CN112883027B - Pet探测器能量修正方法、系统及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PET探测器能量修正方法、系统及计算机可读存储介质，包括能量响应函数模型的建立和修正系数查找表的建立，通过建立所述第一查找表和第二查找表，将数学模型中的系数参数化，使其能够下发至PET探测器前端电路，供PET探测器实时查表修正，修正精度高、效率快，适用于所有使用SiPM作为光电转换器件的PET探测器；且同时适用于线性和非线性的PET探测器。

Description

PET探测器能量修正方法、系统及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉PET探测器技术领域，尤其涉及一种PET探测器能量修正方法、系统及计算机可读存储介质。

背景技术

正电子发射计算机断层扫描成像系统(Positron Emission TomographyScanner，PET)是一种核医学影像设备，通过采集判选注入受检体的放射性示踪剂产生的一对gamma光子来实现断层扫描成像。而基于硅光电倍增器(Silicon photoelectronmultiplier，SiPM)的探测器件由于其良好的能量和时间分辨率以及磁兼容性能越来越多地应用在PET系统中。其基本原理是利用闪烁晶体(BGO或者LYSO等)将高能gamma光子捕获转换为低能可见光，然后通过SiPM将可见光转换为模拟电信号，并利用模拟调理电路将模拟电信号进行放大成形后送入能量测量装置和时间测量装置得到该信号的能量和到达时间信息。通过汇总整个PET系统所有探测器测量得到的所有信息，并对这些信息在后端进行合理的符合判选可以挑选出真实有效的信号，再通过一系列图像算法，可以重建出具有临床诊断意义的PET图像。在这个过程中，探测器的能量精度和时间精度是影响PET图像的重要参数之一。

PET系统通道数很多，每个通道的晶体和光电转换器件都有所差别，每个光电转换器件在相同偏压下增益也会有所不同，加之后续处理电路之间的不一致性，使用相同方法对晶体接受到的相同能量的gamma光子进行能量计算时，各通道输出的能量值与理论值会有一定的偏差。且在图像重建过程中，为了排除散射事例，提高信噪比，进而提高图像对比度，通常会选择设置能量窗来挑选能量事例，尽可能将511keV特征峰置于能量窗内而排除掉散射事例，因此在设置同一能窗挑选事例前，需要将各通道测量到的能量值(以ADC道址表示)进行修正，使各通道的能峰平移到能谱中的相同位置。

当前PET系统能量修正主要依靠测量一个或者两个不同能量的gamma射线全能峰，如LYSO本底的202keV和307keV全能峰或者正电子放射源的511keV全能峰，认为探测器能量输出值(测量值x)与射线能量值(理论值E)呈正比例关系，利用线性函数E＝k*x+b或者E＝k*x对测量值和理论值之间的响应关系进行标定，达到修正的目的。但真实情况下，基于SiPM的PET探测器的能量响应并不是线性的，线性系统只是非线性系统在某种条件下的近似，对于非线性比较明显的系统来说，这种修正方法并不适用。故直接使用线性响应函数进行修正的精度不高，且对于非线性比较明显的系统来说，现有技术的修正方法并不适用。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于所有使用SiPM作为光电转换器件的PET探测器能量修正方法、系统及计算机可读存储介质。

本发明公开了一种PET探测器能量修正方法，包括如下步骤：获取所述PET探测器分别在若干种不能能量射线照射下的能谱的全能峰对应的道址数；获取若干个全能峰对若干个道址数的响应曲线；使用能量响应函数E＝-f₀*ln(f₁-A)+f₂拟合不同射线能量对应道址的响应曲线，通过拟合函数提取拟合参数f₀、f₁、f₂并将其作为能量修正系数；以像素编号作为参考值、将能量修正系数作为查找值建立像素编号与能量修正系数一一对应的第一查找表；获取PET探测器的击中事件的能量测量值A和像素编号，将该所述像素编号代入所述第一查找表获取能量修正系数，通过所述能量响应函数获取击中事件的真实能量值E。

