專利名稱：正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，特別是核醫(yī)學正電子發(fā)射PET (Positron Emission Tomography)成像中的呼吸造成的圖像模糊校正技術。屬核醫(yī)學工程成像技術領域。
背景技術：
核醫(yī)學PET成像主要利用符合線路探測技術和正電子核素及其標記化合物進行
成像，其圖像可以從分子水平反映人體正?；蚣膊r的代謝狀態(tài)。由于變化在疾病早期階
段就可以出現(xiàn)，因此正電子成像能夠進行疾病的早期診斷并為治療決策提供客觀依據(jù)。這
一技術的應用在肺癌患者早期的診斷和治療計劃方面已發(fā)揮著重要的作用。 然而，由于PET成像的特殊性，它掃描采集數(shù)據(jù)的時間相對于
CT (ComputerTomogr即hy)成像， 一般要很長時間?；颊卟豢赡芟馛T掃描成像那樣，在短時
間內(nèi)能夠屏住呼吸而獲得胸腹部清晰的成像?；颊叩男馗共縋ET成像是在掃描時間段內(nèi)平
均呼吸運動疊加情況下的成像，它的成像結(jié)果是模糊有偽影的。另外在圖像融合時，CT和
PET圖像上病灶位置的不匹配以及衰減校正后的活性偏差也是產(chǎn)生圖像偽影的原因之一。
圖像偽影給醫(yī)生對胸腹部腫瘤的診斷和治療帶來困難，這就需要有性能穩(wěn)定可靠，空間分
辨率高，簡單速度快的方法來補償由于呼吸運動而造成的PET/CT成像模糊。 目前有許多種技術可用于改進呼吸運動的成像，其中一種是呼吸門控的技術。這
種技術是將呼吸運動視為類似的呼吸循環(huán)組成，每一個呼吸循環(huán)可劃分為不同的相位，用
一定的測量方法記錄其中某相位對應的呼吸容量和位置，然后提取呼吸循環(huán)中相同相位上
所有對應獲取的掃描數(shù)據(jù)進行疊加成像，就能得到改善的圖像質(zhì)量。 門控技術可以分為外部和內(nèi)部兩類方法。外部門控方法使用一個呼吸運動監(jiān)測系統(tǒng)來跟蹤呼吸運動的參數(shù)，然后將其運用到重建算法中進行運動的補償。這樣的呼吸運動跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)被應用于PET/CT成像的研究中。例如胸腹傳感帶運動檢測系統(tǒng)，肺呼吸容量檢測儀和信號激光位置跟蹤系統(tǒng)。但是它具有對硬件設備的額外需求以及測量運動參數(shù)的校準、歸一化和醫(yī)療設備的接口等缺點。另外一種內(nèi)部門控的方法是利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，在已獲取的數(shù)據(jù)中利用一些特定的算法對數(shù)據(jù)進行分析處理以便估算出呼吸運動的參數(shù)，再提取相應的數(shù)據(jù)進行圖像重建。例如中心質(zhì)點算法就是典型的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法。然而，它具有算法負責，計算量大等缺點。 目前所有門控技術雖然能夠降低呼吸成像的偽影而改善圖像質(zhì)量，但是它最大的缺陷就是經(jīng)過校正的圖像信號信噪比太低。因為經(jīng)過門控技術校正的圖像僅只使用了可用呼吸采集數(shù)據(jù)的10 15%，大部分75 90%的數(shù)據(jù)被白白浪費了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有門控技術在PET掃描成像過程中，由于患者的呼吸會導致圖像的模糊偽影，從而影響醫(yī)生對病情的診斷和治療的不足，發(fā)明一種在三維PET成像中，利用所有PET成像采集100%的數(shù)據(jù)進行圖像恢復校正，大大提高校正圖像信號的 信噪比的正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，它可改善在PET成像中由于呼吸而導致的圖像 偽影，提高醫(yī)生的正確診斷率。 本發(fā)明正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術是這樣實現(xiàn)的在三維PET成像過程中，
