對正電子發射斷層攝影的飛行時間測量中所利用的符合計時進行校準的制作方法

專利名稱：對正電子發射斷層攝影的飛行時間測量中所利用的符合計時進行校準的制作方法
對正電子發射斷層攝影的飛行時間測量中所利用的符合計時進行校準
下文涉及醫學成像系統。它特別應用于對這些系統進行校準。具體而
言，它涉及對飛行時間(TOF)測量中，例如那些與正電子發射斷層攝影 (PET)相關的飛行時間測量中利用的符合計時進行校正。
常規PET掃描器具有多個輻射探測器模塊。這些模塊被布置成便于將 對象進行這樣的定位使得這些模塊環繞該對象。將放射性藥物施予給對象 和/或由對象攝取。放射性藥物在對象體內產生輻射衰變事件，輻射衰變事 件發射正電子。正電子在行進相對短的距離后在電子-正電子湮滅事件中與 電子進行相互作用，產生兩束相反方向的伽馬射線。兩束相反方向的伽馬 射線被兩個不同輻射探測器模塊所探測，作為兩個基本同時的輻射探測事 件，在所述兩個輻射探測事件之間界定出響應線(LOR)。
每個輻射探測器模塊包括便于確定接收到每個事件的空間位置和每個 事件的能量，以及其他信息的電路。例如，每個輻射探測器模塊常常包括 一個或多個閃爍器，其能響應于每個伽馬射線探測產生成比例猝發或閃爍 的光。然而，關于如何快速將輻射轉換成光，在閃爍晶體之中存在多個時 間變化，這將各種時間延遲引入到光信號中。由于光轉換成電信號而引入 別的時間延遲。這些時間延遲通常隨著一種轉換設備到另一種轉換設備會 而改變。使用常規的PET掃描器，光電倍增管一般用于將光轉換成電信號。 與每種管相關的時間延遲可以隨著一種管到另一種管而有很大的改變。當 各種信號沿各導線傳播經過各放大器、各反應電路部件等到達對每個事件 進行數字化時間戳的點時，引入附加的各時間延遲。常規地，對每個通道 進行校準以補償貫穿時間延遲電路的這些延遲。
醫學成像領域中的各種技術優勢己經導致PET掃描器如今具有大約二
十五皮秒的時間分辨率并且未來預期更高的分辨率。在這種分辨率的情況 下，各時間延遲電路需要進行精確地校準。常規的各時間延遲校準技術往 往復雜并使用大量的數據通道，通常為好幾萬個通道。例如，在一種技術
中，通過環繞圓形路徑對線源進行旋轉并測量180度符合伽馬射線的相對 探測時間，可從時間上校準各飛行時間掃描器。該校準操作通常包括昂貴 且復雜的裝備。另外，如果使用不變的源，通常很難確定是響應線一端的 探測器慢還是另一端的探測器快，等等。此外，使時間差最小的各處理技 術趨向于尋找局部最小值而非絕對最小值，降低了校準精度。 因而，需要便于克服這些不足的改進的校準技術。
一方面，闡述了一種對成像系統進行校準的方法。該方法包括對來自 位于成像系統膛內的校準源的散射輻射事件進行符合探測。散射輻射事件 基本上用于計算成像系統中每個探測器通道的校準時間偏移量。然后用各 自的校準時間調整對每個探測器通道進行校準。
一個優勢包括為具有不變的源的TOF-PET掃描器精確校準探測器延遲時間。
另一優勢在于使用散射輻射為TOF-PET掃描器校準探測器延遲時間。 另一優勢存在于使用散射和180度相反符合輻射的組合為TOF-PET掃
描器提供改善的校準。
在閱讀并理解了各優選實施例的詳細描述后，其他別的優勢對于本領
域的普通技術人員而言將變得顯然。
各附圖僅是為了說明各實施例，并不應解釋為對權利要求的限制。

圖1示出了對PET掃描器的符合計時進行校準的方法； 圖2示出了示例性成像系統；
圖3示出了對PET掃描器的符合計時進行校準并隨后進行改善的方
法；
圖4示出了對PET掃描器的符合計時同時進行校準和改善的方法； 圖5示出了校準設置的圖形表示； 圖6示出了顯示計數與180度行偏差的直方圖； 圖7示出了顯示計數與180度行偏差的統計拉平直方圖。
