CN106725560A - 光传感器的性能检测方法和医学成像设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光传感器的性能检测方法，包括：利用表现出至少一个特征辐射的固有放射性的闪烁元件产生本底辐射，所述闪烁元件响应于所述本底辐射产生闪烁光；利用光传感器产生与所述闪烁光的光量相应的脉冲状电信号；根据来自所述光传感器的电信号生成单事件数据，累积获取所述光传感器上的单事件计数；将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是否符合要求。本发明使用无源性能检测方法来检测PET设备中光传感器的工作状态。医院技师在不接触放射源的情况下，即可对设备性能进行检测，方法简单、易操作。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像技术领域，特别是在正电子发射断层显像设备中光传感器的性能检测方面得到应用，且将特别参考其加以描述。本发明还应用于利用了闪烁晶体的其他成像模态，例如单光子发射计算机断层显像设备(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)。
背景技术
正电子发射断层显像(Positron Emission Tomography，PET)设备是根据注入体内的放射性核素在衰变过程中产生的正电子湮灭辐射和符合探测原理构成的计算机断层装置。PET技术是核医学发展的一项最新技术，它从分子水平变化来反映细胞代谢及其功能改变，具有极高的灵敏性和特殊性。
在正电子发射断层显像中，扫描器的一致性至关重要。在其他条件都相同时，技术人员希望看到使用相同设置获得的同一对象的两幅图像看起来是相同的。保持扫描器稳定性最大的难题之一就是保持光传感器的稳定性，如光电倍增管(Photomultiplier，PMT)的稳定性。公知的是由于使用和温度的原因，PMT的输出随着时间而漂移。PMT漂移可通过调节PMT的电子增益进行校准。通常，校准的PMT和未校准的PMT输出是相同的，只是能量通道漂移了。电子增益调节能够使漂移的PMT输出回到通道对准，不过，通常PMT并不是均匀地漂移，因此必须要单独校准每个PMT。
典型地，每个PMT所需的增益是通过在扫描器中放置放射性物质并运行校准过程来决定的。放射性校准源产生特征能量的辐射。确定每个PMT的增益，使其将来自特征能量辐射的输出信号置入相应的输出能量通道。该增益被存储在存储器中并在后续的成像程序期间使用。该过程一直运行到系统的所有PMT都被校准为止。
为了执行这种例行维护，需要在设置好的维护日期或实际的漂移妨碍生成有用的医学图像时让技术人员在扫描器上进行PMT校准，通常设置为每周进行一次PMT校准。但是，在预设维护周期内，PMT发生异常漂移时，仍会对成像效果造成影响，因此，除在预设维护日期对PMT进行定期校准外，还需对PMT的漂移进行日常检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光传感器的性能检测方法，用于对光传感器进行日常监控。
为了解决上述问题，本发明提供了一种光传感器的性能检测方法，包括以下步骤：
利用表现出至少一个特征辐射的固有放射性的闪烁元件产生本底辐射，所述闪烁元件响应于所述本底辐射产生闪烁光；
利用光传感器产生与所述闪烁光的光量相应的脉冲状电信号；
根据来自所述光传感器的电信号生成单事件数据，累积获取所述光传感器上的单事件计数；
将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是否符合要求。
优选地，所述光传感器为光电倍增管、硅光电倍增管或雪崩二极管中的一种。
优选地，所述闪烁元件包括含镥化合物。
优选地，所述光传感器上的单事件计数包括：单事件计数率或光子能谱中的一种。
优选地，将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是否符合要求包括：
判断所述光传感器上的单事件计数率是否在预设阈值范围内；
若是，判定所述光传感器的性能符合要求；
若否，判定所述光传感器的性能不符合要求。
优选地，将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是否符合要求包括：
从所述光子能谱中提取特征能量峰的位置；
判断所述特征能量峰的位置是否在预设阈值范围内；
若是，判定所述光传感器的性能符合要求；
若否，判定所述光传感器的性能不符合要求。
优选地，若所述光传感器的性能不符合要求，则记录该光传感器的位置。
优选地，若所述光传感器的性能不符合要求，则对所述光传感器进行校准。
优选地，过语音播放或界面显示的方式，将所述光传感器的性能检测结果通知给用户。
本发明还提供了一种医学成像设备，包括：
表现出至少一个特征辐射的固有放射性的闪烁元件，所述闪烁元件产生本底辐射，并响应于所述本底辐射产生闪烁光；
与所述闪烁元件连接的光传感器，所述光传感器产生与所述闪烁光的光量相应的脉冲状电信号；
信号处理部，用于根据来自所述光传感器的电信号生成单事件数据，并累积获取所述光传感器上的单事件计数；
