CN103181769A - 用于数字波前沿分样实时采样的断层成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一些实施例包括一种断层成像数据采集的方法及/或具体实施这些方法的系统。根据本发明的实施例，一些方法包括同时读取闪烁探测器的每个光转换器；以足以获得多个闪烁波前沿数字采样测量值的频率来读取光转换器；以及把从每个光转换器读取的数据记录为时间的函数。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求美国待授权临时专利申请（申请号：61/391,622；申请日期：2010年10月9日）的优先权，该申请在此全文引用。
技术领域
本发明一般涉及在正电子发射型断层成像（PET）、及/或单光子发射型断层成像（SPECT）中数据采集及处理的系统和方法。
背景技术
PET和SPECT成像装置通过传感聚集在病人的靶器官或组织中放射性药物发出的伽玛射线进行工作。通过映射具体伽马射线源的位置来构建二维或三维影像。对于具体的PET实验而言，给病人施用的放射性药物可包含各种涉及生理的任何分子。放射性药物的适用性部分取决于所映射的器官或组织。一种通常选择便是氟代脱氧葡萄糖（FDG），即用18F取代葡萄糖的羟基后得到的分子。18F是一种β+发射体，意思是其执行以下核衰变反应：
18F→18O+β++v+e- 公式1
其中β+是正电子，v是中微子，e-是电子。正电子从具有很高动能的18F原子核中射出，在一个湮灭事件中与电子结合前，能量几乎已经完全耗散。一般情况下，耗散过程可以是弹性或非弹性发散，在正电子的路径周围可以是包括电子和原子核在内的任何环境。根据统计，正电子在失去足够动能以与电子结合及湮灭前要行进1毫米距离。湮灭发生时，产生一对511keV能量（等同于湮灭的粒子能量）的伽玛光子，并且彼此呈近似180°角射出。在理想情况下，如果湮灭时正电子和电子的动量均为零，伽玛光子之间的发射角将正好是180°。与180°的偏移约+/-0.5°，其值表明湮灭事件发生时粒子残余动量的大小。
已知可以放置一对方向呈180°角的PET探测器来探测从单一湮灭事件发出的一对伽玛光子，并根据采集到的数据计算湮灭事件的位置。在一些情况下，将两个或多个PET探测器围绕病人旋转，在另外一些情况下，将PET探测器围绕病人连续布置成一圈而无需旋转。在两种情况下，探测器对于采集到的光子数据要么接收、要么拒绝，这要部分取决于光子能量是否在约511keV的可接受范围内，以及光子是否在能够将伽玛光子彼此关联的可接受时间窗口内到达。如果找到对应的两个伽玛光子，即能够确定其源自同一湮灭事件，则可以在探测到光子的探测器所处两个点之间画一条响应线（LOR）。据此，湮灭事件的位置必定位于LOR上的某点。
一些仪器具有足够的时间分辨率来根据伽玛光子对的飞行时间（TOF）差计算湮灭事件的位置。对于较低分辨率的仪器必须使用其他数学方法，需根据插值及/或外推算法来计算湮灭位置。
传统上，PET/SPECT探测器包括多个按像素化二维阵列布置的闪烁晶体，并用隔膜材料分隔开，以限制相邻晶体之间的光学干涉。将闪烁晶体阵列安装成能够与多个也按照二维阵列布置的光转换器进行光通信。通常，一个光转换器与多个闪烁晶体进行光通信。当闪烁晶体接收到伽玛光子时，光子会在晶体内行进一段距离后才被最终吸收。该距离称为互动深度（DOI）。在吸收伽玛光子的位置，晶体发射大量紫外线及/或可见光子，即晶体进行闪烁。光子的波前沿传播到晶体并接触光转换器。传统上，光转换器连续积分光子信号，并基于其是否达到最小阈值信号强度而逐个读取，之后可能将读到的数据做数字化处理。然后使用质心计算法来估算闪烁事件的位置。根据该数据，可以计算影像重建所需的参数。例如，可以将已知的影像重建算法随后应用于创建影像的数据。这类影像重建算法包括滤波反投影及/或有序子集期望值最大化。然后可以根据已知的影像显示算法显示重建的影像，影像显示算法包括最大强度投影（MIP）及/或最小强度投影（mIP）。
我们需要一种实时数字采样闪烁波前沿的系统及/或方法，能够在测量闪烁波前沿中获得高很多的时间分辨率，从而重建的影像有更高的分辨率。本发明的一些实施例克服了先有技术的一个或多个局限。
