CN108209958A - 一种归一化校正因子的确定、获取方法及医学成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种归一化校正因子的获取方法，其基于单通道的计数率确定所述单通道所在响应线的归一化校正因子，包括以下步骤：S1对初始均匀活度的假体进行指定时间的实际数据采集，所述假体的体积覆盖目标成像视野；S2基于所述实际数据，获取任意一条响应线上的第i、j单通道各自的实际事件计数SR_i、SR_j；S3基于同样的活度和扫描时间，对于同样尺寸的假体进行理论数据采集；S4基于所述理论数据，获取相应响应线上的第i、j单通道的理论事件计数ST_i、ST_j；S5确定所述响应线归一化校正因子NS_ij＝NS_ij＝(ST_i*ST_j)/(SR_i*SR_j)，该方法所确定的归一化校正因子，基于单通道的计数率进行统计，对数据量要求低，且能更好地反映系统的探测器特征。

Description

一种归一化校正因子的确定、获取方法及医学成像方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其是归一化校正因子的确定、获取方法及医学成像方法。

背景技术

PET是英文Positron Emission Tomography的缩写。其临床显像过程为：将发射正电子的放射性核素(如F－18等)标记到能够参与人体组织血流或代谢过程的化合物上，将标有带正电子化合物的放射性核素注射到受检者体内。让受检者在PET的有效视野范围内进行PET扫描。放射核素发射出的正电子在体内移动大约1mm后与组织中的负电子结合发生湮灭辐射，产生两个能量相等(511KeV)、方向相反的γ光子。利用PET系统的探测装置，可以探测该γ光子对，进而分析正电子的存在，并重建反映生物体各组织代谢情况的PET图像，获得示踪剂在受检生物体内的浓度分布，医生可以据此判断癌症等疾病的病灶。

由于两个光子在体内的路径不同，到达两个探测器(每个探测器包括多组基本数据探测单元，每组基本数据探测单元包括一闪烁晶体及对应的光电倍增器)的时间也有一定差别，如果在规定的时间窗内(一般为0－15ns)，探头系统探测到两个互成180度(±0.25度)的光子时，即为一个“符合事件”，上述探测到一个γ光子入射到一个闪烁晶体的事件可以称之为“单事件”。

为获得清晰的图像，在进行PET图像重建之前需要对扫描得到的PET数据进行校正，常用的数据校正包括随机校正、归一化校正、散射校正、衰减校正等。在PET成像过程中，由于几何结构、硬件性能等因素，往往导致探测系统中不同位置处探测器的探测效率不一致，进而造成数据失真，使得最终形成的图像上产生伪影。用于消除探测器各单通道之间的探测效率差异的方法被称为归一化校正，其中探测器的单通道指PET探测系统中的基本数据探测单元，PET探测系统中任意两个不同单通道之间的虚拟连线称为响应线(LOR)。当该响应线两端的单通道各自探测到一个γ光子，且这两个γ光子被判断为产生于同一次同位素衰变事件时，则认为该响应线的计数+1。

传统的PET归一化校正方法原理是根据每条响应线的计数率进行校正。该方法一般采用一个圆柱形均匀假体，放在PET成像视野的中心进行扫描。在完成扫描后对每个探测器单通道获得到的事件进行符合来得到每条响应线上的符合事件数量。然后将各条响应线上通过仿真或者理论计算获得到理想情况下的符合事件数量除以实际获得符合事件数量则可以获得该响应线的归一化校正因子。

但是由于传统归一化方法对于数据量需求巨大，在目前技术下难以得到理想的校正因子。假设系统的单通道数量为n(一般为10⁴或10⁵量级)，那么系统的响应线数为(n²-n)/2。首先，由于系统中响应线数量庞大，每次采集数据分配到每条响应线上的数据量会大大降低。其次，还存在符合概率的问题，由于每条晶体/对应单通道对所到达的γ光子探测效率并不是100％，那么每条响应线在每次成像过程中的符合率也会存在波动。假设在探测器探测效率一致的前提下，每个单通道的实际计数率为k％，那么对于位于某条响应线上的事件来说其实际探测效率(E)的分布区间为：

