CN106133555A

CN106133555A - 正电子发射断层摄影(pet)中的死像素补偿

Info

Publication number: CN106133555A
Application number: CN201580017213.8A
Authority: CN
Inventors: T·L·劳伦斯; S·X·王
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2016-11-16
Also published as: JP2017512997A; US10101475B2; WO2015145301A1; US20170074995A1; EP3123204A1

Abstract

一种补偿正电子发射断层摄影(PET)成像中的一个或多个死像素的系统(10)和方法(100)。像素补偿处理器接收描述对象的目标体积的PET数据。所述PET数据丢失针对一个或多个死像素的数据。像素补偿根据所接收的PET数据估计针对死像素的PET数据。

Description

正电子发射断层摄影(PET)中的死像素补偿

技术领域

本申请总体上涉及正电子发射断层摄影(PET)。其尤其应用于与针对死像素的补偿结合，并将尤其参考其进行描述。然而，应当理解，本申请还应用于其它使用情形。而不必限于前述申请。

背景技术

在过去，PET系统通常采用光电倍增管(PMT)(例如，1.5英寸PMT)来进行光探测。典型的基于PMT的PET系统在任何地方包含从大约12000到33000的个体闪烁体，但是只使用200到800个PMT。这样一来，典型的基于PMT的PET系统非常不耐无功能PMT。因为PMT的尺寸，无功能PMT使得探测器的大的部分不能操作。此外，Anger逻辑不支持计算在探测器的不可操作部分中发生的闪烁事件的位置。

最近，PET系统已经过渡到SiPM，例如3x3或4x4毫米(mm)SiPM，以用于光探测。在基于SiPM的PET系统中，存在一些SiPM可能不正确工作的高的可能性。与基于PMT的PET系统相比，基于SiPM的PET系统的SiPM通道计数接近闪烁体计数。由于无功能SiPM的影响区域非常小，所以基于SiPM的PET系统能够忍受无功能SiPM。这适用于闪烁体到SiPM的一对一耦合，以及闪烁体到SiPM的多对一耦合，其中，执行微Anger计算以确定事件位置。

尽管基于SiPM的PET系统能够忍受无功能SiPM，但是重建的图像质量退化。无功能SiPM导致死像素。像素是闪烁事件能够被定位的最小区域。死像素是丢失有效数据的像素。死像素还能够由于闪烁体性能、在SiPM和闪烁体之间的光学耦合以及处理电子器件中的一个或多个中的问题而产生。死像素导致在重建期间的成像伪影。在重建期间的伪影针对在扫描目标体积中的非常均匀活动的更高统计扫描更显著。

参考图1，提供了使用具有三个死像素的PET扫描器生成的正弦图。正弦图描述了空间信息，并且不包含渡越时间(TOF)信息。PET扫描器包括在闪烁体和SiPM之间的一对一耦合，并且闪烁事件能被定位到的最小区是SiPM/闪烁体对。如能够看到的，死像素引起丢失数据的暗线，这通过箭头强调。在探测器之间的间隙生成周期性的网格。

本申请提供了克服这些和其它问题的新的和改进的系统和方法。

发明内容

根据一个方面，提供了一种用于补偿在正电子发射断层摄影(PET)成像中的一个或多个死像素的系统。所述系统包括：像素补偿处理器，其接收描述对象的目标体积的PET数据。所述PET数据是一个或多个死像素的丢失数据。所述像素补偿处理器还根据所接收的PET数据估计针对所述死像素的PET数据。

根据另一方面，提供了一种用于补偿正电子发射断层摄影(PET)成像中的一个或多个死像素的方法。接收描述对象的目标体积的PET数据。所述PET数据是针对一个或多个死像素的丢失数据。根据所接收的PET数据来估计针对所述死像素的PET数据。

根据另一方面，提供了一种用于补偿在正电子发射断层摄影(PET)成像中的一个或多个死像素的系统。所述系统包括：多个硅光电倍增器(SiPM)，其生成描述对象的目标体积的PET数据。所述系统还包括像素补偿处理器，其从所述SiPM接收描述对象的目标体积的PET数据。所述PET数据是针对与无功能SiPM相关联的死像素的丢失数据。像素补偿处理器还根据所接收的PET数据生成针对所述死像素的PET数据。

