CN101390755A - 用于稳定正电子发射断层造影探测系统的增益的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于稳定具有冷却单元的PET探测系统的增益的方法，包括下列步骤：确定PET探测系统的至少一个组件(203，203′)的温度；从所确定的温度中计算出当前的增益；将当前的增益与额定值比较；以及控制冷却单元以便这样影响温度，使当前的增益接近额定值，其中，通过一种包括如下方法步骤的方法确定额定值：在测试测量期间确定至少一个组件(203，203′)的温度；在测试测量期间确定增益；确定增益对温度的依赖性；以及根据待稳定的增益选择额定值。所描述的方法带来的优点是，可以按照简单的方式保持增益不变，其中考虑了组件的温度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于稳定PET探测系统的增益的方法以及一种用于正电子发射断层造影的探测系统。
背景技术
近年来在医疗诊断中除了磁共振断层造影(MR)，越来越广泛地应用正电子发射断层造影(PET)。MRI是一种用来显示身体内部的结构和剖面图的成像方法，而PET则可以显示和量化体内新陈代谢活动。
PET利用了正电子射线和正电子湮灭的特别的特征，以便量化地确定器官或细胞区域的功能。在此，在检查之前给予患者用放射性核素标记的放射性药物。放射性核素在衰变的情况下放出正电子，该正电子在经过短距离后与电子发生相互作用，由此产生所谓的湮灭。在此，产生两个伽马量子，它们以相反方向(调转180°)相互飞出。伽马量子由两个相对的PET探测模块在确定的时间窗之内采集(相合测量)，由此在该两个探测器模块之间连线上的一个位置上确定湮灭位置。
为了探测，在PET情况下探测模块通常必须覆盖机架弧长的大部分。该探测模块按几个毫米的边长划分为探测器元件。每个探测器元件在探测光子时产生一个事件标志，该事件标志说明时间以及探测位置、即相应的探测器元件。该信息被传输至快速逻辑并且被比较。如果两个事件在一个时间上的最大间隔上同时发生，则在两个相应的探测器元件之间的连线上发生伽马衰变过程。用断层造影算法、即所谓的反投影来进行PET图像的重建。
由US 7218112 B2公开了一种组合的PET-MR系统，在该系统中使用硅酸镥(Lutetiumoxyorthosilikat，LSO)作为闪烁晶体将伽马量子转换为光，并且使用雪崩光电二极管(Avalanche Photodioden，APD)来探测该光。光电二极管与前置放大器相连。
特别是在通常使用的半导体放大器和半导体探测器(雪崩光电二极管，APD)中，增益取决于温度。因为组件在运行时暴露于温度波动中、尤其是变热，因此要求冷却。通过引入冷却的空气来全局地调节放大器和光电二极管的温度。在使用具有恒定温度的空气情况下，从所产生的热与通过在放大器表面上的空气所放出的热的平衡中得出放大器的温度。可以用相同的方式对探测系统的其它部分进行冷却。
Spanoudaki等人在“Effect of Temperature on the Stability and Performance ofan LSO-APD PET Scanner”，IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record，2005，3014-3017研究了PET系统的LSO-APD的温度稳定性。在此，分析了PET系统的不同组件上的不同温度源的影响。例如APD的增益取决于温度，同样各光峰(Photopeak)的位置也取决于温度。例如在多个图形中显示温度和光峰的位置在时间上的变化。分析了能量分解(Energieaufloesung)如何随着温度而变化以及如何建立关于所检查的256个探测器模块的统计学。在此，研究了温度上升的原因，以及对光峰的移动和对随温度的上升的能量分解做出了预测。
在US20040071259A1中公开了一种具有热电冷却单元的X射线探测器。在此，既使用有源的也使用无源的冷却单元。通过借助温度传感器对X射线探测器的温度的测定来调节热电冷却单元的功率，从而稳定额定温度。
公知的解决方案的缺陷是，在运行期间产热变化情况下不能充分地调节温度。例如产生的或从外部(例如在HF屏蔽中通过梯度而感应的涡流)进入的热量增加，则尽管有冷却还是会改变增益，因为上述的平衡移动了。此外，典型地存在不同的产热源。该热量的进入然后产生时间上的和空间上的温度分布。由此依赖于温度的组件如APD和前置放大器可能具有不同的温度。因为典型地不能直接测量关键组件的温度，并且多个组件经过其温度依赖性影响总链的增益，所以必须从空间分布的温度点推断出各个温度变化。作为替换，可以跳过该中间步骤并且直接测定与该增益的关系。
发明内容
本发明要解决的技术问题是给出一种方法和一种探测系统，该方法和系统关于增益具有足够的稳定性。
根据本发明的实施方式用于稳定具有冷却单元的PET探测系统的放大器的增益的方法包括以下步骤：
-确定PET探测系统的至少一个组件的温度，
-从所确定的温度中计算出当前的增益，
-将当前的增益与额定值比较，以及
-控制冷却单元，以便这样地影响温度，使当前的增益接近额定值，
其中，通过一种包括如下方法步骤的方法确定额定值：
