CN109009197A - 一种用于pet检测的双晶体条穿越符合响应线检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于PET检测的双晶体条穿越符合响应线检测系统和方法。步骤为：对γ光子探测器中的晶体条编号；设置能量窗；正电子探测获取待确认的响应事件；确定出单晶体能量沉积形成的符合响应线；确定存在双晶体条穿越情况的符合响应线；判断γ光子率先入射的晶体条，对符合响应线的最终位置进行确定。本发明针对非垂直入射γ光子有可能穿越晶体条的情况，增加了正电子检测有效符合响应线的利用率，提高了正电子检测成像质量。

Description

一种用于PET检测的双晶体条穿越符合响应线检测系统和 方法

技术领域

本发明属于射线检测成像领域，特别涉及了一种用于PET检测的双晶体条穿越符合响应线检测系统和方法。

背景技术

PET(Positron Emission Tomography，正电子发射型计算机断层显像)，主要用于人体、小动物肿瘤、癌症、神经受体、脑代谢等的诊断、定位、评估及新的医学药品的研发。PET的机理是，在不改变对象状态的情况下，向测试对象内腔注入放射性示踪剂。示踪剂标记物衰变发射正电子，发生正电子湮灭反应，成对产生逆向发射的511KeV的γ光子对。使用符合探测技术探测成对出现的γ光子对，即符合响应线(line of response,LOR)，通过数据采集得到大量LOR，校正和滤波后，进行LOR数据的重组形成层析投影数据，再进行图像层析重建，产生示踪剂的浓度分布影像，通过对示踪剂的浓度分布实现对被测信息的获取与成像。

符合响应线是PET检测中采集的重要信息，也是最终形成示踪剂的浓度分布影像的重要依据。符合响应线是一对能量满足511KeV的γ光子组成，实际上，由于探测器晶体能量分辨率的限制，无法准确获取γ光子的能量值，所以一般地将满足一定范围内的γ光子能量的记录都视为符合记录，称为能量符合，γ光子的能量符合范围称为能量窗。若在时间窗范围内探测器接收到一对能量符合的γ光子，则认为这对γ光子满足时间符合。同时满足能量符合和时间符合的事件称为符合事件，即认定这对γ光子是来自同一湮灭辐射产生的一对γ光子，即一条符合响应线。

传统的符合响应线判别方法只能获取γ光子能量被单晶体条完全沉淀产生的符合响应线，即要求γ光子以接近垂直的角度入射到探测器的晶体条内，并在该晶体条内飞行中完成能量的全部沉积。实际上在正电子湮灭时产生的大多数γ光子都是以一定角度入射到探测器晶体条中，并在能量被完全沉淀前可能穿越相邻的晶体条，使得在入射单个晶体条沉淀的能量无法满足能量窗要求而被舍弃，导致大多数符合响应线无法被利用，影响了成像质量。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供用于PET检测的双晶体条穿越符合响应线检测系统和方法，针对非垂直入射γ光子有可能穿越晶体条的情况，增加正电子检测有效符合响应线的利用率，提高正电子检测成像质量。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种用于PET检测的双晶体条穿越符合响应线检测系统，包括γ光子环形探测器、符合事件处理子系统和计算机成像子系统；γ光子环形探测器包含N个γ光子探测器，这N个γ光子探测器沿轴向分布成M层，每层有N/M个γ光子探测器，每个γ光子探测器包含i×j晶体条阵列和与之相耦合的i×j光电倍增管阵列，晶体条用于沉淀γ光子能量并将γ光子转化为可见光，光电倍增管用于将可见光转换成电脉冲信号；符合事件处理子系统用于判断符合事件，计算机成像子系统用于图像的三维重建。

基于上述双晶体条穿越符合响应线检测系统的双晶体条穿越符合响应线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将各γ光子探测器中的晶体条进行编号，并明确每个γ光子探测器每个晶体条的位置；

(2)将能量窗设置为[a，b]，使得发生晶体条穿越情况的响应能够记录下来；在能量窗[a，b]的基础上设置两个子能量窗，分别为[a，c]和(c，b]，用以区分单晶体符合响应线和双晶体条穿越符合响应线；

(3)开始正电子探测，探测时将每一个晶体条检测到的符合能量窗的γ光子记录下来，即将响应能量在[a，b]范围内的入射γ光子作为待确认的响应分别记录下响应时间、响应晶体条编号和响应能量值，以备对符合响应线进行确定，直到探测完成；

(4)根据步骤(2)中设置的子能量窗对所有记录的响应进行筛选与匹配，确定出单晶体能量沉积形成的符合响应线，所述单晶体能量沉积形成的符合响应线是指分别在两个探测器的晶体条中产生的响应能量均在(c，b]范围内、且满足时间符合的两个响应形成的符合响应线，对已经形成符合响应线的响应都做出标记，一个响应只能归属于唯一一条符合响应线中，做过标记的γ光子响应不再作为后续符合响应线的确定搜索范围；

