CN111012372A - 确定飞行时间的方法、装置、介质及正电子断层扫描仪 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种确定飞行时间的方法、装置、介质及正电子断层扫描仪，用以解决相关技术计算光子对的飞行时间不够准确的问题。所述方法包括：获取第一光子到达第一探测器的能量以及时间，以及第二光子到达第二探测器的能量以及时间，所述第一光子和所述第二光子是同一湮灭事件产生的光子对；将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差；根据所述时间偏差对所述第一光子到达所述第一探测器的时间和所述第二光子到达所述第二探测器的时间之差进行补偿，得到所述光子对的飞行时间。本公开提供的技术方案提升了飞行时间的准确性。
Description
技术领域
本公开涉及正电子发射断层扫描技术领域，具体地，涉及一种确定飞行时间的方法、装置、介质及正电子断层扫描仪。
背景技术
PET(Positron Emission Tomography)中文名为正电子发射断层扫描。在利用PET技术扫描之前，需要先给被扫描人注射含有放射性元素的药物，待药物在人体内被充分吸收后，开始采集从人体内发出的伽马射线。该伽马射线由光子对背对背发射形成，两个光子发射方向呈近似180°，两个光子击中PET扫描仪的探测器之后，会产生光电信号。每个光子击中探测器的时间信息和能量信息会被记录下来。其中，同一湮灭事件产生的光子对中的两个光子到达探测器的时间差称为飞行时间(TOF，Time of Flight)。
相关技术中，光子到达探测器的时间是根据能量阈值判断的，即光子的能量达到能量阈值的时刻作为探测器的计时触发点。而由于高能光子的能量达到能量阈值的时间早于低能光子，因此，若光子对中存在高能光子和低能光子，则探测器对该光子对的两个光子的计时时间存在偏移，进而导致对光子对的飞行时间的计算存在时间偏差。相关技术中暂没有消除该时间偏差的技术方案。
发明内容
本公开的主要目的是提供一种确定飞行时间的方法、装置、存储介质及正电子断层扫描仪，用以解决相关技术计算光子对的飞行时间不够准确的问题。
为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种确定飞行时间的方法，所述飞行时间是指同一湮灭事件所产生的光子对到达正电子断层扫描仪PET的探测器的时间差，所述方法包括：
获取第一光子到达第一探测器的能量以及时间，以及第二光子到达第二探测器的能量以及时间，所述第一光子和所述第二光子是同一湮灭事件产生的光子对，所述第一探测器和所述第二探测器是所述正电子断层扫描仪的任意两个探测器；
将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差；
根据所述时间偏差对所述第一光子到达所述第一探测器的时间和所述第二光子到达所述第二探测器的时间之差进行补偿，得到所述光子对的飞行时间。
可选地，所述偏差预测模型的训练数据的构建包括：
根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差；
根据所述样本光子对中的第一样本光子到达探测器的能量、第二样本光子到达探测器的能量以及所述真实时间偏差构建用于训练所述偏差预测模型的训练数据。
可选地，在所述根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差之前，包括：
根据伽马射线源在每一层正电子断层图像中的空间位置，确定所述伽马射线源在所述正电子断层扫描仪的坐标系中的直线表达式，所述伽马射线源是预置在所述正电子断层扫描仪的扫描视野中的射线源；
所述根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差，包括：
若所述第一探测器和所述第二探测器探测到样本光子对，则确定所述第一探测器到所述第二探测器的连线在所述坐标系中的连线表达式；并，
根据所述直线表达式以及所述连线表达式，确定所述直线表达式表征的直线在所述第一探测器到所述第二探测器的连线上的垂足点；
将所述垂足点作为所述样本光子对的发射点，并根据所述发射点到所述第一探测器的距离，和所述垂足点到所述第二探测器的距离计算所述样本光子对的理论飞行时间；
将所述第一探测器探测到所述样本光子对中的第一样本光子的时间与所述第二探测器探测到所述样本光子对中的第二样本光子的时间之差作为所述实测飞行时间，并根据所述理论飞行时间与所述实测飞行时间之差作为所述真实时间偏差。
可选地，所述方法还包括：在所述第一探测器探测到光子的到达时间和所述第二探测器探测到光子的到达时间处于预设时间窗口内时，将所述第一探测器探测到的光子和所述第二探测器探测到的光子作为所述样本光子对；和/或,
