CN106037782B - 一种针孔spect系统的几何校正模体及其校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针孔SPECT系统的几何校正模体及其校正方法。本发明的校正模体采用基体内设置多个直线段形状的空腔，空腔的一端起始于基体的表面，另一端终止于基体内；空腔的横截面的直径远小于空腔的长度；多个空腔在同一平面内并且彼此没有重合点，但各个空腔所在的直线段的延长线至少有三个交点；放射性同位素药物注满空腔，形成线源，空腔中浓度最高的位置所在的直线段的延长线的交点作为虚拟点源；通过randon变换得到虚拟点源，可以使得校正中点源的位置更加精确，从而椭圆轨迹的计算也更加准确，从而消除累积误差，提高校正的精确度；本发明具备操作简单、可控性强、腔体精度高等特点。
Description
技术领域
本发明属于医学成像技术，具体涉及一种针孔SPECT系统的几何校正模体及其校正方法。
背景技术
单光子发射计算机断层成像技术(Single-Photon Emission ComputedTomography,SPECT)利用放射性核素失踪技术，通过探测生物体内摄入的放射性同位素药物发射出的射线，通过重建算法进行数据重建，获得药物及靶向分子的分布和代谢信息。空间分辨率和灵敏度是衡量SPECT探测器性能的重要参数。其中，空间分辨率会受到探测器晶体像素尺寸的限制，而难以得到较高的空间分辨率。利用针孔准直器，基于针孔放大成像的原理，则可以通过调整物距和像距实现灵活的放大倍数设置，使得空间分辨率的提高摆脱晶体像素尺寸的限制。荷兰Utrecht大学研制出的U-SPECT-II小动物SPECT原型机使用多针孔孔准直器，空间分辨率达到了0.3mm。美国Mediso公司采研发的小动物SPECT采用针孔准直器，已经可以达到亚毫米级的空间分辨率。集成针孔准直器的SPECT探测器，也在人体脑部、心脏成像得到了一定应用，在提供较高空间分辨率的同时，也能保证计数率和灵敏度特性。由此可见，针孔SPECT探测器对提高SPECT系统显像的空间分辨率至关重要。
在使用针孔SPECT系统中，需要对其进行几何校正。几何校正是对五个参量进行确定，用来保证SPECT图像重建时减少伪影。
针孔SPECT系统如图1所示，校正模体1放置在载物台2上，通过针孔3在uv探测器面上形成投影1’。具体参量标定如下表所示：
单针孔SPECT系统中需要校正的几何参数
较为常见的几何校正方法是迭代求解法和解析拟合法。在几何校正过程中，都要基于点源进行投影采集，进而进行几何校正算法。通常通过制作较小的实体点(直径控制在0.5mm之内)，近似作为点源用于校正。然而，在实际操作工程中，由于放射性同位素药物多为液体状态，制作点源房体较为困难，制作出来的点源尺寸也难以把握。且实体点源有一定的体积，相较理想点源存在误差，也会带入校正过程中，影响校正精度；实体液态点源在长时间实验过程中不易控制，容易挥发，带来实验过程中多种不便。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种针孔SPECT系统的几何校正模体及其校正方法，具备操作简单、可控性强、腔体精度高等特点。
本发明的一个目的在于提出一种针孔SPECT系统的几何校正模体。
本发明的针孔SPECT系统的几何校正模体包括：基体和多个空腔；在基体内设置多个空腔，空腔的一端起始于基体的表面，另一端终止于基体内；每一个空腔为直线段形状，空腔的横截面的直径远小于空腔的长度；多个空腔所在的直线段位于同一个平面内，并且彼此没有交点，但各个空腔所在的直线段的延长线至少存在三个交点；放射性同位素药物注满空腔，形成线源，空腔所在的直线段的延长线的交点作为虚拟点源；校正模体放置在载物台上，并且空腔所在的直线段的延长线的交点至少存在三个不在载物台的旋转轴上，在校正模体与SPECT探测器之间设置针孔准直器，形成SPECT几何校正系统。