发明内容
本发明的一些实施例涉及一种断层成像数据采集的方法，其中包括步骤：同时读取闪烁探测器的每个光转换器；以足以获得多个闪烁波前沿数字采样测量值的频率来读取光转换器；以及把从每个光转换器读取的数据记录为时间的函数。
根据一些实施例，闪烁探测器包括PET探测器、SPECT探测器、或PET/SPECT探测器。
根据一些实施例，闪烁探测器包括一个或多个单片闪烁晶体、在晶体表面开有像素化凹槽的单片闪烁晶体、或像素化闪烁晶体阵列。
根据一些实施例，同时读取每个光转换器的频率范围大约是250兆赫–10吉赫。
一些实施例还包括使用时差质心计算法来计算闪烁事件的位置。
一些实施例涉及一种断层成像数据采集系统，其中包括：至少一个闪烁晶体，具有光子接收面及基本上平行于接收面并与之相隔一厚度距离的光子探测面；与至少一个闪烁晶体的光子探测面进行光通信的多个光转换器，而光转换器整体是一种将各个转换器邻接的二维阵列；以及与多个光转换器进行电子通信的控制器，控制器用于同时读取每个光转换器，并获得实时光子波前沿数据的时间序列中的分样。
根据一些实施例，该系统的时间分辨率大约是100-1皮秒。
根据一些实施例，时间分辨率选自下列一个或多个范围：约100-50皮秒、约50-40皮秒、约40-30皮秒、约30-20皮秒、约20-10皮秒、或者约10-1皮秒。
根据一些实施例，闪烁晶体选自下列一种或多种材料：掺铈硅酸钇镥（LYSO）、掺钠碘化铯（Na:CsI）、锗酸铋（BGO）、掺铈硅酸钆（GSO）、掺铊碘化钠（T1:NaI）、氟化钡（BaF2）、掺铈铝酸钇（YA1O3，即YAP）、掺铈氧正硅酸镥（Ce:Lu2Si05，即LSO）、溴化镧（LaBr3）、掺铈溴化镧，或其中任意组合。
根据一些实施例，多个光转换器包括一个或多个硅光电倍增管、雪崩光电二极管，或其中任意组合。
根据一些实施例，该系统计算湮灭在XY平面上位置的精度可达约1-2毫米。
根据一些实施例，该系统计算伽玛光子TOF的精度可达约40皮秒。
根据一些实施例，该系统测量闪烁脉冲时间的精度可达约40皮秒。
根据一些实施例，该系统计算闪烁互动深度的精度可达约1–3毫米。
根据一些实施例，该系统的能量分辨率大约是2–10%。
一些实施例涉及一种断层成像数据处理的方法，其中包括步骤：同时读取PET及/或SPECT闪烁探测器的每个光转换器；以足以获得多个闪烁波前沿数字采样测量值的频率来读取光转换器；把从每个光转换器读取的数据记录为时间的函数；以及使用时差质心计算法来计算闪烁事件的位置。
根据一些实施例，同时读取每个光转换器的频率范围大约是250兆赫–10吉赫。
根据一些实施例，同时读取每个光转换器的频率选自下列一个或多个范围：250-300兆赫、300-350兆赫、350-400兆赫、400-450兆赫、450-500兆赫、500-550兆赫、550-600兆赫、600-650兆赫、650-700兆赫、700-750兆赫、750-800兆赫、800-850兆赫、850-900兆赫、900-950兆赫、950-1000兆赫、1000兆赫-1050兆赫、1050-1100兆赫、1100兆赫-1150兆赫、1150-1200兆赫、1200-1250兆赫、1250-1300兆赫、1350-1400兆赫、1400-1450兆赫、1450-1500兆赫、1500-1550兆赫、1550-1600兆赫、1600-1650兆赫、1650-1700兆赫、1700-1750兆赫、1750-1800兆赫、1800-1850兆赫、1850-1900兆赫、或1900-1950兆赫。
根据一些实施例，数据的时间分辨率最大约4皮秒。
一些实施例还包括这样的步骤，就是将数据传送到脉冲波前沿数字处理器并基于以下脉冲数据进行计算：一个或多个脉冲能量、脉冲时间、闪烁事件的位置、湮灭在XY平面上的位置、伽玛光子的飞行时间、或伽玛光子与闪烁晶体的互动深度。
在阅读并理解以下详细说明之后，业内技术人员会清楚地知道其他优点和益处。
附图说明
本发明可能以某些实物零件及零件布置作为实施例，在本说明书中进行详细描述，并对其中的附图部分加以说明：
图1A是一个实施例中单片闪烁晶体的透视图；
图1B是一个实施例中开有像素化凹槽的单片闪烁晶体的透视图；
