CN108474862B - 具有lu谱减除的能量校准 - Google Patents

Abstract

本申请总体上涉及正电子发射断层摄影(PET)。其尤其与数字PET(DPET)探测器的能量校准结合应用，并且将尤其参考其进行描述。在一个方面中，差异谱是通过找到在没有加载放射源的情况下的背景辐射谱与在加载了放射源的情况下的校准源辐射谱之间的差异而产生的。然后可以使用差异谱来识别能量峰。

Description

具有LU谱减除的能量校准

技术领域

以下总体上涉及用于诸如正电子发射断层摄影(PET)或单光子发射断层摄影(SPET)的系统的核成像探测器校准。其特别应用于与数字PET(DPET)探测器的能量校准结合，并且将特别参考其进行描述。然而，应该理解的是，器也可以应用于其他使用情形中，而不一定限于上述应用。

背景技术

在核医学中，辐射事件能够被由光探测器查看的闪烁体探测到。使用PET作为范例，正电子电子湮灭事件的511keV伽马射线特性由生成闪光(即闪烁)的闪烁体晶体吸收。光探测器生成光子的计数(在DPET的情况下，或者在光电倍增管探测器的情况下的探测器电流)，并且合计的光子计数或电流表示探测到的511keV伽马射线的能量。辐射事件的原始模式数据包括每个探测到的辐射事件的位置、能量和时间戳。这些原始数据首先由能量窗滤波，例如，用于PET的511keV能量加窗，之后是符合探测(用于PET)。在符合探测之前执行能量加窗有利地大大减少了必须通过符合探测相关的事件的数量。

在低水平处，粒子能量依据由光探测器响应于闪烁生成的合计的光子计数或电流来测量。在更高水平处，输出是探测到的粒子的粒子能量值。然而，由于探测器和/或探测器电子器件之中的个体差异，由给定探测器像素输出的能量值可能与真实粒子能量相差一定量。这种变化通过能量校准来校正。在典型的能量校准方法中，以感兴趣的能量(用于PET的511keV)发射的放射性校准源被加载到成像系统中并且原始数据被收集用于校准源。这些原始数据被分类为事件计数相对于能量的直方图(事件-能量直方图)。由于校准源被设计为在511keV处具有强发射，因此事件-能量直方图应该提供针对511keV的大峰。通过将能量乘以能量校正因子来校正与该511keV能量的任何偏差。由于探测器非线性，该校正因子对于不同的粒子能量范围能够不同。

PET探测器的一个规格是能量分辨率，其表征探测器多么好地拒绝(例如，过滤)散射事件。探测器的散射拒绝能力越好，生成的图像的对比度越高。通过图示，能量分辨率是DPET系统用于随着时间执行对处置的有效性的定量分析的重要参数。较小的能量分辨率有助于保持散射事件远离真实的活动分布，并且因此改进了标准化摄取值(SUV)的准确性。DPET探测器的校准对改进能量分辨率重要。

以下提供了克服上述问题和其他问题的新的和改进的系统和方法。

发明内容

根据一个方面，一种用于执行核成像仪器的能量校准设备包括至少一个电子处理器，所述至少一个电子处理器被编程为：根据在没有放射源加载的情况下由核成像仪器采集的事件数据构建背景辐射谱；根据在加载了发射具有已知能量的辐射粒子的放射源的情况下由核成像仪器采集的事件数据构建校准源辐射谱；计算作为所述校准源辐射谱和所述背景辐射谱之间的差异的差异谱；识别差异谱中的峰的峰值能量；并计算将识别的峰值能量移位到已知能量的能量校正因子。所述至少一个电子处理器还可以被编程为：将校准源辐射谱乘以能量校正因子以产生校准源簇事件-能量谱；将背景辐射谱乘以能量校正因子以产生背景簇事件-能量谱；通过从校准源簇事件-能量谱减去背景簇事件-能量谱来计算簇能量差异谱；识别簇能量差异谱中的较低能量峰的簇峰值能量，其中，所识别的簇峰值能量低于所识别的峰值能量；并且计算将所识别的簇峰值能量移位到与已知能量对应的已知簇能量的簇能量校正因子。

