本發(fā)明屬于核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于PET/CT成像的呼吸運(yùn)動門控校正和衰減校正方法。

背景技術(shù)：

在PET/CT(正電子發(fā)射計算機(jī)斷層攝影術(shù)/電子計算機(jī)X射線斷層攝影術(shù))的掃描成像過程中，肺的呼吸運(yùn)動是影響肺部成像的一個重要因素，為提高診斷的精確度，最近十幾年內(nèi)國內(nèi)外學(xué)者深入研究并提出了許多呼吸運(yùn)動校正的方法，在所有的呼吸運(yùn)動校正方法中，門控校正是一種應(yīng)用最為廣泛的呼吸運(yùn)動校正方法，此方法減少了PET圖像的呼吸運(yùn)動偽影。

除了呼吸運(yùn)動會對PET/CE的圖像質(zhì)量造成影響外，在諸多因素中，衰減效應(yīng)也是影響圖像質(zhì)量的一個重要因素，研究表明衰減除了會引起計數(shù)丟失和定量不精確外，還會造成圖像不均勻和失真現(xiàn)象。PET/CT進(jìn)行掃描時，在正電子與組織中負(fù)電子發(fā)生湮滅輻射過程中，發(fā)射的光子射線其中有部分在穿行介質(zhì)過程中，要么被組織散射，要么被組織吸收這樣到達(dá)探測器后，研究表明衰減除了會引起計數(shù)丟失和定量不精確外，還會造成偽影或局部組織的放射性分布不均等。

在PET和CT結(jié)合之前，傳統(tǒng)的PET采用的衰減校正方法是透射掃描，即用弧形的穿透源來透射視野內(nèi)的被檢測對象，從而獲得每個方向的投影線數(shù)據(jù)，然后計算出每個位置的組織衰減系數(shù)。通常使用基于符合事件的透射掃描來做衰減校正，這樣求取衰減校正系數(shù)的過程較為簡單，任意LOR(Line of Response,響應(yīng)線)的衰減系數(shù)等于這條LOR的空白掃描計數(shù)除以透射掃描計數(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無需進(jìn)行光子能量之間的轉(zhuǎn)換，但這樣限制了獲得符合數(shù)據(jù)所能達(dá)到的計數(shù)率，另外透射掃描所需要的時間太長，一個FOV(掃描視野)的掃描需要10到15分鐘。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上問題的不足，本發(fā)明提供了一種基于PET/CT成像的呼吸運(yùn)動門控校正和衰減校正方法，本發(fā)明對PET掃描的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行門控校正后，再進(jìn)行衰減校正，不僅縮短了掃描時間，而且相比于只進(jìn)行門控校正的圖像，獲得了更好的圖像質(zhì)量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于PET/CT成像的呼吸運(yùn)動門控校正和衰減校正方法，包括以下步驟：

步驟1：獲得被檢測對象的PET/CT掃描的體模原始數(shù)據(jù)和CT圖像數(shù)據(jù)；

步驟2：對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行門控校正處理，得到新的PET掃描數(shù)據(jù)，即門控數(shù)據(jù)；

步驟3：分析處理軟件讀入CT圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)CT圖像得到CT衰減系數(shù)，將CT衰減系數(shù)轉(zhuǎn)化為PET能量下的衰減校正系數(shù)，求出各響應(yīng)線上的衰減校正因子；

步驟4：將門控數(shù)據(jù)導(dǎo)入到分析處理軟件中，并將門控數(shù)據(jù)與得到的衰減校正因子相乘，從而得到新的PET掃描數(shù)據(jù)，即衰減校正后的數(shù)據(jù)；

步驟5：對進(jìn)行門控校正和衰減校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，得到清晰的PET圖像。

進(jìn)一步地，所述步驟2中的門控校正的具體方法如下：

步驟a1：將原始數(shù)據(jù)以固定間隔時間劃分為N幀；

步驟a2：在每一幀掃描數(shù)據(jù)中，統(tǒng)計每一幀各個探測環(huán)中的真光子數(shù)；

步驟a3：選取其中一幀為參考幀，分別與其他所有幀進(jìn)行比較，通過絕對誤差公式計算其他幀探測環(huán)真光子數(shù)與參考幀探測環(huán)真光子數(shù)的絕對誤差；

