CN102177444B - 用于对具有高能量贡献的核素进行量化的实用 spect校准方法 - Google Patents

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Abstract

当对诸如SPECT相机的核相机进行校准时，针对所有可能的光子能量和相机可能经历的探测距离对点扩展函数(PSF)进行模拟。在制造商处的校准期间，由核相机对点源(14)成像，并测量其PSF。将所测量的PSF与一个或多个模拟的PSF进行比较，并确定两者之差。为了校准所测量的PSF，将模拟的PSF数据插值到所测量的PSF中以使所测量的PSF与模拟的PSF之差最小。将经校准的PSF存储到存储器中，并且其在用户处校准期间可以被使用。然后，用户在常规的相机校准期间对示踪剂样本成像，将针对示踪剂的PSF与经校准的PSF进行比较，以确定示踪剂样本的污染水平。然后，对示踪剂样本PSF进行校准以用于重建核图像。

Description

用于对具有高能量贡献的核素进行量化的实用 SPECT校准方法
本创新具体应用于解剖成像系统，特别涉及单光子发射计算机断层摄影(SPECT)成像，但本创新还可以应用于其他核成像系统等。然而，应当认识到，所述技术还可以应用于其他成像系统、其他成像方案、其他图像分析技术等。
存在许多用于SPECT应用的放射性同位素，特别是在肿瘤学中，其中，来自高能量光子(300keV及以上)的贡献阻止了绝对量化和散射校正。这些或者源于同位素污染(例如，Tl-201与Tl-200和Tl-202)或者由固有的核变换(nucleic transition)(例如I-123)造成。在前者的情况下，污染的等级因时间(不同的半衰期长度)和示踪剂样本而不同，并且仅可以针对具体的采集进行估计。高能量光子的比例可能较低，但许多将通过隔片(septum)穿透通过准直器。然后，例如在相机屏蔽处的反向散射将导致投影中显著的扩散低能量背景。这对于与绝对量化和/或向下散射(down-scatter)估计相关的所有情况，诸如对于肿瘤学应用或同时进行的多核素重建而言，是一个严重的问题。
定量的SPECT受到若干图像退化因子的影响。通过使用例如对成像过程进行迭代Monte-Carlo(MC)估计的先进重建方法将患者内的散射和衰减考虑进来。
然而，对于某些同位素，存在高能量光子(例如对I-123而言为783keV)，其通过准直器穿透和反向散射导致可能与信号本身同样大小的背景噪声。例如，参见Y.Du，B.M.W.Tsui和E.C.Frey于2007年9月在Med.Phys.34上发表的“Model based crosstalk compensation for simultaneousTc99m/I123 dual-isotope brain SPECT imaging”，其描述了使用Monte Carlo估计的点扩展(point-spread)函数(准直器-探测器响应函数)以估计这些高能量贡献。
本申请提供了用于对针对由核相机在制造商处成像的核素的点扩展函数进行预校准以及简化用户处的常规校准的新的经改进的系统和方法，其克服了以上问题和其他问题。
根据一方面，一种核相机校准系统，包括诸如单光子发射计算机断层摄影(SPECT)相机或正电子发射断层摄影(PET)相机的核相机，其在制造商处和用户处中的至少一处对放射性药物点源进行成像。该系统还包括处理器，所述处理器将从点源图像所测量的点扩展函数(PSF)与模拟的PSF进行比较，以确定两者之间的差值，并通过使用模拟的PSF对所测量的PSF的PSF数据进行插值以减小差值而生成PSF校正曲线。此外，处理器校准所测量的PSF以生成经校准的PSF，并将经校准的PSF存储在存储器中。
根据另一方面，一种针对核相机预校准点扩展函数(PSF)的方法，包括：针对在相对于核相机表面的所有探测距离处的所有光子能量生成模拟的PSF；测量用户可能采用的至少一种放射性药物中的每种的PSF；以及将所测量的PSF与针对至少一个核素的对应模拟的PSF进行比较，以确定两者之间的差值。所述方法还包括利用模拟的PSF值校准所测量的PSF以减小所测量的PSF与模拟的PSF之间的差值，并将经校准的PSF存储到存储器中。
