專利名稱：：單光子斷層成像方法和單光子斷層成像系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種單光子斷層成像方法，還涉及一種采用這種方法的單光子斷層成像系統(tǒng)，主要可用于疾病的臨床診斷和核素治療過程的監(jiān)視以及科學研究(含動物成像系統(tǒng))等。
背景技術：
：單光子發(fā)射計算機斷層成像系統(tǒng)(SPECT)是一種重要的疾病診斷設備，并可用于對核素治療過程進行監(jiān)督，其通過閃爍晶體接收Y射線，在Y光子的碰撞位置上產生熒光閃爍，位于閃爍晶體后面的光電倍增管陣列接收該安光閃爍，產生相應的熒光信號，并通過數(shù)據(jù)采集模塊將該熒光信號轉換為熒光數(shù)字信號送入定位模塊進行定位計算，形成Y光子碰撞事件的位置坐標數(shù)據(jù)，記錄各個Y光子碰撞事件的坐標數(shù)據(jù)，形成原始數(shù)據(jù)矩陣，經過重建或者對矩陣數(shù)據(jù)的顯示形成圖像，實現(xiàn)成像的目的。這種設備的一個重要技術問題如何計算Y光子撞擊位置的坐標值，目前有兩種計算方法，一種是質心定位算法，另一種是最大似然定位算法，其中質心定位法的計算過程簡單，易于實現(xiàn)，已被廣泛采用，然而此方法沒有考慮閃爍光子的統(tǒng)計漲落和光電倍增管的非線性響應，受到嚴重的空間畸變的困擾，雖然非線性校正技術被廣泛采用，但因為很難確定真正的變形映射圖，更確切地說是不存在真正的變形映射圖，所以校正后的圖像仍有剩余的定位誤差。為提高效率、獲得無偏的位置估計值，最大似然法和其它基于統(tǒng)計檢驗的方法逐漸發(fā)展起來，由于完全的兩維最大似然定位算法的計算量巨大，使其目前還不具有實際應用的可行，無法在實踐中推廣。因此，有必要開發(fā)出一種新的定位算法，以便在提高定位精度的同時簡化計算過程，以滿足使用要求。
發(fā)明內容為克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種單光子斷層成像方法和一種單光子斷層成像系統(tǒng)，該方法和該系統(tǒng)采用質心引導的最大似然定位法計算y射線擊中閃爍晶體的位置，并通過質心算法的一^線性;歐正表和光電倍增管陣列的光響應函數(shù)分別對質心算法的非線性和光電倍增管陣列響應的不均勻性進行修正，在獲得與最大似然定位法相近的定位精度的同時，大幅度縮短了計算時間，大幅度降低了對計算機的硬件和存儲空間的要求。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術方案是一種單光子斷層成像方法，通過光電倍增管陣列采集y光子在閃爍晶體上碰撞產生的熒光信號，通過數(shù)據(jù)采集模塊將該熒光信號轉換為熒光數(shù)字信號送入定位模塊進行定位計算，形成定位數(shù)據(jù)并將全部有效的定位數(shù)據(jù)轉換為圖像，所述定位計算中采用的算法是質心引導的最大似然定位算法，先用質心法計算出y光子碰撞事件發(fā)生的位置，再在選定范圍內用局部二維最大似然法進行精確的估計，形成該y光子碰撞事件的定位數(shù)據(jù)。所述定位計算的計算過程可以是(1)確定質心定位的計算區(qū)域在光電倍增管陣列接到一個熒光信號后，找出輸出值最大的光電倍增管，以該光電倍增管為中心選定一個區(qū)域為質心定位的計算區(qū)域，通常，該計算區(qū)域包括輸出值最大的光電倍增管和與該輸出值最大的光電倍增管相鄰的各光電倍增管；(2)采用質心定位算法計算y光子碰撞事件的位置，例如當質心定位法計算區(qū)域內的光電倍增管數(shù)量為7個時，其計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中Mi為計算區(qū)域內第i個光電倍增管的輸出值，x,和y,分別為第i個光電倍增管的x坐標值和y坐標值，x。和y。分別為質心定位法計算獲得的y光子碰撞事件的x坐標值和y坐標值；(3)對上述坐標值x。