[發(fā)明專利]獲取正電子發(fā)射斷層掃描系統(tǒng)響應(yīng)模型與圖像重建的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310345039.2
• 申請(qǐng)日: 2013-08-09
• 公開（公告）號(hào): CN103393434A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏龍;贠明凱;樊馨;劉雙全;張玉包;曹學(xué)香;周小林;王璐;孫翠麗;高娟;王海鵬;李默涵;章志明;黃先超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所
• 主分類號(hào): A61B6/03
• 分類號(hào): A61B6/03;G06T11/00
• 代理公司: 隆天國(guó)際知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 72003
• 代理人: 李昕巍;趙根喜

技術(shù)領(lǐng)域

本專利涉及核醫(yī)學(xué)探測(cè)成像領(lǐng)域，尤其涉及一種精確獲取各種幾何形狀的PET系統(tǒng)響應(yīng)模型及圖像重建的方法。

背景技術(shù)

正電子發(fā)射斷層掃描（positron?emission?tomography，PET，以下簡(jiǎn)稱PET）在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是重要的斷層成像設(shè)備，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的診斷和研究。PET可以有效的探測(cè)到注入生物體內(nèi)的標(biāo)記了放射性示蹤原子藥物的時(shí)空分布。由于生物體某些異常的組織（如腫瘤）的代謝相對(duì)于正常細(xì)胞較旺盛，示蹤劑在這些組織的分布也較正常細(xì)胞多，所以PET探測(cè)到這些示蹤劑的分布提供了攜帶生物體功能信息的圖像（如腫瘤的相關(guān)信息），為早期腫瘤的診斷和研究提供有力的參考。

PET可以為各種不同的幾何形狀（如平板，環(huán)形等），這都是由PET中每個(gè)探測(cè)器模塊的不同排列而形成的，但其探測(cè)原理都是相同的。在進(jìn)行掃描前，給生物體注射含有正電子放射性核素的示蹤劑，示蹤劑中每一個(gè)正電子可與生物體內(nèi)的一個(gè)負(fù)電子發(fā)生湮沒生成兩個(gè)背對(duì)背的γ光子即一個(gè)γ光子對(duì)，這兩個(gè)γ光子穿過生物體組織，打在正電子掃描儀的一對(duì)探測(cè)器上，并進(jìn)行一系列的電子學(xué)響應(yīng)，將信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)，記錄下來。這樣所有的γ光子對(duì)，都被記錄下來，然后經(jīng)過圖像重建，即可獲得反映放射性示蹤劑分布的圖像。PET中的主要元件探測(cè)器由閃爍晶體，光電倍增管和前端電子學(xué)部分組成。當(dāng)γ光子進(jìn)入閃爍晶體，閃爍晶體將高能光子信號(hào)轉(zhuǎn)化為低能光子，低能光子通過光電倍增管轉(zhuǎn)化為電子并進(jìn)行放大，由前端電子學(xué)輸出。這樣由兩個(gè)晶體條端同時(shí)輸出的電信號(hào)就記錄下有關(guān)上述γ光子對(duì)也就是一次湮沒事件的信息。通常用一些簡(jiǎn)單的模型來描述上述響應(yīng)情況，可以方便地分析PET系統(tǒng)的響應(yīng)。常用的模型有線模型，面模型和體模型，其中，線模型是最常用的。由于湮沒事件的兩個(gè)γ光子是背對(duì)背的，可以近似為一條直線，湮沒事件產(chǎn)生的背對(duì)背的γ光子入射到兩個(gè)晶體條上，連接兩個(gè)晶體條的連線被稱為響應(yīng)線（line?of?response，LOR，以下簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)OR線），如圖1所示。圖1中，LOR1與LOR2為兩條不同的LOR線，LOR1為探測(cè)器晶體條a和b符合探測(cè)得到的LOR線，而LOR2為探測(cè)器晶體條c和d符合探測(cè)得到的LOR線。

直接用探測(cè)器記錄下來的信號(hào)可以以不同的數(shù)據(jù)組織形式進(jìn)行組織。如List?mode（列表模式）和Sinogram（正弦圖）。List?mode數(shù)據(jù)組成信號(hào)包含兩個(gè)湮沒γ光子入射的晶體條編號(hào)，能量信息以及時(shí)間信息。Sinogram只包含了兩個(gè)湮沒γ光子探測(cè)的位置信息和能量信息，但其記錄方式則是利用LOR線來確定其背對(duì)背的湮沒光子的走向，其橫軸為圖像空間LOR線與水平軸夾角θ，縱軸為圖像空間原點(diǎn)到LOR線的距離r，通過（r，θ）即可決定每個(gè)LOR線位置。PET成像中關(guān)鍵技術(shù)之一的圖像重建就是利用上述符合信號(hào)（如Sinogram或List?mode）并用相應(yīng)的重建算法，重建出示蹤劑在生物體內(nèi)的分布圖像。在重建過程，必須根據(jù)PET系統(tǒng)幾何特性以及探測(cè)特性對(duì)PET系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行建模。這個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)模型的精確程度，對(duì)重建圖像的質(zhì)量好壞有很大的關(guān)系。

在建立系統(tǒng)響應(yīng)模型時(shí)，涉及到投影空間和圖像空間。投影空間即我們探測(cè)到的信號(hào)所在的空間，它可以看作是圖像空間對(duì)探測(cè)器所做的一次投影。為系統(tǒng)響應(yīng)建立模型時(shí)，同時(shí)為投影空間和圖像空間建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，建立基于這些坐標(biāo)系的系統(tǒng)響應(yīng)模型。

在探測(cè)過程中，影響圖像質(zhì)量好壞的因素主要有：γ光子與晶體條相互作用時(shí)在晶體條間的穿透作用和散射作用。當(dāng)γ光子以一定的角度入射到探測(cè)器某個(gè)晶體條上，其與晶體條物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)穿透入射晶體條到相鄰的晶體條上，使得被穿透的晶體條（包括入射晶體條和穿透的相鄰的晶體條）都產(chǎn)生響應(yīng)，這種作用叫做穿透作用，也叫深度效應(yīng)（depth?of?interaction，DOI，以下簡(jiǎn)稱DOI效應(yīng)）。如圖2A所示，假設(shè)LOR1上某點(diǎn)發(fā)生湮沒事件，其應(yīng)為真實(shí)的響應(yīng)線，當(dāng)沿LOR1方向入射的γ光子以一定角度入射到a1和a2一對(duì)晶體條上時(shí)分別穿透到b1，b2并衰減吸收，使得b1，b2晶體條對(duì)也產(chǎn)生了信號(hào)，這樣在重建圖像時(shí)會(huì)認(rèn)為L(zhǎng)OR1線上和LOR2線上都發(fā)生了湮沒事件，造成圖像效果的模糊，分辨率降低，如圖2B所示。同理γ光子在晶體間的散射作用也可造成圖像的分辨率下降，如圖3A所示，γ光子在上端探測(cè)器a1晶體條發(fā)生了散射作用到b1晶體條，在下端則發(fā)生了穿透作用到b2晶體條，使得b1，b2晶體條對(duì)也發(fā)生響應(yīng)，造成了圖像的模糊，分辨率降低，如圖3B所示。