CN109829869B - 一种降低pet图像噪声的数值域插值方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，包括以下步骤：(1)对PET数据域进行预校正；(2)对预校正后的PET数据域进行轴向插值处理；(3)对步骤(2)后的PET数据域进行反向插值处理；(4)对步骤(3)后的PET数据域进行数据重建和后处理。本发明提出了一种数据域内PET原始数据的插值方法。本发明由于只对轴向相邻的LOR进行插值处理，并且引入了反向插值的操作，使得系统建模和三维重建仍然在原始的LOR数据域内完成，因而可以保持横断面内的图像空间分辨率，同时也可以大幅地减少计数为零的响应线数量，在最后的重建图像域内也大幅的减少了由于大量零值计数带来的图像噪声和图像伪影。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像设备技术领域，更为具体地涉及一种降低PET图像噪声的数值域插值方法。
背景技术
正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Tomography，简称PET)是通过对人体注射放射性示踪剂药物，药物在人体内与特定细胞或组织发生一定生物过程，通过对放射性核素衰变产生的一对γ射线的探测，从而得到放射性药物在人体内的分布图。在用于临床扫描时，由于统计噪声的影响，采集的PET原始数据中有很多响应线(Line ofResponse,LOR)的计数为零。在现行的低剂量病人扫描协议中，响应线为零的情况尤其严重。例如，一个有608(平面内探测器数量)*48(探测器环数)的PET系统，在550mm的扫描视野(Field of View,FOV)内，有近2亿条响应线，而通常一个床位的数据采集在几千万个计数的数量级，一般情况下每条响应线的平均计数在0.1到0.3之间。这样，在采集到的PET原始数据中，不可避免的会出现大量响应线的计数为零。这些为零的LOR，在最后的重建图像中会带来斑点状的背景噪声。
现有中国专利CN107845120A公开了一种PET图像重建方法，在采用传统的PET图像重建方法的生成原始重建图像的基础上，对原始重建图像进行去除伪影/噪声优化，并提取出由于优化而丢失的部分细节结构数据，同时，利用优化的原始重建图像获得特征算子，将丢失的部分细节结构数据与该特征算子进行卷积，从而从丢失的信息中提取有用的细节结构，再将得到的卷积数据添加回优化的原始重建图像中，最终获得PET重建图像。本方法在降低了伪影和噪声的基础上，保留了结构细节特征，从而对完整的数据进行图像重建，使得最终获得的PET重建图像具有非常高的质量，提高了PET重建图像的精确度。现有的技术中通常会采用两类方法进行降噪处理。一种是使用全备的LOR数据域中的响应线数量，对成像过程进行建模和三维重建，最后在重建图像域进行降噪处理。这样做的优点是可以尽可能的保持图像中的空间分辨率，缺点是重建图像噪声大，给后处理图像域去噪处理带来很大难度；另一种方法是首先在数据域对LOR原始数据进行降采样的插值处理。这样做的优点是可以大幅度地降低重建图像中的噪声，缺点是在去噪的同时通常会生成过于平滑的图像。
本发明提出了一种数据域内PET原始数据的插值方法，可以保持横断面内的图像空间分辨率，同时也可以大幅地减少计数为零的响应线数量。
发明内容
本发明为了减少现有技术中由于大量响应线计数为零所带来的图像噪声和伪影，提出了一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，由于只对轴向相邻的LOR进行插值处理，并且引入了反向插值的操作，使得系统建模和三维重建仍然在原始的LOR数据域内完成，因而可以保持横断面内的图像空间分辨率，同时也可以大幅地减少计数为零的响应线数量，在最后的重建图像域内也大幅的减少了由于大量零值计数带来的图像噪声和图像伪影，具体技术方案如下：
一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，包括以下步骤：
(1)对PET数据域进行预校正；
(2)对预校正后的PET数据域进行轴向插值处理；
(3)对步骤(2)后的PET数据域进行反向插值处理；