在所述将所述垂足点作为所述样本光子对的发射点，并根据所述发射点到所述第一探测器的距离，和所述垂足点到所述第二探测器的距离计算所述样本光子对的理论飞行时间之前，所述方法还包括：
确定所述直线表达式表征的直线与所述第一探测器到所述第二探测器的连线之间的距离小于预设距离阈值。
可选地，所述偏差预测模型的训练包括：
确定所述训练数据中对应每一对探测器的所述训练数据，并根据每一对探测器对应的训练数据训练一偏差预测模型；
所述将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差，包括：
将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入对应所述第一探测器和所述第二探测器的目标偏差预测模型，得到所述目标偏差预测模型输出的时间偏差。
可选地，所述根据每一对探测器对应的训练数据训练一偏差预测模型，包括：
将所述每一对探测器中两个探测器分别对应的初始预测模型进行组合，得到初始的偏差预测模型；
根据所述每一对探测器对应的训练数据，对所述初始的偏差预测模型进行训练，直到模型参数收敛，得到训练完成的偏差预测模型。
可选地，所述偏差预测模型为神经网络模型，所述神经网络模型网络的输入层包括能量输入节点，所述神经网络模型网络的输出层包括时间偏差输出节点；所述神经网络模型网络包括单层隐含层或者多层隐含层。
本公开第二方面提供一种确定飞行时间的装置，所述飞行时间是指同一湮灭事件所产生的光子对到达正电子断层扫描仪PET的探测器的时间差，包括：
获取模块，用于获取第一光子到达第一探测器的能量以及时间，以及第二光子到达第二探测器的能量以及时间，所述第一光子和所述第二光子是同一湮灭事件产生的光子对，所述第一探测器和所述第二探测器是所述正电子断层扫描仪的任意两个探测器；
模型处理模块，用于将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差；
补偿模块，用于根据所述时间偏差对所述第一光子到达所述第一探测器的时间和所述第二光子到达所述第二探测器的时间之差进行补偿，得到所述光子对的飞行时间。
可选地，所述确定飞行时间的装置还可以包括：
训练数据构建模块，用于通过如下方式构建所述偏差预测模型的训练数据：根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差；根据所述样本光子对中的第一样本光子到达探测器的能量、第二样本光子到达探测器的能量以及所述真实时间偏差构建用于训练所述偏差预测模型的训练数据。
可选地，所述确定飞行时间的装置还可以包括第一确定模块，用于在训练数据构建模块根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差之前，根据伽马射线源在每一层正电子断层图像中的空间位置，确定所述伽马射线源在所述正电子断层扫描仪的坐标系中的直线表达式，所述伽马射线源是预置在所述正电子断层扫描仪的扫描视野中的射线源；
相应地，所述训练数据构建模块可以包括：
第一确定子模块，用于在所述第一探测器和所述第二探测器探测到样本光子对时，确定所述第一探测器到所述第二探测器的连线在所述坐标系中的连线表达式；
垂足点计算子模块，用于根据所述直线表达式以及所述连线表达式，确定所述直线表达式表征的直线在所述第一探测器到所述第二探测器的连线上的垂足点；
理论飞行时间计算子模块，用于将所述垂足点作为所述样本光子对的发射点，并根据所述发射点到所述第一探测器的距离，和所述垂足点到所述第二探测器的距离计算所述样本光子对的理论飞行时间；
真实时间偏差计算子模块，用于将所述第一探测器探测到所述样本光子对中的第一样本光子的时间与所述第二探测器探测到所述样本光子对中的第二样本光子的时间之差作为所述实测飞行时间，并根据所述理论飞行时间与所述实测飞行时间之差作为所述真实时间偏差。
可选地，所述第一确定子模块具体用于：在所述第一探测器探测到光子的到达时间和所述第二探测器探测到光子的到达时间处于预设时间窗口内时，将所述第一探测器探测到的光子和所述第二探测器探测到的光子作为所述样本光子对，并确定所述第一探测器到所述第二探测器的连线在所述坐标系中的连线表达式；和/或，
所述训练数据构建模块还可以包括第二确定子模块，用于在所述理论飞行时间计算子模块将所述垂足点作为所述样本光子对的发射点，并根据所述发射点到所述第一探测器的距离，和所述垂足点到所述第二探测器的距离计算所述样本光子对的理论飞行时间之前，确定所述直线表达式表征的直线与所述第一探测器到所述第二探测器的连线之间的距离小于预设距离阈值。
可选地，所述偏差预测模型的训练包括：
确定所述训练数据中对应每一对探测器的所述训练数据，并根据每一对探测器对应的训练数据训练一偏差预测模型；