根据另一方面，一种针对用户处的核相机重新校准经制造商校准的点扩展函数(PSF)的方法，包括：利用核相机扫描示踪剂样本；根据所采集的核扫描数据生成示踪剂样本的核图像；以及将从核图像所测量的PSF与经制造商校准的PSF进行比较。所述方法还包括：调整一个或多个校准参数以估计示踪剂样本中污染的水平；当针对示踪剂样本组合经制造商校准的PSF与模拟的PSF时采用经调整的参数；估计针对所述PSF的权重因子；以及利用所述权重因子重新校准所测量的PSF以生成经重新校准的PSF。
根据另一方面，一种针对核相机校准点扩展函数的方法，包括：针对所选择的同位素预计算PSF；扫描包括所选择的同位素的样本的点源，所述同位素要在受检者的核扫描中用作示踪剂；以及基于针对点源所测量的PSF和针对所选择的同位素预计算的PSF生成针对所选择的同位素的经校准的PSF。
一个优势在于将费力的PSF校准从用户转移给了制造商。
另一优势在于减少用户所需的校准步骤的数量。
本领域普通技术人员在阅读和理解以下详细说明的基础上将意识到本主题创新的其他优势。
本发明可以具体化为不同的部件或部件布置，以及具体化为不同的步骤和步骤安排。附图仅用于图示说明各个方面，而不应解释为是对本发明的限制。
图1图示了便于在医院或其他医疗提供地点的原地快速且有效地针对核相机或探测器校准点扩展函数的系统。
图2图示了针对位于工作在列表模式下的核扫描器中的准直器和核相机前方的无散射点源的能量谱。
图3图示了针对碘-123的典型PSF，能量窗150-175keV、利用预选择的准直器的列表模式采集和增强的对比度以允许使扩散背景可视化。
图4图示了在制造商处针对核相机校准PSF的方法。
图5图示了根据本文所描述的一个或多个方面在用户处重新校准或调整经制造商校准的PSF的方法。
图1图示了便于在医院或其他医疗提供地点的原地快速且有效地针对核相机或探测器12校准点扩展函数的系统。点扩展函数(PSF)描述成像系统对点源的响应。PSF是调制传递函数的空间域版本。与固定核相机点扩展函数而围绕其校准其他参数的经典方法不同，图示的系统允许校准点扩展函数本身。在一个实施例中，相机是SPECT相机。在另一实施例中，相机是正电子发射断层摄影(PET)相机，并且在PET扫描器中采用系统10。
系统10包括核相机12，核相机12接收来自一个或多个放射性点源14(例如，放射性药物、放射性示踪剂等)的发射数据，用以在制造商处进行初始校准。该系统另外包括一个或多个处理器16，处理器16执行用于实施本文所述各种动作或功能的计算机可执行指令。所述计算机可执行指令连同预生成、测量、分析、操纵等的数据存储在存储器18中，以提供本文所描述的功能。
在制造商处，处理器16测量核相机12从点源14处探测到的点扩展函数数据20。将所测量的PSF函数与针对所使用的特定点源核素预生成的理想PSF进行比较。处理器执行比较算法24以确定所测量的PSF与理想PSF之间的差。例如，从所测量的PSF中减去理想PSF以确定理想PSF模型中的差或误差26。处理器然后执行插值算法28以对偏差或误差进行插值和平滑，从而生成PSF校正曲线。处理器采用(一条或多条)校正曲线以生成一个或多个经校准的PSF 32。
在用户处(例如，一旦包括系统10的核扫描器被递送到医院等后)，用于每日能量校准的点源14还用于经验性地测量核相机12的PSF。处理器执行图像比较算法34以比较根据从用户的校准点源生成的图像数据中导出的点扩展函数。通过比较经制造商校准的PSF 32与由图像比较器34确定的所测量的PSF 20(例如，在用户处所测量的)，再次确定经校准的PSF与所测量的PSF之间的差或偏差。然后处理器执行PSF调整器36，以根据所测量的PSF和偏差生成经调整的PSF 38。然后这些经重新校准或调整的PSF用于图像重建40。