图2A是一个实施例中多个组合闪烁晶体的透视图；
图2B是一个实施例中单片闪烁晶体的透视图；
图3是一个实施例中PET/SPECT探测器的透视图；
图4是一对边缘邻接的PET/SPECT探测器的透视图；
图5A是图3中探测器的剖视图；以及
图5B是所探测到波形前沿信号的曲线。
具体实施方式
根据一些实施例，PET/SPECT断层成像系统包括一种单片连续闪烁晶体或一种像素化闪烁晶体阵列。晶体面或晶体阵列与多个用于同步地探测晶体中闪烁事件的高速光转换器进行光通信。适用的光转换器包括但不限于硅光电倍增管（SiPM）阵列、或雪崩光电二极管阵列。
具体而言，多个光转换器用于同步获取实时波形前沿数字采样的时间序列，该时间序列包括定时采样中的分样。根据本发明的一些实施例，将一种或多种算法应用于数字脉冲型数据可提高时间分辨率至约4皮秒。接下来，使用脉冲波前沿数字处理器将一种或多种算法随后应用于所得到的高时间分辨率的数据，以提高各种计算的精度，如脉冲能量、脉冲时间、闪烁事件位置、湮灭在XY平面上的位置、伽玛光子的飞行时间（TOF）、以及伽玛光子与闪烁晶体的互动深度（DOI）。一些实施例可选择一种用于即时消除重叠事件信号的连续数字脉冲堆积修正算法。
根据一些实施例，适用的闪烁晶体包括一种或多种掺铈硅酸钇镥（LYSO）、掺钠碘化铯（Na:CsI）、锗酸铋（BGO）、掺铈硅酸钆（GSO）、掺铊碘化钠（T1:NaI）、氟化钡（BaF2）、掺铈铝酸钇（YA1O3，即YAP）、掺铈氧正硅酸镥（Ce:Lu2Si05，即LSO）、溴化镧（LaBr3）、掺铈溴化镧，或其中任意组合。
一些实施例的闪烁晶体在其一个或多个表面上具有防止丢失闪烁光子的反射涂层或反射膜。而且，在一些实施例中，除了与一个或多个与光转换器进行光通信的表面，其他所有表面都有反射涂层或反射膜。业内已知有许多适用的透明反射涂料。典型的反射膜包括聚四氟乙烯（PTFE）胶带或任何广泛应用的漫反射材料。
适用的闪烁探测器类型各种各样。例如，在一些实施例中，适用的探测器包括一种单片闪烁晶体100a，如图1A所示。在一些实施例中，晶体片上不会开有任何像素化凹槽，或者会在晶体100b的一个或多个面110上开有一个或多个像素化凹槽120。在一些实施例中甚至包括彼此用反射隔膜分开的像素化非连续闪烁晶体阵列。对于具体的单片闪烁晶体而言，一些单片探测器所需的大尺寸单晶体可能无法找到。因此，一些实施例200使用一种折射率匹配的材料210将多个闪烁晶体201a、201b、201c、及201d结合在一起，使结合晶体201a-d的折射率与之匹配，从而限制或消除界面反射，即菲涅尔反射。适用的折射率匹配材料包括业内已知广泛应用的任何光学粘结剂，并具有折射率类似于闪烁晶体折射率的特征。业内技术人员会认同，折射率匹配材料的正确选择取决于探测器所选用的具体闪烁晶体。
例如，根据一些实施例，闪烁探测器包括一种单片LYSO晶体200b，而另外一些实施例200a则包括多个较小的LYSO晶体201a-d，其中的每个小长方形晶体由一种折射率匹配材料210结合在一起。因此，使用多个小晶体的结合型LYSO晶体200a具有与单片LYSO晶体200b类似的外形尺寸。而且，在一些实施例中，LYSO晶体101a-d中每个小晶体的表面积大约是结合型晶体200a的四分之一。
如图3所示，根据一些实施例，闪烁探测器300包括一种闪烁单晶体100，并且晶体100的主表面与按二维阵列布置的多个光转换器310进行光通信。适用的光转换器包括但不限于硅光电倍增管及/或雪崩光电二极管阵列。根据上述讨论，单晶体100可选择图2A所示的结合型晶体200a及/或包括图1B中100b那样的像素化凹槽。图4说明在一些实施例中，两个探测器300可以相互并列形成一个边缘邻接的探测器对400。在这类实施例中，闪烁晶体片100、100'之间只是空隙420。
