CN111685788B - 一种提高pet信噪比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高PET信噪比的方法，涉及医学影像设备技术领域，采用带有高、低双阈值比较器的脉冲信号甄别电路，包括数据采集；数据分析；阈值表生成；阈值表加载；脉冲过滤。采用自动改变高阈值，通过获取当前状态下各block的能量拐点位置及起始点位置信息，通过获取所有次采集的能量拐点位置及与阈值间的关系L1和起始点位置与阈值间的关系L2，获取对应block的L1和L2的交点P，并获取该交点所对应的阈值，将该阈值作为该block的最终阈值，实现对该block的阈值的精准校准，最终实现PET信噪比的提高，达到提升图像质量的目的。

Description

一种提高PET信噪比的方法

技术领域

本发明涉及医学影像设备技术领域，尤其是一种提高PET信噪比的方法。

背景技术

正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Computed Tomography，简称PET)是目前最先进的医疗诊断设备之一。其工作原理是将同位素标记药物注入体内，该放射性核素会释放出正电子，并与体内的负电子快速发生湮灭辐射，并产生两个能量相同，方向相反的γ光子。

PET系统通过采用环绕人体的核探测器装置，可以获取光子被探测器探测到的时间、位置和能量信息，并根据该信息重建图像。常用的核探测器包括由多个闪烁晶体组成的晶体阵列(Crystal array)和光电探测器。其中，晶体阵列用于接收病患体内释放出的光子(例如γ光子)并将其转换成可见光，光电探测器用于将可见光转换成脉冲信号，脉冲信号源为电压信号或电流信号，其对应的脉冲波形在时间轴上呈现线性上升和指数衰减的特性。而噪声信号有着与实际脉冲信号源相同的特性，只是在幅值上略有差异。因此，需要通过设置一个高阈值比较器，将脉冲波形上低于该高阈值的脉冲信号过滤。

PET成像的关键在于γ射线的脉冲信号采集，如何精确、有效捕获实际γ光子的脉冲信号，降低噪声信号的干扰，是决定PET成像质量好坏的关键。

现有技术中，实现过滤噪声信号的方法主要是基于电子学，通过设置一个阈值比较器，将超过阈值的脉冲波形记录下来。然而，对于阈值的选取，均采用的是对一些模块做示波器的波形测试，通过观察示波器的波形，来获取有效信号与噪声信号的相对幅值，并将该比较器的阈值设置在有效信号和噪声信号之间，最终将该阈值用于整个系统中。该方法的缺点是：采用试验的方式获取阈值，比较浪费时间，且精度也不高；同时，由于整机系统的像素有好几万个，而每个像素的增益均不一致，信号幅值也不完全相同，因此，将试验所获得的经验阈值运用到整机系统中，并不能完全代表整机的阈值状态，也不能有效的过滤噪声信号，并且还会影响系统的性能。

例如，授权公告号为CN105105781B的发明专利，公开了一种平板PET系统及用途，包括数据采集模块、数据处理模块、图像重建模块，其中图像重建模块包括预处理子模块、图像重建子模块和后处理子模块，这种PET系统能够适用于体外的细胞实验，可以获得更多数目的符合事件，获得更高的图像信噪比，从而使得系统有更好的定量准确性。

又如，公布号为CN109829869A的发明专利申请，公开了一种降低PET图像噪声的数值域插值方法，只对轴向相邻的LOR(响应线)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。

因此，迫切需要一种精准的校准方法，能有效实现对噪声信号的过滤，达到提高PET信噪比，最终图像质量的大幅度提升。本发明是基于双阈值比较器，采用自动改变高阈值，通过获取当前状态下各block的能量拐点位置及起始点位置信息，通过获取所有次采集的能量拐点位置及与阈值间的关系L1和起始点位置与阈值间的关系L2，获取对应block的L1和L2的交点P，并获取该交点所对应的阈值，实现对该block阈值的精准校准，最终实现PET信噪比的提高，达到提升图像质量的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决采用试验的方式获取阈值，比较浪费时间，且精度也不高，将试验所获得的经验阈值运用到整机系统中，并不能完全代表整机的阈值状态，也不能有效的过滤噪声信号，并且还会影响系统的性能的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种提高PET信噪比的方法，采用带有高、低双阈值比较器的脉冲信号甄别电路，包括如下步骤：

