一种基于L1正则项的晶体级别PET时间校正方法技术

本发明专利技术提供了一种基于L1正则项的晶体级别PET时间校正方法，其通过更改以往基于响应线数目方式建立系统矩阵的PET时间校正方法，采用符合事件数目方式建立系统矩阵，从原先的探测器块层面校正或次晶体级别层面校正做到了晶体级别层面校正。同时本发明专利技术根据系统矩阵的稀疏性采用最小二乘QR分解法进行提速，并在方法中添加L1正则项提高方法鲁棒性。通过上述方式，本发明专利技术使PET系统得到更好的分辨率，进而得到更高质量的重建图像，在医学成像中提供更为准确的信息，为临床诊断提供更好的帮助。为临床诊断提供更好的帮助。为临床诊断提供更好的帮助。

【技术实现步骤摘要】
一种基于L1正则项的晶体级别PET时间校正方法


[0001]本专利技术属于PET成像
，具体涉及一种基于L1正则项的晶体级别PET时间校正方法。

技术介绍

[0002]自PET问世以来，针对其各部分组件的改进层出不穷，对各个组件的性能要求也在不断提升，基于飞行时间(Time
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of
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flight，TOF)的PET——TOF
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PET，正是在这样的背景下诞生的。对于TOF
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PET系统而言，时间分辨率是一个非常重要的参数，该参数直接关系到后续重建图像的质量。重建图像由符合事件经过数据转换得到，对于符合事件而言，符合事件窗口的大小将影响用于后续处理的符合事件数目。当系统的时间分辨率较高时，为减少噪声数据的影响，可以使用较窄的符合时间窗来提升后续重建图像的质量。重建图像的信噪比(Signal
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to
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noise ratio，SNR)越高，检测更小肿瘤的能力就越强，能够更为精确地区分患者所处的病灶分期，从而为医生的诊断和决策提供更有力的信息支持；与此同时，在不影响图片质量的前提下，可以用较低剂量的核素对图像进行重建；减少剂量一方面可以减少病患承受放射性核素带来的风险，另一方面可提升成像的速率。另外，注入生物体的剂量减少到一定数量级，将允许PET技术延伸到除癌症以外的其他病症的治疗，例如炎症、心血管疾病、败血症等相关疾病。综上所述，时间分辨率的好坏与重建图像质量的优劣有着紧密联系，因此对数据做符合时间校正有着非常重要的意义。
[0003]对于PET符合时间校正而言，从方法类别上可以分为直接校正法和间接校正；直接校正法主要采用参考探测器法，该方法通过使用一个快速探测器作为参考探测器，来记录被测的探测单元与参考探测器的时间差，并求得各个探测单元探测通道的延迟补偿；由快速晶体BaF2作为晶体材料，与光敏器件光电倍增管作耦合，组成快速探测器，光敏器件所使用电路设计为恒比甄别器(Constant fraction discriminator，CFD)，通过将点源Na
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22放置在圆柱形PET系统的视场中心，将放射源放置于中心可有效减少TOF效应的影响。在经过一段时间的数据采集之后，收集到以列表模式(List
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mode)数据格式的单事件数据流，每个数据流中包含位置信息、能量信息、与时间信息，探测系统进行数据采集之后，快速探测器与探测器系统内的所有晶体探测单元作符合，得到相应的时间差，并以该时间差作为参考时间。
[0004]间接方法分为迭代法、特殊源法、线性方程法、相容方程法等方法，具体如下：
[0005]迭代法；基于迭代的时间校正方法通过计算某个待校正探测单元与位于该探测器视场内的对边探测单元的符合时间差，将所有符合时间差值做求和处理，以此获得校正探测单元的时间补偿值。迭代法的符合时间谱基于响应线数目，因此探测单元可以以探测器块层面作为最小探测单元，也可以以晶体级别层面作为最小探测单元。从径向方向考虑，多个探测器组成环状，将待探测单元对应扇形范围内的时间差数值作求均值处理。同样，若考虑到轴向方向，还需要在轴向切片上的数值作均值处理，通过多次数值迭代，得到所需补偿值因子。
[0006]特殊放射源法；在用于时间校正的实验中，常用点源作为放射源，为了使校正结果具有鲁棒性，许多研究者提出使用经过特殊设计的放射源，并应用于不同场景中。常见的特殊源包括：带有固定装置的旋转线源作为特殊源、点源带有黄铜圆柱块的作散射用的特殊源、使用体模作为特殊源、使用正电子装置作为特殊源、或使用病灶数据作为特殊源等，采集得到的数据使用迭代法作数值求解，得到补偿值因子。
[0007]线性方程法；根据符合事件流得到的信息，将符合时间差和符合事件两个探测单元的位置信息取出，建立系统矩阵与测量时间差向量，以此求得补偿值因子。细节方面，在数据充足的情况下，建立系统矩阵的方式可以基于响应线数目的方式；同样，也可以基于符合事件数目的方式建立系统矩阵。两种方式均可用于求解，在早期求解所使用的方法中，基于响应线数目的线性方程法较为常见，不过该方式在受数据量的制约较为明显，也因此较难做到晶体级别的校正。相对而言，在噪声较小的情景下，推荐使用基于符合事件数目的线性方程法。

