CN105182399A - 一种正电子断层扫描探测器在线实时校正方法 - Google Patents

Abstract

一种正电子断层扫描探测器在线实时校正方法涉及核医学和高能物理等技术领域，本发明利用蒙特·卡罗方法，通过一定数量的随机数累加，算出各个用于解码晶体阵列的各个信号通道的增益相对比例，利用模块化的峰位确定整个模块的增益变化，利用LYSO晶体里面的Lu元素自衰变特性，并通过公式计算得到各个信号通道的增益调整比值，以实现系统的实时调整。本发明调整涉及到的参数少，仅需要不到10秒的数据，就可以实现一次调整，同时出错率低，检测和维护的成本更低。

Description

一种正电子断层扫描探测器在线实时校正方法

技术领域

本发明涉及但并不限于以下领域：核医学和高能物理，具体涉及探测器的稳定性的实时调整技术。

背景技术

由于大部分PET（positronemissiontomography，正电子断层扫描）的探测器系统探测器尺寸读出系统规模和成本限制，很难将每一路晶体产生的信号独立读出，而是会采用光导将晶体产生光进行编码，利用少数的探测器加二维图像解码的方式来实现。

无论是采用传统的模块结构，还是共享探测器之类方式，本质都是利用几个固定位置探测器，对相关探测器信号进行加和得到发光晶体总能量，通过重心法确定在一个晶体阵列里面发光晶体的位置。

基于这种原理，系统在出厂阶段需要对每个模块生成相应的位置查找表，从而确定击中的晶体位置。系统需要生成能量查找表，筛选感兴趣能量范围事例。

分析系统漂移对PET在诊断中的影响：

当探测器出厂之后，由于受到温度电压老化等因素的影响，探测器例如光电倍增管（英文缩写PMT，全称：photomultipliertube）增益值会发生变化。研究表明，在室温下，温度每变化1℃，则PMT增益值平均变化1%。

由于所有探测器都存在一定的能量分辨，一般使用LYSO(硅酸钇镥闪烁晶体)晶体的能量分辨在13%，而PET所使用的同位素示踪剂为FDG(氟脱氧葡萄糖)。探测能量为511kev。所以筛选这种能量的窗口一般在425kev到600kev左右。

如图1所示的探测器探测到的FDG产生的511kev伽马光子事件能谱图，包含了一个位于600道的511kev能峰和康普顿散射坪。

从图1可见：如果探测器增益值发生变化，导致测量峰位发生变化。原始的511kev的峰位位于600道上，能量窗口设置虚线内500道到700道。也就是说探测器探测到的信号落入到能量窗之内都认为是511kev事件。但是如果探测器或者放大器增益繁盛变化，能峰向低能区移动（图中灰色虚线），康普顿散射坪会进入到能窗当中，导致系统的散射事例明显增多。能峰向高能区移动，导致511kev峰移出能窗，有效事例率实际降低。

尤其是当用于确定信号位置的相关探测器增益值变化不均匀的情况下，解析出来的探测器形状会发生变化。如果系统不做相关调整，那么对单事例所属晶体的定位会发生变化。当系统漂移到一定程度，系统生成的确定晶体的查找表就不再适用，从而导致系统探测效率降低。图像均匀度发生变化。

如果一个PET探测器无法对系统进行经常的重新刻度，那么就无法保证PET探测器一直运行在高性能状态。

SUV（StandardUptakeValue）值是PET诊断的基础量化参数，在PET对癌症的诊断以及分期中起到了重要的作用。

通常情况下SUV值达到2.5会作为一个肿瘤的标志性指征。有统计数据表示：SUVmax被证明是独立的预后因子，在多种肿瘤的生存期和复发概率上显著相关，同时也是癌症分期的的重要指标。精确且稳定的SUV值将帮助医生对患者情况统计和归纳。同时帮助医生对诊断结果以及治疗效果进行判断，对术后复发和生存期进行研究。

