；

图4为图2的探测器环内响应线的示意性的纵断面图；

图5为本发明一实施例中第一坐标系的示意图；

图6为本发明一实施例中第二坐标系和第一坐标系的转换示意图；

图7为本发明一实施例中响应线与放射源相交部分的中心位置的示意图；

图8为本发明一实施例中迭代获取探测单元的通道时延量的流程图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明中的PET装置为通过飞行时间(TimeOfFlight，TOF)法而重建TOF-PET图像的装置，其中TOF法利用成对湮没Y射线的检测时间差而正确地确定发射γ射线的位置。

图1为本发明一实施例中PET装置的结构示意图。图2是图1的探测器环的示意性的纵断面图。请参考图1和图2，PET装置包括圆筒状机架1、病床2、主控计算机3和电子学系统前端放大与符合系统4。圆筒状机架1内侧设有多个探测器环5，每个探测器环5内设有多个探测单元6，探测单元6由探测器晶体和光传感器元件组成。探测器环5的开口部上形成有扫描视野(FieldOfView，FOV)。扫描视野内设有放射源7。探测单元6检测从放射源7内部放出的成对湮没Y射线，生成与检测出的成对湮没γ射线的光量相应的脉冲状电信号。

图3为本发明一实施例中用于PET装置的时间校正方法的流程图。请参考图3，所述用于PET装置的时间校正方法包括步骤S100至S140。

步骤S100，将放射源置于PET装置的扫描视野内。

放射源7可以采用空心桶状放射源、线状放射源或实心桶状放射源。优选为，放射源7的形状要对称，盛有放射源的部分厚度均匀，不能变形，圆度要好；直径适当大一些，直径范围优选为(DFOV/2，DFOV)，DFOV为扫描视野范围在径向上的长度；在轴向上的长度要大于或等于扫描视野范围FOV在轴向上的长度。

本发明对放射源7在扫描视野内的具体位置以及放置方式不作限制。优选为，放射源7的中心轴P与扫描视野的中心轴Z平行。在本发明一实施例中，放射源7位于扫描视野内的非中心位置。在本发明的另一实施例中，放射源7位于扫描视野内的中心位置。

步骤S110，检测符合事件，获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差。

电子学系统前端放大与符合系统4用于相关数据处理，较佳地，包括检测单元。检测单元用于检测符合事件，获取符合数据。

选取位于同一个探测器环内5的任意两个探测单元形成探测单元组合对，组成探测单元组合对的两个探测单元的连线穿过放射源7。获得符合数据的一对探测单元之间的连线称作响应线(LineofResponce)。PET探测器可以获得大量的响应线，图4中仅显示6条响应线(L1、L2、L3、L4、L5、L6)作为简单的示意性说明。

在本发明一实施例中，建立第一坐标系和第二坐标系，基于第一坐标系和第二坐标系记录检测到的符合事件。

图5为本发明一实施例中第一坐标系的示意图。图6为本发明一实施例中第二坐标系和第一坐标系的转换示意图。

请参考图5，建立第一坐标系(X-Y)，以0点为圆心的圆为探测器的截面，探测器的轴向方向垂直于所述截面，第一坐标系(X-Y)的x轴和y轴确定的平面与探测器的截面平行。请参考图6，建立第二坐标系(S-T)，该第二坐标系(S-T)与第一坐标系(X-Y)的夹角为在XOY平面内每一条响应线有一伴随的坐标系TOS，且TOS坐标系的t轴平行于响应线，s轴垂直于响应线。

采用列表模式和弦图模式分别记录响应线上发生的符合事件，两种模式之间可以相互转换。

在本发明一实施例中，PET装置的环向探测单元总数目为I_T，环向探测单元位置用i标示，轴向总环数为R_T，轴向探测单元位置用r表示。下面以探测单元A和探测单元B形成的探测单元组合对为例进行说明。

采用列表模式记录符合事件为LOR(r_a，r_b，i_a，i_b)，其中，r_a为探测单元A的轴向位置，i_a为探测单元A的环向位置，r_b为探测单元B的轴向位置，i_b为探测单元B的环向位置，为避免对同一条响应线重复记录，预设i_a＜i_b，则响应线的总数目为

采用弦图模式将符合数据记录为其中，r_a为探测单元A的轴向位置，r_b为探测单元B的轴向位置，为响应线与第一坐标系(X-Y)中y轴的夹角，rad为响应线与圆心0的距离。

在本发明一实施例中，获取每一条响应线上符合事件的第一飞行时间差包括：获取一条响应线上所有符合事件的飞行时间差；对该响应线上所有符合事件的飞行时间差求取平均值，该平均值记为第一飞行时间差。

在本发明另一实施例中，获取一条响应线上符合事件的第一飞行时间差包括：对一条响应线上的所有符合事件的飞行时间差依时间累积获取直方图；然后计算所述直方图对称中心处的时间值，获取所述平均值，该平均值为第一飞行时间差。本实施例中，一条响应线上符合事件的第一飞行时间差δt′，可以按照式(1)计算得到：