根据另一方面，正电子发射断层摄影(PET)成像设备包括：PET成像探测器，其包括与光探测器光学耦合的闪烁体，所述PET成像探测器包括探测器像素。所述PET成像设备还可以包括至少一个电子处理器，所述至少一个电子处理器被编程为针对每个探测器像素执行以下操作：根据在没有加载放射源的情况下由探测器像素采集的事件数据构建背景辐射谱；根据在加载了发射511keV辐射的放射源的情况下由探测器像素采集的事件数据构建校准源辐射谱；计算作为所述校准源辐射谱和所述背景辐射谱之间的差异的差异谱；识别差异谱中的峰的峰值能量；并且计算将所识别的峰值能量移位至511keV的能量校正因子。

根据又一方面，一种核成像设备包括：核成像仪器，其包括与光探测器光学耦合以定义探测器像素的阵列的闪烁体。所述核成像设备还可以包括至少一个电子处理器，所述至少一个电子处理器被编程为针对每个探测器像素执行以下操作：根据在没有加载放射源的情况下由探测器像素采集的事件数据构建背景辐射谱；根据在加载了发射已知能量处的辐射的放射源的情况下由探测器像素采集的事件数据构建校准源辐射谱；计算作为所述校准源辐射谱和所述背景辐射谱之间的差异的差异谱；识别对应于已知能量的差异谱中的峰的峰值能量；并且计算将识别的峰值能量移位到已知能量的能量校正因子。

一个优点在于改进的核成像技术。

另一个优点在于核成像设备中的(一个或多个)处理器的改进的计算和/或处理时间。

另一个优点在于抑制由闪烁体设备产生的背景辐射对核成像的影响。

另一个优点在于更准确的核成像装备。

另一个优点在于在核成像装备的校准过程中的减少的校准时间。

在阅读和理解本公开后，其他优点对于本领域的普通技术人员而言将变得显而易见。应该理解，具体实施例可能无法获得这些优点中的任一个，可以获得这些优点中的一个、两个、更多或全部。

附图说明

本发明可以采取各种部件和部件布置以及各步骤和各步骤安排的形式。附图仅出于说明优选实施例的目的，而不应被解释为对本发明的限制。

图1图示了eMax(最大单像素)能量谱比较。

图2图解地示出了本文描述的方法的实施例。

图3说明了与考虑簇探测事件有关的方法。

图4通过图示聚类能量校正比较示出了与聚类有关的方面。

图5图示了本文描述的方法的实施例。

具体实施方式

作为探测器校准的部分，确定对应于511keV(对于PET；或其他粒子能量窗)的探测器信号。辐射探测器包括探测器像素的阵列，并且该能量校准优选地在每像素基础上执行。在一种设计中，硅光电倍增管(SiPM)探测器和闪烁体晶体之间存在1：1对应性，并且每个这样的单元定义探测器像素。在其他实施例中，可以采用其他比率。给定的511keV粒子可以由单个像素探测到(产生最大能量Emax)，或者可以由2、3或4个像素的邻接簇探测到(在这种情况下，由簇探测到的能量的总和应该约为Emax)。

能量校准的一种方法是加载和测量放射性校准源并采集数据。可使用密封源(例如Na-22或Ge-68)或液体(例如FDG)将探测器校准至511keV峰。然而，在本文中认识到，由于闪烁体晶体的背景放射性，该方法可能产生错误的结果。尤其是，LSO和LYSO闪烁体晶体中的镥(特别是放射性同位素¹⁷⁶Lu)自发衰变，以发射88keV、202keV和307keV处的伽马射线。后两者总和为509keV，这接近于在电子正电子湮灭事件中发射的511keV伽马射线。更一般地，LSO或LYSO闪烁体的自然背景辐射在这三个能量处呈现峰，并具有从低于200keV延伸直至远高于511keV的宽谱结构。尽管本文将含镥的闪烁体晶体描述为说明性范例，但更一般地，闪烁体晶体通常包括一种或多种相对重的元素以提供针对放射性粒子的高停止功率，并且许多这样的重元素发射显著程度的背景辐射。该背景辐射使得511keV能量的确定变得复杂，并降低了其准确性。对于由2、3或4个像素探测到的簇事件所对应的较低能量的校准，该问题甚至更大。