同时，量化图像学在医学研究方面是重要的方向之一。PET探测器是否工作稳定是决定SUV值精确度的重要因素。而这些也是系统漂移影响最大的地方。这也就是说，系统的漂移会对SUV值得精确测量产生非常严重的影响。

虽然在SUV值量化方面，依然存在着打药剂量计算，病人血糖代谢水平等问题。一个经常飘动的系统，在这个方面带来的麻烦可能是灾难性的。

此外，SUV值在临床中会被当作确定GTV(GrossTumorVolume)的重要参考。

可见，无论是从诊断，还是科研方面，一个稳定的PET是非常重要的。

业内目前的一些矫正方法有：

1、西门子公司的做法采用调整倍增极电压，从而调整调整探测器增益。如专利US7579599，其中MDAndersonGaryWong实验室做过相应研究，由于调整倍增极电压会导致渡越时间发生变化，并不是一个合适的做法。且在MDAnderson的设计里面，采用了一个LED作为校准源，无法在采集过程中应用。且LED本身会随着温度电压漂移。而且需要一个反馈回路用于控制电压，无形中增加了成本。

2、GE的做法如专利US6624422，需要对探测器的每个晶体进行累谱，需要较高的处理能力，增加了电路的成本。处理完的谱数据，需要进行合成，从而得到每路探测器的增益调整系数。但其需要数据量大，调整周期长，电路复杂。最重要的是，解析出来的峰位值都是由4路相关探测器信号和成的，信号之间相互影响，并不能准确反映某一路信号的质量。

发明内容

本发明目的是提出能提高正电子断层扫描探测器输出数据准确性的一种正电子断层扫描探测器在线实时校正方法。

本发明技术方案包括以下步骤：

1）获取PET探测器系统中LYSO晶体的Lu176自衰变产生的307kev初始峰位在初始能谱图中的初始道数，即模块目标总体峰位；

获取PET探测器各通道初始累计能量占所有初始信号通道总累计能量的比值，即信号通道x目标能量占总能量比例；

2）获取PET探测器系统中LYSO晶体的Lu176自衰变产生的307kev初始峰位在漂移后能谱图中的漂移道数，即模块当前总体峰位；

PET探测器系统在随机采集的多个LYSO自衰变事例之后，计算并输出在该多个LYSO自衰变事例中的各信号通道的累计能量；并分别计算在该多个LYSO自衰变事例中，各信号通道的累计能量占所有信号通道的总累计能量的当前比值，即信号通道x当前能量占总能量比例；

3）由以下公式分别计算各个信号通道的增益调整比值：

上式中，x为大等4的整数；

A(x)为信号通道x增益调整比值

Pref为模块目标总体峰位；

Gref(x)为信号通道x目标能量占总能量比例；

Pcur为模块当前总体峰位；

Gcur(x)为信号通道x当前能量占总能量比例；

4）根据各个信号通道的增益调整比值，对各个信号通道进行增益调整。以使系统恢复到初始状态。

本发明原理：

1、本发明的基础思路是利用蒙特卡洛方法对图像扭曲程度进行调整。

当放射源不存在较大特异性的情况下，可以认为伽玛光子落在各个晶体上的概率是基本相当的，能量分布是基本相同的。伽玛光子犹如蒙特卡洛投点方法一样散落在晶体表面。如果，探测器和闪烁体的位置关系和覆盖范围是一定的情况下，根据大数定律，当探测器增益值固定的情况下，统计样本达到一定的数量，一定能反映出探测器的本征的性质。

以模块化的探测器为例，4个光电倍增管（PhotoMultiplierTube）分别占据了闪烁体晶体组成的阵列的四个象限。四个象限从几何上严格对称，如果晶体的光产额基本一致，那么可以认为当样本足够大是，落在四个象限的大统计量下的总能量是一致的，或者是呈现一种固定的比例关系。那么每个探测器输出的大统计量下总能量也应该是一致的。如果光产额不一致，那么总能量的比例关系应该是固定的。