(4)对步骤(3)后的PET数据域进行数据重建和后处理，所述后处理包括图像域降噪处理、图像增强及PET和CT图像融合。
具体地，所述步骤(2)中轴向插值处理具体包括以下步骤：首先对系统采集的每一组的响应线进行直方图分析；然后再根据响应线真实的轴向夹角将响应线上的计数按比例线性分配到相邻的两个间隔内。
进一步地，所述步骤(2)中轴向插值处理中对正弦图数据格式中的轴向维度进行线性插值，保留横断面的二维信息；针对于同一组的响应线，根据其第三维的信息将整个轴向夹角的范围分成一系列连续的相同大小的间隔；然后完成正向的线性插值操作，将每一条响应线上的计数按比例分配到相邻的间隔内。
具体地，所述步骤(3)中反向插值处理包括以下步骤：首先针对每一组响应线的一维轴向夹角间隔内的计数分布，进行噪点去除处理；然后从每条响应线邻近的两个间隔，线性插值得到每条真实的响应线上的计数分布值。
进一步地，所述噪点去除处理包括设置上下阈值去除极值或者进行一维平滑操作。
具体地，所述步骤(1)预校正包括探测器效率的归一化校正、死时间校正、偶然符合校正、散射符合校正、衰减校正和几何校正中的一种或几种。
具体地，所述散射符合校正采用卷积扣除法或双能窗法。
具体地，所述步骤(4)中数据重建包括对数据域插值处理后的PET数据使用有序子集期望值最大化迭代重建算法；PET数据域的数据格式可以是正弦图数据格式或列表式数据格式。
具体地，所述步骤(4)在所述PET图像重建步骤之后，所述方法还包括达标判断步骤：按照预置的图像标准，对所述PET重建图像进行达标判断；若确定所述PET重建图像达标，则确定当前的所述PET重建图像为最终的PET重建图像；若确定所述PET重建图像未达标，则将所述PET重建图像作为所述原始PET图像，返回执行所述步骤(1)-(3)。
优选地，所述一种降低PET图像噪声的数据域插值方法还可以采用以下步骤：
(1)对PET数据域进行轴向插值处理；
(2)对步骤(1)后的PET数据域进行反向插值处理；
(3)对步骤(2)后的PET数据域进行预校正；
(4)对步骤(3)后的PET数据域进行数据重建和后处理。
本发明具有以下有益效果：
一、由于本发明只对轴向相邻的LOR进行插值处理，并且引入了反向插值的操作，因而可以保持横断面内的图像空间分辨率；
二、同时系统建模和三维重建仍然在原始的LOR数据域内完成，所以能够大幅度减少图像斑点噪声；
三、采用本发明技术方案中的方法针对超低剂量PET数据采集可使数据域统计噪声减少80％，数据均方差降为原数据的1/5。
附图说明
图1为实施例1采用的方法流程图；
图2为实施例2采用的方法流程图；
图3(a)为采用实施例1中所述方法处理产生的正弦图，图3(b)为图3(a)中白框内像素的直方图分布；
图4(a)为采用对比例1中所述方法处理产生的正弦图；图4(b)为图4(a)中白框内像素的直方图分布；
图5(a)为实施例1重建后图像，图5(b)为对比例1重建后图像；
图6(a)为采用实施例2中所述方法处理产生的正弦图，图6(b)为图6(a)中白框内像素的直方图分布；
图7(a)为采用对比例2中所述方法处理产生的正弦图，图6(b)为图7(a)中白框内像素的直方图分布；
图8(a)为实施例2重建后图像，图8(b)为对比例2重建后图像。
具体实施例
实施例1
一种降低水模PET图像噪声的数据域插值方法，包括以下步骤：
(1)对水模PET数据域进行探测器效率的归一化校正衰减校正、死时间校正、偶然符合校正和几何校正预校正；
(2)对预校正后的水模PET数据域进行轴向插值处理，具体处理步骤为：首先对系统采集的每一组的响应线根据其与轴向夹角分段，将整个轴向夹角的范围分成一系列连续的相同大小的间隔；然后再根据响应线真实的轴向夹角将响应线上的计数按比例线性分配到相邻的两个间隔内；即仅对正弦图数据格式中的轴向维度(slice)进行线性插值，而保留横断面(rad,phi)的二维信息；针对于同一组的响应线(具有相同的rad,phi)，根据其第三维的信息(slice)，将整个轴向夹角的范围分成一系列连续的相同大小的间隔；然后完成正向的线性插值操作，将每一条响应线上的计数按比例分配到相邻的间隔内；
(3)对步骤(2)后的水模PET数据域进行反向插值处理，具体处理步骤为：首先对从步骤(2)中得到的正向插值的数据进行去除噪点的处理(设置上下阈值去除极值或者一维平滑操作)，然后再从降采样的轴向维度空间反向插值得到每一条真实响应线上的计数分布值；
