CN112022188A - 一种局部高分辨率的pet成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种局部高分辨率的PET成像系统及方法，方法包括步骤：对待测物初步检测，根据局部区域的性能需求和大小，规划最佳的成像需求的探测器性能构成和数目；机械操作模块的每个机械臂带动所连接的探测器进行相应的系统结构的调整；数据校正模块对调整后的探测器系统进行快速归一化校正；局部待测区域在调整后的探测器系统下对符合数据进行核素分布图像重建；通过普通分辨率和高分辨率的探测器构成的变结构系统，实现了对任意局部的高分辨率成像。并且设计了一种基于薄平板源的归一化校正方法，对变结构系统仅须更新部分校正因子。整个成像系统具有局部高分辨率、低成本、校正速度快等特点。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像领域，尤其涉及一种局部高分辨率的PET成像系统及方法。
背景技术
正电子发射断层(Positron Emission Tomography，简称PET)是一种非侵入性的新型医学技术，能够无创、定量、动态地评估动物或者人体活体内各种器官和组织的代谢水平、生化反应和功能活动。相较于X射线计算机断层成像(Computed Tomography，简称CT)和磁共振(Magnetic Resonance Imaging，简称MRI)等结构成像工具，PET的功能成像特性对于生化反应异常敏感(灵敏度为，通常使用对生化反应可检测浓度的极限值作为影像设备灵敏度的评价指标)，可以在疾病发生解剖学变异之前进行检测。
空间分辨率一直以来是PET成像中最重要的性能指标之一。空间分辨率越高，意味着能够检测到更小的病灶，而早期癌症的病灶往往尺寸较小，因此，具有高空间分辨率的PET仪器能够提高早期痛症检测率。研究高空间分辨率的PET系统在PET成像中具有重要的意义，也是当前PET成像中所面临的巨大挑战。并且在商业PET中空间分辨率也是一项重要的性能评估参数。
大多数情况下检查的病灶部位为视野内的部分区域，仅仅需要在感兴趣区域获得高质量图像。传统的PET探测系统采用通用设计模式，追求视场范围内整体性能的提高，这样势必会在非感兴趣区域造成一定程度上的性能闲置和浪费。通用设计模式下，探测模块之间相对固定且性能基本完全一致，成像仪器一旦建造完成，各项性能指标几乎完全固定，不能在应用需求提高或变化时进行相应调整或修改。如果想在实际应用中获得更高的性能参数，只能对设备再行搭建或购置新的性能更高的PET系统。高昂的更新成本和过慢的更新速度不仅限制了PET应用，还使得某些科学研究难以进一步深入。
针对以上问题，提出了一种局部高分辨率的PET成像系统，探测器系统由具有普通空间分辨率的探测器和具有高分辨率的探测器组成，在不牺牲视野区域的情况下，通过初步检测获取局部区域的性能需求和大小，规划最佳的满足成像需求的探测器性能构成和数目，提高了局部区域的成像空间分辨率。并且设计了一种针对探测器系统的利用薄平板源作为校正源的快速归一化校正的方法，对在线的变结构系统仅须更新部分校正因子。整个系统具有局部高分辨率、低成本、校正速度快等特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种局部高分辨率的PET成像系统及方法，使用普通分辨率和高分辨率的探测器构成的变结构系统，实现了对任意局部的高分辨率成像，提高了系统成像的性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供，包以下模块：机械操作平台模块100、探测器系统模块200、图像重建模块300、探测器设定模块400、数据校正模块500。
所述机械操作平台模块100，与探测器系统模块200、探测器设定模块400连接，用于接收相应操作指令，改变探测器系统的结构以及不同空间分辨率探测器的位置。
探测器系统模块200，与机械操作模块100与图像重建模块300连接，用于检测伽马光子得到伽马射线入射晶体阵列的能量、位置、时间信息，包括闪烁晶体模块210、SiPM模块220、前端电子学模块230。
