一种立体视觉引导的PET图像重建方法、系统、设备

本发明属于医疗影像设备，具体涉及一种立体视觉引导的pet图像重建方法、系统、设备。

背景技术：

1、正电子发射断层成像(positron emission tomography，pet)属于放射性核素显像，可以在活体上显示标记后的生物分子的代谢，以及受体和神经介质的活动等行为，特别适用于没有形态学改变时的疾病早期诊断、亚临床病变诊断以及治疗效果评价。为了实现分子代谢层面的成像，pet需要将生物体内必需的物质(如葡萄糖)标记上短寿命的放射性核素(如18f)，然后将其注入人体。当这些物质在代谢反应中形成能量为511kev的γ光子对时，pet可以通过捕获这些光子来获得它们在体内的分布情况。因此，pet成像可以提供生物体内血流状况、新陈代谢率、受体、基因表达等不同的生物学信息，为早期筛查等脑部疾病以及研究发病机制提供重要的诊断信息。

2、然而，pet成像需要在人体内注射放射性示踪剂，这会对患者的健康造成潜在辐射风险，因此需要尽可能降低辐射剂量以确保安全，而较低剂量下又需更长的扫描时间来累积足够光子计数。但是，随着扫描时间的延长，探测信号中的噪声也会不断累积。另外，在长时间的扫描状态下，受体不可避免地存在运动，运动导致的空间位置变化又会带来pet图像中的伪影问题，这进一步降低pet图像的质量。提升低辐射剂量检查条件下的pet图像质量是本领域技术人员面临的重大挑战。

3、pet有限的空间感知能力是当前提升pet成像质量的主要瓶颈，pet空间感知能力不足是导致信噪比难以提升的深层原因。受限于pet的空间感知能力，已有解决方案尚无法高效消除噪声信息在成像中的影响，难以实现信噪比(snr)和结构细节的提升。如果pet成像系统能在使用最低剂量的放射性药物以保证辐射安全的同时，缩短成像流程时间，提升图像质量以实现更细粒度的异常呈现，就能发现之前看不到的病变区域，为提前干预提供依据。

4、为了克服pet系统的上述缺陷，技术人员提出将pet(正电子发射计算机断层显像)的分子成像功能与mri(核磁共振成像)卓越的软组织对比功能结合起来，设计出pet-mri。或者将pet与ct融为一体，由pet提供病灶详尽的功能与代谢等分子信息，而ct提供病灶的精确解剖定位。这些新型系统本质上是利用核磁共振或电子计算机断层扫描来增强pet的成像能力，并可以发挥良好效果。但是核磁共振设备和xray-ct设备本身的设备成本和运维成本都非常高昂，且对人体进行检查时也会存在伤害，因而无法进行长时间的扫描。

技术实现思路

1、为了克服单pet系统成像质量较差，pet-mri和pet-ct的成像质量高，但是设备和运维成本高昂，检查过程对人体伤害较大的缺陷；本发明提供一种立体视觉引导的pet图像重建方法、系统、设备。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种立体视觉引导的pet图像重建方法，其采用同步获取的受体空间信息对单pet系统中低放射性示踪剂下的图像重建过程进行引导，以改善最终的成像质量。该立体视觉引导的pet图像重建方法包括如下过程：

4、利用时间轴同步和空间坐标校准后的立体视觉系统和pet设备同步获取受体的周向可见光图像和pet探测信号。

5、利用可见光图像建立受体的三维空间模型，并根据三维空间模型在时域上的空间变化估计出受体的运动场mm。

6、将受体的三维空间模型用于：

7、1)对符合事件lor进行二轮筛选，以移除未经过受体空间的lor。

8、2)对单pet图像重建中生成系统响应矩阵的算法进行动态更新，在第i条lor经过的第j个体素时，若该体素在受体的三维空间以外，则将对应的系统矩阵参数aij设置为0。

