CN108932740B - 一种归一化校正因子获取方法及医学成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种归一化校正因子获取方法，包括：在均匀模体衰减过程中，基于实际采集的数据确定探测系统中任意两个通道i₁和i₂所形成的响应线实际灵敏度为

所述ε_i为第i个通道的实际灵敏度；在相同探测系统中，基于系统响应矩阵确定任意第i₁和i₂两个通道所形成的响应线的理论灵敏度为

所述η_i为第i个通道的理论灵敏度；确定探测系统中任意第i₁和i₂两个通道所形成的响应线的归一化因子为：

该方法通过用于校正系统响应矩阵响应线几何因子与实际探测系统响应线几何因子的差异，以实现响应线灵敏度的校正，进而实现探测系统灵敏度校正。

Description

一种归一化校正因子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装置的探测系统，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。

探测通道(以下部分地方简称“通道”)作为最基本的接收γ光子信号的单元，每个通道仅和一个晶体耦合，由于两个光子在体内的路径不同，到达两个探测通道的时间也有一定差别，如果在规定的时间窗内(一般为0－15ns)，探测系统探测到两个互成180度(士0.25度)的光子时，即为一个“符合事件”，获得“符合事件”的一对探测器之间的“连线”称投影线，或称响应线(LOR)，对于任意一个探测通道i而言，如图1所示，在探测系统中存在一定数量的探测通道j可以与第i个探测通道形成响应线。

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灵敏度不一致，进而造成数据失真，使得最终形成的图像上产生伪影。用于消除探测器通道之间的灵敏度差异的方法被称为归一化校正。传统的基于组件的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。该方法一般先计算每个通道的探测效率，然后分别依次计算每个通道所在探测器、探测环轴向位置、探测环径向位置的几何因子，最后通过把每条响应线两端的通道探测效率和几何因子相乘来获得该响应线的归一化因子。

在形成用于诊断的PET图像的过程(该过程被称作：图像重建)中，需要用到系统响应矩阵。系统响应矩阵的本质是图像中每个像素点所产生的光子被某条响应线所探测到的概率的阵列，系统响应矩阵一般通过数学计算、软件仿真等方式来获得，其可能出现与实际探测系统不完全一致的情况，从而使得图像出现环形伪影等异常现象。因此，为了得到正确的图像，需要将实际探测系统的灵敏度校正至与系统响应矩阵一致，而归一化正是被用来校正上述探测概率差异的方法。传统的归一化一般采用一个具有均匀活度的假体来采集正投影数据，然后基于时间数据来计算PET系统的归一化因子。然而当实际探测系统采集数据的方式与获取系统响应矩阵时所采用方式存在差异时，那么传统的归一化方法无法修正实际探测系统灵敏度与系统响应矩阵的差异。因此需要一种新的归一化因子获取方法来解决系统响应矩阵与实际探测系统灵敏度不一致的问题。

发明内容

本发明公开了一种归一化校正因子获取方法及医学成像方法，

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

本发明公开了一种归一化校正因子获取方法，用于PET探测系统中，其特征在于包括以下步骤：

(1)在均匀模体衰减过程中，基于实际采集的数据确定探测系统中任意两个通道i₁和i₂所形成的响应线实际灵敏度为

所述ε_i为第i个通道的实际灵敏度；

(2)在相同探测系统中，基于系统响应矩阵确定任意第i₁和i₂两个通道所形成的响应线的理论灵敏度为

所述η_i为第i个通道的理论灵敏度；

(3)基于所述实际灵敏度、理论灵敏度确定探测系统中任意第i₁和i₂两个通道所形成的响应线的归一化因子为：

优选的，所述步骤(1)中，所述第i个通道的实际灵敏度ε_i的确定包括以下步骤：

(1-1)在均匀模体衰减过程中，基于实际采集的数据统计第i个通道和第j个通道形成的响应线的实际符合事件计数C_ij，以及第j个通道和第k个通道形成的响应线的实际符合事件计数为C_jk；