所述将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差，包括：
将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入对应所述第一探测器和所述第二探测器的目标偏差预测模型，得到所述目标偏差预测模型输出的时间偏差。
可选地，所述偏差预测模型为神经网络模型，所述神经网络模型网络的输入层包括能量输入节点，所述神经网络模型网络的输出层包括时间偏差输出节点；所述神经网络模型网络包括单层隐含层或者多层隐含层。
本公开第三方面还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面任一项所述方法的步骤。
本公开第四方面还提供一种正电子断层扫描仪，包括：
探测环，探测环由多个探测器围成，每一所述探测器包括光电转换器以及用于探测光子的晶体；
存储器，其上存储有计算机程序；
处理器，与每一所述探测器相连，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现第一方面任一项所述方法的步骤。
采用上述技术方案，至少能够达到如下技术效果：
本公开通过训练对应于探测器的偏差预测模型，使得该偏差预测模型可以基于光子对到达探测器的能量输出时间偏差，用于对探测器实测得到的光子对的飞行时间进行时间补偿，提升了飞行时间的准确性。并且，训练输入为光子能量，输出为时间偏差的偏差预测模型，所需的数据总量较低，实现方式简单易行。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开实施例提供的一种高能光子和低能光子在探测器内的电信号波形图；
图2是本公开实施例提供的一种确定飞行时间的方法的流程示意图；
图3是本公开实施例提供的一种构建用于训练偏差预测模型的训练数据的方法的流程示意图；
图4是本公开实施例提供的一种正电子断层扫描仪的坐标系的示意图；
图5是本公开实施例提供的一种在正电子断层扫描仪的坐标系中确定样本光子对的发射点的示意图；
图6是本公开实施例提供的一种对应单个探测器的能量时间偏移曲线；
图7是本公开实施例提供的一种理想情况下的二维能量时间偏差分布图，表征光子对中两个光子到达探测器的能量与该光子对的飞行时间的时间偏差之间的映射关系；
图8是本公开实施例提供的一种实验环境下获得的二维能量时间偏差分布图；
图9是本公开实施例提供的一种确定飞行时间的装置的结构示意图；
图10是本公开实施例提供的一种正电子断层扫描仪的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
首先对本公开涉及到的相关技术进行简单介绍，以便本领域技术人员能够快速理解本公开的改进之处。
放射性元素在衰变时会产生正电子，当正电子与人体组织中的负电子相遇时会发生正负电子对湮灭反应，从而产生在同一直线上飞行方向相反的伽马光子，这两个伽马光子可以确定一条响应线，PET扫描仪通过探测器获取两个光子的飞行时间，以确定湮灭事件点在响应线上的位置，然后可通过后端的图像重建程序，重建得到PET图像。
图1示出了高能光子和低能光子在PET扫描仪的探测器内部形成的电信号波形，其中，图1所示坐标系的横轴为时间，纵轴为能量大小，实线表征高能光子在探测器内部形成的电信号波形，虚线表征为低能光子在探测器内部形成的电信号波形，T1为探测器针对高能光子的计时触发点，T2为探测器针对低能光子的计时触发点。由图可知，针对高能光子和低能光子，探测器的计时触发点均是能量为30keV的时刻，导致高能光子的计时触发点和低能光子的计时触发点相对原点的偏移是不一致的。这样，对于同时击中探测器的高能光子和低能光子，由于探测器计时触发点的偏移，会导致探测器对该高能光子和该低能光子记录的到达时间存在偏差，进而影响对光子对飞行时间的计算。
本公开实施例通过训练对应于两个探测器的偏差预测模型，建立起光子对中两个光子到达探测器的能量与该两个光子的飞行时间的时间偏差之间的映射关系，使得该偏差预测模型可以基于输入的两个光子的能量，输出时间偏差。这样，根据该时间偏差对两个探测器探测到的飞行时间进行时间补偿，即可提升飞行时间的准确度。下面对本公开实施例提供的确定飞行时间的方法、装置、存储介质及正电子断层扫描仪进行详细的说明。
首先，本公开实施例提供一种确定飞行时间的方法，所述飞行时间是指同一湮灭事件所产生的光子对到达正电子断层扫描仪的探测器的时间差，如图2所示，所述方法包括：
S201、获取第一光子到达第一探测器的能量以及时间，以及第二光子到达第二探测器的能量以及时间，所述第一光子和所述第二光子是同一湮灭事件产生的光子对。
其中，所述第一探测器和所述第二探测器是所述正电子断层扫描仪的任意两个探测器。
