一种用于PET图像重建的归一化校正因子获取方法技术

本发明专利技术涉及一种用于PET图像重建的归一化校正因子获取方法、PET图像重建方法，归一化校正因子获取方法包括：获取PET探测数据和预先给定的归一化校正因子、放射性活度分布的初始值；构建未知数为归一化校正因子、放射性活度分布的目标函数，对目标函数进行迭代求解，使其归一化校正因子收敛到最大似然估计值，得到迭代后的归一化校正因子进行PET图像重建，得到重建的PET放射性活度分布图像。本发明专利技术中利用最大似然重建过程对归一化因子进行调节，减少传统归一化算法误差带来的影响，有利于提高图像质量均匀性，该过程既不需要额外的用源成本，也不需要复杂的机械定位设备，并且适用于各种PET探测系统。各种PET探测系统。各种PET探测系统。

【技术实现步骤摘要】
一种用于PET图像重建的归一化校正因子获取方法


[0001]本专利技术涉及计算机
，尤其涉及一种用于PET图像重建的归一化校正因子获取方法及PET图像重建方法。

技术介绍

[0002]正电子发射断层成像PET(Positron Emission Tomography)是一种高端核医学影像诊断设备。在实际操作中利用放射性核素(如
18
F、
11
C等)对代谢物质进行标记并将核素注入人体，然后通过PET对患者进行功能代谢显像，反映生命代谢活动的情况，从而达到诊断的目的。
[0003]PET成像系统通常是一个包含上万个探测单元的环状探测系统。受几何位置和性能差异的影响，例如晶体发光效率、晶体封装、晶体与PMT(光电倍增管)或硅光电倍增管(SiPM)的耦合、电子学系统、光子对的入射角度不同等，探测单元的探测效率不尽一致，导致其输出并不能准确反映输入光子束强度，这必然会在重建过程中引入伪影。为了准确地对探测系统进行建模，用户必须事先对探测器的探测效率进行校正，即归一化校正。
[0004]传统的归一化校正是利用放置在系统中心的均匀源(比如匀速旋转的棒源、注满FDG溶液的圆柱体桶源、固体圆柱体Ge桶源)均匀照射每一个探测单元，并利用基于模型(model
‑
based)的归一化方法对探测数据进行处理，从数据中分别提取晶体的本征探测效率，受系统几何因素影响的归一化因子和与计数率相关的归一化因子，并最终将之整合成反映整体探测效率的归一化校正因子，并对测量数据进行归一化校正。
[0005]探测器的探测效率会随着时间、温度、湿度等工作条件的变化而缓慢变化，并且更换探测器模块也会导致对应位置的探测效率有很大变化。因此归一化校正需要经常进行，以准确放映PET系统性能的变化。然而传统的归一化校正方法在实际应用中会遇到如下问题：均匀源需要放置在探测器中心以保证所有探测器单元可以被均匀照射，对位置精度要求高，精调位置时操作比较复杂，同时操作人员也会有放射性照射风险；FDG桶源需要手工灌制，这个过程同样会有放射性照射风险；无论是使用固态Ge源还是FDG液体源，都需要额外购置，而且因为放射性源会衰变，因此需要反复购置以进行归一化校正，因此增加了运营成本；目前的PET系统的轴向视野越来越大，为了保证归一化试验中放射源依然能够均匀照射所有探测器晶体，放射源的轴向尺寸相应设计的越来越长，这大大增加了重量，同时定位移动操作变得非常困难，给均匀源的制作和机械定位带来了越来越大的挑战；传统的归一化校正算法通常是利用方差降低(Variance Reduction)技术对采集数据进行平均降噪并从中提取归一化校正因子，归一化校正过程与重建过程彼此独立，因此归一化校正过程中受建模精度偏差和噪声影响而产生的误差会传递到图像重建中，降低图像质量，严重时会产生图像伪影。

