一種基于ist的次晶體級pet系統(tǒng)時(shí)間修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[OOW] 本發(fā)明屬于陽T成像技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于1ST(Iterative S虹inkage-T虹esholding，迭代收縮闊值）的次晶體級陽T系統(tǒng)時(shí)間修正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陽T全稱為化sitronemissiontomogra地y，也就是通常所說的正電子發(fā)射斷層 成像，是一種基于核物理學(xué)和分子生物學(xué)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，它能夠從分子層面上觀察細(xì)胞 的新陳代謝活動(dòng)，為早期疾病尤其是腫瘤的檢測和預(yù)防提供了有效依據(jù)。PET本質(zhì)上是對病 人體內(nèi)藥物的濃度分布進(jìn)行成像，被注射入病人體內(nèi)的放射性同位核素標(biāo)記藥物通過血液 進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，運(yùn)些物質(zhì)在人體內(nèi)各組織器官中將形成一定的濃度分布。由于放射性同位 核素的半衰期較短，且極其不穩(wěn)定，將很快發(fā)生衰變，衰變過程中所釋放的正電子與附近的 自由電子發(fā)生煙滅反應(yīng)，產(chǎn)生一對方向幾乎相反、能量相等，能量大小為51化ev的伽瑪光 子對。運(yùn)些光子對被陽T系統(tǒng)中的探測器環(huán)接收，生成記錄有光子能量，探測時(shí)間，計(jì)數(shù)率 和探測器編號的有效數(shù)據(jù)（Singlemodel或者sinogram)。之后，運(yùn)些數(shù)據(jù)被用于生理圖像 的重建或生理參數(shù)的估計(jì)。
[0003] 近幾年P(guān)ET在實(shí)際醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，但與此同時(shí)，臨床上對PET成像的 要求也隨之變高，越來越多的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需要PET能提供更高的空間分辨率。為了實(shí)現(xiàn)更高 的空間分辨率，一種新的PET系統(tǒng)被稱為TOFOlme-of-Fli曲t)-PET被廣泛的應(yīng)用在相關(guān) 的臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。T0F-PET的基本原理是通過分別記錄光子對被探測到精確時(shí)間來提升空 間分辨率。因此，T0F-PET對PET系統(tǒng)的時(shí)間分辨率有著很高的要求，但是在實(shí)際情況中， PET系統(tǒng)的時(shí)間分辨率常會(huì)收到探測晶體的延時(shí)、探測器部分的延時(shí)和后端電路的延時(shí)的 影響，所WPET系統(tǒng)的時(shí)間分辨率會(huì)因此變差。所W，PET系統(tǒng)的時(shí)間修正對實(shí)現(xiàn)高分辨率 陽T成像是十分必要的。
[0004] 目前，陽T系統(tǒng)時(shí)間修正方法大致可分為S類：參考探測器法、特殊散射源法和線 性轉(zhuǎn)化法。第一類主要是用一個(gè)快速光電倍增管作為參考探測器，通過記錄同一事件在參 考探測器和PET系統(tǒng)探測器所探測到的時(shí)間，求兩者之間的時(shí)間差來估計(jì)PET系統(tǒng)的延時(shí) 從而對系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間修正的；第二種方法則是使用一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的放射性源來獲取系統(tǒng)時(shí) 間修正序列。在運(yùn)個(gè)特殊設(shè)計(jì)的放射性源中，每個(gè)被探測到的事件在源內(nèi)的具體位置都是 已知的，由于所有伽馬光子的傳播速度都是光速，因此我們可W通過計(jì)算其飛行時(shí)間來獲 取理論上無延時(shí)的探測時(shí)間，運(yùn)個(gè)理論值和實(shí)際陽T系統(tǒng)測量值的偏差就是我們所求的系 統(tǒng)的時(shí)間修正序列；第S種方法則是將陽T時(shí)間修正問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)線性問題，通過最小 二乘法來求解運(yùn)一線性方程來獲取時(shí)間修正序列。 陽〇化]但是W上運(yùn)=種方法都有著各自的局限性。