其中，i为直方图中等间隔子区间(bin)的编号，i＝-(N-1)/2，-(N-1)/2+1…0，1，2，…(N-1)/2，N为统计直方图bin的总数，一般取奇数；δt_i为第i个bin对应的第一飞行时间差，n_i为第i个bin对应的符合事件数。

步骤S120，获取所述放射源的位置，并根据所述位置获取各响应线上符合事件的第二飞行时间差。

在本发明一实施例中，重建放射源7的图像，并根据该图像获取放射源7的位置。一种具体的实施方式为：获取放射源7在第一坐标系(X-Y)中的坐标(x，y)和在第二坐标系(S-T)中的坐标(t，φ)之间的关系，如式(2)所示：

当通过步骤S110中的方式获得弦图模式的符合数据之后，放射源7在第一坐标系(X-Y)中的坐标(x，y)作为待定参数可以通过拟合的方法得到。

在本发明一实施例中，根据放射源7的位置获取各响应线上符合事件的

第二飞行时间差包括：

获取各响应线与放射源7相交部分的中心位置；

计算各响应线上所述中心位置发生的符合事件的飞行时间差，获取所述第二飞行时间差。

图7为本发明一实施例中响应线与放射源相交部分的中心位置的示意图。请参考图7，此处仅以响应线L1为例进行说明，图中响应线L1穿过放射源7，并与放射源7具有相交部分，相交部分的两端点分别为M和N，相交部分的中点为Q。获取响应线L1与放射源7相交部分的中心位置Q；计算Q点处发生的符合事件到达响应线L1两端的探测单元的飞行时间差，记为第二飞行时间差。

根据几何运算可知，Q点处发生的符合事件到达响应线L1两端的探测单元的距离差δl，可通过式(3)计算得到：

其中，(x，y)为Q点在第一坐标系(X-Y)中的坐标，为响应线L1与第一坐标系(X-Y)中的y轴的夹角。

根据Q点处发生的符合事件到达响应线L1两端的探测单元的距离差δl，计算位于Q点处发生的符合事件到达响应线L1两端的探测单元的飞行时间差，即第二飞行时间差，可通过式(4)计算得到：

$\mathrm{\δ}t=\frac{\mathrm{\δ}l}{c}---\left(4\right)$

其中，δt为与响应线L1对应的第二飞行时间差，δl为Q点处发生的符合事件到达响应线L1两端的探测单元的距离差，c为光速。

步骤S130，根据各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量；

步骤S140，根据所述通道时延量对各探测单元的输出进行时间校正。

在本发明一实施例中，首先获取一条响应线上符合事件的第一飞行时间差δt′和第二时间差δt；然后计算该响应线上符合事件的第一飞行时间差δt′和第二飞行时间差δt的差值Δt，差值Δt为响应线两端的探测单元的通道时延差，如式(5)和式(6)所示：

Δt＝δt′-δt(5)

Δt＝TO_a-TO_b(6)

其中，TO_a和TO_b分别为探测器两端的探测单元的通道时延量。按照上述方法获取各响应线两端的探测单元的通道时延差，并根据各响应线两端的探测单元的通道时延差构建探测单元的通道时延方程组，获取各探测单元的通道时延量。在本发明一实施例中，按照式(7)构建通道时延方程组，获取各探测单元的通道时延量：

HT＝Δt

$\begin{array}{cc}T=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{TO}}_1\\ {\mathrm{TO}}_2\\ {\mathrm{TO}}_3\\ .\\ .\\ .\end{array}\right)& \mathrm{\Δ}t=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\δt}}_1^{\′}-{\mathrm{\δt}}_1\\ {\mathrm{\δt}}_2^{\′}-{\mathrm{\δt}}_2\\ {\mathrm{\δt}}_3^{\′}-{\mathrm{\δt}}_3\\ .\\ .\\ .\end{array}\right)\end{array}---\left(7\right)$

其中，H为系数矩阵，T为各响应线两端的探测单元的通道时延量，Δt为各响应线上符合事件的第一飞行时间差δt′和第二飞行时间差δt的差值。

在本发明一实施例中，利用迭代方法获取各响应线两端的探测单元的通道时延量。图8为本发明一实施例中迭代获取探测单元的通道时延量的流程图。请参考图8，所述迭代方法包括以下步骤：

执行步骤S800，获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二时间差；

执行步骤S810，计算各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差的差值，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量的差；

执行步骤S820，构建探测单元的通道时延方程组，获取各探测单元的通道时延量；

执行步骤S830，判断是否满足迭代终止规则；

若是，终止迭代过程，获取各探测单元的通道时延量；

若否，执行步骤S840，利用获取的通道时延量对各响应线上符合事件的第一飞行时间差进行校正，利用校正后的各响应线上符合事件的第一飞行时间差，继续执行步骤S800至S830。

在本发明一实施例中，预设迭代次数，达到预设迭代次数时，迭代终止，获取更新的各探测单元的通道时延量。否则，继续执行步骤S800、步骤S810、步骤S820、步骤S830、步骤S850，迭代更新各探测单元的通道时延量，直至满足迭代规则。