举个简化的例子，假设单通道探测效率为60％，在某条响应线上存在10个理论符合事件，当两头的单通道都探测到前6个单事件，该响应线的探测效率为60％；而当位于一头单通道探测到前6个单事件，而另一头的单通道探测到后6个单事件，那么该响应线实际探测效率为20％，即对于系统中每个独立的单通道或响应线说，每次成像其计数率都可能是存在波动的。这种效应对于低计数时将会非常明显，在每条LOR上只有几十个甚至几个采样时，我们甚至无法判断这些事件是否是噪声。故采用现有的归一化校正方法对扫描得到的PET数据进行校正时，存在着以下两大问题：1、响应线符合效率波动，按照现有方法进行归一化校正后一致性较差；2、目前采样数据量不足，难以形成准确的归一化校正因子。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PET成像归一化校正因子的确定、获取方法以及医学成像方法，上述方法通过分别确定每个单通道的计数率归一化校正因子，然后将响应线两端所对应单通道的归一化校正因子的乘积作为该响应线最终的归一化校正因子，其不仅能更好地反映系统的探测器特征，对数据量要求低，而且受到射源放置位置以及散射的影响也会小很多。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

本发明提供了一种归一化校正因子的获取方法，包括以下步骤：

S1对初始均匀活度的假体进行指定时间的实际数据采集，所述假体的体积覆盖目标成像视野；

S2基于所述实际数据，获取任意一条响应线上的第i、j单通道各自的实际事件计数SR_i、SR_j；

S3基于同样的活度和扫描时间，对于同样尺寸的假体进行理论数据采集；

S4基于所述理论数据，获取相应响应线上的第i、j单通道的理论事件计数ST_i、ST_j；

S5确定所述响应线归一化校正因子NS_ij＝NS_ij＝(ST_i*ST_j)/(SR_i*SR_j)。

作为一优选方案，上述还归一化校正因子的获取方法包括响应线归一化校正因子的修正步骤，设置归一化限制因子m，m范围为1——1×10⁸，并统计响应线归一化校正因子最小值NC_m，则修正后的响应线归一化校正因子NC_ij为：

进一步的，所述步骤S1中，所述活度范围为0.01mCi～50mCi(毫居里，电离辐射的单位)。

进一步的，所述步骤S1中，所述扫描时间为1min～200min。

进一步的，所述步骤S1中，所述假体为圆柱假体。

进一步的，所述步骤S1中，所述成像视野为PET探测系统中可以用于放置被扫描物体并进行成像的三维空间。

作为一优选方案，所述步骤S4中，经由系统响应矩阵正投影获取所述理论事件计数ST_i、ST_j。

作为一优选方案，所述步骤S4中，经由仿真方法获取所述理论事件计数ST_i、ST_j。

进一步的，经由蒙特卡洛仿真方法获取所述理论事件计数ST_i、ST_j。

作为一优选方案，所述步骤S4中，经由数学方式确定所述理论事件计数ST_i、ST_j。

进一步的，

所述理论事件计数ST_i为

所述理论事件计数ST_j为

其中，C_ijuv是来自于探测装置第u环的第i条晶体与来自第v环的第j条晶体形成的响应线的理论计数；G_uvr是该响应线的径向几何因子；P_uv是第u环与第v环的探测器阵列几何因子；b_LORijuv是单个探测器切向几何因子；μ_LORijuv是单个探测器轴向几何因子；d_work是晶体之间串扰因子；t_ijuv是时间校正因子；A_corr是假体活度沿该响应线方向的投影值，n为探测单通道总数。

同时，本发明提供了一种归一化校正因子的确定方法，其基于单通道的计数率确定所述单通道所在响应线的归一化校正因子，则所述响应线的归一化校正因子

NS_ij＝(ST_i/SR_i)*(ST_j/SR_j)