第一種方法需要一個(gè)額外的參考探測 器來獲取時(shí)間修正序列，而運(yùn)個(gè)額外的探測器會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建成本，并且為了獲取 較為準(zhǔn)確的估計(jì)值，運(yùn)種方法往往需要較長的采集時(shí)間，運(yùn)都制約了其的普遍應(yīng)用。而第二 種方法雖然不虛額外的添加一個(gè)參考探測器，但是它卻需要特別設(shè)計(jì)的放射性源來計(jì)算時(shí) 間修正序列，運(yùn)使其也不便于廣泛的使用。第=種方法雖然對探測器和放射性源沒有特殊 的要求，但是由于所采集到信號存在噪聲，所W運(yùn)種方法的準(zhǔn)確度不是很好，并且還受到系 統(tǒng)矩陣大小的制約，無法應(yīng)用于大型的PET系統(tǒng)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于1ST的次晶體級 PET系統(tǒng)時(shí)間修正方法，能夠有效提高PET系統(tǒng)的時(shí)間分辨率。
[0007] 一種基于1ST的次晶體級陽T系統(tǒng)時(shí)間修正方法，包括如下步驟：
[0008] (1)對PET系統(tǒng)中的每個(gè)探測器進(jìn)行次晶體級分割，每個(gè)探測器通過分割對應(yīng)得 到一個(gè)由nXn個(gè)晶體單元組成的晶體單元陣列，n為大于1小于m的自然數(shù)，m為探測器原 晶體陣列的維度；
[0009] (2)利用次晶體級分割后的探測器對注入放射性示蹤劑的生物組織進(jìn)行掃描探 測]，得到多組L0R(lineofresponse,響應(yīng)線）數(shù)據(jù)；
[0010] 做對每一組LOR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，W剔除每組LOR數(shù)據(jù)中時(shí)間信息有極大偏差的 Singlemodel數(shù)據(jù)記錄，并確定每組L0R數(shù)據(jù)的探測時(shí)延；
[0011] (4)將PET系統(tǒng)時(shí)間修正過程轉(zhuǎn)化為線性方程，通過L1范數(shù)對該線性方程進(jìn)行約 束得到W下目標(biāo)函數(shù)L;進(jìn)而根據(jù)由各組L0R數(shù)據(jù)探測時(shí)延組成的探測時(shí)延序列AT，對目 標(biāo)函數(shù)L進(jìn)行最小化求解得到PET系統(tǒng)的時(shí)間修正序列Ttgi;
[0012] L=IlALai-ATl|2+入I|TeJ|i
[0013] 其中：A為系統(tǒng)矩陣，IIII為L2范數(shù)，IIIli為LI范數(shù)，A為預(yù)設(shè)的權(quán)重系數(shù)；
[0014] 妨最后根據(jù)所述的時(shí)間修正序列T。。擁預(yù)處理后的各組LOR數(shù)據(jù)Singlemodel 數(shù)據(jù)記錄中晶體單元的探測時(shí)間進(jìn)行修正。
[0015] 進(jìn)一步地，所述的步驟（1)中根據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間、系統(tǒng)中探測器的數(shù)量及探測 器所含的晶體數(shù)對探測器進(jìn)行次晶體級分割，n為除去1和mW外m的任一約數(shù)。
[0016] 進(jìn)一步地，所述的步驟似中的每組L0R數(shù)據(jù)對應(yīng)一對探測到同一偶合事件且分 屬于不同探測器內(nèi)的晶體單元Ja和JB，每組L0R數(shù)據(jù)包含多條Singlemodel數(shù)據(jù)記錄，其 中每條Singlemodel數(shù)據(jù)記錄對應(yīng)一個(gè)探測時(shí)間差即晶體單元Ja和Je對于同一偶合事件 的探測時(shí)間之差，每條Singlemodel數(shù)據(jù)記錄包含晶體單元Ja和Je的編號、對應(yīng)探測時(shí)間 差精度范圍內(nèi)晶體單元Ja和Je對于同一偶合事件的探測計(jì)數(shù)W及對應(yīng)每次探測計(jì)數(shù)晶體 單元Ja和Je對于同一偶合事件各自的探測時(shí)間。
[0017] 進(jìn)一步地，所述的步驟（3)中對每組L0R數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的具體方法為：對于任 一組L0R數(shù)據(jù)，將該組L0R數(shù)據(jù)中所有Singlemodel數(shù)據(jù)記錄按探測計(jì)數(shù)做成直方圖，并 計(jì)算所有Singlemodel數(shù)據(jù)記錄探測計(jì)數(shù)的均值，進(jìn)而剔除探測計(jì)數(shù)小于均值的Single model數(shù)據(jù)記錄。
