CN107595315A - 一种发射成像设备中光响应线的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医学成像领域，并公开了一种发射成像设备中光响应线的获取方法。该方法包括下列步骤：(a)通过正电子发射成型设备获取一对伽玛光子的能量分布信息，其中能量分布信息是成对获取，且通过时间窗区分不同对的伽玛光子，一对伽玛光子的连线为待求解的光响应线，通过多对伽马光子的连线进行图像重建即可得到影像图；(b)利用能量分布信息采用重心法或者智能算法计算光响应线。通过本发明，提高光响应线获取精度，定位伽玛射线发射源，获取方式简单，速度快。

Description

一种发射成像设备中光响应线的获取方法

技术领域

本发明属于医学成像领域，更具体地，涉及一种发射成像设备中光响应线的获取方法。

背景技术

医用正电子发射断层成像系统(Positron Emission Tomography,PET)是国际先进医疗器械的代表产品，临床上广泛应用于肿瘤、心脑血管疾病和神经退行性疾病的早期诊断、治疗方案制定、预后效果预测和药物疗效评等。传统发射成像系统由多个相互独立的方块形射线探测器模块通过机械结构组装拼接成环形结构，探测器由闪烁晶体耦合光电传感器(PMT,SiPM等)构成。通过计算γ光子在单个探测器上的反应位置，从而获取符合γ事件的光响应线信息，经数据重建后获得断层扫描图像。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种发射成像设备中光响应线的获取方法，通过在发射成像设备上获取一对光子的能量分布信息，通过该能量分布信息计算光响应线，由此解决光响应线获取精度低和误差大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种发射成像设备中光响应线的获取方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将待探测物放置在发射成像设备的环形闪烁晶体的通孔中，待探测物释放多对伽玛光子，能量为511KeV的伽玛光子激发所述闪烁晶体中原子的外层电子，使其转变为激发态从而释放可见光子群，所述环形闪烁晶体上的光电传感器阵列探测所述可见光子群的能量并转换为电信号，通过在所述发射成像设备的电子电路上预先设置的时间窗，从该电子电路系统一次读取一对所述伽玛光子的能量，从而获取该对伽玛光子在所述环形闪烁晶体中沉积后的能量分布信息，其中，该对伽玛光子分别为伽玛光子1和伽玛光子2，能量分布信息反映的是伽玛光子在辐射范围内能量与位置的关系；

(b)计算待求解的光响应线，其中，利用所述能量分布信息获取该伽玛光子1和2在所述环形闪烁晶体中相应的位置点A和B所处的坐标，连接所述点A和B获得一条直线AB，该直线即为待求解的光响应线，由此完成一对伽玛光子的光响应线的获取。

进一步优选地，在步骤(b)中，计算待求解的光响应线优选采用重心法或神经网络、概率神经网络和支持向量机。

进一步优选地，所述神经网络、概率神经网络和支持向量机中构建算法模型所需的训练数据优选采用无准直、面准直或者孔准直方式获取，其中，

所述无准直是将点状正电子放射源放置在所述环形闪烁晶体内，所述发射成像设备获取多对伽玛光子的能量分布信息和光响应线，通过调整所述点状正电子放射源的位置，获取多次多对伽玛光子的能量分布信息和光响应线；

所述面准直是将所述点状正电子放射源放置在铅准直器中后，再放置在所述环形闪烁晶体中，通过调整该点状正电子放射源在铅准直器中的位置获取多次多对伽玛光子的能量分布信息和光响应线，所获取的光响应线随机分布在准直面上；

所述孔准直是将所述点状正电子放射源放置在圆柱形准直器中，再放置在所述环形闪烁晶体中，所述圆柱形准直器表面设置有多个直孔，伽玛光子通过该直孔射到环形闪烁晶体表面，由此获得多次多对伽玛光子的能量分布信息和光响应线，所获取的光响应线均经过准直孔。

进一步优选地，所述面准直包括轴向面准直、径向面准直和斜面准直。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的方法获取光响应线的定位精度高，进而更精确的定位的伽玛光子发射源，传统发射成像设备一般是由多个方形检测器组成，分别计算符合事件两个γ光子在各自检测器上反应位置，连接反应位置后计算得到光响应线信息，这其中分别计算两个光子的反应位置的两次计算，误差会累积到光响应线定位上，增加光响应线的定位误差，同时，检测器间通过机械结构拼接而成具有一定的位置误差同样会直接增加光响应线的定位误差，降低了设备的空间分辨率，本发明中利用正电子发射成像设备的特点，直接获取两个伽玛光子的能量然后计算光响应线位置，故不存在由于检测器组装拼接而产生的误差；

