CN111965691A - 一种pet中的时间游走修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种PET中的时间游走修正方法，涉及TOF‑PET探测器技术领域，针对单阈值LED电路，本发明提出了一种通过建立简单的数学模型和算法，基于符合数据中能量信息对时间差直接进行在线Time Walk修正的方案。通过获得符合数据、建立数学模型、扫描权重因子的方式，对信号的原时间差进行修正，得到新的时间差；同时还根据得到的权重因子，提出在数据获取系统中建立在线修正查找表的方案。本发明利用实际PET系统的测量数据进行了测试验证，测试结果表明，通过本发明time walk修正方法，整个系统的时间分辨性能得以显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种PET中的时间游走修正方法，属于TOF-PET探测器技术领域。
背景技术
基于飞行时间(Time-of Flight,TOF)成像原理的正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Tomography，PET)是利用晶体(比如BGO或者Lyso等)将放射源释放的伽马射线转换为可见光，然后利用光电转换装置(SiPM或者PMT等)将可见光转换为模拟电信号。前端电路对该模拟电信号进行高精度的能量和时间测量，然后将测量结果送入后端数据获取系统(Data acquisition，DAQ)中进行符合判选。最终利用有效信号在符合线上的两个事件的时间差，重建放射源图像。其中，时间测量分辨率性能是决定最终图像质量的最关键因素之一。影响时间测量分辨率的因素很多，比如探测器本身的信噪比，时间-数字转换装置的精度等等。其中，基于前沿定时(Leading Edge Discrimination，LED)技术的时间检出电路以其结构简单和较低噪声等优点在PET系统中得以广泛应用。然而，LED由于采用了固定的甄别阈值，造成不同能量信号之间过阈时间不同产生游走效应，称为Time Walk(时间游走)。Time Walk会影响系统的时间分辨率性能。
目前，Time Walk的修正较多采用多阈甄别实现，这意味着更复杂的电路结构和更高的成本。
基于此，做出本申请。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种PET中的时间游走修正方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种PET中的时间游走修正方法，包括如下步骤：
(1)获得符合数据：PET系统中的探测器模块测量放射源释放的伽马光子的能量、到达时间和位置信息，得到单粒子数据，对单粒子数据中的能量、时间和位置进行判选，得到代表一对伽马光子产生物理信息的符合数据，该符合数据包括一对伽玛光子两个信号的时间差、两个信号的能量值、以及两个信号的位置；
(2)建立数学模型：根据符合数据建立时间游走修正公式，其中该公式中包含权重因子；
(3)扫描权重因子：对根据修正公式对权重因子进行扫描，然后对原时间差进行修正，得到新的时间差；通过对新的时间差数据进行统计分析，得到修正后的系统时间分辨率，当修正后的时间分辨率最小时，得到时间游走修正的最佳权重因子。
进一步地，为了计算更加快速且节省资源，还包括步骤(4)建立时间差修正LUT表：在获得最佳权重因子后，将修正公式中的修正系数进行参数化，得到修正查找表LUT。
更进一步地，为了简化修正过程，所述步骤(4)具体为：以某一参考信号能量的到达时间作为参考时间，然后根据修正公式对任意能量信号进行修正时间值计算，形成能量-修正值的LUT表；符合数据中的两个事件根据各自的能量信息查阅LUT得到各自时间修正值，然后做差值，进而得到修正后的时间信息。
进一步地，所述步骤(2)具体包括如下：一对伽马光子两个信号系核信号，因此核信号数学模型的建立主要依据核信号一阶上升沿数学表达式，其信号幅度y表达式如下：
其中，A为常数，表征信号上升沿最终的最大值，τ为信号上升沿特征时间，t为时间；
能量分别是E1和E2的两个不同能量信号，在单一甄别阈值Vth处产生不同的过阈时间分别为T1和T2，根据公式(1)，可以计算其时间差T2-T1即时间游走如下式：
其中，k为常数，与信号形状属性有关，A1和A2分别表征两个信号的幅度信息；
对于核信号来讲，在幅度线性良好的系统可以近似能量正比与幅度，因此根据(2)式可得到以下修正公式：
