一种基于有序子集算法的SPECT成像方法

摘要

本发明公开了一种基于有序子集算法的SPECT成像方法。本发明的成像方法，将SPECT探测器和准直器排列成等边多边形设置在转动机架的通孔周围，多边形的边数对应一个子集内的角度数，旋转转动机架进行数据采集，每进行一次数据采集进行一次OS-EM迭代，进行OS-EM的多次迭代后，计算机重建出满足图像分辨率的图像。本发明采用SPECT探测器和准直器的多边形设置，搭配有序子集算法，通过硬件分组的方法，可以高效发挥该算法的优势，不需要采集全部360个角度，有效的减少不必要的光子计数，缩短了采集时间；其次，本发明采用转动机架，减少了探测器和准直器的需求量，经济性好。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学成像领域，具体涉及一种基于有序子集算法的SPECT成像方法。

背景技术

单光子发射计算机断层成像技术(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT) 是采用放射性核素示踪技术，通过探测生物体内某些器官摄入的放射性同位素药物发射出的 射线得到投影数据，再将得到的投影数据重建为断层图像，进而获得待测物体内的特定分子 的分布情况和代谢信息。小动物SPECT显像可以准确反映放射核素标记的药物在小动物体内 摄取、代谢的动态过程，监控治疗方法对疾病的干涉效果。此外，由于SPECT显像可以在同 一小动物模型上进行连续的纵向研究，因此可排除因动物个体差异而造成的误差，并可以将 实验结果直接类推至临床，对人类新药的研制和开发具有重要的意义。近年来，随着可检测 不同分子生物学过程的SPECT探针的出现，使小动物SPECT在针对心脏和大脑等重要器官的 无创检测、肿瘤生物学等方面有了广泛的应用前景。

探测器的固有分辨率和探测器接收到的伽马(Gamma)γ光子密度是影响SPECT图像分辨 率的两个重要因素。分辨率表征的是SPECT系统分辨重建图像中两个相邻点源的能力。由于 实验动物的体积远小于人类，小动物SPECT需要更高的空间分辨率，这也是未来小动物 SPECT发展的主要方向之一。目前，小动物SPECT普遍采用高性能的探测器、准直器、重 建算法来提高空间分辨率(达到1mm以下)。其中，利用重建算法提升图像质量时，花费最 少，效益率最高。SPECT重建算法主要分为迭代算法和解析算法两种，美国加州大学戴维斯 分校的Jinyi Qi教授在《Analytic Determination of the Pinhole Collimator’s Point-Spread Function  and RMS Resolution With Penetration》【Phys.Med.Biol.51(2006)R541–R578】一文中综述了近 30年来的SPECT重建算法，详细介绍了迭代算法在SPECT图像重建中的优势，尤其是目前临 床中广泛应用的有序子集最大似然算法(OS-EM)——具有重建精度高、耗时少等特点。

OS-EM算法由Hudson和Larkin在1994年首次提出，在《Accelerated image reconstruction  using ordered subsets of projection data》【IEEETrans.Med.Imaging13601–9】一文中，两人验证 了OS-EM算法的可行性。较原有的滤波反投影算法(Filtered BackprojectionMethods)，OS-EM 在重建图像的质量方面有很大的提高，并通过投影角度的有序划分大幅缩减了迭代算法的重 建时间。根据资料显示，美国GE(通用电气)公司生产的eXplorespeCZT/CT120Mirco-SPECT 和德国西门子公司生产的Inveon SPECT/CT都采用了OS-EM算法，达到了“亚毫米级”的空 间分辨率。由此可见，在小动物SPECT的研发中，针对OS-EM算法的研究对提高小动物SPECT 显像的空间分辨率是至关重要的，开发与OS-EM算法相搭配的硬件设备也非常具有现实意义。

