TWI505105B - 將正子攝影中三重事件數據再利用之系統、方法及程式 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種數據再利用之系統、方法及程式，特別是關於將正子攝影中三重事件數據再利用之系統、方法及程式。
正子斷層掃描(positron emission tomography,PET)，是一種功能性醫學影像檢查，也稱為正子攝影，PET的原理是建立在由正子與電子發生互毀，其所產生的互毀光子對之互毀符合偵測(Annihilation Coincident Detection,ACD)的基礎上。
如第一圖所示，其係互毀光子對之示意圖，高能互毀光子對，如加馬光子對，有很高的機率可以自一待測體內穿出，當此光子對在很短的時間間隔內被環繞該待測物之偵檢器環的同一對偵檢器(Detector Pair)偵測到，則稱此為一次符合事件(Coincident Event)。
其中，上述所謂的很短的時間間隔又稱為互毀時窗(Coincidence Timing Window)或時間窗(Time Window)。兩光子被偵測到的連線路徑稱為反應線(Line of Response,LOR)，在LOR上偵測到的所有符合事件皆會被偵檢器列入累加的計數中。最後，將不同角度的各個LOR全部堆疊起來，即可得到代表不同角度、不同位置的弦波圖(Sinogram)，再經由電腦運算重組，而得到一正子斷層影像。
在PET掃描中，在系統所定的時間窗內，若有三個光子以上的光子同時被偵測到，稱為多重事件，此訊號不會被紀錄，其中也包含三重事件(triple event)。因為無法判斷偵檢器所偵測到的點哪些
為互毀光子所發出，也無法判定哪個是互毀光子的LOR。
因此，傳統上三重事件的數據大多都被丟棄不用，以避免誤判，且當待測體的活度較大時，三重事件的機率也較高，因此被丟棄的數據也越多，這些被丟棄的數據在傳統的技術上並無法提供任何幫助，浪費了許多有用的資訊。
本發明提供一種將正子攝影中三重事件數據再利用之系統，透過本發明的系統可以判斷出真實的三重事件中，哪二個光子為互毀光子對，本發明將正子攝影中三重事件數據再利用之系統包含一輸入單元、一評估單元以及一輸出單元。
當一待測物透過正子攝影產生複數個數據，輸入單元接收該些數據，評估單元評估該些數據，且挑選出該些數據中符合三重事件規則的數據，再根據一演算法從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據，也就是符合真實的三重事件規則的數據，並將該些符合同符事件規則的數據回收且分析，以產生一分析結果，輸出單元輸出該分析結果。
正子攝影所產生的複數個數據包含單一光子、雙光子、多光子被偵測到的事件，本發明捨棄單一光子被偵測到的數據，採用雙光子被偵測到的數據，再另外根據一演算法從多光子被偵測到的數據中挑選出符合同符事件規則的數據，其中演算法是依據光子抵達時間機率Pt
、邊長機率PL
、弦波圖機率PS
(sinogram)、OBJ機率P0
、能量機率PE
所計算出的機率為主，並以機率最高的LOR作為三重事件中的真實事件，以進行數據回收使用。
本發明亦提供一種將正子攝影中三重事件數據再利用之方
法，該方法包含下述步驟：step. 1一待測物透過正子攝影產生複數個數據，該些數據包含符合三重事件規則的數據；step. 2從該些數據中挑選出該些符合三重事件規則的數據，再根據一演算法從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據；以及step. 3將該些符合同符事件規則的數據回收且分析，以產生一分析結果。
本發明另提供一種將正子攝影中三重事件數據再利用之程式，係可內儲於正子攝影之處理器，當正子攝影處理器載入該程式並執行時，可完成上述三重事件數據再利用之方法。更進一步，該儲有本發明程式之正子攝影處理器，可於檢測受試者時同步分析數據將三重事件的同符事件數據再利用，可有效縮短受試者檢測的時間。
本發明將三重事件中符合同符事件規則的數據回收且分析，可以增加系統的計數率，提升PET系統的靈敏度，進而降低掃描時放射藥劑活度的使用或是縮短掃描時間，能夠有效減少病人使用的劑量。
關於本發明之優點與精神，以及更詳細的實施方式可以藉由以下的實施方式以及所附圖式得到進一步的瞭解。
在PET掃描中，在系統所定的時間窗內，若有三個光子同時被偵測到，則稱為三重事件。其中，大部份是由一對互毀光子與另一顆光子所組成，稱為真實三重事件(true triple event)，如第二
a圖所示，其係真實的三重事件示意圖。少部分是三個光子分別由三個不同的互毀位置所發出，稱為隨機三重事件(random triple event)，如第二b圖所示，其係隨機的三重事件示意圖。而在真實的三重事件中，若能夠找到三個光子其中的互毀光子對，則此數據可以被回收。
本發明提供一種將正子攝影中三重事件數據再利用之系統，透過本發明的系統可以判斷出真實的三重事件中，哪二個光子為互毀光子對，如第三圖所示，其係本發明將正子攝影中三重事件數據再利用之系統示意圖，本發明將正子攝影中三重事件數據再利用之系統包含一輸入單元310、一評估單元320以及一輸出單元330。