S1.数据采集；

S2.数据分析；

S3.阈值表生成；

S4.阈值表加载；

S5.脉冲过滤。

高、低阈值可以是不同的两路比较器，高阈值用于对各block的阈值精准校准，低阈值用于将信号噪声过滤。

优选的，上述的步骤S1的数据采集实现对外部源的N次采集，N>2，默认初始阈值为10，默认步进为3，默认次数为20，具体包括以下步骤：

S11.分别配置初始阈值Th₀、步进step和次数N；

S12.自动加载阈值表；

S13.开始single数据采集；

S14.当前数据采集结束，并记录当前数据采集次数n，若n<N，则更新阈值表后继续数据采集，否则采集结束；

S15.当前阈值Th_n＝Th₀+(n-1)×step；

S16更新阈值表后重复步骤S12-S14。

优选的，上述的步骤S2的数据分析实现对各次采集的数据按照block为单元做能量分布统计，并获取所有次采集条件下的能量曲线拐点位置与阈值的关系及能量曲线起始点位置与阈值的关系，包括：

S21.对所统计的能量分布曲线获取能量峰值Epk；

S22.根据能量峰值Epk获取能量曲线拐点的位置信息Ebrk及对应的阈值Th，从而获取Ebrk与Th的关系曲线L1；Ebrk＝Epk×380/511；

S23.根据能量曲线获取能量曲线起点的位置信息Estr及对应的阈值Th，从而获取Estr与Th的关系曲线L2；Estr为各block能量曲线中，第一个能量值不为0的点；

S24.根据曲线L1和L2获取L1和L2的交点P；

S25.将获取的交点所对应的阈值Th作为对应模块的高阈值TH。

优选的，上述的步骤S3的阈值表生成，是将所有block的高阈值TH按照一定的格式存储，形成高阈值查找表。

优选的，上述的步骤S4的阈值表加载，是将高阈值查找表通过FPGA指令加载给系统各对应模块。

优选的，上述的步骤S5的脉冲过滤，是根据高阈值查找表参数实现对噪声信号的过滤，从而增大对有效信号的传输率。

本发明还提供一种使用上述方法提高PET信噪比的系统，包括数据采集模块、数据分析模块、阈值表生成模块、阈值表加载模块、脉冲过滤模块。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种提高PET信噪比的方法，基于双阈值比较器，采用自动改变高阈值，通过获取当前状态下各block的能量拐点位置及起始点位置信息，通过获取所有次采集的能量拐点位置及与阈值间的关系L1和起始点位置与阈值间的关系L2，获取对应block的L1和L2的交点P，并获取该交点所对应的阈值，将该阈值作为该block的最终阈值，实现对该block的阈值的精准校准，最终实现PET信噪比的提高，达到提升图像质量的目的。

传统方式的信噪比：S/N＝(T+N)/N＝1.54，其中S为总的信号、T为有用信号、N为噪声信号，下同；本发明的一个实施例获得的信噪比S/N＝(T+N)/N＝2.78；信噪比提升了80％。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为提高信噪比方法流程图；

图2为数据采集流程图；

图3为数据分析流程图；

图4为PET系统模块分布示意图；

图5为能量分布曲线示意图；

图6为高斯拟合后的能量分布曲线；

图7为Ebrk与Th间关系曲线示意图；

图8为Estr与Th间关系曲线；

图9为L1和L2与Th的关系曲线示意图；

图10为传统方式下信号统计示意图；

图11为实施例1信号统计示意图；

具体实施方式

【实施例1】

本实施例中的提高PET信噪比的方法是采用带有高、低双阈值比较器的脉冲信号甄别电路，如图1所示，包括如下步骤：

S1.数据采集；

S2.数据分析；

S3.阈值表生成；

S4.阈值表加载；

S5.脉冲过滤。

1.数据采集，如图2所示，包括如下步骤：

(1)分别配置采集次数N＝20；采集步进step＝3；初始高阈值Th₀＝10mV；

(2)自动加载阈值表；

(3)开始single数据采集；

(4)当前数据采集结束，并记录当前数据采集次数n，若是n<N，则更新阈值表后继续数据采集，否则采集结束；

(5)当前阈值Th_n＝Th₀+(n-1)×step＝10+(n-1)*3；

(6)更新阈值表后重复步骤(2)-(4)

2.数据分析，如图3所示：

PET系统共有38个模块，每个模块有24个block，共计912个block，如图4所示。定义i为本实施例PET系统block数，i＝1，2，…，912。

(1)以block为单元，分别统计所采集数据的能量分布，形成能量分布曲线，如图5所示；

(2)根据各block能量分布，获取对应block的能峰位置Epk1、Epk2、…、Epk912；

(3)采用高斯拟合获取能峰位置，并计算所有block峰值对应的能量值Epk，即峰值对应的横坐标值；高斯拟合后的能量分布如图6所示，a为原始能量分布，b为高斯拟合后的能量分布；