与临床中广泛应用的旋转型SPECT不同，高性能小动物SPECT仪器大多采用固定式设计， 探测器被安装在一个固定式的机架上进行数据采集：为了达到足够多的伽马光子计数和采样 角度，需要很多的探测器围成一个环形。因此，这种设计对探测器和准直器的需求量很大， 再加上针孔准直器的造价较高，导致了小动物SPECT仪器的成本急剧上升。

其次，固定式的设计需要等到所有(角度)探测器都收集到足够的计数时，才能应用OS-EM 算法重建图像。考虑到OS-EM算法在最初几次迭代时效率最高，对各个角度无差别的采样， 不能完全凸显出OS-EM算法的速度优势。

发明内容

为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种通过多边形旋转式的有序子集算 法SPECT成像装置，基于有序子集算法的SPECT成像方法。

本发明的目的在于提供一种基于有序子集算法的SPECT成像方法。

本发明的有序子集算法的SPECT成像装置包括：SPECT探测器、升降台、准直器、转 动机架、检查床和数据采集系统；其中，转动机架固定在底板的一端，转动机架上具有通孔， 成像时以通孔的轴线为旋转轴转动；SPECT探测器和准直器设置在转动机架的通孔周围，并 且排列成等边多边形，准直器位于SPECT探测器和成像区域之间；升降台固定在底板的另一 端；检查床固定在升降台上，具有放射源的检测体放置在检查床上；检查床和转动机架的通 孔共轴；转动机架在垂直于检查床的轴线的平面内旋转，带动准直器和SPECT探测器在垂直 于轴线的平面内转动；SPECT探测器连接至数据采集系统。

本发明的基于有序子集算法的SPECT成像方法，包括以下步骤：

1)将准直器平行设置在SPECT探测器之前，SPECT探测器和准直器排列成等边多边形 设置在转动机架的通孔周围，多边形的边数为M，其中，M为≥2的自然数；

2)通过模体实验得到满足设计标准的图像分辨率、所需的旋转的间隔角、数据采集的次 数N，其中N为≥2的自然数；

3)将具有放射源的检测体放置在检查床上，然后再调节升降台，使得检查床和转动机架 的通孔共轴；

4)将转动机架转动到位，检测体内的放射源采用单光子示踪剂，单光子示踪剂发出γ射 线，经过准直器之后由SPECT探测器接收γ光子计数，将γ射线转化为电信号，最后通 过数据线连接至数据采集系统，记录每条边上SPECT探测器的γ光子计数，计数结束后， 将不同角度的SPECT探测器的数据传输至数据采集系统，进行OS-EM的一次迭代；

5)按照步骤2)中得到的旋转的间隔角，旋转转动机架，重复步骤4)，直至实现数据采 集N次，进行OS-EM的N次迭代后，数据采集系统重建出满足图像分辨率的要求时， 停止数据采集，成像结束。

其中，在步骤1)中，多边形的边数M对应一个子集内的角度数，因此，为了保证采集 效率，要求6≤M≤30。准直器采用平行孔准直器，经过平行孔准直器准直后，只有与准直器 方向相同的γ光子，能被SPECT探测器收集，这样保证了进入每一条边的SPECT探测器中 的γ光子方向相同。

在步骤2)中，为了提高实验效率，在确定了探测器的多边形的边数M之后，可以根据 国家制定的统一测试标准，利用标准模体对系统进行测试，确定满足设计标准的图像分辨率 所需要的相邻两次数据采集旋转的间隔角和数据采集的次数N。模体实验是指：采用已知分 辨率的标准模体，设计旋转的间隔角和数据采集的次数，即按照已知标准衡量成像装置的分 辨率，从而寻找出满足设计标准的图像分辨率所需的旋转的间隔角和数据采集的次数N。每 转动一个间隔角，进行一次数据采集，然后进行一次OS-EM迭代，数据采集的次数N即为 迭代的次数，旋转的间隔角小于360°/M。如图像分辨率要求不高时，可以进行快速地扫描： 增大旋转的间隔角，同时减少迭代次数。如图像分辨率要求很高时：减小旋转的间隔角，适 当增加采集时间和采集次数(迭代次数)。利用这些数据，可以大大提高步骤4)的采集效率， 有助于实验人员更加灵活、高效的设计实验，从而达到节省时间同时满足图像分辨率的要求 的目的。

