CN105894525A - 正电子发射断层成像系统探测器校正方法 - Google Patents

正电子发射断层成像系统探测器校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种正电子发射断层成像系统探测器校正方法,包括：将活度均匀分布的放射源置于成像系统中，并获取该放射源在该成像系统的投影数据；根据该成像系统的投影数据获取探测器晶体接收计数分布数据；根据所述放射源和成像系统几何结构建立数学模型，在该数学模型中进行数学正投影操作，根据该数学正投影所模拟的探测器晶体入射计数分布，获取所述探测器晶体接收计数分布数据的偏差校正系数；使用所述偏差校正系数对所述探测器晶体接收计数分布数据进行校正，以获取探测器晶体的探测效率系数。本发明易于实现且精度可靠，解决了利用放射源进行正电子成像探测器归一化校正时受偏心效应和射源不规则几何结构影响校正精度的问题。

Description

正电子发射断层成像系统探测器校正方法
【技术领域】
本发明涉及正电子发射断层成像技术领域，尤其涉及一种用于正电子发射断层成像的探测器效率归一化校正方法。
【背景技术】
正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，PET)作为分子成像的重要工具，已在预临床研究和临床应用中得到广泛应用，其良好的成像性能是准确进行肿瘤、心血管和脑神经疾病诊断、分期和预后的重要保障。
受系统设计、不一致的探测通道性能、生物体衰减、随机和散射噪声事件等的影响，PET原始数据须进行一系列校正之后，才可输入重建过程获得反映生物体内示踪剂真实分布的图像。
其中，归一化校正往往是PET数据校正的第一步，其用于校正系统各通道的探测器效率差异，其准确性直接影响后续校正的正确性及最终成像的均一性，噪声特性及是否有伪影等性能。为获取各探测器的探测效率，采用的方法是将活度均匀分布的规则形状放射源(如桶源，临床PET中，直径通常为20cm)置于PET系统视野(Field of View，FOV)中心进行数据采集，统计各探测器接收的计数量，用于反映探测器探测效率的差异。将计数值直接求倒数(直接归一化方法中采用)或者经过处理后(component归一化方法中采用)求倒数作为归一化校正系数乘到PET采集的原始数据中，弥补探测器效率差异。
在以上归一化数据采集过程中，如桶源未能准确置于FOV中心或放射源几何结构不规则，将导致各探测器接收计数不均一，不能真实反映探测效率的差异，导致不准确甚至错误的归一化校正，降低重建图像的质量。例如，N.C.Ferreira等人(N.C.Ferreira,R.Trebossen,M.-C.Gregoire and B.Bendriem,“Influenceof Malfunctioning Block Detectors on the Calculation of Single Detector Efficiencies inPET”,IEEE Trans.Nuc.Sci.,vol.46,no.4,pp.1062-1069,1999.)分析了不同桶源偏心距离的影响，发现探测器接收计数分布的不均一性随偏心程度增大而增大，重建图像的不均一性相应增大，伪影亦逐渐更加明显。对此，现有技术中的一种解决方法是通过高精度的定位系统避免放射源偏离中心的程度。然而虽然该方法可以解决放射源偏心效应导致的伪影问题，却同时增加了系统设计的复杂度及成本。此外，放射源的几何结构不规则，也会导致探测器接收计数不均匀分布，不能反映实际的探测器效率。
因此，有必要提供一种新的易于实现且精度可靠的探测器校正方法，解决利用放射源进行正电子成像探测器校正时受放射源偏心效应及几何结构不规则影响校正精度的问题。
【发明内容】
本发明解决的是现有的正电子发射断层成像系统利用放射源进行正电子成像探测器效率归一化校正时受偏心效应和不规则放射源几何结构影响校正精度的问题。