其中，SR_i、SR_j为任一响应线上的第i、j单通道各自的实际事件计数，ST_i、ST_j为对应响应线上的第i、j单通道各自的理论事件计数。

此外，本发明还提供了一种医学成像方法，包括以下步骤：

(Ⅰ)获取受检体的扫描数据，并基于所述扫描数据获取任一响应线两端单通道i和j的实际符合事件计数CR_ij；

(Ⅱ)根据如权利要求1至8任一项所述的方法，获取任一响应线的归一化校正因子NS_ij；

(Ⅲ)根据所述归一化校正因子NS_ij，对相应响应线上的实际符合事件计数CR_ij进行校正，所述响应线的归一化校正后计数C_ij为NS_ij*CR_ij；

(Ⅳ)根据所述校正后的扫描数据，获得所述受检体的重建图像。

本发明所公开的一种归一化校正因子的确定及获取方法,其在确定归一化校正因子时，基于单通道的计数率进行统计，与传统的基于每条响应线的计数率统计确定归一化校正因子相比，由于每个单独单通道的数据量级相对每条响应线符合事件数量级而言得到有效提高(其数据量至少为按照符合事件统计的(n-1)/2倍，其中，n为单通道总数，其数量级为10⁴到10⁵)，故基于单通道的计数率确定的归一化校正因子NS_ij的统计准确性得到提升，在更低数据量条件下可以达到同样的校正效果(对数据量要求低)，能更好地反映系统的探测器特征，而且受到射源放置位置以及散射的影响也会小很多。同时，本方法采用单事件而非符合事件进行校正，排除了符合偶然性的影响，因此所获得的归一化校正因子具有较好的一致性。

本发明所示的医学成像方法，当其应用上述归一化校正因子进行医学成像时，由于该归一化校正有因子能够有效消除统计误差，同时排除掉符合率误差因素，使得归一化校正参数的稳定性和准确度明显提升，故经该归一化校正因子校正后，与传统校正方法相比，在更低数据量条件下可以达到同样的成像效果。

附图说明

图1为本发明所示方法所示的归一化校正因子的获取方法的工作流程示意图；

图2为本发明所示的医学成像方法工作流程示意图；

图3(a)为图像质量假体未进行归一化校正的图像；

图3(b)为图像质量假体经发明所示的归一化校正因子进行校正后的图像。

具体实施方式

本发明一实施例公开了一种归一化校正因子获取方法，包括以下步骤：

S1对初始均匀活度的假体进行指定时间的实际数据采集，所述假体的体积覆盖目标成像视野；

其中，步骤S1中，采用PET探测系统对一个均匀活度的圆柱假体进行数据采集，所述成像视野为PET探测系统中可以用于放置被扫描物体并进行成像的三维空间(field ofview，简称FOV)，即假体不能小于所用到的FOV，活度范围取为0.01mCi～50mCi，扫描时间取为1min～200min。所述圆柱假体是一个圆柱形的壳体，内部空腔可以注入PET示踪剂溶液用来作为射源进行成像；所述扫描时间指从开始PET扫描到结束扫描的时间；所采集的数据被存储在计算机或者服务器上。

S2基于所述实际数据，获取任意一条响应线上的第i、j单通道各自的实际事件计数SR_i、SR_j；

将上述假体放置在待校正的PET探测系统成像视野中心，扫描一段时间后其每个单通道均可以直接采集到若干事件，在进行能量筛选后，通过数据处理软件统计每个单通道获得的事件数量总和则可以得到单通道的实际事件计数。所述单通道指PET探测系统中的基本数据探测单元，所述响应线为PET探测系统中任意两个不同单通道之间的虚拟连线。当该响应线两端的单通道各自探测到一个γ光子，且这两个γ光子被判断为产生于同一次同位素衰变事件时，则认为该响应线的计数+1。

S3基于同样的活度和扫描时间，对于同样尺寸的假体进行理论数据采集；

S4基于所述理论数据，获取相应响应线上的第i、j单通道的理论事件计数ST_i、ST_j；

基于步骤S3中所确定理论数据，在完成衰减、散射、随机等物理校正后，统计第i条单通道的理论事件计数ST_i、ST_j；其中ST_i与ST_j的确定步骤一致。

步骤S4中，作为一个优选方案，经由系统响应矩阵将假体模型正投影获取理论事件计数STi、ST_j；正投影的方法是采用与该假体具有同样外形设置的均匀三维图形沿着探测系统单通道之间的连线进行投影，每个单通道的数据量与该连线穿过假体的长度成正比。

