CN105190357A - 用于对伽马辐射事件的评估的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于评估由伽马相机(10)探测到的伽马辐射事件并识别有效伽马辐射事件的评估装置(50)，所述伽马相机(10)包括：闪烁器(12)，其用于响应于入射伽马射线(22)和得到的伽马辐射事件在所述闪烁器(12)中的光转换位置(44)处发射闪烁光子(42)，以及位置敏感光探测器(14)，其用于探测所发射的闪烁光子(42)并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布(24)。本发明还涉及一种用于对用来探测伽马辐射事件的伽马相机(10)的位置敏感光探测器(14)进行原位校准的校准装置(56)。

Description

用于对伽马辐射事件的评估的装置和方法

技术领域

本发明涉及在核成像中使用的，尤其是与PET和SPECT相机一起使用的评估装置、校准装置、核成像设备以及对应的方法。

背景技术

用于核成像的利用伽马相机的伽马射线探测是多阶段过程。首先，将入射的伽玛光子转化为闪烁闪光(即闪烁光子)。接着，利用光探测器捕捉来自该闪光的可见光光子中的每个(有时可能生成紫外光子或其他光子)，并获得空间信号分布，之后使用所述空间信号分布来评估入射伽马光子的能量以及伽马射线光转换的二维或三维位置。该所确定的位置接着形成对响应线(LOR)进行估计以及根据核衰变过程进行图像重建的基础。

尽管伽马光子的能量与探测到的可见光光子的数量成比例，但是可以从可见光光子的空间分布提取光转换位置(即伽马射线与闪烁器相互作用并创建闪光的位置)。一种可能性是将闪烁器的每个元件耦合到单个光探测器元件。由该单个光探测器元件收集所有光，并通过所述光探测器的位置来给出伽马射线冲击的位置。一般将这种类型的读取称为一对一耦合。

由于一对一耦合通常要求大量的数字化通道，因此经常采用光共享，所述光共享是指在闪烁器与光探测器之间插入光导。这样，使来自光转换的闪烁光分布于若干光探测器元件上，并显著降低了所要求的数字化通道的数量。在对电荷图样的数字化之后，即基于空间信号分布，根据所述值来计算能量和位置。最广泛使用的方法是形心(centroid)计算(又称为anger法或重心(COG)法)。备选地，能够使用最大似然(MLE)估计(Lerche,C.W.等人的"Maximumlikelihoodbasedpositioningandenergycorrectionforpixelatedsolid-statePETdetectors"；NuclearScienceSymposiumandMedicalImagingConference(NSS/MIC),2011IEEE)。这种方法基于在光探测器处针对给定的观察到的电荷图样对闪烁器中的光转换位置的可能性的计算。选择具有最高可能性的位置。

COG定位和MLE定位两者都很好地起效，并得到合理的位置估计，只要观察到的伽马辐射事件全部由单个伽马射线碰撞造成。然而，如果伽马辐射事件由多个伽马射线同时的碰撞造成，即在数字光探测器的一个抽样间隔内或者在模拟电荷转换器的积分时间内的碰撞(堆叠事件)或者由晶间康普顿散射(晶间康普顿散射事件)造成，那么探测到的位置可能是错误的。

此外，在正常的数据采集期间难以识别由堆叠事件或者来自晶间康普顿散射事件造成的伽马辐射事件。一种方法是分析探测到的空间信号分布的形心的空间位置，即时域电荷脉冲(脉冲形状鉴别)或事件能量的上升沿。

在US5293044(A)中公开了一种用于使用最大似然估计器来对伽马相机中的闪烁事件进行快速定位的方法。所述方法被应用到用于对具有形成相机表面的多个光电倍增管的伽马相机中的闪烁事件定位的过程中。每个光电倍增管响应于闪烁事件而生成输出信号。根据所公开的方法，根据与已知位置的各自的闪烁事件相对应的光电倍增管的输出信号来生成多个比较信号集合。接着，基于对未知位置的闪烁事件的光电倍增管的输出与所述比较信号集合的比较来形成位置相关的概率函数，并将未知位置的闪烁事件的位置定义为与概率函数的最大值相对应的位置。此外，通过最初定义总的伽马相机表面上未知起源的闪烁事件的位置所位于的概率高的部分并将对未知位置的闪烁事件的位置的研究限制到相机表面该部分，来提高完成定位的速度，同时还提高了精确度。

发明内容

本发明的目的是使得能够根据对所获得的空间信号分布的分析来可靠地识别有效伽马辐射事件，具体为不是由堆叠事件或晶间康普顿散射造成的伽马辐射事件。此外，目标是使识别更可靠并且对故障的光探测器更有鲁棒性，并获得具有经改进的空间分辨率的重建图像。

本发明的目的还是使得能够分别在具有阵列中光敏元件的增益值的差异的核成像系统中，对伽马相机中的光探测器阵列进行原位(in-situ)校准。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于评估由伽马相机探测到的伽马辐射事件并识别有效伽马辐射事件的评估装置，所述伽马相机包括：闪烁器，其用于响应于入射伽马射线和得到的伽马辐射事件而在所述闪烁器中的光转换位置处发射闪烁光子；以及位置敏感光探测器，其用于探测所发射的闪烁光子并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布。所述评估装置包括比较器，所述比较器用于针对所述闪烁器中的不同的可能的光转换位置将所获得的空间信号分布与预定的模型分布进行比较，并根据所述比较来确定所述不同的可能的光转换位置的似然函数。所述评估装置还包括选择器，所述选择器用于基于所述不同的可能的光转换位置的所述似然函数的最大值来选择最可能的光转换位置，并确定所述似然函数的所述最大值是否满足预定的选择准则，所述预定的选择准则指示所评估的伽马辐射事件是有效伽马辐射事件，所述预定的选择准则是与阈值的比较，所述阈值被定义为校准数据集中的不同有效伽马辐射事件的最大似然值的分布的分位数。

