本发明专利技术公开了一种基于GRU的PET系统符合时间分辨率提升方法，该方法通过在特定位置设置点源获取训练、验证与测试的波形数据与真值标签，并采用GRU单元与全连接层组成的GRU模型进行训练，实现了对PET系统TOF时间的估计。本发明专利技术利用蒙特卡洛模拟实验，通过设置一对PET系统晶体与SiPM光电探测器的方法获取中心连线上点源的符合事件波形数据，之后使用训练集训练GRU模型，并在验证集上进行测试获得训练好的模型，最终通过测试集验证了相比传统CFD方法，GRU模型进行TOF时间估计的准确度和对PET系统符合时间分辨率的提升效果。PET系统符合时间分辨率的提升效果。PET系统符合时间分辨率的提升效果。
【技术实现步骤摘要】
一种基于GRU的PET系统符合时间分辨率提升方法
[0001]本专利技术属于PET成像
，具体涉及一种基于GRU的PET系统符合时间分辨率提升方法。
技术介绍
[0002]正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，PET)系统是一种通过将生命体代谢必备的物质进行标记后，注入到生物体内进行检测从而达到诊断目的的核医学成像技术，这些已标记放射性核素的特定药物通常被称为示踪剂，常用的示踪剂包括了
18
F、
11
C、
15
O等等。在生物体进行代谢时，核素有概率发生衰变并释放出正电子，正电子在经历较短时间的漂移后则会与周围的负电子发生湮灭反应，产生两个方向相反、能量相等的γ光子对；随后，光子对将被由闪烁晶体与探测器组成的探测系统检测到并转换为电信号输入电路中，在经过一定的信号处理后即可得到生命活动中放射性物质的浓度、位置以及时间信息。
[0003]更进一步地，如果可以确定两个γ光子到达探测器的时间差，通过时差信息计算获得湮灭地点的确切位置，这种PET探测系统被称为飞行时间(Time of Flight，TOF)PET系统，然而TOF
‑
PET系统对时间有较高的要求。在实际情况中，γ光子的探测存在以下误差：
①
转化深度，γ光子在进入晶体后，会传播一段距离再被吸收；
②
晶体闪烁过程，晶体在闪烁发光的过程中，存在上升时间与衰减时间；
③
传输时间，光子从晶体出射到光电探测器前所用的时间；
④
光电探测器的单光子分散时间。这些信息最终蕴含在了光电探测器的波形中。
[0004]目前，对光电探测器波形的定时方法主要是文献《Signal processing for picosecond resolution timing measurements》(Genat,JF等人于2009年6月11日发表在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment期刊607卷2期387
‑
393页)中所提到的以下两种方法：
[0005]前沿定时方法；该方法首先设定一定电压阈值V
th
，将一对波形首次超过该阈值时的时间t1、t2作为光子到达时间，二者作差获得TOF时间。
[0006]恒比定时方法；该方法将阈值V
th
设置为波形最大值的百分比，同样将一对波形首次超过该阈值的时间t1、t2作为光子到达时间，二者作差获得TOF时间。
[0007]恒比定时方法除了上面提到的以外，还有文献《Neural network
‑
featured timing systems for radiation detectors:performance evaluation based on bound analysis》(Ai,P等人于2021年9月发表在Journal of Instrumentation期刊16卷9期09
‑
19页)中所提到的过零恒比定时方法和插值恒比定时方法。
[0008]过零恒比定时方法；该方法将每个波形复制为两组，对第一组波形乘以百分比进行缩放，对第二组波形乘以负号并进行延时，之后将两组波形相加获得最终波形，该波形的过零点被视为光子到达时间，最后将一对波形分别进行过零恒比定时得到t1、t2，二者作差获得TOF时间。
[0009]插值恒比定时方法；由于波形为数字信号，普通恒比定时方法中把波形首次超过阈值的时间设为光子到达时间并不准确，插值恒比定时方法对波形中阈值两侧的采样点之间进行线性插值，提高了等效采样率，获得了更精准的光子到达时间t1、t2，二者作差获得TOF时间。
[0010]然而，以上这些方法并未利用波形所蕴含的潜在信息；因此，有必要通过一些深度学习的方法来学习波形中的潜在特征，以进一步提高PET系统的符合时间分辨率。
技术实现思路