一个优点在于减少的成像伪影。

另一优点在于增加的图像质量。

本领域普通技术人员在阅读和理解了以下详细描述后，将理解本发明的其它优点。

附图说明

本发明可以采取各种部件和各部件的布置的形式，并且可以采取各种步骤和各步骤安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，而不应解释为对本发明的限制。

图1图示了使用具有死像素的正电子发射断层摄影(PET)成像系统生成的正弦图。

图2图示了使用根据本申请的像素补偿处理器的PET成像系统。

图3图示了图2的PET成像系统的探测器。

图4图示了与根据图1的正弦图的相同数据并使用根据本申请的像素补偿生成的正弦图。

图5图示了在PET成像中补偿死像素的方法。

具体实施方式

采用硅光电倍增器(SiPM)来进行光探测的PET扫描器具有死像素的高可能性。像素是闪烁事件能够被定位到的最小区域。死像素是丢失有效数据的像素。死像素可以由于闪烁体性能、SiPM和闪烁体之间的光学耦合以及处理电子器件中的一个或多个中的问题而产生。本申请描述了用于通过用来自其它像素的数据填充丢失数据来对死像素进行补偿的方法。这消除了丢失的响应线(LOR)，并产生更好地表示扫描目标体积的图像。

下文描述了用于填充死像素的丢失数据的多个方法。在一个实例中，采用一阶近似。根据该方法，邻近死像素的像素的事件数据被复制，并且通过用死像素的位置替代邻近像素的位置来增大复制数据。在另一实例中，采用正弦图空间插值。根据该方法，与死像素相关联的正弦图空间中的每个位置根据邻近位置而被插值。

参考图2，PET成像系统10包括PET扫描器12。PET扫描器12生成原始扫描数据，并包括容纳布置在扫描器12的膛18周围的多个伽马探测器15的固定机架14。膛18定义用于接收要被成像的对象的目标体积(例如，脑、躯干等)的检查体积20。探测器16通常被布置在伸出检查体积20的长度的一个或多个固定环中。然而，还预期可旋转头部。探测器16探测来自检查体积20的伽马光子，并生成原始扫描数据。

参考图3，探测器16中的每个包括被布置在网格中的一个或多个闪烁体22。闪烁体22响应于伽马光子的能量沉积而闪烁并生成可见光脉冲。如图示的，伽马光子24在闪烁体26中沉积能量，由此导致可见光脉冲28。可见光脉冲的幅度与对应的能量沉积的幅度成比例。闪烁体22的例子包括铊掺杂碘化钠(NaI(Tl))，铈掺杂硅酸钇镥(LYSO)和铈掺杂硅酸镥(LSO)。

除了闪烁体22外，探测器16中的每个还包括传感器30，其探测闪烁体22中的可见光脉冲。传感器30包括多个光敏元件32。光敏元件32被布置在与闪烁体22的网格相似尺寸的网格中，并且光学耦合到对应的闪烁体22。光敏元件32可以以一对一的布置、一对多的布置、多对一的布置或任意其它布置耦合到闪烁体22。通常，如图示的，光敏元件32是硅光电倍增器(SiPM)，但是还预期光电倍增管(PMT)。

当光敏元件32是SiPM时，在闪烁体22和光敏元件32之间通常是一对一的对应关系，如图示的，但是预期其它对应性。每个SiPM包括光电二极管阵列(例如，盖革模式雪崩光电二极管阵列)，每个光电二极管对应于光电二极管阵列的单元。合适地，SiPM 32被配置为操作在盖革模式中，以产生一系列单位脉冲，从而操作在数字模式中。备选地，SiPM能够被配置为操作在模拟模式中。当光敏元件32是PMT时，在闪烁体22之间通常存在多对一对应关系，但是可以想到其它对应关系。

