DE102008055922A1 - Untergrundsignalunterdrückung bei PET-Spektren - Google Patents

Untergrundsignalunterdrückung bei PET-Spektren Download PDF

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Ralf Ladebeck
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufnehmen eines PET-Spektrums (18) mit einem PET-Detektor (1), insbesondere eines PE-MR-Tomographen, und Auswerten des PET-Spektrums. Um drbessern und damit die Energieauflösung bei den PET-Aufnahmen zu verbessern, ist die Vorrichtung versehen mit: einer Abtastvorrichtung (10) zum Abtasten des Ausgangssignals des PET-Detektors (1) mit einer vorgegebenen Abtastrate; einem Flankendiskriminator (11) zum Erkennen wenigstens einer Flanke (22, 23) eines PET-Pulses; einem Untergrundsignaldiskriminator (15) zum Abschätzen eines Untergrundsignals (19) unterhalb des PET-Pulses; einer Integratoreinrichtung (14) zum Ermitteln der Energie des PET-Pulses in dem PET-Spektrum oberhalb des Untergrundsignals aus den Abtastwerten der Abtastvorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Untergrundsignalunterdrückung bei PET-Spektren und insbesondere, aber nicht ausschließlich die Aufnahme eines PET-Spektrums mit einem PET-Detektor eines PE-MR-Tomographen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 5.
  • Bei kombinierten Postronenemissions-Tomographie-(PET-)Magnetresonanz-(MR-)Geräten soll dasselbe Volumen gleichzeitig auf zweierlei Arten abgebildet werden: es sollen physiologische Vorgänge dargestellt werden, und gleichzeitig soll die Lokalisierung der physiologischen Vorgänge im Körper mit hoher Genauigkeit möglich sein. Dazu müssen entsprechende anatomische Informationen vorliegen. Für die physiologische Information werden Postronenemissions-Tomographie-(PET-)Aufnahmen gemacht, für die anatomische Information werden Magnetresonanz-(MR-)Aufnahmen gemacht.
  • Bei einer PET-Aufnahme werden die aus dem Untersuchungsraum emittierten 511 keV-Photonen mit Szintillationszählern nachgewiesen. Diese umfassen im wesentlichen einen Szintiallationskristall wie z. B. Wismut-Germanat (BGO), auf dem eine hochempfindliche Photodiode, z. B. eine Lawinenphotodiode (avalanche photo diode, APD), aufgeklebt ist. Deren Ausgangssignale werden in einem direkt verbundenen Vorverstärker aufbereitet und nach außen geführt. Das aufbereitete Signal ist verrauscht, und zur Identifizierung von echten 511 keV-Photonen im Spektrum muss die Energie des Signals bestimmt werden.
  • Bei einer MR-Aufnahme werden starke Magnetfelder im Untersuchungsraum generiert, in denen sich die Spins der Atomkerne ausrichten. Nach Einstrahlung eines Hochfrequenzfeldes in den Untersuchungsraum, durch das die Spins in ihrer vorher geordneten Ausrichtung gestört werden, wird das Abklingverhalten der bei der Rückkehr der Spins in ihren ausgerichteten Zustand emittierten Hochfrequenzstrahlung untersucht. Zur Ortsauflösung parallel zu den Magnetfeldlinien werden dem Hauptmagnetfeld Gradientenfelder überlagert.
  • Da PET- und MR-Aufnahmen zur gleichen Zeit am gleichen Ort durchgeführt werden, müssen die PET-Komponenten unempfindlich gegenüber den starken Magnetfeldern sein, die durch die MR-Komponenten erzeugt werden. Insbesondere sind dabei die Gradientenfelder der MR-Aufnahmeeinheit zu berücksichtigen, die in der PET-Detektorelektronik Ströme induzieren. Wenn beispielsweise Vorverstärker für die APDs verwendet werden, so können die Verbindungen zwischen APD und Vorverstärker Signale auffangen, die durch die Gradientenfelder erzeugt werden. Derartige Störungen können nie ganz ausgeschlossen werden, auch nicht durch besondere Anordnungen der Bauelemente in den elektronischen Schaltkreisen.
