CN110988974B - 曲面辐射源的pet探测器飞行时间的校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，涉及PET探测器技术领域，包括校准体模，用于发射时间同时但方向相反的辐射事件对的辐射源；TOF‑PET成像数据采集模块，用于采集到发出的辐射事件的信息；辐射源分布获取模块，用于提取辐射源的实际形态特征以获得到辐射源的空间分布；图像处理模块；正向投影计算模块，用于同正向投影获取真实的LOR时间差E；基础延时计算模块，用于计算出每一条LOR上的实际射线对延迟；以及对比计算模块和数据重建模块。本发明使用源对TOF‑PET定时进行校准，源可以是大的平的平面源，也可以有着任意弯折的曲面，只要覆盖到LOR的范围就可以进行校正，具有很好的广泛适用性，同时计算的速度和准确性也有所提升。
Description
技术领域
本发明涉及PET探测器技术领域，尤其涉及一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统。
背景技术
PET(正电子发射断层)的设备可以测量正电子湮没后的γ光子配对，并利用的γ光子对的几何方向和时间特性进行成像。
其中γ光子对的时间特性是指，两个方向相反的光子由于光程(飞行时间TOF)不同，进入检测器闪烁体晶体的时间产生差异。通过精确检验出时间上的差异可以反推出实际正电子湮没的几何范围。
检测器系统对于每个响应线(LOR)的时间差检测可能有以下来源造成误差：
一、检测器通道或模块的延迟响应时间不同；
二、LOR到晶体面的入射角度不同，导致平均相互作用深度(DOI)不同；
为了校正各自LOR上的时间响应误差，一篇公开号为CN 107110988 A的专利提出了一种利用平板放射源作为时间校正的方法，它利用多次迭代的方法来逼近准确延迟值，但它存在以下缺陷：
1、计算精度不够；
2、平面源摆放难度大，精度要求高，需要修正，否则容易带来极大误差；
3、辐射源本身特点是面极大厚度极薄，这样源实际上很难保证平整性。
基于此，做出本申请。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，包括
校准体模，用于发射时间同时但方向相反的辐射事件对的辐射源；
TOF-PET成像数据采集模块，用于采集到发出的辐射事件的信息；
辐射源分布获取模块，用于提取辐射源的实际形态特征以获得到辐射源的空间分布；
图像处理模块，用于将辐射源分布图像进行处理，得到与实际辐射源的位置；
正向投影计算模块，用于同正向投影获取真实的LOR时间差E；
基础延时计算模块，用于利用PET诊断成像装置对辐射源进行含有TOF信息，计算出每一条LOR上的实际射线对延迟；
对比计算模块，用于将正向投影计算模块的结果和基础延时计算结果进行对比，获取到精确的各个LOR上的时延；
数据重建模块，用于采集符合事件TOF时间差来进行TOF方式重建，它同时利用了LOR上的时延信息。
所述TOF-PET成像数据采集模块采用多个辐射探测器环状结构，探测器具有不同的定时延迟，辐射事件对与辐射探测器的相互作用路径是LOR，检测器环确定后，每一条LOR的几何位置是已知的。
所述辐射源分布获取模块提取辐射源的实际形态特征以获得到辐射源的空间分布，其具体操作步骤包括利用PET诊断成像装置获取到辐射源的符合γ光子对信号；或者，如果PET是与X射线断层扫描并联的PET/CT设备，使用CT扫描辐射源，通过CT设备重建得到X射线断层成像的辐射源衰减图像；如果是PET是与磁共振扫描设备并联的PET/MR设备，使用MR对辐射源进行时间序列扫描得到辐射源的磁共振空间分布图像。
所述图像处理模块将辐射源分布图像进行处理，得到与实际辐射源的位置，其具体操作步骤包括图像平滑化和图像阈值分割两步。
所述正向投影计算模块同正向投影获取真实的LOR时间差E，其具体操作步骤包括以下：
(1)根据原始的PET检测器几何坐标产生对应的LOR方向线；
(2)沿着LOR方向线，寻找出累积的输入图像像素值，
其代表公式如下
其中，Xi表示上述先前图像的第i个元素的值，Cj表示第j个LOR方向的累积值，Pij为系统几何矩阵对应第i个图像元素、第j个LOR元素的值；