优选地，所述若干种不能能量射线包括PET探测器的本底、或正电子射线源、或γ射线源。

优选地，所述以像素编号作为参考值、将能量修正系数作为查找值建立像素编号与能量修正系数一一对应的第一查找表步骤之后还包括：建立自然对数函数查找表，作为第二查找表，所述第二查找表的参考值为1到1024的整数、查找值为参考值的自然对数值；所述获取PET探测器的击中事例的能量测量值A和像素编号，将该所述像素编号代入所述第一查找表获取能量修正系数，通过所述能量响应函数获取符合事例的真实能量值还包括：将所述获取的能量修正系数f₁和能量测量值A的差值作为参考值代入所述第二查找表查找对应的自然对数值，联合所述能量修正系数f₀和f₂通过所述能量响应函数获取击中事例的真实能量值。

优选地，所述PET探测器的每个SiPM通道包含N₀个探测单元，在探测过程中探测到的实际光子数为p，所述PET探测器的能量为A，校正后的输出的所述PET探测器被射线击中的真实能量值为：

其中λ、m、n为常数；根据所述PET探测器校正后的能量修正值的函数关系，定义能量修正系数

本发明还公开了一种PET探测器能量修正系统，包括信号测量模块和能量修正模块；所述信号测量模块获取所述PET探测器分别在若干种不能能量射线照射下的能谱的全能峰对应的道址数；所述能量修正模块获取若干个全能峰对若干个道址数的响应曲线；并使用能量响应函数E＝-f₀*ln(f₁-A)+f₂拟合不同射线能量对应道址的响应曲线，通过拟合函数提取拟合参数f₀、f₁、f₂并将其作为能量修正系数；以像素编号作为参考值、将能量修正系数作为查找值建立像素编号与能量修正系数一一对应的第一查找表；所述信号测量模块获取PET探测器的击中事件的能量测量值A和像素编号，所述能量修正模块将该所述像素编号代入所述第一查找表获取能量修正系数，通过所述能量响应函数获取击中事件的真实能量值。

优选地，所述信号测量模块分别获取所述PET探测器的本底、或正电子射线源、或γ射线源照射下的能谱的全能峰对应的道址数。

优选地，所述能量修正模块还建立自然对数函数查找表作为第二查找表，所述第二查找表的参考值为1到1024的整数、查找值为参考值的自然对数值；并将所述获取的能量修正系数f₁和能量测量值A的差值作为参考值代入所述第二查找表查找对应的自然对数值，联合所述能量修正系数f₀和f₂通过所述能量响应函数获取击中事例的真实能量值E。

优选地，还包括信号处理模块；所述PET探测器捕获击中事例，所述信号处理模块对所述击中事例的信号进行放大处理、整形滤波处理、模数转换处理后传输至所述信号测量模块；所述PET探测器的每个SiPM通道包含N₀个探测单元，在击中事例中探测到的实际光子数为p，所述PET探测器的能量为A，校正后的输出的所述PET探测器被射线击中的的真实能量值为：

其中λ、m、n为常数；根据所述PET探测器校正后的能量修正值的函数关系，定义能量修正系数

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一所述的方法的步骤。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明通过建立所述第一查找表和第二查找表，将数学模型中的系数参数化，使其能够下发至PET探测器前端电路，供PET探测器实时查表修正，修正精度高、效率快，适用于所有使用SiPM作为光电转换器件的PET探测器；且同时适用于线性和非线性的PET探测器。

附图说明

图1为本发明提供的PET探测器能量修正方法的一优选实施例的完整流程图；

图2为本发明提供的PET探测器能量修正方法的一优选实施例的LYSO本底和Na22放射源能谱；

图3为本发明提供的PET探测器能量修正方法的一优选实施例的gamma射线能量E与PET探测器输出ADC道址之间的响应关系；

图4为本发明提供的PET探测器能量修正方法的一优选实施例的8*8的探测器阵列能量修正后的Na22能谱。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