所述闪烁晶体模块210，隶属于探测器系统模块200，用于将捕获的伽马光子转换成可见光光子；
SiPM模块220，隶属于探测器系统模块200，用于将捕获的光信号转化为电脉冲信号。
前端电子学模块230，隶属于探测器系统模块200，用于准确的输出光子的入射位置并记录光子的脉冲到达时间及能量信息，包括放大电路模块231、模拟转换模块232、信息提取模块233、符合处理模块244。
放大电路模块231，隶属于前端电子学模块230，用于将电脉冲信号进行放大处理。
模数转换模块232，隶属于前端电子学模块230，用于将模拟电脉冲信号转化为数字电脉冲信号。
信息提取模块233，隶属于前端电子学模块230，用于从电脉冲信号中提取各相关的位置、时间及能量信息。
符合处理模块244，隶属于前端电子学模块230，用于在系统中利用能量窗甄别、位置排除和时间窗剔选进行符合判断，将符合的两个脉冲记为一次符合事件。
图像重建模块300，与数据校正模块500、探测器设定模块400连接，用于在探测器系统对待测物初步检测时获取待测局部性能需求信息，在探测器系统归一化校正后对符合数据采用迭代算法进行核素分布图像重建。
数据校正模块500，与图像重建模块300、探测器系统模块200连接，用于采用基于薄平板源的快速归一化的方法对被检测对象成像前，对调整后的系统重新归一化。
探测器设定模块400，与图像重建模块300与机械操作平台模块100连接，用于接收待测局部区域的位置和大小，对机械操作平台发出相应的操作指令。
一种局部高分辨率的PET成像方法，包括：
S1：探测器系统模块200初步对待测的局部区域进行检测，根据局部区域的性能需求和大小，规划最佳的成像需求的探测器性能构成和数目，反馈给探测器设定模块400，
S2：探测器设定模块200发出对应的操作指令给机械操作模块100，机械操作模块100的每个机械臂带动所连接的探测器进行系统结构的调整，
S3：数据校正模块500对变结构后的探测器系统模块200进行快速归一化校正，
S4：调整后的探测器系统模块200获得局部待测区域的符合数据，图像重建模块300对符合数据进行核素分布图像重建。
优选的，探测器系统模块200由普通分辨率探测器和高分辨率探测器构成。
优选的，探测器系统模块200的探测器是均匀分布、和多段分布的分布方式。
优选的，机械操作模块100由多个机械臂构成，且每个所述机械臂上都连接了普通分辨率探测器或高分辨率探测器。
优选的，探测器系统模块200内的每个探测器都有独立的前端电子学系统230，环绕包围待检测对象。
优选的，数据校正模块500以薄平板源作为校正源。
优选的，图像重建模块300在重建算法上采用OSEM加快收敛速度。
优选的，高分辨率探测器和普通分辨率探测器的尺寸相同，普通分辨率探测器的晶体尺寸是高分辨率探测器晶体尺寸的2倍。
本发明的优点及有益效果是：
采用单时间、模块化的设计，根据各种局部区域应用的不同的性能需求，便利的实现变结构的高分辨率成像，有效的降低了系统的成本。设计了一种薄平板源的校正方法，仅须更新部分校正因子即可完成对变结构后系统的校正，提高了系统的归一化校正速度。
附图说明
图1为本发明系统结构框图；
图2为本发明系统结构示意图；
图3为病灶的对比度恢复系数(CRC)的HRD弧位置的关系；
图4为信噪比(SNR)与HRD弧的位置的关系；
图5为对圆柱体源进行归一化校正前后的正弦图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