其中，ΔT为修正前两个信号的时间差，δt为修正值，ΔT′为修正后两个信号的时间差，ωj为权重因子，j为扫描次序。
进一步地，所述权重因子与信号的形状、过阈点的位置相关，假定所有探测器单元信号特征相同，有相同的权重因子。
本发明的原理和有益技术效果：
(1)本发明针对单阈值LED(前沿定时)电路，采用一种通过建立简单的数学模型和算法，基于符合数据中能量信息对时间差直接进行在线Time Walk修正的方案不需要复杂的电路，成本低。
(2)本发明还根据得到的权重因子，提出在数据获取系统中建立在线修正查找表的方案，使计算更加快速，同时可以节省资源。
(3)本发明还利用实际PET系统的测量数据进行了初步验证。测试结果表明，通过time walk修正，整个系统的时间分辨性能得以显著提升。
附图说明
图1为PET系统示意图；
图2为核信号time walk效应示意图；
图3为time walk修正过程示意图；
图4为time walk修正权重因子和时间分辨率扫描测试结果；
图5为time walk修正前后系统时间分辨率对比测试结果。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了以下实施例，并结合附图作如下详细说明：
本实施例的一种PET中的时间游走修正方法，具体实施步骤主要分为以下几步：获得符合数据、建立数学模型、扫描权重因子、以及建立时间差修正LUT表。下面具体进行描述：
(1)获得符合数据：获得的符合数据来自PET系统中的数据获取系统(Data-acquisition,DAQ)。如图1，一个PET系统一般由多个探测器模块按照环状排列组成。放射源(示踪剂)释放一对几乎同时的背靠背伽马光子(能量为511keV)，探测器模块测量伽马光子的能量、到达时间和位置信息，得到单粒子数据(singles)。由于噪声、散射等效应，探测器模块得到的能量谱线呈现一定分布。一般来讲，对于能量分辨率性能较好的系统，能量在425-650keV范围内(能量窗)的信号被认为是有效的。由于伽马光子几乎是同时产生的，两个相对的探测器测量到的伽马光子到达时间差必须在一定范围内才能被认为是同一物理事件而非噪声，这个范围称为时间窗(time window)。另外，在实际测量中，根据位置信息推算出的伽马光子响应线(Line-of-Response,LOR)必须在测量视窗(Field-of-view,FOV)范围内,否则这对数据肯定是来自不同的物理事件或者噪声。因此，根据探测器输出的singles数据对能量、时间和位置进行上述判选，可以得到代表一对伽马光子产生物理信息的符合数据(coin)。根据这些符合数据中的时间差信息，TOF-PET通过重建算法即可得到放射源图像。符合数据一般的格式如下表所示：
表格1一般符合数据格式
| 时间差 | 事件1能量 | 事件2能量 | 事件1位置 | 事件2位置 |
为了提高系统的时间分辨，必须要进行探测器单元的时间延迟修正(time delaycorrection)和过阈时间游走修正(time walk correction)。time delay是指由于各个探测器单元本身会时间延迟不同导致的系统时间差分布展宽。通过对每一个探测器单元的过阈时间延迟的平均值可以对其进行修正。time walk是指由于信号能量大小不同带来的过阈时间游走效应，即不同能量的信号过阈时间不同，这也会导致时间性能恶化。本发明主要讨论time walk的修正方案，且所使用的测试数据均已经提前进行了timedeleycorrection。
(2)建立数学模型：一对伽马光子两个信号系核信号，核信号数学模型的建立主要依据核信号一阶上升沿数学表达式，其信号幅度y表达式如下：
其中，A为常数，表征信号上升沿最终的最大值，τ为信号上升沿特征时间，t为时间；
如图2所示，当两个具有不同能量的信号(能量分别是E1和E2)，其在单一甄别阈值Vth处产生不同的过阈时间T1和T2。根据公式(1)，可以计算其时间差T2-T1即时间游走如下式：
其中，k为常数，与信号形状等属性有关。A1和A2分别表征两个信号的幅度信息；
对于核信号来讲，在幅度线性良好的系统可以近似能量正比与幅度(E∝A)，因此根据(2)式可得到以下修正公式：
其中，ΔT为修正前两个信号的时间差，δt为修正值，ΔT′为修正后两个信号的时间差，ωj为权重因子，j为扫描次序；
权重因子ωj与信号的形状，过阈点的位置等物理性质相关，如何确定最佳的ωj是修正效果的关键。在本发明中，为了简化设计，假定所有探测器单元信号特征相同，有相同的权重因子。