(5)对所有响应能量在[a，c]范围内的响应以及未被标记的(c，b]的响应进行匹配，确定存在双晶体条穿越情况的符合响应线；

(6)由于存在双晶体条穿越符合响应线，在确定γ光子穿越的双晶体条的编号后，还需判断γ光子率先入射的晶体条，对符合响应线的最终位置进行确定。

进一步地，在步骤(2)中，设置a＝150KeV，b＝600KeV，c＝350KeV。

进一步地，在步骤(4)中，所述时间符合的时间间隔为3ns。

进一步地，步骤(5)的具体过程如下：

(501)针对能量在[a，c]范围内的响应，假设能量为e₁，在相邻的晶体条中搜索是否存在满足时间符合的能量e₂，且满足c≦e₁+e₂≦b，若存在，则认定为γ光子在这两条晶体条上发生了穿越，已认定的γ光子响应将不再进行搜索，对所有晶体条依次确定出所有的认定发生双晶体条穿越的γ光子；

(502)寻找与(501)中认定的γ光子满足时间符合条件的能量在(c，b]范围内的未被标记的单条晶体条响应，与(501)中认定的γ光子形成一条分别由单晶体条响应和双晶体条穿越响应的γ光子组成的符合响应线，并将已组成符合响应线的响应做标记；

(503)若在(502)中未找到与(501)中认定的γ光子满足时间符合条件的能量在(c，b]范围内的未被标记的单条晶体条响应，则搜寻满足时间符合的双晶体条穿越γ光子响应，若存在满足条件的双晶体条穿越的响应，则与(501)中认定的γ光子形成一条均由双晶体条穿越响应的γ光子组成的符合响应线，并将已组成符合响应线的响应做标记。

进一步地，步骤(6)的具体过程如下：

(601)对于由步骤(4)获得的均由单晶体条响应形成的符合响应线，将两个晶体条的入射面中心点连线作为符合响应线位置；

(602)对于(502)获得的由单晶体条响应和双晶体条穿越响应的γ光子组成的符合响应线，设单晶体条响应对应的晶体条编号为i，双晶体条穿越响应对应的晶体条编号分别为j₁、j₂，根据编号i、j₁、j₂三个晶体条位置信息，设d_ij1、d_ij2分别表示第i号晶体条到第j₁、j₂号晶体条的距离，若d_ij1<d_ij2，则以第i号晶体条入射面中心点到j₁号晶体条入射面中心点的连线作为响应符合线位置，若d_ij2<d_ij1，则以第i号晶体条入射面中心点到j₂号晶体条入射面中心点的连线作为符合响应线位置；

(603)对于(503)获得的均由双晶体条穿越响应的γ光子组成的符合响应线，设其中一个γ光子获取的双晶体条编号分别为i₁、i₂，另一个反向的γ光子获取的双晶体条编号分别为j₁、j₂，分别计算d_i1j1、d_i1j2、d_i2j1、d_i2j2，并找到距离最短的两个晶体条，则以这两个距离最短的晶体条入射面中心点的连线作为符合响应线位置。

采用上述技术方案带来的有益效果：

相比于现有的单晶体符合线检测技术，本发明能够检测非垂直入射穿越双晶体条的符合响应线，并根据晶体条的相对位置对双晶体条穿越符合线位置进行定位，能够有效利用更多的符合线资源，恢复更多图像细节，有利于提高图像的成像精度。

附图说明

图1为单晶体垂直入射与多晶体非垂直入射示意图，其中(a)为γ光子垂直入射晶体条示意图，(b)为γ光子非垂直入射多晶体条穿越示意图；

图2为γ光子探测器结构示意图，其中(a)为环形探测器单层平面结构示意图，(b)为探测器晶体条阵列结构示意图；

图3为γ光子穿越双晶体条示意图，其中e₁、e₂分别为对应晶体条捕获的γ光子能量，I为实际符合响应线位置，II为检测定位获得的符合响应线位置；

图4为双晶体条穿越符合响应线定位示意图，其中①为晶体条2-1-4、2-1-5所在晶体条组，e₁、e₂为其捕获的γ光子能量，②为晶体条15-1-5、15-1-6所在晶体条组，e₃、e₄为其捕获的γ光子能量，I为实际符合响应线位置，II为检测定位获得的符合响应线位置。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

在PET检测中，正电子湮灭产生成对的飞行方向相反能量为511KeV的γ光子。当γ光子入射到某个晶体条后，γ光子在晶体条中飞行的同时，其能量被逐渐沉积，γ光子被转化为可见光，转化的能量与γ光子沉积的能量成正比。转化的可见光能量被后端的光电倍增管转换并进一步处理。当γ光子是以非垂直方式入射到探测器晶体条中，在能量被完全沉淀前可能发生穿越多条晶体条的情况，图1中(a)、(b)分别展示了单晶体垂直入射和多晶体非垂直入射示意图。