为解决上述问题，本发明提出一种正电子发射断层成像系统探测器校正方法,包括：将活度均匀分布的放射源置于成像系统中，并获取该放射源在该成像系统的投影数据；根据该成像系统的投影数据获取探测器晶体接收计数分布数据；根据所述放射源和成像系统几何结构建立数学模型，在该数学模型中进行数学正投影操作，根据该数学正投影所模拟的探测器晶体入射计数分布，获取所述探测器晶体接收计数分布数据的偏差校正系数；使用所述偏差校正系数对所述探测器晶体接收计数分布数据进行校正，以获取探测器晶体的探测效率系数。
本发明的一个实施方式中，所述放射源为桶源。
本发明的一个实施方式中，所述根据该成像系统的投影数据获取探测器晶体接收计数分布数据包括：针对成像系统内每一探测器晶体设置一扇束，统计该探测器晶体与该扇束覆盖的其余探测器晶体所构成的响应线上所获得的符合计数总和，作为该探测器晶体的接收计数；获取成像系统内所有探测器晶体的接收计数，生成探测器晶体的接收计数分布数据。
本发明的一个实施方式中，所述扇束宽度满足使成像系统不同探测器晶体的扇束宽度所覆盖的几何范围相一致。
本发明的一个实施方式中，所述根据所述放射源和成像系统几何结构建立数学模型包括：利用与所述正电子发射成像系统进行配准的其它成像系统，对所述放射源进行成像，根据成像内容建立数学模型。
本发明的一个实施方式中，将所述其它成像系统成像的放射源区域设置为均一值。
本发明的一个实施方式中，所述其它成像系统为X射线断层成像系统或磁共振成像系统。
本发明的一个实施方式中，所述根据所述放射源和成像系统几何结构建立数学模型包括：利用拟合算法或质心算法计算放射源的特征点，从而获取所述放射源的空间位置，并根据放射源的空间位置及成像系统几何结构建立数学模型。
本发明的一个实施方式中，所述“获取所述探测器晶体接收计数分布数据的偏差校正系数”包括：假定系统各探测器晶体的探测效率相同，针对成像系统内每一所述探测器晶体设置一扇束，在该扇束覆盖范围内该探测器晶体与其余探测器晶体所构成的响应线上，统计所述数学正投影操作在该探测器晶体上形成的符合计数总和，作为该探测器晶体的入射计数；将该入射计数的倒数作为该探测器晶体的偏差校正系数。
本发明相比现有技术有如下的有益效果：此方法不依赖于高精度的定位系统，同时避免了复杂的计算，可以简单准确地实现校正系数偏心效应及几何结构不规则效应的校正。
【附图说明】
图1是正电子发射断层成像系统结构示意图；
图2是统计探测器晶体计数分布的扇束示意图；
图3是本发明一实施例中探测器校正方法流程示意图；
图4是本发明一实施例中数学正投影过程示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图1是正电子发射断层成像系统结构示意图，作为工作原理的示例描述，在正电子发射断层扫描(PET)中，放射性药物被注入成像对象，其放射性衰变事件产生正电子。每个正电子与电子相互作用以产生两个相反指向的伽马(γ)光子。该伽马光子被探测装置侦测并由系统进行符合校验，形成响应线计数并被用于重建图像。
上述扫描过程中，理想情况下，每一探测装置的探测效率应当是一样，即探测器晶体的光子入射计数同接收计数的比值应当是相同的，但实际因工艺限制和探测通道电子学性能差异，各探测器晶体通道之间的探测效率往往存在差异，因而需对探测器效率进行归一化校正，即消除各通道的探测器效率差异，该校正的准确性直接影响后续其它校正的正确性及最终成像的均一性，噪声特性及是否有伪影等性能。
采用的方法可包括对探测器进行有源校正，继续如图1所示，即将活度均匀分布的桶型放射源(图中未示出，设置于PET系统的床板2(亦可为其它承载装置)上，所述床板设置于所述PET装置1的一侧，所述控制床板移动的计算机(图中未示)通过控制所述床板2的运动方向以调节所述放射源(图中未示)的当前位置，使其达到成像系统的视场中心附近。
到达视场中心后，使用PET成像系统采集放射源的投影数据，并根据投影数据，可采用如Fan-sum方法等对探测器晶体的接收计数分布情况进行统计。