和y。進行非線性校正，獲得校正后的x坐標值x,u和y坐標值y一(4)確定局部二維最大似然定位的搜索范圍選取非線性校正后坐標值xnl和y|U的偏差范圍Ax和Ay，確定局部二維最大似然定位的搜索范圍為(xnl-Ax，yn「Ay)__(xnl+Ax，ynl+Ay)所述偏差范圍Ax和Ay可以根據(jù)相關的理論分析和實驗經驗確定，一般選擇其數(shù)值略大于理論和經驗給出的定位偏差的最大值，以使得這個搜索范圍包含真正的光子事件位置。(5)進行局部二維最大似然定位計算，獲得位置坐標在上述搜索范圍內搜索滿足下列方程組的坐標值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中Mi為搜索范圍內第i個光電倍增管的輸出值，S"x)是第i個光電倍增管的光響應函數(shù)(LRF),該方程組的解就是所需的/光子碰撞事件的位置坐標值。坐標值與標定實驗中確定的坐標值之間的對應關系或函數(shù)關系，根據(jù)該對應關系或函數(shù)關系對依據(jù)質心定位法計算出來的/光子碰撞事件坐標值進行校正。所述光電倍增管光響應函數(shù)可以通過試驗方式獲得在選定的區(qū)域內移動光源，通常為等間距直線移動，使光源置于不同的位置上，測得選定區(qū)域內每個光電倍增管的輸出值對光源位置的響應，然后應用最小二乘曲線擬合和三次樣條插值，獲得該區(qū)域內光電倍增管集合的光響應函數(shù)。所述光電倍增管陣列的一種最佳排列方式是相鄰光電倍增管位于等邊三角形的三個角上，即設置三組相互交角為60度的等間距平行線，將各光電倍增管分別置于這些平行線的交叉點上。在這種陣列分布下，與任意一個光電倍增管(邊緣處的光電倍增管除外)相鄰的光電倍增管的數(shù)量為6個，并且這6個光電倍增管到位于其中間的光電倍增管之間的距離相等，因此所述質心定位的計算對象為輸出值最大的光電倍增管和與該輸出值最大的光電倍增管等距離相鄰的6個光電倍增管。一種單光子斷層成像系統(tǒng)，包括閃爍晶體、光電倍增管陣列、數(shù)據(jù)采集模塊、定位模塊以及成像模塊，所述閃爍晶體用于接收Y射線，并在Y光子碰撞位置上形成焚光，所述數(shù)據(jù)采集模塊位于所述閃爍晶體的后面，用于接收該熒光信號并將其轉化為熒光數(shù)值信號，送入定位模塊，所述定位模塊采用質心引導的最大似然定位算法進行定位計算，先用質心法計算出Y光子碰撞事件發(fā)生的位置，再在選定的搜索范圍內用局部二維最大似然法進行精確的估計，形成該Y光子碰撞事件的定位數(shù)據(jù)，所述成像模塊接收所述定位模塊的各Y光子碰撞事件定位數(shù)據(jù)并將其轉化成圖像。所述定位模塊采用質心引導的最大似然定位算法進行定位計算的方式釆用上迷單光子斷層成像方法的有關方法，不再贅述。所述光電倍增管陣列的一種最佳排列方式是相鄰光電倍增管位于等邊三角形的三個角上，即設置三組相互交角為60度的等間距平行線，將各光電倍增管分別置于這些平行線的交叉點上。在這種陣列分布下，與任意一個光電倍增管(邊緣處的光電倍增管除外)相鄰的光電倍增管數(shù)量為6個，因此所述質心定位的計算對象為輸出值最大的光電倍增管和與該輸出值最大的光電倍增管等距離相鄰的6光電倍增管。本發(fā)明的有益效果是由此采用了質心引導的最大似然定位算法進行定位計算，先用質心法計算出Y光子碰撞事件發(fā)生的位置，再在選定的搜索范圍內用局部二維最大似然法進行的精確估計，形成的Y光子碰撞事件的定位精度相仿，由此不僅避免了單純質心定位法在定位精度上的不足，又大幅度縮小了最大似然法的搜索范圍，大幅度減少了最大似然法的數(shù)據(jù)處理量，減少了計算時間，減低了對計算機系統(tǒng)硬件和存儲空間的要求，降低了系統(tǒng)成本，方便了操作和診斷，采用本發(fā)明的定位計算結果誤差可控制在0.2nim以內，運算時間約為現(xiàn)有最大似然法的1/30。圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結構示意圖；圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中的定位模塊的結構示意圖；圖3是本發(fā)明涉及光電倍增管的光響應函數(shù)三維示意圖；圖4是本發(fā)明在一種光電倍增管陣列分布方式下質心定位的計算區(qū)域和局部二維最大似然定位的搜索范圍的示意圖5是本發(fā)明的一種光電倍增管陣列排列方式的示意圖；圖6是本發(fā)明的流程示意圖。具體實施例方式參見圖1-圖6,本發(fā)明的工作過程為/光子1穿過準直器2進入閃爍晶體3,在晶體3上引起閃爍事件4，閃爍事件4產生的熒光經過光導5被光電倍增管陣列6收集，光電倍增管陣列產生的信號被數(shù)據(jù)采集模塊7采集后送入定位模塊8進行定位計算，以便確定閃爍事件4在閃爍晶體3上的具體坐標，記錄這個坐標信息，形成數(shù)據(jù)矩陣，進而轉化為圖像。定位模塊的工作過程是數(shù)據(jù)采集模塊形成的熒光數(shù)字信號8a經過質心定位方法模塊8b的質心定位計算得到初步的定位結果8c,然后8c進入非線性校正控制模塊8d,由非線性校正控制模塊8d運算后輸出地址信號8e，根據(jù)地址信號8e在非線性校正模塊8f進行非線性校正，其校正數(shù)據(jù)從預存在只讀存儲器中的LUT中獲到，然后輸出經過校正后的定位結果8g，經過非線性校正后的定位結果8g輸入質心引導定位方法控制模塊8h以便得到尋址范圍信號8i,讀取預存在只讀存儲器中的光響應函數(shù)LRF表8j中處于尋址范圍8i內的LRF數(shù)據(jù)8K,將該LRF數(shù)據(jù)8K輸入質心引導定位方法實施^t塊81,結合起初采集的熒光數(shù)據(jù)信號8a,通過局部二維最大似然法計算獲得最后的定位結果8m。通常，應在系統(tǒng)中預先建立用于定位計算的定位數(shù)據(jù)庫，其中包括質心算法的非線性校正表(LUT)和光電倍增管矩陣的光響應函數(shù)庫(LRF),可以通過實驗方式獲得相應的數(shù)據(jù)，具體實施方式可以依據(jù)技術方案中介紹，不再贅述。圖5顯示了本發(fā)明光電倍增管陣列的一種最佳分布方式，其采用圓形的晶體和與該晶體形狀相應的圓形光電倍增管陣列，并且其中相鄰的光電倍增管位于等邊三角形的三個角上，即設置三組相互交角為60度的等間距平行線，將各光電倍增管分別置于這些平行線的交叉點上。在這種陣列分布下，與任意一個光電倍增管(邊緣處的光電倍增管除外)相鄰的光電倍增管數(shù)量為6個，因此所述質心定位的計算對象為輸出值最大的光電倍增管和與該輸出值最大的光電倍增管等距離相鄰的6光電倍增管，下面以這種分布方式的光電倍增管陣列為例，說明本發(fā)明定位計算的幾個關鍵步驟，其他內容在前面所述的技術方案已有記載，不再贅述。(1)質心定位算法的非線性校正表的生成。假定經過非線性校正后的y光子事件的位置Og,^)是校正前y光子事件位置(&,尺)的函數(shù)，即&=/2(^,兀.)(i)利用標定實驗，將這兩組相互對應的數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合，就可以獲得到./,，/2，存儲在系統(tǒng)中。通常可以將(&,凡,)和^,尺.)對應地以表的形式存儲在只讀存儲器中，稱為矯正表或查找表(lookuptable),校正時采用xe,yc的值進行尋址。為降低對只讀存儲器的要求，常采用內插法確定更精確的偏移值。(2)兩維最大似然定位法中的LRF的生成以圖5所示的光電倍增管陣列為例，在正六邊形光電倍增管集合10的外切長方形區(qū)域11上每隔lcm移動一次點源，得到每個光電倍增管的輸出對點源位置的響應，然后應用最小二乘曲線擬合和三次樣條插值得到光電倍增管集合11的LRF，結果如圖3所示。