将待测的局部区域放置在探测器系统的FOV(Field of View，简称为FOV)中进行初步的成像，通过图像重建模块300初步成像来获取待测局部区域的位置及大小等信息，图像重建模块300将局部区域的信息反馈给探测器设定模块400，探测器设定模块400根据收到的信息发出对应的操作指令给机械操作模块100，机械操作模块100内的每个机械臂带动相应的探测器对高分辨率探测器和普通分辨率探测器的布局进行相应的调整。一般地，调整探测器的布局后，系统中多数响应线的探测效率也发生了改变，因此，在对被检测对象成像前，需要对调整后的系统重新进行归一化校正。数据校正模块500为最大程度的降低伽马光子在未到达闪烁晶体前被衰减的比例大小，设计了一种基于薄平板源的快速归一化校正方法，薄平板源的设计能够进一步缩短归一化校正的时间，并因简化了求解过程而能快速简易地求解校正因子。除在几乎平行于平板源的方向(如与平板源夹角10度以内)外，穿过平板源的LOR长度均较短，衰减效应较小，散射事件非常少，几乎可忽略不计。因而，在求解中，仅保留与平板源呈较大角度(如10-170度)的数据，并通过灌注低活度放射源的方式，尽量降低系统中的随机事件。因而，最大似然估计法的求解可修改为；
之后即可对局部区域进行精确高分辨率的成像，闪烁晶体模块210吸收待测内发出的伽马光子，并将高能光子转化为可见光，SiPM模块220接收光信号并转化为电脉冲信号，经过放大电路模块231将电脉冲信号进行放大后，模拟转换电路模块232将模拟脉冲信号转化为数字脉冲信号，信息提取模块233从电脉冲信号中提取脉冲信号的时间信息、位置信息和能量信息，并由符合处理模块244利用能量窗甄别、位置排除和时间窗剔选进行符合判断，获得符合事件。将在一个时间窗内，有两个能量均在能量窗范围的脉冲，并且捕获两个脉冲的探测器上的晶体条的连线穿过FOV，则这两个脉冲被记为是一次符合事件。最后图像重建模块300通过3D-OSEM的迭代算法对局部区域的核素分布图像进行重建。
实施例2
采用Zubal体模，骨头处设为冷源，肌肉与肝脏件的单位活度比为1：2。由于放射源放置于有密度的体模中，仿真数据中含有衰减效应，为了最大程度降低衰减效应，在这里设置足够低的体模活度。图3为病灶的对比度恢复系数(CRC)与HRD弧的位置的关系，图4为信噪比(SNR)与HRD弧的位置的关系。假设相邻送代次数间的CRC或SNR与噪声成线性关系，采用线性插值的方法获得某一噪声水平下的CRC或SNR。如图所示，图3和图4中(a)图为采用第10次迭代的结果分析，(b)图均为采用具有相同背景噪声水平的结果分析。所取背景噪声等于同质系统S-HO中迭代次数为10时的背景噪声水平(noise＝0.0432)，对应的迭代次数(平均迭代次数)如下表所示：
如图3(a)所示，在高分辨率探测器弧位置相同的情况下，探测器系统中高分辨率探测器个数越多CRC也就越高。对于一个拥有任意数量高分辨率探测器的探测器系统，在病灶与高分辨率探测器距离最近时，CRC最高。如表所示，探测器系统所含的高分辨率探测器个数越多，达到同等背景噪声水平所需要的选代次数越少，并且所需迭代次数与高分辨率探测器位置有关。相比于图3(a)，图3(b)中中CRC有所提高。在有5个和9个高分辨率探测器的探测器系统中，将高分辨率探测器放置在8至10的位置，它们的CRC与全为高分辨率探测器的探测器系统的CRC几乎接近。
如图4所示，当高分辨率探测器在位置8至10，与病灶位置较接近时，其SNR最大。SNR表示了信号与噪声的比值，虽然随着迭代次数的增长，病灶的均值也将会趋于真实值，但背景噪声也会越来越大。刚开始迭代时，由于还没收敛，信号幅值会在SNR中占主导地位，系统S-H16的SNR会高于S-H0；在迭代后期，背景噪声占主导地位，系统S-H16的SNR会逐渐低于S-H0。
实施例3
设计的薄平板源的宽度和长度超过视野区域横断面宽度和轴向长度，平板源的厚度为0.5～1cm。校正时，平板源均匀等角度的放置在视野区域内，覆盖视野区域内的所有响应线。
对圆柱体源进行归一化校正前的正弦图如图5(a)所示。从图5(a)可看到，投影正弦图中有较多的暗线(白色箭头指出处)，在不同菱形格区域中(每个菱形格区域代表一对探测器间的投影数据)的计数也存在较为明显的明暗程度的不同，对应与探测器边界暗点相连的响应线；图5(b)为对圆柱体源进行归一化校正后的正弦图，投影正弦图的具有较好的均匀性，只有一条暗线的一对晶体上无计数，其他暗线均不同程度地被校正至与相邻区域无差。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种局部高分辨率的PET成像方法，包括以下步骤：