圖1示出了對例如圖2中所示的成像系統IO進行校準的方法。校準技
術對例如那些與正電子發射斷層攝影(PET)相關的飛行時間(TOF)測量 中所利用的符合計時進行校正。
在附圖標記12中，將符合源14放置在PET掃描器10的成像區域16 (或膛)中。符合源可以是點源，例如散射柱(例如，塑料、鋼等)、散射 小球(scatter button)(例如，2.5cm直徑的Na-22塑料體積)等，或者是線 源。符合源可以固定在位或相對于膛移動。在一種情況下，符合源固定在 膛中心位置的周圍。在另一情況下，符合源固定在距膛中心已知偏移量的 位置。在18中，通過探測器陣列20的各探測器對符合散射輻射事件進行 探測。這些事件是彼此穿過膛的非180度相對的符合事件。這些事件起源 于電子-正電子湮滅事件，其中散射出一束或兩束伽馬射線并(例如，在時 間窗內)基本上同時被探測到。濾掉彼此相對180度的符合事件(非散射 事件)。例如，可使用反轉感興趣區域(ROI)濾波器或其他濾波器來過濾 非散射事件。
在22中，校準處理器24生成每個晶體相對于多個其他探測器的相對 探測時間直方圖。假設180度相反探測器接收直接輻射而非散射輻射。各 散射事件以光穿過已知距離到達各探測器的速度從源行進到每個探測器的 行進時間是已知的；如果源是處于膛中心的周圍，則行進時間基本相等， 而如果源與膛的中心有偏移量，則行進時間由于該偏移量而移動已知量。 該信息用于解釋時間直方圖。在26中，各探測器的延遲時間基于直方圖(例 如，各重心)進行校準以實現基本符合，并將延遲時間應用于多個探測通 道中每個的相應延遲電路28上。根據具體硬件實現的需要，可將各單獨探 測器"分組"成各個子集，例如靠近每個PMT管中心的組、所有給同一硬 件觸發通道發信號的組等。
在轉換器30對信號進行振幅數字化及加時間戳之前，管延遲電路28 從時間上移動模擬探測信號。或者，可將每個探測器通道的延遲時間存儲 在時間偏移量存儲器32中。成對探測器34或初步時間調整電路或處理器 根據校準處理器24為探測每個事件的探測通道所確定的延遲時間或時間偏 移量來調整每個事件的探測時間。或者，延遲或時間偏移量可沿掃描器探 測器和處理系統分布，或可應用于例如給每個事件加時間戳期間的其他點 上。通過知道每個探測器相對于大多數其他探測器的相對探測時間，使用
基本上任何差最小化技術可實現校準時間延遲或時間偏移量。適當的最小 化技術的示例包括最小二乘法、加權最小二乘法、回歸以及其他數學優化 技術。
再次參照圖2，醫學成像系統10包括圍繞成像區域16布置的多個輻射 探測器(例如，幾百個、幾千個等)環20以探測從成像區域16內發射出 的各輻射事件(例如，各伽馬射線)。正如所描繪出的，多個輻射探測器44 可布置在沿軸向的多個探測器環(例如，兩個、十個、 一百個等)上。掃 描器10還包括支撐機構70，其用于將患者或成像對象定位在成像區域60 內。在一些情況下，支撐機構70在一般橫穿輻射探測器20的軸向上可線 性移動，以便于采集三維成像數據。
在準備用掃描器IO進行成像的過程中，將適當的放射性藥物施予給將 被掃描的對象，并將該對象定位在成像區域16中。放射性藥物經歷放射性 衰變，這導致了正電子的發射。每個正電子與一個或多個附近的電子相互 作用并發生湮滅，這會產生兩束相反方向(180度)的伽馬射線，每束射線 具有大約511 keV的能量。兩束相反方向的伽馬射線可基本上同時，即符 合地撞擊相反的探測器，此時各伽馬射線的位置距該對探測器等距。由于 不同的行進距離，在各符合事件之間存在輕微的時間偏移量。
