阅读说明：本技术 一种pet时间标定方法 (PET time calibration method ) 是由 吴国城 叶宏伟 钱华 黄振强 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种PET时间标定方法,涉及医学影像设备技术领域,基于动态阈值的双阈值比较器实现时间信号的甄别,包括一个高阈值比较器和一个动态低阈值比较器,高阈值比较器对每个探测通道标定能量参考电压,低阈值比较器对每个探测通道标定时间参考电压。采用高阈值标定各探测通道的能量参考电压,并获取各通道增益比例关系,基于外部源统计各通道的时间柱状图,采用步进迭代的方式获取各通道的时间分辨率,并将各通道时间分辨率最优的阈值作为该通道的最佳低阈值,最终实现对各探测通道时间的精准标定,从而达到了提升TOF-PET系统时间分辨率及图像质量的目的。(The invention discloses a PET time calibration method, which relates to the technical field of medical imaging equipment, realizes the discrimination of time signals based on a dynamic threshold dual-threshold comparator, and comprises a high-threshold comparator and a dynamic low-threshold comparator, wherein the high-threshold comparator calibrates an energy reference voltage for each detection channel, and the low-threshold comparator calibrates a time reference voltage for each detection channel. The energy reference voltage of each detection channel is calibrated by adopting a high threshold, the gain proportional relation of each channel is obtained, the time histogram of each channel is counted based on an external source, the time resolution of each channel is obtained by adopting a stepping iteration mode, the threshold with the optimal time resolution of each channel is used as the optimal low threshold of the channel, and finally the accurate calibration of the time of each detection channel is realized, so that the purposes of improving the time resolution and the image quality of the TOF-PET system are achieved.)

一种PET时间标定方法

技术领域

本发明涉及医学影像设备技术领域，尤其是一种PET时间标定方法。

背景技术

正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Computed Tomography，简称PET)是目前最先进的医疗诊断设备之一。其工作原理是将同位素标记药物注入体内，该放射性核素会释放出正电子，并与体内的负电子快速发生湮灭辐射，并产生两个能量相同，方向相反的γ光子。

PET系统通过采用环绕人体的核探测器装置，可以获取光子被探测器探测到的时间、位置和能量信息，并根据该信息重建图像。常用的核探测器包括由多个闪烁晶体组成的晶体阵列(Crystal array)和光电探测器。其中，晶体阵列用于接收病患体内释放出的光子(例如γ光子)并将其转换成可见光，光电探测器用于将可见光转换成脉冲信号，脉冲信号可以为电压信号或电流信号，其对应的脉冲波形在时间轴上呈现线性上升和指数衰减的特性，因此，通过设置阈值比较器，将脉冲波形上超过阈值的时刻确定为脉冲信号的时间信息，即：脉冲信号的过阈时刻。

PET成像的关键在于γ射线的脉冲信号采集，如何精确获取光子的能量和时间信息，是决定PET成像质量好坏的关键。尤其对于飞行时间(TOF，TimeofFlight)PET的信号采集，精确的时间信息识别是至关重要，可以大幅度降低噪声信号的干扰，为图像重建提供更加精确的信息。

但是现有技术中，通过单一固定阈值鉴别出脉冲信号的时间信息(时刻)与γ光子击中闪烁体的实际时刻有较大差异，这就会导致最终图像信噪比降低。因此，需要一种更为精准的时间标定方法，实现对TOF-PET系统各通道的时间标定，降低原始信号的噪声干扰，最终实现TOF-PET系统时间分辨率的提升。

例如，公布号为CN107843914A的发明专利申请，公布了一种PET时间标定方法和PET系统，通过根据各个探测通道的通道基线值，确定时间标定参考电压和能量标定参考电压，进而确定单位电压延时，可以根据不同通道之间的基线偏差，结合单位电压延时来校正单事件时间，从而使得单事件时间的测定更加准确。

又如，公布号为CN109893154A的发明专利申请，公布了一种基于低秩约束的PET时间校正方法，通过在PET时间校正线性模型的基础上加入低秩约束，提高了对大噪声的鲁棒性，同时再解决问题时采用稀疏最小二乘的方式，可以解决因为大量数据所带来的计算时间问题。同时，本发明使PET系统能够获得更好的时间分辨率，从而利用TOF信息获取更好的空间分辨率，使PET系统能够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。