性能检测部，用于将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是否符合要求。
与现有技术相比，本发明使用无源性能检测方法来检测正电子发射断层显像设备中光传感器的工作状态。可以让医院技师在不接触放射源的情况下，确定设备是否可以用于扫描病人，并且方法简单、易操作。
附图说明
图1为本发明一实施例中的PET设备的结构示意图；
图2为配置在图1的机架上的探测器环的示意性的横断面图；
图3为本发明一实施例的光传感器的性能检测方法的流程图；
图4为本发明一实施例中的单光子能谱；
图5为本发明一实施例中的符合能谱。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的光传感器性能检测方法特别是在正电子发射断层显像设备中光传感器的性能检测方面得到应用。本发明还应用于利用了闪烁晶体的其他成像模态，例如单光子发射计算机断层显像设备(Single-PhotonEmission Computed Tomography，SPECT)。下文以对正电子发射断层显像设备中光传感器的性能检测为例，对本发明的光传感器性能检测方法进行详细说明。
在本发明实施例中，通过PET扫描获取对传感器进行性能分析所需的数据。为便于充分理解本实施例的光传感器性能检测方法，首先对PET设备的结构进行简要说明。
如图1所示，PET装置1以控制部10为中枢，具有机架20、信号处理部30、同时计数部40、存储部50、重建部60、显示部70以及操作部80。
图2为配置在机架20上的探测器环100的示意性横断面图。机架20具有沿圆周的中心轴Z排列的多个探测器环100。探测器环100具有排列在中心轴Z周围的圆周上的多个探测器200。探测器环100的开口部上形成有扫描视野(Field Of View，FOV)。将载有被检体P的床板500插入探测器环100的开口部，以使得被检体P的摄像部位进入FOV。被检体P以使体轴与中心轴Z一致的方式被载置在床板500上。在被检体P内，为了PET摄影而注入利用放射性同位素标识的药剂。探测器200检测从被检体P内部放出的成对湮没γ射线，生成与检测出的成对湮没γ射线的光量相应的脉冲状电信号。
具体情况是，探测器200具有多个闪烁元件300与多个光传感器400。闪烁元件300接收来自被检体P内的放射性同位素的成对湮没γ射线，产生闪烁光。各闪烁元件被配置为各闪烁元件的长轴方向与探测器环100的径向大致一致。光传感器400被设置在与正交于中心轴Z的径向有关的、闪烁元件300的一端部上。典型情况是，探测器环100中所包含的多个闪烁元件300与多个光传感器400被排列成同心圆筒状。在闪烁元件300中所产生的闪烁光在闪烁元件300内传播，并朝向光传感器400。光传感器400产生与闪烁光的光量相应的脉冲状电信号。所产生的电信号，如图1所示，被供给信号处理部30。
信号处理部30根据来自光传感器400的电信号生成单事件数据(Single Event Data)。具体情况是，信号处理部30实施检测时刻测量处理、位置计算处理以及能量计算处理。在检测时刻测量处理中，信号处理部30测量探测器200的γ射线的检测时刻。具体情况是，信号处理部30监视来自光电倍增管400的电信号的峰值。然后，信号处理部30测量电信号的峰值超过预先设定的阈值的时刻作为检测时刻。即，信号处理部30通过检出电信号的强度超过阈值这一情况，从而电检测湮没γ射线。在位置计算处理中，信号处理部30根据来自光传感器400的电信号，计算湮没γ射线的入射位置。湮没γ射线的入射位置与湮没γ射线入射到的闪烁元件300的位置坐标对应。在能量计算处理中，信号处理部30根据来自光传感器400的电信号，计算入射至闪烁元件300的湮没γ射线的能量值。所生成的单事件数据被供给至同时计数部40。
同时计数部40对与多个单事件有关的单事件数据实施同时计数处理。具体情况是，同时计数部40从重复供给的单事件数据中重复确定容纳在与预先设定的时间范围内的2个单事件有关的事件数据。时间范围被设定为例如6ns～18ns左右。该成对的单事件被推测为由来于从同一成对湮没点产生的成对湮没γ射线。成对的单事件概括地被称为符合事件。连结检测出该成对湮没γ射线的成对的探测器200(更详细说是闪烁元件300)的线被称为响应线(Line Of Response，LOR)。这样，同时计数部40针对每一LOR计数符合事件。与构成LOR的成对的事件有关的事件数据(以下，称为符合事件数据)被存储至存储部50。
重建部60根据与多个符合事件有关的符合事件数据，重建表现被检体内的放射性同位素的浓度的空间分布的图像数据。
本实施例基于闪烁元件产生的本底辐射提供了一种光传感器性能检测方法。下面结合附图3至5进行详细的说明。
图3示出了本实施例的光传感器性能检测方法的流程图。请参考图3，首先执行步骤S101，利用表现出至少一个特征辐射的固有放射性的闪烁元件产生本底辐射，所述闪烁元件响应于所述本底辐射产生闪烁光。
