正电子发射断层成像系统及其图像重建方法
阅读：178发布：2020-05-13
专利汇可以提供正电子发射断层成像系统及其图像重建方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种 正 电子 发射 断层 成像(PET)系统。该PET系统包括：多个环状的探测器单元，沿轴向依次排列；所述探测器单元用于对单事件计数；多个符合逻辑 电路 ，与一个或多个对应的探测器单元连接，用于对 符合事件 计数，所述符合事件包括由单个探测器单元获取的符合事件或者由符合 配对 规则的两个探测器单元所获取的符合事件；计算装置，包括数个计算 节点 ，用于随机地接收符合事件计数，并进行图像重建。，下面是正电子发射断层成像系统及其图像重建方法专利的具体信息内容。
1.一种正电子发射断层成像系统，其特征在于，包括：
多个环状的探测器单元，沿轴向依次排列；所述探测器单元用于对单事件计数；
多个符合逻辑电路，与一个或多个对应的探测器单元连接，用于对符合事件计数，所述符合事件包括由单个探测器单元获取的符合事件或者由符合配对规则的两个探测器单元所获取的符合事件；
计算装置，包括数个计算节点，用于随机地接收符合事件计数，并进行图像重建。
2.根据权利要求1所述的正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述配对规则是指：
对所述多个探测器单元进行顺序编号，第N个探测器单元仅与编号在后的探测器单元存在符合配对关系，其中N小于K，K为探测器单元的总数，N、K为自然数。
3.根据权利要求1所述的正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述正电子发射断层成像系统包括K个环状的探测器单元，所述K个环状的探测器单元有多种配对组合，每一种配对组合包括一个或两个探测器单元，所述多个符合逻辑电路用于对所述配对组合获取的符合事件计数，其中K为探测器单元的总数，K为自然数。
4.根据权利要求3所述的正电子发射断层成像系统，其特征在于，从所述配对组合中选择K(K+1)/2种配对组合或小于K(K+1)/2种配对组合，所述多个符合逻辑电路用于对所选择的配对组合获取的符合事件计数。
5.根据权利要求1所述的正电子发射断层成像系统，其特征在于，还包括第一处理器，该第一处理器连接到该多个符合逻辑电路，各符合逻辑电路产生的符合计数发送到该第一处理器，该第一处理器对符合计数进行反向投影，所述正电子发射断层成像系统使用该反向投影进行正投影。
6.根据权利要求1所述的正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述计算节点包括多个第一处理器，每一第一处理器连接到一个或多个符合逻辑电路，各符合逻辑电路产生的符合计数发送到与其连接的第一处理器，该多个第一处理器并行地对符合计数进行反向投影。
7.根据权利要求6所述的正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述计算节点还包括一个第二处理器，该第二处理器连接到一个或多个第一处理器，各第一处理器产生的反向投影发送到第二处理器，第二处理器对反向投影进行叠加，所述正电子发射断层成像系统使用叠加的反向投影进行正投影。
8.根据权利要求1所述的正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述多个探测器单元产生的单事件数据不均匀地分配到各符合逻辑电路进行符合计数。
9.根据权利要求1所述的正电子发射断层成像系统，其特征在于，每一符合逻辑电路对应地设置在一个探测器单元上。
10.根据权利要求1所述的正电子发射断层成像系统，其特征在于，每一符合逻辑电路通过数据总线与对应的一个或多个探测器单元连接。
正电子发射断层成像系统及其图像重建方法
技术领域
背景技术
[0003] PET是从人体分子水平反映人体内脏器和组织的功能及代谢状况的诊断技术。PET将含有正电子放射性的药物(如18F-FDG)注入人体，由于FDG的代谢情况与葡萄糖非常相似，18