當一待測物透過正子攝影產生複數個數據，輸入單元310接收該些數據，評估單元320評估該些數據，且挑選出該些數據中符合三重事件規則的數據，再根據一演算法從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據，也就是符合真實的三重事件規則的數據，並將該些符合同符事件規則的數據回收且分析，以產生一分析結果，輸出單元330輸出該分析結果。
一實施例中，本發明之正子攝影使用一非純正子射源(non-pure positron emitter)，如：22
Na、124
I、76
Br、86
Y。亦可使用純正子發射的射源(pure positron emitter)，如：11
C、13
N、15
O、18
F，本發明並不以此為限。
如第四圖所示，其係三重事件的示意圖，三重事件中，三光子在偵測環上被偵測到的三個點1,2,3形成一三角形，三角形的三邊為分別為三條反應線(Line of Response,LOR)A,B,C，三條LOR A,B,C的其中之一可能為真實事件的LOR，也就是本發明所欲解決的問題，而本發明係架構在以下數個理論基礎下：
(1)抵達時間機率(Pt
)，本發明定義為P t
=exp-(△t
/T
)，△t是
該LOR兩端的光子抵達的時間差，而T為系統的時間解析度。抵達時間機率主要是因為理論上，互毀光子是同時產生也是同時到達偵檢器，但實際上，因為系統的時間解析度不夠精確或是光子在移動時間上的差異，可能會使得偵檢器偵測到光子的時間有點不同，然而，第三個光子抵達的時間通常不會和互毀光子的一樣。因此時間差越小的LOR是真實事件的機率越大。
(2)邊長機率(PL
)，本發明定義為，在此a,b,c分別為LOR A,B,C的長度，x(a,b,c)。因為互毀光子是以相反方向且呈一直線行進，因此三角形的邊長越大的LOR較有可能是真實事件。
(3)弦波圖機率(PS
)，本發明定義為，在此S(‧)為該LOR在弦波圖上的值，x(A,B,C)。弦波圖上的值代表LOR通過途徑的總活度，因此值越大表示該LOR為真實事件的機率越大。
(4)OBJ機率(P0
)，本發明定義若LOR通過待測體，P0
就定義為1；若LOR未通過待測體就定義P0
為0，因為真實事件的LOR必定會通過待測體。
(5)能量機率(PE
)，本發明定義P E
=min(1,exp[(E X
-511)/△E
])×min(1,exp(E Y
-511)/△E
])，在此EX
與EY
為LOR兩端的光子能量，△E為使用之能窗。互毀光子的能量為511 keV，經過散射後的光子能量會小於511 keV，因此能量越接近511 keV的光子越有可能是互毀光子。
一實施例中，本發明所提供的演算法係根據三重事件中，三光子抵達一偵檢器的時間、三反應線(Line of Response,LOR)長度以及三LOR通過該待測物的途徑總活度分別換算為三個第一機率數值(P1
)。
該演算法包含判斷三個第一機率數值(P1
)中，數值最大的第一機率數值(P1
)是否大於另外二事件第一機率數值(P1
)和的兩倍〔P1(A)
>2(P1(B)
+P1(C)
)〕，若是，該評估單元320將回收對應數值最大的第一機率數值(P1
)的數據，若否，該評估單元320捨棄使用該些數據，但本發明不以此為限。
其中，每一第一機率數值(P1
)係分別為光子抵達一偵檢器的時間機率(Pt
)、LOR長度機率(PL
)以及LOR通過該待測物的途徑總活度機率(PS
)的乘積值，也就是P1
=Pt
．PL
．Ps
，但本發明不以此為限。
另一實施例中，本發明所提供的演算法係根據三重事件中該些第一機率值(P1
)，並進一步包含光子是否通過待測物P0
與光子能量PE
，分別換算為三事件的第二機率數值(P2
)。
該演算法包含判斷三事件之第二機率數值(P2
)中，數值最大的第二機率數值(P2
)是否大於另外二事件第二機率數值(P2
)和的兩倍，若是，該評估單元320將回收對應數值最大的第二機率數值(P2
)的數據，若否，該評估單元320捨棄該些數據。
其中，該每一第二機率數值(P2
)係為該每一第一機率數值(P1
)、光子是否通過待測物機率(P0
)與光子能量機率(PE
)的乘積值，也就是P2
=Pt
．PL
．Ps
．P0
．PE
，但本發明不以此為限。
本發明將上述因素的乘積，也就是P1
=Pt
．PL
．Ps
或P2
=Pt
．PL
．Ps
．P0
．PE
定義為該LOR為真實事件的機率，且另外再加入一判斷式，篩選出機率較高的數據，以增加其準確性，當在計算三重事件中每個LOR的機率時，其中機率最大的LOR拿來測試是否比其他兩者機率和的
兩倍高，如果是，機率最大的LOR就被指定為真實事件，則此數據可被回收使用，但本發明並不以此為限。
一實施例中，該演算法係透過LOR與有效視野(Field Of View,FOV)的關係，進而從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據。例如，該演算法先判斷LOR是否落在FOV內，當只有一條LOR於FOV內，則判斷此LOR為互毀光子對所造成，而當二條LOR皆落在FOV內，則判斷距離較大的LOR為互毀光子對之LOR，但本發明不以此為限。
一實施例中，該演算法係透過LOR、FOV與光子能量的關係，進而從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據。例如，該演算法係先找出三重事件所偵測到的三個光子的各個LOR，判斷最短LOR對角的光子為互毀光子對中的其中之一，再評估該互毀光子與另外二光子的LOR是否落在FOV內，當只有一條LOR於FOV內，則判斷此LOR為互毀光子對所造成，而當二條LOR皆落在FOV內，則判斷二光子中能量較低的光子為另一互毀光子，因而判斷出互毀光子對，但本發明不以此為限。