本发明公开了一种PET探测器能量修正方法，用于在线修正PET探测器测量到的能量输出值，即ADC道址，包括如下步骤：

S101、获取所述PET探测器分别在若干种不能能量射线照射下的能谱的全能峰对应的道址数；

S102、获取若干个全能峰对若干个道址数的响应曲线；并使用能量响应函数E＝-f₀*ln(f₁-A)+f₂拟合不同射线能量对应道址的响应曲线，通过拟合函数提取拟合参数f₀、f₁、f₂并将其作为能量修正系数；

S103、以像素编号作为参考值、将能量修正系数作为查找值建立像素编号与能量修正系数一一对应的第一查找表；

S104、获取PET探测器的击中事件的能量测量值A和像素编号，将该像素编号代入第一查找表获取能量修正系数，通过能量响应函数获取击中事件的真实能量值E。

较佳地，步骤S101中，获取PET探测器的本底符合数据的两个全能峰、和单事例数据的两个全能峰，并分别获取其对应的道址数。

具体的，在PET系统设置合理的时间窗和FOV，采集LYSO本底符合数据，解析符合数据包，提取各符合事件中两个gamma信号的击中事件的能量和位置信息；以位置为单位，统计各像素编号的能量分布，获取各像素编号能量分布中202keV和307keV两个全能峰峰位对应的PET探测器输出的ADC道址数。

将Na22正电子放射源放置于FOV中心，采集单事例数据，解析单事例数据包，统计各像素编号能量分布，获取各像素编号能量分布中511keV和1274keV两个全能峰峰位对应的PET探测器输出的ADC道址数。以此获得四个全能峰峰位(202keV、307keV、511keV、1274keV)和其ADC道址数(A₂₀₂、A₃₀₇、A₅₁₁、A₁₂₇₄)，见附图2。

需要说明的是，不是所有的PET探测器都有本底，也不是所有的放射源都有两个全能峰，本实施例的步骤S101的仅仅是一种可选的实施方式。

参见附图3，步骤S102以像素编号为单位，描绘不同gamma射线的全能峰E(202keV、307keV、511keV、1274keV)对PET探测器输出的ADC道址数(A₂₀₂、A₃₀₇、A₅₁₁、A₁₂₇₄)的响应曲线，并依次使用能量响应函数E＝-f₀*ln(f₁-A)+f₂拟合各像素编号的能量响应曲线，获得各像素编号的能量修正系数f₀、f₁、f₂。

较佳地，为了加快能量响应函数的计算速度，除了建立第一查找表还需建立能量响应函数中的对数函数的第二查找表，将第一查找和第二查找表储存用于后续能量校正过程。具体的，获取PET探测器的击中事例的能量测量值A和像素编号i编号，将该像素编号i编号代入第一查找表获取能量修正系数f_i0、f_i1、f_i2，将能量测量值A和能量修正系数代入第二查找表，获取(f_i1-A)的自然对数值ln(f_i1-A)，将上述能量修正系数f_i0、f_i2、和上述自然对数值ln(f₁-A)代入能量响应函数获取击中事件的真实能量值。

需要说明的是，本实施例的1≤(f₁-A)≤1024，但在其他实施例中，对于不同的PET系统可限定不同的范围。

步骤S102中，依据SiPM探测光子的统计学模型建立能量响应函数模型，具体的，假设PET探测器的每个SiPM通道包含N₀个探测单元，在探测过程中探测到的实际光子数为p，剩余未击中的发热探测单元的数量为N，则满足-dN＝λNdp(式1)，对式1进行积分得到N＝N₀e^-λp(式2)，

由于PET探测器输出能量值A与SiPM被击中单元数k成正比，比例系数为m，则PET探测器输出能量值为：A＝m*k+n＝m(N₀-N)+n＝mN₀(1-e^-λp)+n(式3)。

其中，n为PET探测器在计算射线能量时可能存在的偏移量，一般情况下，n为0。PET探测器探测到gamma射线的真实能量表达式为：

其中，式4中m、λ、N₀、n皆为常数，故式4可简写为：E＝-f₀*ln(f₁-A)+f₂(式5)。式5即为基于SiPM的PET系统的能量响应函数，根据公式可知，本发明只需获取修正系数f₀、f₁、f₂的值，即可将探测器计算得到的能量值A修正回射线的真实能量值E。