可聚集在消化葡萄糖的细胞内，尤其是生长迅速的肿瘤组织药物摄取是不一样的。F衰变放出的正电子将与组织中的负电子发生湮灭反应，产生能量相等、方向相反的两个γ光子，通过环绕人体的探测器阵列，利用符合测量技术测量出这两个光子，就可获得正电子的位置信息，再用图像重建软件进行处理后可得到正电子在人体内分布情况的断层图像。
可聚集在消化葡萄糖的细胞内，尤其是生长迅速的肿瘤组织药物摄取是不一样的。F衰变放出的正电子将与组织中的负电子发生湮灭反应，产生能量相等、方向相反的两个γ光子，通过环绕人体的探测器阵列，利用符合测量技术测量出这两个光子，就可获得正电子的位置信息，再用图像重建软件进行处理后可得到正电子在人体内分布情况的断层图像。
[0004] 图1是PET系统的常规结构。参考图1所示，在机架(Gantry)11中形成通道12，一个检查床13可移入或移出通道12。被检者躺在检查床13的床面14上，检查床13被移入通道12后，机架11内设置的环绕通道12的探测器阵列可探测上述反应产生的光子。
[0005] 当前PET系统的轴向扫描视野范围局限在25公分左右，远远短于人体全身的长度，比如2米。为了改进PET系统，已经提出了在机架的整个轴向长度上设置多个PET探测器单元，从而大幅地扩大在身体轴线方向上的扫描视野。例如，将身体轴线方向上的扫描视野扩大到约2米的长度，从而能够同时诊断被检者的从头顶到脚趾的整个身体。
[0006] 视野扩大会带来的灵敏度几十倍的提升，但是其超高的计数率是目前现有电子学逻辑所不能够应对的；同时，传统PET图像重建的成像速度也会因为高计数而变慢几十倍。
发明内容
[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种正电子发射断层成像系统，包括：多个沿着轴向排列的探测器单元，每一探测器单元适于产生多个单事件计数；多个符合逻辑电路，每一符合逻辑电路连接到一个或多个对应的探测器单元，其中各探测器单元产生的单事件数据发送到对应的符合逻辑电路，该多个符合逻辑电路并行地产生该多个探测器单元的符合计数。
[0009] 在本发明的一种实施方式中，所述多个探测器单元产生的单事件数据均匀或不均匀地分配到各符合逻辑电路进行符合计数。
[0010] 在本发明的一种实施方式中，至少部分符合逻辑电路对来自不同或相同探测器单元的单事件数据进行符合计数。
[0011] 在本发明的一种实施方式中，该正电子发射断层成像系统中符合逻辑电路的数量与探测器单元的数量相同或不同。
[0012] 在本发明的一种实施方式中，每一符合逻辑电路对应地设置在一个探测器单元上。
[0013] 在本发明的一种实施方式中，还包括第一处理器，该第一处理器连接到该多个符合逻辑电路，各符合逻辑电路产生的符合计数发送到该第一处理器，该第一处理器对符合计数进行反向投影，该系统使用该反向投影进行正投影。
[0014] 在本发明的一种实施方式中，还包括多个第一处理器，每一第一处理器连接到一个或多个符合逻辑电路，各符合逻辑电路产生的符合计数发送到各第一处理器，该多个第一处理器并行地对符合计数进行反向投影。
[0015] 在本发明的一种实施方式中，还包括一个第二处理器，该第二处理器连接到该多个第一处理器，各第一处理器产生的反向投影发送到第二处理器，该第二处理器对反向投影进行叠加，所述正电子发射断层成像系统使用叠加的反向投影进行正投影。
[0016] 为解决上述问题，本发明提供了一种用于正电子发射断层成像系统的图像重建方法，包括以下步骤：在多个沿着轴向排列的探测器单元中的每一探测器单元产生多个单事件计数；将各探测器单元产生的单事件数据发送到对应的符合逻辑电路，该多个符合逻辑电路连接到一个或多个对应的探测器单元，且并行地产生该多个探测器单元的符合计数。
[0017] 在本发明的一种实施方式中，所述多个探测器单元产生的单事件数据均匀或不均匀地分配到各符合逻辑电路进行符合计数。
[0018] 在本发明的一种实施方式中，还包括将各符合逻辑电路产生的符合计数发送到第一处理器，该第一处理器对符合计数进行反向投影，该正电子发射断层成像系统使用叠加的反向投影进行正投影。
