来自列表模式数据的均值随机估计
背景技术：
1.根据传统的正电子发射断层摄影(pet)成像，通常通过桡动脉注射将放射性药物示踪剂引入患者体内。示踪剂的放射性衰变产生正电子，正电子最终遇到电子并从而被湮灭。湮灭产生在近似相反的方向上行进的两个光子。
2.围绕身体的检测器环检测发射的光子，识别“符合（coincidence）”，并基于识别的符合重建pet图像。当设置在身体相对侧的两个检测器在特定的符合时间窗口内检测到两个光子的到达时，符合被识别。因为两个“符合”光子以近似相反的方向传播，所以两个检测器的位置确定了响应线(lor)，湮灭事件可能沿着该响应线发生。
[0003]“真实”符合表示对从位于两个检测器之间的lor上的单个湮灭事件产生的两个符合光子的检测。“随机”符合表示不是由同一湮没事件产生的两个符合光子。“散射”符合是一种类型的真实符合，其中两个符合光子源自同一湮灭事件，但是湮灭事件不位于沿着两个检测器的lor，因为一个或两个光子在身体或介质内相互作用和散射。
[0004]
常规的pet扫描仪检测所有的符合，而不考虑符合是真实、随机还是散射符合。因为只有真实符合表示关于身体内示踪剂的分布的空间信息，所以在图像重建之前和/或期间应该解决随机和散射符合。基于软件和/或硬件的方法可用于估计随机符合。
[0005]
一种当前的方法包括延迟检测到的事件的一个输入通道。例如，如上所述，主硬件逻辑检测沿着所有lor的所有真实符合。附加的“延迟逻辑”接收与主逻辑相同的输入，但是将一个输入通道延迟例如几十纳秒(例如，5倍符合窗口)，然后执行符合检测。结果，延迟逻辑没有检测到任何实际的真实符合。
[0006]
由延迟逻辑检测到的符合(即延迟符合)目前用于估计pet扫描仪的每个晶体的单事件（singles）率。单事件率是在扫描过程期间晶体检测到有效(即能量合格)光子的速率。接下来，对于每个lor（即每个晶体对(i，j)），使用随机平滑模型构建均值随机:，其中和是晶体i和j的单事件率，并且是符合时间窗口。一些技术进一步基于延迟符合计数对构建的均值随机应用重缩放。在任一种情况下，在从检测到的真实符合重建pet图像期间，可以考虑得到的均值随机，如本领域中已知的。
[0007]
上述技术未能充分考虑单事件率随时间变化的情况。这些情况包括但不限于连续床运动(cbm)扫描和其中示踪剂分布快速变化的静止扫描。此外，逐平面执行的上述缩放是噪声敏感的。这种灵敏度对于cbm获取中的倾斜段尤其成问题，倾斜段由于其低计数数量而有噪声，并且在长轴向视场pet扫描仪中尤其普遍。
附图说明
[0008]
图1a和1b示出了根据一些实施例的符合的检测。
[0009]
图2示出了根据一些实施例的pet检测器。
[0010]
图3是根据一些实施例的符合检测系统的框图。
[0011]
图4是根据一些实施例从pet数据重建图像的系统的框图。
[0012]
图5包括根据一些实施例的用于估计均值随机的过程的流程图。
[0013]
图6示出了一些实施例的晶体的锥和（cone-sum）的确定。
[0014]
图7示出了根据一些实施例的基于不同获取时间段的均值随机的估计。
[0015]
图8是根据一些实施例的pet/ct成像系统的框图。
具体实施方式
[0016]
提供以下描述以使本领域的任何人能够制造和使用所描述的实施例。各种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的。
[0017]
发明人已经发现，与现有模型相比，随机平滑模型提供了对均值随机的改进估计。通过提供更好的均值随机估计，实施例可以提供基于其重建的改进的pet图像。在单事件率随时间变化很大的情况下，这种改善尤其显著。可以使用随机平滑模型，而不需要额外的启发式方法，启发式方法的应用可能导致数据校正错误，并且因此使图像质量降级。
[0018]
基于上述模型的均值随机估计需要确定作为时间函数的每对晶体i，j的单事件率。从处理的角度来看，这种确定可能是不切实际的，因为从正弦图中估计单事件是不切实际的，并且每个晶体的单事件的直接获取不可用。发明人已经通过基于表示随时间的延迟符合的锥和来估计随时间的单事件率解决了这个问题。
[0019]
有利的是，针对给定时间段确定的锥和的数量(代表在该时间段内检测到的延迟符合)等于pet扫描仪中的晶体的数量。相反，延迟符合正弦图使用等于晶体数量平方的lor的数量表示延迟符合。因此，所确定的锥和包括延迟符合的高度压缩的表示，这更容易计算和进行进一步处理。此外，可以从pet扫描列表模式数据中直接且高效地确定锥和。