鉴于此，本文描述的一些方法测量校准源和背景辐射谱(事件计数相对于能量的直方图，例如通过数字探测器信号测量的)，并且在执行能量校准之前从前者中减去后者。

图1图示了eMax(最大单像素)能量谱比较。在图1中，曲线110是加载的Na22校准源测量的谱。理想情况下，这个频谱在相对隔离中应该表现出强烈的511keV峰。然而，观察到明显的模糊背景信号。该背景(至少在很大程度上)是由于由闪烁体晶体本身发出的背景辐射，并且更具体地说是由于镥背景。511keV的峰位于该镥背景的顶部，这使峰寻找算法定位511keV峰的应用变得复杂，并且偶尔会导致峰寻找算法完全失败。曲线120示出在没有任何放射源加载的情况下测量的背景谱，并且主要由于Lu176背景辐射。曲线130示出Na22校准源谱110减去背景谱120。为了参考，虚线140指示511keV峰。显而易见的是，差异谱130呈现良好隔离的511keV峰，针对其，峰值能量通过高斯拟合或其他峰寻找算法容易地确定。

继续参考图1，箭头150指示Na22校准源谱110和背景谱120中的307keV峰。箭头160类似地指示校准源谱110和背景谱120中的202keV峰。箭头170指示这些谱中的88keV峰。

如可以看出的，Na22校准源辐射谱110是嘈杂的，并且镥307keV峰比该谱110中的511keV峰更强。在减去之后，差异谱130更清晰并且511keV峰突出并且更容易探测。一旦确定了能量峰(本文中指代为eMax质心E)，就可以计算作为指数函数的饱和度查找表，并且单数事件被饱和校正。

随后，事件可以分成两组，聚类事件和像素能量事件。像素能量事件被用于建立能量总和(eSum)直方图，其生成第二水平校正。现在，镥像素能量事件不再使用，并从过程中弃掉以释放系统存储器。下一个聚类事件使用eSum校正来校正，并且被聚类在一起。

在一个方面中，从校准源辐射谱110中减去背景辐射谱120简化了511keV能量采集，移除了主导307keV，并且总体上降低了无关峰。在一些实施方式中，由于谱简化，校准背景减除方法将能量校准运行时间减少50％并且改进其鲁棒性。因此，核成像装备和核成像装备中的处理器的技术功能通过本文描述的方法得到改进。

参考图2，示出了核成像机200和计算机208。核成像机200是说明性正电子发射断层摄影(PET)扫描仪，其包括壳体202，壳体202包含或支撑辐射探测器环形式的辐射探测器204。辐射探测器环204环绕检查区域206，成像对象(例如注射有正电子发射放射性药物的医学患者)被加载到所述检查区域中以进行成像。对于包括能量校准的探测器校准，将511keV发射校准源(例如Na22或Ge68)加载到检查区域206的等中心中，并且采集校准源辐射谱110(图1)。对于所公开的能量校准方法，PET扫描仪200还采集在放射源加载到检查区域206中的情况下的背景谱120(图1)。辐射探测器204包括辐射探测器像素的阵列，其中每个生成像素信号210。能量校准225(参考图3描述其说明性范例)提供Emax 215和E簇235两者。在操作220中，像素信号210乘以Emax能量校正因子215以产生像素事件能量。在操作240中，像素事件能量230与E簇235相乘以产生合计的簇事件能量245。像素事件能量230也被发送到能量窗250，能量窗250还接收合计的簇事件能量245的信息。通过使用能量选择窗250进行滤波以选择处于感兴趣的辐射发射的已知能量(即在PET成像的情况下为511keV)处的成像事件数据，来产生能量校正成像事件数据。来自能量窗250的511keV成像事件数据由符合探测器255处理，符合探测器255对511keV成像事件数据执行符合探测以识别对应于电子-正电子湮灭事件的511keV事件对。当沿着连接两个511keV事件探测的LOR发生产生511keV事件对的正电子湮灭事件时，每个事件对定义“响应线”或“LOR”。任选地，针对每个事件对执行飞行时间(TOF)定位(未示出)，以沿着LOR进一步定位正电子湮灭。来自符合探测器255的该符合数据在PET重建260中重建，以生成成像对象的重建PET图像。重建PET图像可以任选地由PET图像处理265进一步处理，例如以执行临床诊断任务。

