专利名称：用作可缩放pet和spect系统构建块的自主探测器模块的制作方法
用作可缩放PET和SPECT系统构建块的自主探测器模块本创新具体应用于核成像系统，尤其涉及正电子发射断层摄影(PET)成像和/或单光子发射计算机断层摄影(SPECT)成像，但也可以应用于其他核成像系统等。然而，应当认识到，所描述的技术还可以应用于其他成像系统、其他成像方案、其他图像分析技术等。用于PET和SPECT系统的辐射探测器或者基于闪烁体/光探测器组合，或者使用直接转换材料。在这两种情况下，都必须执行对所记录能量沉积的基本处理，以便导出闪烁事件的能量和时间戳(timestamp)。例如，许多伽马射线会经受康普顿(Compton)散射并在多个探测元件上分布其能量。由读出电子线路收集独立的能量沉积以形成所得的事件， 并且在PET中，将时间戳关联到这种所谓的“单次”事件(例如，能量分群和加时间戳)。在能量分群和能量选通之后，可以将事件分配到探测元件，作为交互的最可能的第一元件。对于SPECT探测器而言，可以将这种事件直接用于重建，而对于PET，在将事件对用于重建之前找到两个事件之间的符合(coincidence)。在经典PET和SPECT扫描器中，以集中的方式进行数据处理。由执行能量区分、事件分群、能量选通、像素识别和加时间戳的电子线路箱(例如，容纳处理电子线路的柜子) 处理闪烁体/光探测器组合的输出。使用固态光探测器或直接转换器的探测器采用了更多的读出电子线路，通过利用专用的前端电子线路(例如ASIC，诸如前置放大器和模拟到数字转换器)而集中在探测器附近。然而，经典解决方案未向一个探测器模块中集成足够的电子线路，以便能够将其作为完整系统的自主、可缩放构建块加以操作。通常，这导致了针对被研究的PET或SPECT 系统的确切几何结构调整的读出电子线路。因此，在不改变读出电子线路的大的部分的情况下，即使是对几何结构的微小改变也可能难以实施。此外，之后对独立事件的分群导致必须由读出电子线路处理高数据率，因为仅能在处理链路的下游远处应用能量选通。本申请提供了新的经改进的系统和方法，用于在核探测器模块中包括处理电子线路，以提供可缩放的核探测器架构，其克服了上述问题和其他问题。根据一个方面，一种核扫描探测器系统，包括核扫描器，所述核扫描器包括多个核探测器和多个可移除地耦合到每个探测器的自主探测器模块(ADM)。每个ADM包括闪烁晶体阵列，其包括一个或多个闪烁晶体；一个或多个光探测器，其用于探测闪烁晶体阵列中的闪烁事件；以及处理模块，其对每个探测到的闪烁事件加时间戳，执行能量选通协议以区分经受过康普顿散射的伽马射线，并输出带时间戳的、经能量选通的闪烁事件信息。根据另一方面，一种减少核成像系统中下游数据处理需求的方法，包括在一个或多个自主探测器模块(ADM)中探测闪烁事件，对每个ADM在模块水平上对闪烁事件加时间戳，并在模块水平上对闪烁事件执行能量选通技术；输出带时间戳的、经能量选通的闪烁事件信息。该方法还包括处理事件信息并将其重建成3D图像体积。根据另一方面，一种自主探测器模块(ADM)，包括闪烁晶体阵列；至少一个光探测器，其探测全部或一部分闪烁晶体阵列中的闪烁事件；以及处理模块，其对探测到的闪烁事件加时间戳，对探测到的闪烁事件执行能量选通技术，并输出带时间戳的、经能量选通的闪烁事件信息。所述至少一个光探测器在第一侧耦合到所有或一部分闪烁晶体阵列，并在第二侧耦合到连接器。所述连接器可移除地将所述至少一个光探测器耦合到印刷电路板 (PCB)，所述印刷电路板耦合到所述处理模块。一个优点在于减少了下游的数据处理开销。另一优点在于，使用可替换和可互换探测器模块的探测器架构的缩放能力。在阅读并理解了下文详细说明的情况下，本领域技术人员将认识到本创新的进一步优点。本创新可以具体化为各种部件和部件布置，以及各种步骤和步骤安排。附图仅用于图示说明各个方面，而不应认为其对本发明构成限制。
