CN101365962A - 对正电子发射断层摄影的飞行时间测量中所利用的符合计时进行校准 - Google Patents
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Abstract
一种对成像系统(10)进行校准的方法包括对来自位于成像系统(10)的膛(16)内的校准源(14)的各散射辐射事件进行符合探测。散射辐射事件基本上用于计算成像系统(10)内每个探测器通道(20)的校准时间偏移量。然后用各自的校准时间调整来校准每个探测器通道(20)。
Description
下文涉及医学成像系统。它特别应用于对这些系统进行校准。具体而言，它涉及对飞行时间(TOF)测量中，例如那些与正电子发射断层摄影(PET)相关的飞行时间测量中利用的符合计时进行校正。
常规PET扫描器具有多个辐射探测器模块。这些模块被布置成便于将对象进行这样的定位使得这些模块环绕该对象。将放射性药物施予给对象和/或由对象摄取。放射性药物在对象体内产生辐射衰变事件，辐射衰变事件发射正电子。正电子在行进相对短的距离后在电子-正电子湮灭事件中与电子进行相互作用，产生两束相反方向的伽马射线。两束相反方向的伽马射线被两个不同辐射探测器模块所探测，作为两个基本同时的辐射探测事件，在所述两个辐射探测事件之间界定出响应线(LOR)。
每个辐射探测器模块包括便于确定接收到每个事件的空间位置和每个事件的能量，以及其他信息的电路。例如，每个辐射探测器模块常常包括一个或多个闪烁器，其能响应于每个伽马射线探测产生成比例猝发或闪烁的光。然而，关于如何快速将辐射转换成光，在闪烁晶体之中存在多个时间变化，这将各种时间延迟引入到光信号中。由于光转换成电信号而引入别的时间延迟。这些时间延迟通常随着一种转换设备到另一种转换设备会而改变。使用常规的PET扫描器，光电倍增管一般用于将光转换成电信号。与每种管相关的时间延迟可以随着一种管到另一种管而有很大的改变。当各种信号沿各导线传播经过各放大器、各反应电路部件等到达对每个事件进行数字化时间戳的点时，引入附加的各时间延迟。常规地，对每个通道进行校准以补偿贯穿时间延迟电路的这些延迟。
医学成像领域中的各种技术优势已经导致PET扫描器如今具有大约二十五皮秒的时间分辨率并且未来预期更高的分辨率。在这种分辨率的情况下，各时间延迟电路需要进行精确地校准。常规的各时间延迟校准技术往往复杂并使用大量的数据通道，通常为好几万个通道。例如，在一种技术中，通过环绕圆形路径对线源进行旋转并测量180度符合伽马射线的相对探测时间，可从时间上校准各飞行时间扫描器。该校准操作通常包括昂贵且复杂的装备。另外，如果使用不变的源，通常很难确定是响应线一端的探测器慢还是另一端的探测器快，等等。此外，使时间差最小的各处理技术趋向于寻找局部最小值而非绝对最小值，降低了校准精度。
因而，需要便于克服这些不足的改进的校准技术。
一方面，阐述了一种对成像系统进行校准的方法。该方法包括对来自位于成像系统膛内的校准源的散射辐射事件进行符合探测。散射辐射事件基本上用于计算成像系统中每个探测器通道的校准时间偏移量。然后用各自的校准时间调整对每个探测器通道进行校准。
一个优势包括为具有不变的源的TOF-PET扫描器精确校准探测器延迟时间。
另一优势在于使用散射辐射为TOF-PET扫描器校准探测器延迟时间。
另一优势存在于使用散射和180度相反符合辐射的组合为TOF-PET扫描器提供改善的校准。
在阅读并理解了各优选实施例的详细描述后，其他别的优势对于本领域的普通技术人员而言将变得显然。
各附图仅是为了说明各实施例，并不应解释为对权利要求的限制。