步骤S4中，作为一个优选方案，还可经由仿真实验方法获取理论事件计数ST_i或ST_j。所述仿真实验是采用基于如蒙特卡洛方法的仿真软件或程序，模拟射源产生射线并被虚拟的探测系统采集到的过程。在仿真实验中需要设置假体的几何尺寸、活度、材料、位置，探测系统的几何参数、材料、电子学特性等参数。

步骤S4中，作为一个优选方案，经由数学计算的方式确定理论事件计数ST_i或ST_j。

则第i个单通道的事件计数ST_i为：

第j个单通道的事件计数ST_j为：

其中，C_ijuv是来自于探测装置第u环的第i条晶体与来自第v环的第j条晶体形成的响应线的理论计数；G_uvr是该响应线的径向几何因子；P_uv是第u环与第v环的探测器阵列几何因子；b_LORijuv是单个探测器切向几何因子；μ_LORijuv是单个探测器轴向几何因子；d_work是晶体之间串扰因子；t_ijuv是时间校正因子；A_corr是假体活度沿该响应线方向的投影值，n为探测单通道总数。

S5确定所述响应线归一化校正因子NS_ij＝(ST_i*ST_j)/(SR_i*SR_j)。

本发明所公开的一种归一化校正因子的获取方法，其在确定归一化校正因子时，打破传统的基于响应线计数率进行统计的校正思路，选择基于单通道的计数率进行统计，由于每个单通道数据量级相对原来的基于响应线计数率的数据量级(即基于每条响应线上的符合事件数量)而言得到有效提高，其数据量为按照符合事件统计的(n-1)/2倍，其中，n为单通道总数，其数量级为10⁴到10⁵，故基于单通道的计数率确定的归一化校正因子NS_ij的统计准确性得到提升，能更好地反映系统的探测器特征，对数据量要求低，在更低数据量条件下可以达到同样的校正效果，而且受到射源放置位置以及散射的影响也会小很多。

与传统的归一化校正因子的确定方法相比，具有以下好处：

(1)低数据量要求：采用本发明所示的归一化校正因子的确定方法，由于其对数据量级要求低，在更低数据量条件下可以达到同样的校正效果。

每次扫描时，基于同样扫描，由于每个单通道的数据量至少可以提高为(n-1)/2倍，故基于单通道的计数率确定的归一化校正因子NS_ij的统计准确性得到提升，因此如需要达到与现有方法同样的校正质量，本方法所需扫描数据的数据量同样可以按照以上量级降低。换言之，基于相同的扫描方式，本发明所示归一化校正因子的确定方法，可达到更好的校正效果。

而采用传统的方法若要达到与本方法同等的统计准确性，需要大幅延长扫描时间或提高射源活度才能，同时对于硬件的数据存储速度与容量提出了巨大挑战，这在实际使用过程中是无法实现的；且由于归一化校正需要频繁进行，因此出于成本和实用性的考虑，采用传统归一化校正方法只能在精度上进行妥协。

(2)高精度：本方法采用单事件而非符合事件进行校正，排除了符合偶然性的影响，因此所获得的归一化校正因子具有较好的一致性。

此外，为防止引入坏道造成的噪声，本发明所示的归一化校正因子获取的方法，还包括响应线归一化校正因子的修正步骤，步骤S5结束后，设置归一化限制因子m，m范围为1～1×10⁸，并统计响应线归一化校正因子最小值NC_m，则修正后的响应线归一化校正因子NC_ij为：

当某个单通道的计数远远小于其他单通道的平均计数时，我们认为该单通道为坏道，这时该单通道采集到的数据往往是异常的，如果仍然采用的话则会造成数据噪声。因此本发明所示的归一化校正的确定方法，进一步把所认为是坏道的计数全部剔除掉，即将该单通道的计数设为0，以防止引入坏道噪声。