因此，确定所述闪烁器中的最可能的光转换位置。对所述似然函数的确定(即对所述不同的可能的光转换位置的似然值的确定)能够基于(例如)最大似然率估计或最小二乘方估值。为了获得空间信号分布，即所述闪烁器中生成的可见光光子的分布，可以使用模拟光探测器并可以借助于模数转换器来使电荷脉冲数字化，或者可以使用数字光探测器来直接获得数字信号。将所获得的空间信号分布与预定的模型分布进行比较，所述预定的模型分布是指用作参考的有效伽马辐射事件的得到的空间信号分布。根据该比较，确定导致该所获得的空间信号分布的最可能的对应光转换位置和伽马辐射事件(尤其是来自单个伽马射线碰撞的)。接着，还使用所述似然函数的函数值，即所述最大似然值，来确定该当前伽马辐射事件是否由被解释为有效伽马辐射事件的足够的可能性。返回所述闪烁器中的所述光转换位置和所确定的有效性指标。

具体而言，有效伽马辐射事件由单个伽马射线碰撞和单个光转换位置造成。其他伽马辐射事件可能例如由堆叠事件或晶间康普顿散射事件造成，其中，可能无法根据入射伽马射线清楚地识别原始光转换位置，或者其中，存在多个原始光转换位置(例如，由于多次同时的碰撞或散射)。伽马辐射事件能够至少由入射伽马射线、堆叠事件和晶间康普顿散射事件造成。所有不同类型的伽马辐射事件导致由光探测器获得的空间信号分布。然而，如果针对堆叠事件或晶间康普顿散射事件应用相同的处理，则作为对核成像设备中响应线的确定和图像重建的基础的所确定的闪烁器中的光转换位置可能导致不清楚或错误的结果。一种方法能够是对所述空间信号分布或其他参数进行评估，以确定当前伽马辐射事件是有效的，即直接由来自待测量/成像的衰变过程的单个入射伽马射线造成，还是无效的，即由堆叠事件或晶间康普顿散射事件造成。根据本发明，基于所述似然函数的值的对探测到的空间信号分布的评估被用于区分有效伽马辐射事件和无效伽马辐射事件。无效伽马辐射事件由此特别包括但未必限于由堆叠事件和晶间康普顿散射事件造成的伽马辐射事件。有效伽马辐射事件由此特别包括但未必限于由单个伽马射线碰撞直接造成的伽马辐射事件。

在所述选择器中使用的所述预定的选择准则的一种可能性是使用与阈值的比较。例如，该阈值能够是在使用所述评估装置之前确定的。一种可能的阈值可以是基于探测到的事件的数量，即由利用所述伽马相机观察的对象(例如患者、材料探头等)中的核衰变过程引起的伽马辐射事件的数量，而被确定的。另一种可能性是基于所观察的衰变过程(即所使用的同位素)的强度来确定所述阈值。参考所有探测到的事件，选择较高的阈值引起较低百分率的事件被分类为有效。如果选择较低的阈值，那么较高数量的事件被分类为有效。此外，还可以考虑其他准则，例如基于信号分布的准则，所述信号分布如形状分析、点大小、标准偏差或其组合。

如果例如由于所观察的核衰变过程的较高强度或较长观测时间，探测到的事件的数量高，则选择较高的阈值可以得到对不期望的堆叠事件和晶间康普顿散射事件的良好的鉴别。在另一方面，可以拒绝可能已经被使用的较高百分率的事件。如果探测到的事件的总数低，则可能无法拒绝高百分率的事件，这是因为在对响应线的估计中使用的所述闪烁器中的位置太少则可能导致较差的图像。

根据本发明的另一实施例，该阈值被定义为校准数据集中的不同有效伽马辐射事件的所述最大似然值的分布的分位数。所述校准数据集能够是根据实验性研究获得的，其中，检查若干不同的对象和/或校准体模。备选地，所述校准数据集可以是根据蒙特卡罗仿真获得的，其中，对若干不同的对象和/或校准体模进行仿真。另外备选地，该校准数据集能够是根据分析建模获得的，其中，对至少一个对象和/或校准体模进行建模。

这意味着由单个伽马射线碰撞造成的所述空间信号分布和对应的最大似然值被用于建立参考分布，所述阈值是从所述参考分布导出的。通过选择不同有效伽马辐射事件的所述最大似然值的分布的分位数，能够直接定义被分类为无效的事件的百分率。例如如果选择75％的分位数，则在给定被用于确定所述最大似然值的分布的所述校准数据集足够的情况下，能够确保具有与有效伽马辐射事件的最低相似性那25％的事件被拒绝。再者，如以上所解释的，能够取决于探测到的事件的总数来调节百分比。

根据本发明的又一实施例，所述预定的模型分布是根据实验校准流程、蒙特卡罗仿真和/或分析建模获得的。为了确定针对由有效伽马辐射事件造成的不同的可能的光转换位置的所述似然函数，将由所述位置敏感光探测器获得的最终空间信号分布与可能的有效伽马辐射事件的参考或模型分布进行比较。这意味着，对于每个有效伽马辐射事件，对应的空间信号分布是借助于实验校准、仿真或建模而被确定的，并且被用作模型分布，即预定的模型分布。该预定的模型分布用作比较的基础。理想地，对于所述闪烁器中的相同光转换位置，探测到的有效伽马辐射事件导致完全相同的空间信号分布。然而，由于所述闪烁器中的所述光转换位置的略微变化或者真实测量中的影响(例如散射、噪声或其他)而发生偏差。

取决于设置，可能太困难或太昂贵而不能根据实验校准流程来获得所述预定的模型分布。如果是这种情况，则备选方式是使用蒙特卡罗仿真或分析建模。蒙特卡罗仿真是指重复的随机采样以获得内在的分布的模型。如果具有已知相关性和分布的统计模型是可用的，则即使态困难而不能计算分析模型，也能够使用蒙特卡罗仿真来确定得到的分布。分析建模是指使用模型并在基于所述模型的计算的基础上确定得到的分布。如果不能执行实验校准流程，则蒙特卡罗仿真和分析建模两者都特别有用。

