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CN111595874A - 一种动态定量成像的整环spect/能谱ct - Google Patents

一种动态定量成像的整环spect/能谱ct Download PDF

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CN111595874A CN201910129705.6A CN201910129705A CN111595874A CN 111595874 A CN111595874 A CN 111595874A CN 201910129705 A CN201910129705 A CN 201910129705A CN 111595874 A CN111595874 A CN 111595874A
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曹红光
崔志立
罗宇舟
李运祥
罗杰
何海龙
付天坤
高建
张有为
胡艳涛
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Shanghai University of Medicine and Health Sciences
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Abstract

本发明涉及检测设备技术领域，具体涉及一种动态定量成像的整环SPECT/能谱CT；包括CT成像系统、数据预处理、探测器校正和参数处理；本发明利用参数处理快速获取优化的CT或SPECT成像系统曝光参数，减少人工依赖，提高图像质量；通过探测器校正解决CT或SPECT由于光照不均匀会造成的图像失真，并在成像过程中把这些造成图像失真的效应修正掉,取得预期想要的成像结果；通过探测器校正解决探测器异常导致检测结果不准，数据不准确等问题；数据预处理可预防无效数据影响检测结果，采用整环光子流探测器加可移动多针孔准直的独特设计，有效实现了静止成像的高灵敏数据获取、高精度动态定量检测、高分辨病灶鉴别、高融合结构与功能评价、高准确定位与实时分子成像。

