一种用于TOF-PET的时间校正方法与流程

本发明涉及正电子发射计算机断层扫描成像技术领域，尤其涉及一种用于tof-pet的时间校正方法。

背景技术：

正电子发射计算机断层扫描成像系统(positronemissiontomography，简称pet)是一种核医学影像设备，通过对人体注射放射性示踪剂药物，药物在人体内与特定细胞或组织发生一定生物过程，通过对放射性核素衰变产生的一对γ射线的探测，从而得到放射性药物在人体内的分布图，实现断层扫描成像。

被注射进人体的放射性示踪剂衰变产生正电子，会与人体内大量存在的负电子发生湮灭，从而产生一对反向近似180度的γ光子。接收到这两个γ光子的探测器之间的连线称作响应线(lineofresponse，简称lor)。如果被检测到的两个γ光子来源于同一个电子湮灭事件并且两个光子都未与介质发生散射，这个事件被称作真符合事件。如果被检测到的两个γ光子来源于同一个电子湮灭事件并且其中至少一个光子与介质发生散射，这个事件被称作散射符合。如果探测到的两个光子是来源于两个不同的湮灭事件，这个事件被称作随机符合。随机符合计数率与系统单计数率的平方成正比，而真符合计数率与系统单计数率的一次方成正比。所以当活度较高，或者在轴向视野覆盖长的pet系统，随机符合事件成为一个严重影响pet图像质量的因素。随着快速闪烁晶体的广泛使用以及飞行时间技术(timeofflight,tof)的应用，可以更准确的估计每个真符合事件在lor上的发生位置，同时也为最大程度地去除无用的随机事件提供了新的方法。在图像重建之前去除无用的随机事件带来的好处有两方面，(1)减少无用事件的计数，提高数据处理图像重建的速度，(2)最大程度地降低背景噪声，提高图像质量。

对于带有飞行时间技术的pet(tof-pet)而言，在一条特定的响应线(lor)上，由于光速c已知，通过两个gamma光子到达探测器的时间差t，就可以通过式(1)确定光子出现的位置，即正电子的发射位置，也就是放射性示踪剂衰变的位置(相对于lor的中心距离)x：

而tof-pet系统的时间分辨率δt，对于放射性示踪剂衰变位置定位具有决定性影响，如式(2)所示，时间分辨率越高，定位精度越高，图像质量越好，时间分辨率越差，定位精度越低，图像质量越差。

另外，系统的时间分辨率对随机事件的计数率也有较大影响，随机事件在图像重建过程中会增加本底噪声，影响图像质量。随机事件计数率可以用式(3)表示：

nr＝2τn1n2(3)

其中n1和n2分别表示一对探测器各自探测到gamma射线的计数率，2τ表示符合事件的时间窗，时间窗的大小取决于系统的时间分辨率。因此提高系统的时间分辨率也可以有效减小随机事件数，进一步提高图像质量。

通常通过置于fov中心的放射源采集得到的所有符合事件的时间差统计图(时间谱)的半高宽来表示系统的时间分辨率，理想情况下，该统计的时间谱应该符合严格的较窄的高斯分布，且高斯峰位于时间差等于0的地方，然而实际情况下的统计图会有一定的偏移和展宽，导致系统时间分辨率降低。

导致tof-pet系统时间性能变差的原因可归纳为以下几点：

(1)晶体间物理特性的差异。对于一台tof-pet系统来说，尽管使用的是相同的晶体，但是由于晶体自身物理性质间的差异，导致不同晶体对入射gamma射线的时间响应不同，如晶体闪烁发光，光子在晶体内传播等；

(2)电子学系统的差异。由于制造工艺等的差异，与不同晶体相连接的电子学系统的信号传输速度，放大倍数、响应时间，延迟时间等都会有差异，电子学的老化程度、电压、阈值等也会造成响应时间的差异；此外，各探测器之间还可能由于线缆(如同步时钟线等)等原因存在较大的时间偏差。

(3)外部环境因素。外部环境如温度，湿度等的变化也会导致不同的电子学延迟。

对于一台tof-pet系统来说，信号通道多达几万个，为了提高整个系统的时间分辨率，要求能够对每个信号通道(像素)进行时间校准。目前，主要使用置于fov中心的壳源或绕fov中心匀速旋转的线源采集符合数据，通过解码符合数据中每个像素对其他像素的时间谱，计算时间谱的均值得到该像素的时间偏差。但是旋转线源的方法需要电机辅助旋转，结构复杂，壳源直接校正的方法得到的时间校正表只能准确校正放射源覆盖的fov内的lor，对于fov外的lor则不能起到很好的校正效果，因此壳源尺寸往往较大，以覆盖更多的fov。而且这两种方法的前提都是默认整环所有像素的时间偏差是随机(均匀分布)的，在探测器各模块间存在时间偏差时，单像素的时间谱可能会变得杂乱无章，从而无法准确得到其时间偏差值。

