CN105596023A - 一种偏置平板pet系统及投影数据预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏置平板PET系统及投影数据预处理方法，属于医疗技术领域。包括：位于中间的搭载被检测物体的光学实验平台和置于光学实验平台的两侧的两个平板PET探测器；两个平板PET探测器相对于光学实验平台的轴线偏置。采用所述的偏置平板PET系统进行扫描得到的投影数据的预处理方法为：将平板PET探测器采集的投影数据X(u,v,λ)乘以预处理函数ω(u)得到新投影数据采用本发明的偏置平板PET系统进行扫描最多可以获得4倍于现有平板PET系统的扫描视野，且平板PET探测器由1°旋转至360°的所得到每一个角度的投影数据都是唯一且有效的。投影数据预处理方法可以有效的去除伪影，得到的用于三维断层图像重建的新投影数据更加准确，重建后的图像更加清晰。

Description

一种偏置平板PET系统及投影数据预处理方法

所属技术领域

本发明属于医疗技术领域，具体涉及一种偏置平板PET系统及投影数据预处理方法。

背景技术

PET(PositronEmissionTomography,正电子发射断层成像)在肿瘤、心脏病以及神经性疾病的诊断中有广泛的应用。PET成像原理的核心是，放射性化合物参与人体内的生理活动，放射性化合物发射出射线，利用分布在人体周围的探测装置检测这些射线，于是就可以追踪生物体内重要的基本物质的分布和流动。以PET中常见的¹⁸F显像为例。¹⁸F-FDG是葡萄糖的类似物，其被摄取进入细胞的方式与葡萄糖一样，注射进入人体内的¹⁸F所产生的影像就反映了人体内葡萄糖代谢的分布水平。由于恶性肿瘤细胞的葡萄糖代谢会远高于正常组织细胞，因此¹⁸F在临床上被广泛应用于恶性肿瘤的诊断。放射性示踪剂中的¹⁸F会发生衰变，释放出一个正电子和一个中微子。正电子在人体内最终会和一个电子结合，之后会发生湮灭。绝大多数情况下，湮灭之后会同时产生一对能量相同、飞行方向相反(夹角为180°)的γ光子。由于湮灭产生的光子能量非常高，因此可以非常容易地穿透人体，被围绕在人体周围的检测装置进行空间定位，而后利用图像重建算法复原出三维图像。

目前，平板PET系统开放性与可调节性高、灵活紧凑、价格更低、便于实现，在一些新的PET应用领域中平板PET系统有独特的应用价值。如在重离子治疗中，需要PET系统中的探测器实时监测重离子束射程和剂量分布，同时为了避免重离子束和PET设备的相互干扰，需要开放式的探测器(即探测器可以旋转或平移，而非固定不动)；对于重症监护病房中有严重心衰竭的患者，PET影像在心脏搭桥和移植手术等治疗决策中有关键性的作用，而这一类病人往往不适合移动，平板PET系统的灵活性与可调节性能够满足以上要求，因此许多情况下采用平板PET系统。

平板PET系统的结构主要分为三个部分，如图1所示，两侧的平板PET探测器1(以下简称探测器)相对于中间搭载被检测物体5的光学实验平台2(如图1所示的扁平的圆柱形光学实验平台)的轴线3呈对称放置。每个探测器上都布满可以检测到γ光子的正方形探测器模块4，相对的一对探测器模块4可以检测到湮灭之后产生的一对γ光子，如图2所示。通过γ光子的位置可以推断放射性同位素的位置，即恶性肿瘤细胞的位置。这样就可以得到一个角度的投影数据，而两侧的平板探测器1绕着光学实验平台2的轴线3旋转一周之后，即可得到1°～360°的投影数据，最后利用图像重建算法复原出被检测物体5的三维断层图像，这种方式称为圆轨道扫描方式。圆轨道扫描方式的扫描视野是一个圆柱形，该圆柱形的轴线与光学实验平台的轴线重合，底面直径等于探测器的宽度，扫描视野的俯视图如图3所示。

目前，常用的PET图像重建算法需要满足投影数据沿探测器方向上必须是非截断的，这就要求探测器的扫描视野必须能够覆盖完整的被检测物体横断面，如图4(a)所示。因此，如图4(b)所示，当被检测物体横断面尺寸较大时，超出了探测器的扫描视野时，检测过程就会受到探测器宽度条件所限，需要更换更大尺寸的探测器。