(4)对数据域插值处理后的水膜PET数据使用有序子集期望值最大化迭代重建算法(Ordered Subset Expectation Maximization,OSEM)重建数据；水膜PET数据域的数据格式可以是正弦图数据格式(Sinogram)或列表式数据格式(List-mode)；再对图像进行图像域降噪处理、图像增强及PET和CT图像融合等后处理；按照预置的图像标准，对所述水模PET重建图像进行达标判断；若确定所述水模PET重建图像达标，则确定当前的所述水模PET重建图像为最终的水模PET重建图像；若确定所述水模PET重建图像未达标，则将所述水模PET重建图像作为所述原始水模PET图像，返回执行所述步骤(1)-(3)。
如图3(a)所示，为采用上述所述方法处理产生的正弦图；图3(b)为图3(a)中白框内像素的直方图分布。
实施例2
一种降低IEC模体PET图像噪声的数据域插值方法，包括以下步骤：
(1)对IEC模体PET数据域进行轴向插值处理，具体采用如下步骤：首先对系统采集的每一组的响应线根据其与轴向夹角分段，将整个轴向夹角的范围分成一系列连续的相同大小的间隔；然后再根据响应线真实的轴向夹角将响应线上的计数按比例线性分配到相邻的两个间隔内；即仅对正弦图数据格式中的轴向维度(slice)进行线性插值，而保留横断面(rad,phi)的二维信息；针对于同一组的响应线(具有相同的rad,phi)，根据其第三维的信息(slice)，将整个轴向夹角的范围分成一系列连续的相同大小的间隔；然后完成正向的线性插值操作，将每一条响应线上的计数按比例分配到相邻的间隔内；
(2)对步骤(1)后的IEC模体PET数据域进行反向插值处理，具体采用如下步骤：首先对从步骤(2)中得到的正向插值的数据进行去除噪点的处理(设置上下阈值去除极值或者一维平滑操作)，然后再从降采样的轴向维度空间反向插值得到每一条真实响应线上的计数分布值；
(3)对步骤(2)后的IEC模体PET数据域进行探测器效率的归一化校正衰减校正、死时间校正、偶然符合校正和几何校正预校正；
(4)对预校正处理后的IEC模体PET图像使用有序子集期望值最大化迭代重建算法，IEC的PET数据域的数据格式可以是正弦图数据格式(Sinogram)或列表式数据格式(List-mode)，获得IEC模体PET重建图像，再对图像进行图像域降噪处理、图像增强及PET和CT图像融合等后处理；按照预置的图像标准，对所述IEC模体PET重建图像进行达标判断；若确定所述IEC模体PET重建图像达标，则确定当前的所述IEC模体PET重建图像为最终的IEC模体PET重建图像；若确定所述IEC模体PET重建图像未达标，则将所述IEC模体PET重建图像作为所述原始IEC模体PET图像，返回执行所述步骤(1)-(3)。
如图6(a)所示，为采用上述所述方法处理产生的正弦图；图6(b)为图6(a)中白框内像素的直方图分布。
对比例1
与实施例1相比，该对比例1中的插值方法只包括步骤(1)和步骤(4)，所述步骤(4)为对预校正后的水模PET数据域进行图像重建和后处理。
如图4(a)所示，为采用上述所述方法处理产生的正弦图；图4(b)为图4(a)中白框内像素的直方图分布，图5(a)为实施例1重建后图像，图5(b)为对比例1重建后图像。将图3(a)与图4(a)白框内数据进行统计，结果如下表1所示。
表1水模数据白框内的统计信息
| 均值 | 均方差 | 最小值 | 最大值 | |
| 实施例1 | 1.419 | 0.250 | 0.625 | 2.751 |
| 对比例1 | 1.397 | 1.190 | 0 | 9.686 |
从表1的结果可以看到，使用实施例1所述插值方法完全去除了计数为零的响应线数据，并且把白框内区域的均方差从1.19降低为0.25。
对比例2
与实施例2相比，该对比例2中的插值方法只包括步骤(3)和步骤(4)，所述步骤(3)为对IEC模体PET数据域进行探测器效率的归一化校正衰减校正、死时间校正、偶然符合校正和几何校正预校正。
如图7(a)所示，为采用上述所述方法处理产生的正弦图；图7(b)为图7(a)中白框内像素的直方图分布，图8(a)为实施例2重建后图像，图8(b)为对比例2重建后图像。