本发明旨在提供一种新的PET时间标定方法，基于动态阈值的双阈值比较器实现时间信号的甄别，采用高阈值标定各探测通道的能量参考电压，并获取各通道增益比例关系，基于外部源统计各通道的时间柱状图，采用步进迭代的方式获取各通道的时间分辨率，并将各通道时间分辨率最优的阈值作为该通道的最佳低阈值，最终实现对各探测通道时间的精准标定，从而达到了提升TOF-PET系统时间分辨率及图像质量的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决通过单一固定阈值鉴别出脉冲信号的时间信息与γ光子击中闪烁体的实际时刻有较大差异的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种PET时间标定方法，采用动态阈值的双阈值比较器实现时间信息的甄别，包括以下步骤：

S1.获取TOF-PET系统各探测通道增益值；

S2.选取block内任意一个通道的增益值作为参考基准，获取block内各通道的增益值比例关系；

S3.增益值比例关系作为对应block内各通道的动态阈值比例关系，更快的找到合适的阈值；

S4.根据动态阈值比例关系，获取各通道的动态阈值的初始阈值；

S5.根据初始阈值，获取各通道的时间分布柱状图；

S6.根据时间分布柱状图，对各通道进行时间标定；

S7.根据时间标定值获取对应通道时间标定后的时间分布柱状图，并获取相应的时间分辨率；

S8.根据动态阈值比例关系及参考基准，更新初始阈值；重复S5、S6、S7步骤，直到达到预设条件；

S9.根据时间分辨率，获取时间分辨率与动态阈值的关系曲线；

S10.根据关系曲线，获取各通道对应的最佳动态阈值；

S11.根据最佳动态阈值，对对应通道的时间进行最终的标定。

优选的，上述的双阈值比较器包括一个高阈值比较器，用于对每个探测通道标定能量参考电压，高阈值为固定阈值或动态阈值。

优选的，上述的双阈值比较器还包括一个低阈值比较器，用于对每个探测通道标定时间参考电压，低阈值为动态阈值。

优选的，上述的增益值的获取包括以下步骤：

(1)将外部源置于视野中心，采集符合计数；

(2)对所采集到的符合计数进行数据分析，获取各通道的能量分布曲线；

(3)对所述能量分布曲线进行寻峰，获取能量峰值的横坐标值E_peak；

(4)通过步骤(3)中获取的E_peak计算各通道的增益值Gain，Gain_i,j＝511/E_peak,i,j，其中，i为block内通道数，j为PET探测器系统的block数。

优选的，上述的增益值比例关系为各通道的增益值与参考基准的比例，其中，以block内任意一个通道作为参考基准通道，参考基准通道的增益值为参考基准。

优选的，上述的时间标定值

其中，Th_i,j为初始阈值，mean_i,j为对应通道的时间分布曲线的峰值的横坐标值，即时间值，Th为经验值，Th＝16。

优选的，上述的预设条件为Th_i,j＝Th。

优选的，上述的时间分辨率T_Res_i,j＝2.354×sigma；其中sigma为对应时间分布曲线的均方根值。

优选的，上述的更新初始阈值为使用步进迭代的方式更新，即，将T_Val_i,j作为对应通道的初始阈值，重复S5、S6、S7步骤，直到达到预设条件。

本发明的有益效果是：基于动态阈值的双阈值比较器实现时间信号的甄别，采用高阈值标定各探测通道的能量参考电压，并获取各通道增益比例关系，基于外部源统计各通道的时间柱状图，采用步进迭代的方式获取各通道的时间分辨率，并将各通道时间分辨率最优的阈值作为该通道的最佳低阈值，最终实现对各探测通道时间的精准标定，从而达到了提升TOF-PET系统时间分辨率及图像质量的目的。不做时间标定的时间分辨率为1097ps；传统时间标定的时间分辨率为512ps；本发明的其中一个实施例的时间分辨率为444ps；较传统的时间标定方法提高了68ps，较传统时间标定方式下的时间分辨率指标提升了13％，提升效果显著，达到了本发明技术方案的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为PET时间标定流程图；