  • Die Störsignale bilden den Untergrund in dem PET-Spektrum, dem die einzelnen PET-Signale überlagert sind. Einen besonders großen Anteil zum Untergrund trägt dabei das Schaltrauschen der Verstärker für die Gradientenmagnete bei. Die Störungen, die durch das Schaltrauschen hervorgerufen werden, sind im Vergleich zu den eigentlichen PET-Signalen niederfrequent und machen sich als Drift oder als niederfrequente Schwankungen des Nullpunkts bzw. der Basislinie bemerkbar.
  • Im Stand der Technik wird zur besseren Erfassung der Pulshöhen des PET-Signals versucht, die Basislinie konstant zu halten. Damit soll ein ”Offset” der Signale eliminiert werden, durch den andernfalls die Energieauflösung der PET-Komponenten beeinträchtigt würde. Es ist jedoch nicht immer möglich, die Basislinie konstant zu halten, da nicht alle Einflüsse vorhersehbar sind. Außerdem erfordert die Stabilisierung der Basislinie einen hohen Aufwand.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Korrektur der Basislinie bei PET-Spektren zu verbessern und damit die Energieauflösung bei den PET-Aufnahmen zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. durch das Verfahren nach Anspruch 5. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Die Erfindung beruht darauf, dass das Untergrundsignal der PET-Signale nachgebildet wird und von dem Gesamtsignal abgezogen wird. Zur Nachbildung des Untergrundsignals wird ein (kurzer) Zeitraum vor dem eigentlichen PET-Signal und gegebenenfalls ein Zeitraum nach dem PET-Signal erfasst. Aus dem Signal, das in diesem unmittelbar benachbarten Zeitraum erfasst wurde, wird das Untergrundsignal bestimmt. Nach der Integration des PET-Signals wird die Fläche unter dem Untergrundsignal von dem Integralwert abgezogen.
  • Auf diese Art erhält man unabhängig von einer eventuellen Drift des Untergrundsignals immer den ”Sockel” des Grundrauschens unter dem eigentlichen PET-Signal. Dieser Sockel kann von dem PET-Signal abgezogen werden, und damit kann die Energie des PET-Signals sehr genau ermittelt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufnehmen eines PET-Spektrums mit einem PET-Detektor, insbesondere eines PET-MR-Tomographen, und Auswerten des PET-Spektrums weist die Schritte auf: Abtasten des Ausgangssignals des PET-Detektors mit einer vorgegebenen Abtastrate durch eine Abtastvorrichtung; Erkennen wenigstens einer Flanke eines PET-Pulses durch einen Flankendiskriminator; Abschätzen eines Untergrundsignals unterhalb des PET-Pulses durch einen Untergrundsignaldiskriminator; Ermitteln der Energie des PET-Pulses in dem PET-Spektrum oberhalb des Untergrundsignals aus den Abtastwerten der Abtastvorrichtung durch eine Integratoreinrichtung.
  • In besonders bevorzugten Ausführungsformen weist das erfindungsgemäße Verfahren als weiteres Merkmal oder – soweit technisch möglich und sinnvoll – als Kombination weiterer Merkmale auf, dass
    • – als weitere Schritte vorgesehen sind: Generieren eines Vorlaufintervalls vorgegebener Dauer vor einer Anstiegsflanke des PET-Pulses durch einen Fenstergenerator und Abschätzen des Untergrundsignals des PET-Pulses durch den Untergrundsignaldiskriminator in Abhängigkeit von den Abtastwerten in dem Vorlaufintervall;
    • – als weitere Schritte vorgesehen sind: Generieren eines Nachlaufintervalls vorgegebener Dauer nach einer Abklingflanke des PET-Pulses durch den Fenstergenerator und Abschätzen des Untergrundsignals des PET-Pulses durch den Untergrundsignaldiskriminator in Abhängigkeit von den Abtastwerten in dem Nachlaufintervall;
    • – das Untergrundsignal des PET-Pulses durch den Untergrundsignaldiskriminator aus Vorlaufzeitintervall und Nachlaufintervall interpoliert wird.