首先利用動態(tài)模式獲取成像的數(shù)據(jù)；然后根據(jù)不同的時間分辨率將數(shù)據(jù)劃分為一定的數(shù)據(jù)
幀，每一幀看作一個呼吸循環(huán)中的一個運動相位；結(jié)合掃描器空間靈敏度的特性就可分析
觀察出每幀中光子數(shù)的周期性變化情況；依據(jù)所有幀內(nèi)光子數(shù)與運動相位的變化關系，將
運動相位幀移動到參考相位幀進行幀位置校正，最后獲得校正的圖像。 動態(tài)掃描數(shù)據(jù)幀內(nèi)的光子數(shù)會反映出呼吸運動沿掃描探測器軸向變化的位置。 對獲取的動態(tài)模式數(shù)據(jù)劃分為相同時間間隔的數(shù)據(jù)幀，其每一幀看作一個呼吸循
環(huán)中的一個運動相位。 對分割的幀光子進行噪聲濾波以凸顯呼吸循環(huán)的特征。
在已經(jīng)濾波的幀中，尋找包含最大和最小幀光子數(shù)的幀。
根據(jù)公式(1)估算出幀光子相對于參考幀移動的位移；
將所有幀光子根據(jù)估算出的位移移動到參考點。
將所有移動的幀光子進行疊加變成一個幀；
對疊加的幀進行圖像重建。 正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術具體步驟是 第一步，用PET的動態(tài)數(shù)據(jù)模式獲取兩個呼吸循環(huán)的掃描成像數(shù)據(jù)；
第二步，將這兩個呼吸循環(huán)劃分成為16個幀，每個循環(huán)包含8個幀；
第三步，計算每個幀內(nèi)的光子數(shù)； 第四步，對幀光子進行噪聲濾波以凸顯呼吸循環(huán)的特征；
第五步，尋找出所有幀光子數(shù)中最大的一個；
第六步，估算出所有幀位移中最大的一個；
第七步，根據(jù)公式 = j十二，) (/ = 1,2,3,……")
/ max y min 估算出幀光子移動位移； 第八步，將所有幀光子根據(jù)估算出的位移移動到參考點； 第九步，將所有移動的幀光子進行疊加變成一個幀； 第十步，對已疊加的幀進行圖像重建，最后獲得校正的圖像。 本發(fā)明基于三維正電子發(fā)射(PET)探測器的靈敏度特性，在三維PET成像過程中， 首先使用動態(tài)模式獲取成像的數(shù)據(jù)。然后根據(jù)不同的時間分辨率將數(shù)據(jù)劃分為一定的數(shù)據(jù) 幀，每一幀可以看作一個呼吸循環(huán)中的一個運動相位。結(jié)合掃描器空間靈敏度的特性就可 以分析觀察出每幀中光子數(shù)的周期性變化情況，獲取每一個幀內(nèi)光子數(shù)，這些幀光子數(shù)可 以反映器官運動所在的運動相位位置；每個相位幀光子數(shù)與其運動的位移存在線性關系， 據(jù)此就可將每個相位移動到某參考相位點，然后進行所有相位幀光子數(shù)疊加，最后重建圖 像就是經(jīng)過校正的圖像。 工作原理在三維PET成像中，對于獲得高質(zhì)量的圖像，掃描探測器幾何靈敏度是一個關鍵因素。它可以被定義為在一定的人體模型中，單位的放射性濃度(每秒光子數(shù)/ 貝克/毫升)可被檢測出的光子數(shù)。在三維PET成像中，幾何靈敏度的變化主要沿軸線方 向，如圖1示例所示，當接近軸線中心時，靈敏度值達到最大；而靠近軸線邊沿時，靈敏度值 接近最小。這就意味著由于靈敏度沿軸向的變化，探測器檢測到的那些從人體胸腹部器官 發(fā)射的光子數(shù)目，將會隨著靈敏度的變化而變化。當器官由于運動到軸向中心點時，探測到 的光子數(shù)目最多；而當器官運動到軸向掃描器邊沿時，探測到的光子數(shù)最少。
由此可見，探測到的光子數(shù)可以反映器官運動所在的運動相位位置。它們之間存 在特殊的線性關系，建立光子數(shù)和運動器官位置的方程式如(1)所示，就可以將運動器官 校正到某一參考點位置。A(0"十二， = I",……") m