如图2所示，Fan-sum方法针对每个探测器晶体开一个扇束(图中示例性示出了探测器晶体i及探测器晶体j相应的扇束范围)，统计该探测器晶体与其扇束内其它探测器晶体构成的响应线(Line of Response,LOR)上的接收符合计数总和，作为此探测器晶体的探测效率。
上述方法实现的前提是每一探测器晶体的入射计数是一致的，亦即，活度均匀分布桶型放射源是处于FOV的绝对中心的。然而，因床位位移限制或者承载装置的机械精度等原因，现有技术条件下放射源不可能完全放置在FOV中心，总是或多或少存在一定的偏差，因而会造成归一化校正的偏心效应：当桶源偏离系统FOV中心，远离放射源的探测器晶体覆盖桶源时所展开的扇束宽度将减小，其统计的入射及接收符合计数亦随之减小，靠近射源的晶体覆盖桶源时所展开的扇束宽度将增大，其统计的入射及接收符合计数亦随之增大。
此外，如果采用不规则放射源，放射源的几何结构同样会造成探测器晶体接收计数分布产生偏差，该问题同样直接影响了探测器晶体归一化校正的准确度。
基于上述归一化校正的放射源(桶源)的大小和形状等参数均为校正前已知，可采用以下方式实现对放射源偏心效应及几何结构不规则的校正：
PET系统各探测器晶体接收到的计数与入射该晶体的总计数和该晶体的探测效率成正比，可表示为公式(1)：
Ci∝ri·εi，Cj∝rj·εj (1)
公式(1)中，Ci，Cj分别表示探测器晶体i和j接收的计数，ri，rj分别表示探测器晶体i和j的入射计数；εi，εj分别表示探测器晶体i和j的探测效率。
采用置于系统FOV中心的活度均匀分布的桶源进行数据采集，理想情况下，因位于系统FOV绝对中心的桶源对所有探测器晶体的入射计数是均一的，即所有ri，rj均相同，此时探测器晶体接收计数正比于其探测效率，见公式(2)，某探测器晶体的接收计数可采用Fan-sum方法统计计算获得(此处，亦可采用其它形式的统计方法获得接收计数，例如：Co-fan-sum,fan-sum extendedDefrise,fan-sum Casey等方法，,此类方法的具体实现细节可分别参考文献：[1]CharlesC.Watson,Co-fan-sum ratio algorithm for randoms smoothingand detector normalization in PET.2010IEEE NSS and MIC conf.Rec.以及[2]R D Badawi,MALodge and P K Marsden.Algorithm for calculatingdetector efficiency normalization coefficients for true coincidencesin 3D PET.Phys.Med.Biol.43(1998)189-205.)。桶源偏心或者放射源几何结构不规则时，入射各晶体的计数将呈现非均一分布，剔除此分布才可获得晶体探测效率。
Ci∝εi，Cj∝εj，ri＝rj (2)
若设定所有探测器晶体的探测效率一致，则Fan-sum方法计算得到的探测器晶体接收计数分布即可反映桶源偏心效应和几何结构的不规则带来的计数分布偏差，见公式(3)。本设计基于理想的数学投影模型，即基于包括桶源在内的各种结构的放射源(规则或不规则)在FOV中实际位置，将放射源、探测器阵列(成像系统几何结构信息)抽象为数学模型，并假定该模型中系统各探测器晶体的探测效率均相同，对置于PET系统FOV内的放射源进行数学正投影(即根据放射源空间位置及探测器结构，进行数学建模，设定探测器效率相同的前提下，对建模后的放射源模型进行模拟投影操作)，并采用与前述步骤中接收计数分布统计相同的方法(例如，Fan-sum方法)对此正投影数据进行统计运算，生成放射源偏心及几何结构不规则带来的入射晶体计数分布，求取该计数分布的倒数作为放射源偏心效应及几何结构不规则的校正因子，作用于实际系统接收到的晶体计数分布上即可生成正确的晶体探测效率，见公式(3)。