其中，i∈[1，W]，W为整个探测系统最大通道数；j∈[1，M_i]，M_i为探测系统中可以与第i条通道形成响应线的通道的总数，k∈[1，N_ij]，N_ij为探测系统中可以与任意第j条通道形成响应线的通道的总数；

(1-2)述实际符合事件计数C_ij及C_jk确定第i个通道的实际灵敏度ε_i。

进一步的，所述步骤(1)中，所述第i个通道的实际灵敏度为

优选的，所述步骤(1)中，将均匀模体放置在待校正的探测系统成像视野中心，进行指定时间指定活度的扫描，以实现均匀模体衰减的过程。

进一步的，所述均匀模体衰减过程中，扫描活度范围为0.01mCi～50mCi。

更进一步的，所述均匀模体衰减过程中，扫描时间为1min～200min。

优选的，所述均匀模体为圆柱假体或圆筒假体。

优选的，所述第i个通道的理论灵敏度的确定包括以下步骤：

(2-1)在相同探测系统中，基于系统响应矩阵确定均匀模体的正投影数据，并基于正投影数据统计第i个通道和第j个通道形成的响应线的理论符合事件计数S_ij，以及第j个通道和第k个通道形成的响应线的理论符合事件计数为S_jk，

其中，i∈[1，W]，W为整个探测系统最大通道数；j∈[1，M_i]，M_i为探测系统中可以与第i条通道形成响应线的通道的总数，k∈[1，N_ij]，N_ij为探测系统中可以与任意第j条通道形成响应线的通道的总数；

(2-2)基于上述理论符合事件计数S_ij及S_jk确定探测系统中任意第i个通道的理论灵敏度为η_i。

进一步的，所述第i个通道的理论灵敏度为

本发明还提供了一种医学成像方法，包括以下步骤：

(Ⅰ)获取受检体的实际采集数据，并基于所述实际采集数据获取第i₁个通道和第1₂个通道形成的响应线的实际符合事件计数C_i1i2；

(Ⅱ)根据前述归一化校正因子获取方法获取对应响应线上的归一化校正因子

，(Ⅲ)根据所述归一化校正因子，对相应响应线上的实际符合事件计数C_i1i2进行校正，所述响应线的归一化校正后计数为

(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获取方法，通过用于校正系统响应矩阵响应线几何因子与实际探测系统几何因子的差异，以实现响应线灵敏度的校正，进而实现实际探测系统灵敏度校正。

由于响应线的灵敏度由该响应线两端的通道探测效率以及几何因子决定，本发明所公开的归一化校正因子获取方法，首先基于实际数据确定探测系统每条响应线的灵敏度

其中实际灵敏度ε_i由探测通道实际探测效率以及实际几何因子决定，即响应线的灵敏度

是由探测通道实际探测效率以及实际几何因子决定；然后计算系统响应矩阵中每条响应线的灵敏度

其中，理论灵敏度η_i由通道理论探测效率以及理论几何因子决定，由于用于系统响应矩阵时，其各个通道的探测效率是一致的，因此其内各条响应线的理论灵敏度仅与理论几何因子相关；故采用本发明所示归一化校正因子获取方法所获取的归一化因子

其可等同为将某条响应线两端通道实际探测效率与实际几何因子的乘积除以系统响应矩阵的理论几何因子，可消除实际系统与系统响应矩阵中各条响应线之间几何因子差异，进而消除实际探测系统与系统响应矩阵的灵敏度差异，实现灵敏度的校正。

同时，由于通道实际灵敏度ε_i的确定过程中，进一步确定了探测系统各通道实际探测效率之间的差异，解决了实际系统通道探测效率不一致问题，更加准确的实现探测系统的灵敏度校正。

本发明所公开的一种医学成像方法，当其应用上述归一化校正因子进行医学成像时，由于该归一化校正因子能够消除探测系统几何因子的误差，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，可有效解决PET图像成像的伪影问题。