探测器可以包括晶体以及光电转换器，其中，晶体可在光子的撞击下，将光子的动能转变为光能，光电转换器用于将晶体的光能转化为电信号，以便根据该电信号获取表征光子到达探测器的能量的信息以及表征光子到达探测器的时间的信息。
值得说明的是，正电子断层扫描仪可以包括多个探测环，每一探测环由多个探测器围成，上述第一探测器和第二探测器即可以是同一探测环中，分别探测到同一光子对的两个光子的两个探测器。
S202、将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差。
该偏差预测模型是根据包括真实时间偏差以及光子对中两个光子的能量信息的训练数据进行训练得到的。其中，关于光子对真实时间偏差的计算后文将提供多种实施方式进行说明。
S203、根据所述时间偏差对所述第一光子到达所述第一探测器的时间和所述第二光子到达所述第二探测器的时间之差进行补偿，得到所述光子对的飞行时间。
应理解的是，时间偏差是指理论飞行时间与实测飞行时间的差值，例如，通过湮灭点到两个探测器的距离计算得到两个光子到达两个探测器的时间差为t0，探测器实际记录下的时间差为t1，则时间偏差为t1-t0。通过利用时间偏差对所述第一光子到达所述第一探测器的时间和所述第二光子到达所述第二探测器的时间之差进行补偿，可以使得实测得到的飞行时间更趋近于理论飞行时间，弥补了由于探测器的计时触发点偏移对飞行时间精确度的不利影响。
因此，本公开实施例采用上述技术方案，提升了飞行时间的准确性。并且，训练输入为光子能量，输出为时间偏差的偏差预测模型，所需的数据总量较低，实现方式简单易行。
下面对本公开实施例提供的确定飞行时间的方法进行详细说明。首先，关于上述偏差预测模型，具体地，所述偏差预测模型的训练数据的构建包括：
根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差；
根据所述样本光子对中的第一样本光子到达探测器的能量、第二样本光子到达探测器的能量以及所述真实时间偏差构建用于训练所述偏差预测模型的训练数据。
其中，该样本光子对可以是预置在正电子断层扫描仪的扫描视野中的射线源产生的正电子发生湮灭反应产生的光子对。在具体实施时，若两个探测器分别探测到的光子的到达时间在预设时间窗口内，则可将两个光子为样本光子组成样本光子对。
并且，在一种可能的实现方式中，射线源可以预置在两个探测器的连线正中心，样本光子对的理论飞行时间即应该为零(应理解的是，射线源的位置与湮灭事件的发生位置不同，但射线源处于两个探测器的连线正中心时，湮灭位置的发生位置到两个探测器的距离也近似相等)。这样，样本光子对的真实时间偏差即等于样本光子对中两个样本光子到达两个探测器的实测飞行时间，进一步根据求得的真实时间偏差以及两个样本光子到达两个探测器的能量即可构建得到用于训练偏差预测模型的训练数据。该偏差预设模型本质上即为建立光子对中两个光子到达两个探测器的能量与光子对的飞行时间的时间偏差的映射关系。
在另一种可能的实现方式中，如图3所示，构建训练偏差预测模型的训练数据的方法可以包括：
S301、根据伽马射线源在每一层正电子断层图像中的空间位置，确定所述伽马射线源在所述正电子断层扫描仪的坐标系中的直线表达式，所述伽马射线源是预置在所述正电子断层扫描仪的扫描视野中的射线源。
S302、若所述第一探测器和所述第二探测器探测到样本光子对，则确定所述第一探测器到所述第二探测器的连线在所述坐标系中的连线表达式。
S303、根据所述直线表达式以及所述连线表达式，确定所述直线表达式表征的直线在所述第一探测器到所述第二探测器的连线上的垂足点。
S304、将所述垂足点作为所述样本光子对的发射点，并根据所述发射点到所述第一探测器的距离，和所述垂足点到所述第二探测器的距离计算所述样本光子对的理论飞行时间。
S305、将所述第一探测器探测到所述样本光子对中的第一样本光子的时间与所述第二探测器探测到所述样本光子对中的第二样本光子的时间之差作为所述实测飞行时间，并根据所述理论飞行时间与所述实测飞行时间之差作为所述真实时间偏差。
S306、根据所述第一样本光子到达所述第一探测器的能量、所述第二样本光子到达所述第二探测器的能量以及所述真实时间偏差构建用于训练所述偏差预测模型的训练数据。
下面结合图4和图5对上述步骤进行详细说明，其中，图4示出了正电子断层扫描仪的坐标系，X-Y平面为正电子断层扫描仪的横断面，与探测环平面平行，Z轴是正电子断层扫描仪的长轴，与探测环平面垂直。步骤S301中，每一层正电子断层图像即是指根据每一探测环扫描得到的信息进行图像重建得到的对应每一探测环的PET图像。由于探测环沿坐标系Z轴延伸，因此对应每一探测环的PET图像的位置也是沿坐标系Z轴延伸，这样，将每一PET图像中伽马射线源的空间位置进行拟合，即可得到伽马射线源在坐标系的直线表达式。