Ci∝ri，Cj∝rj，εi＝εj (3)
此设计中，数学投影模型的系统结构设置应与实际正电子发射成像系统结构一致，且放射源模型的位置应与实际数据采集中放射源的空间位置相同。数学模型的建立可通过多种方式获得。
一种较优的方式为：利用与正电子发射断层成像系统进行配准过的其它成像系统对放射源进行成像，例如，对于PET/CT(正电子发射成像系统-X射线断层成像系统)或PET/MR(正电子发射成像系统-磁共振成像系统)多模态成像系统，因不同模态成像系统之间的空间位置关系是经过配准确定的，将放射源的CT图像或MR图像作为数学投影模型的输入可具有较高的精度。此外，为避免CT或MR系统扫描带来的成像不均一等问题，可在输入模型之前将CT或MR图像中放射源对应区域设为均一值。
另外一种较优的方式，也可以直接采用PET数据，利用拟合方法或者质心算法计算放射源几何结构的特征点，进而定位放射源的空间位置，并根据已知的放射源结构参数(如桶源半径等信息)及系统几何结构进行数学建模，以引入数学投影模型进行计算。
作为本发明的一个具体实施例，图3示出了根据以上方法进行探测器校正的具体实现流程：
执行S101，将放射源(本实施例中选择桶源)置于PET系统FOV中心后，获取放射源的PET系统投影数据；
执行步骤S102，根据投影数据，选择利用Fan-sum等方法对探测器晶体进行接收计数分布统计(此处，亦可选用其它类型的接收计数分布计算方法，例如：Co-fan-sum,fan-sum extended Defrise,fan-sum Casey等方法)。即根据该投影数据获取探测器晶体接收计数分布数据，包括：针对成像系统内每一所述探测器晶体设置一扇束，统计该探测器晶体与该扇束覆盖的其余探测器晶体所构成的响应线上所获得的符合计数总和，作为该探测器晶体的接收计数；并获取其它成像系统内所有探测器晶体的接收计数，生成探测器晶体的接收计数分布数据。此处，如上公式(2)所述，置于系统FOV中心的活度均匀分布的桶源在理想情况下对所有探测器晶体的入射计数是均一的，此时探测器晶体接收计数正比于其探测效率，因此，接收计数分布即可初步反映探测器的探测效率分布。
执行步骤S103，对接收计数分布进行偏心效应校正及几何结构不规则校正。偏心效应校正主要是针对放射源的实际位置偏离FOV中心造成的偏差进行校准，而几何结构不规则校准主要是针对放射源自身几何结构不规则造成的偏差。本实施例中，通过与PET系统配准的CT系统对放射源进行成像，并根据成像内容建立放射源及探测器阵列的数学模型，并通过对数学模型进行数学正投影的方式获得偏差校正系数，具体地，可通过执行以下步骤实现：
执行步骤S201，利用同PET系统进行配准的CT成像系统，对放置于PET系统FOV中的放射源进行成像。
执行步骤S202，根据放射源的CT成像内容，建立数学模型。参见图4所示，图4(a)是放射源的CT图像，根据该图像内容，可确定放射源的轮廓、空间位置等信息，根据轮廓、空间位置等信息，对放射源及探测器阵列建立数学模型，如图4(b)所示。值得注意的是，因放射源的CT图像可能存在不均匀或伪影等因素，参见图4(a)所示，因不均匀及伪影等因素对图像质量的影响可在建模过程通过设置使放射源的数学模型均一化(即将放射源区域设置为均一值)而得到控制，从而仅在数学模型中反映偏心效应及几何结构不规则问题对入射计数分布的影响。
执行步骤S203，对数学模型进行数学正投影操作。继续参照图4(b)所示，数学模型建立后，在该数学模型中对放射源模型进行数学正投影，并使用Fan-sum方法统计数学模型中因该数学正投影操作形成的各探测器晶体入射计数的分布情况(亦可使用其它统计方法，但需与前述S102步骤中接收计数分布统计使用的方法相同)，即：假定系统各探测器晶体的探测效率相同，针对成像系统内每一所述探测器晶体设置一扇束，在该扇束覆盖范围内该探测器晶体与其余探测器晶体所构成的响应线上，统计所述数学投影操作在该探测器晶体上形成的符合计数总和，作为该探测器晶体的入射计数。例如，在图4(b)所示的数学模型中，探测器晶体i的扇束可为其与A、B点连线限定的响应线范围，探测器晶体j的扇束可为其与C、D点连线限定的响应线范围。因偏心效应，数学模型中放射源的中心位置接近探测器晶体i，而远离探测器晶体j。因而在假定放射源绝对均匀的数学正投影中，i点的入射计数要高于j点的入射计数，同时因模型中探测器的效率假定为一致，其入射计数即可反映偏心效应及几何结构不规则对计数的影响。