[0020]
图1a和1b示出了根据一些实施例的符合的检测。图1a是检测器环100的孔105和设置在其中的成像对象110的轴向视图。成像对象110可以包括人体、幻象（phantom）或任何其他合适的对象。图1b是图1a的检测器环100和对象110的经轴视图。在所示示例中，检测器环100由检测器150的任意数量(在该示例中为八个)的相邻且同轴的环组成。每个检测器150可以包括任何数量的闪烁体晶体和电换能器。
[0021]
假设湮灭事件120、130、140和142发生在对象110内的各个位置。如上所述，注射的示踪剂产生正电子，正电子被电子湮灭以产生两个511 kev的伽马光子，它们以近似相反的方向行进。图1a和图1a中表示的每个湮灭事件导致检测到符合。如上所述，真实符合代表有效图像数据，而散射和随机符合代表噪声。
[0022]
当一对检测器在符合时间窗口内接收到两个伽马光子时，检测到符合，如基于两个伽马光子在其相应的检测器的计算的到达时间来确定的。事件120与真实符合相关联，因为事件120导致在符合时间窗口内接收到的两个伽马光子，并且因为湮灭事件120的位置位于连接接收到两个伽马光子的检测器位置的lor 125上。
[0023]
事件130与散射符合相关联，因为即使由事件130产生的两个伽马光子在符合时间窗口内被检测到，湮灭事件130的位置也不位于连接两个光子位置的lor 135上。这可能是由于康普顿(即，非弹性)或相干(即，弹性)散射导致对象110内的两个伽马光子中的至少一个的方向改变。
[0024]
事件140和142是两个单独的湮灭事件，它们导致随机符合的检测。如图1b所示，由
事件140产生的光子之一在对象110中被吸收，并且由事件142产生的光子之一逃逸了检测器环100的任何检测器150的检测。剩余的光子碰巧在符合时间窗口内被检测到，即使在连接接收到符合光子的位置的lor 145上没有发生湮灭事件。
[0025]
由于只有真实的未散射符合指示湮灭事件的位置，所以在pet图像的重建期间，随机符合和散射符合经常从获取的pet数据中减去或以其他方式用来校正获取的pet数据。
[0026]
通常，pet检测器包括一个或多个闪烁元件和一个或多个电换能器。闪烁元件响应于接收到由湮灭事件产生的511 kev光子而产生具有几个电子伏特（ev）能量的光子。电换能器将闪烁元件产生的低能量光子转换成电信号。根据一些实施例，电换能器可以包括例如sipm、pmt或基于半导体的检测器。
[0027]
图2示出了根据一些实施例的检测器200。检测器200由八个微型块组成，其中两个微型块在轴向方向，并且四个微型块在经轴方向。在一个示例中，微型块包括具有3.2mm
×
3.2mm
×
20mm的尺寸的5
×
5硅酸镥(lso)闪烁晶体的网格。微型块可以耦合到sipm的4
×
4阵列，用于从其接收光子并基于其产生电信号。因此，检测器200包括200个晶体，具有在轴向方向上有10个晶体并且在经轴方向上有20个晶体的行。实施例不限于检测器200的上述描述。
[0028]
根据一些实施例，检测器环100包括轴向方向上的8个检测器和经轴方向上的38个检测器。这样，检测器环100包括60800个检测器晶体，其中在轴向方向上有80个检测器晶体的行，并且在经轴方向上有760个检测器晶体的行。实施例不限于这些规范。
[0029]
图3是根据一些实施例的符合检测系统300的框图。系统300包括闪烁单元310、320和330，相应的电换能器单元312、322和332，以及相应的信号处理组件314、324和334。符合检测单元340接收来自每个信号处理组件314、324和334的信号。
[0030]
每个闪烁单元310、320和330可以包括一个或多个闪烁晶体。例如，闪烁单元310、320和330中的每一个可以包括5
×
5晶体元件的微型块、2
×
2微型块的宏块或者由两个宏块组成的检测器。实施例不限于闪烁单元310、320和330的任何特定配置或构造。
[0031]
每个电换能器单元312、322和332可以包括一个或多个pmt、sipm等。每个单元312、322和332中的电换能器的数量可以小于、等于或大于每个闪烁单元310、320和330中的晶体元件的数量。根据一些实施例，电换能器单元对于其对应的闪烁单元中的5
