CN110025327B - 一种pet/ct的配准装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种PET/CT的配准装置和方法，涉及医疗设备技术领域，所述配准装置包括模体和水平模。所述配准方法包括CT起始角校准步骤和PET/CT系统中心平面配准步骤；CT起始角校准步骤包括摆放水平模、扫描并成像、图像预处理并保留销钉图像、识别销钉并计算每个销钉的重心、重心线性拟合、计算倾斜角、作为校准参数提供给重建程序；PET/CT系统中心平面配准步骤包括注入放射性示踪剂、装配模体、分别进行PET扫描和CT扫描重建获得PET图和CT图、分别计算PET图和CT图三个小球各自的重心坐标、计算系统平移量和旋转量。本发明配准精度高，提高了衰减校正的精度和图像融合的质量，继而提高了最终的图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种PET/CT的配准装置和方法。
背景技术
PET/CT是结合两种不同医学影像设备，各取所长、各避所短的大型医学影像器械，在PET/CT中：
PET提供代谢信息，PET由注入人体的FDG释放出正电子与人体内负电子湮灭产生γ射线成像，FDG生化特性和葡萄糖相同，因此可以跟踪人体的对于葡萄糖的代谢信息，因此也被称为分子影像，缺点是由于探测器晶体和电子线路的物理限制等因素，使得PET的图像分辨率较差，一般在3～5mm。
CT提供解剖信息，CT由球管释放X射线穿过人体到达探测器成像，因此能够获得较为精确的解剖信息，图像分辨率也较PET高，可达1mm以下，缺点是无法提供代谢等分子信息。
因此在PET/CT的系统设计和校准中，为了各取所长，配准(Registration)成为了一项重要的步骤，它主要在两方面对最终图像质量产生影响：
1、由于PET/CT从CT图像中生成衰减系数校正图，所以配准的质量会影响衰减校正的效果。PET/CT需要对探测器采集信号进行衰减校正从而获得更为准确的图像，而成像原理决定CT能够获得更为准确的解剖信息，所以目前PET/CT的做法是从CT图像中获得X射线特定能谱下的衰减系数分布，再映射成PET 511keV的γ射线衰减系数，从而生成衰减系数校正图。但因为PET/CT图像分别由PET和CT产生，在假定扫描对象是刚性体没有发生形变的前提下，准确的配准可以获得准确的衰减系数校正信息，所以配准的质量会影响衰减校正的效果。
2、PET/CT最终结果是PET图像和CT图像按比例的融合图，医生从PET部分获取代谢信息且从CT部分读取定位或者解剖信息，所以配准的质量将最终影响对患者的诊断结果。
因此，PET/CT的配准工作是PET/CT系统校准中，相当重要的一环。
现有技术中，主要通过以下方式解决上述两个方面的影响：
1、使用固定机架，可置换模体的方式在PET和CT中分别成像[专利：US7697738Calibration image alignment in a PET/CT system]，因为模体可置换，所以也可以在其他成像原理的影像设备上使用，特别的，对于PET/CT，可以使用NA22固态源作为PET系统成像模体，而在CT扫描中则置换成CT标示模体。优点是较为灵活，可以根据成像原理更换不同模体，缺点是操作略显繁琐且需要专门制备固态源。
2、使用无放射性的金属球进行CT成像和176Lu本底PET成像分别获得CT和PET图像进而计算变换矩阵[专利：CN104732540B，PET/CT几何配准方法和系统，文献：Wei Q,Ma T,Wang S,et al.PET/CT alignment calibration with a non-radioactive phantom andthe intrinsic 176Lu radiation of PET detector[J].NUCLEAR INSTRUMENTS ANDMETHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A,2016.]，这种方法的优势在于模体获取简单，无需有放射性，操作也简单化，缺点是需要PET系统需要长时间采集本底数据才能获得清晰的本底图像。
3、使用一个棒状模体注入放射性示踪剂获取旋转矩阵和一个球形模体注入放射性示踪剂获取平移矩阵[专利：CN109044390A，一种PET/CT配准装置及其配准方法]，缺点是模体较为复杂且加工精度要求较高，配准结果受棒源的加工精度影响较大。