[0019] 为解决上述问题，本发明提供了另一种正电子发射断层成像系统，包括：多个环状的探测器单元，沿轴向依次排列；所述探测器单元用于对单事件计数；多个符合逻辑电路，与一个或多个对应的探测器单元连接，用于对符合事件计数，所述符合事件包括由单个探测器单元获取的符合事件或者由符合配对规则的两个探测器单元所获取的符合事件；计算装置，包括数个计算节点，用于随机地接收符合事件计数，并进行图像重建。
[0020] 在本发明的一种实施方式中，所述配对规则是指：对所述多个探测器单元进行顺序编号，第N个探测器单元仅与编号在后的探测器单元存在符合配对关系，其中N小于K，K为探测器单元的总数，N、K为自然数。
[0021] 在本发明的一种实施方式中，所述正电子发射断层成像系统包括K个环状的探测器单元，所述K个环状的探测器单元有多种配对组合，每一种配对组合包括一个或两个探测器单元，所述多个符合逻辑电路用于对所述配对组合获取的符合事件计数，其中K为探测器单元的总数，K为自然数。
[0022] 在本发明的一种实施方式中，从所述配对组合中选择K(K+1)/2种配对组合或小于K(K+1)/2种配对组合，所述多个符合逻辑电路用于对所选择的配对组合获取的符合事件计数。
[0023] 与现有技术相比，本发明的正电子发射断层成像系统及其图像重建方法通过分布式符合逻辑电路解决了延长轴向扫描视野、正电子发射断层成像探测器单元的高计数率和海量符合信号的电子学采集问题，从而能够使得超长轴向扫描视野的正电子发射断层成像系统的高灵敏度、快速成像性能得到充分发挥。附图说明
[0024] 图1是PET系统的常规结构。
[0025] 图2是本发明一实施例的PET系统的立体图。
[0026] 图3是图1所示PET系统的机架壳体被移开后的立体图。
[0027] 图4是图2所示PET系统中一个探测器单元被移开的示意图。
[0028] 图5是图2所示PET系统的测量架构图。
[0029] 图6是本发明一实施例的符合测量装置示意图。
[0030] 图7是本发明一实施例的符合逻辑电路分布示意图。
[0031] 图8是本发明一实施例的符合逻辑任务分配示意图。
[0032] 图9是本发明另一实施例的符合逻辑任务分配示意图。
[0033] 图10是本发明另一实施例的符合逻辑电路分布及任务分配示意图。
[0034] 图11是本发明一实施例的PET系统的图像重建架构图。
[0035] 图12是本发明另一实施例的PET系统的图像重建架构图。
具体实施方式
[0036] 为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
[0037] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0038] 图2是本发明一实施例的PET系统的立体图。参考图2所示，本实施例的PET系统在机架21中形成通道22，一个检查床23可移入或移出通道22。被检者躺在检查床23的床面24上，检查床23被移入通道22后，机架21内设置的环绕通道22的探测器阵列可探测γ光子，探测器阵列被壳体27覆盖。
[0039] 参考图2至图4所示，机架21沿被检者的身体轴线方向延长，并且探测器单元25设置在机架的整个长度上。因此大幅地扩大了身体轴线方向上的扫描视野。例如，身体轴线方向上的扫描视野被扩大至约100cm的长度，由此可以同时诊断被检者的整个躯干。也可以使身体轴线方向上的扫描视野扩大至约200cm的长度，由此可以同时诊断被检者的从头顶到脚趾的整个身体。
[0040] 本实施例的PET系统包括多个沿着轴向排列的探测器单元25，每一探测器单元25适于产生多个单事件计数。探测器单元25由探测元件26和信号处理电路(图中未示出)构成。本实施例的探测器单元25中，以如下方式设置许多探测元件26：探测元件26沿探测器单元25的周向和身体轴线方向排列。