综上所述，现有技术主要存在以下缺陷：

1、线源需要电机辅助旋转，结构复杂；

2、壳源对尺寸要求高，要求能够覆盖临床fov；

3、放射源覆盖fov之外的lor校正效果不理想；

4、探测器或电子学之间存在较大时间偏差时，无法得到各像素正确的时间偏差值。

技术实现要素：

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种无需壳源尺寸很大，同时可适用于探测器或电子学之间存在时间偏差的情况，而且计算效率更高，迭代收敛更快，得到的时间精度更高的用于tof-pet的时间校正方法。

本发明公开了一种用于tof-pet的时间校正方法，包括如下步骤：将壳源置于视场(fieldofview，fov)的中心，并设置测量参数；采集设定时间段内的符合事件的数据包；从所述符合事件的数据包中获取当前子模块与其正对面的子模块的时间差t1、当前子模块的下一个环向相邻的子模块与当前子模块的正对面的子模块的时间差t2、当前子模块的下一个轴向相邻子模块与当前子模块的正对面的子模块的时间差t3；通过时间差t1、时间差t2和时间差t3获取当前子模块与其相邻子模块在环向及轴向的时间偏差，遍历整个pet系统的所有子模块，可获取第一级时间校正表；使用所述第一级时间校正表中各子模块的时间校正值对所述符合事件的数据包中的相应的符合事件的时间信息进行校正，得到更新后的符合事件的数据包；通过更新后的符合事件的数据包，获取各像素对应的符合事件的时间差分布，以获取像素的时间校正值，各像素的时间校正值构成像素时间校正表，综合所述像素时间校正表和所述第一级时间校正表，获取总时间校正表；使用所述总时间校正表对所述符合事件的数据包中的相应的符合事件的时间信息进行校正，得到更新后的符合事件的数据包；并通过所述更新后的符合事件的数据包重复获取所述总时间校正表，重复获取k次，直至满足迭代终止规则，获得最终时间校正表；将所述最终时间校正表以查找表的形式存至tof-pet的控制系统，实现测量时实时在线查询并校正对应像素通道的时间输出值。

优选地，所述从所述符合事件的数据包中获取当前子模块与其正对面的子模块的时间差t1、当前子模块的下一个环向相邻的子模块与当前子模块的正对面的子模块的时间差t2、当前子模块的下一个轴向相邻子模块与当前子模块的正对面的子模块的时间差t3；通过时间差t1、时间差t2和时间差t3获取当前子模块与其相邻子模块在环向及轴向的时间偏差，遍历整个pet系统的所有子模块，可获取第一级时间校正表包括：所述tof-pet系统包括n×m个探测器子模块，其中，m表示轴向分布的m个探测器环，n表示每个探测器环上有n个探测器子模块；从所述符合事件的数据包中获取子模块sα,β与其正对面的子模块的时间差t1、下一个环向相邻的子模块sα+1,β与子模块的时间差t2、下一个轴向相邻子模块sα,β+1与子模块的时间差t3；通过时间差t1和时间差t2获取同一环上任一子模块的sα,0的时间校正值cα,0；通过时间差t1和时间差t3获取轴向上任一子模块的sα,β的时间校正值cα,β，cα,0和cα,β构成第一级时间校正表。

优选地，所述从所述符合事件的数据包中获取子模块sα,β与其正对面的子模块的时间差t1包括：获取所述符合事件的数据包中子模块sα,β与其正对面的子模块的所有符合事件的时间差分布，并获取该所有符合事件的时间差的均值，记为第一均值，所述第一均值即为所述时间差t1；所述从所述符合事件的数据包中获取下一个环向相邻的子模块sα+1,β与子模块的时间差t2包括：获取所述符合事件的数据包中下一个环向相邻的子模块sα+1,β与子模块的所有符合事件的时间差分布，并获取该所有符合事件的时间差的均值，记为第二均值，所述第二均值即为所述时间差t2；所述从所述符合事件的数据包中获取下一个轴向相邻子模块sα,β+1与子模块的时间差t3包括：获取所述符合事件的数据包中下一个轴向相邻子模块sα,β+1与子模块的所有符合事件的时间差分布，并获取该所有符合事件的时间差的均值，记为第三均值，所述第三均值即为所述时间差t3。