如图5所示，直线a为伽马射线源在坐标系中的直线表达式表征的直线，b为第一探测器和第二探测器之间的连线，且直线a和连线b之间的距离为D，直线a在连线b上的垂足作为发射点e。也就是说，发射点e为发生湮灭事件产生击中第一探测器的第一样本光子和击中第二探测器的第二样本光子的位置。这样，通过发射点e与第一探测器的距离L1即可算出第一样本光子击中第一探测器的时间，通过发射点e第二探测器的距离L2即可算出第二样本光子击中第二探测器的时间，进而可以计算得到第一样本光子和第二样本光子击中探测器的时间差，得到理论飞行时间。而实测飞行时间是指第一探测器记录的第一样本光子的到达时间与所述第二探测器记录的第二样本光子的到达时间的差值，真实时间偏差即为该实测飞行时间与该理论飞行时间之差。
值得说明的是，正电子湮灭前可在人体组织内行进一定距离，图5中直线a和连线b之间的距离D即为正电子湮灭前行进的距离。在一种可能的实现方式中，步骤S304之前，还可以确定所述直线表达式表征的直线与所述第一探测器到所述第二探测器的连线之间的距离小于预设距离阈值。该预设距离阈值可以根据正电子在扫描对象内部能够行进的上限值进行设定，例如3cm。对于距离D大于该预设距离阈值的样本光子对，可以作为无效样本光子对舍弃，提升了样本的准确度。
以上说明了用于训练偏差预测模型的训练数据的构建方法，下面对偏差预测模型的具体训练过程进行说明。
在一种可能的实现方式中，所述偏差预测模型的训练包括：确定所述训练数据中对应每一对探测器的所述训练数据，并根据每一对探测器对应的训练数据训练一偏差预测模型，则上述步骤S202可以包括：将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入对应所述第一探测器和所述第二探测器的目标偏差预测模型，得到所述目标偏差预测模型输出的时间偏差。
在具体实施时，可以将探测到的样本光子对的数量大于数量阈值的探测器对筛选出来，并针对每一对探测器训练一偏差预测模型。例如，若探测器1和探测器2之间检测到100组样本光子对，探测器3和探测器4之间检测到80组样本光子对，探测器5和探测器6之间检测到10组样本光子对，探测器7和探测器8之间检测到100组样本光子对，且上述数量阈值为20，则可以针对探测器1和探测器2组成的一对探测器、探测器3和探测器4组成的一对探测器、探测器7和探测器8组成的一对探测器分别训练一偏差预测模型。这样，在步骤S202中，若当前是探测器1和探测器2探测到光子对，则可调用对应该探测器1和探测器2的偏差预测模型，对该光子对的时间偏差进行预测。
此外，在本公开实施例的一种可能的实现方式中，初始预测模型可以是针对每一探测器建立的，而对于每一对探测器的偏差预测模型的训练则可以是针对两个探测器的初始预测模型进行的联合训练。
例如，探测器1对应一初始的预测模型1，该初始的预测模型1用于建立到达探测器1的光子的能量与探测器1的时间偏移之间的映射关系，其中，探测器1的时间偏移是指探测器1实测的光子到达时间与光子到达探测器1的理论时间之间的偏差。
同理，探测器2对应一初始的预测模型2，该初始的预测模型2用于建立探测器2的光子的能量与探测器2的时间偏移之间的映射关系。而在进行模型训练时，是将初始的预测模型1和初始的预测模型2进行组合得到初始的偏差预测模型，并利用探测器1和探测器2探测到的样本光子对的训练数据对初始的偏差预测模型进行训练。对于训练成功的偏差预测模型，探测器1对应的预测模型1建立起到达探测器1的光子的能量与探测器1的时间偏差之间的映射关系。
该映射关系可以采用图6所示的能量时间偏移曲线表示，如图6所示，坐标系的横轴表征到达探测器1的光子的能量，坐标系的纵轴表示该探测器1的时间偏移。并且，探测器2对应的预测模型2也建立起到达探测器2的光子的能量与探测器2的时间偏差之间的映射关系。而预测偏差模型建立起的映射关系为到达探测器1的光子的能量以及到达探测器2的光子的能量，与两个光子的飞行时间的时间偏差之间的映射关系。而该映射关系可以采用图7所示的二维能量时间偏差分布图表示，该分布图的横纵坐标分别是两个探测器探测到的光子的能量，幅度值即为飞行时间的时间偏差。
示例地，假定光子飞行时间为探测器1的光子到达时间减去探测器2的光子到达时间，若探测器1的能量时间偏移曲线中，能量为200keV(千电子伏特)的光子，其对应的时间偏移为10ns(纳秒)，即探测器1实测的光子到达时间比理论到达时间延迟10ns。且探测器2的能量时间偏移曲线中，能量为300keV的光子，其对应的时间偏移为7ns(纳秒)，即探测器2实测的光子到达时间比理论到达时间延迟7ns。则对应该探测器1和探测器2的偏差预测模型的二维能量时间偏差分布图中，对应由300keV的光子和200keV的光子组成的光子对，其时间偏差为3ns。这样，若探测器1探测到能量为200keV的光子的到达时间为103ns，探测器2探测到能量为300keV的光子的到达时间为99ns，即实测飞行时间为4ns，此种情况下，采用时间偏差3ns对实测飞行时间进行补偿，即可得到最终的飞行时间4ns-3ns＝1ns。