Description

一种动态定量成像的整环SPECT/能谱CT
技术领域
本发明涉及检测设备技术领域，具体涉及一种动态定量成像的整环SPECT/能谱CT。
背景技术
常规CT中球管产生的X射线具有连续的能量分布，多能谱CT (Multi-energy/spectral CT) 成像就是利用物质在不同X射线能量下产生的不同的吸收来提供比常规CT更多的影像信息。常规CT中球管产生的X射线具有连续的能量分布，多能谱CT (Multi-energy/spectral CT) 成像就是利用物质在不同X射线能量下产生的不同的吸收来提供比常规CT更多的影像信息。其主要的优势在于：1）分离不同能量的信息，提高图像质量；有效地抑制射束硬化伪影和降低辐射剂量，有助于对常规CT难以定性的小病灶和组织进行定性和定量诊断；2）利用K边缘成像，降低辐射或造影剂剂量；通过对K边缘特性的高原子序数造影剂的识别，满足高危患者使用更少造影剂的要求。；3）利用多能谱特性，提高软组织对比度；改进组织中质量衰减系数相近的软组织对比度，增加在较低能量区的软组织对比度。
人们不仅对分子影像设备希望同时具有多种功能特性，获取不同组织、不同代谢、不同功能、不同模态在相同生理与病理状态下的定量显像信息。针对转化医学与精准医学的需求，分子靶向药物研究与临床应用探索有着巨大的发展空间。由于神经精神探索、肿瘤诊疗、心脑血管疾病评价等应用的需求差异较大，期望更为灵敏而特异地量化显示生物体空间功能分布的特性和时间动态的瞬间变化，因此，对多模态分子影像设备的设计提出了更为复杂的要求。实际上，能谱CT精准定位及组织分辨与单光子核素动态定量成像及分析，在准确获得器官或组织生理学特征及在受体配体结合及靶向药物效果评价中意义更为重大。
自从Ｘ射线应用至医学以来，尤其是随着CT的普及，极大地促进了诊疗水平的提高，因此对于如何提供一种动态定量成像的整环SPECT/能谱CT用于解决现有CT系统无法实现动态定量成像，探测器异常导致检测结果不准，数据不准确等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，用于解决解决CT或SPECT由于光照不均匀会造成的图像失真，其曝光参数依赖人工计算，探测器异常导致检测结果不准，数据不准确等问题。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，包括CT或SPECT，所述CT或SPECT采用整环光子流探测器加可移动多针孔准直设计；其特征在于，包括CT成像系统、数据预处理、探测器校正和参数处理；所述CT或SPECT的探测器首先进行参数处理设置曝光参数，然后对待测物体发射X线光束，用X线束对人体检查部位一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，通过所述探测器校正对探测器校正处理，在转变为可见光后，由光电转换器转变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字信号，对数字信号进行所述数据预处理后输入计算机指令所述CT成像系统处理后生成检测结果。
优选的，所述参数处理中，设CT或SPECT扫描时被探测器接收到的射线能谱为S(E)，对应的射线源电压为kVp，电流为 mA，曝光强度为I，曝光时间为 s，单位时间的光子数为 N，则辐射量Ｒd为:
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
则，
式中: mAs 是电流mA与曝光时间s 的乘积，用于表示曝光量，
Fi是与S(E) 相关的系数。
优选的，所述探测器的线性输出响应范围[Gmin，Gmax]内，探测器的输出图像灰度g与探器接收到的辐射量Ｒd成正比，gmax和gmin分别为实际扫描图像的最大、最小灰度。
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
优选的，当Ｒd=0时，探测器输出nd，令q代表探测器对Ｒd的转换效率，则g与Ｒd之间的关系为：
在［Gmin，Gmax］范围内，所述CT或SPECT 成像系统的曝光参数模型可表示为:
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
。
优选的，所述探测器校正包括暗图校正、平场效应校正和缺陷像素校正，所述探测器校正对探测器固有的缺陷进行校正。
优选的，所述暗图校正中，具体是扣除不加光照时的本底图像即，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
其中f(x,y)和f2(x,y)分别为暗图像剔除前后的像素值,为多次采集的本底暗图像平均值。
优选的，所述平场效应校正把像素灰度值映射到像素点上接收到的X光照强度,使所有像素点的响应变成一致,实现探测器整体的均匀性响应。
优选的，所述缺陷像素校正针对找出的缺陷像素点,校正时其像素值用其近邻4个像素值的平均值来替代。
优选的，所述CT成像系统根据被测物体不同构造对X射线的吸收程度不同，通过测定X射线在被测物体内的衰减系数，采用数学方法，并经计算机处理，求解衰减系数值在立木断层上的二维分布矩阵，并应用电子技术将其变换为人眼可见的灰度图像。
优选的，所述CT包括X射线管、快门、控制电路、工作台、探测器、图像采集卡和计算机，所述X射线管和快门通过所述控制电路与所述计算机相连，所述计算机控制所述控制电路、工作台和图像采集卡。
本发明的有益效果为：
本发明利用参数处理快速获取优化的CT或SPECT成像系统曝光参数，减少人工依赖，提高图像质量；通过探测器校正解决CT或SPECT由于光照不均匀会造成的图像失真，并在成像过程中把这些造成图像失真的效应修正掉,取得预期想要的成像结果；通过探测器校正解决探测器异常导致检测结果不准，数据不准确等问题；数据预处理可预防无效数据影响检测结果，采用整环光子流探测器加可移动多针孔准直的独特设计，有效实现了静止成像的高灵敏数据获取、高精度动态定量检测、高分辨病灶鉴别、高融合结构与功能评价、高准确定位与实时分子成像，为分子影像动态定量检测的临床推广及精准医学的转化应用提供有效而实用的技术手段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明SPECT/CT的结构示意图；
图2是本发明的探测器校正原理框图；
图3是本发明的探测器校正结果曲线图；
图中的标号分别代表：
1、计算机；2、控制电路；3、X射线管；4、快门；5、工作台；6、待测物；7、图像采集卡；8、探测器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开了一种动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，包括CT或SPECT，其特征在于，包括CT成像系统、数据预处理、探测器校正和参数处理；所述CT或SPECT的探测器首先进行参数处理设置曝光参数，然后对待测物体发射X线光束，用X线束对人体检查部位一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，通过所述探测器校正对探测器校正处理，在转变为可见光后，由光电转换器转变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字信号，对数字信号进行所述数据预处理后输入计算机指令所述CT成像系统处理后生成检测结果。
如图1所示CT包括X射线管3、快门4、控制电路2、工作台5、探测器8、图像采集卡7和计算机1，所述X射线管3和快门4通过所述控制电路2与所述计算机1相连，所述计算机1控制所述控制电路2、工作台5和图像采集卡7。
具体的SPECT/CT主要的系统配置有:微聚束光斑X射线管,峰值可调电压为0.5-50 kVp,电流0- 1mA; X探测器采用的是CMOS数字平板探测器,其分辨率是50微米,灵敏面积是12cm× 12cm。此外在X射线管和样本中间加入一个机械快门来控制曝光时间、减少对成像样本的无效照射。
实施例2