(3)计算累积距离，
其代表公式如下
其中
为从LOR起始端到像素i的距离；
(4)计算LOR起始点到辐射源平均距离
Disj＝Wj/Cj
Disj就是第j条LOR到辐射源的距离；
通过转化，得到时间差Ej＝(2*Disj-DLORj)/c；c表示光速，DLORj是LOR的起始检测器到终端检测器的距离。
所述基础延时计算模块利用PET诊断成像装置对辐射源进行含有TOF信息，计算出每一条LOR上的实际射线对延迟，其具体步骤包括以下：
(1)统计每一条LOR上的统计计数，记为Nj
(2)在每一个LOR下，累积每一个符合事件的飞行时间
计算公式为
其中Tj是第j个LOR上平均延时，Tdjk是第j个LOR上的第k个符合事件时间差，它是由LOR上起始的检测器延时t0减去终端的检测器延时t1，公式表达为Tdjk＝t0jk-t1jk。
基础延时计算模块利用PET诊断成像装置对辐射源进行含有TOF信息，计算出每一条LOR上的实际射线对延迟，得到LOR上需要校正的时延为Delayj＝Ej-Tj。
所述数据重建模块用于采集符合事件TOF时间差来进行TOF方式重建，对应TOF-PET成像数据采集模块更新TOF符合数据的时间差参数，其更新方法为，直接将Delayj作为修正项目，各个符合上新的参数，Dti＝Dti+Delayj，其中i表示第i个符合事件，它的几何位置属于标号为j的LOR上。
本发明的工作原理：本发明对获取到的辐射源图像，通过正投影算法直接计算LOR上源的精确位置，同时联合采集到的LOR内部的实际飞行时间差信息，精确的计算出LOR上的有效地飞行时间误差，该系统可以有效提高提高校正过程的稳定性，主要表现在：不限于辐射源的平整度、不限于辐射源的面积大小、不限于辐射源的厚度。
本发明能实现如下技术效果：
(1)本发明准确性更高适用范围更广，本发明使用源对TOF-PET定时进行校准，源可以是大的平的平面源，也可以有着任意弯折的曲面，只要覆盖到LOR的范围就可以进行校正，平整面源可以精准计算各个通道时间延迟，因此本发明具有很好的广泛适用性和更高的准确性
(2)本发明计算速度更快，本发明直接使用LOR定时对符合事件校准，避免迭代处理单独晶体延时过程。
附图说明
图1为本实施例的数据流程图；
图2为本实施例辐射源分布获取模块获取到的面源空间分布图；
图3为本实施例分布图像处理模块进行修正后的图像；
图4为本实施例正向投影计算模块的结果图，其中横坐标为LOR角度方向，纵坐标为LOR径向；
图5为本实施例延时校正模块的结果图，其中横坐标为LOR角度方向，纵坐标为LOR径向；
图6为本实施例最终计算的各LOR上的时延Delayj。其中横坐标为LOR角度方向，纵坐标为LOR径向；
图7为本实施例坐标轴定义图。
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：
本实施例的一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，需要用到PET诊断成像装置，而PET诊断成像装置包括：成像区域外部的多个辐射探测器环状结构，用来采集到发出的辐射事件的信息。探测器具有不同的定时延迟。校准体模可以发射时间同时但方向相反的辐射事件对(符合事件)的辐射源，辐射事件对与辐射探测器的相互作用路径是LOR，当检测器环确定后，每一条LOR的几何位置是已知的。
为了展示本次发明的广泛适用性。本实施例使用了形变较大弧面源作为实例进行演示。
总体流程如图1所示，利用TOF-PET装置采集到体模含有飞行时间dt的符合事件。通过统计计算出LOR上的时间差均值T。同时利用辐射源分布获取模块同步得到体模的空间分布，并同正向投影获取真实的LOR时间差E。通过对比E和T的差异导出LOR上的飞行延时并保存。该飞行延时可以应用在后续的实际扫描和重建中，以提高TOF的计算精确度。
本实施例的一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统还包括以下
1、辐射源分布获取模块
它的作用是提取辐射源的实际形态特征。这样可以获得到辐射源的空间分布。它的实现方法有3种：