应理解的是，图6和图7只是为了便于理解本公开实施例中关于偏差预测模型的实现方式而提供的图示说明，在具体实施时，偏差预测模型通过训练得到的模型参数构建了表征图7所示分布图的映射关系函数，通过向模型输入两个探测器探测到的光子对中两个的能量，该偏差预测模型可以通过映射关系函数计算输出时间偏差值。
图8是本公开实施例在实验环境下获得的二维能量时间偏差分布图，其越接近理想情况下的二维能量时间偏差分布图(图7所示)，表明偏差预测模型的输出越精确，进而对探测器实测的飞行时间的补偿越精确。对比图7和图8可知，本公开实施例提供的方法能够有效提高光子对飞行时间的精确度。
在一种可能的实现方式中，该偏差预测模型可以为神经网络模型，所述神经网络模型网络的输入层包括能量输入节点，所述神经网络模型网络的输出层包括时间偏差输出节点。并且，所述神经网络模型网络包括单层隐含层或者多层隐含层。
参照上述对偏差预测模型的具体训练过程的说明，在偏差预测模型为神经网络模型的情况下，也可以对每一探测器建立一初始神经网络子模型。这样，在模型训练时可以根据探测器对，对训练数据进行分组(每一组训练数据是同一对探测器探测到的样本光子对的数据)，并将该探测器对的两个神经网络子模型进行组合，得到初始的偏差预测模型，并利用对应该探测器对的训练数据训练该偏差预测模型，直到偏差预测模型的参数收敛。
可选地，该神经网络子模型的隐藏层为单层，从而模型的训练过程可以快速达到参数收敛，减少模型训练的耗时。
采用上述方式训练偏差预测模型，需要的数据量少，并且偏差预测模型为单层输入单层输出，需要训练的模型参数较少，进而训练耗时也较少。
本公开实施例还提供一种确定飞行时间的装置，用于执行上述方法实施例提供的确定飞行时间的方法，所述飞行时间是指同一湮灭事件所产生的光子对到达正电子断层扫描仪的探测器的时间差，所述确定飞行时间的装置可以通过软件、硬件或者两者相结合的方式实现正电子断层扫描仪的一部分，如图9所示，所述确定飞行时间的装置包括：
获取模块901，用于获取第一光子到达第一探测器的能量以及时间，以及第二光子到达第二探测器的能量以及时间，所述第一光子和所述第二光子是同一湮灭事件产生的光子对，所述第一探测器和所述第二探测器是所述正电子断层扫描仪的任意两个探测器；
模型处理模块902，用于将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差；
补偿模块903，用于根据所述时间偏差对所述第一光子到达所述第一探测器的时间和所述第二光子到达所述第二探测器的时间之差进行补偿，得到所述光子对的飞行时间。
本公开实施例提供的确定飞行时间的装置通过训练得到的对应于探测器的偏差预测模型，该偏差预测模型可以基于光子对到达探测器的能量输出时间偏差，对探测器实测得到的光子对的飞行时间进行时间补偿，提升了飞行时间的准确性。并且，训练输入为光子能量，输出为时间偏差的偏差预测模型，所需的数据总量较低，实现方式简单易行。
可选地，所述确定飞行时间的装置还可以包括：
训练数据构建模块，用于通过如下方式构建所述偏差预测模型的训练数据：根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差；根据所述样本光子对中的第一样本光子到达探测器的能量、第二样本光子到达探测器的能量以及所述真实时间偏差构建用于训练所述偏差预测模型的训练数据。
可选地，所述确定飞行时间的装置还可以包括第一确定模块，用于在训练数据构建模块根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差之前，根据伽马射线源在每一层正电子断层图像中的空间位置，确定所述伽马射线源在所述正电子断层扫描仪的坐标系中的直线表达式，所述伽马射线源是预置在所述正电子断层扫描仪的扫描视野中的射线源；
相应地，所述训练数据构建模块可以包括：
第一确定子模块，用于在所述第一探测器和所述第二探测器探测到样本光子对时，确定所述第一探测器到所述第二探测器的连线在所述坐标系中的连线表达式；
垂足点计算子模块，用于根据所述直线表达式以及所述连线表达式，确定所述直线表达式表征的直线在所述第一探测器到所述第二探测器的连线上的垂足点；
理论飞行时间计算子模块，用于将所述垂足点作为所述样本光子对的发射点，并根据所述发射点到所述第一探测器的距离，和所述垂足点到所述第二探测器的距离计算所述样本光子对的理论飞行时间；
真实时间偏差计算子模块，用于将所述第一探测器探测到所述样本光子对中的第一样本光子的时间与所述第二探测器探测到所述样本光子对中的第二样本光子的时间之差作为所述实测飞行时间，并根据所述理论飞行时间与所述实测飞行时间之差作为所述真实时间偏差。
