一種基于TV Merge的晶體級(jí)PET系統(tǒng)時(shí)間修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于PET成像技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于TVMerge (Total Variation Merge,全變差融合法）的晶體級(jí)陽(yáng)T系統(tǒng)時(shí)間修正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陽(yáng)T全稱為化sitronemissiontomogra地y，也就是通常所說(shuō)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(cè)和預(yù)防提供了有效依據(jù)。PET本質(zhì)上是對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)方向幾乎相反、能量相等，能量大小為51化ev的伽瑪光 子對(duì)。運(yùn)些光子對(duì)被陽(yáng)T系統(tǒng)中的探測(cè)器環(huán)接收，生成記錄有光子能量，探測(cè)時(shí)間，計(jì)數(shù)率 和探測(cè)器編號(hào)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)，很多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都需要 PET能提供更高的空間分辨率，W實(shí)現(xiàn)更加精確的醫(yī)療診斷。為了獲得更高的空間分辨率， 一種被稱為T0F(Time-〇f-Fli曲t)-PET的新系統(tǒng)正被廣泛的應(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(guò)記錄探測(cè)器探測(cè)到光子的精確時(shí)間來(lái)提升空間分辨率。因此， T0F-PET對(duì)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(cè)晶體的延時(shí)、探測(cè)器部分的延時(shí)和后端電路的延時(shí)的影響，使PET系統(tǒng) 的時(shí)間分辨率變差。所W，PET系統(tǒng)的時(shí)間修正對(duì)實(shí)現(xiàn)高分辨率陽(yáng)T成像是十分必要的。此 夕F，隨著閃爍晶體的尺寸不斷縮小和PET系統(tǒng)探測(cè)器數(shù)量的不斷增加，準(zhǔn)確的大型PET系統(tǒng) 時(shí)間修正也正在變的越來(lái)越困難。
[0004] 目前，陽(yáng)T時(shí)間修正方法大致可分為S種：參考探測(cè)器法、特殊散射源法和線性轉(zhuǎn) 化法。第一種方法主要是用一個(gè)快速光電倍增管作為參考探測(cè)器，通過(guò)同時(shí)記錄同一事件 在參考探測(cè)器和PET系統(tǒng)探測(cè)器所記錄的探測(cè)時(shí)間，來(lái)估計(jì)兩者之間的時(shí)間差，從而獲取 PET系統(tǒng)的準(zhǔn)確延時(shí)并借此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間修正；第二種方法則是使用一個(gè)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì) 的放射性源來(lái)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)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(guò)計(jì)算其 飛行時(shí)間來(lái)獲取理論上無(wú)延時(shí)的探測(cè)時(shí)間，運(yùn)個(gè)理論值和實(shí)際陽(yáng)T系統(tǒng)測(cè)量的時(shí)間的偏差 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(yáng)T時(shí)間修正問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)線 性過(guò)程，通過(guò)最小二乘法來(lái)求解運(yùn)一線性過(guò)程來(lái)獲取時(shí)間修正序列的估計(jì)值。 陽(yáng)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(cè) 器來(lái)獲取時(shí)間修正序列，而運(yùn)個(gè)額外的探測(cè)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(zhǎng)的采集時(shí)間，運(yùn)都制約了其的普遍應(yīng)用。而第二 種方法雖然不需要額外添加一個(gè)參考探測(cè)器，但是它卻需要一個(gè)特別設(shè)計(jì)的放射性源來(lái)計(jì) 算時(shí)間修正序列，運(yùn)也限制了它的廣泛使用。第=種方法雖然對(duì)探測(cè)器和放射性源都沒(méi)有 特殊的要求，但是由于所采集到的信號(hào)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(wú)法應(yīng)用于大型的PET系統(tǒng)中。
[0006] 此外，隨著臨床醫(yī)療對(duì)醫(yī)學(xué)圖像精確程度要求的不斷提高，與之相關(guān)的閃爍晶體 的尺寸也隨之不斷變小，晶體數(shù)量不斷增加，PET的各種修正也不斷的向著晶體級(jí)和大系統(tǒng) 級(jí)邁進(jìn)。但是，W上的方法大多都是探測(cè)器級(jí)的修正，且無(wú)法很好的應(yīng)用在晶體數(shù)巨大的 PET系統(tǒng)中，所W急需一種新的晶體級(jí)的時(shí)間修正方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于TVMerge的晶體級(jí) 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。
[0008] 一種基于TVMerge的晶體級(jí)陽(yáng)T系統(tǒng)時(shí)間修正方法，包括如下步驟：
[0009] (1)對(duì)PET系統(tǒng)中的每個(gè)探測(cè)器按行方向進(jìn)行晶體級(jí)分割，每個(gè)探測(cè)器通過(guò)分割 對(duì)應(yīng)得到n個(gè)晶體單元，n為除去1W外m的任一約數(shù)，m為探測(cè)器原晶體陣列的維度；