优选地，时间校正值时间校正值

优选地，所述通过更新后的符合事件的数据包，获取各像素对应的符合事件的时间差分布，以获取像素的时间校正值，各像素的时间校正值构成像素时间校正表，综合所述像素时间校正表和所述第一级时间校正表，获取总时间校正表包括：通过更新后的符合事件的数据包，获取各像素对应的符合事件的时间差分布，以获取像素的时间校正值，各像素的时间校正值构成像素时间校正表，即第二级时间校正表；综合所有时间的所述第一级时间校正表、所述第二级时间校正表，得到总时间校正表。

优选地，所述获取各像素对应的符合事件的时间差分布，以获取像素的时间校正值包括：获取各像素对应的符合事件的时间差分布的均值，从而获取像素的时间校正值。

优选地，所述总时间校正表的时间校正值为：其中，a为任一像素点，i为在视场中与像素点a相符合的i个像素点，0≤i≤n，δa为像素点a的时间偏差。

优选地，所述最终时间校正表的像素点a的时间校正值为：

优选地，所述壳源为正电子源，包括na-22、ge-68、fdg-18；所述壳源的尺寸对应视场最小仅覆盖对面两个模块。

优选地，所述测量参数包括视场和时间窗。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明使用的na-22、ge-68，fdg-18等正电子源的壳源，壳源尺寸对应fov能够覆盖两个及以上子模块即可；

2.无需大尺寸的壳源尺寸，同时适用于探测器或电子学之间存在时间偏差的情况，先使用符合数据计算各探测器子模块之间的时间偏差，得到其时间校正表，并代入原始数据对时间信息进行校正，在此基础上，再计算各像素之间的时间偏差，得到总的时间校正表；

3.整环所有lor都能校正，且计算效率更高，迭代收敛更快，得到的时间精度更高。

附图说明

图1为本发明提供的用于tof-pet的时间校正方法的流程图；

图2为本发明提供的用于tof-pet的时间校正方法的环向子模块级时间校正示意图；

图3为本发明提供的用于tof-pet的时间校正方法的轴向子模块级时间校正示意图；

图4为本发明提供的用于tof-pet的时间校正方法的典型的符合事件时间差分布图；

图5为本发明提供的用于tof-pet的时间校正方法的像素级时间校正示意图。

附图标记：1-壳源，2-子探测器，3-符合事件。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

参见附图1-5，本发明公开了一种用于tof-pet的时间校正方法，包括如下步骤：

s1、将壳源1置于视场的中心，并设置测量参数；采集设定时间段内的符合事件3的数据包；

s2、从符合事件3的数据包中获取当前子模块与其正对面的子模块的时间差t1、当前子模块的下一个环向相邻的子模块与当前子模块的正对面的子模块的时间差t2、当前子模块的下一个轴向相邻子模块与当前子模块的正对面的子模块的时间差t3；通过时间差t1、时间差t2和时间差t3获取当前子模块与其相邻子模块在环向及轴向的时间偏差，遍历整个pet系统的所有子模块，可获取第一级时间校正表；

s3、使用第一级时间校正表中各子模块的时间校正值对符合事件3的数据包中的相应的符合事件3的时间信息进行校正，得到更新后的符合事件3的数据包；

s4、通过更新后的符合事件的数据包，获取各像素对应的符合事件的时间差分布，以获取像素的时间校正值，各像素的时间校正值构成像素时间校正表，综合像素时间校正表和第一级时间校正表，获取总时间校正表；

s5、使用总时间校正表对符合事件3的数据包中的相应的符合事件3的时间信息进行校正，得到更新后的符合事件3的数据包；并通过更新后的符合事件3的数据包重复获取总时间校正表，重复获取k次，直至满足迭代终止规则，获得最终时间校正表；

s6、将最终时间校正表以查找表的形式存至tof-pet的控制系统，实现测量时实时在线查询并校正对应像素通道的时间输出值。

在本实施例中，步骤s6的控制系统为前端电子学系统的fpga模块，在其他实施例中，亦可为其他处理模块，此处不做限制。

在步骤s1中，采集设定时间段内的符合事件3的数据包的时间需要足够长，保证探测器2阵列的每个像素点的时间谱都有足够的统计计数。经过一段时间的数据采集过程，可采集到整个tof-pet系统的所有探测器2之间的符合事件3的数据包。

步骤s1中，壳源1为正电子源，包括na-22、ge-68、fdg-18；壳源1的尺寸对应视场(fov)可最小仅覆盖对面两个模块。测量参数包括fov和时间窗。

较佳地，参见附图2-3，在步骤s2中，假设探测器阵列包括n×m个子探测器2，故符合事件3的数据包包括n×m个探测子模块，其中，m表示轴向分布的m个探测器环，n表示每个探测器环上有n个探测器子模块。