[0011]鉴于上述，本专利技术提供了一种基于GRU的PET系统符合时间分辨率提升方法，能够有效提高PET系统的符合时间分辨率。
[0012]一种基于GRU的PET系统符合时间分辨率提升方法，包括如下步骤：
[0013](1)利用一对PET探测器对点源发生的符合事件进行探测，进而对探测得到的符合波形以及对应的点源位置进行保存；
[0014](2)对所述符合波形进行裁剪处理，并计算每一组符合波形对应的TOF真实值；
[0015](3)根据步骤(1)和(2)以获得大量样本，每组样本包括符合波形数据以及TOF真实值，进而将所有样本划分为训练集和测试集；
[0016](4)构建基于GRU的网络模型，该模型由多个级联的GRU单元以及线性层连接构成；
[0017](5)利用训练集样本中的符合波形数据作为模型输入，TOF真实值作为标签，对上述网络模型进行训练；
[0018](6)将测试集样本中的符合波形数据输入至训练好的网络模型中，即可直接预测输出对应的TOF时间。
[0019]进一步地，所述步骤(1)的具体实现方式为：在一对PET探测器的连线上放置一个放射性点源，以一定步长间隔在连线上移动点源，利用两探测器在每个位置上探测点源发生的符合事件，得到多组符合波形，每一组符合波形包含两个探测器对同一符合事件所发出的成对伽马光子响应得到的两条波形序列，两条波形序列的时延即代表PET飞行时间。
[0020]进一步地，所述步骤(2)中的裁剪处理即取符合波形的两条波形序列中各自的最大值，并以最大值点为基准，向前采样t1时长，向后采样t2时长，组成t1+t2长度的波形，以此保证裁剪后所得到的波形中大多为波形上升沿；若任一组符合波形对应的点源位置为Δx，则该符合波形的TOF真实值c为光速。
[0021]进一步地，所述GRU单元包括输入层、隐藏层、重置门、更新门以及输出层，具体计算过程如下：
[0022]z
t
＝σ(W
z
·
[h
t
‑1,x
t
])
[0023]r
t
＝σ(W
r
·
[h
t
‑1,x
t
])
[0024]h
′
t
＝tanh(W
h
·
[r
t
·
h
t
‑1,x
t
])
[0025]h
t
＝(1
‑
z
t
)*h
t
‑1+z
t
*h
′
t
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于GRU的PET系统符合时间分辨率提升方法，包括如下步骤：(1)利用一对PET探测器对点源发生的符合事件进行探测，进而对探测得到的符合波形以及对应的点源位置进行保存；(2)对所述符合波形进行裁剪处理，并计算每一组符合波形对应的TOF真实值；(3)根据步骤(1)和(2)以获得大量样本，每组样本包括符合波形数据以及TOF真实值，进而将所有样本划分为训练集和测试集；(4)构建基于GRU的网络模型，该模型由多个级联的GRU单元以及线性层连接构成；(5)利用训练集样本中的符合波形数据作为模型输入，TOF真实值作为标签，对上述网络模型进行训练；(6)将测试集样本中的符合波形数据输入至训练好的网络模型中，即可直接预测输出对应的TOF时间。2.根据权利要求1所述的PET系统符合时间分辨率提升方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体实现方式为：在一对PET探测器的连线上放置一个放射性点源，以一定步长间隔在连线上移动点源，利用两探测器在每个位置上探测点源发生的符合事件，得到多组符合波形，每一组符合波形包含两个探测器对同一符合事件所发出的成对伽马光子响应得到的两条波形序列，两条波形序列的时延即代表PET飞行时间。3.根据权利要求1所述的PET系统符合时间分辨率提升方法，其特征在于：所述步骤(2)中的裁剪处理即取符合波形的两条波形序列中各自的最大值，并以最大值点为基准，向前采样t1时长，向后采样t2时长，组成t1+t2长度的波形，以此保证裁剪后所得到的波形中大多为波形上升沿；若任一组符合波形对应的点源位置为Δx，则该符合波形的TOF真实值c为光速。4.根据权利要求3所述的PET系统符合时间分辨率提升方法，其特征在于：所述GRU单元包括输入层、隐藏层、重置门、更新门以及输出层，具体计算过程如下：z
t
＝σ(W
z
·
[h
t
‑1,x
t
])r
t
＝σ(W
r
·
[h
t
‑1,x
t
])h
′
t
＝tanh(W
h
·
[r
【专利技术属性】
技术研发人员：刘华锋，阿曼居勒，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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