空腔的横截面的直径在0.5mm以下；空腔的长度在20mm以上。
校正模体的基体的材料采用亚克力或聚乙烯塑料。
本发明的另一个目的在于提供一种针孔SPECT几何校正方法。
本发明的针孔SPECT几何校正方法，包括以下步骤：
1)在校正模体的每一个空腔内注满放射性同位素药物，形成多个线源；
2)将校正模体放置在载物台上，校正模体与SPECT探测器之间设置针孔准直器；
3)载物台位于一定的旋转角度，每一个空腔在SPECT探测器上投影，提取空腔中放射性同位素药物浓度最高的投影位置得到在uv探测器面上的直线段；
4)每一个空腔所形成的线源在uv探测器面上的投影为一条直线段，将每一条直线段通过拉登randon变换，对应得到极坐标空间的一个点；
5)将在极坐标空间的每一个点进行反randon变换，分别得到uv探测器面上的多条直线，然后找到多条直线相交的交点，存在n个交点不在载物台的旋转轴上，n为自然数且≥3，形成在当前旋转角度下的n个虚拟点源在uv探测器面上的投影；
6)载物台带动校正模体旋转到一定角度，重复步骤3)～5)，直至载物台旋转360°，得到每一个旋转角度下的虚拟点源的在uv探测器面上的投影，将每一个虚拟点源在uv探测器面上各个旋转角度下的投影进行连线，形成一个椭圆轨迹，n个虚拟点源分别形成n个椭圆轨迹；
7)以n个虚拟点源形成的椭圆轨迹对针孔SPECT系统进行几何校正。
其中，在步骤5)中，根据多个线源浓度最高位置在uv探测器面上的投影所在的直线，得到多组直线方程，取出任意两组直线方程，求解线性方程的解，将距离在最小阈值以内的点或者超出视野范围的点剔除，直到得到直线间的各个交点，即为线源组合得到的虚拟点源在uv探测器面上的投影。
本发明的优点：
本发明采用在基体内设置多个直线段形状的空腔，将空腔延长线的交点作为虚拟点源；通过randon变换得到虚拟点源，可以使得校正中点源的位置更加精确，从而椭圆轨迹的计算也更加准确，从而消除累积误差，提高校正的精确度；本发明具备操作简单、可控性强、腔体精度高等特点。
附图说明
图1为SPECT几何校正系统的示意图，其中，(a)为结构图，(b)为原理图，(c)为uv探测器面内的面内旋转角的示意图；
图2为本发明的SPECT几何校正模体的一个实施例的剖面图；
图3为根据本发明的SPECT几何校正方法的一个实施例得到的多条直线及交点的示意图；
图4为根据本发明的SPECT几何校正方法的一个实施例得到的第i个虚拟点源在uv探测器面内形成的椭圆轨迹的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的SPECT几何校正模体包括：基体11和第一至第四空腔12～15；在基体内11设置4个直线段形状的空腔12～15，4个空腔所在的直线段位于同一个平面，每一个空腔的横截面为0.5mm，长度为大于20mm，空腔的一端起始于基体的表面，另一端终止于基体内；第一空腔12为竖直方向，第二至第四空腔13～15互相平行，延长线分别与第一空腔12相交，形成3个交点，作为3个虚拟点源。
本发明的针孔SPECT几何校正方法，包括以下步骤：
1)在校正模体的每一个空腔内注满放射性同位素药物，形成4个线源；
2)将校正模体放置在载物台上，校正模体与SPECT探测器之间设置针孔准直器；
3)每一个空腔在SPECT探测器上投影，提取空腔中放射性同位素药物浓度最高的位置得到在uv探测器面上的直线段；
4)每一个空腔所形成的线源在uv探测器面上的投影为一条直线段，将每一条直线段通过拉登randon变换，对应得到极坐标空间的一个点；
5)将在极坐标空间的每一个点进行反randon变换，分别得到uv探测器面上的4条直线，然后找到多条直线相交的3个交点，并且这3个交点均不在载物台的旋转轴上，如图3所示，形成虚拟点源在uv探测器面上的投影；
6)在载物台坐标系(x,y,z)里，载物台带动校正模体旋转到一定角度，重复步骤3)～5)，直至载物台旋转360°，得到每一个旋转角度下的虚拟点源的在uv探测器面上的投影，则在uv探测器面内，将每一个虚拟点源在uv探测器面上各个旋转角度下的投影进行连线，形成3个虚拟点源的椭圆轨迹；