4、大多数配准忽视CT的起始角度问题，导致配准结果在配准平面的不同方向上结果不一致。
基于此，本案由此产生。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种PET/CT的配准装置和方法，拥有较高的配准精度，从而提高了衰减校正的精度和图像融合的质量，继而提高了最终的图像质量。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种PET/CT的配准装置，包括模体和水平模，所述模体包括模架和安装在模架上的若干球底管容器；所述水平模上等间隔开设有孔，所述孔内插有销钉；所述水平模上还设有水平仪固定支架。
作为优选，所述球底管容器包括长管和安装于长管底部的小球；所述模架包括底座、固定在底座上的两支杆、以及固定在支杆之间的安装架，所述安装架上等间距开设有若干个管孔，每个管孔一侧安装有调节螺母。
作为优选，所述水平模采用低密度材质。
作为优选，所述水平仪固定支架可拆卸安装于所述水平模上。水平仪一般都包含金属，如果和模体一起扫描会造成销钉成像的干扰因素，所以扫描时候水平仪是需要拆卸下来的。
一种PET/CT配准方法，包括CT起始角校准步骤和PET/CT系统中心平面配准步骤；
其中所述CT起始角校准步骤包括以下：
摆放水平模；
扫描并成像；
图像预处理并保留销钉图像；
识别销钉并计算每个销钉的重心；
对所有销钉的重心进行线性拟合；
用拟合结果计算倾斜角；
将计算出来的倾斜角作为校准参数提供给重建程序；
其中所述PET/CT系统中心平面配准步骤包括以下：
将放射性示踪剂注入三个球底管容器；
将三个球底管容器高低错位插入模架上的管孔内；
分别进行一次完整的单床位PET扫描和CT扫描并各自重建获得PET图和CT图；
对PET图进行预处理；
识别PET图中的三个小球并计算三个小球各自的重心坐标；
对CT图进行预处理；
利用图形形态学技术增加小球的显示并计算三个小球各自的重心坐标；
分别利用PET的三个小球的重心坐标和CT的三个小球的重心坐标计算系统平移量和旋转量；
计算配准值并在z轴和xy平面分别进行软件设置和机械调谐。
作为优选，所述利用图形形态学技术增加小球的显示并计算三个小球各自的重心坐标的步骤，包括：
计算小球在xy，yz，zx三个平面内的投影；
提取三个平面内的投影轮廓并结合球体形状位置的先验知识分割出包含球体的最小立方体；
对三个分割出来的立方体做形态学图像增强计算；
利用重心法计算球体的中心坐标。
作为优选，所述对PET图进行预处理步骤或对CT图进行预处理步骤，图像阈值分割和图像平滑。
作为优选，所述放射性示踪剂采用活度浓度大于10mCi/ml的1mCi F-18溶液。
本发明的工作原理：
CT的起始角不准确会让CT的重建平面产生一个旋转偏转，而PET的重建平面在良好的调教下x轴和y轴分别对齐于铅垂面和水平面，这让PET和CT的图像产生一个旋转偏量，直接表现为配准的图像围绕坐标中心有一个不对称的偏离，而且这种偏离旋转角在下述仿射变换为基础的PET/CT配准中不易察觉，因而添加一个CT起始角校准以提高配准精度。
本发明能实现如下技术效果：
(1)本发明在PET和CT系统平面配准中添加水平旋转角配准，实际的三维坐标配准设计三个角度分量，而系统平面配准只能计算两个配准角度分量。这里预先假定PET和CT系统平面本身经过了校准，PET系统和CT系统的起始角一致，因而第三个配准角度分量也就是两个平面的旋转角一致。但是有时候因为预先校准做的不理想或者长期使用后起始角发生了偏离以后，出现了旋转角不一致现象，这会导致最终的配准结果在平面的不同方向和不同区域出现误差分布不一致现象，而水平旋转角的配准可以改善这一现象。
(2)本发明使用定制模体和定制支架对模体形状和制造精度进行规范和量化，既可以提高配准精度也可以作为先验知识并应用到模体的识别中，从而简化操作，提高精度。
(3)本发明使用了模体的先验知识——小球的形状、位置、模体的特征，结合图形学阈值分割、形态学增强图像的方法自动分割出小球，不需要手动选取，方便了操作，提高了精确度。
附图说明
图1为本实施例球底管容器结构示意图；
图2为本实施例模架结构示意图；
图3为本实施例水平模(无水平仪)结构示意图；
图4为本实施例水平模(有水平仪)结构示意图；
