本發明涉及一種spect成像方式，特別涉及一種在不改變錐形束spect檢測器準直器孔徑大小的前提下提高成像分辨率的方法，屬于醫學圖像重建領域。

背景技術：

單光子發射計算機斷層成像(singlephotonemissioncomputedtomography,spect)是核醫學的一項重要技術，目前在臨床上有廣泛的應用。在單光子發射斷層成像中，放射性示蹤劑被注入到病人體內，根據示蹤劑在人體內分布，重建其在人體內的密度分布圖像，該圖像能夠直觀反映人體器官新陳代謝水平的高低，從而實現功能成像的目的，對于疾病的早期診斷具有重要的意義。

在spect中，放射性示蹤劑通過輻射γ光子，穿過人體后被檢測器檢測，最終重建得到斷層圖像。在spect中，檢測器的準直器孔徑是限制圖像空間分辨率和靈敏度的關鍵因素。準直器孔徑越小，圖像的空間分辨率越高，但接收到的γ光子數量越少，靈敏度越低，成像質量會變差。準直器孔徑越大，接收到的γ光子數量越多，靈敏度越高，但圖像的空間分辨率越低，成像質量也會變差。

超分辨率重建是從多幅低分辨率圖像重建出高分辨率圖像。作為一種有效的提高圖像分辨率的方法，它已經被廣泛應用于汽車牌照、遙感衛星，醫學成像等領域。近年來超分辨率重建被應用到磁共振、ct、pet、spect成像領域，以提高圖像分辨率，但這些方法主要應用在圖像域或平行及扇形檢測器投影重建領域。

錐形投影spect系統與傳統的平行束及扇形束spect相比，具有高分辨率的特點，有利于對小目標進行檢測及重建，錐形束投影重建和超分辨率重建相結合，將會極大提高spect的成像分辨率。

技術實現要素：

為了解決單光子發射計算機斷層成像(singlephotonemissioncomputedtomography,spect)分辨率低的問題，本發明公開的一種提高錐形束spect成像分辨率的方法要解決的技術問題是提供一種提高成像分辨率的方法，在不改變檢測器中準直器孔徑大小的前提下，提高spect圖像的分辨率。

本發明是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的一種提高錐形束spect成像分辨率的方法，包括如下步驟：在不改變檢測器中準直器孔徑大小的前提下進行低分辨率投影圖采集；由于多幅低分辨率圖像都對每個角度同一目標進行成像，但相互之間又包含不同的投影數據信息，通過對采集到的多幅低分辨率投影圖像的數據信息進行處理，得到每個角度下的高分辨率投影數據；由此能夠從多幅低分辨率投影圖像中重建出高分辨率spect圖像，即提高重建spect圖像的分辨率。

所述的重建出高分辨率spect圖像方法可選用解析法或迭代法。

本發明公開的一種提高錐形束spect成像分辨率的方法，包括如下步驟：

步驟一、低分辨率投影圖采集。在不改變檢測器中準直器孔徑大小的前提下，檢測器繞物體進行旋轉，每次旋轉角度，n為檢測器繞物體旋轉的次數。在每個角度下，分別在其所在位置平面測得一組投影數據，每組投影數據包含m個投影數據。單個旋轉角度測量每組m個投影數據結束后，檢測器繞物體繼續旋轉角度，進行下一個角度測量，直至2π范圍內的n個角度都測量完畢。

步驟一中單個旋轉角度測量每組m個投影數據的具體采集方法通過方法1或方法2實現。

方法1：檢測器在其所在的平面內繞檢測器中心旋轉，共需要旋轉m次，每次旋轉后采集單個投影數據，并記錄每次旋轉的角度。

所述的檢測器在其所在的平面內繞檢測器中心旋轉的旋轉角度為固定角度均勻旋轉或不固定角度非均勻旋轉，優選在設定的角度θ范圍內均勻旋轉m個角度，即每次旋轉角度，為避免像素點之間重合，設定的角度范圍θ進一步優選為