9、3)根据三维空间模型中不同组织的分布状态，创建用于对受体的pet图像进行衰减校准的空间衰减图。

10、将受体的运动场mm用于：

11、对系统响应矩阵a进行优化，对应的优化矩阵bm为：

12、bm＝stmamm，m＝1，2，…，l

13、上式中，s为一个用于表征lor均一化的校正因子的对角矩阵；tm为一个用于表征lor运动依赖的校正因子的对角矩阵。

14、利用二轮筛选后的符合事件lor和优化矩阵bm进行pet图像重建，并利用空间衰减图对重建结果进行衰减校准。

15、作为本发明进一步的改进，立体视觉系统由多个在pet设备检测区域的中心腔体周围环形分布的可见光相机构成。通过设备安装调试使得立体视觉系统和pet设备中的检测区域同轴分布；受体从pet设备和立体视觉系统的检测区域穿过，并完成检测。

16、作为本发明进一步的改进，立体视觉系统和pet设备的空间坐标校准过程如下：

17、(a)在一个标准体模上预设不同的检测位点，并利用可见光系统和pet设备同步获取体模的可见光图像和pet数据。

18、(b)根据可见光图像中检测到的检测位点生成体素集合x，根据pet数据中检测到的检测位点生成体素集合p：

19、

20、(c)求解使得下式最小的最小旋转矩阵r和平移向量t：

21、

22、上式中，rpi表示对pi进行旋转变换；e(r,t)表示经过旋转和平移变换之后x和p之间的误差大小；

23、(d)根据最小旋转矩阵r和平移向量t，将基于可见光图像建立的三维空间模型与pet数据转换到同一坐标系下。

24、作为本发明进一步的改进，最小旋转矩阵r和平移向量t的求解方法如下：

25、首先，将体素集合x和p中的其中一个转置后与另一个相乘，得到矩阵w；然后，对矩阵w进行svd分解，得到u和v；最后通过下式计算出r和t：

26、

27、上式中，ux表示体素集合x的质心，up表示体素集合p的质心，

28、作为本发明进一步的改进，采用块匹配法对受体进行运动场mm估计，具体过程如下：

29、在基于可见光图像建立的受体三维空间模型中，将每一帧中的目标分成许多互不重叠的块，并认为块内所有像素的位移量都相同；将当前帧中的每个块分别作为当前块，在参考帧中的特定搜索范围使用块匹配准则找到与当前块最相似的块，即匹配块；匹配块与当前块的相对位移即为运动矢量，根据匹配块和当前块间的运动矢量可以确定受体的运动场。

30、作为本发明进一步的改进，用于pet图像重建的lor源数据集的筛选过程包括如下步骤：

31、a.根据pet探测器的探测结果得到一系列的符合事件，并生成对应的响应线lor。

32、b.采用时间窗和/或能量窗来对所有的符合事件进行随机符合校准，完成一轮筛选，得到噪声较少的符合事件集合。

33、c.结合受体的三维空间模型对符合事件集合进行二轮筛选：

34、判断的符合事件集合中每个符合事件对应的lor是否经过受体所在的三维空间，是则保留对应的符合事件；否则将对应的符合事件删除。

35、d.将经过二轮筛选后的符合事件集合作为pet图像重建的lor源数据集。

36、作为本发明进一步的改进，空间衰减图的生成方法如下：

37、(ⅰ)根据立体视觉系统采集的可见光图像建立受体的三维空间模型。

38、(ⅱ)根据人体解剖学的统计学特征，将受体的三维空间按照骨骼、软组织、组织液和空腔的不同分类划分为多个局部区域。

39、(ⅲ)根据γ射线在不同组织中的衰减效应为受体三维空间中不同的局部区域赋予相应的校正系数。

40、(ⅳ)将包含相应校正系数的受体的三维空间模型作为对应的3d衰减体积，即空间衰减图。

41、本发明还包括一种立体视觉引导的pet图像重建系统，其采用如前述的立体视觉引导的pet图像重建方法，实现利用立体视觉信息对单pet系统中低放射性示踪剂下的图像重建过程进行引导，进而获得高质量的pet图像。本发明中的立体视觉引导的pet图像重建系统包括：数据采集模块、符合事件生成模块、空间信息生成模块、lor筛选模块、系统矩阵更新模块，以及图像重建模块。