在另一实施例中，对于双同位素检查，使用不同的衰减屏蔽并且针对每个函数生成独立的偏差曲线。通过这种方式，生成、校准针对每种同位素的PSF，并且在当采用两种示踪剂对患者进行成像的核图像的重建期间采用针对每种同位素的PSF。
根据一个示例，相机制造商针对标准和高能量向下散射贡献两者传递预校准的PSF。预校准的PSF可以包括考虑诸如准直器、屏蔽、点源等所有相机参数的PSF。在用户处(例如，医院等)的每日常规校准中，所采用的(一种或多种)示踪剂(例如，放射性药物等)被用作点源。使用优化标准来估计来自示踪剂样本的实际高能量或非能量(off-energy)污染(例如，并非归因于示踪剂样本的能量)，以及估计与实际点扩展函数的拟合，所述实际点扩展函数在利用散射校正的分辨率恢复重建中使用。通过这种方式，PSF被自定义到所采用的实际示踪剂。在一个实施例中，在扫描期间实时调整从示踪剂样本的扫描所测量的PSF。
在另一实施例中，通过相似的方式使用该系统以校正荧光准直器散射。
图2图示了针对位于工作在列表模式下的核扫描器中的准直器和核相机前方的无散射点源的能量谱60。在纵坐标上示出了计数(例如，探测到的光子)，而在横坐标上示出了与keV成比例的能量采集通道。大部分所探测到的光子，甚至是在159keV的主光子峰处的，都来自于高能量贡献(例如，相机中向下散射的)。系统10(图1)考虑了这一现象，以允许定量重建。亦即，高能量光子在空间上不同地分布，并且无法通过经典的“校准因子”进行校正。因此，系统10校准PSF本身以考虑所探测的光子的高能量贡献。
图3图示了针对碘-123的典型PSF，能量窗150-175keV、利用预选择的准直器的列表模式采集和增强的对比度以允许使扩散背景可视化。4条射线的星70示出准直器是六角形的，并且通过折叠铅板而构造所述准直器。
图4和5图示了用于在临床实践中对高能量污染进行校正的方法。尽管(例如，在制造商处执行的)先验确定的校正数据可能是复杂的，但是(例如，在用户处)在每日校准中所花费的努力被最小化。因此，所述方法包括两部分。首先，相机制造商针对标准和高能量向下散射贡献两者传递预计算的点扩展函数(图4)。在用户处的每日常规校准中(图5)，所采用示踪剂的样本用作点源。使用优化标准从这一点源估计由其引起的实际高能量污染，以及估计与实际(所测量的)点扩展函数的拟合，当重建图像时，在利用散射校正的分辨率恢复重建中使用所述实际点扩展函数。因此，连接相机图像和定量重建的不仅是校准“因子”，还以空间和能量分辨率校正对入射光子的相机响应。这是通过采用来自先前(例如，Monte-Carlo)计算的先验知识并在校准期间调整一个或多个剩余权重因子而具有鲁棒性地完成的。
图4图示了在制造商处针对核相机校准PSF的方法。在80，生成针对所有光子能量和距离的PSF。例如，尽可能如实地对核相机中的图像生成进行建模，以考虑诸如隔片穿透、准直器散射以及铅中的k边缘荧光的变量。执行这些变量的Monte-Carlo模拟，并构建针对所有能量和距离的点扩展函数。在一个实施例中，使用“泪点”(punctum)准直器模拟器执行上述内容。
在82，获取针对可能在用户处被采用的所有核素(例如，示踪剂)的点源以对受检者或患者进行成像的经验性的PSF。例如，一开始测量向下散射图像(例如，针对Tc源在70keV处的Tl窗等)，并且然后再次经过污染同位素的若干半衰期之后探测其时间相关的效应。列表模式采集使用例如Philips Skylight的核扫描器等而便于采集与特定能量窗和分辨率设置无关的数据。
在84，从经验性的PSF中减去模拟的PSF。差反映了所有的建模误差，包括高能量污染、反向散射以及非线性相机响应。
在86，针对未测量的能量和距离(例如，使用模拟的或建模的值)对差(例如，误差)进行插值和平滑，以校准经验性的PSF。就空间和能量方面而言，所述插值是线性完成的，除了在荧光边缘处的能量不连续。
在88，如果研究中的同位素(例如，点源)具有两个或更多个发射能量，则在包括衰减屏蔽(例如，水、铅)的同时进一步测量PSF，以便区分来自各个发射线能量的贡献，从而确定所探测到的低能量光子源于低能量发射或仅在相机中被向下散射的高能量光子(例如，当采用屏蔽时)。这允许对发射和探测能量两者估计PSF。