本发明提供一种双晶体条穿越符合响应线检测方法，将传统单晶体条符合响应线检测拓展为双晶体条穿越符合响应线检测，如图1中(b)所示，系统可获取非垂直入射，穿越双晶体条的符合响应线，能够增加符合响应线有效利用率，能够还原更多图像细节，提高图像精度。

系统所用正电子环形探测器结构如图2所示，正电子环形探测器共分为四层，每层由23个探测传感器组成环形结构，如图2中(a)所示，每个探测器中包含一组按径向为8，轴向为16组合而成的晶体条阵列，如图2中(b)所示，对所有晶体条按径向顺时针，轴向向里依次从小到大编号，编号样式为探测传感器-轴向位置-径向位置：1-1-1,1-1-2,…,1-1-8,1-2-1,…,1-2-8,…,1-16-8,…,92-16-8。按照此规则将所有晶体条进行编号。

正电子探测器中，只有满足符合事件要求的γ光子才能被组合产生符合响应线加以利用。符合事件必须同时满足能量符合和时间符合，能量符合指的是接收到的γ光子能量需满足一定的阈值范围才会被当成有效数据记录下来，此阈值称为能量窗。时间符合指的是接收到能量符合γ光子之间的时间间隔不超过一个极小的值，通常为3ns，称为时间窗。所以符合响应线判断规则为，将一个时间窗内的满足能量符合的成对γ光子组合产生符合响应线，特别地，同一个时间窗内，只保留一条符合响应线。若存在多对满足能量符合的γ光子，只取最先接收到的一对γ光子作为此时间窗产生的符合响应线。

实施例1：

1、如图3所示，设在编号2-1-4晶体条上获取到能量在150KeV-350KeV的响应，假设能量为e₁，在相邻的晶体条中搜索有否存在满足时间符合的能量，图中在相邻编号2-1-5的晶体条中搜索到符合时间窗的能量e₂，同时满足350KeV≦e₁+e₂≦600KeV，认定该γ光子在2-1-4和2-1-5晶体条上发生了穿越。

2、在其他的晶体条中寻找与1中认定的γ光子满足时间符合条件的能量在350KeV-600KeV内的未标注的单条晶体条响应，假设在15-1-5中找到与1中的响应满足时间符合并且能量在350KeV-600KeV的一个γ光子响应。

3、计算2-1-4晶体条到15-1-5晶体条距离以及2-1-5晶体条到15-1-5晶体条距离，判断2-1-4与15-1-5更加接近。则符合响应线位置为2-1-4入射切面的中心点与15-1-5入射切面中心点的连线。

实施例2：

1、如图4所示，设在编号2-1-4晶体条上获取到能量在150KeV-350KeV的响应，假设能量为e₁，在相邻的晶体条中搜索有否存在满足时间符合的能量，图中在相邻编号2-1-5的晶体条中搜索到符合时间窗的能量e₂，同时满足350KeV≦e₁+e₂≦600KeV，认定该γ光子在2-1-4和2-1-5晶体条上发生了穿越。

2、在其他的晶体条中寻找与1中认定的γ光子满足时间符合条件的能量在350KeV-600KeV内的未标注的单条晶体条响应，没有满足时间符合的单晶体条响应。

3、在双晶体条穿越响应中搜索满足时间符合的响应。在编号15-1-5晶体条上获取到能量在150KeV-350KeV的响应，假设能量为e₃，在相邻的晶体条中搜索有否存在满足时间符合的能量，图中在相邻编号15-1-6的晶体条中搜索到符合时间窗的能量e₄，同时满足350KeV≦e₃+e₄≦600KeV，认定该γ光子在15-1-5和15-1-6晶体条上发生了穿越。

4、计算2-1-4晶体条到15-1-5晶体条距离，2-1-4晶体条到15-1-6晶体条距离，2-1-5晶体条到15-1-5晶体条距离，2-1-5晶体条到15-1-6晶体条距离。并找到最短距离。

5、经过比较2-1-4晶体条与15-1-6晶体条距离最短。则符合响应线位置为2-1-4入射切面的中心点与15-1-6入射切面中心点的连线。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于PET检测的双晶体条穿越符合响应线检测系统，其特征在于：包括γ光子环形探测器、符合事件处理子系统和计算机成像子系统；γ光子环形探测器包含N个γ光子探测器，这N个γ光子探测器沿轴向分布成M层，每层有N/M个γ光子探测器，每个γ光子探测器包含i×j晶体条阵列和与之相耦合的i×j光电倍增管阵列，晶体条用于沉淀γ光子能量并将γ光子转化为可见光，光电倍增管用于将可见光转换成电脉冲信号；符合事件处理子系统用于判断符合事件，计算机成像子系统用于图像的三维重建。