处理操作220、240、250、255、260、265在对成像对象进行成像期间执行，即对于诸如加载到检查区域206中的医学患者的成像对象执行。在另一方面，在探测器校准期间，在加载了校准源的情况下的每像素校准源原始模式数据300以及在未加载放射源的情况下的背景原始模式数据310被输入到能量校准225，能量校准225将参考图3进一步描述。

图3图示了由能量校准225合适地执行的合适的每像素能量校准方法。使用校准源原始模式数据300来产生校准源事件能量谱或直方图305(对应于图1的示范性校准源谱110)。背景原始模式数据310被用于产生背景事件能量谱或直方图315(对应于图1的示范性校准源谱120)。在操作320中，计算校准源事件-能量直方图305和背景事件-能量直方图315之间的差异，从而产生差异谱322(对应于图1的差异谱130)。然后使用差异谱322来识别511keV峰(例如，使用高斯拟合或其他峰探测算法)并计算用于校正成像数据的Emax校正因子215，如参考图2所述。应该注意的是，由于通常的能量转换从辐射探测器204的探测器像素到探测器像素不同，因此优选地针对由每个探测器像素采集的数据300、310重复这些操作，以在每探测器像素的基础上生成Emax能量校正因子。在操作330中，E max校正因子215与校准源事件-能量直方图305相乘以产生校准源簇事件-能量直方图345。类似地，在操作340中，Emax校正因子215与背景事件-能量直方图315相乘以产生背景簇事件能量直方图350。在操作355中，在校准源簇事件-能量直方图345和背景簇事件-能量直方图350之间找到簇能量差异谱356。这被用于识别簇能量峰并且在操作360中计算E簇校正因子235，其用于校正如参考图2所述的成像数据。

在图2和3的说明性实施例中，在数据已经被Emax校正因子校正之后应用E簇校正因子235。在这种情况下，簇数据的“有效”校正是Emax×E簇。备选地，簇校正因子可以根据原始校准源和背景直方图305、315计算，而不首先乘以Emax校正因子，在这种情况下，簇数据的“有效”校正仅是簇校正因子。

在能量校准的一个合适的实施方式中，镥数据被重新分箱成两个数据文件、单个事件和能量最大值(eMax，最大像素)直方图。然后可以将eMax直方图缩放到与Na22数据采集相同的时间段。该缩放步骤允许在固定的持续时间内采集镥，因此可以在扫描仪预热时段期间完成实际采集，并节省总校准时间。

具有不同校正因子Emax、E簇的原因如下。Emax校准的输出是校正因子，其将由像素的SiPM输出的数字探测器信号变换为能量值。然而，从数字探测器值到能量的变换不被预期为线性的，因此Emax校正因子将在较低能量处仅是近似的。解决该问题的一种方法是用较低能量范围内的校准源执行第二次校准，但这是优选被避免的额外步骤。在公开的方法中，将Emax校正因子应用于背景谱和校准源谱，并且在执行(较低)簇能量峰校准之前从前者中减去后者。

图4示出了与聚类能量校正中使用的聚类有关的采集的辐射谱。簇校准源谱410是包括(不期望的)镥背景的Na22源的谱。曲线420示出了背景(Lu176)辐射谱，并且曲线430示出了作为簇校准源谱410减去Lu176谱计算的簇能量差异谱。

在考虑簇事件时，镥减除同样是有利的。右手侧的旁瓣440强得多，并且有时太接近左侧的511keV峰450，从而导致峰探测失败。该旁瓣440主要由于镥含量。随着镥减除，它大部分或完全消失。最后，聚类事件用于生成最后的聚类直方图。识别峰产生能量聚类能量校正。

图5图示了本文描述的方法的实施例。参考其，在步骤500中构建在没有加载放射源的情况下的背景辐射谱。在步骤510中构建在加载了以已知能量发射辐射粒子的放射源的情况下的校准源辐射谱。在步骤520中计算作为校准源辐射谱和背景辐射谱之间的差异的差异谱。在步骤530中基于计算的差异在差异谱中识别能量峰。在步骤540中计算能量校正因子，其将识别的峰值能量移位到已知能量。