图1图示了一种核成像系统，其包括具有多个探测器的核扫描器(例如，PET或 SPECT扫描器)，每个探测器都包括自主探测器模块(ADM)的阵列，其结合了产生或探测经能量选通的单次闪烁事件所需的所有处理电子线路。图2是根据本文所述的一个或多个方面的ADM及其各部件的图示。图3图示了曲线图，其示出了探测到的单次事件对模块尺寸的依赖性。图4图示了根据本文所述的一个或多个方面利用ADM促成的可能PET系统架构。图5图示了根据本文所述的一个或多个方面，在探测器模块水平执行闪烁事件加时间戳和能量选通，而非在下游处理探测到的闪烁事件的方法，以便减少下游的数据处理需求。图1图示了一种核成像系统10，其包括具有多个机械探测器夹具(例如，探测器头)13的核扫描器12 (例如，PET或SPECT扫描器)，每个探测器都包括自主探测器模块 (ADM) 14的阵列，其结合了产生或探测经能量选通的单次闪烁事件所需的所有处理电子线路。ADM便于提供完全可缩放的核扫描器架构，该架构简化了系统设计并便于容易地实施不同的核扫描器几何结构。此外，ADM便于降低下游处理电子线路中的数据率，使其尤其适用于高计数率应用。在扫描器12的检查区域周围定位多个探测器夹具13，以对置于受检者支撑物18 上的受检者或患者16成像。每个ADM 14包括多个输入/输出(I/O)管脚或连接器，包括用于向ADM提供电能的电源连接20、辅助时间戳产生的时钟连接22、经由其配置ADM的配置连接M以及经由其输出闪烁事件数据的输出连接26。在一个实施例中，将I/O连接器捆扎到单个连接器或总线中。于是，ADM在探测器外壳之内包括用于产生或探测单次闪烁事件的一整套处理电子线路。这便于提供由电源馈电的自主模块，包括系统时钟和配置端口， 且其输出经能量选通的单次闪烁事件。通过这种方式，ADM为PET和SPECT探测器13提供了可缩放的构建块。在SPECT成像中，由在探测器上每个坐标处接收的辐射数据定义投影图像表示。 在SPECT成像中，准直器界定沿其接收辐射的射线。在PET成像中，监测探测器输出以发现两个探测器上的符合(coincidence)辐射事件。根据探测器的位置和取向以及探测器面上接收符合辐射的位置，计算符合事件探测点之间的射线或响应线(LOR)。这条射线界定了发生辐射事件的线。在PET和SPEC两者T中，将来自多种角取向的探测器的辐射数据存储到数据存储器30，由重建处理器32将辐射数据重建为感兴趣区域的体积图像表示，所述体积图像表示存储于体积图像存储器中。在PET中，对ADM 14探测到的闪烁事件(例如，伽马射线与一个或多个闪烁晶体的交互作用)加时间戳并进行能量选通(例如，以与在被检查受检者体内经受过康普顿散射的伽马射线区分，等等)，并输出到符合探测部件观，符合探测部件观分析带时间戳的闪烁事件信息以识别在核扫描期间与受检者16体内的公共湮灭事件对应的闪烁事件对。数据存储器30存储原始闪烁事件信息、时间戳信息和/或其他采集的核扫描数据以及符合探测信息等。重建处理器32将核扫描数据重建成一幅或多幅核图像，所述图像被存储到图像存储器34中并在用户界面36上呈现。用户界面包括一个或多个处理器38(例如，数据处理器、视频处理器、图形处理器等)和存储器40，存储器40便于在显示器42上向用户输出核图像数据以及接收和/或处理用户输入。每个ADM 14包括闪烁器和光探测器的阵列(图1中未示出)，连同适当的电路，以执行信息处理的一部分。具体而言，在每个ADM中针对探测到的闪烁事件执行能量窗选通和加时间戳功能。这具有淘汰掉在被检查对象内经受过一次或多次康普顿散射的伽马射线事件的优点。由于这种淘汰是在模块水平上进行的，所以大大减少了沿总线发送以进一步处理的带时间戳事件的数目。这一特征显著减轻了下游部件上的处理负荷。具体而言，可以精简下游部件以包括符合探测和重建，而无需下游加时间戳和/或选通处理。在一个实施例中，ADM处理线路包括针对闪烁体阵列内的康普顿散射的校正电路。 由于闪烁体材料对伽马辐射具有有限的阻止能力，所以伽马射线有时在多个闪烁体晶体中沉积其能量。如果模块过小，康普顿散射的辐射的很大部分可能部分沉积在两个或更多不同模块中，并可能由于在模块水平上进行能量选通而丢失。