包括如以上定义的在评估装置中的使用的、用于从位置敏感光探测器获得合理的结果的另一基本方面是对所述光探测器的校准。光共享通常使得通过对伽马射线能量谱的全吸收峰进行定位来进行原位校准变得不可能，而且对于商业产品而言将阵列拆卸下来进行增益校准通常是不可行的，这是因为一般必须对其进行周期性重复。

因此，根据本发明的一方面，提供了一种用于对用于探测伽马辐射事件的伽马相机的位置敏感光探测器进行原位校准的校准装置。该伽马相机包括：闪烁器，其用于响应于由伽马辐射事件造成的来自校准体模的入射伽马射线而在所述闪烁器中的光转换位置处发射闪烁光子；以及位置敏感光探测器，其包括用于探测所发射的闪烁光子并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布的光敏元件的阵列。所述校准装置包括直方图模块，所述直方图模块用于确定至少一个光敏元件的由若干探测到的伽马辐射事件造成的能量谱的直方图。所述校准装置还包括背景值模块，所述背景值模块用于基于所述直方图来确定至少一个光敏元件的背景值。此外，所述校准装置包括校准值模块，所述校准值模块用于根据所述直方图、预定的校准值和所述背景值来确定至少一个光敏元件的增益校准值。

因此，提出了一种校准装置，其允许确定光探测器阵列，具体为以光共享配置耦合到闪烁器的光探测器阵列，之中的每个光敏元件的增益校准值。在这样的阵列中，不同像素的增益值通常彼此不同，这可能是由像素制造的容差或其他影响造成的。

通过确定增益校准值，能够对所述光探测器阵列的单个光敏元件的不同增益进行补偿。如果不应用校准，则可能难以解释所获得的空间信号分布。尤其是在使用光共享的情况下，这些增益差异导致难以解释的结果和/或错误的位置确定。对于按照一对一耦合而被耦合到闪烁器的单个光敏元件，可能通过使所述探测器发生泛溢(flood)并获得利用单个像素捕捉到的能量谱中的能够用作校准点的特性点来对每个光敏元件进行校准。然而，在光共享耦合中，每个单个像素的得到的能量谱是不同输入的产物，并且不能够区分出用于校准的特性点。因此，使用如以上定义的、不依赖于由确定性光子输入造成的能量谱中的特性点的评估的校准装置可以是有用的。在使用如以上定义的评估装置之前，借助于如以上提出的校准装置的对所述光探测器的校准可以是有用的。具体而言，原位校准，即在所述光探测器安装到所述闪烁器时的校准，允许借助于校准来高效地校准所述光探测器。其他校准方法可能效率较低，这是因为这些方案要求将所述光探测器和所述闪烁器拆开，或者可能不提供足够准确的结果。

此外，半导体光探测器的增益可以取决于温度，所述温度可能在不同的日子之间变化，导致随时间变化的增益差异。难以将传感器的温度与环境温度去耦合，因此能够容易地观察到从某一检查日到另一检验日的几摄氏度的温度差异。因此，增益在不同的日子之间也可能变化。因此，将采集到的检查数据用于自动增益校准对于校正所述差异是有用的措施。

根据所述校准装置的一个实施例，所述直方图模块被配置用于确定至少一个光敏元件的由若干探测到的伽马辐射事件造成的所述能量谱的反对数归一化直方图，和/或其中，所述背景值模块被配置用于基于所述直方图的导数的最大值来确定至少一个光敏元件的背景值。

根据另一实施例，所述校准值模块被配置用于根据交叉点来确定至少一个光敏元件的增益校准值，所述直方图在所述交叉点处下降到被计算为预定的校准值和所述背景值之和的极限值以下。

根据本发明的另一方面，提供了一种核成像设备，其包括伽马相机，所述伽马相机包括：闪烁器，其用于响应于入射伽马射线和得到的伽马辐射事件而在所述闪烁器中的光转换位置处发射闪烁光子；以及位置敏感光探测器，其用于探测所发射的闪烁光子并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布。该核成像设备还包括如以上定义的评估装置和如以上定义的校准装置。

核成像设备具体包括医学断层摄影成像中常用的正电子发射断层摄影成像(PET)设备和单光子发射计算机断层摄影成像(SPECT)设备。伽马射线是由例如通过到血流中的注射或者通过口服而被递送到患者中的放射性物质发射的。借助于伽马相机捕捉这些伽马射线，并且能够基于对所谓响应线的重建来生成图像。响应线是在对象的每侧上的相对位置处两次同时的伽马射线碰撞之间的直线。如以上所概述的，所使用的伽马相机通常包括闪烁器和光探测器。

根据本发明的该核成像设备的一个具体实施例是这样的核成像设备，其中，所述闪烁器包括单片闪烁晶体或闪烁晶体的阵列，尤其是原硅酸镥钇(LYSO)晶体阵列。两种类型的闪烁器，即单片闪烁晶体或闪烁晶体阵列，都允许应用对如以上定义的所述评估装置的应用和/或所述校准装置的应用。

根据所述核成像设备的另一实施例，所述位置敏感光探测器包括光敏元件的阵列，尤其是硅光电倍增管(SIPM)阵列。这样的光敏元件的阵列尤其易于发生堆叠事件和晶间康普顿散射事件，这通常会导致图像质量的下降。可能的应对措施是在对象中使用较高剂量的放射性同位素，并例如利用如以上定义的评估装置来对探测到的伽马辐射事件进行过滤。

所述核成像设备的又一实施例包括以光共享配置安装的闪烁器和位置敏感光探测器，其中，光导被插入在所述闪烁器与所述位置敏感光探测器之间。如果所述光探测器和所述闪烁器被以光共享配置安装，则根据本发明的所述评估装置是尤为有用的。光共享配置意味着由所示光探测器的多个元件来探测由所述闪烁器发射的闪烁光子，使得可能发生大量的堆叠事件。