图5A示出图3中探测器在一个闪烁事件探测期间的剖视图。根据一些实施例，因β+衰变所致的511keV伽玛光子505进入闪烁晶体100a并行进510到达与闪烁晶体100a互动（即被其吸收）的深度。接下来，闪烁晶体减缓闪烁并发射多个可见光谱的光子，产生一个闪烁事件520。光子波前沿530传播并穿过闪烁晶体100a，其特征是光脉冲宽度大约是10–100纳秒，在使用LYSO晶体情况下，大约40纳秒。波形前沿530到达多个光转换器540a-g后对其同时查询，获得波形前沿530的第一个数字采样测量值。之后再次同时查询光转换器540a-g，获取波形前沿530数字采样560a-f的时间序列，生成电子信号脉冲550。业内技术人员会认同，尽管仅示出光转换器540a-f的一维阵列，实际探测波形前沿530采用了完整的二维阵列。在探测讨论中仅引用一维阵列是为了便于图示说明。
继续参阅图5A，同时查询每个光转换器能够更精确地计算闪烁事件和DOI的位置。除了已知使用质心计算法能够根据光转换器之间的强度差确定该位置，同时查询还能够探测一个光转换器550a对比另一个光转换器550b在波形前沿到达时两者的时差。据此，一些实施例包括用于确定闪烁事件的时差质心计算法。
根据一些实施例，同时读取探测器中每个光转换器元件的速率大约是250兆赫–10吉赫。其他适用的范围包括但不限于约250-300兆赫、300-350兆赫、350-400兆赫、400-450兆赫、450-500兆赫、500-550兆赫、550-600兆赫、600-650兆赫、650-700兆赫、700-750兆赫、750-800兆赫、800-850兆赫、850-900兆赫、900-950兆赫、950-1000兆赫、1000兆赫-1050兆赫、1050-1100兆赫、1100兆赫-1150兆赫、1150-1200兆赫、1200-1250兆赫、1250-1300兆赫、1350-1400兆赫、1400-1450兆赫、1450-1500兆赫、1500-1550兆赫、1550-1600兆赫、1600-1650兆赫、1650-1700兆赫、1700-1750兆赫、1750-1800兆赫、1800-1850兆赫、1850-1900兆赫、或1900-1950兆赫。此处与本说明书和权利要求书中的其他地方一样，各个范围可以相互组合。
尽管前面的描述仅涉及单个闪烁事件，业内技术人员会认同，在实际运行中，多个闪烁事件的发生时间十分接近，使其要么波形前沿重叠，要么探测器的时间分辨率超出，导致脉冲堆积及/或脉冲尾部堆积。而且，脉冲堆积会导致不正确的脉冲能量测量值等坏数据集。据此，一些实施例还包括修正、折中、及/或舍弃脉冲堆积。例如，一些实施例包括展开重叠脉冲、探测及拒绝重叠脉冲的算法，或其他适用的修正方法。
根据一些实施例，将一种或多种交叉关联、插值、及/或超级分辨率算法应用于脉冲数据550，可提高时间分辨率约50倍，致使时间分辨率高达约4皮秒。更具体而言，一些实施例具有如下时间分辨率范围的特征：约100-50皮秒、约50-40皮秒、约40-30皮秒、约30-20皮秒、约20-10皮秒、或者约10-1皮秒。这种高时间分辨率能够使各种参数的计算更精确，这些参数包括但不限于湮灭在XY平面上的位置、伽玛光子的飞行时间（TOF）、伽玛光子的互动深度（DOI）、闪烁事件位置、脉冲能量、及/或脉冲时间，或其中任意组合。具体将一些根据本发明的实施例所获得并具有代表性的精度范围列于表1中。
表1
| 参数 | 精度 |
| 湮灭在XY平面上的位置 | 最高+/-1或2毫米 |
| 伽玛光子TOF | 最高+/-40皮秒 |
| 闪烁脉冲时间 | 最高+/-40皮秒 |
| 闪烁DOI | 最高+/-1至3毫米 |
| 能量分辨率 | 最高+/-2至10% |
上面已经描述和在各种视图中所示的实施例旨在图示说明本发明的实施例，而实施例本身并不局限于这些。因此，业内技术人员会清楚地知道，上述方法和设备可以在不脱离本发明的一般范围前提下有其他变化类型。据此，希望将所有这些可能的变化类型都包括在所附权利要求书或其中权项的范围内。
Claims (20)
1.一种断层成像数据采集的方法，包括步骤：
同时读取闪烁探测器的每个光转换器；
以足以获得多个闪烁波前沿数字采样测量值的频率来读取光转换器；
把从每个光转换器读取的数据记录为时间的函数。
2.根据权利要求1的方法，其中闪烁探测器包括PET探测器、SPECT探测器、或PET/SPECT探测器。
3.根据权利要求2的方法，其中闪烁探测器包括一个或多个单片闪烁晶体、在晶体表面开有像素化凹槽的单片闪烁晶体、或像素化闪烁晶体阵列。