本实施例的参数处理中，设CT或SPECT扫描时被探测器接收到的射线能谱为S(E)，对应的射线源电压为kVp，电流为 mA，曝光强度为I，曝光时间为 s，单位时间的光子数为 N，则辐射量Ｒd为:
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE018
则，
式中: mAs 是电流mA与曝光时间s 的乘积，用于表示曝光量，
Fi是与S(E) 相关的系数。
所述探测器的线性输出响应范围[Gmin，Gmax]内，探测器的输出图像灰度g与探器接收到的辐射量Ｒd成正比，gmax和gmin分别为实际扫描图像的最大、最小灰度。
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
优选的，当Ｒd=0时，探测器输出nd，令q代表探测器对Ｒd的转换效率，则g与Ｒd之间的关系为：
在［Gmin，Gmax］范围内，所述CT或SPECT 成像系统的曝光参数模型可表示为:
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
。
如图3所示对于实际CT或SPECT成像系统，在探测器的线性输出响应范围［Gmin，Gmax］内，探测器的输出图像灰度g与探测器接收到的辐射量Ｒd成正比，gmax和gmin分别为实际扫描图像的最大、最小灰度。但是，由于暗电流的存在，当Ｒd=0时，探测器仍然会有一定量的输出nd，因此利用本实施的技术方案可以予以解决。
实施例3
本实施例的探测器校正（参见图2）包括暗图校正、平场效应校正和缺陷像素校正，所述探测器校正对探测器固有的缺陷进行校正。
所述暗图校正中，具体是扣除不加光照时的本底图像即，
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
其中f(x,y)和f2(x,y)分别为暗图像剔除前后的像素值,为多次采集的本底暗图像平均值。
所述平场效应校正把像素灰度值映射到像素点上接收到的X光照强度,使所有像素点的响应变成一致,实现探测器整体的均匀性响应。
所述缺陷像素校正针对找出的缺陷像素点,校正时其像素值用其近邻4个像素值的平均值来替代。
本发明CT成像系统根据被测物体不同构造对X射线的吸收程度不同，通过测定X射线在被测物体内的衰减系数，采用数学方法，并经计算机处理，求解衰减系数值在立木断层上的二维分布矩阵，并应用电子技术将其变换为人眼可见的灰度图像。
本发明利用参数处理快速获取优化的CT或SPECT成像系统曝光参数，减少人工依赖，提高图像质量；通过探测器校正解决CT或SPECT由于光照不均匀会造成的图像失真，并在成像过程中把这些造成图像失真的效应修正掉,取得预期想要的成像结果；通过探测器校正解决探测器异常导致检测结果不准，数据不准确等问题；数据预处理可预防无效数据影响检测结果。
SPECT/能谱CT采用整环光子流探测器加可移动多针孔准直的独特设计，有效实现了静止成像的高灵敏数据获取、高精度动态定量检测、高分辨病灶鉴别、高融合结构与功能评价、高准确定位与实时分子成像，为分子影像动态定量检测的临床推广及精准医学的转化应用提供有效而实用的技术手段
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，包括CT或SPECT，所述CT或SPECT采用整环光子流探测器加可移动多针孔准直设计；其特征在于，包括CT成像系统、数据预处理、探测器校正和参数处理；所述CT或SPECT的探测器首先进行参数处理设置曝光参数，然后对待测物体发射X线光束，用X线束对人体检查部位一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，通过所述探测器校正对探测器校正处理，在转变为可见光后，由光电转换器转变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字信号，对数字信号进行所述数据预处理后输入计算机指令所述CT成像系统处理后生成检测结果。
2.根据权利要求1所述的动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，其特征在于，所述参数处理中，设CT或SPECT扫描时被探测器接收到的射线能谱为S(E)，对应的射线源电压为kVp，电流为 mA，曝光强度为I，曝光时间为 s，单位时间的光子数为 N，则辐射量Ｒd为:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
则，
式中: mAs 是电流mA与曝光时间s 的乘积，用于表示曝光量，
Fi是与S(E) 相关的系数。
3.根据权利要求2所述的动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，其特征在于，所述探测器的线性输出响应范围[Gmin，Gmax]内，探测器的输出图像灰度g与探器接收到的辐射量Ｒd成正比，gmax和gmin分别为实际扫描图像的最大、最小灰度。
4.
Figure DEST_PATH_IMAGE008
根据权利要求2所述的动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，其特征在于，当Ｒd=0时，探测器输出nd，令q代表探测器对Ｒd的转换效率，则g与Ｒd之间的关系为：
在［Gmin，Gmax］范围内，所述CT或SPECT 成像系统的曝光参数模型可表示为:
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
5.根据权利要求1所述的动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，其特征在于，所述探测器校正包括暗图校正、平场效应校正和缺陷像素校正，所述探测器校正对探测器固有的缺陷进行校正。
6.
Figure DEST_PATH_IMAGE012
根据权利要求5所述的动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，其特征在于，所述暗图校正中，具体是扣除不加光照时的本底图像即，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
其中f(x,y)和f2(x,y)分别为暗图像剔除前后的像素值,为多次采集的本底暗图像平均值。
7.根据权利要求5所述的动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，其特征在于，所述平场效应校正把像素灰度值映射到像素点上接收到的X光照强度,使所有像素点的响应变成一致,实现探测器整体的均匀性响应。
8.根据权利要求5所述的动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，其特征在于，所述缺陷像素校正针对找出的缺陷像素点,校正时其像素值用其近邻4个像素值的平均值来替代。
9.根据权利要求1所述的动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，其特征在于，所述CT成像系统根据被测物体不同构造对X射线的吸收程度不同，通过测定X射线在被测物体内的衰减系数，采用数学方法，并经计算机处理，求解衰减系数值在立木断层上的二维分布矩阵，并应用电子技术将其变换为人眼可见的灰度图像。
10.根据权利要求1所述的动态定量成像的整环SPECT/能谱CT，其特征在于，所述CT包括X射线管、快门、控制电路、工作台、探测器、图像采集卡和计算机，所述X射线管和快门通过所述控制电路与所述计算机相连，所述计算机控制所述控制电路、工作台和图像采集卡。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113509651A (zh) * 2021-07-21 2021-10-19 苏州雷泰医疗科技有限公司 一种具备能谱ct功能的直线加速器、控制方法及存储介质

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