×
5晶体元件的每个微型块包括sipm的一个4
×
4阵列。
[0032]
信号处理组件314、324和334从相应的电换能器单元312、322和332接收电信号，并执行信号处理以例如确定信号是否代表光子检测事件，通过堆积（pile-up）拒绝和/或校正方法执行信号解堆积（unpile），并将光子检测事件与闪烁单元310、320和330的特定检测器晶体相关联。信号处理组件314、324和334可以执行任何合适的功能并表现出任何合适的实现。
[0033]
符合检测单元340接收通过能量鉴定（qualification）的所有光子检测事件，称为单事件，并识别在符合时间窗口内发生的这种事件对。如上所述，符合检测单元340还包括延迟逻辑，其延迟每次比较的一个事件的表观到达时间，并且从而识别上述延迟符合。符合检测单元340因此输出指定每个识别的对并将每个对标注为真实符合或延迟符合的数据。对于任一类型的符合，输出数据还指定了接收包含符合的光子检测事件的两个检测器晶体。
[0034]
由符合检测单元340输出的并且与在一段时间内检测到的符合相关联的数据可以存储在“列表模式”文件中。列表模式文件包括列表模式数据，其针对每个符合指定符合的类型(即真实或延迟)、接收符合的光子的两个晶体、每个事件的能量水平、检测到符合的时间，并且在飞行时间(tof) pet成像的情况下，是其检测导致检测到的符合的两个光子的到达时间之间的差异。这种差异可以用于更精确地估计沿lor的发生对应的湮灭事件的特定位置。列表模式数据不限于上述内容。
[0035]
在一段时间内检测到的符合也可以存储在正弦图中。正弦图是每个检测到的符合的每个lor的角度相对于位移的数据阵列。延迟正弦图可以存储与检测到的延迟符合相关的数据，而真实正弦图可以存储与检测到的真实符合相关的数据。正弦图包括包含特定方位角φ的lor的一行。这些行中的每一行对应于在不同坐标的示踪剂分布的一维平行投影。正弦图存储每个符合的lor的位置，使得通过体积中的单个点的所有lor在正弦图中描绘正弦曲线。正弦图可以通过其lor、能量水平、符合发生的时间、tof数据和其他信息来表示每个符合。
[0036]
图4示出了根据一些实施例的成像系统400。系统400的每个组件可以通过硬件和软件的任何合适的组合来实现。在一些实施例中，一个或多个组件可以由单个软件应用来实现。
[0037]
系统400包括检测器环的一部分的检测器410和对应的闪烁体420。闪烁体420可以由关于图2描述的单个晶体组成。实施例不限于基于闪烁体的检测器。直接转换检测器(例如，czt和tibr)也可以结合一些实施例使用。
[0038]
检测器410检测从体积430发射的伽马光子435。用于促进从体积中发射伽马光子的系统在本领域中是已知的，特别是关于本文描述的pet成像。如上所述，闪烁体420的晶体接收伽马光子435，并作为响应发射光子。检测器410接收光子，并且每个检测器410基于接收到的光子的能量和其自身的特性光电响应分布产生电信号。
[0039]
检测器信号处理单元440接收由每个检测器410产生的电信号，并执行信号处理，以例如确定信号是否代表光子检测事件，通过堆积拒绝执行信号解堆积，确定事件能量，并确定事件时间。检测器信号处理单元440可以执行任何合适的功能并表现出任何合适的实现。
[0040]
在给定的时间段内，符合检测单元445从检测器环的所有检测器410接收通过能量鉴定(例如，在435和585 kev之间)的所有光子检测事件。基于每个光子检测事件的接收时间，单元445识别在符合时间窗口内接收的光子检测事件对，并确定每个这样的对对应于具有相关联的lor和能量的真实符合。符合检测单元445还可以针对每对光子检测事件确定表示光子检测事件的接收时间的差异的tof值。符合检测单元445也使用延迟逻辑来识别如上所述的延迟符合。表示每个检测到的符合(即，真实和延迟)的数据存储在文件450中。
[0041]
随机校正单元455可以基于文件450估计每个晶体对的均值随机，如本文所述。该估计基于文件450的数据，该数据与检测到的延迟符合相关联。随机校正单元455可以校正文件450的真实符合数据，以生成随机校正的(即，净真实)数据。根据一些实施例，散射估计单元460然后可以基于净真实数据来估计散射符合。如本领域已知的，该估计可以部分基于建模数据465。
[0042]
估计的散射符合可以经受滤波470。重建单元475执行重建算法，以基于如此滤波
的估计散射符合和从随机校正单元455输出的随机校正的符合数据重建图像。
[0043]
图5包括根据一些实施例的用于从列表模式数据估计均值随机的过程500的流程图。均值随机可以用于在图像重建之前校正pet帧。
[0044]
可以使用硬件和软件的任何合适的组合来执行过程500和这里描述的其他过程。体现这些过程的软件程序代码可以由任何非暂时性有形介质存储，包括硬盘、易失性或非易失性随机存取存储器、dvd、闪存驱动器和磁带，并且由任何合适的处理单元执行，包括但不限于一个或多个微处理器、微控制器、处理核和处理器线程。实施例不限于下面描述的示例。
[0045]
最初，在s510，使用本领域已知的pet扫描仪扫描对象。根据一些实施例，对象包括幻象，诸如例如均匀的充水圆柱体。在扫描之前将放射性核素示踪剂注入到对象中。放射性核素示踪剂可包括任何合适的示踪剂，诸如但不限于氟脱氧葡萄糖(fdg)。该扫描可以包括传统的静态pet扫描或cbm扫描，并且生成列表模式数据，该列表模式数据描述如上所述在扫描期间由pet扫描仪检测到的延迟符合和真实符合。
[0046]
对于pet扫描仪的每个晶体，在s520从列表模式数据中确定包括该晶体并且在给定时间段内发生的延迟符合的数量。s520包括在给定时间段内确定pet扫描仪的每个晶体的上述锥和。如上所述，列表模式数据将每个确定的延迟符合与pet扫描仪的两个晶体i、j相关联。因此，与pet扫描仪的每个晶体i相关联的所确定的延迟符合的数量可以确定为。
[0047]
该时间段可以包括总扫描时间的任何子时间段。在使用cbm扫描的一些实施例中，时间段的持续时间等于床移动~5cm所需的时间。因此，这个持续时间取决于床的运动速度。出于本描述的目的，将假设时间段的持续时间是1秒，并且s520的第一次迭代中的给定时间段是pet扫描的第一秒。因此，在本示例中，s520包括从列表模式数据确定在扫描的第一1秒期间发生的所有检测到的延迟符合。
[0048]
图6的每条虚线表示在扫描的第一1秒期间发生并且与晶体600和检测器环100的另一个晶体相关联的延迟符合的lor。应该理解，在pet扫描的第一1秒期间可能已经检测到多得多的延迟符合，并且图6仅示出了与晶体600相关联的那些延迟符合。因此，在s520确定与晶体600相关联的七个延迟符合。对pet扫描仪的每个晶体重复这种确定。
[0049]
在s530，确定列表模式数据是否包括附加时间段。如果是，流程返回s520以确定下一个时间段内每个晶体的延迟符合。继续上面的示例，下一个时间段可以包括pet扫描的下一(即第二)秒。流程以这种方式继续，以计算pet扫描的每个指定时间段内的pet扫描仪的每个晶体的锥和。
[0050]
在s540，并且对于每个时间段，基于在该时间段内针对每个晶体确定的锥和来确定每个晶体的单事件率。在一个示例中，s540包括使用针对每个晶体确定的时间段特定的锥和针对每个晶体i来迭代地求解顺序单调坐标上升算法。替代地，可以通过迭代求解下面的同时更新方程，再次使用针对每个晶体确定的时间段特定的锥和来计算在时间段期间每个晶体i的单事件率，并且其中=对锥和有贡献的lor的数量：
其中。
[0051]
接下来，并且对于每个时间段，在s550，基于每个晶体的时间段特定的单事件率，针对每个晶体对估计均值随机。例如，使用在s540针对时间段t针对晶体i，j确定的单事件率，晶体对(i，j)在时间段t的均值随机被确定为。
[0052]
图7示出了在s550对每个时间段确定均值随机。单事件率表示在获取时间段期间pet扫描仪中每个晶体的单事件率。使用这些单事件率，每个晶体对(i，j)的均值随机估计可以确定为。在时间段期间pet扫描仪的所有晶体对的均值随机估计表示为。类似的确定发生在每个时间段以确定对应均值随机估计。
[0053]
在s560，基于每个晶体对的估计均值随机和列表模式数据的真实符合来重建对象的图像。根据一些实施例，并且也如图7所示，s560的一些实施例包括对时间段特定的均值随机估计进行求和以生成复合均值随机估计。例如，对每个时间段内晶体的均值随机估计求和，以生成复合均值随机估计，并且对每个晶体对执行该求和，以生成复合均值随机估计。该求和可以包括上述随机平滑模型(即如(即如)的实现。
[0054]