技术实现思路

[0008]鉴于上述，本专利技术提供了一种基于L1正则项的晶体级别PET时间校正方法，能够有效提高PET系统的时间分辨率。
[0009]一种基于L1正则项的晶体级别PET时间校正方法，包括如下步骤：
[0010](1)利用PET探测系统对放射源发生的符合事件进行探测，并求出PET探测系统时间分辨率(用于对比校正后的PET探测系统时间分辨率)；
[0011](2)建立基于线性方程法的PET时间校正模型；
[0012](3)在上述PET时间校正模型基础上加入L1正则项约束，重新定义用于PET时间校正的目标函数；
[0013](4)将上述目标函数转化为带约束项的优化问题，并对其进行求解；
[0014](5)将上述求解得到的晶体补偿值向量加入到后续符合事件时间戳的计算过程中。
[0015]进一步地，所述步骤(1)中采用的放射源可以是点源或圆柱体源，将其放置在PET探测系统的中心位置，所探测到的符合事件包括即时符合事件和延时符合事件，需要将延时符合事件从即时符合事件当中去除。
[0016]进一步地，所述步骤(1)中求得的PET探测系统时间分辨率以FWHM(Full Width at Half Maxima，半峰全宽)图的方式呈现。
[0017]进一步地，所述步骤(2)中的PET时间校正模型表达式如下：
[0018][0019]其中：|| ||2表示L2范数，A为系统矩阵，x为用于PET时间校正的晶体补偿值向量，b为探测时延向量。
[0020]进一步地，所述系统矩阵A为m
×
n大小的矩阵，其中m为探测到的符合事件数量，n为PET探测系统中的探测单元数量，系统矩阵A的每一行即对应为一个具体的符合事件，一行中存在两个探测单元i和j所对应的数值为1和
‑
1，其余数值为0，即表示该行对应的符合事件由探测单元i与j探测得到；所述探测时延向量b为m维向量，所述晶体补偿值向量x为n
维向量，向量b中的每一行数值与每一符合事件相对应，即表示对应符合事件的两个探测单元之间的探测时间差Δt。
[0021]进一步地，所述步骤(3)中的目标函数表达式如下：
[0022][0023]其中：|| ||2表示L2范数，|| ||1表示L1范数，A为系统矩阵，x为用于PET时间校正的晶体补偿值向量，b为探测时延向量，λ为正则项权重参数。
[0024]进一步地，所述步骤(4)中将目标函数转化为带约束项的优化问题，具体表示如下：
[0025]min f(x)+g(z)
[0026]s.t.x
‑
z＝0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于L1正则项的晶体级别PET时间校正方法，包括如下步骤：(1)利用PET探测系统对放射源发生的符合事件进行探测，并求出PET探测系统时间分辨率；(2)建立基于线性方程法的PET时间校正模型；(3)在上述PET时间校正模型基础上加入L1正则项约束，重新定义用于PET时间校正的目标函数；(4)将上述目标函数转化为带约束项的优化问题，并对其进行求解；(5)将上述求解得到的晶体补偿值向量加入到后续符合事件时间戳的计算过程中。2.根据权利要求1所述的晶体级别PET时间校正方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用的放射源可以是点源或圆柱体源，将其放置在PET探测系统的中心位置，所探测到的符合事件包括即时符合事件和延时符合事件，需要将延时符合事件从即时符合事件当中去除。3.根据权利要求1所述的晶体级别PET时间校正方法，其特征在于：所述步骤(1)中求得的PET探测系统时间分辨率以FWHM图的方式呈现。4.根据权利要求1所述的晶体级别PET时间校正方法，其特征在于：所述步骤(2)中的PET时间校正模型表达式如下：其中：|| ||2表示L2范数，A为系统矩阵，x为用于PET时间校正的晶体补偿值向量，b为探测时延向量。5.根据权利要求4所述的晶体级别PET时间校正方法，其特征在于：所述系统矩阵A为m
×
n大小的矩阵，其中m为探测到的符合事件数量，n为PET探测系统中的探测单元数量，系统矩阵A的每一行即对应为一个具体的符合事件，一行中存在两个探测单元i和j所对应的数值为1和
‑
1，其余数值为0，即表示该行对应的符合事件由探测单元i与j探测得到；所述探测时延向量b为m维向量，所述晶体补偿值向量x为n维向量，向量b中的每一行数值与每一符合事件相对应，即表示对应符合事件的两个探测单元之间的探测时间差Δt...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘华锋，陈怀，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：