方法2：檢測器中心每次需平移預設的距離，共需要平移m次，每次平移后采集單個投影數據，并記錄每次平移的距離。

每次平移的距離優選檢測器中心每次平移高分辨率圖像一個像素大小的距離。

步驟二、對步驟一中檢測器繞物體進行旋轉，每次旋轉角度，每個角度下采集到的m幅低分辨率圖像進行處理，由于多幅低分辨率圖像都對同一目標進行成像，但相互之間又包含不同的投影數據信息，由此得到每個角度下的高分辨率投影數據。

步驟三、根據步驟二得到的高分辨率投影數據重建出高分辨率spect圖像。

由于步驟一中多幅低分辨率投影圖像都對同一目標進行成像，但相互之間又包含不同的投影數據信息，由此能夠得到高分辨率投影圖像，相應的重建圖像的分辨率也會相應的提高。由此能夠從多幅低分辨率投影圖像中重建出高分辨率spect圖像，因此能夠在不改變檢測器中準直器孔徑大小的前提下，提高spect圖像的分辨率。

步驟三中重建高分辨率spect圖像方法選用解析法或迭代法。

步驟一中所述的檢測器繞物體旋轉的次數n，以及在每個角度下分別在其所在位置平面測得的投影數據個數m與實際低分辨率圖像大小和需獲得的高分辨率圖像大小有關。若低分辨率檢測器分辨率為ls×ls個像素，目標獲得的高分辨率像素為hs×hs個像素，則m、n、hs、ls可由公式(1)、(2)、(3)給出。

n≥hs(1)

m≥de×de(3)

步驟二中所述的對每個角度下采集到的m幅低分辨率圖像進行處理，根據步驟一中檢測器繞物體進行旋轉，單個旋轉角度測量每組m個投影數據的兩種采集方法，有針對兩種采集方法的不同實現步驟，即分別針對方法1、方法2采集到的m幅低分辨率圖像進行處理的方法。

針對方法1中對檢測器繞物體旋轉后采集到的m幅低分辨率圖像進行處理的方法包括如下步驟：

記為檢測器繞自身旋轉的第i個角度下檢測器測量得到的低分辨率投影數據，phi為待求的檢測器繞自身旋轉的第i個角度下的高分辨率投影數據。

步驟2.1：以檢測器所在的平面建立坐標系，坐標系的中心為檢測器平面中心。對phi按建立的坐標系進行旋轉操作，共需要旋轉m次。設旋轉第i個角度后的高分辨率投影為ph(i+1)，則：

其中(x,y)為phi中像素點的坐標，(x',y')為ph(i+1)中像素點的坐標，γ為ph(i+1)相對于phi旋轉的角度。根據公式(4)算得的ph(i+1)中像素點的坐標(x',y')，由雙線性插值公式求得ph(i+1)中每個點的像素值。

步驟2.2：將每個低分辨率區域對應的高分辨率區域塊的所有像素點按照公式(5)疊加，即對ph(i+1)進行降采樣得到pl(i+1)。

步驟2.3：將經步驟2.2降采樣得到的低分辨率圖像與直接采集到的低分辨率圖像按照公式(6)進行比較，求得真實低分辨率投影與目前低分辨率率投影的差值δpl(i+1)。

步驟2.4：將經步驟2.3得到的對應像素點的差值乘以每次調節的步長作為調節權重，得到對高分辨率圖像的調節權重如公式(7)所示。

x'＝x×de+i(i＝0,1,2…(de-1))

y'＝y×de+i(i＝0,1,2…(de-1))

求得ph(i+1)中每個點的調節權重δph(i+1)，其中step為每次的調節步長，調節步長一般在0到1之間取值。

步驟2.5：由步驟2.4得到的調節權重δph(i+1)按照公式(8)更新ph(i+1)。

ph(i+1)＝ph(i+1)+δph(i+1)(8)

步驟2.6；回到步驟2.1進行下一次旋轉角度調節或進行下一次循環，直到達到要求的迭代結束條件，得到滿足投影分辨率要求的高分辨率投影圖像，結束迭代過程，即得到檢測器繞物體旋轉時單個角度下的高分辨率投影數據。