因此，模块的尺寸在模块尺寸和模块能够损耗得起的事件比例之间构成一种折衷。尺寸取决于其中采用的闪烁体的密度或辐射阻止能力。在具有镥钇原硅酸盐(LYSO)或镥原硅酸盐(LSO)的7X7cm2的模块或其变体(例如，掺铈的变体等)中可以恢复大约97%的康普顿散射的辐射。可以在更大的模块，诸如在IOXlOcm2的模块中采用较低密度的闪烁体，诸如溴化镧(LaBr)。更高密度的闪烁体，例如锗酸铋(BGO)闪烁体可以采用更小的元件阵列，例如4Xkm2的模块。通常，模块越小，每个模块需要的处理能力越小，但可能丢失的数据越多。在一个实施例中，ADM 14可以被划分成更小的有效模块，例如2X2或4X4模块。 闪烁体/探测器组合可以包括Anger-逻辑配置，包括闪烁体和探测器之间的光导或一对一耦合。在另一实施例中，每个ADM包括闪烁体和二极管布置以及板上处理电路，以测量交互作用的深度。在又一实施例中，模块上电路包括闪速存储器，其可以存储数据校正表、缓存数据等。在又一实施例中，探测器元件和处理电子线路共享同一 PCB的两侧。使用标准化的ADM使得能够利用预先校准的ADM替换探测器模块，这减轻了重新校准扫描器的需求。例如，如果判定ADM是不合格的(例如，基于来自ADM的信号不良或缺失等)，那么发送故障信号以提示技术人员等ADM有故障，然后技术人员利用新的预先校准的ADM替换。此外，使用标准化的ADM便于扫描器的设计。这样也便于开发具有不同尺寸的闪烁体和探测器的模块，用于实现不同的灵敏度和空间分辨率。标准化的模块方法使得能够在同一扫描器中使用不同尺寸的模块。类似地，可以更换出扫描器内的模块以改变其分辨率，而无需重新校准。图2是根据本文所述的一个或多个方面的ADM 14及其各部件的图示。ADM包括印刷电路板(PCB) 62上的处理模块60 (例如，一个或多个处理器和关联的存储器)。处理模块60上存储有一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)等，用于对探测到的闪烁事件加时间戳和选通。此外或备选地，处理模块具有一个或多个专用集成电路(ASIC)，用于对探测到的闪烁事件加时间戳和选通。此外或备选地，时间戳电路被集成到光探测器中，输出针对时间戳的数字值和命中处理电路的伽马射线能量。多个固态光探测器64，例如硅光电倍增器(SiPM)、雪崩光电二极管(APD)等的阵列或瓦块(tile)，耦合到闪烁晶体阵列66的相应部分。在图2中，每个光探测器耦合到 8X8区段的晶体，并且四个图示的瓦块组合形成16X16晶体阵列66。每个光探测器64 还耦合到连接器68，连接器68将光探测器64连接到PCB 62，从而连接到包含一个或多个 ASIC和/或FPGA的处理模块60。备选地，探测器元件和处理电子线路共享同一 PCB的两侧。尽可能接近边缘地利用SiPM和APD填充面对每个瓦块的面的闪烁体。通过这种方式， 可以密集地堆积瓦块，同时在瓦块上维持一致的像素尺寸和周期性。尽管以矩形网格示出， 但瓦块可以是偏移的，例如偏移的排或列。由于是在模块水平上进行的能量分群(例如，从单个伽马光子探测和聚集多个闪烁事件)，所以也在模块水平上进行能量选通。根据患者或受检者的大小，这便于将下游电子线路要处理的数据率减小5到10倍。模块的数据输出提供完整信息以表征事件，包括交互晶体身份(例如，探测到闪烁事件的一个或多个晶体的身份或坐标)、能量和时间戳信息。因此，可以将所有个体ADM的输出插入到单个符合探测电路(例如用于PET)中，或直接用于重建(例如，用于SPECT)。在一个实施例中，可以在ADM 14中逐一更换个体光探测器64(以及它们关联的模块的晶体阵列66的区段)。例如，连接器68既能够通过PCB62向处理模块60提供电连接， 又能够为PCB提供机械连接，以便能够在探测器64故障时可以移除光探测器64进行更换。 此外，或备选地，每个ADM 14可移除地耦合到其探测器13(图1)上，使得可以移除并更换特定的ADM，以确保探测器上的ADM阵列中的所有ADM都可以工作。