  • Die entsprechende erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufnehmen eines PET-Spektrums mit einem PET-Detektor, insbesondere eines PET-MR-Tomographen, und Auswerten des PET-Spektrums ist versehen mit: einer Abtastvorrichtung zum Abtasten des Ausgangssignals des PET-Detektors mit einer vorgegebenen Abtastrate; einem Flankendiskriminator zum Erkennen wenigstens einer Flanke eines PET-Pulses; einem Untergrundsignaldiskriminator zum Abschätzen eines Untergrundsignals unterhalb des PET-Pulses; einer Integratoreinrichtung zum Ermitteln der Energie des PET-Pulses in dem PET-Spektrum oberhalb des Untergrundsignals aus den Abtastwerten der Abtastvorrichtung.
  • In besonders bevorzugten Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Vorrichtung als weiteres Merkmal oder – soweit technisch möglich und sinnvoll – als Kombination weiterer Merkmale auf, dass
    • – ein Fenstergenerator ein Vorlaufintervall vorgegebener Dauer vor der Anstiegsflanke des PET-Pulses generiert und der Untergrundsignaldiskriminator das Untergrundsignal des PET-Pulses in Abhängigkeit von den Abtastwerten in dem Vorlaufintervall abschätzt;
    • – der Fenstergenerator ein Nachlaufintervall vorgegebener Dauer nach einer Abklingflanke des PET-Pulses generiert und der Untergrundsignaldiskriminator das Untergrundsignal des PET-Pulses in Abhängigkeit von den Abtastwerten in dem Nachlaufintervall abschätzt;
    • – der Untergrundsignaldiskriminator das Untergrundsignal des PET-Pulses aus Vorlaufzeitintervall und Nachlaufintervall interpoliert;
    • – der Flankendiskriminator ein Nulldurchgangsdiskriminator ist.
  • Die Erfindung hat u. a. den Vorteil, dass keine zusätzlichen Filter verwendet werden müssen, mit denen ein bestimmtes Frequenzband, insbesondere die unbekannte Frequenz der Gradientenfelder herausgefiltert wird. Der erfindungsgemäße Aufbau ist nahezu vollkommen unabhängig von der Frequenz, mit der die Störung im Nutzsignal auftritt. Damit sind auch Änderungen im zeitlichen Verhalten der Störungen unerheblich, und das PET-Signal kann auch bei Vorhandensein von Schaltrauschen, das durch Gradientenfelder hervorgerufen wird, genau gemessen und analysiert werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnung.
  • 1 zeigt schematisch die wesentlichen Komponenten für die Aufnahme eines PET-Spektrums.
  • 2 zeigt als Blockschaltbild eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 3 zeigt ein Beispiel für ein reales PET-Spektrum.
  • 4 zeigt den idealisierten Verlauf eines PET-Signals mit Untergrundkomponente und eigentlichem PET-Signal.
  • 5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.
  • In 1 ist der prinzipielle Aufbau für die Aufnahme eines PET-Signalspektrums dargestellt. Von einer (nicht gezeigten) radioaktiven Quelle werden elektromagnetische Strahlen mit einer Energie von 511 keV in einem PET-Detektor 1 aufgefangen, die als von links kommende Wellenlinie angedeutet sind. In einem Szintillationskristall 2 des PET-Detektors wird die harte Strahlung mit 511 keV in sichtbares Licht konvertiert, das von einer Avalanche-Photodiode (APD) 3 registriert wird. Das Ausgangssignal dieser APD 3 wird in einer in der Nähe der APD 3 angeordneten Elektronik 4, insbesondere einem Vorverstärker für die weitere Verarbeitung aufbereitet. Die eigentliche Auswertung des Signals findet in einer Auswerteelektronik 5 statt. Das Ergebnis der Signalverarbeitung und Signalauswertung wird auf einer Anzeigeeinrichtung 6 als Spektrum oder numerisch angezeigt.
  • In der Umgebung vorhandene Störquellen beeinflussen das Ausgangssignal der APD 3 bzw. der nachgeschalteten Elektronik. Ein Beispiel für Störquellen solcher Art sind Magnete 7 für MR-Aufnahmen, die insbesondere während der PET-Aufnahme geschaltet werden. Das Schalten der Magnete 7 ist in 1 durch einen Schalter 8 angedeutet. Durch das Schalten 8 werden elektromagnetische Wellen 9 erzeugt, die in die der APD nachgeschalteten Elektronik 4 einkoppeln und so zu verfälschten Eingangssignalen an der Auswerteelektronik 5 führen. Diese Störeinflüsse müssen in der Auswerteelektronik 5 nachträglich herausgefiltert werden. Dazu ist die Auswerteelektronik 5 entsprechend ausgelegt, wie es im folgenden anhand von 2 erläutert wird.
