專利名稱：一種提高扇形束spect成像分辨率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種SPECT成像方式，尤其是扇形束SPECT中不改變檢測(cè)器中準(zhǔn)直器孔徑大小的前提下提高成像分辨率的方法。
背景技術(shù)：
單光子發(fā)射斷層成像(singlephoton emission computed tomography, SPECT)是一種核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于疾病的臨床診斷。在SPECT中，放射性示蹤劑被注入病人體內(nèi)，SPECT可以重建出放射性示蹤劑在人體內(nèi)的分布圖，該圖可以反映人體組織結(jié)構(gòu)及其活動(dòng)功能，如血流狀態(tài)和人體的新陳代謝。SPECT在腫瘤診斷和治療監(jiān)測(cè)等方面，發(fā)揮越來越重要的作用。SPECT同時(shí)也被用在骨胳影像顯示，心血管疾病和腦部疾病的診斷，近年來，SPECT還常常用于人腦認(rèn)知活動(dòng)的研究。在SPECT中，示蹤劑發(fā)射的Y射線穿過人體組織和準(zhǔn)直器，被檢測(cè)器檢測(cè)到，最終重建得到斷層圖像。SPECT檢測(cè)器中準(zhǔn)直器的孔徑不能做的太小，其限制了 SPECT設(shè)備分辨率的提高。如果準(zhǔn)直器的孔徑尺寸太小，則接收到的Y光子數(shù)量太少，反而會(huì)影響SPECT的成像質(zhì)量。超分辨率重建是從多幅低分辨率圖像重建出高分辨率圖像。作為一種有效的方法，它已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)成像，衛(wèi)星圖像及視頻應(yīng)用。近年來，超分辨率重建被應(yīng)用到磁共振成像，CT成像，正電子發(fā)射斷層成像及SPECT成像，以提高圖像分辨率。但這些方法主要應(yīng)用在圖像域或平行光投影重建。在SPECT重建中，扇形束投影可以提高SPECT的成像分辨率，如果扇形束投影重建和超分辨率重建結(jié)合，將可以在很大程度上提高SPECT的成像分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)SPECT成像分辨率低這一問題，提供一種提高扇形束SPECT成像分辨率的方法，在不改變檢測(cè)器中準(zhǔn)直器孔徑大小的前提下，提高SPECT圖像的分辨率。解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的提高扇形束SPECT成像分辨率的方法包括以下步驟第一步用多個(gè)檢測(cè)器圍繞被檢測(cè)體并以預(yù)設(shè)的角度排列；第二步檢測(cè)器圍繞物體中心旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)2 /M角度，分別在其所在的位置上測(cè)得一個(gè)投影數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)束后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)測(cè)量，直到2 范圍內(nèi)的M個(gè)角度都測(cè)量完畢；第三步根據(jù)扇形束低分辨率投影與扇形束高分辨率投影之間的幾何關(guān)系，建立低分辨率投影與高分辨率投影之間的關(guān)系矩陣，兩投影之間的關(guān)系為=RPh ；其中匕為低分辨率檢測(cè)器測(cè)量得到的投影數(shù)據(jù)，Ph為待求得的高分辨率投影數(shù)據(jù)，R為扇形束低分辨率投影與扇形束高分辨率投影之間的關(guān)系矩陣；第四步根據(jù)第二步測(cè)量得到的投影以及第三步確定的關(guān)系矩陣，求得高分辨率的投影；、