7 max 7 min 、 7 其中Dz(i):沿Z軸方向的移動位移 i :幀序數(shù) A :最大的移動位移 fmax :最大的幀光子數(shù) fmin:最小的幀光子數(shù) f(i):幀光子數(shù) 本發(fā)明基于三維正電子發(fā)射(PET)探測器靈敏度特性的呼吸校正技術與現(xiàn)有門 控技術相比，具有不涉及硬件設備，不需要患者及臨床做額外的掃描前準備，在實際運用 中將更簡單、更有效和更可靠，它能有效地補償呼吸導致的圖像偽影，提高醫(yī)生的正確診斷率。


圖1.為本發(fā)明PET掃描探測器靈敏度曲線。
圖2為本發(fā)明門控方法的具體步驟流程示意圖。 圖3為本發(fā)明校正方法，在兩個呼吸的循環(huán)過程中計算每個幀光子的數(shù)目并畫出 其柱形圖，它顯示幀內(nèi)光子的變化率是接近肺容量的變化曲線的。 圖4在三維PET掃描儀中，有效幀光子射線移動到參考幀射線位置。兩個非參考 幀光子LORa and LORb在經(jīng)過沿Z軸A z的位移后，變換到參考幀內(nèi)的光子位置LORa,和 LORb,。 圖5為運用傳統(tǒng)門控技術，對運動振幅為5厘米、半徑2厘米，長5厘米的圓柱體 模用于仿真腫瘤運動變化的人體模進行恢復校正示意圖。 圖6為運用本發(fā)明申請，對運動振幅為5厘米、半徑2厘米，長5厘米的圓柱體模 用于仿真腫瘤運動變化的人體模進行恢復校正示意圖。 在圖1中掃描器軸向長度=180毫米，探測器環(huán)直徑=800毫米?？梢婌`敏度在 邊緣視野的值是零(在-90毫米或90毫米)，而靈敏度的值在中心視野位置達到最大。
在圖3中每個柱狀代表一個幀(相位)，柱的高度代表幀的光子數(shù)，具有相同紋理 的柱狀即為幀光子數(shù)目相同，根據(jù)校正方程式(1)就可以對每一個幀進行校正。圖3中顯 示了 8個已被校正的幀。
具體實施例方式
結(jié)合圖2和圖3給出一個本發(fā)明在核醫(yī)學三維正電子發(fā)射成像中，利用掃描探測 器靈敏度特性進行呼吸校正，實現(xiàn)方法的具體步驟 第一步，用PET的動態(tài)數(shù)據(jù)模式獲取兩個呼吸循環(huán)的掃描成像數(shù)據(jù)； 第二步，將這兩個呼吸循環(huán)劃分成如圖2所示的16個幀，每個循環(huán)包含8個幀； 第三步，計算每個幀內(nèi)的光子數(shù)； 第四步，對幀光子進行噪聲濾波以凸顯呼吸循環(huán)的特征； 第五步，尋找出所有幀光子數(shù)中最大的一個； 第六步，估算出所有幀位移中最大的一個； 第七步，根據(jù)公式(1)估算出幀光子移動位移； 第八步，將所有幀光子根據(jù)估算出的位移移動到參考點； 第九步，將所有移動的幀光子進行疊加變成一個幀； 第十步，對已疊加的幀進行圖像重建，最后獲得校正的圖像。 用實驗來評價驗證該校正方法。實驗采用了運動振幅為5厘米的人體模來仿真呼 吸運動。然后用傳統(tǒng)門控方法和本申請發(fā)明技術校正方法，分別對運動體模進行運動恢復 的結(jié)果對比。其圖像重建結(jié)果如圖5和圖6所示。比較重建圖像可以看出，圖5(a)和圖 6(a)是靜態(tài)圖像，也是校正質(zhì)量的比較標準?？梢钥闯鲞\動的體模在軸向方向(如虛線標 記)邊沿產(chǎn)生了很嚴重的模糊如圖5(b)和圖6(b)，在經(jīng)過門控校正后的圖像5(c)與模糊 運動圖像相比顯示，在邊沿區(qū)域得到了較明顯的恢復校正。但是圖像校正結(jié)果信噪比較小， 存在較大的噪聲。而經(jīng)過本發(fā)明校正的圖像如圖6(c)所示，不但模糊邊沿區(qū)域得到了較明 顯的恢復校正，而且信噪比較大提高。這樣就有利于對呼吸運動目標的大小、形狀和位置進 行更有效的判斷。
權利要求
一種正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，其特征在于在三維PET成像過程中，首先利用動態(tài)模式獲取成像的數(shù)據(jù)；然后根據(jù)不同的時間分辨率將數(shù)據(jù)劃分為一定的數(shù)據(jù)幀，每一幀看作一個呼吸循環(huán)中的一個運動相位；結(jié)合掃描器空間靈敏度的特性就可分析觀察出每幀中光子數(shù)的周期性變化情況；依據(jù)所有幀內(nèi)光子數(shù)與運動相位的變化關系，將運動相位幀移動到參考相位幀進行幀位置校正，最后獲得校正的圖像。