第一种是利用PET诊断成像装置获取到辐射源的符合γ光子对信号。信号进行无飞行时间的重建，重建方法例如，有序子集最大似然期望值法OSEM，最大似然期望值法(MLEM)，滤波反投影FBP或者其他方法。
第二种如果PET是与X射线断层扫描(CT)并联的PET/CT设备，还可以使用CT扫描辐射源，通过CT设备重建得到X射线断层成像的辐射源衰减图像。
第三种如果是PET是与磁共振扫描设备(MR)并联的PET/MR设备，还可以使用MR对辐射源进行时间序列扫描得到辐射源的磁共振空间分布图像。
2、图像处理模块
它的作用是将辐射源分布图像进行处理，得到与实际辐射源的位置。
它的处理操作包括图像平滑化和图像阈值分割两步。
图像平滑化是用来去除图像上的噪声，可以使用低通滤波，中值滤波或者总变分等方法实现。
阈值分割是用来提取图像中真实的辐射源区域，去除模糊扩展产生的额外区域。
通过分布图像处理器后的图像，叫做采样图像能够被称为“先前图像”或“输入图像。
如图2和图3分别模块的输入和输出图像。
3、正向投影计算模块
它处理三个工作：
第一是根据原始的PET检测器几何坐标产生对应的LOR方向线。
第二是沿着LOR方向线，寻找出累积的输入图像像素值。
其代表公式如下
其中，Xi表示上述先前图像的第i个元素的值，Cj表示第j个LOR方向的累积值，Pij为系统几何矩阵对应第i个图像元素、第j个LOR元素的值。
第三是计算累积距离。
其代表公式如下
其中
为从LOR起始端到像素i的距离。
第四是计算LOR起始点到辐射源平均距离
Disj＝Wj/Cj
Disj就是第j条LOR到辐射源的距离。
通过转化，得到时间差Ej＝(2*Disj-DLORj)/c.c表示光速，DLORj是LOR的起始检测器到终端检测器的距离。如图4是本模块的输出图像，横坐标为角度方向，纵坐标为径向，它是以正弦图的形式表示。
4、基础延时计算模块
它的作用是利用PET诊断成像装置对辐射源进行含有TOF信息，计算出每一条LOR上的实际射线对延迟。
功能实现为：
第一统计每一条LOR上的统计计数，记为Nj
第二在每一个LOR下，累积每一个符合事件的飞行时间
具体方法是
其中Tj是第j个LOR上平均延时，Tdjk是第j个LOR上的第k个符合事件时间差，它是由LOR上起始的检测器延时t0减去终端的检测器延时t1，公式表达为Tdjk＝t0jk-t1jk。如图5是本模块的输出图像，横坐标为角度方向，纵坐标为径向，它是以正弦图的形式表示。
5、对比计算模块
它的作用是把正投计算模块的结果和基础延时计算结果进行对比，获取到精确的各个LOR上的时延。可以得到LOR上需要校正的时延为Delayj＝Ej-Tj。如图6是本模块的输出图像，横坐标为角度方向，纵坐标为径向。它是以正弦图的形式表示。图中的误差显示范围是-5到5之间。从结果可知数据计算误差与真实值相比，误差范围在1-2mm的光程之间。图中由于面源是平行于Y轴放置，模体校正的LOR具有一定范围。第二次将模体旋转后使面源平行于X轴放置，可以再次进行校正，可以校正所有的LOR方向。
6、数据重建模块
在使用过程中，对应采集的模块会更新TOF符合数据的时间差参数，更新方法可以是直接将Delayj作为修正项目，各个符合上新的参数，Dti＝Dti+Delayj，其中i表示第i个符合事件，它的几何位置属于标号为j的LOR上。它采集符合事件TOF时间差Dti来进行TOF方式重建。一般最大似然期望最大化(MLEM)被用作迭代图像重建算法。也可以使用其他迭代重建算法，例如，有序子集期望最大化(OSEM)。
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 (8)
1.一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，其特征在于：包括
校准体模，用于发射时间同时但方向相反的辐射事件对的辐射源；
TOF-PET成像数据采集模块，用于采集到发出的辐射事件的信息；
辐射源分布获取模块，用于提取辐射源的实际形态特征以获得到辐射源的空间分布；
图像处理模块，用于将辐射源分布图像进行处理，得到与实际辐射源的位置；
正向投影计算模块，用于同正向投影获取真实的LOR时间差E；