第五步根據(jù)第四步求得的投影數(shù)據(jù)可以通過解析法，也可以通過迭代法重建出高分辨率的SPECT圖像。采用多個(gè)檢測(cè)器圍繞被檢測(cè)體，以預(yù)設(shè)的角度排列，其中每個(gè)檢測(cè)器中準(zhǔn)直器的孔徑大小以及數(shù)目相同；每個(gè)檢測(cè)器對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)到物體中心的距離相等；每個(gè)檢測(cè)器對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)到檢測(cè)器的距離相等；檢測(cè)器圍繞物體中心旋轉(zhuǎn)，多個(gè)檢測(cè)器在同一角度下焦點(diǎn)應(yīng) 該重合于一點(diǎn)。多個(gè)檢測(cè)器在同一角度下焦點(diǎn)重合時(shí)，各個(gè)檢測(cè)器的位置不是重合的，它們之間有一夾角；該夾角的大小是由如下特征確定的低分辨率檢測(cè)器的中心在橫軸上的投影相對(duì)于假想的高分辨率檢測(cè)器的中心向左右分別平移了 0. 5，I. 5,2. 5...個(gè)高分辨率像素。采用一個(gè)檢測(cè)器圍繞其焦點(diǎn)擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)檢測(cè)器的作用；在每個(gè)旋轉(zhuǎn)投影角度下，檢測(cè)器圍繞其焦點(diǎn)按預(yù)設(shè)的角度擺動(dòng)并測(cè)量，擺動(dòng)角度的大小是由如下特征確定的低分辨率檢測(cè)器的中心在橫軸上的投影相對(duì)于假想的高分辨率檢測(cè)器的中心向左右分別平移了 0. 5，1. 5，2. 5...個(gè)高分辨率像素。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用的超分辨率圖像重建是目前很熱門的一個(gè)研究領(lǐng)域，它是從多幅低分辨率圖像來獲得一幅高分辨率圖像。多幅低分辨率圖像都對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行成像，但是相互之間又存在亞像素移動(dòng)，因此包含有不同的信息。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于使用現(xiàn)有的成像設(shè)備即可得到一個(gè)比現(xiàn)有成像設(shè)備獲得的圖像分辨率高的圖像。


圖I為本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)扇形束SPECT超分辨率成像方法的流程圖。圖2為本發(fā)明中檢測(cè)器與被檢測(cè)體之間的位置關(guān)系的分布示意圖。圖3為多個(gè)檢測(cè)器在同一角度下焦點(diǎn)重合時(shí)的位置關(guān)系。圖4為低分辨率檢測(cè)器Dl與高分辨率檢測(cè)器之間的關(guān)系。圖5為低分辨率檢測(cè)器D2與高分辨率檢測(cè)器之間的關(guān)系。圖6為低分辨率檢測(cè)器D3與高分辨率檢測(cè)器之間的關(guān)系。圖7為低分辨率檢測(cè)器D4與高分辨率檢測(cè)器之間的關(guān)系。圖8為忽略檢測(cè)器厚度，低分辨率檢測(cè)器與高分辨率檢測(cè)器之間的幾何關(guān)系。圖9為低分辨率投影與高分辨率投影對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的幾何關(guān)系(實(shí)線為低分辨率投影，虛線為高分辨率投影)。圖10為低分辨率和高分辨率重建結(jié)果對(duì)比。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。圖I為本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)扇形束SPECT超分辨率成像方法的流程圖。