返回参考图2，在使用扫描器12对对象的扫描期间，对象的目标体积被注射有放射性药物或放射性核素。放射性药物或放射性核素使得伽玛光子从目标体积被发射。然后使用对应于扫描器12的对象支撑物34将目标体积定位在检查体积20中。一旦目标体积被定位在检查体积20内，扫描器12就被控制以执行对目标体积的扫描，并且事件数据被采集。采集的事件数据描述由探测器16探测的每个闪烁事件的时间、位置和能量，并且被适当地存储在PET数据缓冲器36中。

闪烁事件的位置对应于扫描器12的像素。像素是闪烁事件能够被定位到的最小区域。例如，假设光敏元件32是SiPM，并且在闪烁体22和光敏元件32之间存在一对一的耦合。在这种情况下，闪烁事件能够被定位到的最小区域通常是闪烁体/SiPM对，由此像素通常对应于闪烁体/SiPM对。作为另一范例，假设光敏元件32是PMT或SiPM，并且在闪烁体22和光敏元件32之间存在多对一的耦合。在这种情况下，Anger逻辑通常用于将闪烁事件定位到个体闪烁体22，由此像素通常对应于闪烁体22，但不对应于光敏元件32。

在采集之后，或与其同时，事件验证处理器38对经缓冲的事件数据进行滤波。滤波包括将每个闪烁事件的能量(在数字模式中的单元计数)与能量窗进行比较，所述能量窗定义针对闪烁事件的可接受能量范围。滤除落在能量窗之外的那些闪烁事件。通常，能量窗居中在要从检查体积20接收的伽玛光子的已知能量(例如，511千电子伏特(keV))上，并且使用从校准体模生成的能量谱的半高宽(FWHM)来确定。事件验证处理器38还根据经过滤的事件数据生成响应线(LOR)。由在彼此(即，同时事件)的指定时间差内撞击探测器16的一对伽玛光子定义LOR。指定时间差足够小以确保伽玛来自相同的湮灭事件。因此，假设在闪烁事件和撞击探测器16的伽马光子之间存在一对一的对应关系，LOR能够由一对闪烁事件定义。

上述对事件数据的过滤和对LOR的确定假设在闪烁事件和撞击探测器16的伽马光子之间存在一对一的对应性。然而，本领域技术人员将认识到，实际上，伽马光子能够产生多个闪烁事件。在一些实例中，在将事件数据传递到事件验证处理器38之前，基于伽马光子组合事件数据的闪烁事件。例如，属于公共伽马光子的闪烁事件的能量能够被加和，并且伽马光子撞击探测器16的位置能够被近似。然后，事件验证处理器38根据更新后的事件数据过滤LOR并确定LOR。

描述符合事件的数据在被事件验证处理器38确定时或一旦被事件验证处理器38确定，被存储于列表模式存储器40中作为列表，其中，每个列表项对应于符合事件。针对列表项中的每个的数据通过针对LOR的一对伽马光子被定位到的两个像素的空间数据(例如，通过X和Z位置)描述对应的LOR。此外，针对列表项中的每个的数据任选地能够描述对应的符合事件的两个伽马光子的能量和/或两个伽马光子的时间戳或者在两个伽马光子的时间戳之间的差。

在列表模式数据正被生成时或一旦列表模式数据被生成，像素补偿处理器42接收所述列表模式数据，并且通过使用来自其它像素的事件数据来填充针对死像素的丢失事件数据。死像素是丢失有效数据的像素。死像素能够由于闪烁体性能、在光敏元件32和闪烁体22之间的光学耦合、光敏元件32以及处理电子器件中的一个或多个中的问题而产生。因为PET扫描器采集三维(3D)数据，所以简单的泛源和/或均匀性校正不能在探测器16处被执行，如在单光子发射计算机断层摄影(SPECT)和计算机断层摄影(CT)中完成的。PET需要生成丢失像素对。能够采用任何方法来填充死像素丢失的数据，但是两个方法分别使用一阶近似和正弦图空间插值。

根据一阶近似方法，直接使用列表模式数据。如上所述，列表模式数据包含针对每个探测到的符合事件的列表项。通过以下来执行每个死像素的补偿：针对对应于邻近像素的每个列表项，确定列表项是否满足选择标准，如果满足，则复制列表项并且用复制列表项中的死像素的位置替换邻近像素的位置。邻近像素通常是紧邻死像素的任意像素，但是能够采用不同标准来定义什么是邻近像素。例如，邻近像素能够是与死像素共享探测器环的任意像素和/或紧邻死像素的任意像素或在死像素的预定数量的像素(例如，2像素)内的任意像素。