典型的探測器頭包括一個或多個閃爍晶體。每個閃爍晶體在由輻射事 件，例如從正電子湮滅中產生的伽馬射線撞擊時產生閃爍光。 一個或多個 光電探測器(未示出)，典型為光電倍增管接收每個晶體產生的光。每個光 電探測器將光轉換成代表性的電信號。每個探測器還可與提供信號放大、 濾波、調節等的本地和/或遠程處理電路(未示出)相關聯。如上所述，從 伽馬光子轉換成可見光子，和從光(可見光子)轉換成電信號以及任何其 他處理可將不同的時間延遲引入到每一個所得信號中。上述校準技術用于 調整延遲電路28或時間偏移量存儲器32以補償這些時間延遲。
電信號傳送給轉換器30，轉換器30對信號進行數字化并加時間戳。成 對探測器34識別屬于對應電子-正電子湮滅事件的基本同時或符合的伽馬 射線探測對。這一處理可包括例如能量加窗(例如，拋棄配置為大約511 keV 的選定能量窗之外的輻射探測事件)和符合探測電路(例如，拋棄彼此時 間上分離大于選定時間窗的輻射探測事件對)。
一旦識別出事件對，響應線(LOR)處理器72處理每對事件的空間信 息以識別連接兩個伽馬射線探測的空間LOR。由于正電子-電子湮滅而發射 的兩束伽馬射線在空間上方向相反，因此認為該電子-正電子湮滅事件發生 在LOR上的某處。在TOF-PET中，轉換器30的時間戳和輻射探測器20 具有足夠高的時間分辨率以探測兩個基本同時伽馬射線探測間的飛行時間 (TOF)差。TOF處理器74分析符合對中每個事件的時間之間的時間差， 以便沿LOR定位正電子-電子湮滅事件。任選地，在這一階段中可應用來 自時間偏移量存儲器72的時間偏移量。
大量正電子-電子湮滅事件所累積得到的結果包括一組組織投影 (histoprojection)。將各組織投影傳送給重建引擎76，由重建引擎76使用 適當的重建算法，例如濾波反向投影、帶校正的迭代反向投影等將各組織 投影進行重建以生成一幅或多幅圖像。
原始數據和/和各重建圖像被存儲在存儲器78中，并可顯示、打印、 歸檔、成片(film)、處理、轉送給其他設備，在監視器80上顯示等。放射 醫師或其他適當的臨床醫師可使用所述原始數據和/或重建圖像來控制 TOF-PET掃描器10、對對象進行診斷等。
應當領會到的是，上述處理以及其他處理可由一個或多個處理部件來 執行。因而，本文所述處理可由單個處理部件、多個單獨處理部件、多個 處理部的不同組合和/或它們的組合進行處理。
圖3示出了對TOF測量中所利用的符合計時進行校準并隨后進行改善 的方法。在40中，用于諸如PET的成像掃描器的探測器的延遲時間首先 根據如參照圖1描述的散射事件進行校準。例如，將符合源放置(例如， 在固定位置上)在膛(例如，在中心處或在距中心已知偏移量處)內，并 探測散射輻射事件。各非散射直方圖可用于測量實際的源位置。生成每個 晶體的相對探測時間的直方圖，并使用重心來校準每個探測器通道的延遲 時間。
在42中，探測彼此180度相反的直接(或非散射)符合事件。這些事 件不一定正好是180度相反。例如，可定義一范圍或窗(例如，具有一、 兩等級公差)，其中落在窗內的符合事件被認為是直接符合事件。如果掃描 器10運行在列表模式下，則直接符合事件可與散射事件同時進行收集并將
其進行存儲以供該改善的校準技術使用。類似于探測到的散射事件，如果 源在膛中心周圍，則成對事件的行進時間大約相等，并且如果源與膛的中
心有偏移量，則行進時間按大約偏移量發生移動。在44中，基于探測到的 直接相反符合事件來精細地調整校準延遲時間。這可通過各種統計偏差最 小化技術來實現。這些最小化技術往往査找不是全局極小值的局部極小值。 通過首先使用圖1中描述的散射輻射技術，使各探測器充分接近全局極小 值，基于直接符合事件數據使時間偏差最小化可實現時間偏移量的全局最 小化。