图1示出了对PET扫描器的符合计时进行校准的方法；
图2示出了示例性成像系统；
图3示出了对PET扫描器的符合计时进行校准并随后进行改善的方法；
图4示出了对PET扫描器的符合计时同时进行校准和改善的方法；
图5示出了校准设置的图形表示；
图6示出了显示计数与180度行偏差的直方图；
图7示出了显示计数与180度行偏差的统计拉平直方图。
图1示出了对例如图2中所示的成像系统10进行校准的方法。校准技术对例如那些与正电子发射断层摄影(PET)相关的飞行时间(TOF)测量中所利用的符合计时进行校正。
在附图标记12中，将符合源14放置在PET扫描器10的成像区域16(或膛)中。符合源可以是点源，例如散射柱(例如，塑料、钢等)、散射小球(scatter button)(例如，2.5cm直径的Na-22塑料体积)等，或者是线源。符合源可以固定在位或相对于膛移动。在一种情况下，符合源固定在膛中心位置的周围。在另一情况下，符合源固定在距膛中心已知偏移量的位置。在18中，通过探测器阵列20的各探测器对符合散射辐射事件进行探测。这些事件是彼此穿过膛的非180度相对的符合事件。这些事件起源于电子-正电子湮灭事件，其中散射出一束或两束伽马射线并(例如，在时间窗内)基本上同时被探测到。滤掉彼此相对180度的符合事件(非散射事件)。例如，可使用反转感兴趣区域(ROI)滤波器或其他滤波器来过滤非散射事件。
在22中，校准处理器24生成每个晶体相对于多个其他探测器的相对探测时间直方图。假设180度相反探测器接收直接辐射而非散射辐射。各散射事件以光穿过已知距离到达各探测器的速度从源行进到每个探测器的行进时间是已知的；如果源是处于膛中心的周围，则行进时间基本相等，而如果源与膛的中心有偏移量，则行进时间由于该偏移量而移动已知量。该信息用于解释时间直方图。在26中，各探测器的延迟时间基于直方图(例如，各重心)进行校准以实现基本符合，并将延迟时间应用于多个探测通道中每个的相应延迟电路28上。根据具体硬件实现的需要，可将各单独探测器“分组”成各个子集，例如靠近每个PMT管中心的组、所有给同一硬件触发通道发信号的组等。
在转换器30对信号进行振幅数字化及加时间戳之前，管延迟电路28从时间上移动模拟探测信号。或者，可将每个探测器通道的延迟时间存储在时间偏移量存储器32中。成对探测器34或初步时间调整电路或处理器根据校准处理器24为探测每个事件的探测通道所确定的延迟时间或时间偏移量来调整每个事件的探测时间。或者，延迟或时间偏移量可沿扫描器探测器和处理系统分布，或可应用于例如给每个事件加时间戳期间的其他点上。通过知道每个探测器相对于大多数其他探测器的相对探测时间，使用基本上任何差最小化技术可实现校准时间延迟或时间偏移量。适当的最小化技术的示例包括最小二乘法、加权最小二乘法、回归以及其他数学优化技术。
再次参照图2，医学成像系统10包括围绕成像区域16布置的多个辐射探测器(例如，几百个、几千个等)环20以探测从成像区域16内发射出的各辐射事件(例如，各伽马射线)。正如所描绘出的，多个辐射探测器44可布置在沿轴向的多个探测器环(例如，两个、十个、一百个等)上。扫描器10还包括支撑机构70，其用于将患者或成像对象定位在成像区域60内。在一些情况下，支撑机构70在一般横穿辐射探测器20的轴向上可线性移动，以便于采集三维成像数据。
在准备用扫描器10进行成像的过程中，将适当的放射性药物施予给将被扫描的对象，并将该对象定位在成像区域16中。放射性药物经历放射性衰变，这导致了正电子的发射。每个正电子与一个或多个附近的电子相互作用并发生湮灭，这会产生两束相反方向(180度)的伽马射线，每束射线具有大约511keV的能量。两束相反方向的伽马射线可基本上同时，即符合地撞击相反的探测器，此时各伽马射线的位置距该对探测器等距。由于不同的行进距离，在各符合事件之间存在轻微的时间偏移量。