2、本发明中通过利用正电子发射成像设备上的设置时间窗，从而将每次获取的伽玛光子的数量控制在一对，通过伽马光子对的能量分布来确定反应位置减少不同光能量分布的叠加，没有区分单光子能量时产生的误差，计算光响应线的精度高，而传统的方法计算通过单光子产生的能量分布计算单光子的反应位置，环形闪烁晶体中符合事件的两个单光子事件产生的能量相互叠加，无法准确将叠加的能量区分开，故传统方法不适用基于环形闪烁晶体的发射成像设备；

3、本发明通过采用无准直、面准直和点准直的方式获取智能算法的训练数据，获取速度快，传统的连续晶体探测器需要分别对γ光子反应位置的x,y,z三个坐标进行准直扫描，通过机械或者电子准直的方式筛选出有效的单次事件，大部分(90％以上)的数据都被铅块挡住或者未被符合准直模块接收到，有效事件率非常低，扫描准直耗时很长；

4、本发明提供的方法操作简单易行，获取能量分布信息准确，且获取速度快，计算方法简单，精度高。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的发射成像设备中光响应线的获取方法的传统发射成像设备中光响应线获取方式示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的可见光子能量相互叠加示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的本发明提供的光响应线获取方法示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的获取伽玛光子能量分布信息的无准直方式；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的获取伽玛光子能量分布信息的面准直方式；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的获取伽玛光子能量分布信息的点准直方式。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的本发明提供的光响应线获取方法示意图，如图3所示，一种发射成像设备中光响应线的获取方法，本发明是一次获取一对光子能量分布信息，再通过该能量分布信息计算伽玛光子1和2的位置，按照本发明的一个优选实施例，该方法包括下列步骤：

(a)将待探测物放置在正电子发射成像设备的环形闪烁晶体的通孔中，待探测物释放多对伽玛光子，通过在正电子发射成像设备上设置时间窗，并利用环形闪烁晶体上的光电传感器阵列检测，从而获得一对所述伽玛光子，再通过发射成像设备上的读出电路读取该对伽玛光子的能量分布信息，即获得一对符合事件，其中，该对伽玛光子分别为伽玛光子1和伽玛光子2，能量分布信息是将光子在辐射范围离散为多个离散点，每个离散点对应一个位置和能量，所有点的能量和位置关系即为能量分布信息；

正电子发射成像设备包括闪烁晶体和光电传感器阵列，闪烁晶体是一体化的，且具有通孔，该通孔用于容纳待成像对象，光电传感器阵列与闪烁晶体耦合，用于检测伽玛光子与闪烁晶体发生反应产生的可见光子，伽玛光子通过在待成像对象体内发生的正电子湮灭效应产生。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的发射成像设备中光响应线的获取方法的传统发射成像设备中光响应线获取方式示意图，如图1所示，传统发射成像设备一般是由多个方形检测器组成，分别计算符合事件两个γ光子在各自检测器上反应位置，即通过单光子分布1计算反应位置1，再通过单光子分布2计算反应位置2，连接反应位置1和2后计算得到光响应线信息，这其中的两次计算的反应位置误差会累积到光响应线定位上，增加光响应线的定位误差，同时，检测器间通过机械结构拼接而成具有一定的位置误差同样会直接增加光响应线的定位误差，降低了设备的空间分辨率，

传统的方法计算通过单光子产生的能量分布计算单光子的反应位置，环形闪烁晶体中符合事件的两个单光子事件产生的能量相互叠加，无法准确将叠加的能量区分开，故传统方法不适用基于环形闪烁晶体的发射成像设备，图2是按照本发明的优选实施例所构建的可见光子能量相互叠加示意图，如图2所示。

(b)光响应线计算方法

本专利提供两种求解光响应线的方法，分别为重心法和智能算法。

重心法,首先将符合事件两个γ光子产生的光分布信息区分开，通过两个独立的光分布信息，利用重心算法分别计算其反应位置，连接两反应位置后可以得到该符合事件光分布对应的光响应线信息。

智能算法，智能算法第一步为采集训练数据，第二步为算法的训练过程，通过采集得到的符合事件光分布信息作为智能算法的输入，光分布对应的光响应线作为智能算法的输出训练智能算法，训练完成的智能可根据一次符合事件的光分布信息计算对应的光响应线；

智能算法包括但不限于神经网络、概率神经网络、支持向量机(SVM)等。

针对环形闪烁晶体结构的特殊性，本发明提出智能算法的训练数据的方案，示例性地：

方法1：无准直：

1)点状正电子放射源(F-18、Na-22等)依次放置在环形闪烁晶体内的不同位置；

2)放射源成对放射出能量为511KeV的γ光子，γ光子对成180°反向飞行，在环形闪烁晶体上发生能量沉积后转变为可见光子被耦合在环形闪烁晶体上的光电传感器阵列接收到；

