本發(fā)明屬于核醫(yī)學成像技術領域，具體涉及基于PET/CT成像的呼吸運動門控校正和衰減校正方法。

背景技術：

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

除了呼吸運動會對PET/CE的圖像質量造成影響外，在諸多因素中，衰減效應也是影響圖像質量的一個重要因素，研究表明衰減除了會引起計數丟失和定量不精確外，還會造成圖像不均勻和失真現象。PET/CT進行掃描時，在正電子與組織中負電子發(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過程中，要么被組織散射，要么被組織吸收這樣到達探測器后，研究表明衰減除了會引起計數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的被檢測對象，從而獲得每個方向的投影線數據，然后計算出每個位置的組織衰減系數。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的過程較為簡單，任意LOR(Line of Response,響應線)的衰減系數等于這條LOR的空白掃描計數除以透射掃描計數。這種方法的優(yōu)點是無需進行光子能量之間的轉換，但這樣限制了獲得符合數據所能達到的計數率，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。

技術實現要素：

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

為實現上述目的，本發(fā)明基于PET/CT成像的呼吸運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掃描的體模原始數據和CT圖像數據；

步驟2：對原始數據進行門控校正處理，得到新的PET掃描數據，即門控數據；

步驟3：分析處理軟件讀入CT圖像數據，根據CT圖像得到CT衰減系數，將CT衰減系數轉化為PET能量下的衰減校正系數，求出各響應線上的衰減校正因子；

步驟4：將門控數據導入到分析處理軟件中，并將門控數據與得到的衰減校正因子相乘，從而得到新的PET掃描數據，即衰減校正后的數據；

步驟5：對進行門控校正和衰減校正后的數據進行重建，得到清晰的PET圖像。

進一步地，所述步驟2中的門控校正的具體方法如下：

步驟a1：將原始數據以固定間隔時間劃分為N幀；

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

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

步驟a4：設定誤差閾值，通過所有的絕對誤差值與設定閾值的比較，將絕對誤差值小于設定閾值的所有幀的數據與參考幀的數據進行整合，得到新的PET掃描數據，即門控數據。

進一步地，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，DRTCE(N，I)為第N幀第I探測環(huán)真光子數，I為PET探測器探測環(huán)編號，M、N為幀的編號。

進一步地，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點表示A點到B點這條響應線上的湮滅點；

μ(x)表示這條響應線上離P點x距離處的衰減校正系數。

進一步地，所述步驟4的將門控數據導入到MATLAB中的具體方法為：

通過ROOT軟件輸出門控校正后的數據，輸出的形式為列表模型數據，將列表模型的文本數據進行分割，將分割后的數據導入分析處理軟件中，再將導入的數據進行整合得到原數據。

進一步地，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成像的呼吸運動門控校正和衰減校正方法，對PET掃描的原始數據進行門控校正，將得到的門控數據進行分割后導入到分析處理軟件中進行整合，對整合后的數據進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，經過了衰減校正的門控圖像，圖像質量得到了進一步地提高。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術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記標識。附圖中，各元件或部分并不一定按照實際的比例繪制。

圖1為本實施例的方法步驟流程圖；

圖2為本實施例衰減校正因子的計算原理圖；

圖3為仿真實驗中經過門控校正后的正弦圖；

圖4為仿真實驗中衰減校正因子圖；

圖5為仿真實驗中經過門控校正和衰減校正后的正弦圖；

圖6為仿真實驗中運動模糊的肺部圖像；

圖7為仿真實驗中靜態(tài)的肺部圖像；

圖8為仿真實驗中經過門控校正后的肺圖像；

圖9為仿真實驗中經過門控校正和衰減校正后的肺圖。

具體實施方式

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

實施例：

本實施例提供了一種基于PET/CT成像的呼吸運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掃描的體模原始數據和CT圖像數據；

步驟2：通過ROOT軟件對原始數據進行門控校正處理，得到新的PET掃描數據，即門控數據；

步驟3：MATLAB讀入CT圖像(即NCAT圖像)數據，根據CT圖像得到CT衰減系數，將CT衰減系數轉化為PET能量下的衰減校正系數，求出各響應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據，輸出的形式為列表模型數據，將列表模型的文本數據進行分割，將分割后的數據導入MATLAB中，再將導入的數據進行整合得到原數據，再將門控數據與得到的衰減校正因子ACF相乘，從而得到新的PET掃描數據，即衰減校正后的數據；