如上所述，仅当满足选择标准时处理列表项。不需要采用特殊的选择标准。在简单的情况下，所有的列表项被选择。在更复杂的情况下，概率性地选择列表项。例如，每个邻近像素与事件和死像素相关的概率相关联。所述概率能够基于邻近像素到死像素的距离和/或邻近像素是否与死像素在相同探测器环上。例如，邻近像素距死像素越远，所述概率越低，和/或当邻近像素与死像素在不同探测器环上时，所述概率较低。当遇到对应于邻近像素的列表项时，确定随机数。如果确定的随机数的概率小于或等于邻近像素的概率，则选择列表项。

根据正弦图空间插值方法，列表模式数据被转换到正弦图，针对每个切片一个。该转换备选地能够由系统10的另一部件执行，由此像素补偿处理器42接收正弦图数据，而不是列表模式数据。通常，根据真实的、散射的和随机符合事件(被统称为即时符合事件)生成正弦图，但是能够根据真实的、散射的和随机的符合事件的任意组合生成正弦图。例如，能够根据真实的和随机的符合事件生成正弦图。

正弦图空间有时被称作LOR空间，因为每个位置表示测量符合事件的像素的对。尽管正弦图通常仅提供针对像素的空间连接性数据，但正弦图能够扩展为包括渡越时间(ToF)数据，其描述了针对每个符合数据的ToF值。针对符合事件的ToF值是在探测符合事件的像素的对之间的时间测量结果的差异。为了扩展正弦图以包括ToF数据，每个正弦图(对应于切片)被划分为帧(frame)，针对多个ToF分箱中的每个，一个帧。ToF分箱共同地跨越针对扫描器12的可能ToF值的范围，其中，每个个体ToF分箱跨越对应于扫描器12的ToF精度的子范围。例如，典型的扫描器具有大约25皮秒(ps)的ToF精度，由此ToF分箱中的每个通常跨越25ps范围。此外，典型的扫描器具有+/-2.5纳秒(ns)的ToF值范围，其中典，型的正弦图包括201帧。

使用正弦图，根据邻近位置对与死像素相关联的正弦图中的每个离散位置(即，定位)的值进行插值(即，估计)。当正弦图包括ToF数据时，位置对于帧而言特定。如本领域技术人员将认识到的，死像素显示为正弦图中丢失数据的对角线。邻近位置通常是紧邻被估计的位置的任意位置，但是能够采用不同标准来定义什么是邻近位置。被估计的位置的邻近位置能够跨越正弦图和/或(在包括ToF数据时)帧。备选地，被估计的位置的邻近位置能够被限制于相同正弦图或者(在包括ToF数据时)相同帧。

有利地，通过使用正弦图，插值能够包括数据建模以拟合已知数据并估计丢失像素数据。能够使用任意适当的插值技术来执行插值。例如，能够使用公知的最近邻插值技术来执行插值。作为另一范例，能够采用更复杂的技术，例如，公知的双线性插值技术或模式匹配技术。双线性插值技术执行邻近值的加权，并且模式匹配技术检查正弦图内的正弦波的形状。可以针对探测器的边缘像素执行不对称的加权，所述边缘像素由于Compton(即，散射)事件而通常具有较低的收集效率，不如探测器的中央像素那样有效地被收集。

应该认识到，正弦空间差值方法比一阶近似方法计算更密集得多。然而，一阶近似方法能够在列表模式数据正被生成的同时被执行，正弦图空间差值方法仅能够在一旦生成列表模式数据时被执行。正弦图空间差值方法使用针对邻近像素的最终值来估计针对死像素的值。

参考图4，提供了补偿三个死像素的正弦图。根据用于生成图1的正弦图的相同的数据来生成正弦图。使用正弦图空间插值方法近似死像素的数据。如能够看出的，通过与图1的正弦图比较，补偿过的正弦图提供了用于重建的更清楚的数据，其消除重建图像中的伪影。显著地，由图1的箭头所标定的丢失数据的区域已经填充了数据。