附图说明

图1为探测系统中形成响应线的通道之间编号规则示意图；

图2为本发明归一化校正因子获取方法一实施例的工作流程图；

图3(a)为采用传统的归一化因子获取方法得到的图像；

图3(b)为采用本发明所示归一化校正因子获取方法得到的图像。

具体实施方式

本发明公开了一种归一化校正因子获取方法，用于PET探测系统中。

其中一实施例中，归一化校正因子的获取包括以下步骤：

(1)在均匀模体衰减过程中，基于实际采集的数据确定探测系统中任意两个通道i₁和i₂所形成的响应线实际灵敏度为

所述ε_i为第i个通道的实际灵敏度；

(2)在相同探测系统中，基于系统响应矩阵确定任意第i₁和i₂两个通道所形成的响应线的理论灵敏度为

所述η_i为第i个通道的理论灵敏度；

(3)基于所述实际灵敏度、理论灵敏度确定探测系统中任意第i₁和i₂两个通道所形成的响应线的归一化因子为：

由于响应线的灵敏度由该响应线两端的通道探测效率以及几何因子决定，本发明所公开的一归一化校正因子获取方法，首先基于实际数据确定每条响应线的灵敏度

其中实际灵敏度ε_i由通道实际探测效率以及实际几何因子决定，即响应线的灵敏度

是通道实际探测效率以及实际几何因子决定；然后计算系统响应矩阵中每条响应线的灵敏度

其中，理论灵敏度η_i由通道理论探测效率以及理论几何因子决定，由于用于系统响应矩阵时，其各个通道的探测效率是一致的，因此其内各条响应线的理论灵敏度仅与理论几何因子相关。

故采用本发明所示归一化校正因子获取方法所获取的归一化因子

其可等同为将某条响应线两端通道实际探测效率与实际几何因子的乘积除以系统响应矩阵的理论几何因子，可消除实际系统与系统响应矩阵的几何因子差异，进而消除实际系统与系统响应矩阵的灵敏度差异，实现灵敏度的校正。

作为一优选方案，步骤(1)中，第i个通道的实际灵敏度ε_i的确定包括以下步骤：

(1-1)在均匀模体衰减过程中，基于实际采集的数据统计第i个通道和第j个通道形成的响应线的实际符合事件计数C_ij，以及第j个通道和第k个通道形成的响应线的实际符合事件计数为C_jk；

其中，i∈[1，W]，W为整个探测系统最大通道数；j∈[1，M_i]，M_i为探测系统中可以与第i条通道形成响应线的通道的总数，k∈[1，N_ij]，N_ij为探测系统中可以与任意第j条通道形成响应线的通道的总数；

本实施例中，可采用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。

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通道均可以直接采集到若干事件，在进行能量筛选和时间符合后，则可以获得每条响应线上的符合事件计数。其中，对任意探测通道i而言，存在数量为M_i的通道j可以与第i条通道形成响应线，其中j∈[1，M_i]；对于第j条通道来说，又有N_ij个通道k可以与其形成响应线，其中k∈[1，N_ij]；

(1-2)基于上述实际符合事件计数C_ij及C_jk确定第i个通道的灵敏度ε_i，则实际探测系统中任意两个通道i₁和i₂所形成的响应线灵敏度为：

其中，i₁∈[1，W]，i₂∈[1，W]，且i₁≠i₂；对于通道i₁而言，存在数量为M_i的通道j可以与i₁通道形成响应线，通道i₂属于M_i条通道中的任意一条。

更进一步的，针对上述ε_i，本实施例中，还提供了一种第i个通道的灵敏度ε_i的确定公式，即

对于任意通道i而言，存在数量为M_i的通道j可以与第i条通道形成响应线，其中j∈[1，M_i]；对于第j条通道来说，又有N_ij个通道k可以与其形成响应线，其中k∈[1，N_ij]；需要统计所对应的全部M_i个通道j，以及各通道j分别对应的N_ij个通道k，以确定第i个通道的灵敏度。