(3)扫描权重因子：根据公式(3)，对ωj进行扫描，然后对原时间差数据进行修正，得到新的时间差数据{ΔT′}。通过对新的时间差数据进行统计分析，得到修正后的系统时间分辨率。当修正后的时间分辨率最小时，也就是系统时间性能最佳时所对应的ωj值，就是time walk修正的最佳权重因子ωbest。
(4)建立时间差修正LUT表是在获得最佳权重因子ωbest后，在DAQ中将公式中的修正系数δt进行参数化，得到修正查找表(Look-up-table，LUT)，这样会比使用数字运算处理器(Digital Signal Processing，DSP)直接进行计算更加快速和节省资源。为了简化修正过程，本实施例以511keV能量信号(参考信号能量Eref)的到达时间作为参考时间tref，然后根据修正公式(3)对任意能量信号进行修正时间值计算，形成能量-修正值LUT。符合数据中的两个事件根据各自的能量信息查阅LUT得到各自时间修正值，然后做差值，进而可以得到修正后的时间信息。
修正过程如下式所示，具体实施步骤如图3所示。
ΔT′＝ΔT+Δtbest(4)
本实施例在Minfound公司的Scintcare TOF-PET中进行了初步测试验证。其中，时间测量的最小单元(bin size)为15.625ps。图4是对权重因子进行的扫描，扫描结果显示，存在最优修正因子ωbest。图5是在最佳权重因子ωbest条件下的time walk修正前后时间谱结果。测试结果显示，经过time walk修正，系统时间分辨率(半高全宽，FWHM)从约450ps优化到约370ps，时间性能得以大大提升。以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种PET中的时间游走修正方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)获得符合数据：PET系统中的探测器模块测量放射源释放的伽马光子的能量、到达时间和位置信息，得到单粒子数据，对单粒子数据中的能量、时间和位置进行判选，得到代表一对伽马光子产生物理信息的符合数据，该符合数据包括一对伽玛光子两个信号的时间差、两个信号的能量值、以及两个信号的位置；
(2)建立数学模型：根据符合数据建立时间游走修正公式，其中该公式中包含权重因子；
(3)扫描权重因子：对根据修正公式对权重因子进行扫描，然后对原时间差进行修正，得到新的时间差；通过对新的时间差数据进行统计分析，得到修正后的系统时间分辨率，当修正后的时间分辨率最小时，得到时间游走修正的最佳权重因子。
2.如权利要求1所述的一种PET中的时间游走修正方法，其特征在于：还包括步骤(4)建立时间差修正LUT表：在获得最佳权重因子后，将修正公式中的修正系数进行参数化，得到修正查找表LUT。
3.如权利要求2所述的一种PET中的时间游走修正方法，其特征在于：所述步骤(4)具体为：以某一参考信号能量的到达时间作为参考时间，然后根据修正公式对任意能量信号进行修正时间值计算，形成能量-修正值的LUT表；符合数据中的两个事件根据各自的能量信息查阅LUT得到各自时间修正值，然后做差值，进而得到修正后的时间信息。
4.如权利要求1所述的一种PET中的时间游走修正方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括如下：一对伽马光子两个信号系核信号，因此核信号数学模型的建立主要依据核信号一阶上升沿数学表达式，其信号幅度y表达式如下：
其中，A为常数，表征信号上升沿最终的最大值，τ为信号上升沿特征时间，t为时间；
能量分别是E1和E2的两个不同能量信号，在单一甄别阈值Vth处产生不同的过阈时间分别为T1和T2，根据公式(1)，可以计算其时间差T2-T1即时间游走如下式：
其中，k为常数，与信号形状属性有关，A1和A2分别表征两个信号的幅度信息；
对于核信号来讲，在幅度线性良好的系统可以近似能量正比与幅度，因此根据(2)式可得到以下修正公式：
其中，ΔT为修正前两个信号的时间差，δt为修正值，ΔT′为修正后两个信号的时间差，ωj为权重因子，j为扫描次序。
5.如权利要求1所述的一种PET中的时间游走修正方法，其特征在于：所述权重因子与信号的形状、过阈点的位置相关，假定所有探测器单元信号特征相同，有相同的权重因子。
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