在另一实施例中，在给定的探测器上采用不同尺寸的ADM，以便于生成改变了几何结构和/或灵敏度的探测器表面。在另一实施例中，将来自独立模块的读出数据提供给符合探测电子线路(未示出)。在模块足够小(例如，8X8晶体阵列或一些其他较小阵列尺寸)，使得可以在两个或更多相邻模块探测到康普顿事件时，相邻ADM的处理模块能够采用最近邻类型的通信协议来决定哪个处理模块处理康普顿型的数据。在又一实施例中，每个处理模块60包括闪速存储器(未示出)，闪速存储器上存储有一个或多个校正表，用于处理闪烁事件数据。校正表便于解释康普顿散射等。图3图示了曲线图80，其示出了探测到的单次事件对阵列尺寸的依赖性。该曲线图示出了根据间距为4. Imm的4X4mm2像素的LYSO闪烁体晶体阵列的像素读出面积绘制的每像素探测到的闪烁事件百分比。对于更小的模块，进入相邻模块的康普顿散射导致单次事件探测灵敏度的损失。对于16X16晶体的模块阵列尺寸，由于进入相邻模块的康普顿散射，所有单次事件中少到仅3%会损失，构成大约7X7cm2的适当模块大小。由于能量选通是在ADM中执行的，所以希望确保进入相邻模块的康普顿散射不会导致系统灵敏度的损失。系统模拟曲线图80示出，对于16X16晶体的模块大小(例如，每个4X4mm2)而言，由于进入相邻模块中的康普顿散射，仅损失所有单次事件中的大约3%。 这幅图示出，7X7cm2的模块大小构成适当的模块大小。
通常，模块大小是闪烁材料密度的函数。例如，当使用LYSO或LSO闪烁材料时，可以采用16X16晶体阵列。在使用LaBr闪烁材料时，可以采用MXM晶体阵列。在另一范例中，当使用BGO闪烁材料时，采用8X8晶体阵列。应当认识到，晶体阵列尺寸的以上范例本质上是例示性的，意在例示随着闪烁密度增加，所选的模块大小可能减小。图4图示了根据本文所述的一个或多个方面利用ADM 14促成的可能PET系统架构100。符合探测电路观从多个探测器模块14接收经能量选通的单次事件数据。由于能量选通是在模块水平上进行的，所以与经典架构相比，将输入到符合探测电路中的数据率降低了 5到10倍(取决于患者大小)。一旦进行了符合探测，就向重建处理器32提供成对的经能量选通的闪烁事件数据，重建处理器重建解剖学图像以向用户显示。图5图示了根据本文所述的一个或多个方面，在探测器模块水平上执行闪烁事件加时间戳和能量选通而非在下游处理探测到的闪烁事件的方法，以便减少下游的数据处理需求。在90，在ADM 14中探测闪烁事件。在92，在模块水平上，例如通过ADM中处理器模块中包括的加时间戳电路对闪烁事件信息加时间戳。在94，在模块水平上对闪烁事件(例如，通过在其中探测到闪烁事件的ADM)进行能量选通。在96，输出加了时间戳、经能量选通的闪烁事件信息用于进行处理和/或重建。通过在ADM处对闪烁事件信息加时间戳和进行能量选通，从下游处理流程中消除了这些处理动作，由此提高了重建速度。在98，将带时间戳并经能量选通的闪烁事件信息重建成3D图像体积。在一个实施例中，该方法还包括对输出的闪烁事件信息执行符合探测算法，以在重建3D图像体积之前识别对应的闪烁事件对。在另一实施例中，该方法包括判定ADM发生故障(例如，通过探测没有来自那里的信号，或通过任何其他适当方式)，并发送故障信号，提示技术人员一个或多个ADM发生故障。然后，技术人员能够利用新的预先校准的ADM更换故障的ADM。可以将所述系统和方法应用于PET和SPECT探测器。完整的可缩放架构实现了简化的系统设计并促进了扫描器的几何设计自由度。这又导致下游电子线路必须处理的数据率显著降低。尤其对于高计数率应用而言，所述系统和方法减轻了对高带宽处理电子线路的需求。此外，可以在计算机可读介质上将所述的方法作为由一个或多个处理器执行的计算机可执行指令。已经参考若干实施例描述了本创新。在阅读并理解了前述详细说明的同时，本领域技术人员可以想到修改和变化。这意味着，应当将本创新推断为包括所有此类落在权利要求及其等同要件的范围内的修改和变化。