42、其中，数据采集模块用于预先对立体视觉系统和pet设备进行时间轴同步和空间坐标同步，并获取时空同步的周向可见光图像和pet探测信号。

43、符合事件生成模块用于根据pet探测信号生成一系列的符合事件及其响应线lor；并采用时间窗和/或能量窗来对所有的符合事件进行随机符合校准，得到符合事件集合。

44、空间信息生成模块包括空间建模单元和运动场估计单元。空间建模单元用于根据数据采集模块获取的周向可见光图像建立受体在检测区域内的三维空间模型；运动场估计单元用于对受体的空间运动进行监督，并采用块匹配法估计出受体的运动场mm。

45、lor筛选模块用于将符合事件集合中每个符合事件的lor与受体的三维空间模型进行比对，判断lor是否经过受体的三维空间，是则保留对应的符合事件，否则将对应符合事件从符合事件集合中删除。

46、系统矩阵更新模块包括概率调整单元和运动场融合单元。概率调整单元用于在osem算法的系统响应矩阵生成过程中增加概率约束，在第i条lor经过的第j个体素时，若该体素在受体的三维空间以外，则将对应的系统矩阵参数aij设置为0。运动场融合单元用于将受体的运动场mm引入到利用动态概率生成的系统响应矩阵a中，得到对应的优化矩阵bm。

47、图像重建模块采用osem算法作为数据处理工具，结合lor筛选模块处理后的符合事件集合和系统矩阵更新模块输出的优化矩阵bm重建出对应的pet图像。

48、作为本发明进一步的改进，立体视觉引导的pet图像重建系统还包括一个衰减校准模块，所述衰减校准模块用于根据空间建模单元建立的受体的三维空间模块生成一个对应的空间衰减图，最后利用空间衰减图对图像重建模块输出的pet图像进行局部强度的衰减校准。

49、本发明还包括一种可见光增强的pet设备，其包括：pet设备、立体视觉系统和数据处理设备。立体视觉系统由多个高分辨率相机沿单pet设备检测空间周向均匀分布构成，立体视觉系统和pet设备的检测空间同轴。数据处理设备采用如前述的立体视觉引导的pet图像重建系统，并以pet设备和立体视觉系统同步采集的探测信号和可见光图像为输入，采用如前述的立体视觉引导的pet图像重建方法对输入数据进行处理，最终输出重建出的高清晰细粒度pet图像。

50、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

51、本发明从软硬件两个维度对现有的pet成像系统进行改进，利用周向分布的可见光相机构建立体视觉系统，采用受体的周向图像来获取受体的三维空间特征。然后将受体的三维空间特征从多个层面对既有的基于系统响应矩阵的pet图像重建算法进行改良，包括：1、利用受体的空间信息进一步筛除探测信号中的噪声信息，并减少了需要处理的数据量。2、利用受体的空间信息对常规的系统响应矩阵进行更新，既可以减少不必要的计算，又可以避免引入噪声，提升成像质量。3、利用受体空间信息的变化估计受体的运动场，并利用估算出的运动场实现运动校正，提高重建出的pet图像的抗运动模糊效果，降低重建结果的伪影现象。4、结合受体的空间信息创建受体空间内的空间衰减图，并利用空间衰减图对重建pet中不同区域的信号强度进行局部优化，以使得重建结果的精度更高。

52、经过上述改良的本方案在重建过程中不仅可以获得更高质量的pet图像，并且可以有效缩短重建周期，提高图像重建的速度；确保重建结果具有可解释性。

53、本发明利用可见光相机获得的立体视觉信息对传统pet图像重建的过程进行引导，方案的安全性和单pet系统的安全性类似，在提高pet图像重建质量的基础上，还可以有效避免mri或ct等传统增强方案对受体造成的生理损伤；这使得本发明方案对不同病症患者的普适性更高，降低检查项目的局限性。同时，本发明方案的设备成本和运营维护成本都较传统的增强型pet更好，因而可以适用于进行大规模推广应用，具有很高的实用性。