闪烁元件300通常采用闪烁晶体。此处以原硅酸镥(LSO)、原硅酸钇镥(LYSO)、原硅锗镥(LGSO)等含镥闪烁晶体为例进行说明。天然镥中含有2.6％的176Lu同位素，具有天然本底辐射。176Lu在其衰变时发射307kev、202kev和88kev的三束γ射线，尤其是202kev和307kev的γ射线离开闪烁晶体并击中另一个闪烁晶体引起闪烁，产生闪烁光。包含镥的LSO、LYSO、LGSO为形成闪烁晶体的化合物示例，其他包含镥的晶体变型也适合。
继续执行步骤S102，利用光传感器产生与所述闪烁光的光量相应的脉冲状电信号。
本底辐射在闪烁元件300中所产生的闪烁光在闪烁元件300内传播，并朝向光传感器400。光传感器400用于产生与闪烁光的光量相应的脉冲状电信号。现有的可实现光电信号转换的光传感器均适用于本发明，如光电倍增管(PMT)、硅光电倍增管(SiPM)或雪崩二极管(APD)等。
光传感器400产生与所接收闪烁光的光量相应的脉冲状电信号，并供给信号处理部30。
继续执行步骤S103，根据来自所述光传感器的电信号生成单事件数据，累积获取所述光传感器上的单事件计数。
信号处理部30根据来自光传感器400的电信号生成单事件数据(Single Event Data)。根据每个光传感器上的单事件数据，累积获取所述光传感器上的单事件计数。
获取的单事件计数至少包括单事件计数率或光子能谱的一种。单事件计数率定义为每个光传感器400上的生成的单事件数据与所有光传感器400上的单事件数据之和的比值。光子能谱定义为由累积获取的单事件数据生成的包含特征能量峰的光子能谱。
以图4和图5为例，对上述光子能谱进行说明。在本实施例中，本底辐射来自于176Lu，176Lu在其衰变时发射307kev、202kev和88kev的三束γ射线，尤其是202kev和307kev的γ射线离开闪烁晶体并击中另一个闪烁晶体引起闪烁，产生闪烁光。图4所示为单光子模式下202kev特征能量峰的能谱。图5所示为，202kev和307kev特征能量峰的符合能谱。在本发明的其他实施例中，还可以获取单光子模式下307kev峰的能谱。
累积获取单事件计数的一种实施方式为：预设PET扫描时间，例如设置扫描时间为1分钟、6分钟或60分钟；另一种实施方式为：当信号处理部30生成的单事件数据量累积到一定数值时，例如，数据量达到10G时，停止PET扫描。
继续执行步骤S104，将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是否符合要求。
获取的光传感器上的单事件计数至少包括每个光传感器上的单事件计数率或光子能谱的一种。
在本发明一实施例中，根据单事件计数率确定每个光传感器400的性能是否符合要求，具体为：
判断所述光传感器上的单事件计数率是否在预设阈值范围内；
若是，判定所述光传感器的性能符合要求；
若否，判定所述光传感器的性能不符合要求。
执行上述判断步骤时，依次对每一个光传感器的单事件计数率是否在预设阈值范围内进行判断。预设阈值范围的一种方式是：为所有光传感器预设为同一阈值范围。由于不同的光传感器之间存在差异，预设阈值范围的另一种方式是：为每一个光传感器分别预设阈值范围。
在本发明一实施例中，根据光子能谱确定每个光传感器400的性能是否符合要求，具体为：
从所述光子能谱中提取特征能量峰的位置；
判断所述特征能量峰的位置是否在预设阈值范围内；
若是，判定所述光传感器的性能符合要求；
若否，判定所述光传感器的性能不符合要求。
所获取的光子能谱中，表现出至少一个所接收信号的特征能量峰，根据特征能量峰的位置确定光传感器是否发生漂移。请参考图4，将单光子能谱中所接收信号的峰001与理想的202kev峰比较，若峰的位置相对于理想的峰位置发生漂移，且该漂移超出预设阈值范围，则认为该光传感器的性能不符合要求；反之，若漂移未超出预设阈值范围，则认为该传感器的性能符合要求。请参考图5，在本发明的其他实施例中，获取符合能谱中，将所接收信号的峰002的位置与理想的202kev和307kev符合峰的位置进行比较，若所接收信号的峰002的位置的漂移超出预设阈值范围，则认为该光传感器的性能不符合要求；反之，若漂移未超出预设阈值范围，则认为该传感器的性能符合要求。
执行上述步骤S101至S104后，进一步向用户输出检测结果，其输出方式可以为语音播放，也可以为用户界面显示。
上述性能检测操作可以通过手动模式启动，也可以设置为自动启动模式，具体根据用户需要设置。若设置为自动启动模式，一种具体的实现方式为，预设在每天开始第一例病人扫描前，自动执行对光传感器400的性能检测操作。
在执行上述步骤S101至S104后，若检测出光传感器的性能不符合要求，需要进一步对光传感器进行校准，使其性能恢复到正常工作状态。本发明对光传感器的校准方法不作限制，现有的光传感器的校正方法均适用于本发明。对光传感器进行校准的操作可以手动操作，也可以通过预设计算机程序自动执行。若PET设备中预设了光传感器的校准程序，在执行本发明光传感器的性能检测操作后，若检测出光传感器的性能不符合要求，则自动启动光传感器校准程序。