4.根据权利要求1的方法，其中同时读取每个光转换器的频率范围大约是250兆赫–10吉赫。
5.根据权利要求1的方法，还包括使用时差质心计算法来计算闪烁事件的位置。
6.一种断层成像数据采集系统，包括：
至少一个闪烁晶体，具有光子接收面及基本上平行于接收面并与之相隔一厚度距离的光子探测面；
与至少一个闪烁晶体的光子探测面进行光通信的多个光转换器，而光转换器形成了将各个转换器邻接的二维阵列；以及
与多个光转换器进行电子通信的控制器，控制器用于同时读取每个光转换器，并获得实时光子波前沿数据的时间序列中的分样。
7.根据权利要求6的系统，其中系统的时间分辨率大约是100–1皮秒。
8.根据权利要求7的系统，其中时间分辨率选自下列一个或多个范围：约100-50皮秒、约50-40皮秒、约40-30皮秒、约30-20皮秒、约20-10皮秒、或者约10-1皮秒。
9.根据权利要求6的系统，其中闪烁晶体选自下列一种或多种材料：掺铈硅酸钇镥（LYSO）、掺钠碘化铯（Na:CsI）、锗酸铋（BGO）、掺铈硅酸钆（GSO）、掺铊碘化钠（T1:NaI）、氟化钡（BaF2）、掺铈铝酸钇（YA1O3，即YAP）、掺铈氧正硅酸镥（Ce:Lu2SiO5，即LSO）、溴化镧（LaBr3）、掺铈溴化镧，或其中任意组合。
10.根据权利要求6的系统，其中多个光转换器包括一个或多个硅光电倍增管、雪崩光电二极管，或其中任意组合。
11.根据权利要求6的系统，其中系统适于计算湮灭在XY平面上位置的精度可达约1–2毫米。
12.根据权利要求6的系统，其中系统适于计算伽玛光子TOF的精度可达约40皮秒。
13.根据权利要求6的系统，其中系统适于计算闪烁脉冲时间的精度可达约40皮秒。
14.根据权利要求6的系统，其中系统适于计算闪烁互动深度的精度可达约1–3毫米。
15.根据权利要求6的系统，其中系统的能量分辨率大约是2–10%。
16.一种断层成像数据处理的方法，包括步骤：
同时读取PET及/或SPECT闪烁探测器的每个光转换器；
以足以获得多个闪烁波前沿数字采样测量值的频率来读取光转换器；
把从每个光转换器读取的数据记录为时间的函数；以及
使用时差质心计算法来计算闪烁事件的位置。
17.根据权利要求16的方法，其中同时读取每个光转换器的频率范围大约是250兆赫-10吉赫。
18.根据权利要求16的方法，其中同时读取每个光转换器的频率选自下列一个或多个范围：250-300兆赫、300-350兆赫、350-400兆赫、400-450兆赫、450-500兆赫、500-550兆赫、550-600兆赫、600-650兆赫、650-700兆赫、700-750兆赫、750-800兆赫、800-850兆赫、850-900兆赫、900-950兆赫、950-1000兆赫、1000兆赫-1050兆赫、1050-1100兆赫、1100兆赫-1150兆赫、1150-1200兆赫、1200-1250兆赫、1250-1300兆赫、1350-1400兆赫、1400-1450兆赫、1450-1500兆赫、1500-1550兆赫、1550-1600兆赫、1600-1650兆赫、1650-1700兆赫、1700-1750兆赫、1750-1800兆赫、1800-1850兆赫、1850-1900兆赫、或1900-1950兆赫。
19.根据权利要求16的方法，其中数据的时间分辨率最高约4皮秒。
20.根据权利要求16的方法，还包括步骤，将数据传送到脉冲波前沿数字处理器并基于以下脉冲数据进行计算：一个或多个脉冲能量、脉冲时间、闪烁事件的位置、湮灭在XY平面上的位置、伽玛光子的飞行时间、或伽玛光子与闪烁晶体的互动深度。
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| PB01 | Publication | ||
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Effective date of abandoning: 20170301 |
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| AD01 | Patent right deemed abandoned |