3)记录此时放射源的位置；

4)同时采集放射源在该位置上放射出的若干个γ光子在晶体中能量沉积后的能量分布；

5)利用能量窗和时间窗筛选后可以得到多对符合事件的光分布。

方法二：面准直：

1)通过铅准直器的组合，使得γ光子从放射源射出后仅从指定的面飞行后被晶体接收到；

2)未沿指定面飞行的光子大部分被铅准直器阻挡，少部分穿透前准直器的γ光子通过重心算法预测反应位置的方法筛选删除；

面准直的方式还包括轴向面准直、径向面准直和斜面准直示例性地，图5是按照本发明的优选实施例所构建的获取伽玛光子能量分布信息的面准直方式，如图5所示，图中分别显示了三轴面准直的方法，其中，

轴向面准直，准直器由左右两块铅准直器组成，两准直器间留有一定间隙形成一个与环形闪烁晶体轴线平行的面，γ光子通过该轴向面射入到晶体环中，环形闪烁晶体静止，准直器和点源在机械平台的带动下转动，可以得到不同角度下对应的光响应线光分布信息；

径向面准直，准直器由上下两块铅准直器组成，两准直器间留有一定间隙形成一个与环形闪烁晶体轴线垂直的面，γ光子通过该径向面射入到晶体环中，环形闪烁晶体静止，准直器和点源通过机械平台上下运动，可以得到不同高度下对应的光响应线光分布信息。

斜面准直，准直器由上下两块铅准直器组成，两准直器间留有一定间隙形成一个与水平面成一定角度的斜面，γ光子通过该斜面射入到晶体环中，环形闪烁晶体静止，准直器和点源在机械平台的带动下转动的同时上下运动，可以得到不同角度及高度对应斜面的光响应线光分布信息。

需要指出的是：

(1)放射源不一定处在准直器中心位置，可根据需要放置在准直面的任意位置；

(2)轴向面准直时，左右两准直器的尺寸并不一定是相同的，可根据需要调整左右两个准直器的大小；

(3)斜面准直时，斜面相对水平面的夹角不是固定的，可根据需要改变。

方法三：孔准直：

除了无准直及面准直，本专利介绍一种通过直孔准直获取光响应线及其光分布的方法：

图6是按照本发明的优选实施例所构建的获取伽玛光子能量分布信息的点准直方式，如图6所示，点源放置在圆柱形准直器中，准直器上有若干个直孔，每个直孔径向贯穿准直器，且都经过点源；部分放射源放射出的γ光子经过直孔后被闪烁晶体接收到，大部分γ光子被铅准直器阻挡未能达到晶体。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种发射成像设备中光响应线的获取方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将待探测物放置在发射成像设备的环形闪烁晶体的通孔中，待探测物释放多对伽玛光子，能量为511KeV的伽玛光子激发所述闪烁晶体中原子的外层电子，使其转变为激发态从而释放可见光子群，所述环形闪烁晶体上的光电传感器阵列探测所述可见光子群的能量并转换为电信号，通过在所述发射成像设备的电子电路上预先设置的时间窗，从该电子电路系统一次读取一对所述伽玛光子的能量，从而获取该对伽玛光子在所述环形闪烁晶体中沉积后的能量分布信息，其中，该对伽玛光子分别为伽玛光子1和伽玛光子2，能量分布信息反映的是伽玛光子在辐射范围内能量与位置的关系；

(b)计算待求解的光响应线，其中，利用所述能量分布信息获取该伽玛光子1和2在所述环形闪烁晶体中相应的位置点A和B所处的坐标，连接所述点A和B获得一条直线AB，该直线即为待求解的光响应线，由此完成一对伽玛光子的光响应线的获取。

2.如权利要求1所述的一种发射成像设备中光响应线的获取方法，其特征在于，在步骤(b)中，计算待求解的光响应线优选采用重心法或神经网络、概率神经网络和支持向量机。

3.如权利要求2所述的一种发射成像设备中光响应线的获取方法，其特征在于，所述神经网络、概率神经网络和支持向量机构建算法模型所需的训练数据优选采用无准直、面准直或者孔准直方式获取，其中，

所述无准直是将点状正电子放射源放置在所述环形闪烁晶体内，所述发射成像设备获取多对伽玛光子的能量分布信息和光响应线，通过调整所述点状正电子放射源的位置，获取多次多对伽玛光子的能量分布信息和光响应线；

所述面准直是将所述点状正电子放射源放置在铅准直器中后，再放置在所述环形闪烁晶体中，通过调整该点状正电子放射源在铅准直器中的位置获取多次多对伽玛光子的能量分布信息和光响应线，所获取的光响应线随机分布在准直面上；

所述孔准直是将所述点状正电子放射源放置在圆柱形准直器中，再放置在所述环形闪烁晶体中，所述圆柱形准直器表面设置有多个直孔，伽玛光子通过该直孔射到环形闪烁晶体表面，由此获得多次多对伽玛光子的能量分布信息和光响应线，所获取的光响应线均经过准直孔。

4.如权利要求3所述的一种发射成像设备中光响应线的获取方法，其特征在于，所述面准直包括轴向面准直、径向面准直和斜面准直。