在該方法中，用多個(gè)檢測(cè)器圍繞被檢測(cè)體并以預(yù)設(shè)的角度排列，也可以用一個(gè)檢測(cè)器圍繞焦點(diǎn)按預(yù)設(shè)的角度擺動(dòng)測(cè)量來實(shí)現(xiàn)。這里以4個(gè)檢測(cè)器，每個(gè)檢測(cè)器分辨率為32個(gè)像素為例進(jìn)行說明，但是并不說明該發(fā)明僅限于這些條件，本發(fā)明中所涉及的范圍僅由權(quán)利要求書限定。檢測(cè)器的具體擺放位置如圖2所示，C是被檢測(cè)體的中心點(diǎn)，D1、D2、D3和D4是四個(gè)相同的檢測(cè)器，由于是扇形束成像，則相對(duì)于每個(gè)檢測(cè)器都有一個(gè)焦點(diǎn)位置，圖中F1、F2、F3和F4分別是D1、D2、D3和D4對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)。它們之間的位置關(guān)系滿足以下條件F1、F2、F3和F4到物體中心C的距離相等，F(xiàn)I、F2、F3和F4與物體中心C連線所成角度分別為O，/4，2 /4,3 31 /4。檢測(cè)器Dl、D2、D3和D4到其對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)的距離相等。檢測(cè)器圍繞物體中心旋轉(zhuǎn)，多個(gè)檢測(cè)器在同一角度下焦點(diǎn)應(yīng)該重合于一點(diǎn)，各檢測(cè)器之間的位置關(guān)系如圖3所示，圖3中D1、D2、D3和D4即為圖2中的D1、D2、D3和D4，HD是假想的高分辨率檢測(cè)器，其沿橫軸方向排列，也是最終求得的高分辨率投影所在的位置。為清晰地看出檢測(cè)器之間的位置關(guān)系，將圖3拆分成圖4、圖5、圖6和圖7四個(gè)圖，分別表明了 D1、D2、D3和D4與高分辨率檢測(cè)器之間的位置關(guān)系。Dl的中心在橫軸上的投影相對(duì)于高分辨率檢測(cè)器的中心向右平移了 I. 5個(gè)高分辨率像素，D2的中心在橫軸上的投影相對(duì)于高分辨率檢測(cè)器的中心向右平移了 0. 5個(gè)高分辨率像素，D3的中心在橫軸上的投影相對(duì)于高分辨率檢測(cè)器的中心向左平移了 0. 5個(gè)高分辨率像素，D4的中心在橫軸上的投影相對(duì)于高分辨率檢測(cè)器的中心向 左平移了 I. 5個(gè)高分辨率像素。步驟103 :檢測(cè)器圍繞物體中心旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)2 /M角度，多個(gè)檢測(cè)器分別在其所在的位置上測(cè)得一個(gè)投影數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)束后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)測(cè)量，直到2 范圍內(nèi)的M個(gè)角度都測(cè)量完畢。在每個(gè)投影角度下，根據(jù)扇形束低分辨率投影與扇形束高分辨率投影之間的幾何關(guān)系，從多組低分辨率投影數(shù)據(jù)可以求得扇形束高分辨率投影，扇形束低分辨率投影與扇形束高分辨率投影之間的關(guān)系可以表示為Pl = RPh
L1其中Pli= ，U、L2、L3、L4是在同一角度下測(cè)量得到的四組低分辨率投影數(shù)據(jù)
L4.
(不是同時(shí)測(cè)量得到的四組低分辨率投影數(shù)據(jù))，U、L2, L3, L4的維數(shù)為32，Ph為待求得的高分辨率投影矩陣，其維數(shù)為128。R為扇形束低分辨率投影與扇形束高分辨率投影之間的關(guān)系矩陣，
f f4 T4 ... r 、
7H fUrm
Dr2l r22 … r2N
K=...