上述详细说明是针对本发明其中可行实施例的具体说明，所述实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，包括以下步骤：
(1)对PET数据域进行预校正；
(2)对预校正后的PET数据域进行轴向插值处理；所述轴向插值处理具体包括以下步骤：首先对系统采集的每一组的响应线进行直方图分析；然后再根据响应线真实的轴向夹角将响应线上的计数按比例线性分配到相邻的两个间隔内；
(3)对步骤(2)后的PET数据域进行反向插值处理；
(4)对步骤(3)后的PET数据域进行数据重建和后处理，所述后处理包括图像域降噪处理、图像增强及PET和CT图像融合。
2.根据权利要求1所述的一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，其特征在于，所述步骤(3)中反向插值处理包括以下步骤：首先针对每一组响应线的一维轴向夹角间隔内的计数分布，进行噪点去除处理；然后从每条响应线邻近的两个间隔，线性插值得到每条真实的响应线上的计数分布值。
3.根据权利要求1所述的一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，其特征在于，所述步骤(2)中轴向插值处理中对正弦图数据格式中的轴向维度进行线性插值，保留横断面的二维信息；针对于同一组的响应线，根据其第三维的信息将整个轴向夹角的范围分成一系列连续的相同大小的间隔；然后完成正向的线性插值操作，将每一条响应线上的计数按比例分配到相邻的间隔内。
4.根据权利要求2所述的一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，其特征在于，所述步骤(3)中反向插值处理中，所述噪点去除处理包括设置上下阈值去除极值或者进行一维平滑操作。
5.根据权利要求1所述的一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，其特征在于，所述步骤(1)预校正包括探测器效率的归一化校正、死时间校正、偶然符合校正、散射符合校正、衰减校正和几何校正中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，其特征在于，所述散射符合校正采用卷积扣除法或双能窗法。
7.根据权利要求1所述的一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，其特征在于，所述步骤(4)中数据重建包括对数据域插值处理后的PET数据使用有序子集期望值最大化迭代重建算法；PET数据域的数据格式为正弦图数据格式或列表式数据格式。
8.根据权利要求7所述的一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，其特征在于，所述步骤(4)在PET图像重建步骤之后，所述方法还包括达标判断步骤：按照预置的图像标准，对PET重建图像进行达标判断；若确定所述PET重建图像达标，则确定当前的所述PET重建图像为最终的PET重建图像；若确定所述PET重建图像未达标，则将所述PET重建图像作为原始PET图像，返回执行所述步骤(1)-(3)。
9.一种降低PET图像噪声的数据域插值方法，包括以下步骤：
(1)对IEC模体PET数据域进行轴向插值处理，具体采用如下步骤：首先对系统采集的每一组的响应线根据其与轴向夹角分段，将整个轴向夹角的范围分成一系列连续的相同大小的间隔；然后再根据响应线真实的轴向夹角将响应线上的计数按比例线性分配到相邻的两个间隔内；即仅对正弦图数据格式中的轴向维度进行线性插值，而保留横断面的二维信息；针对于同一组的响应线，根据其第三维的信息，将整个轴向夹角的范围分成一系列连续的相同大小的间隔；然后完成正向的线性插值操作，将每一条响应线上的计数按比例分配到相邻的间隔内；
(2)对步骤(1)后的IEC模体PET数据域进行反向插值处理；
(3)对步骤(2)后的IEC模体PET数据域进行预校正；
(4)对步骤(3)后的IEC模体PET数据域进行数据重建和后处理。
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