[001引進(jìn)一步地，所述的步驟（3)中確定每組L0R數(shù)據(jù)探測時(shí)延的具體方法為：對于預(yù)處 理后的任一組L0R數(shù)據(jù)，將其中所有Singlemodel數(shù)據(jù)記錄對應(yīng)探測時(shí)間差的最大值作為 該組L0R數(shù)據(jù)的探測時(shí)延。
[0019] 進(jìn)一步地，所述的步驟（4)中線性方程的表達(dá)式為A? AT。
[0020] 進(jìn)一步地，所述的步驟（4)中采用迭代收縮闊值算法對目標(biāo)函數(shù)L進(jìn)行最小化求 解，具體算式如下：
[0021]
[0022] 其中：域和馬f分別為第k次迭代和第k+1次迭代的時(shí)間修正序列，S；^t〇為收縮 函數(shù)，y為收斂步長，T表示轉(zhuǎn)置，k為迭代次數(shù)。
[0023] 所述收縮函數(shù)的具體操作為：對于收縮函數(shù)括號內(nèi)向量的任一元素 X，通過W下公式對元素X進(jìn)行收縮運(yùn)算：
[0024]
[00巧]其中：為元素X經(jīng)收縮運(yùn)算后的結(jié)果，a為預(yù)設(shè)的收縮闊值。
[0026]所述收斂步長y的表達(dá)式為y=P/MaTaM，P為預(yù)設(shè)的收斂系數(shù)且為0到1 之間的常數(shù)。
[0027] 所述系統(tǒng)矩陣A的維度為MXN，M= (N-1)N/2，N為陽T系統(tǒng)內(nèi)所有探測器晶體單 元的總個(gè)數(shù)，系統(tǒng)矩陣A的具體表達(dá)如下：
[0028]
[0029] 其中：Ai~An巧為系統(tǒng)矩陣A的子矩陣，對于任一子矩陣Ai，其維度為（N-UXN， i為自然數(shù)且1《i《N-1 ;所述的子矩陣Ai中第i列向量的所有元素均為1，前i-1列向 量的所有元素均為0,后N-i列向量所組成的方陣為主對角線元素均為-1的對角矩陣。
[0030] 本發(fā)明PET系統(tǒng)時(shí)間修正方法通過利用L1范數(shù)約束與次晶體級分割方法，有效地 提升了傳統(tǒng)線性轉(zhuǎn)換法對噪聲的處理能力，并解決了原有方法不能應(yīng)用于大型PET系統(tǒng)的 問題，成功將陽T系統(tǒng)時(shí)間修正提升到了次晶體級別，提高了陽T系統(tǒng)時(shí)間修正序列估計(jì)值 的準(zhǔn)確率，使PET系統(tǒng)能獲得更加優(yōu)秀的時(shí)間分辨率，從而能更好的利用T0F信息來獲得更 好的空間分辨率，使PET系統(tǒng)能為臨床診斷和藥物研發(fā)提出更加精準(zhǔn)有用的信息。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明PET系統(tǒng)時(shí)間修正方法的步驟流程示意圖。
[0032] 圖2為本發(fā)明探測器次晶體級分割的示意圖。
[0033] 圖3為數(shù)據(jù)采集和驗(yàn)證的流程示意圖。
[0034] 圖4 (a)為本發(fā)明方法與傳統(tǒng)最小二乘法在探測器單元（普通系統(tǒng)，單環(huán)）下的時(shí) 間修正效果對比結(jié)果示意圖。
[0035] 圖4(b)為本發(fā)明方法與傳統(tǒng)最小二乘法在次晶體級（普通系統(tǒng)，單環(huán)）下的時(shí)間 修正效果對比結(jié)果示意圖。
[0036] 圖4(c)為本發(fā)明方法與傳統(tǒng)最小二乘法在完整PET系統(tǒng)下的時(shí)間修正效果對比 結(jié)果不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明PET系統(tǒng)時(shí) 間修正方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[00測如圖1所示，本發(fā)明基于迭代收縮闊值法的次晶體級PET時(shí)間修正方法，包括如下 步驟：
[0039] (1)利用探測器對注入放射性示蹤劑（18F-抑G)的圓柱形體模（切1inder 地antom)進(jìn)行掃描探測，記錄探測器探測到的每一件偶合事件的探測時(shí)間和相應(yīng)探測器編 號，生成含有時(shí)間，探測器對和計(jì)數(shù)率信息的Singlemodel數(shù)據(jù)。 W40] 似根據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間和具體的探測器數(shù)及每個(gè)探測器模塊所含的晶體數(shù)，對 每個(gè)探測器進(jìn)行次晶體級分割；其中，對于每一個(gè)探測器模塊，根據(jù)與其禪合的晶體陣列的 晶體數(shù)量對其進(jìn)行次晶體級分割，例如：當(dāng)晶體陣列為32X32時(shí)，可選取的分割數(shù)e為32 的約數(shù)即2, 4, 8, 16,其中對于晶體陣列的