图2为PET探测器系统模块分布示意图；

图3为模块内block分布示意图；

图4为block内通道数示意图；

图5为能量分布曲线；

图6为能量分布曲线峰值示意图；

图7为时间分布柱状图示意图；

图8为时间标定后的时间柱状图示意图；

图9为动态阈值与时间分辨率关系曲线示意图；

图10为不做时间标定的时间分布曲线；

图11为传统时间校准方式的时间分布曲线；

图12为本发明实施例1的时间分布曲线。

具体实施方式

【实施例1】

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加的清晰，结合附图和实施例，对本发明做进一步阐述。

本实施例中的TOF-PET系统时间标定方法是基于动态阈值的双阈值比较器的方法实现。

PET系统共有38个模块，如图2所示；每个模块有24个block，如图3所示，共计912个block；每个block有8×8个SiPM、8×8个晶体以及8×8个电子学通道组成，如图4所示，共计58368个通道。

定义i为block内通道数，j为PET探测器系统的block数。

具体实施步骤如下，如图1所示：

(1)获取TOF-PET系统各探测通道增益值，包括以下步骤：

将外部源置于视野中心，采集符合计数；

对所采集到的符合计数进行数据分析，获取各通道的能量分布曲线；如图5所示；

分别对所有通道的能量分布曲线进行寻峰，获取对应通道的能量峰值的横坐标E_peak，如图6所示；

以block为最小单元，获取各block内所有通道的增益值Gain，即：Gain_i,j＝511/E_peak,i,j。

(2)在block内选取任意一个通道作为参考基准通道，获取block内各通道的增益值比例关系；本实施例中选取通道0为参考基准通道，根据block内所有通道的增益值，获得Gain_0,j：Gain_1,j：Gain_2,j：…Gain_63,j＝1：1.23：1.06：…：1.36。

(3)获取block内各通道的动态阈值Th_i,j比例关系，Th_0,j：Th_1,j：Th_2,j：…Th_63,j＝Gain_0,j：Gain_1,j：Gain_2,j：…Gain_63,j＝1：1.23：1.06：…：1.36。

(4)获取各block通道的动态初始阈值，若block内第0通道的动态初始阈值为Th_0,j＝5，根据上述动态阈值比例关系，则其它通道动态初始阈值分别为：Th_1,j＝6.15，Th_2,j＝5.3，…，Th_63,j＝6.8。

(5)自动加载各通道动态初始阈值，并将外部射线源置于视野中心，采集符合数据。

(6)数据分析，获取各通道的时间分布柱状图，并获取对应通道时间分布曲线的峰值的横坐标mean_i,j值；如图7所示。

(7)根据所得到的mean_i,j值，对对应通道做时间标定，时间标定值

其中，Th为经验值，本实施例中Th＝16。

(8)根据标定值，获取对应通道时间标定后的时间分布柱状图，并获取相应的时间分辨率T_Res_i,j＝2.354×sigma；其中sigma为对应时间分布曲线的均方根值，如图8所示。

(9)将对应通道的时间标定值作为该通道的动态阈值，并更新该通道的动态初始阈值。

(10)重新加载更新后的动态初始阈值，新动态初始阈值为T_Val_i,j，并重复上述(5)-(9)步骤。

(11)当Th_i,j＝Th时，该通道时间标定结束。

(12)获取各通道的动态阈值与时间分辨率的关系曲线，如图9所示。

(13)获取时间分辨率最优时所对应的动态阈值作为该通道的最终动态阈值，最终完成所有通道的时间标定。

本实施方案的时间标定效果验证，如下：

未做时间标定，TOF-PET系统的时间分布曲线及时间分辨率如图10所示，不做时间标定的时间分辨率为1097ps。

传统时间标定，TOF-PET系统的时间分布曲线及时间分辨率如图11所示，传统时间标定的时间分辨率为512ps。

基于本发明实施例1的TOF-PET系统的时间分布曲线及时间分辨率如图12所示，本发明实施例1的时间分辨率为444ps；较传统的时间标定方法提高了68ps，较传统时间标定方式下的时间分辨率指标提升了13％。提升效果显著，达到了本发明技术方案的目的。