需要说明的是，通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请的部分或全部可借助软件并结合必需的通用硬件平台来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可包括其上存储有机器可执行指令的一个或多个机器可读介质，这些指令在由诸如计算机、计算机网络或其他电子设备等一个或多个机器执行时可使得该一个或多个机器根据本发明的实施例来执行操作。机器可读介质可包括，但不限于，软盘、光盘、CD-ROM(紧致盘-只读存储器)、磁光盘、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、磁卡或光卡、闪存、或适于存储机器可执行指令的其他类型的介质/机器可读介质。
本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本发明还提供了一种医学成像设备，包括：
表现出至少一个特征辐射的固有放射性的闪烁元件阵列，所述闪烁元件产生本底辐射，并响应于所述本底辐射产生光子发射；
与所述至少一个闪烁元件连接的光传感器阵列，所述光传感器阵列产生对所述光子发射的响应；
性能检测装置，获取所述光传感器的单事件计数，并将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是符合要求。
需要说明的是，本领域技术人员可以理解，上述部分组件可以是诸如：可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，PAL)、通用阵列逻辑(GenericArray Logic，GAL)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device)，CPLD)等可编程逻辑器件中的一种或多种，但是本发明对此不做具体限制。
需要说明的是，本领域技术人员可以理解，本发明还可应用于利用了闪烁晶体的其他成像模态，例如单光子发射计算机断层显像设备，以及其他组合式医学成像系统，比如：组合式正电子发射断层扫描和磁共振成像系统(Positron Emission Tomography-Magnetic Resonance Imaging，PET-MR)、组合式(Positron Emission Tomography-Computed Tomography，PET-CT)等。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (10)
1.一种光传感器的性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用表现出至少一个特征辐射的固有放射性的闪烁元件产生本底辐射，所述闪烁元件响应于所述本底辐射产生闪烁光；
利用光传感器产生与所述闪烁光的光量相应的脉冲状电信号；
根据来自所述光传感器的电信号生成单事件数据，累积获取所述光传感器上的单事件计数；
将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是否符合要求。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光传感器为光电倍增管、硅光电倍增管或雪崩二极管中的一种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述闪烁元件包括含镥化合物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光传感器上的单事件计数包括：单事件计数率或光子能谱中的一种。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是否符合要求包括：
判断所述光传感器上的单事件计数率是否在预设阈值范围内；
若是，判定所述光传感器的性能符合要求；
若否，判定所述光传感器的性能不符合要求。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是否符合要求包括：
从所述光子能谱中提取特征能量峰的位置；
判断所述特征能量峰的位置是否在预设阈值范围内；
若是，判定所述光传感器的性能符合要求；
若否，判定所述光传感器的性能不符合要求。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述光传感器的性能不符合要求，则记录该光传感器的位置。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述光传感器的性能不符合要求，则对所述光传感器进行校准。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过语音播放或界面显示的方式，将所述光传感器的性能检测结果通知给用户。
10.一种医学成像设备，其特征在于，包括：
表现出至少一个特征辐射的固有放射性的闪烁元件，所述闪烁元件产生本底辐射，并响应于所述本底辐射产生闪烁光；
与所述闪烁元件连接的光传感器，所述光传感器产生与所述闪烁光的光量相应的脉冲状电信号；
信号处理部，用于根据来自所述光传感器的电信号生成单事件数据，并累积获取所述光传感器上的单事件计数；
性能检测部，用于将所述光传感器上的单事件计数与预设阈值比较，确定所述光传感器的性能是否符合要求。
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