根据本发明的另外的方面，提供了一种用于评估由伽马相机探测到的伽马辐射事件并识别有效伽马辐射事件的方法、一种对位置敏感光探测器进行原位校准的方法、以及一种用于核成像的方法。

所述方法具体可以使用如以上定义的评估装置、校准装置或核成像设备。

在本发明的又另外的方面当中，提供了一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于当在计算机上运行所述计算机程序时令计算机执行以上概述的方法的步骤；还提供了一种在其中存储计算机程序产品的非瞬态计算机可读记录介质，所述计算机程序产品在由处理器运行时令本文中所公开的方法得以执行。

在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，要求保护的方法、计算机程序和记录介质具有与要求保护的装置以及与在从属权利要求中定义的相似和/或相同的优选实施例。

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。在附图中：

图1示出了图示8×8光探测器阵列的由单个伽马射线碰撞(图1a)造成和由堆叠事件(图1b)造成的两种获得的空间信号分配的图；

图2借助于伽马相机中包括的闪烁器、光导和位置敏感光探测器的截面图图示了堆叠事件(图2a)和晶间康普顿散射事件(图2b)；

图3图示了由基于错误确定的光转换位置而构建的响应线造成的问题；

图4示出了根据本发明的评估装置和伽马相机的实施例的图；

图5示出了根据本发明的校准装置和伽马相机的实施例的示意图；

图6示出了根据本发明的核成像设备的实施例的示意图；

图7示出了图示根据本发明的用于评估伽马辐射事件的方法的图；

图8示出了由光探测器的光敏元件记录的能量谱；

图9示出了基于能量谱的归一化直方图；

图10示出了基于能量谱的归一化反对数直方图；

图11示出了归一化反对数直方图的导数；

图12图示了根据归一化反对数直方图对光探测器的光敏元件的增益校准值的确定；并且

图13图示了根据本发明的用于对位置敏感光探测器进行原位校准的方法。

具体实施方式

对由核衰变过程造成的伽马辐射事件的探测经常被用于重建图像，例如用于医学目的。对于该探测，伽马相机一般包括：闪烁器，在其中入射伽马射线被转化成闪烁光子；以及位置敏感光探测器，例如位置敏感光电倍增管(PSPMT)、光电倍增管的阵列、雪崩光电二极管(APD)的阵列或位置敏感APD或者硅光电倍增管(SiPM，又称数字SiPM、dSiPM)的阵列。一般地，位置敏感光探测器允许确定入射光子的位置。入射光子被转换为空间信号分布或电荷图样，接着能够对所述空间信号分布和电荷图样进行评估从而对入射光子的位置进行定位的。在本申请中，通常根据所发射的闪烁光子来确定闪烁位置，即闪烁器中的光转换位置。利用位置敏感光探测器来捕捉这些闪烁光子。接着基于所获得的空间信号分布来确定闪烁器中的位置。基于该位置来重建响应线(LOR)，其为接下来的图像重建的基础。

在一对一耦合配置中，每个闪烁器元件被耦合到单个光探测器。接着，对闪烁器中的光转换位置的确定能够直接基于对应的光探测器，具体为光探测器阵列中的对应的光敏元件。然而，这要求大量的数字化通道(对于闪烁器的每个闪烁元件要求一个通道)。一种备选方法是使用光共享耦合，其中，通过光探测器阵列中的不同光探测器或元件来记录闪烁器的一个闪烁元件中的光转换。光导通常被插入到闪烁器与光探测器之间。这样，使来自单个光转换的闪烁光分布在若干光探测器上，并且显著降低了所要求的数字化通道的数量。则来自光探测器的读数是空间信号分布或电荷图样。

在对该空间信号分布的数字化之后，能够计算光转换(即闪烁)的位置和碰撞能量。使用得最广的方法是形心计算(又称为Anger法或重心(CoG)法)。备选地，能够使用最大似然估计。对于该备选方法，根据在光探测器j处观察到的数字化电量q＝{q_j}来计算每个闪烁晶体i的似然：

$L_i(i,E|q)=\underset{j}{\Σ}{q}_j\log \[c_{i,j}E\]-c_{i,j}E$

其中，E是入射伽马射线的能量，c_i,j指针对每个晶体i和每个光探测器j给出预期的电量的空间信号分布矩阵的元素。计算出的似然值最高的晶体索引i就是闪烁最可能发生的晶体：

$i^{\left(n\right)}=\underset{i}{\arg \max }{L}_i\left(i,E^{\left(n\right)}|q\right)$

在已知i^(ML)和矩阵元素c_i,j的情况下，能够预测伽马射线事件的能量：

$E^{(n+1)}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_j{q}_j}{{\mathrm{\Σ}}_j{c}_{i^{\left(n\right)},j}}$

然而，发生的伽马辐射事件不限于在光转换位置处的单个伽马射线碰撞。还发生堆叠事件、晶间康普顿散射以及其他晶间散射事件，并且可能导致模糊的空间信号分布。

图1示出了对由伽马相机中的光探测器记下的两种典型的空间信号分布的图示，包括耦合到表示光探测器的8×8数字SiPM(dSIPM)阵列的表示闪烁器的30×30LYSO像素阵列。图1a示出了来自由单个伽马射线碰撞造成的伽马辐射事件的空间信号分布。图1b示出了由堆叠事件造成的伽马辐射事件的空间信号分布。只要仅存在由单个伽马射线碰撞造成的伽马辐射事件，那么CoG定位和基于ML的定位都能很好地起效。如果同时发生多于一个的伽马射线碰撞(堆叠事件)，则探测到的空间信号分布如图1b所示具有多于一个的最大值，并且在单独使用CoG或ML定位时将伽马射线事件错误地定位。