所述的迭代結束條件為：計算前后兩次迭代過程高分辨率圖像的差值的二范數，并與結束迭代閾值條件進行比較，從而確定是否結束迭代。所述的迭代閾值條件根據需要獲得的高分辨率投影精度而定。

針對方法2中對檢測器繞物體旋轉后采集到的m幅低分辨率圖像進行處理的方法包括如下步驟：

記為檢測器測量得到的低分辨率投影數據，phi為待求的檢測器中心第i次平移到預設的距離后高分辨率投影數據。

步驟2.7：以檢測器所在的平面建立坐標系，坐標系的中心為檢測器平面中心。對phi按建立的坐標系進行平移操作，共需要平移m次。設平移第i次后的高分辨率投影為ph(i+1)，則：

(x',y')＝(x,y)+(δx,δy)(9)

其中(δx,δy)為ph(i+1)中心相對于phi中心的位移。(x',y')和(x,y)分別為ph(i+1)和phi上的點。由公式(10)求得ph(i+1)中每個點的像素值。

ph(i+1)(x',y')＝phi(x0,y0)(10)

步驟2.8：按步驟2.2-步驟2.5對高分辨率圖像進行調節。

步驟2.9：回到步驟2.7進行下一次平移調節或進行下一次循環，直到達到要求的迭代結束條件，得到滿足投影分辨率要求的高分辨率投影圖像，結束迭代過程，即得到檢測器繞物體旋轉時單個角度下的高分辨率投影數據。

所述的迭代結束條件同步驟2.6里面的迭代結束條件，即所述的迭代結束條件為：計算前后兩次迭代過程高分辨率圖像的差值的二范數，并與結束迭代閾值條件進行比較，從而確定是否結束迭代。所述的迭代閾值條件根據需要獲得的高分辨率投影精度而定。

有益效果：

本發明公開的一種提高錐形束spect成像分辨率的方法，由于多幅低分辨率投影圖像都對同一目標進行成像，但相互之間又包含不同的信息，由此能夠根據步驟二的處理方法從多幅低分辨率投影圖像來獲取一幅高分辨率投影圖像，相應的重建圖像的分辨率也會相應的提高。因此能夠在不改變檢測器中準直器孔徑大小的前提下，提高spect圖像的分辨率。

附圖說明

圖1為錐形spect檢測器模型示意圖。

圖2為錐形檢測器繞物體旋轉采集示意圖。

圖3為檢測器所在平面坐標系示意圖，坐標系的中心為檢測器中心。

圖4為方法一中檢測器平面繞其自身平面中心旋轉示意圖。

圖5為方法二中檢測器中心每次移動位置示意圖。

圖6為理想高分辨率投影圖像與實際低分辨率投影圖像對應關系示意圖。

圖7為檢測器繞物體旋轉時單個角度下由多幅低分辨率投影圖像獲得高分辨率投影圖像流程圖。

圖8為由低分辨率投影圖像獲得高分辨率投影圖像時單次迭代調整過程示意圖。

圖9為二維線性插值坐標示意圖。

圖10為不同層原始圖像、真實模擬高分辨率投影圖fdk重建圖像、由低分辨率投影旋轉移動獲得高分辨率投影經fdk重建圖像、由低分辨率投影平行移動獲得高分辨率投影經fdk重建圖像以及低分辨率fdk重建圖像。其中檢測器中心位于物體44層，檢測器焦點到檢測器中心的距離為380個像素，焦點到物體中心的距離為310個像素。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明方法的實施方式做詳細說明。

實施例1：

檢測器繞物體旋轉的同時，其自身也需在其所在平面進行移動。本實例以低分辨率檢測器分辨率為32×32個像素，目標獲得的高分辨率像素為128×128，n＝128，m＝16，de＝4，為例進行說明，但是并不說明該發明僅限于這些條件，本發明中所涉及的范圍僅由權利說明書限定。