圖4示出了對TOF測量中所利用的符合計時進行同時校準和改善的方 法。在50中，如上所述將符合源置于PET掃描器的膛內。在52中，探測 散射和直接符合事件兩者。這些事件可以相繼和/或同時進行探測。例如， 使用列表模式數據收集技術，同時收集具有散射和直接符合事件兩者的單 一數據集。該同一數據集也可用于能量和/或計數校準。在54中，散射和 直接符合事件結合用以根據單次采集而非兩個背對背采集來執行初始和改 善的校準。如上所述，這包括根據散射事件或直接和散射事件生成直方圖， 基于直方圖并使用統計技術對探測器延遲時間進行校準，以及使用各統計 技術來改善對直接或散射符合事件數據的校準。
雖然通過一系列步驟描述了上面的各種方法，但是應當理解的是，在 任何情況下，所述步驟能以不同的順序發生。另外，在某些情況下， 一個 或多個步驟可與一個或多個其他步驟同時發生。此外，在某些情況下可實 施或多或少的步驟。
圖5示出了顯示成像系統膛探測器環20內的符合源14以及用于探測 散射和直接符合事件的一組示例性探測器的圖形表示。為便于說明，描繪 了點源。然而，正如上面討論過的，也可使用線源。另外，在該示例中將 點源14固定在探測器環20的中心周圍，雖然也可將它固定在距中心有已 知偏移量處。區域60示出了主要是探測與探測器62符合地直接符合事件 的各探測器。探測器62的直接符合探測區域被定義為源14投照在環22上 的"陰影"，即引自探測器62并與源14相交的各直線可落在其中的弧段。 區域64和66示出了主要是探測與探測器62符合的散射事件的各探測器。 在區域64和66內探測到的各事件用于建立步驟22中生成的直方圖。
圖6示出了顯示Na-22小球(在84處)和鋼散射柱內的小球(在86 處)的計數與180度行偏差的典型直方圖82。對于不變的符合點源而言， 非散射事件(由于它們絕對優勢的高概率)促使所得的各時間直方圖僅反 映Na-22小球和鋼散射柱內的小球兩者的相反探測器表面的一小區域。圖7 示出了統計拉平(leveled)的直方圖88。該直方圖可通過測量按分散程度 的統計加權然后使用其以更加一致地平均"相反的"探測器區域來生成。 即，將二元ROI邊界(散射、非散射)從統計上平滑到一個一致的更大區 域中。
本發明已經參考各優選實施例進行了描述。其他人在閱讀并理解前述 詳細描述后可想到各種修改和變更。本發明擬解釋為當所有這些修改和變 更落在權利要求書或其等同物的范圍內時包括它們。
權利要求
1、一種對成像系統(10)進行校準的方法，包括對來自位于所述成像系統(10)的成像區域(16)內的校準源(14)的各散射輻射事件進行符合探測；基于所述探測到的各散射輻射事件計算所述成像系統(10)內的每個探測器通道(20)的校準時間偏移量；以及用各自的校準時間調整來校準所述各探測器通道(20)。
2、 如權利要求1所述的方法，還包括 根據所述探測到的各散射輻射事件生成時間直方圖；以及 使用所述直方圖來計算所述各探測器(20)中每個的校準時間調整。
3、 如權利要求2所述的方法，其中，所述時間直方圖是按分散程度而 統計加權的，以更加一致地對所述探測器區域進行平均。
4、 如權利要求l所述的方法，其中，計算所述校準時間調整的所述步 驟包括應用差最小化技術。
5、 如權利要求l所述的方法，其中，通過確定全局極小值來計算所述 校準時間調整。
6、 如權利要求1所述的方法，還包括相對于膛(16)固定所述校準源(14)的位置，以便在所述探測步驟 期間保持不變的位置。
7、 如權利要求1所述的方法，還包括將所述校準源(14)定位到所述膛(16)的幾何中心和距所述膛(16) 的中心有預定偏移量處中的一個。
8、 如權利要求l所述的方法，還包括對直接符合輻射事件進行探測，并且其中，所述計算步驟包括使用所述散射探測到的散射輻射事件來初步校準每個探測器通道(20) 的時間調整；以及用所述探測到的直接輻射事件來改善所述時間調整。