在本发明另一实施例中，预设阈值，当获取的各探测单元的通道时延量均低于所述阈值时，迭代终止，否则继续执行步骤S800、步骤S810、步骤S820、步骤S830、步骤S850，迭代更新各探测单元的通道时延量，直至满足迭代规则。

对于两维的TOF-PET重建，利用上述步骤进行同探测器环内的一次迭代，或者利用上述步骤进行同探测环内的多次迭代，即可精确获得每个探测单元的通道时延量。而对于三维TOF-PET重建，为了保证各探测单元的时间校正精度，不仅需要进行一次或多次同探测环内的迭代获取各探测单元的通道时延量，还需要继续采用一次或多次跨探测器环的迭代方法继续更新各探测单元的通道时延量。最后，根据所述通道时延量对各探测单元的输出进行时间校正。

最后，执行步骤S140，根据所述通道时延量对各探测单元的输出进行时间校正。

对各探测单元的输出进行时间校正，将得到的各通道时延量下载至系统只读内存(EE-FLASH)，将每个符合事件中的原始时间值扣除对应探测单元的通道时延量。对各探测单元的输出进行时间校正的另外一种方法是，利用符合事件做图像重建时，再扣除这个通道时延量值，从而保持符合数据的完整性。

需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请的部分或全部可借助软件并结合必需的通用硬件平台来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可包括其上存储有机器可执行指令的一个或多个机器可读介质，这些指令在由诸如计算机、计算机网络或其他电子设备等一个或多个机器执行时可使得该一个或多个机器根据本发明的实施例来执行操作。机器可读介质可包括，但不限于，软盘、光盘、CD-ROM(紧致盘-只读存储器)、磁光盘、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、磁卡或光卡、闪存、或适于存储机器可执行指令的其他类型的介质/机器可读介质。

本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本发明还提供了一种用于PET装置的时间校正装置，包括：

放射源，位于所述PET装置的扫描视野内；

检测单元，适用检测符合事件；

第一获取单元，适于获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差；

第二获取单元，适于获取所述放射源的位置，并根据所述位置获取各响应线上符合事件的第二飞行时间差；

第三获取单元，适于根据各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量；

校正单元，适于根据所述通道时延量对各探测单元的输出进行时间校正。

需要说明的是，本领域技术人员可以理解，上述部分组件可以是诸如：可编程阵列逻辑(ProgrammableArrayLogic，PAL)、通用阵列逻辑(GenericArrayLogic，GAL)、现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)、复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammabIeLogicDevice，CPLD)等可编程逻辑器件中的一种或多种，但是本发明对此不做具体限制。

需要说明的是，本领域技术人员可以理解，本发明还可应用于其他组合式医学成像系统，比如：组合式正电子发射断层扫描和磁共振成像系统(PositronEmissionTomography-MagneticResonancelmaging，PET-MR)、组合式(PositronEmissionTomography-ComputedtomographyTomography，PET-CT)等。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于PET装置的时间校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

将放射源置于PET装置的扫描视野内；

检测符合事件，获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差；

获取所述放射源的位置，并根据所述位置获取各响应线上符合事件的第二飞行时间差；

根据各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量；

根据所述通道时延量对各探测单元的输出进行时间校正。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放射源的中心轴和所述扫描视野的中心轴平行。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放射源位于所述扫描视野内的非中心位置。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差包括：

获取各响应线上所有符合事件的飞行时间差；

对各响应线上所有符合事件的飞行时间差求取平均值，获取所述第一飞行时间差。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对各响应线上所有符合事件的飞行时间差求取平均值包括：

对各响应线上的所有符合事件的飞行时间差依时间累积获取直方图；

计算所述直方图对称中心处的时间值，获取所述平均值。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述放射源的位置包括：重建所述放射源的图像，并根据所述图像获取所述放射源的位置。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述位置获取各响应线上符合事件的第二飞行时间差包括：

获取各响应线与所述放射源相交部分的中心位置；

计算各响应线上所述中心位置发生的符合事件的飞行时间差，获取所述第二飞行时间差。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用迭代方法获取各响应线两端的探测单元的通道时延量，所述迭代方法包括以下步骤：

1)获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二时间差；

2)计算各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差的差值，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量的差；

3)构建探测单元的通道时延方程组，获取各探测单元的通道时延量；

4)利用步骤3)获取的通道时延量对各响应线上符合事件的第一飞行时间差进行校正；

5)重复步骤1)至步骤4)直至满足迭代终止规则。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放射源为空心桶状放射源、线状放射源或实心桶状放射源。

10.一种用于PET装置的时间校正装置，其特征在于，包括：

放射源，位于所述PET装置的扫描视野内；

检测单元，适用检测符合事件；

第一获取单元，适于获取各响应线上符合事件的第一飞行时间差；

第二获取单元，适于获取所述放射源的位置，并根据所述位置获取各响应线上符合事件的第二飞行时间差；

第三获取单元，适于根据各响应线上符合事件的第一飞行时间差和第二飞行时间差，获取各响应线两端的探测单元的通道时延量；

校正单元，适于根据所述通道时延量对各探测单元的输出进行时间校正。