还将理解的是，本文公开的技术可以通过存储可由电子数据处理设备(诸如核成像机200的(一个或多个)计算机208或处理器)读取和执行以执行所公开的技术的指令的非暂态存储介质来实现。这种非暂态存储介质可以包括硬盘驱动器或其它磁存储介质、光盘或其他光存储介质、诸如RAID磁盘阵列的基于云的存储介质、闪速存储器或其他非易失性电子存储介质等。

当然，在阅读和理解前面的描述后，其他人将会想到修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这些修改和变化，只要其落入权利要求或其等价方案的范围内。

Claims (20)

1.一种用于执行对核成像仪器(200)的能量校准的设备，包括：

至少一个电子处理器，其被编程为：

根据在没有加载放射源的情况下由所述核成像仪器(200)采集的事件数据构建背景辐射谱(120)；

根据在加载了放射源的情况下由所述核成像仪器(200)采集的事件数据构建校准源辐射谱，所述放射源发射具有已知能量的辐射粒子；

计算作为所述校准源辐射谱与所述背景辐射谱(120)之间的差异的差异谱；

识别所述差异谱中的峰的峰值能量；并且

计算将所识别的峰值能量移位到所述已知能量的能量校正因子(215)。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述核成像仪器(200)是正电子发射断层摄影(PET)仪器并且所述已知能量是511keV。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中：

所述背景辐射谱(120)包括背景辐射事件计数相对于能量的直方图；并且

所述校准源辐射谱包括校准源辐射事件计数相对于能量的直方图。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个电子处理器被编程为通过执行对所述峰的高斯拟合并且将所述峰值能量识别为所述高斯拟合的均值来识别所述差异谱中的所述峰的所述峰值能量。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个电子处理器还被编程为：

将所述校准源辐射谱乘以所述能量校正因子(215)以产生校准源簇事件-能量谱(345)；

将所述背景辐射谱(120)乘以所述能量校正因子(215)以产生背景簇事件-能量谱(350)；

通过从所述校准源簇事件-能量谱减去所述背景簇事件-能量谱来计算簇能量差异谱(130)；

识别所述簇能量差异谱(130)中的较低能量峰的簇峰值能量，其中，所识别的簇峰值能量低于所识别的峰值能量；并且

计算将所识别的簇峰值能量移位到与所述已知能量对应的已知簇能量的簇能量校正因子。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个电子处理器还被编程为：

控制所述核成像仪器(200)在加载了成像对象的情况下采集成像事件数据；

将所述成像事件数据的能量值乘以所述能量校正因子(215)以生成经能量校正的成像事件数据；

使用能量选择窗对所述经能量校正的成像事件数据进行滤波以选择所述已知能量处的成像事件数据；并且

重建所述已知能量处的所述成像事件数据以生成所述成像对象的至少部分的重建图像。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述至少一个电子处理器还被编程为使得显示设备显示所述重建图像。

8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述核成像仪器(200)是正电子发射断层摄影(PET)仪器，并且所述已知能量是511keV，并且所述至少一个电子处理器被编程为重建511keV处的所述成像事件数据以通过以下操作生成所述成像对象的至少部分的重建PET图像：所述操作包括对511keV处的所述成像事件数据执行符合探测以识别与电子-正电子湮灭事件对应的511keV事件对。

9.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述核成像仪器(200)包括探测器阵列，所述探测器阵列包括辐射探测器像素，并且所述至少一个电子处理器被编程为构建所述背景辐射谱和所述校准源辐射谱，计算所述差异谱(130)，识别所述峰值能量，并且在每像素的基础上计算所述能量校正因子(215)以计算像素特异性能量校正因子。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述至少一个电子处理器还被编程为：