另外，对能量响应函数中的指数进行泰勒展开，取1阶近似，能量响应函数即变为现有技术的线性响应函数，因此本发明内容囊括了现有技术中的修正算法，即本发明同样适用于线性系统。

本发明还公开了一种PET探测器能量修正系统，基于FPGA模块，包括：

-PET探测器，捕获探测器晶体的gamma光子的击中事例；

-信号处理模块，对击中事例中的信号做前端电路的放大、整形滤波、模数转换等处理后传输到FPGA模块中；

-信号测量模块，在FPGA模块中计算gamma射线的击中事例的若干个全能峰和若干个全能峰分别对应的道址数；

-能量修正模块：

在能量响应函数模型建立阶段，用于获取若干个全能峰对若干个道址数的响应曲线；并依次通过能量响应函数E＝-f₀*ln(f₁-A)+f₂修正响应曲线，获得各像素编号的能量修正系数：f₀、f₁、f₂；以像素编号作为参考值、将能量修正系数作为查找值建立像素编号与能量修正系数一一对应的第一查找表。还以(f₁-A)作为参考值、以ln(f₁-A)作为查找值建立第二查找表，且1≤(f₁-A)≤1024；将第一查找表和第二查找表分别保存至第一存储单元和第二存储单元；

在能量修正阶段，先根据像素编号位置从第一存储单元中查第一查找表得到该像素编号的能量修正系数，再以(f₁-A)的值为检索地址从第二存储单元中查询第二查找表找到其对应的自然对数值，再利用能量响应函数在FPGA模块内对测量的能量值A进行修正，得到修正后的能量值E。

-事例信息输出逻辑，用于将修正后的能量，以及其对应的位置信息和时间信息等打包上传至FPGA模块。

需要说明的是，在一些实施例中，能量响应函数模型建立阶段是离线过程，在能量修正阶段为在线修正过程。

参见附图1，本发明提供一优选实施例的完整实施步骤为：

S201、在PET系统设置合理的时间窗和FOV，采集LYSO本底符合数据，解析符合数据包，提取各符合事件中两个gamma信号的击中事件的能量和位置信息；以位置为单位，统计各像素编号的能量分布，获取各像素编号能量分布中202keV和307keV两个全能峰峰位对应的PET探测器输出的ADC道址数；

S202、将Na22正电子放射源放置于FOV中心，采集单事例数据，解析单事例数据包，统计各像素编号能量分布，获取各像素编号能量分布中511keV和1274keV两个全能峰峰位对应的PET探测器输出的ADC道址数；

S203、以像素编号为单位，描绘不同gamma射线的全能峰E(202keV、307keV、511keV、1274keV)对PET探测器输出的ADC道址数(A₂₀₂、A₃₀₇、A₅₁₁、A₁₂₇₄)的响应曲线，并依次使用能量响应函数E＝-f₀*ln(f₁-A)+f₂拟合各像素编号的能量响应曲线，获得各像素编号的能量修正系数f₀、f₁、f₂；

S204、以像素编号作为参考值、将能量修正系数作为查找值建立像素编号与能量修正系数一一对应的第一查找表，并下发至PET探测器前端电路FPGA内的第一存储单元内；

S205、建立自然对数函数查找表，作为第二查找表，第二查找表的参考值为1到1024的整数、查找值为参考值的自然对数值；将获取的能量修正系数f₁和能量测量值A的差值作为参考值代入第二查找表查找对应的自然对数值，并下发至PET探测器前端电路FPGA内的第二存储单元内；

S206、PET探测器捕获gamma光子事例，经前端电路处理后传输到FPGA中计算gamma事例的能量测量值A以及击中像素位置信息；

S207、先根据像素位置从第一存储单元中查第一查找表得到该像素编号的能量修正系数，再以(f₁-A)的值为检索地址从第二存储单元中查询第二查找表找到其对应的自然对数值；