步驟a4：設(shè)定誤差閾值，通過所有的絕對誤差值與設(shè)定閾值的比較，將絕對誤差值小于設(shè)定閾值的所有幀的數(shù)據(jù)與參考幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，得到新的PET掃描數(shù)據(jù)，即門控數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述步驟a1中的N為：

N＝fix(Y/T)

式中：fix為朝零方向取整；

Y為PET掃描的總時間；

T為固定間隔時間。

進(jìn)一步地，所述步驟a3中的絕對誤差公式為：

式中DRTCE(M，I)為第M幀第I探測環(huán)真光子數(shù)，DRTCE(N，I)為第N幀第I探測環(huán)真光子數(shù)，I為PET探測器探測環(huán)編號，M、N為幀的編號。

進(jìn)一步地，所述步驟3的衰減校正因子的算法如下：

ACF表示衰減校正因子；

a表示探測環(huán)上探測器A、探測器B之間的距離；

P點(diǎn)表示A點(diǎn)到B點(diǎn)這條響應(yīng)線上的湮滅點(diǎn)；

μ(x)表示這條響應(yīng)線上離P點(diǎn)x距離處的衰減校正系數(shù)。

進(jìn)一步地，所述步驟4的將門控數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中的具體方法為：

通過ROOT軟件輸出門控校正后的數(shù)據(jù)，輸出的形式為列表模型數(shù)據(jù)，將列表模型的文本數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，將分割后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析處理軟件中，再將導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合得到原數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述步驟5中的重建采用MLEM迭代算法。

由上述方案可知，本發(fā)明提供的基于PET/CT成像的呼吸運(yùn)動門控校正和衰減校正方法，對PET掃描的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行門控校正，將得到的門控數(shù)據(jù)進(jìn)行分割后導(dǎo)入到分析處理軟件中進(jìn)行整合，對整合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了衰減校正和圖像重建，不僅縮短了掃描時間，而且相比于門控后的圖像，經(jīng)過了衰減校正的門控圖像，圖像質(zhì)量得到了進(jìn)一步地提高。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在所有附圖中，類似的元件或部分一般由類似的附圖標(biāo)記標(biāo)識。附圖中，各元件或部分并不一定按照實(shí)際的比例繪制。

圖1為本實(shí)施例的方法步驟流程圖；

圖2為本實(shí)施例衰減校正因子的計算原理圖；

圖3為仿真實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過門控校正后的正弦圖；

圖4為仿真實(shí)驗(yàn)中衰減校正因子圖；

圖5為仿真實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過門控校正和衰減校正后的正弦圖；

圖6為仿真實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動模糊的肺部圖像；

圖7為仿真實(shí)驗(yàn)中靜態(tài)的肺部圖像；

圖8為仿真實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過門控校正后的肺圖像；

圖9為仿真實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過門控校正和衰減校正后的肺圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的產(chǎn)品，因此只是作為示例，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例：

本實(shí)施例提供了一種基于PET/CT成像的呼吸運(yùn)動門控校正和衰減校正方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1：獲得被檢測對象的PET/CT掃描的體模原始數(shù)據(jù)和CT圖像數(shù)據(jù)；

步驟2：通過ROOT軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行門控校正處理，得到新的PET掃描數(shù)據(jù)，即門控數(shù)據(jù)；

步驟3：MATLAB讀入CT圖像(即NCAT圖像)數(shù)據(jù)，根據(jù)CT圖像得到CT衰減系數(shù)，將CT衰減系數(shù)轉(zhuǎn)化為PET能量下的衰減校正系數(shù)，求出各響應(yīng)線上的衰減校正因子ACF；

步驟4：通過ROOT軟件輸出門控校正后的數(shù)據(jù)，輸出的形式為列表模型數(shù)據(jù)，將列表模型的文本數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，將分割后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，再將導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合得到原數(shù)據(jù)，再將門控數(shù)據(jù)與得到的衰減校正因子ACF相乘，從而得到新的PET掃描數(shù)據(jù)，即衰減校正后的數(shù)據(jù)；

步驟5：對進(jìn)行門控校正和衰減校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，得到清晰的PET圖像，所述重建采用MLEM迭代算法。

所述步驟2中的門控校正的具體方法如下：

步驟a1：將原始數(shù)據(jù)以固定間隔時間劃分為N幀；N＝fix(Y/T)，式中：fix為朝零方向取整，Y為PET掃描的總時間，T為固定間隔時間；本實(shí)例中PET的掃描時間為20s，因此N＝20s/200ms＝100；