控制所述核成像仪器(200)在加载了成像对象的情况下采集成像事件数据；

将由每个辐射探测器像素采集的所述成像事件数据的能量值乘以所述辐射探测器像素对应的像素特异性能量校正因子以生成经能量校正的成像事件数据；并且

重建所述经能量校正的成像事件数据以生成所述成像对象的至少部分的重建图像。

11.一种正电子发射断层摄影(PET)成像设备，包括：

PET成像探测器(204)，其包括与光探测器光学耦合的闪烁体，所述PET成像探测器(204)包括探测器像素；以及

至少一个电子处理器，其被编程为针对每个探测器像素执行以下操作：

根据在没有加载放射源的情况下由所述探测器像素采集的事件数据构建背景辐射谱(120)；

根据在加载了放射源的情况下由所述探测器像素采集的事件数据构建校准源辐射谱，所述放射源发射511keV辐射；

计算作为所述校准源辐射谱与所述背景辐射谱(120)之间的差异的差异谱(130)；

识别所述差异谱(130)中的峰的峰值能量；并且

计算将所识别的峰值能量移位到511keV的能量校正因子(215)。

12.根据权利要求11所述的PET成像设备，其中，所述闪烁体包括镥，所述镥产生与所述校准源辐射谱中的511keV峰交叠的背景辐射。

13.根据权利要求11所述的PET成像设备，其中，所述闪烁体产生干扰所述校准源辐射谱中的511keV峰的背景辐射。

14.根据权利要求11-13中的任一项所述的PET成像设备，其中，所述至少一个电子处理器还被编程为：

控制所述PET成像探测器(204)采集来自成像对象的PET成像事件数据；

将由每个探测器像素采集的所述PET成像事件数据的能量值乘以针对该探测器像素计算的所述能量校正因子(215)以生成经能量校正的PET成像事件数据；并且

重建所述经能量校正的PET成像数据以生成所述成像对象的至少部分的重建图像。

15.根据权利要求14所述的PET成像设备，其中，所述至少一个电子处理器被编程为重建所述经能量校正的PET成像数据，以通过包括以下项的操作来生成所述重建图像：

使用511keV选择能量窗对所述经能量校正的PET成像事件数据进行滤波以选择经能量校正的511keV PET成像事件数据；

在所述滤波后，对所述经能量校正的511keV PET成像事件数据执行符合探测以生成PET成像响应线数据；并且

重建所述PET成像响应线数据以生成所述成像对象的至少部分的所述重建图像。

16.根据权利要求15所述的PET成像设备，还包括：

显示设备，其被配置为显示所述重建图像。

17.根据权利要求11-13中的任一项所述的PET成像设备，其中，所述至少一个电子处理器还被编程为针对每个探测器像素执行以下操作：

针对所述差异谱(130)的较低能量峰重复所述识别和所述计算的操作以计算簇能量校正因子，所述簇能量校正因子将针对所述较低能量峰的所识别的峰值能量移位到由多个相邻探测器像素探测到的511keV事件的簇能量值。

18.根据权利要求11-13中的任一项所述的PET成像设备，其中，所述至少一个电子处理器还被编程为针对每个探测器像素执行以下操作：

计算作为以下差异的簇差异谱(130)：乘以了针对所述探测器像素计算的所述能量校正因子(215)的所述校准源辐射谱；以及乘以了针对所述探测器像素计算的所述能量校正因子(215)的所述背景辐射谱(120)之间的差异；

识别所述簇差异谱(130)中的较低能量峰的簇峰值能量；并且

计算簇能量校正因子，所述簇能量校正因子将所识别的簇峰值能量移位到由多个相邻探测器像素探测到的511keV事件的簇能量值。

19.一种核成像设备，包括：

核成像仪器(200)，其包括与光探测器光学耦合以定义探测器像素的阵列的闪烁体；以及

至少一个电子处理器，其被编程为针对每个探测器像素执行以下操作：

根据在没有加载放射源的情况下由所述探测器像素采集的事件数据构建背景辐射谱(120)；

根据在加载了放射源的情况下由所述探测器像素采集的事件数据构建校准源辐射谱，所述放射源发射已知能量处的辐射；

计算作为所述校准源辐射谱与所述背景辐射谱(120)之间的差异的差异谱(130)；

识别与所述已知能量对应的所述差异谱(130)中的峰的峰值能量；并且

计算将所识别的峰值能量移位到所述已知能量的能量校正因子(215)。

20.根据权利要求19所述的核成像设备，其中，所述核成像仪器(200)是正电子发射断层摄影(PET)仪器或单光子发射断层摄影(SPET)仪器。

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