  • 2 zeigt die Auswerteelektronik 5 mit einem Abtast-Halte-Glied (sample hold) 10 am Eingang, in welchem das von der APD 3 und Vorverstärker 4 ankommende Signal digitalisiert wird. Das analoge Signal ist dabei als durchlaufende Linie angedeutet, deren Amplitude zu gegebenen Zeiten abgetastet wird. Das Ergebnis ist eine Folge von Pulsen mit unterschiedlichen Höhen. Gleichzeitig wird das Eingangssignal in einem Flankendiskriminator 11 auf Vorhandensein von Signalflanken untersucht, die anzeigen, dass ein 511 keV-Photon durch die APD 3 registriert worden ist. In diesem Fall wird der Flanke des Signals ein Zeitwert zugeordnet, auf den sich die nachfolgende Auswertung des Signals bezieht. Dem Fachmann ist klar, dass die Ausgangsspannung des Vorverstärkers 4 bei der Anfangsflanke eines Ereignisses grundsätzlich positiv oder negativ sein kann, d. h. eine ansteigende oder eine abfallende Flanke sein kann. Dies wird im folgenden nicht weiter beachtet, die Erfindung ist in beiden Fälle anwendbar.
  • Zur Analyse von länger auseinander liegenden PET-Pulsen bzw. -Ereignissen ist der Flankendiskriminator 11 mit einem zentralen Taktgeber 12 verbunden, der Zeitintervalle über längere Zeiträume zu messen erlaubt. Der Zeitwert des Ereignisses wird zur numerischen Auswertung in einem Spektrum, das über einen solchen längeren Zeitraum aufgenommen wird, von der Auswerteelektronik 5 ausgegeben.
  • Abhängig von dem Zeitwert für die Anstiegsflanke, die von der APD 3 erfasst wurde, wird ein Zeitfenster generiert, in welchem das Signal analysiert werden kann. Dieses Zeitfenster wird in der Ausführungsform nach 2 in einem Fenstergenerator 13 erzeugt. Nachdem der Fenstergenerator 13 das Zeitfenster geöffnet hat, werden die Abtastwerte, die von dem Abtast-Halte-Glied 10 ausgegeben werden, in einem Integrator oder Summierer 14 aufaddiert, so dass sich die Gesamtfläche unter dem PET-Puls und damit dessen Energie ergibt. Dabei hält der Fenstergenerator 13 das Zeitfenster so lange offen, bis der Flankendiskriminator 11 eine weitere Flanke erkannt hat. Die zweite Flanke zeigt an, dass der PET-Puls nun abgeklungen ist und die nachfolgenden Abtastwerte nicht mehr zu dem PET-Puls gehören. Sobald der Fenstergenerator 13 diese Information von dem Flankengenerator 11 erhalten hat, schließt er das Zeitfenster, und der Summierer 14 beendet den Addiervorgang. Das Ergebnis des Addiervorgangs wird von dem Summierer 14 ausgegeben.
  • Um von dem Gesamtwert für die Fläche unter dem PET-Puls, der von dem Summierer bzw. Integrator 14 ausgegeben wurde, den Untergrund abziehen zu können, wird der Untergrund in einem zweiten Summierer bzw. Integrator bestimmt. Zur besseren Unterscheidung wird der zweite Summierer im folgenden als Untergrundsignaldiskriminator 15 bezeichnet.
  • Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung des Untergrundsignals ein Zeitintervall betrachtet, das sich unmittelbar vor oder nach dem eigentlichen PET-Puls anschließt. In 2 wird zunächst der Fall mit einem Vorlaufintervall erläutert.