[0041] 探测元件26例如是由闪烁晶体和光电倍增管构成。闪烁晶体接收来自被检体内的放射性同位素的成对湮灭γ射线，产生闪烁光。各闪烁晶体被配置为各闪烁晶体的长轴方向与探测器单元的径向大致一致。光电倍增管被设置在与正交于中心轴的径向有关的、闪烁晶体的一端部上。典型情况是，探测器单元中所包含的多个闪烁晶体与多个光电倍增管被排列成同心圆筒状。在闪烁晶体中所产生的闪烁光在闪烁晶体内传播，并朝向光电倍增管。光电倍增管产生与闪烁光的光量相应的脉冲状电信号。所产生的电信号，被供给图5所示的信号处理电路28。
[0042] 图5是图2所示PET系统的测量架构图。参考图5所示，信号处理电路28根据来自光电倍增管的电信号生成单事件数据(Single Event Data)。具体情况是，信号处理电路28实施检测时刻测量处理、位置计算处理以及能量计算处理。在检测时刻测量处理中，信号处理电路28测量探测器的γ射线的检测时刻。具体情况是，信号处理电路28监视来自光电倍增管的电信号的峰值。然后，信号处理电路28测量电信号的峰值超过预先设定的阈值的时刻作为检测时刻。即，信号处理电路28通过检出电信号的强度超过阈值这一情况，从而电检测湮没γ射线。在位置计算处理中，信号处理电路28根据来自光电倍增管的电信号，计算湮没γ射线的入射位置。湮没γ射线的入射位置与湮没γ射线入射到的闪烁晶体的位置坐标对应。在能量计算处理中，信号处理电路28根据来自光电倍增管的电信号，计算入射至闪烁晶体的湮没γ射线的能量值。所生成的单事件数据被供给至符合逻辑电路29。符合逻辑电路29对与多个单事件有关的单事件数据实施符合计数处理。
[0043] 符合逻辑电路29从重复供给的单事件数据中重复确定容纳在与预先设定的时间范围内的2个单事件有关的成对的单事件数据。例如时间范围被设定为6ns～18ns左右。该成对的单事件被推测为由来于从同一成对湮没点产生的成对湮没γ射线。成对的单事件概括地被称为符合事件。连结检测出该成对湮没γ射线的成对的探测元件的线被称为响应线(Line Of Response,LOR)。这样，符合逻辑电路针对每一LOR计数符合事件。
[0044] 图6是本发明一实施例的符合测量装置示意图。参考图6所示，本实施例的PET系统包括多个沿着被检体的身体轴向排列的探测器单元61，例如由8个探测器单元61沿被检体的身体轴向排列，组合成一个PET系统。每一个探测器单元61具有长度为25cm的轴向扫描视野，则组合后的PET系统可以达到长度为200cm的轴向扫描视野。
[0045] 每一探测器单元61适于产生多个单事件计数。在此，以PET系统包含8个探测器单元为例进行说明，将每一探测器单元称为pk,k＝1,2,…,8；PET系统称为P。某个pk上采集的许多单事件计数(或称信号)均称为sk。PET系统还包括多个符合逻辑电路62。假设有8个符合逻辑电路62，在此将每一符合逻辑电路62称为Ci,i＝1,2,…,8。每一符合逻辑电路62可独立设置在一个探测器单元61上。每一符合逻辑电路62连接到一个或多个对应的探测器单元61，各探测器单元61产生的单事件数据发送到对应的符合逻辑电路62，该多个符合逻辑电路62用以对探测器单元61产生的单事件数据进行符合计数。例如当符合逻辑电路C1需要使用探测器单元p1,p2,p3,p4的单事件数据时，可以连接这些探测器单元。同理，符合逻辑电路C1，C2，…，C8等可以连接探测器单元p1,p2,p3,…,p8中的任何一个或多个。这样，把每个探测器单元pk上采集得到的单事件信号sk通过数据总线发送到所有涉及pk的符合逻辑电路上。该多个符合逻辑电路可以并行地产生该多个探测器单元的符合计数。图7是本发明一实施例的符合逻辑电路分布示意图。参考图7所示，符合逻辑电路C1可接收单事件信号s1,s2,…s8，符合逻辑电路C2可接收单事件信号s2,s3,…s8，符合逻辑电路C3可接收单事件信号s3,s4,…s8，…，符合逻辑电路C8可接收两个单事件信号s8。
[0046] 多个符合逻辑电路62，与一个或多个对应的探测器单元61连接，用于对符合事件计数，该符合事件包括由单个探测器单元61获取的符合事件或者由符合配对规则的两个探测器单元61所获取的符合事件。例如图6中两个不同的单事件信号s11,s12分别来自探测器单元p1上两个相对的探测元件。满足要求的两个单事件计数也可能来自不同探测器单元61，例如图6中两个不同的单事件信号s13,s21分别来自探测器单元p1和探测器单元p2上两个倾斜相对的探测元件。在此，从任何一个符合计数都可以得知其两个单事件是各来自哪个pk，这里整个系统P的符合计数集合称为c(k1,k2)，k1,2＝1,2,…,8，k1和k2体现了探测器单元61的符合配对关系。