在90，使用在86生成的经平滑的PSF和/或使用在88生成的PSF估计数据来生成针对核素的经校准的PSF，并且将其存储在存储器中。迭代地执行所述方法直到针对可以在用户处所采用的所有核素生成经校准的PSF。
图5图示了根据本文所描述的一个或多个方面，在用户处重新校准或调整经制造商校准的PSF的方法。在100，执行对示踪剂样本的短时间采集扫描，以生成被重建成示踪剂的核图像的原始核图像数据。在102，将所采集的图像(因此，例如，PSF)与来自制造商的经预校准的PSF进行比较。此外，可以调整一些校准参数以估计同位素样本的污染的等级。
在104，采用经调整的参数以将理想(例如，经模拟建模的)的PSF与由制造商提供的(例如，在图4的86处生成的)差PSF进行组合。在106，基于诸如PSF的整体范数、均方误差以及中心峰值大小的参数来估计权重因子。在108，重新校准并存储PSF。在110，在扫描受检者或患者之后的核图像迭代重建的前投影和反投影步骤中使用经重新校准的PSF。亦即，将受检者或患者准备和放置在核扫描器中。对患者注射在常规校准中所使用的示踪剂，并生成诊断图像。任选地，例如当使用另一批不同的示踪剂时，可以在当天对扫描器进行重新校准。
在一个实施例中，在模拟的PSF模型一开始未考虑铅荧光贡献的情况下，采用图4和5的方法来探测所述贡献并且针对其进行调整。在这种情况下，在重建期间估计中间能量光子(探测窗和发射能量之间的能量处的散射)以及拥有针对中间能量光子的荧光贡献是重要的。因此，制造商测量针对特定能量的荧光贡献，并在减去所建模的PSF之后对其他光子能量进行插值。
在另一实施例中，当针对诸如Th-201或I-123的核素执行定量SPECT重建时，特别是在肿瘤学中，使用所述系统和方法。在另一实施例中，当需要校正向下散射估计时，在SDI(同时进行的多核素)SPECT成像中使用所述系统和方法。
在又一实施例中，在使用衰减信息的多模态成像系统(例如，组合的SPECT/CT)、VantageTM系统(例如，CardioMD)中采用所述系统和方法。在另一实施例中，在用于SPECT重建的工作站中采用和/或执行所述系统和方法。
已经参考若干实施例描述了本创新。在阅读和理解先前详细描述的基础上可以对其他方面进行修改和变更。意在将本创新解释为包括所有这些修改和变更，只要其落入所附权利要求以及与其等价的范围内。

Claims (12)

1.一种核相机校准装置，包括：
用于将从点源图像测量的点扩展函数（PSF）（20）与模拟的点扩展函数（22）进行比较以确定两者之间的差值的模块，其中，所述点源图像是通过核相机（12）对放射性药物点源（14）成像采集的；
用于通过使用所述模拟的点扩展函数（22）对所述测量的点扩展函数（20）的点扩展函数数据进行插值以减小所述差值而生成点扩展函数校正曲线（30）的模块；
用于校准所述测量的点扩展函数（20）以生成经校准的点扩展函数（32）的模块；
用于将所述经校准的点扩展函数（32）存储到存储器（18）的模块；
用于根据采集的核扫描数据生成放射性药物示踪剂样本的点源的核图像的模块，其中，所述核图像是通过所述核相机（12）扫描所述放射性药物示踪剂样本采集的；
用于将从所述核图像测量的点扩展函数（20）与所述经校准的点扩展函数（32）进行比较的模块；
用于调整一个或多个校准参数以估计在所述示踪剂样本中的非能量污染的水平的模块；
用于采用经调整的参数来组合针对所述放射性药物示踪剂样本的所述经校准的点扩展函数（32）与模拟的点扩展函数（22）的模块；
用于针对所述经校准的点扩展函数（32）估计权重因子的模块；以及
用于使用所述权重因子重新校准所述测量的点扩展函数（20）与所述经校准的点扩展函数（32）中的一个的模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述核相机是单光子发射计算机断层摄影（SPECT）相机或正电子发射断层摄影（PET）相机中的一个。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的装置，还包括用于针对所述核相机的用户所使用的多种放射性药物中的每种生成至少一个经校准的点扩展函数（32）的模块。