-在测试测量期间确定所述至少一个组件的温度，
-在测试测量期间确定增益，
-确定增益对温度的依赖性，以及
-根据待稳定的增益选择额定值。
该方法特别地具有如下优势，即，对温度的变化自动地做出反应并且确定探测系统的组件的实际温度。由此使得在调节时考虑不同组件对探测系统的增益造成的由温度引起的影响。因为在预先的测试测量中已经确定了这样一种关系，所以不必要在运行期间测量增益以及其随温度的变化。这样，可以始终通过所确定的温度推断出当前呈现的增益，并且在与额定值偏离的情况下进行冷却单元的调节。
作为替换，可以将增益作为待调节的参数来使用，并且确定相应的额定值。然而，这包含如下缺陷：在检查期间必须常常确定增益，并且那时不能使用PET系统。如此产生的死区时间减小了检查的吞吐量。
在本发明方法的一种优选设计方案中，确定PET探测系统的多个组件的温度，并且由这些温度确定总值。将该总值与额定值比较。为了确定额定值，在测试测量中确定多个组件的温度以及增益对温度的依赖性。在此，可以用较高的精度由所测量的温度进行增益的确定，使得可以考虑多个影响。
这样的方法的优势在于，为了确定额定值将温度概括为矩阵，并且通过主元分析和线性回归确定权重因数，这些权重因数描述了增益对温度的依赖性。按照这种方式可以简单地考虑组件的温度对增益的影响。
在本发明的一种优选实施方式中，为了确定额定值，确定多个组件的随时间变化的温度，确定随时间变化的增益，其中，确定增益对温度的依赖性包括下列步骤：
-将组件温度的时间变化概括为矩阵T，
-对矩阵T进行主元分析，并且
-确定满足公式V t ＝k×O的相关系数k，其中V t 表示增益的时间变化。
这提供了一种有效的可能性来考虑多个组件的温度。在该实施方式中矩阵描绘了总值。
关于装置方面的技术问题是通过用于正电子发射断层造影的探测系统解决的。其包括：具有用于PET量子的探测元件的探测器，用于采集影响探测器增益的至少一个组件的温度的至少一个温度传感器，以及具有冷却装置的冷却系统，通过该冷却装置可以调节所述至少一个组件的温度。
附图说明
本发明的其它优点和设计方案在以下借助附图所描述的实施例中给出。在附图中：
图1示出了MR-PET组合设备的示意图；
图2举例示出了增益和温度之间的关系；以及
图3示出了探测系统的一种优选实施方式的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例优选地被使用在组合的MR-PET设备上。组合的设备具有如下优势，可以同心地获得MR数据以及PET数据。这使得可以利用第一模块(PET)的数据精确地定义感兴趣区域内部的检查体积，并且在另一模态(例如磁共振)中使用该信息。虽然可以从外部PET设备向MR设备传输感兴趣区域的体积信息，但是，这提高了用于数据配准的费用。通常，可以在PET数据组上选出的感兴趣区域上确定所有用磁共振或其它成像方法可确定的数据。例如，代替光谱学数据，还可以借助磁共振检查在感兴趣区域获得fMRI数据、扩散图、T1或T2加权图像或定量参数图。同样，可以应用计算机断层造影方法(例如灌注测量、多重能量成像(Mehrfachenergiebildgebung))或X射线方法。所描述的方法的优势分别在于，借助PET数据组使得感兴趣区域非常有针对性地缩小到患者特定出现的病理。
但是作为补充，也可以通过使用多种所谓示踪物在PET数据组中表示不同的生物学特征，并且这样进一步优化感兴趣区域和由此确定的体积，或者一次选择多个不同检查体积，然后在后续的检查中分析这些检查体积。
图1示出用于重叠MRI和PET图像显示的公知装置1。装置1由公知的MRI管2组成。MRI管2定义了纵向z，该纵向垂直于图1的图平面延伸。
如在图1中所示，同轴地在MRI管2内部围绕纵向z成对地相对设置了多个PET探测单元3。PET探测单元3优选地由具有连接在前的、由LSO晶体4组成的阵列的APD光电二极管阵列5以及电气放大电路(AMP)6组成。但是，本发明不限于具有APD光电二极管阵列5和连接在前的由LSO晶体4组成的阵列的PET探测单元3，而是可以使用其它类型的光电二极管、晶体和装置用于探测。
通过计算机7实现图像处理以便进行重叠的MRI和PET图像显示。
MRI管2沿着其纵向z定义了圆柱形的第一视野。多个PET探测单元3沿着纵向z定义了圆柱形的第二视野。根据本发明PET探测单元3的第二视野基本上与MRI管2的第一视野一致。这一点是通过相应地匹配PET探测单元3沿着纵向z的设置密度来实现的。
在图2中示例性地在图表101中记录了增益随温度的变化。图表101的横轴103表示时间。纵轴105表示增益。典型的曲线107示意性地描绘了增益的温度依赖性。随着温度上升增益下降。为了获得可重复的测量值，应该使增益保持尽可能恒定，这点可以通过温度的稳定来达到。不过，为此需要了解探测系统的单个组件对增益的影响。