[0047] 对于轴向拓展而得的PET系统来讲，其是否具备高灵敏度性能要取决于能否有效收集符合计数c(k1,k2)，其中k1≠k2。目前的电子学逻辑无法做到让所有的sk同时输送到一个符合逻辑电路里去产生符合计数c(k1,k2)，因为前端电子学将因高单事件计数率而发生死时间效应而瘫痪，使得PET系统无法在正常的临床扫描活度下工作。本发明的实施例中，多个符合逻辑电路62可以并行地接收探测器单元61的单事件数据，且并行地产生多个探测器单元61的符合计数，从而解决海量符合信号的收取和测量问题。
[0048] 图8是本发明一实施例的符合逻辑任务分配示意图。各符合逻辑电路可以按照图8所示的方式对符合事件计数。需要计数的符合事件包括由单个探测器单元获取的符合事件或者由符合配对规则的两个探测器单元所获取的符合事件。例如符合配对规则是指：对所述多个探测器单元进行顺序编号，第N个探测器单元仅与编号在后的探测器单元存在符合配对关系，其中N小于K，K为探测器单元的总数，N、K为自然数。
[0049] 按照上述配对规则，符合逻辑电路C1负责：对来自同一探测器单元p1的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p1和探测器单元p2的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p1和探测器单元p3的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p1和探测器单元p4的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p1和探测器单元p5的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p1和探测器单元p6的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p1和探测器单元p7的两个单事件进行符合计数，以及对分别来自探测器单元p1和探测器单元p8的两个单事件进行符合计数，从而产生符合计数c(1,1),c(1,2),c(1,3),c(1,4),c(1,5),c(1,6),c(1,7),c(1,8)；符合逻辑电路C2负责：对来自同一探测器单元p2的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p2和探测器单元p3的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p2和探测器单元p4的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p2和探测器单元p5的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p2和探测器单元p6的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p2和探测器单元p7的两个单事件进行符合计数，对分别来自探测器单元p2和探测器单元p8的两个单事件进行符合计数，从而产生符合计数c(2,2),c(2,3),c(2,4),c(2,5),c(2,6),c(2,7),c(2,8)；以此类推，符合逻辑电路C3负责产生符合计数c(3,3),c(3,4),c(3,5),…,c(3,8)；……符合逻辑电路C8负责产生符合计数c(8,8)。也就是说，根据单事件sk的标记，每一个sk只和来自pk或者pk+1的sk或者sk+1做符合。因此整个系统P的符合计数可以按照其单事件是来自哪两个pk来分类。