如果系统初始状态下能将四路探测器相对比例调整一致，或者调整的某一个固定比例，就可以保证四路探测器增益稳定，从而保证了稳定整个模块通过重心法解析出来的图像不会发生扭曲变化，从而确保了系统生成的用于分割晶体的查找表，在一个长期的工作周期内精确有效。

但是，这种调整只能保证四路解析出来的图像形状不发生改变，如果模块本身能量总体发生漂移，只知道四路增益的相对比例还是远远不够的。

2、利用模块的合成峰位而不是单独峰位对总体能量漂移进行校正：

虽然作为一个整体的模块分辨率很差，但是真正需要关注的其实是峰位中心值。利用峰位中心值作为模块总体增益值总体漂移的一个绝对参考，从而可以实现对模块增益值的调整。

从图2的整个模块的探测511kev伽玛光子的能峰图可见明显的511kev能峰峰位。

3、利用晶体的自衰变实现自动调整：

如果仅仅只能通过放射源进行矫正，会受到放射源放置位置和人为操作误差等因素的影响，且无法做到实时调整。

目前PET最常用的闪烁体LYSO中的主要组份Lu176会发生衰变，且衰变周期在22亿年，在几十年的时间里，衰变导致的计数都极其稳定。

这种衰变会给PET系统增加噪声本地。但是这种稳定的衰变，却给系统自矫正提供了一条自矫正的渠道。

图3为Lu176的衰变能级图。Lu176有99.6%的概率会发生一次贝塔负衰变，从而变成Hf176，衰变后位于激发态的Hf17694%会释放一个307kev的伽马光子从而跃迁到290kev能级上。

图4是模块的LYSO晶体中Lu176自衰变产生的能谱图，能看到在307kev附近有一个明显的退激发产生的能峰。

如果每个晶体的Lu(镥)含量不变，且探测器晶体摆放位置关系不变，那么在整个生命周期里，各个探测器探测到的自衰变计数应该是固定的。利用Lu的自衰变，同样可以实现系统自矫正。

同时，根据衰变能级可以看到94%的Lu176会产生307kev能量，也就是说在307kev的地方会产生一个明显的峰位。系统自衰变产生的峰位见上图，可以看到在380道处有一个明显的307kev的峰。

如果把自衰变情况下每个模块的307kev的峰位调整到系统刻度时的初始状态，那么系统也将回到出厂刻度时的工作状态。

综上，本发明利用蒙特·卡罗（MonteCarlo）方法，通过一定数量的随机数累加，算出各个用于解码晶体阵列的各个信号通道的增益相对比例，利用模块化的峰位确定整个模块的增益变化，利用LYSO晶体里面的Lu元素自衰变特性来实现系统的实时调整。因此，本发明具有的优势是：

1、调整涉及到的参数少，如一个通过四路信号解析阵列的模块，只需要确定5个参数就可以进行在线实时校正调整。而且这5个参数相互独立，反应的都是参数对应本身的性质。

2、较少的参数意味着更少的数据样本和更快的调整速度。经实验发现，仅仅需要不到10秒的数据，就可以实现一次调整。同时也意味着实现更为简单，出错的概率更低，检测和维护的成本更低。

3、利用在PET系统里广泛采用的LYSO晶体的自衰变效应，可以对系统在不需要放射源状态进行自动调整。

附图说明

图1为探测器探测到的FDG产生的511kev伽马光子事件能谱图。

图2为整个模块的探测511kev伽玛光子的能峰图。

图3为Lu176的衰变能级图。

图4为模块的LYSO晶体中Lu176自衰变产生的能谱图。

图5为四路信号解析阵列的模块示意图。

图6为一种正电子断层扫描探测器的在线实时校正工作原理图。

图7为初始系统自衰变能谱图。

图8为漂移后系统自衰变能峰图。

图9为在线实时调整的流程图。

具体实施方式

以图5的四路信号解析阵列的模块为例。

从图6的一种正电子断层扫描探测器的在线实时校正工作原理图可见：探测器模块将A、B、C、D四路信号送入到信号处理板内。信号处理板对信号放大成型后送入到模数转换装置转换为数字信号，对数字信号计算出各通道信号增益的比值，结合寻峰模块，得到各个通道新的增益调整系数，将各个通道新的增益调整系数输出，用以调整放大成型模块的增益，从而达到稳定探测器信号的目的。