S1：探测器系统模块200初步对待测的局部区域进行检测，根据局部区域的性能需求和大小，规划最佳的成像需求的探测器性能构成和数目，反馈给探测器设定模块400，
S2：探测器设定模块200发出对应的操作指令给机械操作模块100，机械操作模块100的每个机械臂带动所连接的探测器进行系统结构的调整，
S3：数据校正模块500对变结构后的探测器系统模块200进行快速归一化校正，
S4：调整后的探测器系统模块200获得局部待测区域的符合数据，图像重建模块300对符合数据进行核素分布图像重建。
2.根据权利要求1所述的一种局部高分辨率的PET成像方法，其特征在于，所述探测器系统模块200由普通分辨率探测器和高分辨率探测器构成。
3.根据权利要求1所述的一种局部高分辨率的PET成像方法，其特征在于，所述探测器系统模块200的探测器是均匀分布、和多段分布的分布方式。
4.根据权利要求1所述的一种局部高分辨率的PET成像方法，其特征在于，所述机械操作模块100由多个机械臂构成。
5.根据权利要求4所述的一种局部高分辨率的PET成像方法，其特征在于，每个所述机械臂上都连接了普通分辨率探测器或高分辨率探测器。
6.根据权利要求2所述的一种局部高分辨率的PET成像方法，其特征在于，所述探测器系统模块200内的每个探测器都有独立的前端电子学系统230，环绕包围待检测对象。
7.根据权利要求1所述的一种局部高分辨率的PET成像方法，其特征在于，所述数据校正模块500以薄平板源作为校正源。
8.根据权利要求1所述的一种局部高分辨率的PET成像方法，其特征在于，所述图像重建模块300在重建算法上采用OSEM加快收敛速度。
9.根据权利要求2所述的一种局部高分辨率的PET成像方法，其特征在于，所述高分辨率探测器和普通分辨率探测器的尺寸相同，普通分辨率探测器的晶体尺寸是高分辨率探测器晶体尺寸的2倍。
10.一种局部高分辨率的PET成像系统，包括：
机械操作模块100、探测器系统模块200、图像重建模块300、探测器设定模块400和数据校正模块500，
所述机械操作模块100，与探测器系统模块200、探测器设定模块400连接，用于接收相应操作指令，改变探测器系统的结构以及不同空间分辨率探测器的位置，
探测器系统模块200，与机械操作模块100与图像重建模块300连接，用于检测伽马光子得到伽马射线入射晶体阵列的能量、位置、时间信息，包括闪烁晶体模块210、SiPM模块220、前端电子学模块230，
所述闪烁晶体模块210，用于将捕获的伽马光子转换成可见光光子，
SiPM模块220，用于将捕获的光信号转化为电脉冲信号，
前端电子学模块230，用于准确的输出光子的入射位置并记录光子的脉冲到达时间及能量信息，包括放大电路模块231、模拟转换模块232、信息提取模块233、符合处理模块244，
放大电路模块231，用于将电脉冲信号进行放大处理，
模数转换模块232，用于将模拟电脉冲信号转化为数字电脉冲信号，
信息提取模块233，用于从电脉冲信号中提取各相关的位置、时间及能量信息，
符合处理模块244，用于在系统中利用能量窗甄别、位置排除和时间窗剔选进行符合判断，将符合的两个脉冲记为一次符合事件，
图像重建模块300，与数据校正模块500、探测器设定模块400连接，用于在探测器系统对待测物初步检测时获取待测局部性能需求信息，在探测器系统归一化校正后对符合数据采用迭代算法进行核素分布图像重建，
所述探测器设定模块400与图像重建模块300连接并接收满足成像的性能需求信息，做出相应操作指令，
探测器设定模块400，与图像重建模块300与机械操作平台模块100连接，用于接收待测局部区域的位置和大小，对机械操作平台发出相应的操作指令，
数据校正模块500，与图像重建模块300、探测器系统模块200连接，用于采用基于薄平板源的快速归一化的方法对被检测对象成像前，对调整后的系统重新归一化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20201204 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |