JP5667446B2 - ポジトロン放出断層撮影法のパルス開始時間推定方法および一致ペア識別方法、ポジトロン放出断層撮影法スキャナ - Google Patents
ポジトロン放出断層撮影法のパルス開始時間推定方法および一致ペア識別方法、ポジトロン放出断層撮影法スキャナ Download PDFInfo
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Description
本出願は、2007年11月2日出願の米国仮特許出願第60985083号の利益を主張し、この仮特許出願の開示は、その全体が本明細書において明示的に援用される。
侵襲性外科手術をせずに生物の内部画像を作成する能力は、過去100年に渡る医療の主要な進歩である。X線断層撮影法(CT)および磁気共鳴画像法(MRI)等の撮像技術は、体内の解剖学的組織体の高分解能画像を考察する能力を医師および科学者に与えた。これは、疾患の診断および治療の進歩につながるが、大きな疾患群は、解剖学的組織体の変化を疾患の後期でしか、または全く引き起こさない。これは、生体内の特定の代謝活性を記録する医療画像の分科を生じた。ポジトロン放出断層撮影法(PET)は、この種類の医療画像である。
PETは、生物内の特定の代謝活性を測定するために、放射性崩壊を活用する医療画像診断法である。PET画像システムは、図1に表す3つの構成要素である、スキャンされる対象者に投与される放射性トレーサーと、(以下で説明するように、間接的に)放射性トレーサーの位置を検出するために動作可能であるスキャナと、断層画像処理システムとを備える。
トレーサー90を合成するために、短命の放射性同位元素が代謝的活性分子に付加される。短い半減期は、対象者の電離放射線への曝露を低減するが、概して、トレーサー90がスキャナ近くで生成される必要がある。最も一般的に使用されるトレーサーは、110分の半減期を有するグルコースの類似体である、フッ素18フルオロデオキシグルコース([F−18]FDG)である。[F−18]FDGは、グルコースに十分類似するため、グルコースを利用する細胞によってリン酸化されるが、解糖を起こさない。したがって、分子の放射性部分は、組織内閉じ込められる。癌および脳細胞等の多くのグルコースを消費する細胞は、他の組織と比較して、徐々に、より多くの[F−18]FDGを蓄積する。
511KeV光子は、多大なエネルギー量を有し、身体組織を含む、多くの物質を通り抜ける。これは、光子が身体を通過して出ることを可能にするが、高エネルギー光子を検出するのは難しい。光子検出は、シンチレータ93の作業である。シンチレータ93は、高エネルギー光子を吸収し、低エネルギー光子、典型的には、可視光線光子を放出する。シンチレータ93は、プラスチック、有機および無機結晶、ならびに有機液体を含む、様々な物質から作られる。シンチレータの各タイプは、異なる密度、屈折率、タイミング特性、および最大放出波長を有する。
シンチレータ93は、シンチレータ93から電子パルスに可視光線光子を変換する電子デバイスに付加される。最も一般的に使用されるデバイスの2つは、PMTおよびAPDである。PMTは、光電陰極と、いくつかのダイノードと、非常に低レベルの光を検出できる高ゲインを有する陽極とを備える真空管である。APDは、PMTの半導体の変形である。PETスキャナでの使用のために現在研究されている別の技術は、SiPMである。SiPMは、光子が相互作用し、キャリアを発生させる時に、短い電流パルスが生成されるように、ガイガモードで操作する半導性フォトダイオードのアレイを含む。例示的なSiPMにおいて、フォトダイオードのアレイは、約103ダイオード/mm2を含む。全てのダイオードは、共通のシリコン基板に連結されるため、アレイの出力は、ダイオードの出力の合計である。したがって、出力は、1つのフォトダイオードが火炎する最小から全てのフォトダイオードが火炎する最大の範囲であり得る。これらがデジタルデバイスから構成されていても、これは、これらのデバイスに直線的出力を与える。
本概要は、以下の発明を実施するための形態でさらに記述される簡略化した形態で、概念の選択を導入するために提供される。本概要は、特許請求される主題の重要な特徴を識別することを意図することも、特許請求される主題の範囲の決定の補助として使用されることも意図しない。
本明細書は、例えば、以下も提供する。
(項目1)
検出された事象に応答して生成される電子パルスの開始時間を推定する方法であって、該方法は、
外部事象を検出し、電子アナログパルス信号を生成することによって該検出された事象に応答する検出器を提供することと、
該検出器によって生成されたアナログパルス信号を表すようにパラメータ化された理想的な曲線形状を選択することと、
該検出器によって生成されたアナログパルス信号を受信することと、
振幅を有するデジタルパルス信号を生じるように、該受信されたアナログパルス信号をデジタル化することと、
該デジタルパルス信号の計算された面積に基づき、該デジタルパルス信号の振幅を正規化することと、
該受信されたアナログパルス信号を表すように該パラメータ化された理想的な曲線形状から曲線を特定するために、該正規化されたデジタルパルス信号の少なくとも1点を使用することと、
該受信されたアナログパルス信号の該開始時間を推定するために、該特定された曲線を使用することと、
該受信されたアナログパルス信号の該推定された開始時間を示すタイムスタンプを記録することと
を含む、方法。
(項目2)
上記パラメータ化された理想的な曲線形状は、所定の立ち上がり時定数を有する第1の指数関数部分と、所定の減衰時定数を有する第2の指数関数部分とを含む、項目1に記載の方法。
(項目3)
上記受信されたアナログパルス信号は、シリコン光電子倍増管によって生成される、項目1に記載の方法。
(項目4)
曲線を特定するために、上記デジタルパルス信号の少なくとも1点を使用するステップは、曲線を特定するために、該デジタルパルス信号の第1点のみを使用することを含む、項目1に記載の方法。
(項目5)
ローパスフィルタを用いて、上記受信されたアナログパルス信号をフィルタにかけることをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目6)
上記パラメータ化された理想的な曲線形状から曲線を特定するために、上記正規化されたデジタルパルス信号を使用するステップは、逆引きを含み、1つ以上のルックアップテーブルは、一組の正規化された信号点振幅に対する開始時間推定を保持する、項目1に記載の方法。
(項目7)
上記検出器は、光電子倍増管と、アバランシェフォトダイオードと、シリコン光電子倍増管とのうちの1つに連結されるシンチレータ結晶を備える、項目1に記載の方法。
(項目8)
ポジトロン放出断層撮影法で検出されるパルスの開始時間を推定する方法であって、
約511KeVのエネルギーを有する光子を検出し、それに応答してアナログパルス信号を生成するための検出器を提供することと、
該検出器によって生成されたアナログパルス信号を表すように、パラメータ化された理想的な曲線形状を選択することと、
該検出器によって生成されたアナログパルス信号を受信することと、
振幅を有するデジタルパルス信号を生じるように、該受信されたアナログパルス信号をデジタル化することと、
該デジタルパルス信号の計算された面積に基づき、該デジタルパルス信号振幅を正規化することと、
該受信されたアナログパルス信号を表すように、該パラメータ化された理想的な曲線形状から曲線を特定するために、該正規化されたデジタルパルス信号の少なくとも1点を使用することと、
該受信されたアナログパルス信号の該開始時間を推定するために該特定された曲線を使用することと、
該受信されたアナログパルス信号の該推定した開始時間を表す、タイムスタンプを記録するステップと
を含む、方法。
(項目9)
上記パラメータ化された理想的な曲線形状は、所定の立ち上がり時定数を有する第1の指数関数部分と、所定の減衰時定数を有する第2の指数関数部分とを含む、項目8に記載の方法。
(項目10)
上記受信されたアナログパルス信号は、シリコン光電子倍増管によって生成される、項目8に記載の方法。
(項目11)
曲線を特定するために、上記デジタルパルス信号の少なくとも1点を使用するステップは、曲線を特定するために、該デジタルパルス信号の第1点のみを使用することを含む、項目8に記載の方法。
(項目12)
ローパスフィルタを用いて、上記受信されたアナログパルス信号をフィルタにかけるステップをさらに含む、項目8に記載の方法。
(項目13)
上記パラメータ化された理想的な曲線形状から曲線を特定するために、上記正規化されたデジタルパルス信号を使用するステップは、逆引きを含み、1つ以上のルックアップテーブルは、一組の正規化された信号点振幅の開始時間推定を保持する、項目8に記載の方法。
(項目14)
上記検出器は、光電子倍増管と、アバランシェフォトダイオードと、シリコン光電子倍増管とのうちの1つに連結されるシンチレータ結晶を含む、項目8に記載の方法。
(項目15)
フロントエンド電子機器を提供するステップをさらに含み、該フロントエンド電子機器は、上記受信されたアナログパルスをデジタル化するためのアナログ−デジタル変換器と、上記デジタルパルス信号を処理するフィールドプログラマブルゲートアレイとを備える、項目8に記載の方法。
(項目16)
上記受信されたアナログパルス信号の上記推定開始時間の分解能は、該受信されたアナログ信号をデジタル化するために使用されるサンプル時間より小さい、項目15に記載の方法。
(項目17)
ポジトロン放出断層撮影法で一致ペアを識別する方法であって、
複数の検出器のうちのいくつかが相互の視野内に配置されるように、環状に配列された複数の検出器を用いて、複数の光子を検出し、各検出された光子に応答して、アナログパルス信号を生成することと、
該検出器によって生成されたアナログパルス信号を表すように、パラメータ化された理想的な曲線形状を選択することと、
振幅を有するデジタルパルス信号を生じるように、該アナログパルス信号をデジタル化することと、
該デジタルパルス信号の計算された面積に基づき、各デジタルパルス信号の振幅を正規化することと、
該アナログパルス信号を表すように、該パラメータ化された理想的な曲線形状から曲線を特定するために、該正規化されたデジタルパルス信号の少なくとも1点を使用することと、
各アナログパルス信号に対する該アナログパルス信号の開始時間を推定するために、該特定された曲線を使用することと、
該アナログパルス信号の該推定開始時間を示すタイムスタンプを記録することと、
一致ペアを識別するように、相互の視野内に配置された検出器からアナログパルス信号のタイムスタンプを比較することと
を含む、方法。
(項目18)
上記パラメータ化された理想的な曲線形状は、所定の立ち上がり時定数を有する第1の指数関数部分と、所定の減衰時定数を有する第2の指数関数部分とを含む、項目17に記載の方法。
(項目19)
曲線を特定するために、上記デジタルパルス信号の少なくとも1点を使用するステップは、曲線を特定するために、該デジタルパルス信号の第1点のみを使用することを含む、項目17に記載の方法。
(項目20)
ローパスフィルタを用いて、上記受信されたアナログパルス信号をフィルタにかけるステップをさらに含む、項目17に記載の方法。
(項目21)
上記パラメータ化された理想的な曲線形状から曲線を特定するために、上記正規化されたデジタルパルス信号を使用するステップは、逆引きを含み、1つ以上のルックアップテーブルは、一組の正規化された信号点振幅に対する開始時間推定を保持する、項目17に記載の方法。
(項目22)
上記検出器は、光電子倍増管と、アバランシェフォトダイオードと、シリコン光電子倍増管とのうちの1つに連結されるシンチレータ結晶を備える、項目17に記載の方法。
(項目23)
フロントエンド電子機器を提供するステップをさらに含み、該フロントエンド電子機器は、上記受信されたアナログパルスをデジタル化するためのアナログ−デジタル変換器と、上記デジタルパルス信号を処理するフィールドプログラマブルゲートアレイとを備える、項目17に記載の方法。
(項目24)
上記受信されたアナログパルス信号の上記推定開始時間の分解能は、該受信されたアナログ信号をデジタル化するために使用されるサンプル時間より小さい、項目23に記載の方法。
(項目25)
ポジトロン放出断層撮影法スキャナであって、
環状アレイに配列された複数の検出器であって、各検出器は、少なくとも1つのシンチレータと、少なくとも1つの光電子倍増管とを備える、検出器と、
該検出器光電子倍増管からアナログ信号を受信するように動作可能であるアナログ−デジタル変換器を備えるフロントエンド電子システムであって、該フロントエンド電子システムは、該受信されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と、該デジタル信号を受信し、該アナログ信号の該開始時間を計算するフィールドプログラマブルゲートアレイとを含む、フロントエンド電子システムと
を備え、該フィールドプログラマブルゲートアレイは、i)該デジタルパルス信号の計算された面積に基づき、各デジタルパルス信号の振幅を正規化することと、ii)該アナログパルス信号を表すように、パラメータ化された理想的な曲線形状から曲線を特定するために、該正規化されたデジタルパルス信号の少なくとも1点を使用することと、iii)各アナログパルス信号に対する該アナログパルス信号の該開始時間を推定するために、該特定された曲線を使用することとによって、該アナログ信号の該開始時間を計算する、スキャナ。
(項目26)
上記少なくとも1つの光電子倍増管のそれぞれは、光電子倍増管、シリコン光電子倍増管、およびアバランシェフォトダイオードのうちの1つを備える、項目25に記載のポジトロン放出断層撮影法スキャナ。
(項目27)
デジタル化される前に上記アナログ信号をフィルタにかけるフィルタをさらに備える、項目25に記載のポジトロン断層法スキャナ。
本発明に従うPETシステムの特定の実施形態の説明は、ここで、同様の番号が同様の部分を示す図を参照して説明される。図1を参照すると、高分解能スキャナ92が、シンチレータ93とPMT94とを含む検出器と共に開示される。センサデータは、ローパスフィルタ96を用いてフィルタにかけられ、アナログ・デジタル変換器97を用いてデジタル化され、デジタル化されたデータは、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)98を用いて初期処理される。
h(t)=δ(t−D)−CF・δ(t)
式中、δ(t)は、着信信号である。方程式は、アナログパルスを2つのコピーに分岐し、Dにより1つのコピーを遅延することにより計算される。もう一方のコピーは、反転され、定フラクションにより減弱される(典型的には、約0.2)。最後に、2つの変更されたコピーは、検出およびタイムスタンプされ得るゼロ交差を備えるパルスを生成するように足される。ゼロ交差は、同一形状を有するパルスのパルス振幅の定フラクションで生じる。CFDおよびリーディングエッジの両方は、典型的には、専用ASICで行われ、トリガーをタイムスタンプに変換する回路を必要とする。CFDは、サブナノ秒タイミング分解能を達成可能である。
方法は、パルスの開始を計算し、これによってサブサンプル採取分解能を達成するようにパルスの既知の特徴を使用するために、本明細書に開示される。例えば、LSOシンチレータ結晶において、立ち上がり時間は、PMTの反応により抑制されるが、減衰時間は、シンチレーション結晶の機能である。これらの仮説に基づき、パルスの開始時間は、理想的なパルスをサンプル採取されたパルスにあてはめ、パルスの開始点を補間するように理想的なパルスを使用することにより決定され得る。
Claims (18)
- ポジトロン放出断層撮影法で検出されるパルスの開始時間を推定する方法であって、
約511KeVのエネルギーを有する光子を検出し、それに応答してアナログパルス信号を生成するための検出器を提供することと、
該検出器によって生成されたアナログパルス信号を表すようにモデル曲線を選択することであって、該モデル曲線は、該モデル曲線を特定するために選択可能な少なくとも1つの調節可能なパラメータを有する、ことと、
該検出器によって生成されたアナログパルス信号を受信することと、
振幅を有するデジタルパルス信号を生じるように、該受信されたアナログパルス信号をデジタル化することと、
該デジタルパルス信号の計算された面積に基づき、該デジタルパルス信号の振幅を正規化することと、
該少なくとも1つの調節可能なパラメータを特定し、これにより、該受信されたアナログパルス信号を表すように該モデル曲線を特定するために、該正規化されたデジタルパルス信号の少なくとも1点を使用することと、
該受信されたアナログパルス信号の開始時間を推定するために該特定された曲線を使用することと、
該受信されたアナログパルス信号の該推定された開始時間を表す、タイムスタンプを記録することと
を含む、方法。 - 前記モデル曲線は、所定の立ち上がり時定数を有する第1の指数関数部分と、所定の減衰時定数を有する第2の指数関数部分とを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記受信されたアナログパルス信号は、シリコン光電子倍増管によって生成される、請求項1に記載の方法。
- 曲線を特定するために、前記正規化されたデジタルパルス信号の少なくとも1点を使用するステップは、前記モデル曲線を特定するために、該正規化されたデジタルパルス信号の最も早い点のみを使用することを含む、請求項1に記載の方法。
- ローパスフィルタを用いて、前記受信されたアナログパルス信号をフィルタにかけるステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記検出器は、光電子倍増管と、アバランシェフォトダイオードと、シリコン光電子倍増管とのうちの1つに連結されるシンチレータ結晶を含む、請求項1に記載の方法。
- フロントエンド電子機器を提供するステップをさらに含み、該フロントエンド電子機器は、前記受信されたアナログパルスをデジタル化するためのアナログ−デジタル変換器と、前記デジタルパルス信号を処理するフィールドプログラマブルゲートアレイとを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記受信されたアナログパルス信号の前記推定された開始時間の分解能は、該受信されたアナログ信号をデジタル化するために使用されるサンプル時間より小さい、請求項7に記載の方法。