2.基于权利要求1所述双晶体条穿越符合响应线检测系统的双晶体条穿越符合响应线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将各γ光子探测器中的晶体条进行编号，并明确每个γ光子探测器每个晶体条的位置；

(2)将能量窗设置为[a，b]，使得发生晶体条穿越情况的响应能够记录下来；在能量窗[a，b]的基础上设置两个子能量窗，分别为[a，c]和(c，b]，用以区分单晶体符合响应线和双晶体条穿越符合响应线；

(3)开始正电子探测，探测时将每一个晶体条检测到的符合能量窗的γ光子记录下来，即将响应能量在[a，b]范围内的入射γ光子作为待确认的响应分别记录下响应时间、响应晶体条编号和响应能量值，以备对符合响应线进行确定，直到探测完成；

(4)根据步骤(2)中设置的子能量窗对所有记录的响应进行筛选与匹配，确定出单晶体能量沉积形成的符合响应线，所述单晶体能量沉积形成的符合响应线是指分别在两个探测器的晶体条中产生的响应能量均在(c，b]范围内、且满足时间符合的两个响应形成的符合响应线，对已经形成符合响应线的响应都做出标记，一个响应只能归属于唯一一条符合响应线中，做过标记的γ光子响应不再作为后续符合响应线的确定搜索范围；

(5)对所有响应能量在[a，c]范围内的响应以及未被标记的(c，b]的响应进行匹配，确定存在双晶体条穿越情况的符合响应线；

(6)由于存在双晶体条穿越符合响应线，在确定γ光子穿越的双晶体条的编号后，还需判断γ光子率先入射的晶体条，对符合响应线的最终位置进行确定。

3.根据权利要求2所述双晶体条穿越符合响应线检测方法，其特征在于：在步骤(2)中，设置a＝150KeV，b＝600KeV，c＝350KeV。

4.根据权利要求2所述双晶体条穿越符合响应线检测方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述时间符合的时间间隔为3ns。

5.根据权利要求2所述双晶体条穿越符合响应线检测方法，其特征在于：步骤(5)的具体过程如下：

(501)针对能量在[a，c]范围内的响应，假设能量为e₁，在相邻的晶体条中搜索是否存在满足时间符合的能量e₂，且满足c≦e₁+e₂≦b，若存在，则认定为γ光子在这两条晶体条上发生了穿越，已认定的γ光子响应将不再进行搜索，对所有晶体条依次确定出所有的认定发生双晶体条穿越的γ光子；

(502)寻找与(501)中认定的γ光子满足时间符合条件的能量在(c，b]范围内的未被标记的单条晶体条响应，与(501)中认定的γ光子形成一条分别由单晶体条响应和双晶体条穿越响应的γ光子组成的符合响应线，并将已组成符合响应线的响应做标记；

(503)若在(502)中未找到与(501)中认定的γ光子满足时间符合条件的能量在(c，b]范围内的未被标记的单条晶体条响应，则搜寻满足时间符合的双晶体条穿越γ光子响应，若存在满足条件的双晶体条穿越的响应，则与(501)中认定的γ光子形成一条均由双晶体条穿越响应的γ光子组成的符合响应线，并将已组成符合响应线的响应做标记。

6.根据权利要求5所述双晶体条穿越符合响应线检测方法，其特征在于，权利要求2中步骤(6)的具体过程如下：

(601)对于由步骤(4)获得的均由单晶体条响应形成的符合响应线，将两个晶体条的入射面中心点连线作为符合响应线位置；

(602)对于(502)获得的由单晶体条响应和双晶体条穿越响应的γ光子组成的符合响应线，设单晶体条响应对应的晶体条编号为i，双晶体条穿越响应对应的晶体条编号分别为j₁、j₂，根据编号i、j₁、j₂三个晶体条位置信息，设d_ij1、d_ij2分别表示第i号晶体条到第j₁、j₂号晶体条的距离，若d_ij1<d_ij2，则以第i号晶体条入射面中心点到j₁号晶体条入射面中心点的连线作为响应符合线位置，若d_ij2<d_ij1，则以第i号晶体条入射面中心点到j₂号晶体条入射面中心点的连线作为符合响应线位置；

(603)对于(503)获得的均由双晶体条穿越响应的γ光子组成的符合响应线，设其中一个γ光子获取的双晶体条编号分别为i₁、i₂，另一个反向的γ光子获取的双晶体条编号分别为j₁、j₂，分别计算d_i1j1、d_i1j2、d_i2j1、d_i2j2，并找到距离最短的两个晶体条，则以这两个距离最短的晶体条入射面中心点的连线作为符合响应线位置。