步驟a2：在每一幀掃描數(shù)據(jù)中，統(tǒng)計每一幀各個探測環(huán)中的真光子數(shù)；

步驟a3：選取其中一幀為參考幀，分別與其他所有幀進(jìn)行比較，通過絕對誤差公式計算其他幀探測環(huán)真光子數(shù)與參考幀探測環(huán)真光子數(shù)的絕對誤差；

式中DRTCE(M，I)為第M幀第I探測環(huán)真光子數(shù)，DRTCE(N，I)為第N幀第I探測環(huán)真光子數(shù)，I為PET探測器探測環(huán)編號，M、N為幀的編號；本實(shí)施例中M、N為1到100，本實(shí)施例所用的PET掃描器有18個環(huán)，所以I為1到18；

步驟a4：設(shè)定誤差閾值，通過所有的絕對誤差值與設(shè)定閾值的比較，將絕對誤差值小于設(shè)定閾值的所有幀的數(shù)據(jù)與參考幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，得到新的PET掃描數(shù)據(jù)，即門控數(shù)據(jù)。

本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)如下：

1、方法原理

利用Gate仿真軟件將仿真體模放入PET掃描設(shè)備中，PET探測器最基本的結(jié)構(gòu)是一個探測器單元，一般指晶體切割的最小尺寸。多個探測器單元組成一個探測器模塊，探測器的模塊(Block)的尺寸大小通常由光電探測器或晶體塊的尺寸決定。多個Block組成一個探測器大塊，多個探測器大塊組成PET的探測器系統(tǒng)。基于探測環(huán)真光子數(shù)門控方法的原理是：當(dāng)體模在PET掃描器內(nèi)運(yùn)動時，即在探測器中的位置發(fā)生變化是，在相同的時間間隔內(nèi)PET探測環(huán)真光子數(shù)的分布將會發(fā)生相應(yīng)變化。體模在PET探測器內(nèi)從右向左不斷運(yùn)動，每次運(yùn)動距離為一個探測環(huán)的寬度，其探測環(huán)真光子數(shù)分布的峰值的位置也相應(yīng)的從右向左移動，每次移動距離為一個探測環(huán)的寬度。然后選取其中的一個幀作為參考幀(可任意選取)，分別比較其他幀與參考幀真光子數(shù)的差值，通過比較分析所有的絕對誤差值，將絕對誤差值相差不大的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將這些探測環(huán)真光子數(shù)分布一樣或者在差值范圍以內(nèi)的數(shù)據(jù)整合在一起，也就是將這些體模運(yùn)動情況相同或者相似的圖像疊加在一起，即為門控的數(shù)據(jù)。對原始的圖像按照基于探測環(huán)真光子數(shù)的門控方法處理后，接著對門控的圖像進(jìn)行衰減校正。

如圖2所示，衰減校正因子的具體算法如下：

A、B為探測環(huán)上的探測器，A、B兩點(diǎn)間距離為a，P為A點(diǎn)到B點(diǎn)這條響應(yīng)線上的湮滅點(diǎn)，正電子湮滅時一個光子從P點(diǎn)穿行到A點(diǎn)，另一個光子從P點(diǎn)穿行到B點(diǎn)；

光子從P點(diǎn)穿行到A點(diǎn)受到的衰減概率為：

光子從P點(diǎn)穿行到B點(diǎn)受到的衰減概率為：

則光子受到衰減的概率為：

故A點(diǎn)到B點(diǎn)這條響應(yīng)線的衰減校正因子為：

式中：PA、PB、AB表示產(chǎn)生衰減效應(yīng)的距離；

μ表示衰減校正系數(shù)；

μ(x)表示的是離P點(diǎn)x距離處的衰減校正系數(shù)。

將衰減校正因子乘以原始的正弦圖數(shù)據(jù)就可以完成衰減校正，從而得到新的正弦圖數(shù)據(jù)，從而重建出更加準(zhǔn)確的PET診斷圖像。

2、仿真實(shí)驗(yàn)

(1)、仿真PET/CT呼吸運(yùn)動門控校正的臨床掃描設(shè)備是GE Discovery LS，這個PET/CT掃描設(shè)備的主要物理參數(shù)如下：

