[发明专利]一种基于STFT的PET系统符合时间分辨率提升方法

说明书

本发明公开了一种基于STFT的PET系统符合时间分辨率提升方法，该方法通过在特定位置设置点源获取波形数据，再通过短时傅里叶变换(STFT)获取短时频域振幅信息，之后进行训练、验证与测试集的划分，并采用残差模块与全连接层组成的残差神经网络模型进行训练，实现了对PET系统TOF时间的估计。本发明利用蒙特卡洛模拟实验对波形数据进行STFT变换获得短时频域振幅信息后，再使用划分好的训练集训练残差神经网络模型，并在验证集上进行测试获得训练好的模型，最终通过测试集验证了相比传统CFD方法，基于STFT的模型进行TOF时间估计的准确度和对PET系统符合时间分辨率的提升效果。

技术领域

本发明属于PET成像技术领域，具体涉及一种基于STFT的PET系统符合时间分辨率提升方法。

背景技术

正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，PET)系统是一种通过将生命体代谢必备的物质进行标记后，注入到生物体内进行检测从而达到诊断目的的核医学成像技术，这些已标记放射性核素的特定药物通常被称为示踪剂，常用的示踪剂包括了¹⁸F、¹¹C、¹⁵O等等。在生物体进行代谢时，核素有概率发生衰变并释放出正电子，正电子在经历较短时间的漂移后则会与周围的负电子发生湮灭反应，产生两个方向相反、能量相等的γ光子对；随后，光子对将被由闪烁晶体与探测器组成的探测系统检测到并转换为电信号输入电路中，在经过一定的信号处理后即可得到生命活动中放射性物质的浓度、位置以及时间信息。

更进一步地，如果可以确定两个γ光子到达探测器的时间差，通过时差信息计算获得湮灭地点的确切位置，这种PET探测系统被称为飞行时间(Time of Flight，TOF)PET系统，然而TOF-PET系统对时间有较高的要求。在实际情况中，γ光子的探测存在以下误差：①转化深度，γ光子在进入晶体后，会传播一段距离再被吸收；②晶体闪烁过程，晶体在闪烁发光的过程中，存在上升时间与衰减时间；③传输时间，光子从晶体出射到光电探测器前所用的时间；④光电探测器的单光子分散时间。这些信息最终蕴含在了光电探测器的波形中。

目前，对光电探测器波形的定时方法主要是文献《Signal processing forpicosecond resolution timing measurements》(Genat,JF等2009年6月11日发表在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment期刊607卷2期387-393页)中所提到的以下两种方法：

前沿定时方法；该方法首先设定一定电压阈值V_th，将一对波形首次超过该阈值时的时间t₁、t₂作为光子到达时间，二者作差获得TOF时间。

恒比定时方法；该方法将阈值V_th设置为波形最大值的百分比，同样将一对波形首次超过该阈值的时间t₁、t₂作为光子到达时间，二者作差获得TOF时间。

恒比定时方法除了上面提到的以外，还有文献《Neural network-featuredtiming systems for radiation detectors：performance evaluation based on boundanalysis》(Ai，P等人于2021年9月发表在Journal of Instrumentation期刊16卷9期09-19页)中所提到的过零恒比定时方法和插值恒比定时方法。

过零恒比定时方法；该方法将每个波形复制为两组，对第一组波形乘以百分比进行缩放，对第二组波形乘以负号并进行延时，之后将两组波形相加获得最终波形，该波形的过零点被视为光子到达时间，最后将一对波形分别进行过零恒比定时得到t₁、t₂，二者作差获得TOF时间。