图2a示出了伽马相机10(即闪烁探测器)的实施例的横截面图。伽马相机10包括闪烁器12、光探测器14以及其中间的光导16。由堆叠事件18造成的伽马辐射事件的空间信号分布被可视化，所述堆叠事件是由两个同时但独立的伽马射线20引起的。独立的伽马射线20同时碰撞。如果两者经由光电效应相互作用，则能够借助于能量滤波器来区分这样的事件，但是如果它们经由康普顿效应相互作用并且次级伽马射线从闪烁器逃逸，则它们的能量积淀之和可能落在约511keV的能量窗里面。因此，可能无法借助于能量滤波器来探测这样的事件，并且利用CoG或ML方法将计算出错误的位置。

除了堆叠事件及得到的伽马辐射事件，模糊空间信号分布的另一来源能够是晶间康普顿散射。图2b示出了晶间康普顿散射事件。入射伽马射线22首先经由康普顿效应与伽马相机10中的闪烁器12相互作用。接着，经偏转的伽马射线穿过闪烁器12并经由光电效应与之相互作用。两次交互作用之间的距离可以是若干像素。在光探测器24上获得的由晶间康普顿散射事件造成的伽马辐射事件的空间信号分布也不允许准确地确定入射伽马射线22的位置。特别是针对高分辨率系统，该效应频繁发生，并且可能导致相当的位置误差。

表示堆叠事件或晶间康普顿散射事件的所有伽马辐射事件的分数强烈取决于伽马相机10的视场(FOV)里面的活动、所采用的放射性同位素以及闪烁器、光探测器和机架的几何结构。PET和SPECT成像都受该问题的影响。图3图示了针对PET图像重建的错误确定的光转换位置30的结果。β+衰减26生成在相反方向28上飞离并借助于两个伽马相机10a、10b探测到的两个伽玛光子。一个光子被散射31，导致再次造成被错误地确定的闪烁器中的光转换位置30的空间信号分布。因此，即使正确地确定了在另一侧34上闪烁器中的光转换位置，与正确的LOR38相比，也确定错误的响应线36。因此，在最终的经重建的图像中，由堆叠事件和晶间康普顿散射造成的伽马辐射事件导致空间分辨率的退化并导致信噪比的降低，这是因为在图像重建期间使用了错误的响应线36。

图4示出了根据本发明的评估装置50的实施例。由包括闪烁器12和光探测器14的伽马相机10来探测伽马辐射事件。这些伽马辐射事件是由令闪烁器12在闪烁器12中的光转换位置44处发射闪烁光子42的所有事件造成的。在图4所示的范例中，单个伽马射线46在单个光转换位置44处的碰撞引发伽马辐射事件。在核成像中，目的是正确地确定伽马射线46的碰撞44的位置，即单个伽马射线的光转换位置44。基于利用对象两侧上的伽马相机探测到的两次同时的碰撞和来自单个伽马射线碰撞的光转换位置，能够确定响应线。基于多条这样的响应线，能够重建图像。然而，除了单个单伽马射线的碰撞(有效伽马辐射事件)，也可能由堆叠事件、晶间康普顿散射事件等造成其他可能的伽马辐射事件(无效伽马辐射事件)。在该上下文中，无效伽马辐射事件是指导致模糊空间信号分布并导致在根据所确定的响应线重建图像时的误差的事件。有效伽马辐射事件具体是由单个伽马射线碰撞造成的。

如图4所示，在评估装置50中评估所获得的伽马辐射事件的空间信号分布24。该评估装置50包括比较器52，所述比较器52用于将所获得的空间信号分布24与闪烁器12中的不同的可能的光转换位置的预定模型分布进行比较，并用于根据所述比较来确定所述不同的可能的光转换位置的似然函数。另外，评估装置50包括选择器54，所述选择器54用于基于所述不同的可能的光转换位置的所述似然函数的最大值来选择最可能的光转换位置，并用于确定所述似然函数的最大值是否满足预定的选择准则，该准则指示所评估的伽马辐射事件是否是有效伽马辐射事件。

本发明基于这样的想法，即空间信号分布的似然值非常适合于识别堆叠事件和晶间康普顿散射事件。该方法具体被设计用于伽马相机或闪烁探测器，所述伽马相机或闪烁探测器包括：闪烁体，其包括小闪烁晶体的阵列或单个单片闪烁体；包括光敏元件的阵列的光探测器或位置敏感光探测器；以及读取电子器件，其能够同时对所有光敏元件进行读出，以便获得伽马辐射事件的空间信号分布。能够从测量(即实验校准流程获得的)、蒙特卡罗仿真(即对事件的离散仿真)来获得与测得的电荷图样或空间信号分布进行比较的空间信号分布的模型(即预定的模型分布)，以便确定分布或解析模型。在优选实施例中，含有典型数据集的似然值的列表被用于确定统计分布和对应的分位数。能够从校准数据集获得该列表。针对该校准数据集的每个事件，记录并存储似然值。确定分位数以便将似然值与事件的待滤除的分数相联系。这允许针对任何可以应用的过滤分数建立似然阈值。

在核成像设备(例如PET或SPECT装置)的正常操作期间，确定事件的似然值并将其与似然阈值进行比较。如果其小于阈值，那么将事件抛弃(无效事件)。

能够将所提出的装置和方法与包括像素化的或单片闪烁的晶体以及位置敏感光探测器(例如光敏元件的阵列)的任何闪烁探测器或伽马相机一起使用。如果光敏元件的间距是闪烁晶体元件的间距的倍数，那么在闪烁器与位置敏感光探测器之间放置光导。在光敏元件的间距与晶体元件的间距相匹配的情况下，将通过光探测器阵列的单个光敏元件来对每个晶体进行读出(一对一耦合)。在这种情况下，堆叠事件变得不太可能，但是晶间康普顿散射仍然存在。接着，读取电子器件可以在适当的短时间中对每个光敏元件进行读出，以便获得完整的空间信号分布。根据这些空间信号分布，能够如下地计算似然值：