图5为本实施例水平模(无水平仪)摆放示意图；
图6为本实施例水平模(有水平仪)摆放示意图；
图7为本实施例水平模CT像；
图8为本实施例PET/CT系统水平配准(CT起始角校准)流程图；
图9为模体摆放的结构示意图；
图10为本实施例模体(插入球底管容器)的结构示意图；
图11为本实施例PET重建图；
图12为本实施例CT重建图；
图13为本实施例相同的小球在不同坐标系下获得的坐标值的示意图；
图14为本实施例通过小球在PET和CT平面的重心获取两个平面的旋转和平移量的示意图；图15为本实施例相对于/>的旋转向量的示意图；
图16为本实施例PET/CT系统中心平面配准流程图；
标注说明：模体 100，底座 110，支杆 120，安装架 130，管孔 131，调节螺母 132，球底管容器 200，长管 210，小球 220，水平模 300，销钉孔 310，水平仪 320，CT机架 400。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了以下实施例，并结合附图作如下详细说明：
如图1-4和图10所示，本实施例的一种PET/CT的配准装置，包括模体和水平模，模体包括模架和安装在模架上的若干球底管容器；
球底管容器包括长管和安装于长管底部的小球；采用石英玻璃管球形底管作为液态源容器(如图1所示)。
水平模(CT重建起始角校正模)上等间隔开设有孔(销钉孔)，孔内插有销钉；水平模上安装有可拆卸的水平仪固定支架，水平模采用低密度材质，水平模的密度只要低于销钉的密度，不影响销钉成像就可以，本实施例选用PMMA(如图3和4所示)。
模架用来固定球底管容器，包括底座、固定在底座上的两支杆、以及固定在支杆之间的安装架，安装架上等间距开设有若干个管孔，每个管孔一侧安装有调节螺母(如图2所示)，调节螺母用于固定球底管容器。
配准原理：
本实施例的PET/CT配准主要分两个步骤：CT起始角校准和PET/CT系统中心平面配准两部分。
1、CT起始角校准：CT的起始角不准确会让CT的重建平面产生一个旋转偏转，而PET的重建平面在良好的调教下x轴和y轴分别对齐于铅垂面和水平面，这让PET和CT的图像产生一个旋转偏量，直接表现为配准的图像围绕坐标中心有一个不对称的偏离，而且这种偏离旋转角在下述仿射变换为基础的PET/CT配准中不易察觉，因而添加一个CT起始角校准以提高配准精度。
1)摆放水平模：如图5和图6所示，将水平模架置于CT的机架上，用水平仪调整让水平模水平摆放，并尽量与CT的xy平面平行(可以借助激光定位灯)，在摆放优先级上，与xz平面(水平面)平行大于与xy平面平行。
2)CT轴扫或螺旋扫描并成像：使用CT定位片扫描，让水平模出现在扫描fov区域，然后进行一次CT扫描(轴扫或者螺旋扫描皆可)，CT重建的结果如图7所示；
3)图像阈值分割保留销钉图像：使用阈值分割过滤掉PMMA水平模支持杆的材质，
4)图像平滑；由于CT成像的结果可能会带有噪声和伪影，从而影响中心计算的精确性，图像平滑一下可以尽量消除一下噪声和伪影带来的影响。
5)识别图中销钉并计算每个销钉的重心：逐次识别图中的每个亮点，计算每个亮点的重心，
6)对所有销钉的重心进行线性拟合；
7)用拟合结果计算倾斜角：求出重心连线的偏转角，即倾斜角；
8)将计算出来的倾斜角作为校准参数提供给重建程序；
2、PET/CT系统中心平面配准：
(1)制备放射性示踪剂并注入三个球底管容器；
(2)将三个球底管容器高低错位插入配准模架上的管孔内(如图9和图10所示)；
PET/CT系统平面之间的失协可以归结为两个坐标平面的仿射变换问题，对于两个坐标平面，仿射变换可以表达为一个四阶矩阵：
公式(1)仿射变换矩阵
而这个仿射变换矩阵可以分解为一个旋转矩阵每一个平移向量，一个坐标放缩向量和一个坐标放缩值。
公式(2)旋转矩阵
T2＝[l m n] (3)
公式(3)平移向量
公式(4)放缩向量
T4＝[s] (5)
公式(5)系统放缩量
通常，我们可以假定系统放缩值s＝1，并且通过PET系统和CT系统的体素大小值获得坐标放缩向量，因此，获得两平面失协矩阵的主要目标是通过实验设计获取旋转矩阵和平移向量。
通过本发明定制的PET/CT配准水平模获取旋转值和平移值，装配后如图9所示放置在扫描病床上，置时请注意不要明显歪斜模体，目测水平即可。