c(1,1),c(2,2),…,c(8,8)就是单个PET探测器单元pk上收到的符合计数，而其他c(k1,k2)，其中k1≠k2，就是由来自不同的探测器单元pk1的单事件sk1和探测器单元pk2的sk2符合而成。对于由k＝8个探测器单元构建的系统P而言，按照图8所示的符合逻辑，8个探测器单元一共可以有k(k+1)/2＝36种配对组合，每一种配对组合包括一个或两个探测器单元。在36种配对组合中，包括8种来自同一探测器单元的符合配对，以及K(K-1)/2＝28种来自不同探测器单元的符合配对。多个符合逻辑电路用于对上述36种配对组合获取的符合事件计数。在其他实施例中，还可以从所述配对组合中选择部分配对组合，即小于k(k+1)/2＝36种的配对组合，多个符合逻辑电路用于对所选择的配对组合获取的符合事件计数。在图8所示实施例中，各探测器单元产生的单事件计数不均匀地分配到各符合逻辑电路进行符合计数，C1到C8分别是8个，7个，6个，……，1个。图9是本发明另一实施例的符合逻辑任务分配示意图。参考图9所示，各符合逻辑电路可以基本上均匀地分配各探测器单元的符合配对任务，C1到C8分别是5个，5个，5个，5个，4个，4个，4个，4个。
[0050] 图10是本发明另一实施例的符合逻辑电路分布及任务分配示意图。参考图10所示，可以不在每个探测器单元上独立配置符合逻辑电路，即多个探测器单元和符合逻辑电路不存在一一对应关系。各符合逻辑电路仍可以基本上均匀地分配各探测器单元的符合配对任务，符合逻辑电路C1到C6均是6个，其中符合逻辑电路C4分配到c(4,4),c(4,5),c(4,6),c(4,7)，c(4,8),c(5,5)的符合计数产生，符合逻辑电路C5分配到c(5,6),c(5,7),c(5,8),c(6,6)，c(6,7),c(6,8)的符合计数产生，符合逻辑电路C6分配到c(1,7),c(7,7),c(7,8),c(1,8)，c(2,8),c(8,8)的符合计数产生。
[0051] 从另一角度看，本发明的实施例提出一种PET系统的图像重建方法，包括以下步骤：在多个沿着轴向排列的探测器单元中的每一探测器单元产生多个单事件计数；将各探测器单元产生的单事件计数发送到对应的符合逻辑电路，该多个符合逻辑电路连接到一个或多个对应的探测器单元，且并行地产生该多个探测器单元的符合计数。
[0052] 图11是本发明一实施例的PET系统的图像重建架构图。参考图11所示，本实施例的图像重建架构包括多个探测器单元61、多个符合逻辑电路62和计算系统63。多个探测器单元61和多个符合逻辑电路62的细节可以参考前文所示，在此不再赘述。计算系统63连接多个符合逻辑电路62。计算系统63可以根据系统发送过来的符合事件c(k1,k2)中k1,k2来确定反投影计算的方向，从而通过反投影、正投影图像进行迭代重建，如采用有序子集最大期望值迭代法(Ordered Subsets Expectation Maximization，OSEM)，从而完成图像重建。计算系统63可包括一个处理器以进行反投影计算。处理器可以是通用处理器(CPU)或者图像处理器(GPU)。
[0053] 图12是本发明另一实施例的PET系统的图像重建架构图。参考图11所示，本实施例的图像重建架构包括多个探测器单元61、多个符合逻辑电路62和计算系统64。多个探测器单元61和多个符合逻辑电路62的细节可以参考前文所示，在此不再赘述。计算系统64可包括多个计算节点65，各计算节点65对应地连接各符合逻辑电路62。各计算节点65可以根据系统分配过来的符合事件c(k1,k2)中k1,k2来并行地确定正、反投影计算的方向，从而采用OSEM算法计算反投影图像。考虑到计算任务的效率，可以将符合事件随机地分配给各计算节点65。反投影图像随后发送到图像累加节点66上进行累加，累加完毕后，图像就完成一次迭代，累加的图像可以用来下一次正投影，这样多次迭代，最终完成图像重建。在本实施例中，计算节点的实例是第一处理器，图像累加节点的实例是第二处理器。处理器可以是通用处理器(CPU)或者图像处理器(GPU)。
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