$\begin{array}{c}n!=\sqrt{2\mathrm{\π}n}{\left(\frac{n}{e}\right)}^n{e}^{\frac{1}{12n}}\\ \⇒\log \left(q_{j^{\′}}!\right)=\frac{1}{2}\log \left(2{\mathrm{\πq}}_{j^{\′}}\right)+q_{j^{\′}}\log \left(\frac{q_{j^{\′}}}{e}\right)+\frac{1}{12q_{j^{\′}}}\end{array}$

其中，MLE是指最大似然估计，LS是指最小二乘估计，i是晶体像素的索引，j是光探测器元件的光敏元件的索引，E是伽马辐射事件的能量，q_j是在光敏元件(像素)j处探测到的电量，∈_j是q_j的测量误差，并且c_i,j是用于比较的预定的模型分布。可以通过测量来获得矩阵元素c_i,j，并且其指出在光敏元件(像素)i中发生光转换的情况下，预期在光敏元件j中有多少光。由于阶乘的对数给数值计算带来了问题，因此使用Stirling近似(最后两个公式)来对所述阶乘的对数进行近似。针对每个事件计算最大似然值。根据校准流程，可以导出最大似然值的阈值。为此，能够确定测得的数据集的重合，并且能够计算与单个伽马射线碰撞相对应的每个重合光转换位置的似然值。根据测试数据集的似然值来计算分位数。这允许将似然阈值建立为所记录的事件的总数和期望的微分的函数。在正常测量期间，选择合理的阈值。例如，在重建之前，滤除所有探测到的伽马辐射事件的10％。

本发明的另一方面是对可以与本方面的评估装置或核成像设备一起使用的光探测器的正确校准。图5示出了根据本发明的校准装置56的实施例。如果光探测器14没有被充分校准，则通常难以对所获得的空间信号分布24进行解释。源于制造的增益的大散布，利用光探测器阵列的每个光敏元件对闪烁光量的测量是复杂的。例如，在单个PSPMT或SiPM阵列上很容易观察到高达2倍的增益变化。如果光探测器阵列的光敏元件之间的增益差是已知的，则可以改进数据处理和图像重建。在闪烁器12与光探测器14一对一耦合的情况下，其对于正确的全系统能量鉴别一般是有用的。在光共享的情况下，像素间(光探测器像素，即光敏元件)的增益差甚至可以更重要，这是因为这些增益差异在用于定位的光分布(即空间信号分布)估计中引入了重大误差。在校准期间，增益差将导致用于对伽马辐射事件的评估的错误的似然值。能够通过利用受控量的光对大多数设备进行辐照并测量所生成的信号的幅度来测量大多数设备的增益差。显然，不能在原位完成该操作，这是因为一般必须移除闪烁器晶体阵列。另一种可能性在于利用伽马辐射辐照所安装的探测器块，并根据能量谱中的特征峰值的位置来估计每个晶体像素的增益。

图5所示的校准装置56包括直方图模块58、背景值模块60和校准值模块62。在直方图模块58中，确定每个光敏元件的由若干伽马辐射事件造成的能量谱的反对数归一化直方图。在背景值模块60中，基于所述直方图的导数的最大值来确定每个光敏元件的背景值。在校准值模块62中，根据直方图与根据预定的校准值和背景值计算出的垂直线的交叉点来确定每个光敏元件的增益校准值。

图6示出了根据本发明的核成像装置64的实施例的示意图。利用为核成像装置64的部分的伽马相机10来观察诸如患者或校准体模的对象66中的核衰变过程。除了伽马相机10，核成像装置64还包括如上文所述的评估装置50和/或校准装置56。

图7示出了说明根据本发明的用于评估所获得的空间信号分布所表示的伽马辐射事件的方法的图。入射的伽马射线在闪烁器中诱发闪烁光子的发射S10。在光探测器中探测S12这些闪烁光子并获得S14空间信号分布。为了确定所评估的伽马辐射事件，即分别获得的空间信号分布是否是有效的伽马辐射事件，即是否与单个伽马射线碰撞相对应，将所获得的空间信号分布与预定的模型分布76进行比较S16。基于该比较来确定S18针对与单个伽马射线碰撞相对应的给定的可能的光转换位置的所获得的空间信号分布的似然，即计算似然函数。接着，选择S20最可能的位置，并检验S22所述值是否满足预定的选择准则84。在该实施例中，该预定的选择准则84是与阈值的比较。如果所确定的最大似然值高于阈值，那么所评估的伽马辐射事件是有效的，否则无效。

因此，本发明的一个优势可以是提供了对代表堆叠事件和晶间康普顿散射的伽马辐射事件的可靠识别和/或提供了对有效伽马辐射事件的可靠识别，允许准确地确定入射的单个伽马射线的光转换位置。因此，直接对所获得的空间信号分布，而不是对诸如形心或总能量的导出参数，进行分析，这样使得识别更加可靠，并且具有对光探测器故障的鲁棒性。故障的光探测器可能是由于老化或由于死时间而出现的。在第一种情况下，光探测器阵列的一个或多个光敏元件停止工作。则与故障元件的位置相对应的电量将在所获得的空间信号分布中缺失，导致不完整的数据和错误的形心计算。然而，基于MLE的定位具有对缺失数据的鲁棒性，基于似然计算的对堆叠事件的识别也如此。故障光探测器的第二原因是其死时间。光探测器的对应光敏元件可能还在忙着处理来自前一事件的电量，这也会导致不完整数据，但只针对该事件。对CoG定位和MLE定位的结果与老化的情况相同。

此外，本发明还具有为拒绝堆叠事件和晶间康普顿散射事件提供可调节的阈值的优势。这允许对所需的数据的量以及所使用的同位素(例如，²²Na具有额外的同时发射的1275keVde1伽马光子，并导致额外的堆叠事件)的过滤进行调整。

此外，本发明还可以允许基于伽马相机的数据来提高经重建的图像的空间分辨率。由于滤除了基于由堆叠事件或晶间康普顿散射造成的伽马辐射事件重建的响应线，因此为用于图像重建的数据集清除了错误的响应线。此外，通过去除错误的响应线，能够提高经重建的图像的信噪比(SNR)。