在步骤4)中，达到足够的γ光子计数，使得SPECT探测器的信噪比达到10以上，计 数结束。

本发明基于OS-EM(分成有序的子集来求期望值的极大值)的成像方法，将平行孔准直 器设置在SPECT探测器之前，SPECT探测器和平行孔准直器排列成等边多边形设置在转动 机架的通孔周围。转动机架转动，带动平行孔准直器和SPECT探测器在垂直于轴线的平面内 旋转，从而获得不同角度的采样数据。多边形的每一条边对应一个采样角度，边数M即为一 个子集内的角度数M；每个子集中，相邻的角度之间的差值为360°/M；每旋转一个角度进 行一次数据采集，即为一个子集，转动机架位于N个不同的角度分别进行N次数据采集，就 形成N个子集。

本发明的优点：

本发明采用SPECT探测器和准直器排列成等边多边形设置在转动机架的通孔周围，搭配 有序子集算法，通过硬件分组的方法，可以高效发挥该算法的优势，不需要采集全部360个 角度，有效的减少不必要的光子计数，缩短了采集时间；其次，本发明采用转动机架，减少 了探测器和准直器的需求量，经济性好。

附图说明

图1为本发明的有序子集算法的SPECT成像装置的结构示意图；

图2为本发明的有序子集算法的SPECT成像装置的转动机架的结构示意图，其中，(A)为 主视图，(B)为侧视图，(C)为俯视图；

图3为本发明的有序子集算法的SPECT成像装置的检查床和升降台的结构示意图，其中，(A) 为主视图，(B)为侧视图，(C)为俯视图；

图4为本发明的有序子集算法的SPECT成像装置的SPECT探测器和准直器的示意图，其中， (A)为SPECT探测器和平行孔准直器的结合示意图，(B)为平行孔准直器准直γ光子的爆 炸视图，(C)为等边六边形结构的采样的示意图；

图5为本发明的SPECT针孔准直器性能测试装置的平行孔准直器和SPECT探测器排列成等 边多边形的示意图，其中，(A)为六边形，(B)为七边形，(C)为八边形；

图6为本发明的有序子集算法的SPECT成像方法的有序子集划分的示意图，其中，(A)为 某一时刻SPECT探测器采集的六个角度的示意图，(B)为下一时刻SPECT探测器采集的六 个角度示意图，(C)为二个不同角度采集图像的共轴的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例以六边形的探测器：M＝6为例，有序子集算法的SPECT成像装 置包括：转动机架2、升降台3、检查床4、SPECT探测器和准直器5以及数据采集系统；其 中，转动机架2固定在底板1的一端，转动机架2上具有通孔，成像时以通孔的轴线为旋转 轴转动；SPECT探测器和准直器5设置在转动机架的通孔周围，并且排列成等边六边形，准 直器位于SPECT探测器和成像区域之间；升降台3固定在底板1的另一端；检查床4固定在 升降台3上，具有放射源的检测体放置在检查床4上；检查床4和转动机架2的通孔共轴； 转动机架2在垂直于检查床4的轴线的平面内旋转，带动准直器和SPECT探测器5在垂直于 轴线的平面内转动；SPECT探测器连接至数据采集系统。旋转轴和通孔的轴线沿x方向，转 动机架在yz平面内转动。准直器采用平行孔准直器。

如图2所示，转动机架2包括环形的旋转装置201和机架底板202。平行孔准直器501 和SPECT探测器502排列成等边六边形；其中，平行孔准直器501位于SPECT探测器502 和成像区域之间，固定在SPECT探测器502之前，实现对γ光子的准直；转动机架2带动平 行孔准直器501和SPECT探测器502一起旋转，实现对不同方向光子的收集。