权利要求
1.一种核扫描探测器系统(10)，包括核扫描器(12)，其包括多个核探测器夹具(13)；一个或多个自主探测器模块(ADM) (14)，其能移除地耦合到每个探测器夹具(13)，每个ADM (14)包括闪烁晶体阵列(66)，其包括一个或多个闪烁晶体；一个或多个光探测器(64)，其用于探测所述闪烁晶体阵列(66)的相应区段中的闪烁事件；以及处理模块(60)，其对每个探测到的闪烁事件加时间戳，执行能量选通协议以识别康普顿散射事件，并输出带时间戳的、经能量选通的闪烁事件信息。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括符合探测部件( )，其从多个ADM(14)接收所述带时间戳的、经能量选通的闪烁事件信息并识别与受检者体内单次湮灭事件对应的探测到的闪烁事件对。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括重建处理器(32)，其根据所识别的闪烁事件对重建受检者的图像体积； 图像存储器(34)，其存储经重建的图像体积；以及显示器(42)，在所述显示器上向观察者显示所述图像体积。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，每个ADM(14)包括 电源连接器(20)，所述ADM(14)经由所述电源连接器接收电能；时钟连接器(22)，所述ADM(14)经由所述时钟连接器从主时钟接收定时信息，以对探测到的闪烁事件加时间戳；配置连接器(对)，在设置期间经由所述配置连接器配置所述ADM(14)；以及输出连接( )，所述ADM(14)经由所述输出连接发送所述带时间戳的、经能量选通的闪烁事件信息；其中，机架上的所述连接(20、22、M、26)和对应的连接器具有插头-插座关系。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述闪烁晶体阵列(66)的尺寸在大约3X3cm2 到大约16 X 16cm2的范围内。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述闪烁晶体由以下材料中的一种形成 锗酸铋(BGO)，其中所述闪烁晶体阵列(66)的尺寸在大约3 X 3cm2到大约6 X 6cm2的范围内；或者镥钇原硅酸盐(LYSO)或镥原硅酸盐(LSO)中的至少一种，其中所述闪烁晶体阵列(66) 的尺寸在大约3X3cm2到大约8XScm2的范围内；或者溴化镧(LaBr)，其中所述闪烁晶体阵列(66)的尺寸在大约6X6cm2到大约12X 12cm2 的范围内。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光探测器(64)均包括布置在瓦块上的多个光敏元件，每个瓦块都具有与多个探测器像素对应的光敏元件，其中所述光敏元件以最小的边缘区域基本覆盖所述瓦块，使得所述瓦块可以彼此相抵地安装并维持一致的探测器像素周期性。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述瓦块是矩形的，并且每个模块都包括为紧密堆叠关系的至少四个瓦块。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理模块(60)包括闪速存储器，所述闪速存储器存储包括校正信息的查找表，所述处理模块使用所述校正信息补偿康普顿类型的散射。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理模块(60)包括现场可编程门阵列 (FPGA)和专用集成电路(ASIC)中的至少一种，用于对探测到的闪烁事件加时间戳并进行言糧选通。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理模块(60)包括至少一个现场可编程门阵列(FPGA)，其从集成到所述光探测器(64)中的加时间戳单元接收时间戳信息。