  • Um bei Erkennen einer ansteigenden (abfallenden) Flanke eines PET-Pulses noch Zugriff auf die Abtastwerte in einem Vorlaufintervall unmittelbar vor dem eigentlichen PET-Puls zu haben, ist in der Auswerteelektronik 5 eine Verzögerungsstrecke 16 vorgesehen, in der die Abtastwerte von dem Abtast-Halte-Glied 10 zeitlich verzögert werden, bevor sie von dem Untergrundsignaldiskriminator 15 eingelesen werden. Mit dieser Laufzeitenverzögerung in der Verzögerungsstrecke 16 erhält der Flankendiskriminator 11 gegenüber der Auswertung der Abtastwerte vom Abtast-Halte-Glied 10 einen gewissen zeitlichen Vorsprung. Idealerweise integriert der Untergrundsignaldiskriminator 15 die Abtastwerte vom Abtast-Halte-Glied 10 über einen Zeitraum, der exakt der Dauer eines echten PET-Pulses entspricht. In diesem Fall liegen am Ausgang des Integrators 14 und am Ausgang des Untergrundsignaldiskriminators 15 beide Werte gleichzeitig an und können voneinander abgezogen werden. Da die Dauer des PET-Pulses im voraus aber nicht genau bekannt ist, kann der Untergrundsignaldiskriminator 15 nach einem fest vorgegebenen Zeitraum die Integration abbrechen. Als weitere Alternative kann der Untergrundsignaldiskriminator 15 die Integration dann abbrechen, wenn er ein zweites Flankensignal von dem Fenstergenerator 13 erhält. Dazu muss die Verzögerungsleitung 16 entsprechend ausgelegt sein. In allen Fällen kann die Verwendung von Zwischenspeichern für die Ergebnisse des Integrators 14 und des Untergrundsignaldiskriminators 15 notwendig werden. Die Einzelheiten für die Umsetzung der einzelnen Alternativen sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht weiter erläutert.
  • Analog zu dem Vorlaufintervall ergibt sich die Möglichkeit, ein Zeitintervall für die Bestimmung des Untergrundsignals zu verwenden, das sich unmittelbar nach dem PET-Puls anschließt. In diesem Fall müssen nicht die Abtastwerte von dem Abtast-Halte-Glied 10 vom Untergrundsignaldiskriminator 15 verzögert eingelesen werden, sondern es muss das Fenstersignal von dem Fenstergenerator 13 vom Untergrundsignaldiskriminator 15 verzögert eingelesen werden. Diese Alternative oder zusätzliche Möglichkeit zum Verwenden des Vorlaufintervalls ist in 2 durch die gestrichelt gezeichnete Verzögerungsstrecke 16 angedeutet.
  • Der von dem Untergrundsignaldiskriminator 15 ermittelte Integralwert bzw. Summenwert entspricht dem Untergrundsignal des eigentlichen PET-Pulses. Dabei versteht es sich von selbst, dass dieser Wert gegebenenfalls noch mit der Dauer des tatsächlichen PET-Pulses gewichtet werden muss. Auch diese Einzelheiten sind dem Fachmann bekannt.
  • Der Summenwert des Untergrundsignals wird in einem Subtrahierer 17 von dem Summenwert von dem PET-Puls abgezogen, gegebenenfalls nach entsprechender Wichtung, so dass am Ausgang des Subtrahierers 17 ein Signal anliegt, das der Fläche unter dem PET-Puls und damit der bereinigten Energie des PET-Pulses entspricht. Dieses Signal wird gegebenenfalls mit dem Zeitsignal von dem Flankendiskriminator 11 in der Anzeigeeinrichtung 6 dargestellt. Das Ergebnis nach dieser Signalverarbeitung wird im folgenden anhand der 3 und 4 erläutert.
  • In 3 ist ein typisches PET-Spektrum 18 dargestellt. Deutlich erkennbar ist in der Darstellung, dass das eigentliche Signal der PET-Detektoren einem Untergrundsignal überla gert ist, dessen interpolierter Verlauf als durchbrochene Linie 19 gezeigt ist. Das Untergrundsignal wird bei einer kombinierten PET-MR-Vorrichtung insbesondere durch geschaltete Magnetfelder hervorgerufen. Den größten Beitrag leisten dabei die Gradientenfelder des MR-Tomographen. Der Verlauf der Gradientenfelder in einer MR-Aufnahmevorrichtung ist für eine der drei Achsen in der Regel trapezförmig mit einer jeweiligen Dauer von einigen Millisekunden. Der für das Erzeugen der Gradientenfelder benötigte Strom wird üblicherweise durch einen Schaltverstärker erzeugt, der mit einer Schaltfrequenz von ca. 40 kHz betrieben wird. Das Schalten der Schaltverstärker ist der Grund für das Schaltrauschen in den Spektren.