基础延时计算模块，用于利用PET诊断成像装置对辐射源进行含有TOF信息，计算出每一条LOR上的实际射线对延迟；
对比计算模块，用于将正向投影计算模块的结果和基础延时计算结果进行对比，获取到精确的各个LOR上的时延；
数据重建模块，用于采集符合事件TOF时间差来进行TOF方式重建，它同时利用了LOR上的时延信息。
2.如权利要求1所述的一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，其特征在于：所述TOF-PET成像数据采集模块采用多个辐射探测器环状结构，探测器具有不同的定时延迟，辐射事件对与辐射探测器的相互作用路径是LOR，检测器环确定后，每一条LOR的几何位置是已知的。
3.如权利要求1所述的一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，其特征在于：所述辐射源分布获取模块提取辐射源的实际形态特征以获得到辐射源的空间分布，其具体操作步骤包括利用PET诊断成像装置获取到辐射源的符合γ光子对信号；或者，如果PET是与X射线断层扫描并联的PET/CT设备，使用CT扫描辐射源，通过CT设备重建得到X射线断层成像的辐射源衰减图像；如果是PET是与磁共振扫描设备并联的PET/MR设备，使用MR对辐射源进行时间序列扫描得到辐射源的磁共振空间分布图像。
4.如权利要求1所述的一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，其特征在于：所述图像处理模块将辐射源分布图像进行处理，得到与实际辐射源的位置，其具体操作步骤包括图像平滑化和图像阈值分割两步。
5.如权利要求1所述的一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，其特征在于，所述正向投影计算模块同正向投影获取真实的LOR时间差E，其具体操作步骤包括以下：
(1)根据原始的PET检测器几何坐标产生对应的LOR方向线；
(2)沿着LOR方向线，寻找出累积的输入图像像素值，
其代表公式如下
其中，Xi表示上述先前图像的第i个元素的值，Cj表示第j个LOR方向的累积值，Pij为系统几何矩阵对应第i个图像元素、第j个LOR元素的值；
(3)计算累积距离，
其代表公式如下
其中
为从LOR起始端到像素i的距离；
(4)计算LOR起始点到辐射源平均距离
Disj＝Wj/Cj
Disj就是第j条LOR到辐射源的距离；
通过转化，得到时间差Ej＝(2*Disj-DLORj)/c；c表示光速，DLORj是LOR的起始检测器到终端检测器的距离。
6.如权利要求5所述的一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，其特征在于：所述基础延时计算模块利用PET诊断成像装置对辐射源进行含有TOF信息，计算出每一条LOR上的实际射线对延迟，其具体步骤包括以下：
(1)统计每一条LOR上的统计计数，记为Nj
(2)在每一个LOR下，累积每一个符合事件的飞行时间
计算公式为
其中Tj是第j个LOR上平均延时，Tdjk是第j个LOR上的第k个符合事件时间差，它是由LOR上起始的检测器延时t0减去终端的检测器延时t1，公式表达为Tdjk＝t0jk-t1jk。
7.如权利要求6所述的一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，其特征在于：基础延时计算模块利用PET诊断成像装置对辐射源进行含有TOF信息，计算出每一条LOR上的实际射线对延迟，得到LOR上需要校正的时延为Delayj＝Ej-Tj。
8.如权利要求7所述的一种曲面辐射源的PET探测器飞行时间的校准系统，其特征在于：所述数据重建模块用于采集符合事件TOF时间差来进行TOF方式重建，对应TOF-PET成像数据采集模块更新TOF符合数据的时间差参数，其更新方法为，直接将Delayj作为修正项目，各个符合上新的参数，Dti＝Dti+Delayj，其中i表示第i个符合事件，它的几何位置属于标号为j的LOR上。
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