12.—种减少核成像系统中的下游数据处理需求的方法，包括 在一个或多个自主探测器模块(ADM) (14)中探测闪烁事件； 对每个ADM(14)在模块水平上为所述闪烁事件加时间戳； 在所述模块水平上对所述闪烁事件执行能量选通技术；输出带时间戳的、经能量选通的闪烁事件信息；以及处理所述事件信息并将其重建成3D图像体积。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括对输出的闪烁事件信息执行符合探测算法以识别对应的闪烁事件对。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括 判定一个或多个ADM(14)有故障；发送故障信号，其提示技术人员有一个或多个出故障的ADM(14)；以及利用新的预先校准的ADM更换所述一个或多个出故障的ADM(14)。
15.一种计算机可读介质(34)，在所述计算机可读介质上存储有用于执行根据权利要求12所述的方法的计算机可执行指令。
16.一种自主探测器模块(ADM) (14)，包括 闪烁晶体阵列(66)；至少一个光探测器(64)，其探测所述闪烁晶体阵列(66)的全部或一部分中的闪烁事件；以及处理模块(60)，其对探测到的闪烁事件加时间戳或者从与所述光探测器集成的电路接收时间戳和能量信息，对所述探测到的闪烁事件执行能量选通技术并输出带时间戳的、经能量选通的闪烁事件信息。
17.根据权利要求16所述的ADM(14)其中，所述至少一个光探测器(64)在第一侧耦合到所述闪烁晶体阵列(66)的全部或一部分，并在第二侧耦合到连接器(68)；并且其中，所述连接器(68)能移除地将所述至少一个光探测器(64)耦合到印刷电路板 (PCB) (62)，所述印刷电路板耦合到所述处理模块(60)。
18.根据权利要求16所述的ADM(14)其中，所述至少一个光探测器(64)在第一侧耦合到所述闪烁晶体阵列(66)的全部或一部分，并在第二侧耦合到印刷电路板(PCB) (62)，所述印刷电路板进一步耦合到所述处理模块(60)。
19.根据权利要求16所述的ADM(14)，还包括电源连接器(20)，所述ADM(14)经由所述电源连接器接收电能；时钟连接器(22)，所述ADM(14)经由所述时钟连接器从主时钟接收定时信息，以对探测到的闪烁事件加时间戳；配置连接器(M)，在至少一次设置期间或者在扫描期间经由所述配置连接器配置所述 ADM (14)；以及输出连接( )，所述ADM(14)经由所述输出连接发送所述带时间戳的、经能量选通的闪烁事件信息。
20.一种正电子发射断层摄影(PET)成像系统，包括多个根据权利要求16所述的 ADM (14)。
21.—种自主探测器模块(ADM)，包括以紧密堆叠阵列布置的多个瓦块，每个瓦块包括与多个探测器像素对应的多个光敏元件，其中所述光敏元件以最小的边缘区域基本覆盖所述瓦块，以及光耦合到所述光敏元件的至少一个闪烁体；其中，彼此相抵地安装所述瓦块，一个瓦块的所述光敏元件与相邻瓦块的所述光敏元件充分相邻，从而在所述多个瓦块间维持一致的探测器像素周期性。
全文摘要
当在核成像系统中探测闪烁事件时，将加时间戳和能量选通处理整合到自主探测模块(ADM)(14)中以减少下游处理。每个ADM(14)可移除地耦合到探测器夹具(13)，并包括闪烁晶体阵列(66)和关联的光探测器(64)，诸如硅光电倍增器等。光探测器(64)耦合到ADM(14)中或上的处理模块(62)，其执行能量选通和加时间戳处理。
文档编号G01T1/164GK102246057SQ200980149297
公开日2011年11月16日 申请日期2009年11月16日 优先权日2008年12月10日
发明者C·德根哈特, G·普雷舍尔, T·弗拉奇 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司