本发明所示的归一化校正因子确定实验流程具体设计可如下所示：

(1)将直径为10～1000mm的圆柱假体注射1～5mCi FDG溶液，然后注满水；

(2)待溶液充分混合后把圆柱假体按照同轴的方式放置在待测PET成像装置的FOV中心；

(3)扫描10～60min，得到第i个单通道的实际事件计数SR_i；

(4)采用同样的实际数据通过符合电路或软件程序完成符合，完成衰减、散射、随机等物理校正后，得到两端单通道编号为i，j的响应线的实际符合事件计数CR_ij；

(5)采用同样的设计进行计算机软件仿真实验，完成衰减、散射、随机等物理校正后，统计第i条单通道的理论事件计数ST_i；

(6)通过数据处理软件确定校正后的两端单通道编号为i，j的响应线计数C_ij

(6-1)确定每个单通道的归一化因子NS_i＝ST_i/SR_i；

(6-2)确定两端单通道编号为i，j的响应线归一化因子NC_ij＝NS_i×NS_j；

(6-3)为防止引入坏道造成的噪声，需要设置归一化限制因子m，m设置范围为1～1×10⁸；统计响应线归一化因子最小值为NC_m，则修正后的响应线归一化因子为：

(6-4)校正后的两端单通道编号为i，j的响应线计数Cij＝NCij×CRij；

本发明一实施例还公开了一种归一化校正因子的确定方法，其基于单通道的计数率确定所述单通道所在响应线的归一化校正因子，则所述响应线的归一化校正因子

NS_ij＝(ST_i/SR_i)*(ST_j/SR_j)

其中，SR_i、SR_j为任一响应线上的第i、j单通道各自的实际事件计数，ST_i、ST_j为对应响应线上的第i、j单通道各自的理论事件计数。该方法打破传统的基于响应线计数率进行统计的校正思路，选择基于单通道的计数率进行统计，由于每个单通道数据量级相对原来的基于响应线计数率的数据量级(即基于每条响应线上的符合事件数量)而言得到有效提高，其数据量为按照符合事件统计的(n-1)/2倍，其中，n为单通道总数，其数量级为10⁴到10⁵，故基于单通道的计数率确定的归一化校正因子NS_ij的统计准确性得到提升，能更好地反映系统的探测器特征，对数据量要求低，而且受到射源放置位置以及散射的影响也会小很多。

本发明一实施例中还公开了一种医学成像方法，包括以下步骤：

(Ⅰ)获取受检体的扫描数据，并基于所述扫描数据获取任一响应线两端单通道i和j的实际符合事件计数CR_ij。其中，基于受检体的扫描数据中的单事件进行能量筛选和时间符合，检测到的时间差在规定范围内(可以为0.5～20ns)则形成符合事件CR_ij

(Ⅱ)根据前述方法，获取任一响应线的归一化校正因子NS_ij；

(Ⅲ)根据所述归一化校正因子NS_ij，对相应响应线上的实际符合事件计数CR_ij进行校正，所述响应线的归一化校正后计数C_ij为NS_ij*CR_ij；

(Ⅳ)根据所述校正后的扫描数据，获得所述受检体的重建图像。

本实施例所示的医学成像方法，进行图像重建时，先基于响应线两端单通道i和或j上的实际事件与理论事件确定各单通道的校正因子NS_i、NS_j，然后基于各单通道的校正因子确定该响应线的归一化校正因子NS_i*NS_j，最终将受检体所采集到的符合事件乘以已确定响应线的归一化校正因子，实现归一化校正，与传统方法相比相比较，基于同样的采样数据，由于响应线的归一化校正因子NS_ij是基于单通道的计数率统计确定的，其数据量将是按照符合事件统计的(n-1)/2倍，故在此基础上所确定归一化校正因子NS_ij统计的准确性得到提升，当将其作为归一化校正因子进行医学成像时，能够有效消除统计误差，同时排除掉符合率误差因素，使得归一化校正参数的稳定性和准确度明显提升，经该归一化校正因子校正后，在更低数据量条件下可以达到同样的成像效果。