此外，本发明还可以允许提高能量分辨率并创建更精确的标准摄入值。

在使用光共享来定位的伽马相机的情况下，使用能量直方图的特征峰值的原场增益校准是不可能的，这是因为不存在特征峰值。图8示出了通过使具有来自氟去氧葡萄糖(FDG)的511keV伽马射线的辐射充溢探测器来获得的、捕捉自SiPM(或dSiPM)阵列的光敏元件(即单个像素)的能量谱85。无法识别出作为511keV全吸收峰值或康普顿边沿的特征点，这是因为来自每个特定晶体的光分布在若干像素上。围绕通道五十的最大值86是由该通道的能量阈值引起的。不能使用该最大值进行增益估计，这是因为其主要取决于所述阈值。如果来自由闪烁光脉冲照射的那些SiPM(即SiPM阵列的像素或SiPM像素)的所有信号值的和，则能够观察到全吸收峰。然而，由于光共享，若干增益值混合成一个单值。单个SiPM像素的谱被转换成允许提取能量谱的特征端点的形式(在图8中不能识别)。与周围的SiPM像素相比，该端点是SiPM像素的相对增益的良好估计因子。

对每个光敏元件(例如，SiPM像素)的测得的能量谱进行数学变换，以允许提取谱的端点。所述方法的优势在于不要求迭代的最小二乘拟合。最小二乘拟合的结果取决于开始参数，并且不能保证结果收敛。

根据一个实施例，使用下面的公式对谱进行变换，以获得能量谱的反对数归一化直方图：

这里，j和i是直方图f(j)和h(i)的能量通道，并且N_ADC-通道是直方图中可用能量通道的总数。在对直方图的该处理之后，能量直方图的端点变得可见并且能够被提取出。

图9示出了能量谱的反对数归一化直方图88。该曲线图单调递减，并且被归一化到y轴上的[0,1]的范围。现在能够通过找到该曲线图与y＝y0处的水平线的交叉点来提取SiPM像素的相对增益，其中，y0是0与1之间的自由校准参数，所述自由校准参数可以是预定的，也可以由系统的操作者设定。如果将该参数设为低值(例如～0.1)，则表示该校准参数的线与经修改的直方图之间的交叉点在利用该SiPM像素测得的能量谱的上端点的范围中。

朝向更高的通道，通常观测到背景(来自自然背景或宇宙辐射的很少的闪烁事件)。可以考虑该背景，这是因为对于不同的测量/SiPM其可能是不同的，能够如下地对其进行提取：首先建立反函数f^-1。图10示出了经修改的能量直方图的反函数89。接着如图11所示计算该反函数的导数90。对于较低的x值，在该新的曲线图中观察到最大值91。该最大值的位置给出了背景值b_g94，接着在计算水平线与反对数归一化直方图f(j)的交叉点时使用所述背景值。接着，能够将当前SiPM像素的相对增益确定为直方图落在y₀和b_g的和以下的能量通道(x轴值)。

图12示出了经修改的直方图88(反对数归一化直方图)。在该范例中，预定的校准值92与预定的背景值94相加，所述背景值是基于上文所述的直方图91的导数的最大值而被确定的。接着，根据交叉点98来确定增益校准值96，直方图在所述交叉点98处落在表示极限值y＝y₀+b_g的水平线100以下。在该实施例中，之后，通过ADC通道，即能量值，来表示增益校准值96，直方图88在所述ADC通道处落到根据背景值b_g94和校准值y₀92的和而确定的极限值100(即阈值)以下。

总而言之，所概述的该方法允许使用高度颗粒化(granulated)的闪烁器像素和光共享(其中，无法在单个SiPM上观测到完全吸收峰值)来对PET块探测器进行快速原场校准。

图13示出了根据本发明的校准方法。借助于伽马相机记录不同的空间信号分布。为此，观测在闪烁器中诱发闪烁光子发射S10的入射伽马射线。在光探测器中探测S12这些闪烁光子并获得S14空间信号分布。基于多个所记录的空间信号分布，针对光探测器阵列的每个光敏元件来记录能量谱，并基于该谱来确定S24反对数归一化直方图。接着，如上所述地确定S26表示背景或背景影响的背景值。考虑到预定的校准值92，根据反对数归一化直方图和所确定的背景值来最终确定S28增益校准值。

本发明的其他可能的实施例还可以包括与并非旨在用于医学成像而是用于材料科学或其他应用领域的核成像设备一起使用的其他装置和方法。此外，本发明不限于核成像。本文中介绍的概念、装置和方法可以很好地应用于各种应用领域中使用的成像系统，例如，计算机断层摄影(CT)、SPECT/CT、PET/CT、磁共振成像(MRI)、核磁共振成像(NMRI)等。

尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被视为说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

计算机程序可以被存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于评估由伽马相机(10)探测到的伽马辐射事件并识别有效伽马辐射事件的评估装置(50)，所述伽马相机(10)包括：闪烁器(12)，其用于响应于入射伽马射线(22)和得到的伽马辐射事件而在所述闪烁器(12)中的光转换位置(44)处发射闪烁光子(42)；以及位置敏感光探测器(14)，其用于探测所发射的闪烁光子(42)并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布(24)，所述评估装置(50)包括：

-比较器(52)，其用于针对所述闪烁器(12)中的不同的可能的光转换位置将所获得的空间信号分布(24)与预定的模型分布(76)进行比较，并用于根据所述比较来确定(S18)所述不同的可能的光转换位置的似然函数；以及

-选择器(54)，其用于基于所述不同的可能的光转换位置的所述似然函数的最大值来选择最可能的光转换位置，并确定所述似然函数的所述最大值是否满足预定的选择准则(84)，所述预定的选择准则指示所评估的伽马辐射事件是否是有效伽马辐射事件，所述预定的选择准则(84)是与阈值的比较，所述阈值被定义为校准数据集中的不同有效伽马辐射事件的最大似然值的分布的分位数。