上述通道实际灵敏度ε_i的确定方法，不仅可准确计算出第i个通道的实际灵敏度，同时，由于通道实际灵敏度ε_i的确定过程中，还进一步确定了探测系统各通道实际探测效率之间的差异，解决了实际系统通道探测效率不一致问题，更加准确的实现探测系统的灵敏度校正。

作为一优选方案，步骤(2)中，第i个通道的理论灵敏度η_i的确定包括以下步骤：

(2-1)在同一探测系统中，基于系统响应矩阵确定均匀假体的正投影数据，并基于正投影数据统计第i个通道和第j个通道形成的响应线的理论符合事件计数S_ij，以及第j个通道和第k个通道形成的响应线的理论符合事件计数为S_jk，

其中，j∈[1，W]，W为整个探测系统最大通道数；j∈[1，M_i]，M_i为探测系统中可以与第i条通道形成响应线的通道的总数，j∈[1，N_ij]，N_ij为探测系统中可以与任意第j条通道形成响应线的通道的总数。

(2-2)基于上述理论符合事件计数S_ij及S_jk确定探测系统中任意第i个通道的理论探测效率为η_i

其中，i₁∈[1，W]，i₂∈[1，W]，同时i₁≠i₂；同上，对于通道i₁而言，存在数量为M_i的通道j可以与i₁通道形成响应线，通道i₂属于M_i条通道中的任意一条。

更进一步的，针对上述方案，本实施例中，还提供了一种第i个通道的灵敏度η_i的确定方式，即

如前所述，对于任意通道i而言，存在数量为M_i的通道j可以与第i条通道形成响应线，其中j∈[1，M_i]；对于第j条通道来说，又有N_ij个通道k可以与其形成响应线，其中k∈[1，N_ij]；故需要统计所对应的全部M_i个通道j，以及各通道j分别对应的N_ij个通道k，以确定第i个通道的灵敏度，从而可准确计算出第i个通道的理论灵敏度。此外，在确定通道的理论灵敏度的过程中，由于系统响应矩阵中各个通道的探测效率是一致的，各通道探测效率可等同于常数，故其用于归一化校正因子的确认时，系统矩阵的各通道探测效率不会对其产生影响。

以下结合具体实验对本发明所示的归一化校正因子确定方法进行进一步说明，实验流程具体设计可如下所示：

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

(b)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；

(c)扫描10～60min，得到第i和第j个通道形成的响应线的符合事件计数C_ij，同理第j和第k个通道形成的响应线的符合事件计数为C_jk；

(d)采用预先获取的系统响应矩阵对一个均匀的圆柱物体进行正投影计算，获得第i和第j个通道形成的响应线的符合事件计数S_ij，同理第j和第k个通道形成的响应线的符合事件计数为S_jk；

(e)基于上述实际符合事件计数C_ij及C_jk确定第i个通道的灵敏度ε_i，以及实际探测系统中任意两个通道i₁和i₂所形成的响应线灵敏度；

并基于上述理论符合事件计数S_ij及S_jk确定探测系统中任意第i个通道的理论探测效率为η_i，以及系统响应矩阵中，任意第i₁和i₂两个通道所形成的响应线的理论灵敏度

(f)基于响应线实际灵敏度与理论灵敏度确定归一化因子。

附图3(a)是采用传统的归一化因子获取方法得到的图像，可以看到假体的中心区域存在环形伪影；附图3(b)为采用本方法所示的归一化校正获取方法得到的图像，可以看到环形伪影消除。