可选地，所述第一确定子模块具体用于：在所述第一探测器探测到光子的到达时间和所述第二探测器探测到光子的到达时间处于预设时间窗口内时，将所述第一探测器探测到的光子和所述第二探测器探测到的光子作为所述样本光子对，并确定所述第一探测器到所述第二探测器的连线在所述坐标系中的连线表达式；和/或，
所述训练数据构建模块还可以包括第二确定子模块，用于在所述理论飞行时间计算子模块将所述垂足点作为所述样本光子对的发射点，并根据所述发射点到所述第一探测器的距离，和所述垂足点到所述第二探测器的距离计算所述样本光子对的理论飞行时间之前，确定所述直线表达式表征的直线与所述第一探测器到所述第二探测器的连线之间的距离小于预设距离阈值。
可选地，所述偏差预测模型的训练包括：
确定所述训练数据中对应每一对探测器的所述训练数据，并根据每一对探测器对应的训练数据训练一偏差预测模型；
所述将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差，包括：
将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入对应所述第一探测器和所述第二探测器的目标偏差预测模型，得到所述目标偏差预测模型输出的时间偏差。
可选地，所述偏差预测模型为神经网络模型，所述神经网络模型网络的输入层包括能量输入节点，所述神经网络模型网络的输出层包括时间偏差输出节点；所述神经网络模型网络包括单层隐含层或者多层隐含层。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
本公开实施例还提供一种正电子断层扫描仪，如图10所示，包括：
探测环10，探测环由多个探测器11围成，每一所述探测器11包括光电转换器110以及用于探测光子的晶体111；
存储器12，其上存储有计算机程序；
处理器13，与每一所述探测器11相连，用于执行所述存储器12中的所述计算机程序，以实现上述方法实施例提供的确定飞行时间的方法的步骤。
在具体实施时，正电子断层扫描仪还可以包括其他部件，例如机架、控制台、其他外围设备等，图10中未一一示出。
其中，处理器13用于控制该正电子断层扫描仪的整体操作，以完成上述的确定飞行时间的方法中的全部或部分步骤。存储器12用于存储各种类型的数据以支持在该正电子断层扫描仪的操作，这些数据例如可以包括用于在该正电子断层扫描仪上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据，例如探测器探测到的光子到达时间和能量数据等。
该存储器12可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
该处理器13可以被一个或多个应用专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device，简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行所述存储器12中的所述计算机程序。
本公开实施例还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的确定飞行时间的方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器12，上述程序指令可由处理器13执行以完成上述的确定飞行时间的方法。
本公开实施例还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含能够由可编程的装置执行的计算机程序，该计算机程序具有当由该可编程的装置执行时用于执行上述的确定飞行时间的方法的代码部分。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (10)
1.一种确定飞行时间的方法，所述飞行时间是指同一湮灭事件所产生的光子对到达正电子断层扫描仪PET的探测器的时间差，其特征在于，所述方法包括：
获取第一光子到达第一探测器的能量以及时间，以及第二光子到达第二探测器的能量以及时间，所述第一光子和所述第二光子是同一湮灭事件产生的光子对，所述第一探测器和所述第二探测器是所述正电子断层扫描仪的任意两个探测器；
将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差；
根据所述时间偏差对所述第一光子到达所述第一探测器的时间和所述第二光子到达所述第二探测器的时间之差进行补偿，得到所述光子对的飞行时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏差预测模型的训练数据的构建包括：
根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差；