本實施例公開的一種針對錐形束spect超分辨率成像方法，其具體實施步驟如下：

步驟一、低分辨率投影圖采集。在不改變檢測器中準直器孔徑大小的前提下，檢測器繞物體進行旋轉，每次旋轉角度。圖1為錐形束spect檢測器模型示意圖，錐形束spect檢測器為一平板，且其所有準直器孔對應一個相同的焦點。被檢測物體位于檢測器及焦點中間，從物體發出的伽馬射線可以被檢測器接收。正常情況下，spect在進行采集時，檢測器平板需繞物體均勻旋轉一周。在旋轉過程中，檢測器會采集到不同角度下從物體內部發出的伽馬射線，根據各個角度下采集到的伽馬射線，我們就可以重建出物體內部的射線源強度分布。圖2為檢測器繞物體旋轉進行光子采集示意圖，實線為檢測器初始位置，虛線為檢測器繞物體旋轉一定角度到達的位置，檢測器焦點會繞著圖中的虛線圓旋轉一周。

在每個角度下，分別在檢測器所在位置平面測得一組投影數據，每組投影數據包含16個投影數據，單個旋轉角度測量每組16個投影數據結束后，檢測器繞物體繼續旋轉角度，進行下一個角度測量，直至2π范圍內的128個角度都測量完畢。單個旋轉角度測量每組16個投影數據具體采集方法通過方法1或方法2實現。

方法1：檢測器在其所在的平面內繞檢測器中心旋轉，在范圍內均勻旋轉16個角度，即每次旋轉角度，共需要旋轉16次，每次旋轉后采集單個投影數據，并記錄每次旋轉的角度。如圖3所示為檢測器平面及在其上面建立的坐標系示意圖，坐標系原點為檢測器中心位置。圖4為檢測器繞其自身中心在角度范圍內均勻旋轉示意圖。圖中實線為檢測器初始位置，虛線為檢測器每次旋轉一定角度后到達的位置。

方法2：檢測器中心每次平移高分辨率圖像一個像素大小的距離，共需要平移16次，每次平移后采集單個投影數據，并記錄每次平移的距離。檢測器中心移動位置如圖5所示。圖5中的小黑點為檢測器每次移動后的中心位置。

步驟二、對步驟一中檢測器繞物體進行旋轉，每次旋轉角度，每個角度下采集到的16幅低分辨率投影圖像進行處理，得到每個角度下的高分辨率投影數據。

步驟二中所述的每個角度下采集到的16幅低分辨率投影圖像進行處理，根據步驟一中檢測器繞物體進行旋轉，單個旋轉角度測量每組16個投影數據的兩種采集方法，有針對兩種采集方法的不同實現步驟，即分別針對方法1、方法2采集到的16幅低分辨率圖像進行處理的方法。

針對方法1中對檢測器繞物體旋轉后采集到的16幅低分辨率投影圖像進行處理的方法包括如下步驟：

記為檢測器繞自身旋轉的第i個角度下檢測器測量得到的低分辨率投影數據，phi為待求的檢測器繞自身旋轉的第i個角度下高分辨率投影數據。

圖6為理想高分辨率投影圖像與實際低分辨率投影圖像之間關系示意圖。在實際采集過程中，通過檢測器平面繞其自身旋轉，可以獲得圖中右邊每個角度下的低分辨率圖像。圖中標粗黑色方框代表高分辨率像素點與低分辨率像素點之間的對應關系。

圖7為由16幅32×32像素的低分辨率投影圖像獲得1幅128×128像素高分辨率投影圖像流程圖。

流程圖中初始高分辨率投影圖像獲得說明：

初始高分辨率圖像獲得選用下述兩種方法之一：(1)，對高分辨率圖像隨機賦值，此種方法在最終迭代后會有大量的隨機噪聲。(2)，由采集到的低分辨率圖像插值成高分辨率圖像大小，并將此圖像作為原始高分辨率圖像，此種方法在最終迭代后獲得高分辨率圖像較好，且收斂速度較快。

單次迭代說明：根據低分辨率圖像采集時每次旋轉的角度大小，高分辨率圖像繞其中心每次旋轉相同的角度，然后進行降采樣。此處降采樣的方法為：將每個低分辨率區域對應的高分辨率區域塊的所有像素疊加(如圖8所示：將高分辨率圖像每個加粗黑色方框內的所有像素值相加，作為對應低分辨率圖像中的一個像素值)。將經降采樣得到的低分辨率圖像與采集到的低分辨率圖像進行比較，將對應像素點的差值乘以每次調節的步長作為調節權重，對高分辨率圖像進行調節。