- ポジトロン放出断層撮影法で一致ペアを識別する方法であって、
複数の検出器のうちのいくつかが相互の視野内に配置されるように、環状に配列された複数の検出器を用いて、複数の光子を検出し、各検出された光子に応答して、アナログパルス信号を生成することと、
該検出器によって生成されたアナログパルス信号を表すように、モデル曲線を選択することであって、該モデル曲線は、該モデル曲線を特定するために選択可能な少なくとも1つの調節可能なパラメータを有する、ことと、
振幅を有するデジタルパルス信号を生じるように、該アナログパルス信号をデジタル化することと、
該デジタルパルス信号の計算された面積に基づき、各デジタルパルス信号の振幅を正規化することと、
該少なくとも1つの調節可能なパラメータを特定し、これにより、該アナログパルス信号を表すように該モデル曲線を特定するために、該正規化されたデジタルパルス信号の少なくとも1点を使用することと、
各アナログパルス信号に対する該アナログパルス信号の開始時間を推定するために、該特定された曲線を使用することと、
該アナログパルス信号の該推定された開始時間を示すタイムスタンプを記録することと、
一致ペアを識別するように、相互の視野内に配置された検出器からアナログパルス信号のタイムスタンプを比較することと
を含む、方法。 - 前記モデル曲線は、所定の立ち上がり時定数を有する第1の指数関数部分と、所定の減衰時定数を有する第2の指数関数部分とを含む、請求項9に記載の方法。
- 曲線を特定するために、前記正規化されたデジタルパルス信号の少なくとも1点を使用するステップは、前記モデル曲線を特定するために、該正規化されたデジタルパルス信号の最も早い点のみを使用することを含む、請求項9に記載の方法。
- ローパスフィルタを用いて、前記受信されたアナログパルス信号をフィルタにかけるステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記検出器は、光電子倍増管と、アバランシェフォトダイオードと、シリコン光電子倍増管とのうちの1つに連結されるシンチレータ結晶を備える、請求項9に記載の方法。
- フロントエンド電子機器を提供するステップをさらに含み、該フロントエンド電子機器は、前記受信されたアナログパルスをデジタル化するためのアナログ−デジタル変換器と、前記デジタルパルス信号を処理するフィールドプログラマブルゲートアレイとを備える、請求項9に記載の方法。
- 前記受信されたアナログパルス信号の前記推定された開始時間の分解能は、該受信されたアナログ信号をデジタル化するために使用されるサンプル時間より小さい、請求項14に記載の方法。
- ポジトロン放出断層撮影法スキャナであって、
環状アレイに配列された複数の検出器であって、各検出器は、少なくとも1つのシンチレータと、少なくとも1つの光電子倍増管とを備える、検出器と、
該検出器の光電子倍増管からアナログ信号を受信するように動作可能であるアナログ−デジタル変換器を備えるフロントエンド電子システムであって、該フロントエンド電子システムは、該受信されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と、該デジタル信号を受信し、該アナログ信号の開始時間を計算するフィールドプログラマブルゲートアレイとを含む、フロントエンド電子システムと
を備え、該フィールドプログラマブルゲートアレイは、i)デジタルパルス信号の計算された面積に基づき、各デジタルパルス信号の振幅を正規化することと、ii)調節可能なパラメータを有するモデル曲線の該調節可能なパラメータを特定し、これにより、アナログパルス信号を表すように該モデル曲線を特定するために、該正規化されたデジタルパルス信号の少なくとも1点を使用することと、iii)各アナログパルス信号に対する該アナログパルス信号の開始時間を推定するために、該特定された曲線を使用することとによって、該アナログ信号の該開始時間を計算する、ポジトロン放出断層撮影法スキャナ。 - 前記少なくとも1つの光電子倍増管のそれぞれは、光電子倍増管、シリコン光電子倍増管、およびアバランシェフォトダイオードのうちの1つを備える、請求項16に記載のポジトロン放出断層撮影法スキャナ。
- デジタル化される前に前記アナログ信号をフィルタにかけるフィルタをさらに備える、請求項16に記載のポジトロン放出断層撮影法スキャナ。
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