(3)當一個y光子碰撞事件發(fā)生后，我們首先找出輸出值最大的那個光電倍增管，然后選擇以這個光電倍增管為中心的七個光電倍增管組成的正六邊形集團為實施質心引導的最大似然定位算法的對象，把該正六邊形集團內的光電倍增管的7個輸出帶入質心算法的公式然后把通過公式(2)計算得到的結果(xt,A)帶入公式(1)，得到經過非線性校正后的結果(&,乂,，)，但是非線性校正后的定位結果仍然有一定的偏差，記為(A,,Ay),這樣就可以把兩維最大似然定位的解的搜索范圍限制在A,，凡,-△,,)—),即圖4中的黑色方框12。在這個搜索范圍內搜索滿足如下方程的解就是此次y光子事件的作用位置點。理論上，最大似然定位算法的核心是貝葉斯后驗估算方法，解出來的點是最大可能的精確解。實驗表明，經過質心定位法及非線性校正后，解的搜索范圍縮小到單純只用最大似然定位算法的0.4%，在這么小的搜索范圍內，采用最簡單的窮舉搜索就可以很快的得到精度很高的定位結果。根據(jù)實際需要，還可以采用其他結構的晶體和其他結構的光電倍增管陣列，盡管圖5所示的實施例是一種較優(yōu)的選擇，但本方法不限于圓形光電倍增管和圓形晶體，可以包括諸如方形晶體和方形光電倍增管，以及其它形狀的晶體和光電倍增管，本發(fā)明中選擇在很大的光電倍增管陣列中選擇一個基本單元2作為描述定位方法的基礎,權利要求1.一種單光子斷層成像方法，其特征在于通過光電倍增管陣列采集γ光子在閃爍晶體上碰撞產生的熒光信號，通過數(shù)據(jù)采集模塊將該熒光信號轉換為熒光數(shù)字信號送入定位模塊進行定位計算，形成定位數(shù)據(jù)并將全部有效的定位數(shù)據(jù)轉換為圖像，所述定位計算中采用的算法是質心引導的最大似然定位算法，先用質心法計算出γ光子碰撞事件發(fā)生的位置，再在選定范圍內用局部二維最大似然法進行精確的估計，形成該γ光子碰撞事件的定位數(shù)據(jù)。2.如權利要求1所述的單光子斷層成像方法，其特征在于所述定位計算的計算過程是(1)確定質心定位的計算區(qū)域在光電倍增管陣列接到一個焚光信號后，找出輸出值最大的光電倍增管，以該光電倍增管為中心選定一個質心定位的計算區(qū)域；(2)采用質心定位算法計算y光子碰撞事件的位置；(3)對上述坐標值Xe和y。進行非線性校正，獲得校正后的x坐標值xlU和y坐標值ynl;(4)確定局部二維最大似然定位的搜索范圍選取非線性校正后坐標值xnl和ynl的偏差范圍Ax和Ay,確定局部二維最大似然定位的搜索范圍為(xnl-Ax，ynl-Ay)-_(xnl+Ax，ynl+Ay)(5)進行局部二維最大似然定位計算，獲得位置坐標在上述搜索范圍內搜索滿足下列方程組的坐標值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中Mi為搜索范圍內第i個光電倍增管的輸出值，Si(x)是第i個光電倍增管的光響應函數(shù)，該方程組的解就是所需的/光子碰撞事件的位置坐標值。3.如權利要求2所述的單光子斷層成像方法，其特征在于所述定位計算的計算區(qū)域包括輸出值最大的光電倍增管和與該輸出值最大的光電倍增管相鄰的各光電倍增管。4.如權利要求2所述的單光子斷層成像方法，其特征在于所述非線性校正的方法是采用標定實驗確定質心定位法計算出來的坐標值與標定實驗中確定的坐標值之間的對應關系或函數(shù)關系，根據(jù)該對應關系或函數(shù)關系對依據(jù)質心定位法計算出來的y光子碰撞事件坐標值進行校正。5.如權利要求2所述的單光子斷層成像方法，其特征在于所述光電倍增管光響應函數(shù)通過試驗方式獲得在選定的區(qū)域內移動光源，使光源置于不同的位置上，測得選定區(qū)域內每個光電倍增管的輸出值對光源位置的響應，然后應用最小二乘曲線擬合和三次樣條插值，獲得該區(qū)域內光電倍增管集合的光響應函數(shù)。6.如權利要求1、2、3、4或5所述的單光子斷層成像方法，其特征在于所述光電倍增管陣列的排列方式是相鄰光電倍增管位于等邊三角形的三個角上。7.