而且，基于PET扫描原理和重建理论，在圆轨道扫描方式下，数学上精确重建出完整的物体断层图像并不需要获得在360°范围内覆盖整个物体的完整投影数据。理论上讲，这些投影数据有一半的冗余，即有一半投影数据是重复的，因此精确重建出完整的物体断层图像，只需要获得该投影数据的一半即可。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种偏置平板PET系统及投影数据预处理方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种偏置平板PET系统，该系统包括：两个平板PET探测器、搭载被检测物体的光学实验平台；所述两个平板PET探测器置于光学实验平台的两侧；所述光学实验平台置于两个平板PET探测器的中间；所述两个平板PET探测器的具体位置为：由其相对于光学实验平台的轴线呈对称放置的位置沿着同一水平方向平移距离m后的位置，即两个平板PET探测器相对于光学实验平台的轴线偏置；所述m的取值范围为(0,w/2]，其中w为平板PET探测器的宽度。

所述的偏置平板PET系统放置在一个圆柱形铅制屏蔽外壳内。

所述屏蔽外壳厚度大于等于29mm；所述屏蔽外壳的内高度大于等于平板PET探测器的高度；所述屏蔽外壳的内半径大于等于R，其中w为平板PET探测器的宽度，m为两个平板PET探测器相对于光学实验平台的轴线呈对称放置的位置沿着同一水平方向平移的距离，d为两个平板PET探测器的距离，t为每个平板PET探测器的厚度。

采用所述的偏置平板PET系统进行扫描得到的投影数据的预处理方法为：

设平板PET探测器采集的投影数据为X(u,v,λ)，则将X(u,v,λ)乘以预处理函数ω(u)，即得到可用于被检测物体三维断层图像重建的新投影数据

$\tilde{X}(u,v,\mathrm{\λ})=\mathrm{\ω}\left(u\right)\·X(u,v,\mathrm{\λ})$

其中预处理函数ω(u)为： $\mathrm{\&omega;}\left(u\right)=\left\{\begin{array}{cc}0,& u<u_{-}\\ {\sin }^2(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\&CenterDot;\frac{u-u_{-}}{u_{+}-u_{-}}),& u_{-}<u<u_{+}\\ 1,& u>u_{+}\end{array}\right.;\&lsqb;u_{-},u_{+}\&rsqb;$ 代表扫描时平板PET探测器上的扫描重叠区域，其左右边界分别标记为u_-、u₊；1°≤λ≤360°，为探测器的旋转角度；u_-≤u≤u_-+w，u为平板PET探测器宽度方向上的坐标；0≤v≤h，v为平板PET探测器高度方向上的坐标；h为平板PET探测器的高度；w为平板PET探测器的宽度。

本发明的有益效果是：在使用相同尺寸的探测器的情况下，采用本发明的偏置平板PET系统进行扫描所得到的扫描视野更大，最多可以获得4倍于现有平板PET系统的扫描视野。

采用本发明的偏置平板PET系统进行扫描可以节省扫描时间。现有平板PET系统的扫描过程中，平板PET探测器从1°旋转至180°，所得到的投影数据足以重建被检测物体三维断层图像，而平板PET探测器从181°旋转至360°所得到的投影数据是重复且无效的；采用本发明的偏置平板PET系统进行扫描，平板PET探测器由1°旋转至360°的所得到每一个角度的投影数据都是唯一且有效的。

采用本发明的偏置平板PET系统进行扫描可以节省成本。由于PET探测器的成本非常高，采用本发明的偏置平板PET系统进行扫描可有效扩大扫描范围，进而能够有效降低PET探测器的更换购买成本。

采用本发明的预处理函数ω(u)对投影数据X(u,v,λ)进行处理，可以有效的去除伪影，得到的用于三维断层图像重建的新投影数据更加准确，重建后的图像更加清晰，有利于后续的分析研究和诊断。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的现有平板PET系统的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的现有平板PET系统的工作原理示意图；

图3为本发明一种实施方式的圆轨道扫描方式的扫描视野俯视图；

图4(a)为本发明一种实施方式的非截断(被检测物体的横断面没有超出扫描视野)的平板PET探测器投影数据扫描方式示意图；(b)为本发明一种实施方式的截断(被检测物体的横断面超出了扫描视野)的平板PET探测器投影数据扫描方式示意图；

