[发明专利]获取正电子发射断层扫描系统响应模型与图像重建的方法

说明书

技术领域

本专利涉及核医学探测成像领域，尤其涉及一种精确获取各种几何形状的PET系统响应模型及图像重建的方法。

背景技术

正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET，以下简称PET）在核医学领域是重要的断层成像设备，现已广泛的应用于医学领域的诊断和研究。PET可以有效的探测到注入生物体内的标记了放射性示踪原子药物的时空分布。由于生物体某些异常的组织（如肿瘤）的代谢相对于正常细胞较旺盛，示踪剂在这些组织的分布也较正常细胞多，所以PET探测到这些示踪剂的分布提供了携带生物体功能信息的图像（如肿瘤的相关信息），为早期肿瘤的诊断和研究提供有力的参考。

PET可以为各种不同的几何形状（如平板，环形等），这都是由PET中每个探测器模块的不同排列而形成的，但其探测原理都是相同的。在进行扫描前，给生物体注射含有正电子放射性核素的示踪剂，示踪剂中每一个正电子可与生物体内的一个负电子发生湮没生成两个背对背的γ光子即一个γ光子对，这两个γ光子穿过生物体组织，打在正电子扫描仪的一对探测器上，并进行一系列的电子学响应，将信号传入计算机，记录下来。这样所有的γ光子对，都被记录下来，然后经过图像重建，即可获得反映放射性示踪剂分布的图像。PET中的主要元件探测器由闪烁晶体，光电倍增管和前端电子学部分组成。当γ光子进入闪烁晶体，闪烁晶体将高能光子信号转化为低能光子，低能光子通过光电倍增管转化为电子并进行放大，由前端电子学输出。这样由两个晶体条端同时输出的电信号就记录下有关上述γ光子对也就是一次湮没事件的信息。通常用一些简单的模型来描述上述响应情况，可以方便地分析PET系统的响应。常用的模型有线模型，面模型和体模型，其中，线模型是最常用的。由于湮没事件的两个γ光子是背对背的，可以近似为一条直线，湮没事件产生的背对背的γ光子入射到两个晶体条上，连接两个晶体条的连线被称为响应线（line of response，LOR，以下简称为LOR线），如图1所示。图1中，LOR1与LOR2为两条不同的LOR线，LOR1为探测器晶体条a和b符合探测得到的LOR线，而LOR2为探测器晶体条c和d符合探测得到的LOR线。

直接用探测器记录下来的信号可以以不同的数据组织形式进行组织。如List mode（列表模式）和Sinogram（正弦图）。List mode数据组成信号包含两个湮没γ光子入射的晶体条编号，能量信息以及时间信息。Sinogram只包含了两个湮没γ光子探测的位置信息和能量信息，但其记录方式则是利用LOR线来确定其背对背的湮没光子的走向，其横轴为图像空间LOR线与水平轴夹角θ，纵轴为图像空间原点到LOR线的距离r，通过（r，θ）即可决定每个LOR线位置。PET成像中关键技术之一的图像重建就是利用上述符合信号（如Sinogram或List mode）并用相应的重建算法，重建出示踪剂在生物体内的分布图像。在重建过程，必须根据PET系统几何特性以及探测特性对PET系统响应进行建模。这个系统响应模型的精确程度，对重建图像的质量好坏有很大的关系。

在建立系统响应模型时，涉及到投影空间和图像空间。投影空间即我们探测到的信号所在的空间，它可以看作是图像空间对探测器所做的一次投影。为系统响应建立模型时，同时为投影空间和图像空间建立相应的坐标系，建立基于这些坐标系的系统响应模型。

在探测过程中，影响图像质量好坏的因素主要有：γ光子与晶体条相互作用时在晶体条间的穿透作用和散射作用。当γ光子以一定的角度入射到探测器某个晶体条上，其与晶体条物质发生相互作用时，会穿透入射晶体条到相邻的晶体条上，使得被穿透的晶体条（包括入射晶体条和穿透的相邻的晶体条）都产生响应，这种作用叫做穿透作用，也叫深度效应（depth of interaction，DOI，以下简称DOI效应）。如图2A所示，假设LOR1上某点发生湮没事件，其应为真实的响应线，当沿LOR1方向入射的γ光子以一定角度入射到a1和a2一对晶体条上时分别穿透到b1，b2并衰减吸收，使得b1，b2晶体条对也产生了信号，这样在重建图像时会认为LOR1线上和LOR2线上都发生了湮没事件，造成图像效果的模糊，分辨率降低，如图2B所示。同理γ光子在晶体间的散射作用也可造成图像的分辨率下降，如图3A所示，γ光子在上端探测器a1晶体条发生了散射作用到b1晶体条，在下端则发生了穿透作用到b2晶体条，使得b1，b2晶体条对也发生响应，造成了图像的模糊，分辨率降低，如图3B所示。