對應過程如圖8所示：(a)為高分辨率圖像，(b)為由高分辨率圖像經降采樣得到的圖像，(c)為實際采集到的低分辨率圖像，(d)為由(b)和(c)相減的差值得到的圖像，將得到的(d)作為調節依據，對原始高分辨率圖像(a)進行調節，最終得到調節后的高分辨率圖像(e)。然后獲得的(e)進入下一次調節過程。

迭代結束條件：迭代結束條件的表示有兩種方式，這兩種方式實質上是一樣的，(1)，通過計算圖8中(a)與(e)的差值的二范數并與結束迭代閾值條件進行比較，從而確定是否結束迭代。(2)，計算圖8中(d)矩陣的二范數并與結束迭代閾值條件進行比較，從而確定是否結束迭代。

步驟2.1：對phi按圖(3)所示建立坐標系進行旋轉操作，共需要旋轉16次。設旋轉第i個角度后的高分辨率投影為ph(i+1)，則根據公式(4)算得的ph(i+1)中像素點的坐標(x',y')，由線性插值公式(11)求得ph(i+1)中每個點的像素值。圖9為二維線性插值坐標示意圖。

步驟2.2：將每個低分辨率區域對應的高分辨率區域塊的所有像素按照公式(5)疊加，即對ph(i+1)進行降采樣得到pl(i+1)。

步驟2.3：將經步驟2.2降采樣得到的低分辨率圖像與直接采集到的低分辨率圖像按照公式(6)進行比較，求得真實低分辨率投影與目前低分辨率率投影的差值δpl(i+1)。

步驟2.4：將經步驟2.3得到的對應像素點的差值乘以每次調節的步長作為調節權重，得到對高分辨率圖像的調節權重如公式(7)所示。求得ph(i+1)中每個點的調節權重δph(i+1)，其中step為每次的調節步長，step＝1。

步驟2.5：由步驟2.4得到的調節權重δph(i+1)按照公式(8)更新ph(i+1)。

步驟2.6：回到步驟2.1進行下一次旋轉角度調節或進行下一次循環，直到達到要求的迭代結束條件，得到滿足投影分辨率要求的高分辨率投影圖像，結束迭代過程，即得到檢測器繞物體旋轉時單個角度下的高分辨率投影數據。

所述的迭代結束條件為：計算前后兩次迭代過程高分辨率圖像的差值的二范數，并與結束迭代閾值條件進行比較，從而確定是否結束迭代。所述的迭代閾值條件根據需要獲得的高分辨率投影精度而定。

針對方法2中對檢測器繞物體旋轉后采集到的16幅低分辨率投影圖像進行處理的方法包括如下步驟：

記為檢測器測量得到的低分辨率投影數據，phi為待求的檢測器中心第i次平移到預設的距離后高分辨率投影數據。

步驟2.7：對phi按圖(4)所示的坐標系進行平移操作，共需要平移16次。設平移第i次后的高分辨率投影為ph(i+1)，則根據公式(9)，(10)求得ph(i+1)中每個點的像素值。

步驟2.8：按步驟2.2-步驟2.5對高分辨率圖像進行調節。

步驟2.9：回到步驟2.7進行下一次平移調節或進行下一次循環，直到達到要求的迭代結束條件，得到滿足投影分辨率要求的高分辨率投影圖像，結束迭代過程，即得到檢測器繞物體旋轉時單個角度下的高分辨率投影數據。

所述的迭代結束條件同步驟2.6里面的迭代結束條件。

步驟三、根據步驟二得到的高分辨率投影數據根據fdk重建算法重建出高分辨率spect圖像。圖10為利用fdk重建算法對投影圖像重建所得結果。

以上結合具體實施例對本發明的技術方案和具體實施方式作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的范圍，這些僅是舉例說明，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，而不背離本發明的原理和實質。本發明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范圍。