如，一个16×16的晶体阵列通过四路PMT经过成型放大电路以及数字化之后读出。利用重心法解析出16×16的阵列图像。

探测器的初始状态下四路信号占总能量的比值为：

Gref(a)=0.25；

Gref(b)=0.25；

Gref(c)=0.25；

Gref(d)=0.25。

从图7的初始系统自衰变能谱图可见：由LYSO晶体自衰变产生的307kev初始峰位为Pref=360的道数上。

在工作一段时间之后，受到电压，温度等因素的影响，探测器发生了漂移。

系统在采集了100000个LYSO自衰变事例之后，对这些事例的四个信号通道的能量分辨累加，计算出信号通道A的总能量为：14036116，信号通道B的总量为：16477179，信号通道C的总能量为：13425850，信号通道D的总量能为：17087445。整个探测器模块的总能量为61026590。

因此，四路信号漂移后占总能量的比值为：

Gcur(a)=14036116/61026590≈0.23；

Gcur(b)=16477179/61026590≈0.27；

Gcur(c)=13425850/61026590≈0.22；

Gcur(d)=17087445/61026590≈0.28。

从图8的漂移后系统自衰变能峰图可以看到：307kev能峰漂移到了Pcur=370道数上。

根据以下公式分别计算出各信号通道A的增益值调整比例A(a)、信号通道B的增益值调整比例A(b)、信号通道C的增益值调整比例A(c)、信号通道D的增益值调整比例A(d)：

A(a)=(360*0.25)/(370*0.23)≈1.058；

A(b)=(360*0.25)/(370*0.27)≈0.901；

A(c)=(360*0.25)/(370*0.22)≈1.106；

A(d)=(360*0.25)/(370*0.28)≈0.869。

根据以上各系数，重新调整A、B、C、D各路信号的增益：

信号通道A增益调整为之前的1.058倍；信号通道B增益调整为之前的0.901倍；信号通道C增益调整为之前的1.106倍；信号通道D增益调整为之前的0.869倍。反复迭代后，从而将系统恢复到初始状态。

图9说明了在线实时调整的具体流程为：系统在等待固定的间隔时间后，判断探测器是否工作在自衰变状态。如果系统处在任何外部放射源的影响的情况下，自动开始采集校正需要的数据，达到校正需要的数据量之后，开始一次自校正。校正结束后修正系统。重新回到等待校正状态。

Claims (1)

1.一种正电子断层扫描探测器在线实时校正方法，包括以下步骤：

1）获取PET探测器系统中LYSO晶体的Lu176自衰变产生的307kev初始峰位在初始能谱图中的初始道数，即模块目标总体峰位；

获取PET探测器各通道初始累计能量占所有初始信号通道总累计能量的比值，即信号通道x目标能量占总能量比例；

2）获取PET探测器系统中LYSO晶体的Lu176自衰变产生的307kev初始峰位在漂移后能谱图中的漂移道数，即模块当前总体峰位；

PET探测器系统在随机采集的多个LYSO自衰变事例之后，计算并输出在该多个LYSO自衰变事例中的各信号通道的累计能量；并分别计算在该多个LYSO自衰变事例中，各信号通道的累计能量占所有信号通道的总累计能量的当前比值，即信号通道x当前能量占总能量比例；

3）由以下公式分别计算各个信号通道的增益调整比值：

上式中，x为大等4的整数；

A(x)为信号通道x增益调整比值；

Pref为模块目标总体峰位；

Gref(x)为信号通道x目标能量占总能量比例；

Pcur为模块当前总体峰位；

Gcur(x)为信号通道x当前能量占总能量比例；

4）根据各个信号通道的增益调整比值，对各个信号通道进行增益调整。