\rN\ rN2 …rNN y其中元素表示高分辨率投影中某一射線對(duì)低分辨率投影的貢獻(xiàn)值。該貢獻(xiàn)值的求解方法如下(圖8):低分辨率檢測(cè)器Dn(n = 1,2,3,4)中的第i個(gè)像素(射線)在其本地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為xn(i)。g(j)表示高分辨率投影中第j個(gè)像素在橫軸上的坐標(biāo)。<是低分辨率檢測(cè)器Dn的中心在橫軸上投影的坐標(biāo)，SDD為檢測(cè)器的焦距。pn(j)為高分辨率檢測(cè)器中第j條像素(射線)在低分辨率檢測(cè)器Dn的本地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置。以高分辨率投影中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)于任意一條高分辨率投影束，由圖8中的幾何關(guān)系可得
權(quán)利要求
1.一種提高扇形束SPECT成像分辨率的方法，其特征在于，包括以下步驟 第一步用多個(gè)檢測(cè)器圍繞被檢測(cè)體并以預(yù)設(shè)的角度排列； 第二步檢測(cè)器圍繞物體中心旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)2 /M角度，分別在其所在的位置上測(cè)得一個(gè)投影數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)束后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)測(cè)量，直到2 范圍內(nèi)的M個(gè)角度都測(cè)量完畢； 第三步根據(jù)扇形束低分辨率投影與扇形束高分辨率投影之間的幾何關(guān)系，建立低分辨率投影與高分辨率投影之間的關(guān)系矩陣，兩投影之間的關(guān)系為= RPh ; 其中為低分辨率檢測(cè)器測(cè)量得到的投影數(shù)據(jù)，Ph為待求得的高分辨率投影數(shù)據(jù)，R為扇形束低分辨率投影與扇形束高分辨率投影之間的關(guān)系矩陣； 第四步根據(jù)第二步測(cè)量得到的投影以及第三步確定的關(guān)系矩陣，求得高分辨率的投影; 第五步根據(jù)第四步求得的投影數(shù)據(jù)可以通過解析法，也可以通過迭代法重建出高分辨率的SPECT圖像。
2.如權(quán)利要求I所述的一種提高扇形束SPECT成像分辨率的方法，其特征在于，其中每個(gè)檢測(cè)器中準(zhǔn)直器的孔徑大小以及數(shù)目相同；每個(gè)檢測(cè)器對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)到物體中心的距離相等；每個(gè)檢測(cè)器對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)到檢測(cè)器的距離相等；檢測(cè)器圍繞物體中心旋轉(zhuǎn)，多個(gè)檢測(cè)器在同一角度下焦點(diǎn)應(yīng)該重合于一點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種提高扇形束SPECT成像分辨率的方法，其特征在于，多個(gè)檢測(cè)器在同一角度下焦點(diǎn)重合時(shí)，各個(gè)檢測(cè)器的位置不是重合的，它們之間有一夾角；該夾角的大小是由如下特征確定的低分辨率檢測(cè)器的中心在橫軸上的投影相對(duì)于假想的高分辨率檢測(cè)器的中心向左右分別平移了 0. 5，I. 5,2. 5...個(gè)高分辨率像素。
4.如權(quán)利要求I所述的一種提高扇形束SPECT成像分辨率的方法，其特征在于，用一個(gè)檢測(cè)器圍繞其焦點(diǎn)擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)檢測(cè)器的作用；在每個(gè)旋轉(zhuǎn)投影角度下，檢測(cè)器圍繞其焦點(diǎn)按預(yù)設(shè)的角度擺動(dòng)并測(cè)量，擺動(dòng)角度的大小是由如下特征確定的低分辨率檢測(cè)器的中心在橫軸上的投影相對(duì)于假想的高分辨率檢測(cè)器的中心向左右分別平移了 0. 5，I. 5，.2.5...個(gè)高分辨率像素。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高扇形束SPECT成像分辨率的方法，能夠在不改變檢測(cè)器中準(zhǔn)直器孔徑大小的前提下，提高SPECT圖像的分辨率。在該方法中，可以用一個(gè)檢測(cè)器圍繞焦點(diǎn)擺動(dòng)，也可以用多個(gè)檢測(cè)器圍繞被檢測(cè)體并以一定角度排列；然后在2π角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)測(cè)量，根據(jù)扇形束低分辨率投影與扇形束高分辨率投影之間的幾何關(guān)系，可以建立低分辨率投影與高分辨率投影之間的關(guān)系矩陣，在每個(gè)投影角度下，根據(jù)該關(guān)系矩陣，可以從低分辨率投影數(shù)據(jù)求得扇形束高分辨率投影；最后高分辨率投影數(shù)據(jù)可以通過解析法，也可以通過迭代法重建出高分辨率的SPECT圖像。
文檔編號(hào)A61B6/02GK102743182SQ201210009178
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者李翠芬, 溫俊海 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)