[0010] (2)利用晶體級(jí)分割后的探測(cè)器對(duì)注入放射性示蹤劑的生物組織進(jìn)行掃描探測(cè)， 得到多組L0R數(shù)據(jù)； W11] 做對(duì)每一組L0R數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，W剔除每組L0R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(cè)時(shí)延； 陽(yáng)01引 （4)將陽(yáng)T系統(tǒng)時(shí)間修正過(guò)程轉(zhuǎn)化為線性方程，通過(guò)TVUotalVariation,全變 差）對(duì)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LOR數(shù)據(jù)探測(cè)時(shí)延組成 的探測(cè)時(shí)延序列AT，對(duì)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X; [0013]
陽(yáng)014] 其中：A為系統(tǒng)矩陣，IIII為L(zhǎng)2范數(shù)，A和P均為預(yù)設(shè)的權(quán)重系數(shù)，01和e均 為權(quán)重系數(shù)向量，DiO表示括號(hào)內(nèi)的向量中第i個(gè)元素對(duì)應(yīng)的梯度向量，iii為離散梯度向 量y中的第i個(gè)元素，i為自然數(shù)且1《i《N，T表示轉(zhuǎn)置，N為時(shí)間修正序列X的維度 且為PET系統(tǒng)內(nèi)所有探測(cè)器晶體單元的總個(gè)數(shù)；
[001引 妨根據(jù)步驟（1)~（4)對(duì)PET系統(tǒng)中的每個(gè)探測(cè)器按列方向進(jìn)行晶體級(jí)分割，并 計(jì)算得到對(duì)于列方向分割的時(shí)間修正序列y，進(jìn)而將時(shí)間修正序列X和y進(jìn)行融合得到一個(gè)nN維的時(shí)間修正序列Z;
[0016] (6)對(duì)PET系統(tǒng)中的每個(gè)探測(cè)器進(jìn)行晶體級(jí)分割，每個(gè)探測(cè)器通過(guò)分割對(duì)應(yīng)得到 一個(gè)由nXn個(gè)晶體單元組成的晶體單元陣列，利用晶體級(jí)分割后的探測(cè)器對(duì)注入放射性 示蹤劑的生物組織進(jìn)行掃描探測(cè)，得到多組L0R數(shù)據(jù)；最后根據(jù)所述的時(shí)間修正序列Z對(duì)各 組L0R數(shù)據(jù)Singlemodel數(shù)據(jù)記錄中晶體單元的探測(cè)時(shí)間進(jìn)行修正。
[0017] 進(jìn)一步地，所述的步驟似中的每組L0R數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一對(duì)探測(cè)到同一偶合事件且分 屬于不同探測(cè)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(duì)應(yīng)一個(gè)探測(cè)時(shí)間差即晶體單元Ja和Je對(duì)于同一偶合事 件的探測(cè)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(hào)、對(duì)應(yīng)探測(cè)時(shí) 間差精度范圍內(nèi)晶體單元Ja和Je對(duì)于同一偶合事件的探測(cè)計(jì)數(shù)W及對(duì)應(yīng)每次探測(cè)計(jì)數(shù)晶 體單元Ja和Je對(duì)于同一偶合事件各自的探測(cè)時(shí)間。
[0018] 進(jìn)一步地，所述的步驟（3)中對(duì)每組L0R數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的具體方法為：對(duì)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(cè)計(jì)數(shù)做成直方圖，并 計(jì)算所有Singlemodel數(shù)據(jù)記錄探測(cè)計(jì)數(shù)的均值，進(jìn)而剔除探測(cè)計(jì)數(shù)小于均值的Single model數(shù)據(jù)記錄。
[0019] 進(jìn)一步地，所述的步驟（3)中確定每組L0R數(shù)據(jù)探測(cè)時(shí)延的具體方法為：對(duì)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(duì)應(yīng)探測(cè)時(shí)間差的最大值作為 該組L0R數(shù)據(jù)的探測(cè)時(shí)延。
[0020] 進(jìn)一步地，所述的步驟（4)中線性方程的表達(dá)式為A?X=AT。
[0021] 進(jìn)一步地，所述的步驟（4)中通過(guò)W下迭代方程對(duì)目標(biāo)函數(shù)L進(jìn)行最小化求解，具 體算式如下：
[0022]
陽(yáng)0巧] e w= e k-人（Axk-AT)
[0026] 其中：x哺Xk"分別為第k次迭代和第k+1次迭代的時(shí)間修正序列，y哺yk"分 別為第k次迭代和第k+1次迭代的離散梯度向量，終和《"為權(quán)重系數(shù)向量0 1對(duì)應(yīng)第k次 迭代和第k+1次迭代的結(jié)果，ek和ek"為權(quán)重系數(shù)向量e對(duì)應(yīng)第k次迭代和第k+l次迭 代的結(jié)果，iiik為離散梯度向量yk中的第i個(gè)元素，k為迭代次數(shù)。
[0027] 所述的時(shí)間修正序列xk"通過(guò)W下迭代方程求解：
[0028] xk"=xk-akg(xk)
[0029]
[0030] 其中：Qk為第k次迭代的求解步長(zhǎng)，其通過(guò)Amijo線性捜索獲取，g(xk)為關(guān)于時(shí) 間修正序列Xk的梯度函數(shù)。
[0031] 所述的離散梯度向量yk"通過(guò)W下迭代方程求解：
[0032]
陽(yáng)03引所述系統(tǒng)矩陣A的維度為MXN，M= (N-DN/2,系統(tǒng)矩陣A的具體表達(dá)如下：
[0034]
[00對(duì)其中：Ai~An巧為系統(tǒng)矩陣A的子矩陣，對(duì)于任一子矩陣A,，其維度為（N-如XN，j為自然數(shù)且1《j《N-1 ;所述的子矩陣Aj中第j列向量的所有元素均為1，前j-1列向 量的所有元素均為0,后N-j列向量所組成的方陣為主對(duì)角線元素均為-1的對(duì)角矩陣。<