2.根据权利要求1所述的评估装置，其中，所述校准数据集是根据以下而获得的：

-实验校准研究，其中，检查若干不同的对象(66)和/或校准体模；

-蒙特卡罗仿真，其中，对若干不同对象(66)和/或校准体模进行仿真；和/或

-分析建模，其中，对至少一个对象(66)和/或校准体模进行建模。

3.根据权利要求1所述的评估装置，其中，所述预定的模型分布是根据以下而获得的：

-实验校准流程；

-蒙特卡罗仿真；和/或

-分析建模。

4.一种用于对用于探测伽马辐射事件的伽马相机(10)的位置敏感光探测器(14)进行原位校准的校准装置(56)，所述伽马相机(10)包括：闪烁器(12)，其用于响应于来自校准体模的入射伽马射线(22)和得到的伽马辐射事件而在所述闪烁器(12)中的光转换位置(44)处发射闪烁光子(42)；以及位置敏感光探测器(14)，其包括用于探测所发射的闪烁光子(42)并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布(24)的光敏元件的阵列，所述校准装置(56)包括：

-直方图模块(58)，其用于确定至少一个光敏元件的由若干探测到的伽马辐射事件造成的能量谱(85)的直方图；

-背景值模块(60)，其用于基于所述直方图来确定至少一个光敏元件的背景值(94)；以及

-校准值模块(62)，其用于根据所述直方图、预定的校准值(92)和所述背景值(94)来确定至少一个光敏元件的增益校准值(96)。

5.根据权利要求4所述的校准装置，其中，

所述直方图模块(58)被配置用于确定至少一个光敏元件的由若干探测到的伽马辐射事件造成的所述能量谱(85)的反对数归一化直方图(88)；和/或

所述背景值模块(60)被配置拥有基于所述直方图的导数(91)的最大值来确定至少一个光敏元件的背景值(94)。

6.根据权利要求4所述的校准装置，其中，所述校准值模块(62)被配置用于根据交叉点(98)来确定至少一个光敏元件的增益校准值(96)，所述直方图(88)在所述交叉点处下降到被计算为预定的校准值(92)和所述背景值(94)之和的极限值(100)以下。

7.一种核成像设备(64)，包括：

-伽马相机(10)，所述伽马相机包括：闪烁器(12)，其用于响应于入射伽马射线(22)和得到的伽马辐射事件而在所述闪烁器(12)中的光转换位置(44)处发射闪烁光子(42)；以及位置敏感光探测器(14)，其用于探测所发射的闪烁光子(42)并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布(24)；以及

-根据权利要求1所述的评估装置(50)和/或根据权利要求4所述的校准装置(56)。

8.根据权利要求7所述的核成像设备(64)，其中，所述闪烁器(12)包括单片闪烁晶体或闪烁晶体的阵列，尤其是LYSO晶体阵列。

9.根据权利要求7所述的核成像设备(64)，其中，所述位置敏感光探测器(14)包括光敏元件的阵列，尤其是SiPM或dSiPM阵列。

10.根据权利要求7所述的核成像设备(64)，其中，所述闪烁器(12)和所述位置敏感光探测器(14)被以光共享的配置安装，其中，光导(16)被插入在所述闪烁器(12)与所述位置敏感光探测器(14)之间。

11.一种用于评估由伽马相机(10)探测到的伽马辐射事件并识别有效伽马辐射事件的方法，所述伽马相机(10)包括：闪烁器(12)，其用于响应于入射伽马射线(22)和得到的伽马辐射事件而在所述闪烁器(12)中的光转换位置(44)处发射闪烁光子(42)：以及位置敏感光探测器(14)，其用于探测所发射的闪烁光子(42)并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布(24)，所述方法包括：

-针对所述闪烁器(12)中的不同的可能的光转换位置将所获得的空间信号分布(24)与预定的模型分布(76)进行比较(S16)，并根据所述比较来确定(S18)所述不同的可能的光转换位置的似然函数；并且

-基于所述不同的可能的光转换位置的所述似然函数的最大值来选择(S20)最可能的光转换位置，并确定(S22)所述似然函数的所述最大值是否满足预定的选择准则(84)，所述预定的选择准则指示所评估的伽马辐射事件是否是有效伽马辐射事件，所述预定的选择准则(84)是与阈值的比较，所述阈值被定义为校准数据集中的不同有效伽马辐射事件的最大似然值的分布的分位数。

12.一种用于对用于探测伽马辐射事件的伽马相机(10)的位置敏感光探测器(14)进行原位校准的方法，所述伽马相机(10)包括：闪烁器(12)，其用于响应于来自校准体模的入射伽马射线(22)和得到的伽马辐射事件而在所述闪烁器(12)中的光转换位置(44)处发射闪烁光子(42)；以及位置敏感光探测器(14)，其包括用于探测所发射的闪烁光子(42)并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布(24)的光敏元件的阵列，所述方法包括：

-确定(S24)至少一个光敏元件的由若干探测到的伽马辐射事件造成的能量谱(85)的直方图；

-基于所述直方图来确定(S26)至少一个光敏元件的背景值(94)；并且

-根据交叉点(98)来确定(S28)至少一个光敏元件的增益校准值(96)，所述直方图在所述交叉点处下降到被计算为预定的校准值(92)和所述背景值(94)之和的极限值(100)以下。

13.一种用于核成像的方法，包括：

-响应于入射伽马射线(46)和得到的伽马辐射事件而在闪烁器(12)中的光转换位置(44)处发射(S10)闪烁光子(42)；

-探测(S12)所发射的闪烁光子(42)并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布(24)；以及

-根据权利要求11所述的评估方法和/或根据权利要求12所述的校准方法。

14.一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于当在计算机上运行所述计算机程序时令所述计算机执行根据权利要求11或12所述的方法的步骤。