执行步骤S204，获取偏差校正系数。将该数学正投影操作模拟形成的入射计数的倒数作为该探测器晶体的偏差校正系数。
根据S201-S204步骤的方法，即可获得偏差校正系数。将偏差校正系数用于步骤S103中对接收计数分布进行校正，具体地，将某一探测器晶体的接收计数乘以该探测器晶体相应的偏差校正系数，即可得到去除放射源偏心效应及几何结构不规则影响的接收计数分布情况。
获得接收计数分布情况后，执行步骤S104，生成归一化校正系数。具体地，可将去除偏心效应及几何结构不规则影响后的某探测晶体接收计数，同PET投影数据中获得的入射计数相比，即可获得该探测器晶体的探测效率。同理，依次可获得所有探测器晶体的探测效率，生成PET系统的探测效率系数。在后续扫描过程中，使用所述探测效率系数对所述成像系统探测数据进行校正。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种正电子发射断层成像系统探测器校正方法,其特征在于，包括：
将活度均匀分布的放射源置于成像系统中，并获取该放射源在该成像系统的投影数据；
根据该成像系统的投影数据获取探测器晶体接收计数分布数据；
根据所述放射源和成像系统几何结构建立数学模型，在该数学模型中进行数学正投影操作，根据该数学正投影所模拟的探测器晶体入射计数分布，获取所述探测器晶体接收计数分布数据的偏差校正系数；
使用所述偏差校正系数对所述探测器晶体接收计数分布数据进行校正，以获取探测器晶体的探测效率系数。
2.根据权利要求1所述的探测器校正方法，其特征在于，所述放射源为桶源。
3.根据权利要求1所述的探测器校正方法，其特征在于，所述根据该成像系统的投影数据获取探测器晶体接收计数分布数据包括：
针对成像系统内每一探测器晶体设置一扇束，统计该探测器晶体与该扇束覆盖的其余探测器晶体所构成的响应线上所获得的符合计数总和，作为该探测器晶体的接收计数；
获取成像系统内所有探测器晶体的接收计数，生成探测器晶体的接收计数分布数据。
4.根据权利要求3所述的探测器校正方法，其特征在于，所述扇束宽度满足使成像系统不同探测器晶体的扇束宽度所覆盖的几何范围相一致。
5.根据权利要求1所述的探测器校正方法，其特征在于，所述根据所述放射源和成像系统几何结构建立数学模型包括：利用与所述正电子发射成像系统进行配准的其它成像系统，对所述放射源进行成像，根据成像内容建立数学模型。
6.根据权利要求5所述的探测器校正方法，其特征在于，将所述其它成像系统成像的放射源区域设置为均一值。
7.根据权利要求5所述的探测器校正方法，其特征在于，所述其它成像系统为X射线断层成像系统或磁共振成像系统。
8.根据权利要求1所述的探测器校正方法，其特征在于，所述根据所述放射源和成像系统几何结构建立数学模型包括：利用拟合算法或质心算法计算放射源的特征点，从而获取所述放射源的空间位置，并根据放射源的空间位置及成像系统几何结构建立数学模型。
9.根据权利要求1所述的探测器校正方法，其特征在于，所述“获取所述探测器晶体接收计数分布数据的偏差校正系数”包括：假定系统各探测器晶体的探测效率相同，针对成像系统内每一所述探测器晶体设置一扇束，在该扇束覆盖范围内该探测器晶体与其余探测器晶体所构成的响应线上，统计所述数学正投影操作在该探测器晶体上形成的符合计数总和，作为该探测器晶体的入射计数；将该入射计数的倒数作为该探测器晶体的偏差校正系数。
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