技术实现思路

[0006](一)要解决的技术问题
[0007]鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种用于PET图像重建的归一化校正因子获取方法及PET图像重建方法。
[0008](二)技术方案
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：
[0010]第一方面，本专利技术实施例提供一种用于PET图像重建的归一化校正因子获取方法，包括：
[0011]S10、获取用于PET图像重建的PET探测数据y和预先给定的用于重建PET图像的归一化校正因子、放射性活度分布x的初始值；所述PET探测数据不要求必须为均匀放射中心源，可以选择为非均匀放射源或非中心定位放射源的探测装置采集的数据；
[0012]S20、根据所述PET探测数据，基于泊松分布的原理，构建未知数为归一化校正因子、放射性活度分布x的目标函数，所述目标函数由以归一化校正因子、放射性活度分布x为未知数的对数似然函数和以放射性活度分布x为未知数的惩罚函数R(x)组成；
[0013]S30、根据所述归一化校正因子、放射性活度分布x的初始值，对所述目标函数进行迭代求解，使其归一化校正因子收敛到最大似然估计值，得到迭代后的归一化校正因子作为用于PET图像重建的归一化校正因子；
[0014]其中，所述最大似然估计值为对所述对数似然函数进行最大似然估计得到的数值；
[0015]在迭代求解中保持归一化因子的当前值为已知，采用MAP迭代重建算法获取放射性活度分布x的最新估计结果，接着保持放射性活度分布x的最新估计结果作为已知时，采用梯度下降法获取归一化因子的最新估计结果。
[0016]本实施例的方法可以实现对各种放射源的探测数据进行归一化校正，其探测数据的获取过程中可不需要或专门设置均匀中心源了，由此，会大大便于实际操作，比如使用临床扫描数据等等。
[0017]可选地，所述归一化校正因子包括：几何归一化因子向量f和PET系统的本征探测效率向量ε；
[0018]目标函数Φ(y|x,f,ε)为：
[0019]Φ(y|x,f,ε)＝L(y|x,f,ε)
‑
β
·
R(x)；
ꢀꢀ
公式(A1)
[0020]R(x)为惩罚函数；β是一个非负权重因子；L(y|x,f,ε)为PET探测数据的对数似然函数；
[0021]PET探测数据的对数似然函数L(y|x,f,ε)为：
[0022][0023]其中，PET放射性活度分布x＝[x1,x2,
…
,x
M
]T
和本征探测效率向量ε＝[ε1,ε2,
…
,ε
N
]T
、几何归一化因子向量f＝[f
11
,f
12
,
…
,f
NN
]T
，y＝[y
11
,y
12
,
…
,y
NN
]T
表示实际探测到的数据,A＝[A
ikj
]为系统矩阵,j取1
……
M，为PET系统中空间点源位置；y
ik
表示探测器i和探测器k所采集到的光子对事例；p
r
指代泊松概率分布；ε
i
和ε
k
表示为探测器i和探测器k的本征探测效率；f
ik
为几何归一化因子。
[0024]可选地，所述S30包括：
[0025]S31、基于所述目标函数，采用公式(A3)获取放射性活度分布x的最大似然估计值；
[0026][0027]S32、针对几何归一化因子向量f，最大化对数似然函数L(y|x,f,ε)，得到几何归一化因子f
ik
的最大似然估计值，如公式(A4)；
[0028][0029]r
ik
表示探测器i和探测器k的随机噪声和散射噪声的平均值；
[0030]S33、针对本征探测效率向量ε，最大化对数似然函本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于PET图像重建的归一化校正因子获取方法，其特征在于，包括：S10、获取用于PET图像重建的PET探测数据y和预先给定的用于重建PET图像的归一化校正因子、放射性活度分布x的初始值；所述PET探测数据为均匀放射源、非均匀放射源或非中心定位放射源的探测装置采集的数据；S20、根据所述PET探测数据，基于泊松分布的原理，构建未知数为归一化校正因子、放射性活度分布x的目标函数，所述目标函数由以归一化校正因子、放射性活度分布x为未知数的对数似然函数和以放射性活度分布x为未知数的惩罚函数R(x)组成；S30、根据所述归一化校正因子、放射性活度分布x的初始值，对所述目标函数进行迭代求解，使其归一化校正因子收敛到最大似然估计值，得到迭代后的归一化校正因子作为用于PET图像重建的归一化校正因子；其中，所述最大似然估计值为对所述对数似然函数进行最大似然估计得到的数值；在迭代求解中保持归一化因子的当前值为已知，采用MAP迭代重建算法获取放射性活度分布x的最新估计结果，接着保持放射性活度分布x的最新估计结果作为已知时，采用梯度下降法获取归一化因子的最新估计结果。2.根据权利要求1所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，所述归一化校正因子包括：几何归一化因子向量f和PET系统的本征探测效率向量ε；目标函数Φ(y|x,f,ε)为：Φ(y|x,f,ε)＝L(y|x,f,ε)
‑
β
·
R(x)；公式(A1)R(x)为惩罚函数；β是一个非负权重因子；L(y|x,f,ε)为PET探测数据的对数似然函数；PET探测数据的对数似然函数L(y|x,f,ε)为：其中，PET放射性活度分布x＝[x1,x2,
…
,x
M
]
T
和本征探测效率向量ε＝[ε1,ε2,
…
,ε
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]
T
、几何归一化因子向量f＝[f
11
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,
…
,f
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]
T
，y＝[y
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12
,
…
,y
NN
]
T
表示实际探测到的数据,A＝[A
ikj
]为系统矩阵,j取1
……
M，为PET系统中空间点源位置；y
ik
表示探测器i和探测器k所采集到的光子对事例；p
r
指代泊松概率分布；ε
i
和ε
k
表示为探测器i和探测器k的本征探测效率；f
ik
为几何归一化因子。3.根据权利要求2所述的归一化校正因子获取方法，其特征在于，所述S30包括：S31、基于所述目标函数，采用公式(A3)获取放射性活度分布x的最大似然估计值；S32、针对几何归一化因子向量f，最大化对数似然函数L(y|x,f,ε)，得到几何归一化因子f
ik
的最大似然估计值，如公式(A4)；r
ik
表示探测器i和探测器k的随机噪声和散射噪声的平均值；
S33、针对本征探测效率向量ε，最大化对数似然函数L(y|x,f,ε)，得到本征探测效率ε
i
的最大似然估计值，如公式(A5)；S34、基于已知的几何归一化因子向量f和本征...

【专利技术属性】
技术研发人员：李楠，
申请(专利权)人：赛诺联合医疗科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：