返回参考图2，PET重建处理器4将来自像素补偿处理器42的经校正的列表模式数据和/或正弦图数据重建为目标体积的最终重建图像。重建图像通常存储于PET图像存储器46中。为了生成重建图像，能够采用任何适当的重建算法。例如，能够采用基于迭代的重建算法。

控制系统48(例如计算机)为系统的用户提供了图形用户接口(GUI)。GUI利用显示设备50和用户输入设备52来允许用户与控制系统48交互。通过GUI，控制系统48能够被用于控制扫描器12来对对象进行成像。例如，用户能够协调对象的目标体积的PET图像。此外，通过GUI，控制系统48能够被用于查看并且可选地操纵存储于图像存储器46中的图像。例如，图像存储器的图像能够显示在显示设备50上。

在一些实例中，数据缓冲器36、事件验证处理38、列表模式存储器40、像素补偿处理器42、重建处理器44和图像存储器46中的一个或多个与控制系统48集成。例如，重建处理器44、像素补偿处理器42和事件验证处理器38能够共享控制系统48的公共处理器。在这种情形下，重建处理器44、像素补偿处理器42和事件验证处理器38通常被实施为软件模块。软件模块被存储在控制系统的存储器上，并由控制系统的处理器运行。

参考图5，提供了用于补偿PET成像中的死像素的方法100。方法100由一个或多个处理器42、44适当地执行。对此，方法100通常通过存储于存储器上的处理器可执行指令实现且由处理器42、44运行。

根据方法100，接收102描述对象的目标体积并由PET扫描器12生成的PET数据。PET数据是针对扫描器12的一个或多个像素的丢失数据。这些所谓的死像素可能由于闪烁体性能、在光敏元件和闪烁体之间的光耦合、光敏元件以及处理电子器件中的一个或多个中的问题而产生。光敏元件的范例包括SiPM和PMT。利用所接收的PET数据，针对死像素估计104PET数据。与SPECT相比，PET数据是三维(3D)的。因此，估计PET数据的过程比在SPECT中被更多地涉及。

在一些实例中，所接收的PET数据是列表模式数据，每个列表项对应于符合事件。在这种情况下，估计针对死像素的PET数据的方法包括复制与邻近像素相关联的列表项。邻近像素在复制的PET数据中的位置然后被死像素的位置替换。尽管能够采用与邻近像素相关联的所有列表项，但是还能够智能地选择列表项。例如，能够概率性地选择与邻近像素相关联的列表项。在一些实例中，所接收的PET数据是正弦图数据，任选地包括ToF数据。在这情况下，估计针对死像素的PET数据的方法包括根据邻近位置的值对正弦图域中与死像素相关联的每个离散位置的值进行插值。例如，能够执行最近邻插值。

一旦为死像素估计了数据，将所接收的数据和估计出的数据的组合重建106为表示目标体积的图像。为了生成重建的图像，能够采用任意适当的重建算法。例如，能够采用基于迭代的重建算法。

如本文所使用的，存储器包括存储数据的任何设备或系统，诸如随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)。而且，如本文所使用的，处理器包括处理输入设备以产生输出数据的任何设备或系统，诸如微处理器、微控制器、图形处理单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等；控制器包括控制另一设备或系统的任何设备或系统，并且通常包括至少一个处理器；用户输入设备包括允许用户输入设备的用户将输入提供到另一设备或系统的任何设备，诸如鼠标或键盘；并且显示设备包括用于显示数据的任何设备，诸如液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)显示器。

已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读和理解上述详细描述之后可以进行修改和变型。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变化，只要其落入权利要求书或其等价方案的范围内。