典型的探测器头包括一个或多个闪烁晶体。每个闪烁晶体在由辐射事件，例如从正电子湮灭中产生的伽马射线撞击时产生闪烁光。一个或多个光电探测器(未示出)，典型为光电倍增管接收每个晶体产生的光。每个光电探测器将光转换成代表性的电信号。每个探测器还可与提供信号放大、滤波、调节等的本地和/或远程处理电路(未示出)相关联。如上所述，从伽马光子转换成可见光子，和从光(可见光子)转换成电信号以及任何其他处理可将不同的时间延迟引入到每一个所得信号中。上述校准技术用于调整延迟电路28或时间偏移量存储器32以补偿这些时间延迟。
电信号传送给转换器30，转换器30对信号进行数字化并加时间戳。成对探测器34识别属于对应电子-正电子湮灭事件的基本同时或符合的伽马射线探测对。这一处理可包括例如能量加窗(例如，抛弃配置为大约511keV的选定能量窗之外的辐射探测事件)和符合探测电路(例如，抛弃彼此时间上分离大于选定时间窗的辐射探测事件对)。
一旦识别出事件对，响应线(LOR)处理器72处理每对事件的空间信息以识别连接两个伽马射线探测的空间LOR。由于正电子-电子湮灭而发射的两束伽马射线在空间上方向相反，因此认为该电子-正电子湮灭事件发生在LOR上的某处。在TOF-PET中，转换器30的时间戳和辐射探测器20具有足够高的时间分辨率以探测两个基本同时伽马射线探测间的飞行时间(TOF)差。TOF处理器74分析符合对中每个事件的时间之间的时间差，以便沿LOR定位正电子-电子湮灭事件。任选地，在这一阶段中可应用来自时间偏移量存储器72的时间偏移量。
大量正电子-电子湮灭事件所累积得到的结果包括一组组织投影(histoprojection)。将各组织投影传送给重建引擎76，由重建引擎76使用适当的重建算法，例如滤波反向投影、带校正的迭代反向投影等将各组织投影进行重建以生成一幅或多幅图像。
原始数据和/和各重建图像被存储在存储器78中，并可显示、打印、归档、成片(film)、处理、转送给其他设备，在监视器80上显示等。放射医师或其他适当的临床医师可使用所述原始数据和/或重建图像来控制TOF-PET扫描器10、对对象进行诊断等。
应当领会到的是，上述处理以及其他处理可由一个或多个处理部件来执行。因而，本文所述处理可由单个处理部件、多个单独处理部件、多个处理部件的不同组合和/或它们的组合进行处理。
图3示出了对TOF测量中所利用的符合计时进行校准并随后进行改善的方法。在40中，用于诸如PET的成像扫描器的探测器的延迟时间首先根据如参照图1描述的散射事件进行校准。例如，将符合源放置(例如，在固定位置上)在膛(例如，在中心处或在距中心已知偏移量处)内，并探测散射辐射事件。各非散射直方图可用于测量实际的源位置。生成每个晶体的相对探测时间的直方图，并使用重心来校准每个探测器通道的延迟时间。
在42中，探测彼此180度相反的直接(或非散射)符合事件。这些事件不一定正好是180度相反。例如，可定义一范围或窗(例如，具有一、两等级公差)，其中落在窗内的符合事件被认为是直接符合事件。如果扫描器10运行在列表模式下，则直接符合事件可与散射事件同时进行收集并将其进行存储以供该改善的校准技术使用。类似于探测到的散射事件，如果源在膛中心周围，则成对事件的行进时间大约相等，并且如果源与膛的中心有偏移量，则行进时间按大约偏移量发生移动。在44中，基于探测到的直接相反符合事件来精细地调整校准延迟时间。这可通过各种统计偏差最小化技术来实现。这些最小化技术往往查找不是全局极小值的局部极小值。通过首先使用图1中描述的散射辐射技术，使各探测器充分接近全局极小值，基于直接符合事件数据使时间偏差最小化可实现时间偏移量的全局最小化。