一實施例中，該演算法係透過所偵測到的三個光子能量與一能量閥值的關係，進而從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據。例如，當偵測到之三個光子中，有一光子能量大於該能量閥值，且另外二光子能量小於該能量閥值時，則判斷能量小於該能量閥值之二光子為互毀光子對，但本發明不以此為限。
一實施例中，當偵測到之三個光子中，該三光子能量皆小於該能量閥值時，該演算法係透過判斷LOR與FOV的關係，進而從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據。
一實施例中，當偵測到之三個光子中，該三光子能量皆小於該
能量閥值時，該演算法係透過判斷LOR、FOV與該三光子能量的關係，進而從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據。
由上述實施例可知，本發明所提供的演算法根據LOV、FOV、光子能量等等特性，可以有多種從三重事件規則數據中挑選出符合同符事件規則數據的方法，當然，本發明並不以此為限。
本發明亦提供一種將正子攝影中三重事件數據再利用之方法，如第五圖所示，其係本發明將正子攝影中三重事件數據再利用之方法步驟圖，該方法包含下述步驟：step. 1一待測物透過正子攝影產生複數個數據，該些數據包含符合三重事件規則的數據；step. 2從該些數據中挑選出該些符合三重事件規則的數據，再根據一演算法從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據；以及step. 3將該些符合同符事件規則的數據回收且分析，以產生一分析結果。
請參考第六圖，其係本發明將正子攝影中三重事件數據再利用之方法組織圖，一待測物透過正子攝影產生複數個數據，該些數據包含單一光子、雙光子、三光子被偵測到的事件，本發明捨棄單一光子被偵測到的數據，採用雙光子被偵測到的數據，再另外根據一演算法從三光子被偵測到的數據中挑選出符合同符事件規則的數據，其中演算法是依據光子抵達時間機率(Pt
)、邊長機率(PL
)、弦波圖機率(PS
)、OBJ機率(P0
)、光子能量機率(PE
)所計算出的機率為主，並以機率最高的LOR作為三重事件中的真實事件，以進行數據回收使用。
本發明所提供的一種將正子攝影中三重事件數據再利用之方
法可應用於一正子攝影處理器之程式，當該處理器載入該程式並執行時，程式將自動再利用三重事件中符合同符事件數據，進而輸出一高靈敏度的分析結果。更進一步，該儲有本發明程式之正子攝影處理器，可於檢測受試者時同步分析數據將三重事件的同符事件數據再利用，可有效縮短受試者檢測的時間。
請參考表一以及表二，其分別係一般PET以及動物PET利用本發明所提供將正子攝影中三重事件數據再利用之方法測量假體三重事件回收情形的數據。
其中表一的實驗結果為一般PET利用本發明所提供將正子攝影中三重事件數據再利用之方法測量假體三重事件回收情形的數據。
表二的實驗結果為動物PET利用本發明所提供將正子攝影中三重事件數據再利用之方法測量假體三重事件回收情形的數據。
由表一及表二的數據可看出三重事件與真實事件的比例約為25%~30%左右(甚至有些到50%)，由此可以知道，三重事件中真實事件的比例比正常事件中的高。經過本發明所提供的一種將正子攝影中三重事件數據再利用之方法進行回收後，從表中顯示三種待測體的回收率(=回收後的真實事件/可回收的真實事件)皆可達到90%以上，而系統表現NECR都提高20%以上，在動物PET上更高達48%)，因此，本發明之系統與方法確實具有非常高的效率。(註：，代表系統的表現)
本發明將三重事件中符合同符事件規則的數據回收且分析，可以增加系統的計數率，提升PET系統的靈敏度，進而降低掃描時放射藥劑活度的使用或是縮短掃描時間，能夠有效減少病人的劑量。
本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例爾。對熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。
310‧‧‧輸入單元
320‧‧‧評估單元
330‧‧‧輸出單元
藉由以下詳細之描述結合所附圖示，將可輕易的了解上述內容及此項發明之諸多優點，其中：第一圖：互毀光子對之示意圖；第二a圖：真實的三重事件示意圖；第二b圖：隨機的三重事件示意圖；第三圖：本發明將正子攝影中三重事件數據再利用之系統示意圖；第四圖：三重事件的示意圖；第五圖：本發明將正子攝影中三重事件數據再利用之方法步驟圖；第六圖：本發明將正子攝影中三重事件數據再利用之方法組織圖；
Claims (16)