Claims

1.一种用于补偿正电子发射断层摄影(PET)成像中的一个或多个死像素的系统(10)，所述系统(10)包括：

像素补偿处理器(42)，其：

接收描述对象的目标体积的PET数据，所述PET数据丢失针对一个或多个死像素的数据；并且

根据所接收的PET数据估计针对所述死像素的PET数据。

2.根据权利要求1所述的系统(10)，其中，像素是闪烁事件能够被定位到的最小区域。

3.根据权利要求1和2中的任一项所述的系统(10)，其中，所述像素补偿处理器(42)通过以下来估计针对所述死像素中的一个的所述PET数据：

复制邻近像素的PET数据；并且

在复制的PET数据中利用所述死像素的位置替换所述邻近像素的位置。

4.根据权利要求3所述的系统(10)，其中，所接收的PET数据是在每个列表项处描述符合事件的列表模式数据，并且其中，所述复制的PET数据是所接收的PET数据的列表项。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的系统(10)，其中，所述像素补偿处理器(42)通过以下来估计针对所述死像素中的一个的所述PET数据：

概率性地选择邻近所述死像素的像素的并且被包括在所接收的PET数据中的PET数据的子集；

复制或加权地组合PET数据的选定的子集；并且

在复制或加权组合的PET数据中利用所述死像素的位置替换所述邻近像素的位置。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的系统(10)，其中，所接收的PET数据是正弦图数据，并且其中，所述像素补偿处理器(42)在正弦图域中估计针对所述死像素的所述PET数据。

7.根据权利要求6所述的系统(10)，其中，所述正弦图域包括针对渡越时间(ToF)的维度。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的系统(10)，其中，所述像素补偿处理器(42)通过以下来估计针对所述死像素中的一个的所述PET数据：

根据邻近位置的值对所述正弦图域中与所述死像素相关联的每个离散位置的值进行插值。

9.根据权利要求1-8中的任一项所述的系统(10)，还包括：

重建处理器(44)，其将所接收的PET数据和所生成的PET数据重建为表示所述目标体积的图像。

10.一种用于补偿正电子发射断层摄影(PET)成像中的一个或多个死像素的方法(100)，所述方法(100)包括：

接收(102)描述对象的目标体积的PET数据，所述PET数据丢失针对一个或多个死像素的数据；以及

根据所接收的PET数据估计(104)针对所述死像素的PET数据。

11.根据权利要求10所述的方法(100)，其中，像素是闪烁事件能够被定位到的最小区域。

12.根据权利要求10和11中的任一项所述的方法(100)，其中，所述估计(104)包括：

复制所述死像素中的一个的邻近像素的PET数据；并且

13.根据权利要求12所述的方法(100)，其中，所接收的PET数据是在每个列表项处描述符合事件的列表模式数据，并且其中，所述复制的PET数据是所接收的PET数据的列表项。

14.根据权利要求10-13中的任一项所述的方法(100)，其中，所述估计(104)包括：

概率性地选择邻近所述死像素中的一个的像素的并且被包括在所接收的PET数据中的PET数据的子集；

复制或加权地组合PET数据的选定的子集；并且

在所述复制的PET数据中利用所述死像素的位置替换所述邻近像素的位置。

15.根据权利要求10-14中的任一项所述的方法(100)，其中，所接收的PET数据是正弦图数据，并且其中，所述方法(100)还包括：

在正弦图域中估计(104)针对所述死像素的所述PET数据。

16.根据权利要求15所述的方法(100)，其中，所述正弦图域包括针对渡越时间(ToF)的维度。

17.根据权利要求10-16中的任一项所述的方法(100)，其中，所述估计(104)包括：

18.根据权利要求10-17中的任一项所述的方法(100)，还包括：

将所接收的PET数据和所生成的PET数据重建(106)为表示所述目标体积的图像。

19.至少一个处理器(42、44)，其被编程为执行根据权利要求10-18中的任一项所述的方法(100)。

20.一种用于补偿正电子发射断层摄影(PET)成像中的一个或多个死像素的系统(10)，所述系统(10)包括：

多个硅光电倍增器(SiPM)(32)，其生成描述对象的目标体积的PET数据；

像素补偿处理器(42)，其：

从所述SiPM(32)接收描述对象的目标体积的PET数据，所述PET数据丢失针对与无功能SiPM(32)相关联的死像素的数据；并且

根据所接收的PET数据生成针对所述死像素的PET数据。