解析符合事件3的数据包，以最小时间读出单元为单位，记为子模块(submodule，s)，从符合事件3的数据包中获取任一子模块sα,β与其正对面的子模块的时间差t1、下一个环向相邻的子模块sα+1,β与子模块时间差t2、下一个轴向相邻子模块sα,β+1与子模块的时间差t3。通过时间差t1和时间差t2获取同一环上任一子模块的sα,0的时间校正值cα,0；通过时间差t1和时间差t3获取轴向上任一子模块的sα,β的时间校正值cα,β，cα,0和cα,β构成第一级时间校正表。

计算各时间差分布的均值，根据两个分布的均值差，即可得到两相邻子模块的时间偏差，遍寻整个系统，可得到各子模块间的时间偏差。即：获取符合事件3的数据包中子模块sα,β与其正对面的子模块的所有符合事件3的时间差分布，并获取该所有符合事件3的时间差的第一均值，第一均值即为时间差t1；获取符合事件3的数据包中下一个环向相邻的子模块sα+1,β与子模块的所有符合事件3的时间差分布，并获取该所有符合事件3的时间差的第二均值，第二均值即为时间差t2；获取符合事件3的数据包中下一个轴向相邻子模块sα,β+1与子模块所有符合事件3的时间差分布，并获取该所有符合事件3的时间差的第三均值，第三均值即为时间差t3。

具体地，首先在第一个环(m＝0)上统计s0,0与其正对面子模块之间所有符合事件3的时间差分布，如图5所示，并使用双高斯函数拟合时间谱双峰，双峰均值(图5中参数p1和p4)的平均数即为该时间谱的均值，也即这两个子模块的时间偏差，同样的方法统计与s0,0相邻的下一个子模块s1,0与之间所有符合事件3的时间差分布，得到这两个子模块之间的时间偏差通过上述两两子模块的时间偏差可以得到子模块s1,0与s0,0之间的时间偏差为：

s0,0为起始子模块，定义时间偏差为0，则s1,0子模块的时间校正值c1,0＝-t(1,0),(0,0)。

同理，通过模块s1,0与之间的时间偏差模块s2,0与之间的时间偏差可以得到子模块s2,0与s1,0之间的时间偏差t(2,0),(1,0)，则子模块s2,0的时间校正值c2,0＝c1,0-t(2,0),(1,0)。

以此类推，可以得到此环上任意子模块sα,0的时间校正值为：

同样的方法，如图2所示，以第0环上每一个子模块为起始模块，遍历轴向所有子模块，可以得到轴向任意子模块sα,β的时间校正值为：

由此，得到探测器阵列上所有子模块的时间校正值，即第一级时间校正表。

较佳地，在步骤s4中，通过更新后的符合事件3的数据包，获取各像素对应的符合事件3的时间差分布，并获取各像素对应的符合事件3的时间差分布的均值，以获取像素的时间校正值，各像素的时间校正值构成像素时间校正表，即第二级时间校正表。

具体的，依次计算得到tof-pet系统上各探测器子模块之间的时间偏差后，所有探测器子模块时间基准对齐到0，此时可认为像素间的时间偏差是随机的，即均匀分布的。在此基础上，统计各像素对应所有符合事件3的时间谱。参见附图4，对于一个特定的像素a(可能位于系统上任意位置，ta＝ta+δa)而言，在fov内，有大量像素bi(0≤i≤n,tb＝tb+δb)能够跟其符合上，对这些符合的lor进行统计，像素a的时间分布的均值为：

其中，ta、为光子真实到达子探测器2的时间，δa、为像素的时间偏差。因为放射源置于fov中心且壳源1本身是轴对称结构，故为以0为中心的对称分布，其均值为0。对于大量像素bi(0≤i≤n)，这些像素的时间偏差在统计上可以认为是随机的均匀分布，即平均值为0，即可以认为为0。所以该特定像素a的时间谱的均值偏离0的大小即为该像素的时间偏差δa。

遍历整环，可以得到所有像素的时间偏差，即第二级时间校正表。

综合所有时间的第一级时间校正表、第二级时间校正表后，即可得到总时间校正表，属于任意子模块sα,β的任意像素a的总的时间校正值为：

较佳地，在步骤s5中，经过k次迭代校正，计算各像素时间偏差，使环上各像素时间偏差越来越趋于理想情况，得到的时间校正表更加精确，最终时间校正表的像素点a的时间校正值为：

在步骤s6中，将最终时间校正表保存至存储器，并以查找表(lut)的形式下发到tof-pet前端的电子学系统(fpga内)，实现测量时实时在线查询并校正对应像素通道的时间输出值。

本发明相对于现有技术，壳源1尺寸对应fov能够覆盖两个及以上子模块即可；无需大尺寸的壳源1尺寸，可同时适用于子探测器2或电子学之间存在时间偏差的情况；且整环所有lor都能校正，计算效率更高，迭代收敛更快，得到的时间精度更高。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。