步驟5：對進行門控校正和衰減校正后的數據進行重建，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：將原始數據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：在每一幀掃描數據中，統(tǒng)計每一幀各個探測環(huán)中的真光子數；

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

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

步驟a4：設定誤差閾值，通過所有的絕對誤差值與設定閾值的比較，將絕對誤差值小于設定閾值的所有幀的數據與參考幀的數據進行整合，得到新的PET掃描數據，即門控數據。

本實施例的實驗如下：

1、方法原理

利用Gate仿真軟件將仿真體模放入PET掃描設備中，PET探測器最基本的結構是一個探測器單元，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)?；谔綔y環(huán)真光子數門控方法的原理是：當體模在PET掃描器內運動時，即在探測器中的位置發(fā)生變化是，在相同的時間間隔內PET探測環(huán)真光子數的分布將會發(fā)生相應變化。體模在PET探測器內從右向左不斷運動，每次運動距離為一個探測環(huán)的寬度，其探測環(huán)真光子數分布的峰值的位置也相應的從右向左移動，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據進行整合，將這些探測環(huán)真光子數分布一樣或者在差值范圍以內的數據整合在一起，也就是將這些體模運動情況相同或者相似的圖像疊加在一起，即為門控的數據。對原始的圖像按照基于探測環(huán)真光子數的門控方法處理后，接著對門控的圖像進行衰減校正。

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兩點間距離為a，P為A點到B點這條響應線上的湮滅點，正電子湮滅時一個光子從P點穿行到A點，另一個光子從P點穿行到B點；

光子從P點穿行到A點受到的衰減概率為：

光子從P點穿行到B點受到的衰減概率為：

則光子受到衰減的概率為：

故A點到B點這條響應線的衰減校正因子為：

式中：PA、PB、AB表示產生衰減效應的距離；

μ表示衰減校正系數；

μ(x)表示的是離P點x距離處的衰減校正系數。

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

2、仿真實驗

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

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，仿真實驗使用了NCAT來得到仿真的像素體模，然后將其導入仿真PET/CT成像的軟件GATE(Geant4Application Tomographic Emission)中進行仿真，并通過ROOT軟件對原始仿真數據進行了門控處理，最后通過MATLAB軟件實現了對門控數據的衰減校正和圖像重建。

(3)、為了驗證實驗提出的方法能夠對門控后的圖像作進一步的改進，使用仿真PET/CT成像的軟件GATE和NCAT來進行像素體模的仿真實驗。NCAT所產生的體模是由現實中真實病人的數據生成，可以準確地反應現實環(huán)境中人體內組織的運動情況。

所設置的體模具體參數：

肺部像素大?。?28*128*31；

每個像素代表實際尺寸大?。?.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數據以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、仿真結果

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

為了便于進行客觀的對比和分析，仿真實驗增加了靜態(tài)的肺部圖像(圖7)和運動模糊的肺部圖像(圖6)，圖8為仿真實驗中經過門控校正后的肺圖像，圖9為仿真實驗中經過門控校正和衰減校正后的肺圖。通過上面的實驗結果分析可以發(fā)現，未經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運行圖像的結果質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)表示的是圖像對應像素點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，經過衰減校正的門控圖像均方誤差值比運動模糊的肺部圖像和未經過衰減校正門控圖像的均方誤差值都小，經過衰減校正的門控圖像PSNR和AG值比運動模糊圖像和未經過衰減校正門控圖像的PSNR和AG值都大。這說明經過門控校正和衰減校正后的圖像相比于運動模糊的圖像和僅僅經過門控校正后的圖像更接近于靜態(tài)圖像。

表1 NCAT仿真結果的圖像質量評價

對仿真實驗結果進行定量分析表明，經過呼吸運動門控和衰減校正后的圖像相比于運動模糊的圖像和僅僅經過門控校正后的圖像，與靜態(tài)圖像相似程度更高；經過呼吸運動門控校正和衰減校正后的圖像能進一步提高圖像的清晰度和準確度。

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