4.根据权利要求1或2中的任一项所述的装置，还包括用于针对当使用所述核相机（12）对多种放射性药物中的每种成像时会发生的光子能量和探测距离的多种组合生成多个模拟的点扩展函数（22）的模块。
5.一种针对核相机预校准点扩展函数（PSF）的方法，包括：
针对在相对于所述核相机表面的所有探测距离处的所有光子能量生成模拟的点扩展函数；
测量用户可能采用的至少一种放射性药物中的每种的点扩展函数；
将针对至少一种核素的测量的点扩展函数与相应模拟的点扩展函数进行比较，以确定两者之间的差值；
使用模拟的点扩展函数值对所述测量的点扩展函数进行校准，以减小所述测量的点扩展函数与所述模拟的点扩展函数之间的所述差值；
将经校准的点扩展函数存储到存储器；
根据采集的核扫描数据生成放射性药物样本的点源的核图像；
将从所述核图像测量的点扩展函数与所述经校准的点扩展函数进行比较；
调整一个或多个校准参数，以估计在所述放射性药物样本中的非能量污染的水平；
当组合针对所述放射性药物样本的所述经校准的点扩展函数与模拟的点扩展函数时，采用经调整的参数；
针对所述点扩展函数估计权重因子；以及
使用所述权重因子重新校准所述测量的点扩展函数和所述经校准的点扩展函数中的一个，以生成经调整的点扩展函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，生成模拟的点扩展函数包括：
模拟考虑了多个变量的一个或多个点扩展函数，所述变量包括隔片穿透、准直器散射和铅（Pb）中的k边缘荧光中的至少一个。
7.根据权利要求5或6中的任一项所述的方法，其中，针对给定放射性药物测量点扩展函数包括：
一开始测量向下散射图像，并在所述至少一种放射性药物的预先确定的多个半衰期之后再次测量所述向下散射图像，以探测所述至少一种放射性药物的时间相关的变化；以及
以列表模式测量所述点扩展函数，以获得与特定能量窗和分辨率设置无关的数据。
8.根据权利要求5或6中的任一项所述的方法，其中，所述差值表示建模误差值，所述建模误差值描述由于高能量污染、反向散射和非线性相机响应导致的误差。
9.根据权利要求5或6中的任一项所述的方法，还包括：
当测量所述点扩展函数时采用衰减屏蔽，以在所述至少一种放射性药物的多个发射能量之间进行区分。
10.根据权利要求5所述的方法，还包括：
使用所述核相机扫描示踪剂样本；
根据采集的核扫描数据生成所述示踪剂样本的核图像；
将从所述核图像测量的点扩展函数与所述经校准的点扩展函数进行比较；
调整一个或多个校准参数，以估计在所述示踪剂样本中的污染的水平；
当组合针对所述示踪剂样本的所述经校准的点扩展函数与模拟的点扩展函数时，采用经调整的参数；
基于所述测量的点扩展函数的数学范数、所述测量的点扩展函数的均方误差以及所述测量的点扩展函数的中心峰值幅度中的至少一个针对所述点扩展函数估计权重因子；以及
使用所述权重因子重新校准所述测量的点扩展函数以生成经重新校准的点扩展函数；以及
当重建受检者的核图像时采用所述经重新校准的点扩展函数。
11.根据权利要求5所述的方法，还包括：
针对所选择的同位素预计算点扩展函数；
扫描包括所选择的同位素的样本的点源，所选择的同位素在受检者的核扫描中用作示踪剂；以及
基于针对点源测量的点扩展函数和针对所选择的同位素的预计算的点扩展函数生成针对所选择的同位素的经校准的点扩展函数。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在使用对所述受检者的双同位素核扫描期间采集的数据对核图像进行重建的过程中，采用所述经校准的点扩展函数，其中，所选择的同位素和第二同位素用作示踪剂。
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