  • Erfindungsgemäß wird die Amplitude und Phase der Störsignale in dem Zeitintervall vor den PET-Signalen erfasst. In 4 ist ein einzelnes PET-Signal mit Untergrundsignal idealisiert in seinem Verlauf gezeigt. Der Signalverlauf 20 unterteilt sich im wesentlichen in die drei Abschnitte vor, während und nach dem PET-Puls. Der Signalverlauf 20 wird laufend abgetastet und wird als Folge von Abtastwerten 21 dargestellt und verarbeitet. Der ansteigenden Flanke 22 des Pulses wird ein Zeitwert 24 zugeordnet, auf den sich sowohl die Analyse des PET-Pulses selbst als auch die Bestimmung des Untergrundsignals bezieht. In einem Vorlaufintervall 25 vor dem Zeitwert 24 der ansteigenden Flanke 22 werden die Abtastwerte 21 analysiert. Dazu wird das Zeitintervall mit einer Dauer von einigen Mikrosekunden vor dem durch den Nulldurchgangsdiskriminator festgelegten Zeitpunkt des PET-Pulses betrachtet. Vorzugsweise wird dazu das Signal ununterbrochen abgetastet und in Abhängigkeit von dem Signal des Flankendiskriminators 11 (Trigger) ausgewertet. Aufgrund der niedrigen Frequenz des Gradientenfeldes 9 kann das Untergrundsignal von der Vorderflanke des PET-Signals extrapoliert werden. Insbesondere werden die Abtastwerte 21 wie oben beschrieben durch den Untergrundsignaldiskriminator 15 aufsummiert, so dass man einen Wert für den Signaluntergrundsignal, der von der Gesamtfläche unter dem PET-Puls abgezogen werden muss, um in guter Nähe rung den tatsächlichen Flächeninhalt des PET-Pulses zu erhalten.
  • Analog kann das Untergrundsignal aber auch mit einem Wert korrigiert werden, der aus dem Intervall nach Abklingen des PET-Pulses ermittelt wurde. Dazu wird der abfallenden Flanke 23 ein Zeitwert 26 zugeordnet. Die Abtastwerte 21, die nach diesem Zeitwert 26 eingelesen werden, werden ebenfalls als Untergrundsignale betrachtet, so dass aus ihnen wiederum eine Abschätzung des Untergrundes abgeleitet werden kann. Das entsprechende Nachlaufintervall ist in 4 mit 27 bezeichnet.
  • Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass sowohl das Vorlaufintervall 25 wie auch das Nachlaufintervall 27 isoliert für die Abschätzung des Untergrundsignals verwendet werden können. Die Beschränkung auf eines der Intervalle ist insbesondere dann ausreichend und in Bezug auf den notwendigen Rechenaufwand von Vorteil, wenn der Untergrund relativ stabil ist. Andererseits sind – wie in 3 durch die Linie 19 angedeutet – niederfrequente Schwankungen oder eine Drift des Untergrundes nicht grundsätzlich auszuschließen, so dass eine genauere Abschätzung dadurch erreicht werden kann, dass sowohl die Abtastwerte im Vorlaufintervall als auch die Abtastwerte im Nachlaufintervall für die Bestimmung des Untergrundes herangezogen werden. Insbesondere wird der Untergrund dann durch Interpolation der beiden Intervalle bestimmt.
  • Wie sich unmittelbar aus dem idealisierten Verlauf 20 des Signals in 4 ergibt, darf der Zeitpunkt 24 und 26 nicht abhängig sein von der jeweiligen Amplitude des PET-Signals. Daher wird der Zeitpunkt 24 und 26 mit Hilfe eines Nulldurchgangsdiskriminators (constant fraction discriminator, CFD) ermittelt, bei dem das ankommende Signal mit seinem definiert verzögerten Inversen überlagert wird und der Nulldurchgang des Gesamtsignals für die Festlegung des Zeitwertes verwendet wird. Dieser Zeitpunkt wird dem PET-Signal zugeordnet und als sein Entstehungszeitpunkt angesehen. Damit besteht die Möglichkeit, das Zeitintervall 25 unmittelbar vor dem eigentli chen PET-Signalpuls festzulegen, in welchem der Einfluss der Gradientenfelder und anderer Störungen erfasst werden kann. Gleiches gilt für das Zeitintervall 27 unmittelbar nach dem eigentlichen PET-Puls.