本发明还公开了一种医学成像方法，包括以下步骤：

(Ⅰ)获取受检体的实际采集数据，并基于所述实际采集数据获取第i₁个通道和第1₂个通道形成的响应线的实际符合事件计数C_i1i2；

(Ⅱ)根据如权利要求1至7任一项所述的方法获取对应响应线上的归一化校正因子

，(Ⅲ)根据所述归一化校正因子，对相应响应线上的实际符合事件计数C_i1i2进行校正，所述响应线的归一化校正后计数为

(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。

当其应用上述归一化校正因子进行医学成像时，由于该归一化校正因子能够消除探测系统几何因子带来误差，或同时可消除几何因子及探测效率带来的误差，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，可有效解决PET图像成像的伪影问题。

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获取方法，用于PET探测系统中，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在均匀模体衰减过程中，基于实际采集的数据确定探测系统中任意两个通道i₁和i₂所形成的响应线实际灵敏度为

所述ε_i为第i个通道的实际灵敏度；

(2)在相同探测系统中，基于系统响应矩阵确定任意第i₁和i₂两个通道所形成的响应线的理论灵敏度为

所述η_i为第i个通道的理论灵敏度；

(3)基于所述实际灵敏度、理论灵敏度确定探测系统中任意第i₁和i₂两个通道所形成的响应线的归一化校正因子为：

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，所述步骤(1)中，所述第i个通道的实际灵敏度ε_i的确定包括以下步骤：

(1-1)在均匀模体衰减过程中，基于实际采集的数据统计第i个通道和第j个通道形成的响应线的实际符合事件计数C_ij，以及第j个通道和第k个通道形成的响应线的实际符合事件计数为C_jk；

其中，i∈[1，W]，W为整个探测系统最大通道数；j∈[1，M_i]，M_i为探测系统中可以与第i条通道形成响应线的通道的总数，k∈[1，N_ij]，N_ij为探测系统中可以与任意第j条通道形成响应线的通道的总数；

(1-2)基于所述实际符合事件计数C_ij及C_jk确定第i个通道的实际灵敏度ε_i。

3.根据权利要求2所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述第i个通道的实际灵敏度为

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(1)中，将均匀模体放置在待校正的探测系统成像视野中心，进行指定时间指定活度的扫描，以实现均匀模体衰减的过程。

5.根据权利要求4所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，所述均匀模体衰减过程中，扫描活度范围为0.01mCi～50mCi。

6.根据权利要求1、4、5任一项所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，所述均匀模体衰减过程中，扫描时间为1min～200min。

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：所述均匀模体为圆柱假体或圆筒假体。

8.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：所述第i个通道的理论灵敏度的确定包括以下步骤：

(2-1)在相同探测系统中，基于系统响应矩阵确定均匀模体的正投影数据，并基于正投影数据统计第i个通道和第j个通道形成的响应线的理论符合事件计数S_ij，以及第j个通道和第k个通道形成的响应线的理论符合事件计数为S_jk，

其中，i∈[1，W]，W为整个探测系统最大通道数；j∈[1，M_i]，M_i为探测系统中可以与第i条通道形成响应线的通道的总数，k∈[1，N_ij]，N_ij为探测系统中可以与任意第j条通道形成响应线的通道的总数；

(2-2)基于上述理论符合事件计数S_ij及S_jk确定探测系统中任意第i个通道的理论灵敏度为η_i。

9.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，所述第i个通道的理论灵敏度为

其中，j为第j个通道的序号，k为第k个通道的序号，M_i为探测系统中可与第i条通道形成响应线的通道的总数，N_ij为探测系统中可与任意第j条通道形成响应线的通道的总数，S_ij为第i个通道和第j个通道形成的响应线的理论符合事件计数，S_jk为第j个通道和第k个通道形成的响应线的理论符合事件计数。

10.一种医学成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(I)获取受检体的实际采集数据，并基于所述实际采集数据获取第i₁个通道和第i₂个通道形成的响应线的实际符合事件计数C_i1i2；

(Ⅱ)根据如权利要求1至9任一项所述的方法获取对应响应线上的归一化校正因子

(III)根据所述归一化校正因子，对相应响应线上的实际符合事件计数C_i1i2进行校正，所述响应线的归一化校正后计数为

(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。

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