2. 根據(jù)權利要求1所述的正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，其特征在于動態(tài)掃描數(shù)據(jù)幀內(nèi)的光子數(shù)會反映出呼吸運動沿掃描探測器軸向變化的位置。
3. 根據(jù)權利l所述的正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，其特征是對獲取的動態(tài)模式數(shù)據(jù)劃分為相同時間間隔的數(shù)據(jù)幀，其每一幀看作一個呼吸循環(huán)中的一個運動相位。
4. 根據(jù)權利l所述的正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，其特征是對分割的幀光子進行噪聲濾波以凸顯呼吸循環(huán)的特征。
5. 根據(jù)權利l所述的基于三維正電子發(fā)射探測器靈敏度特性的呼吸校正技術，其特征是在已經(jīng)濾波的幀中，尋找包含最大和最小幀光子數(shù)的幀。
6. 根據(jù)權利l所述的正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，其特征是根據(jù)公式(1)估算出幀光子相對于參考幀移動的位移。
7. 根據(jù)權利l所述的正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，其特征是將所有幀光子根據(jù)估算出的位移移動到參考點。
8. 根據(jù)權利l所述的正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，其特征是將所有移動的幀光子進行疊加變成一個幀。
9. 根據(jù)權利l所述的正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，其特征是對疊加的幀進行圖像重建。
10. 根據(jù)權利1所述的正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，其特征在于具體步驟如下第一步，用PET的動態(tài)數(shù)據(jù)模式獲取兩個呼吸循環(huán)的掃描成像數(shù)據(jù)；第二步，將這兩個呼吸循環(huán)劃分成為16個幀，每個循環(huán)包含8個幀；第三步，計算每個幀內(nèi)的光子數(shù)；第四步，對幀光子進行噪聲濾波以凸顯呼吸循環(huán)的特征；第五步，尋找出所有幀光子數(shù)中最大的一個；第六步，估算出所有幀位移中最大的一個；第七步，根據(jù)公式<formula>formula see original document page 2</formula>估算出幀光子移動位移；第八步，將所有幀光子根據(jù)估算出的位移移動到參考點；第九步，將所有移動的幀光子進行疊加變成一個幀；第十步，對已疊加的幀進行圖像重建，最后獲得校正的圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種正電子發(fā)射成像中呼吸校正技術，特別是基于三維正電子發(fā)射(PET)探測器靈敏度特性的呼吸成像偽影校正技術，它屬于核醫(yī)學成像領域。本發(fā)明提出的校正方法能夠有效地補償呼吸導致的圖像偽影從而提高醫(yī)生的正確診斷率。在三維PET成像中，利用掃描探測器幾何靈敏度的變化特性，將獲取的動態(tài)數(shù)據(jù)進行幀分割，其幀內(nèi)光子數(shù)可以反映器官運動所在的運動相位位置，每個相位幀光子數(shù)與其運動的位移存在線性關系，據(jù)此就可將每個相位移動到某參考相位點進行校正，最后重建的圖像就是經(jīng)過校正而改善PET成像中由于呼吸而導致的圖像偽影。與現(xiàn)有門控和其它校正技術相比，本發(fā)明方法不涉及硬件設備，不需要患者及臨床做額外的掃描前準備，在實際運用中將更簡單、更有效和更可靠。
文檔編號G06T15/00GK101702232SQ20091009506
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權日2009年10月16日
發(fā)明者賀建峰 申請人:昆明理工大學