—種單光子斷層成像系統(tǒng)，其特征在于包括閃爍晶體、光電倍增管陣列、數(shù)據(jù)采集模塊、定位模塊以及成像模塊，所述閃爍晶體用于接收Y射線，并在Y光子碰撞位置上形成熒光，所述數(shù)據(jù)采集模塊位于所述閃爍晶體的后面，用于接收該熒光信號并將其轉化為熒光數(shù)值信號，送入定位模塊，所述定位模塊采用質心引導的最大似然定位算法進行定位計算，先用質心法計算出Y光子碰撞事件發(fā)生的位置，再在選定的搜索范圍內用局部二維最大似然法進行精確的估計，形成該Y光子碰撞事件的定位數(shù)據(jù)，所述成像模塊接收所述定位模塊的各Y光子碰撞事件定位數(shù)據(jù)并將其轉化成圖像。8.如權利要求7所述的單光子斷層成像系統(tǒng)，其特征在于還設有預存了非線性校正用矯正表或查找表和光電倍增管陣列光響應函數(shù)的只讀存儲器，所述定位模塊包括質心定位方法模塊、非線性校正控制模塊、質心引導定位方法控制模塊和質心引導定位方法實施模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊形成的焚光數(shù)字信號經過質心定位方法模塊的質心定位計算后得到初步的定位結果，該初步的定位結果進入非線性校正控制模塊，由所述非線性校正控制模塊運算后輸出地址信號，根據(jù)該地址信號從非線性校正模塊進行非線性校正，其校正數(shù)據(jù)從預存在只讀存儲器中的校正標或查找表中獲到，然后輸出經過校正后的定位結果，經過非線性校正后的定位結果輸入質心引導定位方法控制模塊以便得到搜索范圍信號，讀取預存在只讀存儲器中的光響應函數(shù)表中處于搜索范圍內的光響應函數(shù)數(shù)據(jù)，將該光響應函數(shù)表數(shù)據(jù)輸入質心引導定位方法實施模塊，結合起初采集的熒光數(shù)據(jù)信號，通過局部二維最大似然法計算獲得最后的定位結果。9.如權利要求1所述的單光子斷層成像系統(tǒng)，其特征在于所述定位計算的計算過程是(1)確定質心定位的計算區(qū)域在光電倍增管陣列接到一個熒光信號后，找出輸出值最大的光電倍增管，以該光電倍增管為中心選定一個質心定位的計算區(qū)域；(2)采用質心定位算法計算Y光子碰撞事件的位置；(3)對上述坐標值x。和y。進行非線性校正，獲得校正后的x坐標值xnl和y坐標值ynl5(4)確定局部二維最大似然定位的搜索范圍選取非線性校正后坐標值xnl和yn,的偏差范圍Ax和A,確定局部二維最大似然定位的搜索范圍為(xnl_Ax，ynl-Ay)--(xnl+ynl+Ay)(5)進行局部二維最大似然定位計算，獲得位置坐標在上述搜索范圍內搜索滿足下列方程組的坐標值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中Mi為搜索范圍內第i個光電倍增管的輸出值，Si(x)是第i個光電倍增管的光響應函數(shù)，該方程組的解就是所需的y光子碰撞事件的位置坐標值。10.如權利要求7、8或9所述的單光子斷層成像系統(tǒng)，其特征在于所述光電倍增管陣列的排列方式是相鄰光電倍增管位于等邊三角形的三個角上。全文摘要本發(fā)明涉及一種單光子斷層成像方法和一種單光子斷層成像系統(tǒng)，該方法通過光電倍增管陣列采集γ光子在閃爍晶體上碰撞產生的熒光信號，通過數(shù)據(jù)采集模塊將該熒光信號轉換為熒光數(shù)字信號送入定位模塊進行定位計算，形成定位數(shù)據(jù)并將全部有效的定位數(shù)據(jù)轉換為圖像，所述定位計算中采用的算法是質心引導的最大似然定位算法，先用質心法計算出γ光子碰撞事件發(fā)生的位置，再在選定范圍內用局部二維最大似然法進行精確的估計，形成該γ光子碰撞事件的定位數(shù)據(jù)；該系統(tǒng)包括閃爍晶體、光電倍增管陣列、數(shù)據(jù)采集模塊、定位模塊以及成像模塊。本發(fā)明的定位精度與最大似然定位法相近，并且大幅度縮短了計算時間，大幅度降低了對計算機的硬件和存儲空間的要求。文檔編號A61B6/03GK101449980SQ200810247569公開日2009年6月10日申請日期2008年12月30日優(yōu)先權日2008年12月30日發(fā)明者包尚聯(lián),曹文田,蔡白銀申請人:北京海思威科技有限公司