(3)进行一次完整的单床位PET/CT扫描并各自重建：平移病床在PET和CT中各做一次扫描(注意模体的重量应该较轻以避免床位沉降，导致PET和CT有一个垂直的平移量)，之后，可以获得PET和CT图各一张(如图11和12所示)；
(4)对PET图进行预处理(包括阈值分割和平滑)：对于PET重建图，我们仅需要用阈值分割法识别图中的三个圆球，并使用重心法计算三个圆球各自的坐标。
(5)分别识别PET图中的三个小球并计算三个小球的重心；
(6)对CT图进行预处理：对于CT重建图，因为PMMA材质和小球内部的F-18溶液CT值非常相近，所以我们用先用阈值分割对图像做初步处理；
(7)利用图形形态学技术增加小球的显示并计算三个小球各自的重心：再计算小球在xy,yz,zx三个平面内的投影，提取三个平面内的投影轮廓并结合球体形状的先验知识分割出包含球体的最小立方体，然后对三个分割出来的立方体做形态学图像增强计算，再进行单值化处理，最后使用重心法计算球体的中心坐标。
(8)分别利用PET和CT的三个小球的重心坐标计算系统平移量和旋转量(如图13和14所示)；
对PET系统，重心坐标可以表述为:
对CT系统，重心坐标可以表述为:
通过坐标，我们可以计算两个平面的中心法线向量:
对PET系统：
对CT系统：
根据图15，CT系统的极角和旋转角可以通过其坐标表述如下：
这里：
对PET系统：
这里:
最后，我们能获得PET和CT系统的旋转矩阵
CT
PET
对于平移向量，对每个小球，计算一次，
xoff＝l1-l′1
yoff＝m1-m′1
zoff＝n1-n′1+Tmove
最后的平移量通过三个小球取均值获得。
(9)根据软件界面计算的配准值在轴向(z轴)和xy平面分别进行软件设置和机械调谐。
对于，x轴和y轴的调谐，则需要机械工程师的配合通过调整PET系统的底部固定螺丝获得：
对于z轴，则通过调整PET和CT系统之间的扫描移动床位距离来实现。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种PET/CT的配准方法，其特征在于：所述PET/CT的配准方法采用的PET/CT的配准装置包括模体和水平模，所述模体包括模架和安装在模架上的若干球底管容器；所述水平模上等间隔开设有孔，所述孔内插有销钉；所述水平模上还设有水平仪固定支架；
所述球底管容器包括长管和安装于长管底部的小球；所述模架包括底座、固定在底座上的两支杆、以及固定在支杆之间的安装架，所述安装架上等间距开设有若干个管孔，每个管孔一侧安装有调节螺母；
所述水平模采用低密度材质；
所述水平仪固定支架可拆卸安装于所述水平模上；
所述PET/CT的配准方法，包括CT起始角校准步骤和PET/CT系统中心平面配准步骤；
其中所述CT起始角校准步骤包括以下：
摆放水平模；
扫描并成像；
图像预处理并保留销钉图像；
识别销钉并计算每个销钉的重心；
对所有销钉的重心进行线性拟合；
用拟合结果计算倾斜角；
将计算出来的倾斜角作为校准参数提供给重建程序；
其中所述PET/CT系统中心平面配准步骤包括以下：
将放射性示踪剂注入三个球底管容器；
将三个球底管容器高低错位插入模架上的管孔内；
分别进行一次完整的单床位PET扫描和CT扫描并各自重建获得PET图和CT图；
对PET图进行预处理；
识别PET图中的三个小球并计算三个小球各自的重心坐标；
对CT图进行预处理；
利用图形形态学技术增加小球的显示并计算三个小球各自的重心坐标；
分别利用PET的三个小球的重心坐标和CT的三个小球的重心坐标计算系统平移量和旋转量；
计算配准值并在z轴和xy平面分别进行软件设置和机械调谐；
所述利用图形形态学技术增加小球的显示并计算三个小球各自的重心坐标的步骤，包括：
计算小球在xy，yz，zx三个平面内的投影；
提取三个平面内的投影轮廓并结合球体形状位置的先验知识分割出包含球体的最小立方体；
对三个分割出来的立方体做形态学图像增强计算；
利用重心法计算球体的重心坐标。
2.如权利要求1所述的一种PET/CT的配准方法，其特征在于，所述对PET图进行预处理步骤或对CT图进行预处理步骤，包括：图像阈值分割和图像平滑。
3.如权利要求1所述的一种PET/CT的配准方法，其特征在于：所述放射性示踪剂采用活度浓度大于10mCi/ml的1mCi F-18溶液。
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