图3示意性地示出了本发明的一种优选实施方式的探测系统。该系统包括PET探测器201，该PET探测器又包括多个组件203和203′。这些组件例如可以是闪烁晶体、光电二极管和具有依赖温度的增益的前置放大器。组件203和203′装备有温度传感器205和205′，通过这些温度传感器可以测量组件203和203′的温度。PET探测器201通常包括此处未示出的其它组件。不是所有的组件都必须配备温度传感器。温度传感器205和205′与用来控制三通阀209的控制单元207相连。冷却单元211经过两条导管213和215与换热器217流体地相连。冷却的水从冷却单元211通过导管213流到热交换器217。在热交换器217中加热的水通过导管215流回到冷却单元211用于重新冷却。三通阀209被设置在导管213中并且可以调节被冷却的水从冷却单元211到热交换器217中的流入。为此设置导管219，从三通阀209引导到导管215。由此通过三通阀209可以使被冷却的水绕行，由此降低在热交换器中的冷却功率。水流也可以完全从热交换器旁经过。
这样构造热交换器217：借助被冷却的水通过热交换可以使周围空气冷却。为此，借助未示出的鼓风机将周围空气引导到热交换器217中。通过箭头221示意性地表示了这一点。可以将被冷却的空气借助同样未示出的鼓风机引导到PET探测器201，由此可以冷却该PET探测器。通过箭头223示意性地表示了这一点。
通过控制单元207和通过对三通阀209的控制以及经过随之而来在热交换器217中冷却功率的调节来进行冷却。通过控制单元207借助读出的组件203和203′的温度传感器205和205′的温度计算控制信号，并且相应地控制三通阀209。
为了确定用于三通阀209的控制信号，可以有多个选择。首先可以直接调节所测量的温度。由此在上升的温度情况下将较多的冷却水从冷却单元211引导到热交换器217，从而使得可以提供冷却的空气来冷却PET探测器201。
然而，因为PET探测器201或者其组件203和203′的温度仅仅由于其对增益的影响很重要，因此在替换的实施方式中从所测量的组件203和203′的温度来计算增益。为此具有优势的是，进行校准测量以精确地确定温度和增益的关系。然后总是确定当前的增益并与额定值比较，由此产生误差信号。在最终误差信号情况下相应地控制三通阀209，以提高或降低空气的温度。在此特别具有优势的是，在使用PET-MR设备期间可以对增益波动尽可能快地做出反应。
同样可能的是，组件203或203′的温度就足够用于调节。这特别地依赖于PET探测器201的结构以及由此导致的组件203或203′的温度对增益的影响。同样可能需要考虑多个组件的温度。
特别地，在后一种情况下具有优势的是，将温度传感器205和205′定位在PET探测器201中的位置，在该位置进行较高的能量转换。这例如可以是被冷却的空气的入口或出口或者PET探测器201的表面。
通过主元分析和线性回归可以确定各温度传感器205和205′的权重因数，该权重因数然后相应地被引入调节信号中。为此，在校准测量中在模拟使用PET-MR设备的条件下采集待考虑的组件的温度的时间变化。同样确定增益的时间变化。将第n个组件的时间变化T 1 至T n 概括为矩阵T并且将增益的时间变化作为向量V t 表示。对矩阵T进行主元分析。由此达到，描述方差的向量作为新的基本向量在正交矩阵O中可供使用。用线性回归此时确定相关系数k，该相关系数满足下列公式：
V t ＝k×O
由此建立了在现有增益和组件的温度之间的关系，并且可以通过温度的调节来稳定增益。
Claims (7)
1.一种用于稳定具有冷却单元的PET探测系统的增益的方法，包括下列步骤：
-确定PET探测系统的至少一个组件(203，203′)的温度，
-从所确定的温度中计算出当前的增益，
-将当前的增益与额定值比较，以及
-控制所述冷却单元以便这样影响温度，使当前的增益接近额定值，
其中，通过一种包括如下方法步骤的方法确定所述额定值：
-在测试测量期间确定所述至少一个组件(203，203′)的温度，
-在测试测量期间确定增益，
-确定增益对温度的依赖性，以及
-根据待稳定的增益选择所述额定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，为了确定所述额定值，确定多个组件(203，203′)的随时间变化的温度，确定随时间变化的增益，其中，所述增益对温度的依赖性的确定包括下列步骤：
-将所述组件(203，203′)温度的时间变化概括为矩阵T，
-对所述矩阵T进行主元分析，并且
-确定满足公式 的相关系数k，其中表示所述增益的时间变化。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述PET探测系统具有至少一个用于确定温度的温度传感器(205，205′)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述PET探测系统的表面的温度。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述冷却单元的冷却介质在进入所述PET探测系统之前的温度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定所述冷却介质从所述PET探测系统出来之后的温度。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述PET探测系统的周围温度。
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