如图3所示，升降台3包括升降连杆301和调节旋钮302；其中，升降连杆301安装在 底板1上，通过调节旋钮302，可以实现在Z轴上移动。检查床4安装在升降台3上，检查 床包括套筒401，由低密度的塑料或有机玻璃加工而成的空心筒，内部设有垫枕，防止待测 体滑落；套筒401被放置在水平滑轨402中，滑轨连接至电机，开动后可以带动套筒沿旋转 轴(X轴)方向移动。带有放射源的检测体放置于套筒401中，可以借助转动机架的转动采 集不同方向的断层信息，也可以静止放置采集某个方向的投影信息。

平行孔准直器被固定在像素化的SPECT探测器表面，如图4(A)所示；不同方向的γ 光子通过平行孔准直器准之后被SPECT探测器所收集，如图4(B)所示，实线箭头代表不 同方向的γ光子，虚线部分表示的是与平行孔准直器方向相同的γ光子，经过平行孔准直器 准直后，只有虚线代表的γ光子(与平行孔准直器方向相同)能被SPECT探测器收集；中心 黑色的部分是有效视野，如图4(C)所示。与平行孔准直器方向相同的角度，对应于平行孔 准直器501和SPECT探测器502所在的一条边的采样角度。

平行孔准直器501和SPECT探测器502排列成的等边多边形可以是六边形、七边形或八 边形等，分别如图5(A)、(B)和(C)所示。

如图6(A)所示，某一时刻放射源发射的六个方向的γ光子通过平行孔准直器501成像 在像素化的SPECT探测器502上。下一时刻旋转转动机架后，探测器将会采集到另外六个角 度的γ光子，如图6(B)所示。转动机架2在YZ平面内旋转，SPECT探测器收集数据，可 以得到放射源不同断层的活度信息，从而用于OS-EM算法重建图像。

本实施例的基于有序子集算法的SPECT成像方法，包括以下步骤：

1)将平行孔准直器平行设置在SPECT探测器之前，SPECT探测器和平行孔准直器排列 成等边六边形设置在转动机架的通孔周围；

2)根据国家制定的测试标准，利用标准模体对系统进行测试，实验模体选用具有不同尺 寸(0.5mm～2mm)的圆柱体空腔，内含放射性物质，通过模体实验，得到满足设计标准 的图像分辨率，所需的旋转的间隔角和数据采集次数N，其中N为≥2的自然数，如不 需要高的空间分辨率时，可以进行快速地扫描：增大旋转的间隔角，减少迭代次数。如 需要高的空间分辨率时：减小旋转的间隔角，适当增加采集时间和采集次数(迭代次数)；

3)将具有放射源的检测体放置在检查床上，然后在调节升降台，使得检查床和转动机架 的通孔共轴；

4)将转动机架转动到位，检测体内的放射源采用单光子示踪剂，单光子示踪剂发出γ射 线，这些γ射线经过平行孔准直器之后由SPECT探测器接收γ光子计数，将γ射线转化 为电信号，最后通过数据线连接至数据采集系统，记录每条边上SPECT探测器的γ光子 计数，达到足够的计数后，将不同角度的SPECT探测器的数据传输至数据采集系统，进 行OS-EM的一次迭代；

5)按照步骤2)中得到的旋转的间隔角，旋转转动机架，重复步骤4)，直至实现数据采 集N次，进行OS-EM的N次迭代后，数据采集系统重建出的满足图像分辨率的要求时， 停止数据采集，成像结束。

其中，在步骤4)中，对于像素化的SPECT探测器，由于探测器性能和环境噪声的高低 不同，一般要求每个像素的γ光子计数达到100个以上，从而保证信噪比达到10以上。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技 术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是 可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求 书界定的范围为准。