  • Eine Ausführungsform des Verfahrens zur Erkennung der Nullinie und anschließender Subtraktion des durch Gradientenfelder bedingten Signals von dem eigentlichen PET-Signal wird anhand von dem Flussdiagramm in 5 erläutert.
  • In Schritt 28 wird fortwährend das Spektrum von der APD 3 abgetastet, und die Abtastwerte werden in einem Register abgespeichert. Dieses Register kann ein Schieberegister sein, in welchem je nach Registerbreite immer eine vorgegebene Anzahl von Abtastwerten zwischengespeichert ist, die nach und nach mit neueren Abtastwerten überschrieben werden. Ein solches Register erlaubt es, auch noch nachträglich auf bereits zurückliegende Abtastwerte zurückzugreifen.
  • Sobald in Schritt 29 eine Flanke des abgetasteten Eingangssignals erkannt wird, wird das Signal vor und nach diesem Zeitpunkt analysiert. In Schritt 30 werden die Abtastwerte in dem Vorlaufintervall vor der auslösenden Flanke wie oben in Zusammenhang mit 2 und 4 beschrieben verarbeitet. Aufgrund der Verwendung eines Schieberegisters ist es möglich, auf bereits zurückliegende Werte für die Analyse des Vorlaufintervalls zurückzugreifen. Das Schieberegister ”ersetzt” damit die Verzögerungsleitung(en) 16 nach 2. Da außerdem der aktuellste Wert immer an erster Stelle im Schieberegister steht, kann statt des Fenstergenerators 13 die Summation über die gesamte Registerbreite durchgeführt werden. Damit kann der Fenstergenerator 13 in 2 entfallen.
  • Das in Schritt 30 ermittelte Untergrundintegral wird in Schritt 31 in einem (nicht dargestellten) Zwischenspeicher abgelegt, um es später im Verlauf des Verfahrens von dem Gesamtergebnis des PET-Pulses abziehen zu können.
  • In Schritt 32 werden die Abtastwerte aufsummiert, die nach der Flanke eingelesen wurden. Diese Summe stellt damit den gesamten Flächeninhalt unter dem PET-Puls dar. Zu dem Flächeninhalt gehört sowohl das eigentliche Ausgangssignal der APD 3, das durch eine Positronenvernichtung hervorgerufen wurde, als auch das Hintergrundrauschen, das insbesondere durch Gradientenfelder hervorgerufen wurde.
  • Die Integration des PET-Pulses endet in Schritt 33, sobald das Ende des PET-Pulses erkannt wurde. Dies kann wiederum durch einen Nullpunktdiskriminator definiert werden.
  • Sobald das Ergebnis der Nullinienintegration und das Ergebnis der Puls-Integration vorliegen, wird von dem Puls die Nullinie abgezogen, so dass man eine deutlich verbesserte Energieauflösung der PET-Aufnahme erreicht. Es handelt sich also bei dem Verfahren um eine dynamische Nullpunktanpassung bzw. Nullpunktnachführung.
  • 1
    PET-Detektor
    2
    Szintillationskristall
    3
    (Avalanche-)Photodiode
    4
    Vorverstärker
    5
    Auswerteelektronik
    6
    Anzeigeeinrichtung
    7
    Gradientenmagnete
    8
    Schalter
    9
    Gradientenfeld, elektromagnetisches Störfeld
    10
    Abtast-Halte-Glied (sample & hold)
    11
    Flankendiskriminator
    12
    zentraler Taktgeber (master clock)
    13
    Fenstergenerator
    14
    Integrator
    15
    Untergrundsignaldiskriminator
    16
    Verzögerungsstrecke (delay)
    17
    Subtrahierer
    18
    PET-Spektrum
    19
    Untergrundlinie
    20
    idealisierter Signalverlauf
    21
    Abtastwertedes Signalverlaufs
    22
    Anstiegsflanke eines PET-Pulses
    23
    Abklingflanke des PET-Pulses
    24
    Zeitwert t1 von Anstiegsflanke des PET-Pulses
    25
    Signalverlauf in Vorlaufintervall vor dem Zeitwert t1
    26
    Zeitwert t2 von Abklingflanke des PET-Pulses
    27
    Signalverlauf in Nachlaufintervall nach dem Zeitwert t2
    28
    Abtasten von Spektrum und Abspeichern von Abtastwerten in Register
    29
    Abfrage: Flanke erkannt?