图4示出了对TOF测量中所利用的符合计时进行同时校准和改善的方法。在50中，如上所述将符合源置于PET扫描器的膛内。在52中，探测散射和直接符合事件两者。这些事件可以相继和/或同时进行探测。例如，使用列表模式数据收集技术，同时收集具有散射和直接符合事件两者的单一数据集。该同一数据集也可用于能量和/或计数校准。在54中，散射和直接符合事件结合用以根据单次采集而非两个背对背采集来执行初始和改善的校准。如上所述，这包括根据散射事件或直接和散射事件生成直方图，基于直方图并使用统计技术对探测器延迟时间进行校准，以及使用各统计技术来改善对直接或散射符合事件数据的校准。
虽然通过一系列步骤描述了上面的各种方法，但是应当理解的是，在任何情况下，所述步骤能以不同的顺序发生。另外，在某些情况下，一个或多个步骤可与一个或多个其他步骤同时发生。此外，在某些情况下可实施或多或少的步骤。
图5示出了显示成像系统膛探测器环20内的符合源14以及用于探测散射和直接符合事件的一组示例性探测器的图形表示。为便于说明，描绘了点源。然而，正如上面讨论过的，也可使用线源。另外，在该示例中将点源14固定在探测器环20的中心周围，虽然也可将它固定在距中心有已知偏移量处。区域60示出了主要是探测与探测器62符合地直接符合事件的各探测器。探测器62的直接符合探测区域被定义为源14投照在环22上的“阴影”，即引自探测器62并与源14相交的各直线可落在其中的弧段。区域64和66示出了主要是探测与探测器62符合的散射事件的各探测器。在区域64和66内探测到的各事件用于建立步骤22中生成的直方图。
图6示出了显示Na-22小球(在84处)和钢散射柱内的小球(在86处)的计数与180度行偏差的典型直方图82。对于不变的符合点源而言，非散射事件(由于它们绝对优势的高概率)促使所得的各时间直方图仅反映Na-22小球和钢散射柱内的小球两者的相反探测器表面的一小区域。图7示出了统计拉平(leveled)的直方图88。该直方图可通过测量按分散程度的统计加权然后使用其以更加一致地平均“相反的”探测器区域来生成。即，将二元ROI边界(散射、非散射)从统计上平滑到一个一致的更大区域中。
本发明已经参考各优选实施例进行了描述。其他人在阅读并理解前述详细描述后可想到各种修改和变更。本发明拟解释为当所有这些修改和变更落在权利要求书或其等同物的范围内时包括它们。
Claims (22)
1、一种对成像系统(10)进行校准的方法，包括：
对来自位于所述成像系统(10)的成像区域(16)内的校准源(14)的各散射辐射事件进行符合探测；
基于所述探测到的各散射辐射事件计算所述成像系统(10)内的每个探测器通道(20)的校准时间偏移量；以及
用各自的校准时间调整来校准所述各探测器通道(20)。
2、如权利要求1所述的方法，还包括：
根据所述探测到的各散射辐射事件生成时间直方图；以及
使用所述直方图来计算所述各探测器(20)中每个的校准时间调整。
3、如权利要求2所述的方法，其中，所述时间直方图是按分散程度而统计加权的，以更加一致地对所述探测器区域进行平均。
4、如权利要求1所述的方法，其中，计算所述校准时间调整的所述步骤包括应用差最小化技术。
5、如权利要求1所述的方法，其中，通过确定全局极小值来计算所述校准时间调整。
6、如权利要求1所述的方法，还包括：
相对于膛(16)固定所述校准源(14)的位置，以便在所述探测步骤期间保持不变的位置。