7)以虚拟点源形成的椭圆轨迹对针孔SPECT系统进行几何校正，具体包括以下步骤：确定需要进行几何校正的参数包括：
a)载物台的旋转中心距离针孔准直器中心的距离R1；
b)物体距离探测器中心的距离R2；
c)载物台坐标系x轴与uv探测器面的交点(u0，v0)；
d)uv探测器面内u轴与x轴的面内旋转角
i.找到第i个椭圆轨迹的长短轴对应的4个顶点坐标Ai1(ui1,vi1)～Ai4(ui4,vi4)，以及各个椭圆轨迹的中心坐标Ai0(ui0,vi0)，i＝1，…，n，如图4所示，作为基准点，为后面校正标定；
ii.根据椭圆轨迹构造参数Mi和Ni：
其中，参数Mi和Ni满足线性关系Mi＝a+bNi，Ai3Ai4分别为椭圆轨迹的长轴长度，vi1和vi2分别是椭圆轨迹的短轴顶点的纵坐表，a和b分别为线性参数，a＝v0，b＝R2，选取多个虚拟点源的投影数据，做线性拟合，得到v0和R2；
iii.n个椭圆轨迹中，每i个椭圆轨迹的中心坐标有如下关系：
ui0＝a2+b2vi0
式中的vi0和ui0即为第i个椭圆轨迹的中心点坐标，多个虚拟点源同时成像，可以形成多个椭圆轨迹，a2和b2为线性参数，线性拟合ui0＝a2+b2vi0得到a2和b2。
iv.u0和v0之间存在线性关系u0＝a2+b2v0，由上一步(iii)已经得到a2和b2以及(ii)中得到的v0，带入线性关系等式u0＝a2+b2v0，得到u0；
v.由b2得到面内旋转角
vi.在载物台坐标内选取任意两个虚拟点源，旋转、投影之后，在uv探测器平面上得到两个椭圆，第一椭圆与第二椭圆，来校正物距R2，计算公式：
其中，A10A20为第一椭圆轨迹与第二椭圆中心之间的距离，D1和D2分别为第一椭圆轨迹与第二椭圆轨迹的长轴长度，l为第一虚拟点源与第二虚拟点源的空间距离，夹角α1和α2表示在载物台坐标系(x,y,z)中，第一虚拟点源和第二虚拟点源分别与坐标原点相连，各自连线与z轴的夹角；至此，五个主要参数校正完毕。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (2)
1.一种针孔SPECT几何校正方法，其特征在于，所述校正方法包括以下步骤：
1)在校正模体的每一个空腔内注满放射性同位素药物，形成多个线源；
2)将校正模体放置在载物台上，校正模体与SPECT探测器之间设置针孔准直器；
3)载物台位于一定的旋转角度，每一个空腔在SPECT探测器上投影，提取空腔中放射性同位素药物浓度最高的投影位置得到在uv探测器面上的直线段；
4)每一个空腔所形成的线源在uv探测器面上的投影为一条直线段，将每一条直线段通过拉登randon变换，对应得到极坐标空间的一个点；
5)将在极坐标空间的每一个点进行反randon变换，分别得到uv探测器面上的多条直线，然后找到多条直线相交的交点，存在n个交点不在载物台的旋转轴上，n为自然数且≥3，形成在当前旋转角度下的n个虚拟点源在uv探测器面上的投影；
6)载物台带动校正模体旋转到一定角度，重复步骤3)～5)，直至载物台旋转360°，得到每一个旋转角度下的虚拟点源的在uv探测器面上的投影，将每一个虚拟点源在uv探测器面上各个旋转角度下的投影进行连线，形成一个椭圆轨迹，n个虚拟点源分别形成n个椭圆轨迹；
7)以n个虚拟点源形成的椭圆轨迹对针孔SPECT系统进行几何校正。
2.如权利要求1所述的校正方法，其特征在于，在步骤5)中，根据多个线源浓度最高位置在uv探测器面上的投影所在的直线，得到多组直线方程，取出任意两组直线方程，求解线性方程的解，将距离在最小阈值以内的点或者超出视野范围的点剔除，直到得到直线间的各个交点，即为线源组合得到的虚拟点源的位置。
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