图5为本发明一种实施方式的偏置平板PET系统的俯视图；

图6为本发明一种实施方式的偏置平板PET系统的扫描示意图；

图7为本发明一种实施方式的偏置平板PET系统置于屏蔽外壳8内的俯视图；

图8为本发明一种实施方式的偏置平板PET系统置于屏蔽外壳8内的主视图；

图9为本发明一种实施方式的通过偏置平板PET系统扫描得到的被检测物体三维断层图像的圆形伪影示意图；

图10为本发明一种实施方式的投影数据预处理函数ω(u)的示意图；

其中：1-平板PET探测器；2-光学实验平台；3-光学实验平台2的轴线；4-平板PET探测器上的探测器模块；5-被检测物体；6-现有平板PET系统的扫描视野；7-偏置平板PET系统的扫描视野；8-屏蔽外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本实施方式的偏置平板PET系统，如图5所示，包括：两个平板PET探测器、搭载被检测物体的光学实验平台；所述两个平板PET探测器置于光学实验平台的两侧；所述光学实验平台置于两个平板PET探测器的中间；所述两个平板PET探测器的位置为：由其相对于光学实验平台的轴线呈对称放置的位置沿着同一水平方向平移距离m后的位置，即两个平板PET探测器相对于光学实验平台的轴线偏置；所述m的取值范围为(0,w/2]，其中w为平板PET探测器的宽度。两个平板PET探测器的距离为d，每个平板PET探测器的厚度为t。光学实验平台的轴心到探测器的最远边的距离为R。采用本发明的偏置平板PET系统进行扫描所得到的扫描视野半径为r。则根据图5，可以看出：进而 $R=\sqrt{\frac{w^2}{4}+wm+m^2+\frac{d^2}{4}+dt+t^2}.$

采用本实施方式的偏置平板PET系统进行扫描时，如图6所示：在360°的圆轨道扫描范围内，光学实验平台2两侧的平板PET探测器1绕光学实验平台2的轴心转动一周，则这里转动一周扫描到的投影数据将用于后续重建出完整被检测物体三维断层图像。在图6中：虚线方框代表未偏置时的平板PET探测器的位置；实线方框代表偏置时的平板PET探测器的位置；实线圆表示本实施方式的偏置平板PET系统的扫描视野7，其中r为扫描视野半径；虚线圆表示现有平板PET系统的扫描视野6；

由上述，可以看出采用本实施方式的偏置平板PET系统进行扫描时仍沿用现有的圆轨道扫描方式，其原理上相当于使用1-2倍面积的平板PET探测器进行一次非偏置的扫描。与传统的PET扫描系统的扫描过程相比，采用本实施方式的偏置平板PET系统进行扫描时使得平板PET探测器的有效利用面积最多可以达到采用现有PET扫描系统进行扫描时的平板PET探测器的有效利用面积的2倍，本实施方式的偏置平板PET系统扫描的扫描视野7最多可以达到现有PET扫描系统的扫描中扫描视野6的4倍。

此外，虽然PET检查的辐射小，但是并不等于没有辐射。例如¹⁸F的半衰期时间有105-115分钟，因此在检查后几个小时，受检者、医护人员以及其他工作人员身上会有微量的辐射含量。根据上海市医疗机构正电子发射断层成像仪工作人员受照剂量调查结果显示：放射工作人员全身各部位的γ光子辐射吸收剂量率中，眼部最大值达到613.6μSv/h，胸部最大值为391.8μSv/h，而全身各部位以手部受照剂量最大，可达到4407.0μSv/h。不同工作岗位放射工作人员外照射个人累积剂量依次为：护士>技师>医师，护士的双月最大剂量达到3946.6μSv。因此，虽然目前的PET检查过程比较安全，整体防护达到国家标准要求，但在受照剂量尽可能低的原则下，工作人员的防护措施仍需要改进完善。

因此，如图7所示，本实施方式中将偏置平板PET系统放置在一个具有屏蔽功能的圆柱形(在本发明中，相对于其他形状而言，采用圆柱形所占用的体积是最小的)铅制屏蔽外壳8内，无需另外搭建屏蔽间。理论上，屏蔽外壳的内半径应该不小于R，即可保证有足够的空间使得偏置平板PET系统正常运转。而在偏置平板PET系统实际运行中，往往要留出更大的空间，需要根据实际情况，酌情增加屏蔽外壳的内半径长度。如图8所示，屏蔽外壳的内高度为H，而平板探测器的高度为h。理论上，屏蔽外壳的内高度H应该不小于探测器的高度h，即可保证有足够的空间使得偏置平板PET系统正常运转。而在偏置平板PET系统实际运行中，往往要留出更大的空间，需要根据实际情况，酌情增加屏蔽外壳的内高度。

实际上PET系统本身并不产生辐射，只需考虑病人注射放射性药物所产生的放射性即可。PET相关工作场所的屏蔽厚度要求如下：PET机房屏蔽厚度：防御门窗为8-9mm铅当量，墙体为8-21铅当量，相当于90-260mm混凝土；注射后等候室屏蔽厚度：防护门为6-10mm铅当量，墙体为4-24mm铅当量，相当于50-290mm混凝土；注射室屏蔽厚度：防护门为7-9mm铅当量，墙体为9-29mm铅当量，相当于110-350mm混凝土。

本实施方式的铅制屏蔽外壳8根据PET相关工作场所的屏蔽厚度要求设计。出于安全考虑，本实施方式的铅制屏蔽外壳8的厚度取屏蔽厚度要求的最大值，即：屏蔽外壳厚度不小于29mm(即注射室的墙体屏蔽厚度29mm)。