(4)获取各block能量曲线拐点的位置信息Ebrk，其中，Ebrki＝Epki×380/511；

(5)将所有次采集的数据做分析，将相同block的Ebrki与阈值Th做统计分析，形成Ebrki和Th的关系曲线L1，如图7所示；

(6)获取各block能量曲线起始点位置信息Estr，其中，Estri为第i个block能量曲线中，第一个能量值不为0的点；

(7)对所有次采集的数据做分析，将相同block的Estri与阈值Th做统计分析，形成Estri和Th的关系曲线L2，如图8所示；

(8)获取每个block的L1和L2的交点Pi，如图9所示；

(9)获取交点P所对应的横坐标值Thi，即对应block的高阈值

THi＝Thi。

3.形成高阈值查找表：将所获得的各block的高阈值按照PET系统模块的排布方式形成高阈值查找表。

4.加载阈值表：将上述高阈值查找表通过FPGA指令加载到相应block。

5.脉冲过滤：根据上述高阈值查找表参数实现对噪声信号的过滤，从而增大对有效信号的传输率。

6.效果验证：

(1)传统方式，其信号统计如图10所示，即：T＝52000，N＝96000，信噪比S/N＝(T+N)/N＝1.54；

(2)本发明方案下其信号统计如图11所示，即：T＝64000，N＝36000，信噪比S/N＝(T+N)/N＝2.78；信噪比提升了80％。

Claims (5)

1.一种提高PET信噪比的方法，其特征在于：采用带有高、低双阈值比较器的脉冲信号甄别电路，包括如下步骤：

S1.数据采集，对PET系统配置初始阈值、步进和采集次数，以步进方式更新并加载阈值表，对外部源进行数据采集；

利用步骤S1的数据采集实现对外部源的N次采集，N>2，其包括以下步骤：

S11.分别配置初始阈值Th0、步进step和次数N；

S12.自动加载阈值表；

S13.开始单事件数据采集；

S14.当前数据采集结束，并记录当前数据采集次数n，若n<N，则更新阈值表后继续数据采集，否则采集结束；

S15.当前阈值Thn=Th0+（n-1）×step；

S16.更新阈值表后重复步骤S12-S14；

S2.数据分析，对各次采集的数据以探测器模块为单元做能量分布统计，形成能量分布曲线，并获取所有次采集条件下的能量分布曲线拐点位置与阈值Th的关系及能量分布曲线起始点位置与阈值Th的关系；

其中步骤S2的数据分析，包括以下步骤：

S21.以探测器模块为单元，分别统计所采集数据的能量分布，形成能量分布曲线，根据各探测器模块的能量分布，获取对应探测器模块的能峰位置Epk；

S22.根据能峰位置Epk获取各探测器模块能量分布曲线拐点的位置信息Ebrk，对所有次采集的数据做分析，将相同探测器模块的能量分布曲线拐点的位置信息Ebrk与阈值Th做统计分析，形成每个探测器模块的能量分布曲线拐点的位置信息Ebrk与阈值Th的关系曲线L1；

S23.获取各探测器模块能量分布曲线起始点的位置信息Estr，对所有次采集的数据做分析，将相同探测器模块的能量分布曲线起始点的位置信息Estr与阈值Th做统计分析，形成每个探测器模块的能量分布曲线起始点的位置信息Estr与阈值Th的关系曲线L2；

S24.获取每个探测器模块的关系曲线L1和关系曲线L2的交点P；

S25.将每个探测器模块的交点P对应的阈值Th作为对应探测器模块的高阈值TH；

S3.高阈值查找表生成：将所有探测器模块的高阈值TH存储，形成高阈值查找表；

S4.高阈值查找表加载：将所述高阈值查找表加载给PET系统的各探测器模块；

S5.脉冲过滤，对噪声信号进行过滤：根据所述高阈值查找表对噪声信号进行过滤，增大对有效信号的传输率。

2.根据权利要求1所述的一种提高PET信噪比的方法，其特征在于：默认初始阈值Th0为10，默认步进step为3，默认次数N为20。

3.根据权利要求2所述的一种提高PET信噪比的方法，其特征在于：所述能量分布曲线拐点的位置信息Ebrk=Epk×380/511，其中Epk为能量峰值对应的能峰位置。

4.根据权利要求3所述的一种提高PET信噪比的方法，其特征在于：所述能量分布曲线起点的位置信息Estr为各探测器模块能量曲线中的第一个能量值不为0的点。

5.一种使用权利要求1-4任一项所述的方法提高PET信噪比的系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据分析模块、高阈值查找表生成模块、高阈值查找表加载模块、脉冲过滤模块；数据采集模块进行数据采集，数据分析模块对采集的数据进行分析，高阈值查找表生成模块根据分析结果生成高阈值查找表，高阈值查找表加载模块将所述高阈值查找表加载给各探测器模块，脉冲过滤模块根据所述高阈值查找表对噪声信号进行过滤，增大对有效信号的传输率。

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