    30
    Auswertung der vorangegangenen Abtastwerte in Register
    31
    Abspeichernvon Untergrundintegral in Speicher
    32
    Summierung von Abtastwerten nach Flanke
    33
    Abfrage: Pulsende erkannt?
    34
    Abziehen von Untergrundintegral von Summenwert

Claims (9)

  1. Verfahren zum Aufnehmen eines PET-Spektrums (18) mit einem PET-Detektor (1), insbesondere eines PET-MR-Tomographen, und Auswerten des PET-Spektrums mit den Schritten: – Abtasten (28) des Ausgangssignals des PET-Detektors mit einer vorgegebenen Abtastrate durch eine Abtastvorrichtung (10); – Erkennen (29) wenigstens einer Flanke eines PET-Pulses durch einen Flankendiskriminator (11); – Abschätzen (30, 31) eines Untergrundsignals unterhalb des PET-Pulses durch einen Untergrundsignaldiskriminator (15); – Ermitteln (32, 34) der Energie des PET-Pulses in dem PET-Spektrum oberhalb des Untergrundsignals aus den Abtastwerten der Abtastvorrichtung durch eine Integratoreinrichtung (14).
  2. Verfahren nach Anspruch 1 mit den Schritten: Generieren eines Vorlaufintervalls (25) vorgegebener Dauer vor einer Anstiegsflanke (22) des PET-Pulses durch einen Fenstergenerator (13) und Abschätzen (30) des Untergrundsignals (19) des PET-Pulses durch den Untergrundsignaldiskriminator (15) in Abhängigkeit von den Abtastwerten in dem Vorlaufintervall (25).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit den Schritten: Generieren eines Nachlaufintervalls (27) vorgegebener Dauer nach einer Abklingflanke (23) des PET-Pulses durch den Fenstergenerator (13) und Abschätzen (30) des Untergrundsignals (19) des PET-Pulses durch den Untergrundsignaldiskriminator (15) in Abhängigkeit von den Abtastwerten in dem Nachlaufintervall (27).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Untergrundsignal (19) des PET-Pulses durch den Untergrundsignaldiskriminator (15) aus Vorlaufzeitintervall (25) und Nachlaufintervall (27) interpoliert wird.
  5. Vorrichtung zum Aufnehmen eines PET-Spektrums (18) mit einem PET-Detektor (1), insbesondere eines PE-MR-Tomographen, und Auswerten des PET-Spektrums mit: – einer Abtastvorrichtung (10) zum Abtasten des Ausgangssignals des PET-Detektors (1) mit einer vorgegebenen Abtastrate; – einem Flankendiskriminator (11) zum Erkennen wenigstens einer Flanke (22, 23) eines PET-Pulses; – einem Untergrundsignaldiskriminator (15) zum Abschätzen eines Untergrundsignals (19) unterhalb des PET-Pulses; – einer Integratoreinrichtung (14) zum Ermitteln der Energie des PET-Pulses in dem PET-Spektrum oberhalb des Untergrundsignals aus den Abtastwerten der Abtastvorrichtung.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der ein Fenstergenerator (13) ein Vorlaufintervall (25) vorgegebener Dauer vor der Anstiegsflanke (22) des PET-Pulses generiert und der Untergrundsignaldiskriminator (15) das Untergrundsignal (19) des PET-Pulses in Abhängigkeit von den Abtastwerten in dem Vorlaufintervall (25) abschätzt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der der Fenstergenerator (13) ein Nachlaufintervall (27) vorgegebener Dauer nach einer Abklingflanke (23) des PET-Pulses generiert und der Untergrundsignaldiskriminator (15) das Untergrundsignal (19) des PET-Pulses in Abhängigkeit von den Abtastwerten in dem Nachlaufintervall (27) abschätzt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Untergrundsignaldiskriminator (15) das Untergrundsignal (19) des PET-Pulses aus Vorlaufzeitintervall (25) und Nachlaufintervall (27) interpoliert.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der der Flankendiskriminator (11) ein Nulldurchgangsdiskriminator (constant fraction discriminator, CFD) ist.
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