为了进一步验证本发明所示成像方法的可靠性，使用专门用于评估校正效果的“图像质量假体”进行成像验证。上述假体具有三种区域：热源(高活度区域)、冷源(无活度区域)、背景(除冷源和热源外的低活度区域)，其中背景区域活度均匀。使用上述假体归一化校正前的图像如图3(a)所示，可以看到图像中背景区域十分不均匀，存在明显亮区和暗区，而基于本方法完成归一化校正后的图像如图3(b)所示，从图中可以看到，使用本发明所示的归一化校正因子确定方法进行医学成像后，背景区域变得更加均匀。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种归一化校正因子的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1对初始均匀活度的假体进行指定时间的实际数据采集，所述假体的体积覆盖目标成像视野；

S2基于所述实际数据，获取任意一条响应线上的第i、j单通道各自的实际事件计数SR_i、SR_j；

S3基于同样的活度和扫描时间，对于同样尺寸的假体进行理论数据采集；

S4基于所述理论数据，获取相应响应线上的第i、j单通道的理论事件计数ST_i、ST_j；

S5确定所述响应线归一化校正因子NS_ij＝NS_ij＝(ST_i*ST_j)/(SR_i*SR_j)。

2.根据权利要求1所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，还包括响应线归一化校正因子的修正步骤，设置归一化限制因子m，m范围为1——1×10⁸，并统计响应线归一化校正因子最小值NC_m，则修正后的响应线归一化校正因子NC_ij为：

3.根据权利要求1所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述活度范围为0.01mCi～50mCi；

优选的，所述步骤S1中，所述扫描时间为1min～200min。

4.根据权利要求1所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述假体为圆柱假体；

优选的，所述步骤S1中，所述成像视野为PET探测系统中可以用于放置被扫描物体并进行成像的三维空间。

5.根据权利要求1所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，所述步骤S4中，经由系统响应矩阵正投影获取所述理论事件计数ST_i、ST_j。

6.根据权利要求1所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，所述步骤S4中，经由仿真方法获取所述理论事件计数ST_i、ST_j；

优选的，经由蒙特卡洛仿真方法获取所述理论事件计数ST_i、ST_j。

7.根据权利要求1所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，所述步骤S4中，经由数学方式确定所述理论事件计数ST_i、ST_j。

8.根据权利要求7所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，

所述理论事件计数ST_i为

所述理论事件计数ST_j为

其中，C_ijuv是来自于探测装置第u环的第i条晶体与来自第v环的第j条晶体形成的响应线的理论计数；G_uvr是该响应线的径向几何因子；P_uv是第u环与第v环的探测器阵列几何因子；b_LORijuv是单个探测器切向几何因子；μ_LORijuv是单个探测器轴向几何因子；d_work是晶体之间串扰因子；t_ijuv是时间校正因子；A_corr是假体活度沿该响应线方向的投影值，n为探测单通道总数。

9.一种归一化校正因子的确定方法，其特征在于，基于单通道的计数率确定所述单通道所在响应线的归一化校正因子，则所述响应线的归一化校正因子

NS_ij＝(ST_i/SR_i)*(ST_j/SR_j)

其中，SR_i、SR_j为任一响应线上的第i、j单通道各自的实际事件计数，ST_i、ST_j为对应响应线上的第i、j单通道各自的理论事件计数。

10.一种医学成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(Ⅰ)获取受检体的扫描数据，并基于所述扫描数据获取任一响应线两端单通道i和j的实际符合事件计数CR_ij；

(Ⅱ)根据如权利要求1至8任一项所述的方法，获取任一响应线的归一化校正因子NS_ij；

(Ⅲ)根据所述归一化校正因子NS_ij，对相应响应线上的实际符合事件计数CR_ij进行校正，所述响应线的归一化校正后计数C_ij为NS_ij*CR_ij；

(Ⅳ)根据所述校正后的扫描数据，获得所述受检体的重建图像。