掃描模式：3D掃描

FOV：152mm

探測器環(huán)直徑：92.7cm

掃描器有18個探測環(huán)，每個探測環(huán)內(nèi)有672個探測器

閃爍晶體探測器材料：鍺酸鉍(BGO)

BGO大小為4mm Trans-axial，8mm Axial，30mm Radial。

(2)、使用的主要軟件是NCAT、GATE、ROOT及MATLAB，仿真實(shí)驗(yàn)使用了NCAT來得到仿真的像素體模，然后將其導(dǎo)入仿真PET/CT成像的軟件GATE(Geant4Application Tomographic Emission)中進(jìn)行仿真，并通過ROOT軟件對原始仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了門控處理，最后通過MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了對門控數(shù)據(jù)的衰減校正和圖像重建。

(3)、為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)提出的方法能夠?qū)﹂T控后的圖像作進(jìn)一步的改進(jìn)，使用仿真PET/CT成像的軟件GATE和NCAT來進(jìn)行像素體模的仿真實(shí)驗(yàn)。NCAT所產(chǎn)生的體模是由現(xiàn)實(shí)中真實(shí)病人的數(shù)據(jù)生成，可以準(zhǔn)確地反應(yīng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中人體內(nèi)組織的運(yùn)動情況。

所設(shè)置的體模具體參數(shù)：

肺部像素大?。?28*128*31；

每個像素代表實(shí)際尺寸大?。?.125*3.125*4.25mm；

肺部的放射性活度：5000bq的¹⁸F-FDG；

腫瘤的放射性活度：30000bq；

肝臟的放射性活度為：40000bq；

原始PET數(shù)據(jù)以200ms劃分為100幀；

呼吸周期為5s，仿真時間為4個周期，即為20s。

3、仿真結(jié)果

圖3為仿真實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過門控校正后的正弦圖，圖4為仿真實(shí)驗(yàn)中衰減校正因子圖，衰減校正因子與門控校正后的正弦圖相乘，即得到經(jīng)過門控校正和衰減校正的圖像，如圖5所示。

為了便于進(jìn)行客觀的對比和分析，仿真實(shí)驗(yàn)增加了靜態(tài)的肺部圖像(圖7)和運(yùn)動模糊的肺部圖像(圖6)，圖8為仿真實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過門控校正后的肺圖像，圖9為仿真實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過門控校正和衰減校正后的肺圖。通過上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過衰減校正的門控圖像中肺部的形狀、輪廓接近于靜態(tài)的肺部圖像中的形狀和輪廓，經(jīng)過衰減校正后的門控圖像，相對于已門控但沒有衰減的圖像而言，肺的邊界顯得更加清楚，且肺的形狀和輪廓，與靜態(tài)的肺部圖像更相似。

通過MATLAB運(yùn)行圖像的結(jié)果質(zhì)量評價程序來比較圖6、圖8、圖9與靜態(tài)圖像(圖7)的差異(表1)。均方誤差(Mean Squared Error，MSE)表示的是圖像對應(yīng)像素點(diǎn)灰度值誤差均方的平均值，均方誤差值越大，說明圖像之間的差異越大。峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio，PSNR)是圖像之間的MSE相對于像素最大值的對數(shù)值，峰值信噪比值越小表示圖像的失真越大。平均梯度(Average Gradient，AG)用來衡量圖像的清晰程度。綜合分析表1發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過衰減校正的門控圖像均方誤差值比運(yùn)動模糊的肺部圖像和未經(jīng)過衰減校正門控圖像的均方誤差值都小，經(jīng)過衰減校正的門控圖像PSNR和AG值比運(yùn)動模糊圖像和未經(jīng)過衰減校正門控圖像的PSNR和AG值都大。這說明經(jīng)過門控校正和衰減校正后的圖像相比于運(yùn)動模糊的圖像和僅僅經(jīng)過門控校正后的圖像更接近于靜態(tài)圖像。

表1 NCAT仿真結(jié)果的圖像質(zhì)量評價

對仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析表明，經(jīng)過呼吸運(yùn)動門控和衰減校正后的圖像相比于運(yùn)動模糊的圖像和僅僅經(jīng)過門控校正后的圖像，與靜態(tài)圖像相似程度更高；經(jīng)過呼吸運(yùn)動門控校正和衰減校正后的圖像能進(jìn)一步提高圖像的清晰度和準(zhǔn)確度。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。