7、如权利要求1所述的方法，还包括：
将所述校准源(14)定位到所述膛(16)的几何中心和距所述膛(16)的中心有预定偏移量处中的一个。
8、如权利要求1所述的方法，还包括对直接符合辐射事件进行探测，并且其中，所述计算步骤包括：
使用所述散射探测到的散射辐射事件来初步校准每个探测器通道(20)的时间调整；以及
用所述探测到的直接辐射事件来改善所述时间调整。
9、如权利要求8所述的方法，还包括：
使用列表模式数据收集技术同时探测所述散射事件和所述直接符合事件。
10、如权利要求8所述的方法，还包括
在单一过程中使用所述散射和所述直接符合事件的组合来确定并改善所述校准时间调整。
11、如权利要求8所述的方法，还包括：
根据所述同时探测到的各散射辐射事件生成时间直方图；
使用所述直方图来初步计算所述各探测器中每一个的所述校准时间调整；以及
经由统计技术来改善所述时间调整。
12、如权利要求11所述的方法，其中，所述时间直方图被统计平滑，以形成更一致的探测器区域。
13、一种对飞行时间成像系统(10)进行校准的方法，包括：
将校准源(14)定位在所述成像系统(10)的成像区域(16)内固定不变的位置上；
对从位于所述固定不变位置处的所述校准源(14)发射的各散射事件进行符合探测；
根据所述探测到的散射事件生成时间直方图；以及
基于所述时间直方图校准所述各探测器通道(20)中每个的时间延迟。
14、如权利要求13所述的方法，还包括：
确定各直接符合辐射事件间的响应线；
根据所述经校正的探测时间沿所述响应线定位各正电子-电子湮灭事件以生成各组织投影；以及
对所述各组织投影进行重建以生成图像。
15、由权利要求1所述的方法进行校正的飞行时间成像系统(10)。
16、编程以实现权利要求1的方法的计算机介质。
17、一种对成像系统进行校准的装置，包括：
对来自位于所述成像系统(10)的成像区域(16)内的校准源(14)的各散射辐射事件进行符合探测的器件；
基于所述探测到的各散射辐射事件计算所述成像系统(10)内的每个探测器通道(20)的校准时间偏移量的器件；以及
用各自的校准时间调整来校准所述各探测器通道(20)的器件。
18、如权利要求17所述的装置，其中，所述校准源是点源和线源中的一种。
19、一种飞行时间成像装置(10)，包括：
多个辐射探测器(20)，其在多个探测器通道上生成指示每个探测辐射事件的模拟信号，
转换器(30)，其将所述模拟信号数字化成数字化能量和时间戳信号；
符合探测器(34)，其确定散射辐射事件和直接辐射事件的符合对；以及
校准处理器(24)，其使用至少所述散射辐射事件对来计算所述各探测器(20)的时间调整。
20、如权利要求19所述的成像装置，其中，对所述校准处理器(24)进行编程以改善如下步骤：
根据所述探测到的散射辐射事件生成时间直方图；以及
使用所述直方图来计算所述各探测器(20)中每个的校准时间调整。
21、如权利要求19所述的成像装置，其中，对所述校准处理器(24)进行编程以改善如下步骤：
在单一过程中使用所述散射和直接符合事件的组合来确定并改善所述校准时间调整。
22、如权利要求19所述的成像装置，还包括：
根据所述计算出的时间调整为至少所述符合辐射事件校正探测时间的器件(28，32)；
响应时间处理器(72)，其确定各直接符合辐射事件间的响应线；
飞行时间处理器(74)，其根据所述经校正的探测时间沿所述响应线定位各正电子-电子湮灭事件以生成各组织投影；以及
重建处理器(76)，其重建所述各组织投影以生成图像。
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