S208、利用能量响应函数在FPGA模块内对测量的能量值A进行修正，得到修正后的能量值E；

S209、将修正后的能量，以及其对应的位置信息和时间信息等打包上传至FPGA模块。

参见附图4，从511keV和1274keV峰位的位置可见所有64个像素编号的能量都被精确的修正到射线真实能量值，本实施例中511keV特征峰的能量分辨率约为10％。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一的方法的步骤。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种PET探测器能量修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取所述PET探测器分别在若干种不能能量射线照射下的能谱的全能峰对应的道址数；

获取若干个全能峰对若干个道址数的响应曲线；使用能量响应函数E＝-f₀*ln(f₁-A)+f₂拟合不同射线能量对应道址的响应曲线，通过拟合函数提取拟合参数f₀、f₁、f₂并将其作为能量修正系数；

以像素编号作为参考值、将能量修正系数作为查找值建立像素编号与能量修正系数一一对应的第一查找表；

建立自然对数函数查找表，作为第二查找表，所述第二查找表的参考值为1到1024的整数、查找值为参考值的自然对数值；

获取PET探测器的击中事件的能量测量值A和像素编号，将该所述像素编号代入所述第一查找表获取能量修正系数，通过所述能量响应函数获取击中事件的真实能量值E包括：

将所述获取的能量修正系数f₁和能量测量值A的差值作为参考值代入所述第二查找表查找对应的自然对数值，联合所述能量修正系数f₀和f₂通过所述能量响应函数获取击中事例的真实能量值。

2.根据权利要求1所述的PET探测器能量修正方法，其特征在于，所述若干种不能能量射线包括PET探测器的本底、或正电子射线源、或γ射线源。

3.根据权利要求1所述的PET探测器能量修正方法，其特征在于，所述PET探测器的每个SiPM通道包含N₀个探测单元，在探测过程中探测到的实际光子数为p，所述PET探测器的能量测量值为A，校正后的输出的所述PET探测器被射线击中的真实能量值为：

其中λ、m、n为常数；根据所述PET探测器校正后的能量修正值的函数关系，定义能量修正系数

f₁＝mN₀+n,

4.一种PET探测器能量修正系统，其特征在于，包括信号测量模块和能量修正模块；

所述信号测量模块获取所述PET探测器分别在若干种不能能量射线照射下的能谱的全能峰对应的道址数；

所述能量修正模块获取若干个全能峰对若干个道址数的响应曲线；并使用能量响应函数E＝-f₀*ln(f₁-A)+f₂拟合不同射线能量对应道址的响应曲线，通过拟合函数提取拟合参数f₀、f₁、f₂并将其作为能量修正系数；以像素编号作为参考值、将能量修正系数作为查找值建立像素编号与能量修正系数一一对应的第一查找表；

所述能量修正模块还建立自然对数函数查找表作为第二查找表，所述第二查找表的参考值为1到1024的整数、查找值为参考值的自然对数值；

所述信号测量模块获取PET探测器的击中事件的能量测量值A和像素编号，所述能量修正模块将所述获取的能量修正系数f₁和能量测量值A的差值作为参考值代入所述第二查找表查找对应的自然对数值，联合所述能量修正系数f₀和f₂通过所述能量响应函数获取击中事例的真实能量值。

5.根据权利要求4所述的PET探测器能量修正系统，其特征在于，所述信号测量模块分别获取所述PET探测器的本底、或正电子射线源、或γ射线源照射下的能谱的全能峰对应的道址数。

6.根据权利要求4所述的PET探测器能量修正系统，其特征在于，还包括信号处理模块；所述PET探测器捕获击中事例，所述信号处理模块对所述击中事例的信号进行放大处理、整形滤波处理、模数转换处理后传输至所述信号测量模块；

所述PET探测器的每个SiPM通道包含N₀个探测单元，在击中事例中探测到的实际光子数为p，所述PET探测器的能量为A，校正后的输出的所述PET探测器被射线击中后输出的真实能量值为：

其中λ、m、n为常数；根据所述PET探测器校正后的能量修正值的函数关系，定义能量修正系数

f₁＝mN₀+n,

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-3中任一所述的方法的步骤。

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