由于本实施方式的偏置平板PET系统的扫描方式为截断的扫描方式，因此每次使用本实施方式的偏置平板PET系统进行完整扫描后，需要将1°-180°每个角度下得到的投影数据利用181°-360°的投影数据进行一一对应的对位填补，才可以得到完整的投影数据。而在理论上，当探测器平移距离m<w/2时，探测器旋转到1°与181°、2°与182°、3°与183°、...、180°与360°时均会有一小部分发生重叠，在扫描重叠区域接收到的γ光子数量比理论上多，重叠区域的长度为扫描重叠区域的左右边界标记为u_-和u₊。如果直接进行对位填补，三维断层图像的中心会出现如图9所示的明显的圆形伪影。所以要对每个角度下得到的投影数据进行预处理，通过让平板PET探测器采集到的投影数据乘以一个小于1的加权项(即预处理函数ω(u))，使得探测器上[u_-,u₊]的重叠区域采集到的数据的值降低，从而达到去除圆形伪影的目的。

本实施方式的偏置平板PET系统扫描得到的投影数据的预处理方法为：设平板PET探测器采集的投影数据为X(u,v,λ)，则将X(u,v,λ)乘以预处理函数ω(u)，即得到可用于被检测物体三维断层图像重建的新投影数据

$\tilde{X}(u,v,\mathrm{\&lambda;})=\mathrm{\&omega;}\left(u\right)\&CenterDot;X(u,v,\mathrm{\&lambda;})$

其中预处理函数ω(u)如图10所示，为： $\mathrm{\&omega;}\left(u\right)=\left\{\begin{array}{cc}0,& u<u_{-}\\ {\sin }^2(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\&CenterDot;\frac{u-u_{-}}{u_{+}-u_{-}}),& u_{-}<u<u_{+}\\ 1,& u>u_{+}\end{array}\right.;\&lsqb;u_{-},u_{+}\&rsqb;$ 代表扫描时平板PET探测器上的重叠区域，其左右边界分别标记为u_-、u₊；1°≤λ≤360°，为探测器的旋转角度；u_-≤u≤u_-+w，u为平板PET探测器宽度方向上的坐标；0≤v≤h，v为平板PET探测器高度方向上的坐标；h为平板PET探测器的高度；w为平板PET探测器的宽度。

Claims (4)

1.一种偏置平板PET系统，该系统包括：两个平板PET探测器、搭载被检测物体的光学实验平台；所述两个平板PET探测器置于光学实验平台的两侧；所述光学实验平台置于两个平板PET探测器的中间；其特征在于：

所述两个平板PET探测器的具体位置为：由其相对于光学实验平台的轴线呈对称放置的位置沿着同一水平方向平移距离m后的位置，即两个平板PET探测器相对于光学实验平台的轴线偏置；所述m的取值范围为(0,w/2]，其中w为平板PET探测器的宽度。

2.根据权利要求1所述的偏置平板PET系统，其特征在于：该系统放置在一个圆柱形铅制屏蔽外壳内。

3.根据权利要求2所述的偏置平板PET系统，其特征在于：所述屏蔽外壳厚度大于等于29mm；所述屏蔽外壳的内高度大于等于平板PET探测器的高度；所述屏蔽外壳的内半径大于等于R，其中w为平板PET探测器的宽度，m为两个平板PET探测器相对于光学实验平台的轴线呈对称放置的位置沿着同一水平方向平移的距离，d为两个平板PET探测器的距离，t为每个平板PET探测器的厚度。

4.采用权利要求1所述的偏置平板PET系统进行扫描得到的投影数据的预处理方法，其特征在于，该方法为：

设平板PET探测器采集的投影数据为X(u,v,λ)，则将X(u,v,λ)乘以预处理函数ω(u)，即得到可用于被检测物体三维断层图像重建的新投影数据

$\tilde{X}(u,v,\mathrm{\&lambda;})=\mathrm{\&omega;}\left(u\right)\&CenterDot;X(u,v,\mathrm{\&lambda;})$

其中预处理函数ω(u)为： $\mathrm{\&omega;}\left(u\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{0,}& u<u_{-}\\ {\sin }^2(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\&CenterDot;\frac{u-u_{-}}{u_{+}-u_{-}}),& u_{-}<u<u_{+}\\ 1,& u>u_{+}\end{array}\right.;$ [u_-,u₊]代表扫描时平板PET探测器上的扫描重叠区域，其左右边界分别标记为u_-、u₊；1°≤λ≤360°，为探测器的旋转角度；u_-≤u≤u_-+w，u为平板PET探测器宽度方向上的坐标；0≤v≤h，v为平板PET探测器高度方向上的坐标；h为平板PET探测器的高度；w为平板PET探测器的宽度。