- 一種將正子攝影中三重事件數據再利用之系統，一待測物透過正子攝影產生複數個數據，包含：一輸入單元，用以接收該些數據；一評估單元，連接於該輸入單元，該評估單元係用以評估該輸入單元所接收到的該些數據，挑選出該些數據中符合三重事件(triple event)規則的數據，再根據一演算法從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件(Coincident Event)規則的數據，並將該些符合同符事件規則的數據回收且分析，以產生一分析結果，其中該演算法係根據三重事件中，三光子抵達一偵檢器的時間差、三反應線(Line of Response,LOR)長度以及三LOR通過該待測物的途徑總活度分別換算為三個第一機率數值，該每一第一機率數值係分別為光子抵達一偵檢器的時間機率、LOR長度機率以及LOR通過該待測物的途徑總活度機率的乘積值；以及一輸出單元，連接於該評估單元，該輸出單元係用以輸出該分析結果。
- 一種將正子攝影中三重事件數據再利用之方法，包含：一待測物透過正子攝影產生複數個數據，該些數據包含符合三重事件規則的數據；從該些數據中挑選出該些符合三重事件規則的數據，再根據一演算法從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據，其中該演算法係根據三重事件中，三光子抵達一偵檢器的時間 差、三反應線(Line of Response,LOR)長度以及三LOR通過該待測物的途徑總活度分別換算為三個第一機率數值，該每一第一機率數值係分別為光子抵達一偵檢器的時間機率、LOR長度機率以及LOR通過該待測物的途徑總活度機率的乘積值；以及將該些符合同符事件規則的數據回收且分析，以產生一分析結果。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該演算法包含判斷三個第一機率數值中，數值最大的第一機率數值是否大於另外二事件第一機率數值和的兩倍，若是，該評估單元將回收對應數值最大的第一機率數值的數據，若否，該評估單元捨棄該些數據。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該演算法係根據三重事件中，該些第一機率值、光子是否通過待測物與光子能量分別換算為三事件之第二機率數值。
- 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該演算法包含判斷三事件第二機率數值中，數值最大的第二機率數值是否大於另外二事件第二機率數值和的兩倍，若是，該評估單元將回收對應數值最大的第二機率數值的數據，若否，該評估單元捨棄該些數據。
- 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該每一第二機率數值係該每一第一機率數值、光子是否通過待測物機率與光子能量機率的乘積值。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該正子攝影使用一非純正子射源(non-pure positron emitter)或一純正子射源。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該非純正子射源包含22 Na、124 I、76 Br、86 Y。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該純正子射源包含11 C、13 N、15 O、18 F。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該演算法係透過LOR與有效視野(Field Of View,FOV)的關係，進而從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該演算法係透過LOR、FOV與光子能量的關係，進而從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該演算法係透過所偵測到的三個光子能量與一能量閥值的關係，進而從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據。
- 如申請專利範圍第12項所述之方法，當偵測到之三個光子中，有一光子能量大於該能量閥值，且另外二光子能量小於該能量閥值時，則判斷能量小於該能量閥值之二光子為互毀光子對。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，當偵測到之三個光子中，該三光子能量皆小於該能量閥值時，該演算法係透過判斷LOR與FOV的關係，進而從該些符合三重事件規則的數據中挑選出符合同符事件規則的數據。
- 一種內儲用於正子攝影處理器之程式，當該處理器載入該程式並執行時，可完成請求項第2項所述之方法。
- 如申請專利範圍第15項所述之程式，當該正子攝影進行測量時，儲有該程式之該處理器可同步執行三重事件數據再利用。
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| TW101127647A TWI505105B (zh) | 2012-07-31 | 2012-07-31 | 將正子攝影中三重事件數據再利用之系統、方法及程式 |
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| 國立清華大學碩士論文，微型正子斷層掃描中非純正子射源產生之三重同符事件的回收，陳思妤，2012/1/13 * |
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