9、 如權利要求8所述的方法，還包括使用列表模式數據收集技術同時探測所述散射事件和所述直接符合事件。
10、 如權利要求8所述的方法，還包括在單一過程中使用所述散射和所述直接符合事件的組合來確定并改善 所述校準時間調整。
11、 如權利要求8所述的方法，還包括根據所述同時探測到的各散射輻射事件生成時間直方圖； 使用所述直方圖來初步計算所述各探測器中每一個的所述校準時間調 整；以及經由統計技術來改善所述時間調整。
12、 如權利要求ll所述的方法，其中，所述時間直方圖被統計平滑， 以形成更一致的探測器區域。
13、 一種對飛行時間成像系統(10)進行校準的方法，包括 將校準源(14)定位在所述成像系統(10)的成像區域(16)內固定不變的位置上；對從位于所述固定不變位置處的所述校準源(14)發射的各散射事件 進行符合探測；根據所述探測到的散射事件生成時間直方圖；以及 基于所述時間直方圖校準所述各探測器通道(20)中每個的時間延遲。
14、 如權利要求13所述的方法，還包括 確定各直接符合輻射事件間的響應線；根據所述經校正的探測時間沿所述響應線定位各正電子-電子湮滅事 件以生成各組織投影；以及對所述各組織投影進行重建以生成圖像。
15、 由權利要求1所述的方法進行校正的飛行時間成像系統(10)。
16、 編程以實現權利要求1的方法的計算機介質。
17、 一種對成像系統進行校準的裝置，包括對來自位于所述成像系統(10)的成像區域(16)內的校準源(14) 的各散射輻射事件進行符合探測的器件；基于所述探測到的各散射輻射事件計算所述成像系統(10)內的每個 探測器通道(20)的校準時間偏移量的器件；以及用各自的校準時間調整來校準所述各探測器通道(20)的器件。
18、 如權利要求17所述的裝置，其中，所述校準源是點源和線源中的一種。
19、 一種飛行時間成像裝置(10)，包括多個輻射探測器(20)，其在多個探測器通道上生成指示每個探測輻射 事件的模擬信號，轉換器(30)，其將所述模擬信號數字化成數字化能量和時間戳信號； 符合探測器(34)，其確定散射輻射事件和直接輻射事件的符合對；以及校準處理器(24)，其使用至少所述散射輻射事件對來計算所述各探測 器(20)的時間調整。
20、 如權利要求19所述的成像裝置，其中，對所述校準處理器(24) 進行編程以改善如下步驟根據所述探測到的散射輻射事件生成時間直方圖；以及 使用所述直方圖來計算所述各探測器(20)中每個的校準時間調整。
21、 如權利要求19所述的成像裝置，其中，對所述校準處理器(24) 進行編程以改善如下步驟在單一過程中使用所述散射和直接符合事件的組合來確定并改善所述 校準時間調整。
22、 如權利要求19所述的成像裝置，還包括根據所述計算出的時間調整為至少所述符合輻射事件校正探測時間的 器件(28， 32);響應時間處理器(72)，其確定各直接符合輻射事件間的響應線； 飛行時間處理器(74)，其根據所述經校正的探測時間沿所述響應線定 位各正電子-電子湮滅事件以生成各組織投影；以及重建處理器(76)，其重建所—述各組織投影以生成圖像。
全文摘要
一種對成像系統(10)進行校準的方法包括對來自位于成像系統(10)的膛(16)內的校準源(14)的各散射輻射事件進行符合探測。散射輻射事件基本上用于計算成像系統(10)內每個探測器通道(20)的校準時間偏移量。然后用各自的校準時間調整來校準每個探測器通道(20)。
文檔編號G01T1/29GK101365962SQ200780001850
公開日2009年2月11日 申請日期2007年1月2日 優先權日2006年1月3日
發明者J·J·格里斯默, T·L·勞倫斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司