根据所述样本光子对中的第一样本光子到达探测器的能量、第二样本光子到达探测器的能量以及所述真实时间偏差构建用于训练所述偏差预测模型的训练数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差之前，包括：
根据伽马射线源在每一层正电子断层图像中的空间位置，确定所述伽马射线源在所述正电子断层扫描仪的坐标系中的直线表达式，所述伽马射线源是预置在所述正电子断层扫描仪的扫描视野中的射线源；
所述根据样本光子对的理论飞行时间以及实测飞行时间确定真实时间偏差，包括：
若所述第一探测器和所述第二探测器探测到样本光子对，则确定所述第一探测器到所述第二探测器的连线在所述坐标系中的连线表达式；并，
根据所述直线表达式以及所述连线表达式，确定所述直线表达式表征的直线在所述第一探测器到所述第二探测器的连线上的垂足点；
将所述垂足点作为所述样本光子对的发射点，并根据所述发射点到所述第一探测器的距离，和所述垂足点到所述第二探测器的距离计算所述样本光子对的理论飞行时间；
将所述第一探测器探测到所述样本光子对中的第一样本光子的时间与所述第二探测器探测到所述样本光子对中的第二样本光子的时间之差作为所述实测飞行时间，并根据所述理论飞行时间与所述实测飞行时间之差作为所述真实时间偏差。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述第一探测器探测到光子的到达时间和所述第二探测器探测到光子的到达时间处于预设时间窗口内时，将所述第一探测器探测到的光子和所述第二探测器探测到的光子作为所述样本光子对；和/或,
在所述将所述垂足点作为所述样本光子对的发射点，并根据所述发射点到所述第一探测器的距离，和所述垂足点到所述第二探测器的距离计算所述样本光子对的理论飞行时间之前，所述方法还包括：
确定所述直线表达式表征的直线与所述第一探测器到所述第二探测器的连线之间的距离小于预设距离阈值。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述偏差预测模型的训练包括：
确定所述训练数据中对应每一对探测器的所述训练数据，并根据每一对探测器对应的训练数据训练一偏差预测模型；
所述将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差，包括：
将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入对应所述第一探测器和所述第二探测器的目标偏差预测模型，得到所述目标偏差预测模型输出的时间偏差。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据每一对探测器对应的训练数据训练一偏差预测模型，包括：
将所述每一对探测器中两个探测器分别对应的初始预测模型进行组合，得到初始的偏差预测模型；
根据所述每一对探测器对应的训练数据，对所述初始的偏差预测模型进行训练，直到模型参数收敛，得到训练完成的偏差预测模型。
7.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述偏差预测模型为神经网络模型，所述神经网络模型网络的输入层包括能量输入节点，所述神经网络模型网络的输出层包括时间偏差输出节点；所述神经网络模型网络包括单层隐含层或者多层隐含层。
8.一种确定飞行时间的装置，所述飞行时间是指同一湮灭事件所产生的光子对到达正电子断层扫描仪PET的探测器的时间差，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取第一光子到达第一探测器的能量以及时间，以及第二光子到达第二探测器的能量以及时间，所述第一光子和所述第二光子是同一湮灭事件产生的光子对，所述第一探测器和所述第二探测器是所述正电子断层扫描仪的任意两个探测器；
模型处理模块，用于将所述第一光子到达所述第一探测器时的能量和所述第二光子到达所述第二探测器时的能量输入偏差预测模型，得到所述偏差预测模型输出的时间偏差；
补偿模块，用于根据所述时间偏差对所述第一光子到达所述第一探测器的时间和所述第二光子到达所述第二探测器的时间之差进行补偿，得到所述光子对的飞行时间。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
10.一种正电子断层扫描仪，其特征在于，包括：
探测环，探测环由多个探测器围成，每一所述探测器包括光电转换器以及用于探测光子的晶体；
存储器，其上存储有计算机程序；
处理器，与每一所述探测器相连，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
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