如参考图4所描述的，s560可以包括以任何已知或变得已知的方式，基于检测到的真实符合、散射估计和复合估计均值随机来重建pet图像，如本文所描述的。与使用现有技术从pet数据重建的图像相比，这种pet图像可以表现出更少的噪声和更大的信噪比。
[0055]
图8示出了用于执行本文描述的一个或多个过程的pet/ct系统800。实施例不限于系统800。
[0056]
系统800包括限定孔812的台架810。如本领域已知的，台架810容纳用于获取pet图像数据的pet成像组件和用于获取ct图像数据的ct成像组件。如本领域已知的，ct成像组件可以包括一个或多个x射线管和一个或多个相应的x射线检测器。
[0057]
pet成像组件可以包括本领域已知的任何配置的任何数量或类型的检测器。通常，检测器包括一个或多个闪烁元件和一个或多个电换能器。闪烁元件响应于接收到由湮灭事件产生的511 kev光子而产生具有几个电子伏特能量的光子。lso和硅酸钇镥(lyso)闪烁体表现出合适的停止能力和快速闪烁衰减，并且可以用于高计数率场景。
[0058]
电换能器将闪烁元件产生的低能量光子转换成电信号。根据一些实施例，电换能器可以包括基于硅的光电倍增器(sipm)或光电倍增管(pmt)。一些实施例采用包括比电换能器更多的闪烁元件的块检测器。在块检测器中，多个电换能器接收由吸收511kev湮灭产生的光子之一而导致的散开的低能光子。比较换能器的相对输出，以便确定吸收位置，这继
而识别被确定已经接收湮灭光子的闪烁元件或晶体。
[0059]
注射系统818可以操作以在pet扫描之前和/或期间向患者输送fdg、碘或其他放射性药物的经校准的注射。在一些实施例中，注射系统818被结合到台架810中。注射系统818可以支持与控制系统820的有线或无线通信链路，用于接收指定剂量、注射方案和扫描延迟的信息。
[0060]
床815和基座816可操作用于在成像之前、期间和之后将躺在床815上的患者移入和移出孔812。在一些实施例中，床815被配置为在基座816上方平移，并且在其他实施例中，基座816可与床815一起移动或者可替换地从床1115移动。
[0061]
患者进入和离开孔812的移动可以允许使用台架810的ct成像元件和pet成像元件扫描患者。这种扫描可以基于扫描参数（诸如扫描范围和对应的扫描速度）来进行。根据一些实施例，在这种扫描期间，床815和基座816可以提供连续的床运动和/或步进拍摄（step-and-shoot）运动。
[0062]
控制系统820可以包括任何通用或专用计算系统。因此，控制系统820包括一个或多个处理单元822和用于存储程序代码的存储设备830，处理单元1122被配置为执行处理器可执行程序代码以使系统820如本文所述进行操作。存储设备830可以包括安装在对应接口(例如，usb端口)中的一个或多个固定盘、固态随机存取存储器和/或可移除介质(例如，拇指驱动器)。
[0063]
存储设备830存储控制程序831的程序代码。一个或多个处理单元822可以执行控制程序831，以结合pet系统接口823、床接口825和注射接口827，控制硬件元件将放射性药物注射到患者体内，将患者移动到孔812中经过台架810的pet检测器，并检测患者体内发生的符合事件。检测到的事件可以作为列表模式数据834存储在存储器830中。
[0064]
一个或多个处理单元822还可以执行控制程序831，以结合ct系统接口824，使机架810内的放射源从不同的投射角度向孔812内的身体发射辐射，并控制对应的检测器获取二维ct数据。如上所述，ct数据可以基本上与pet数据同时获取，并且可以用于本领域已知的同时获取的列表模式数据834的衰减校正。在这方面，还可以执行控制程序831，以使用已知的或变得已知的任何重建算法将pet扫描的列表模式数据834重建成pet图像836。
[0065]
根据一些实施例，存储设备830还包括随机估计程序832，用于估计在重建中使用的均值随机。如上所述和下面详细描述的，这种估计利用不同扫描时间段的单事件率，所述扫描时间段继而是基于延迟符合时间段和晶体特定的锥和来确定的。
[0066]
pet图像836可以通过终端接口826传输到终端840用于显示。终端840可以包括耦合到系统820的显示设备和输入设备。终端840可以接收用于控制数据的显示、系统800的操作和/或本文描述的处理的用户输入。在一些实施例中，终端840是单独的计算设备，诸如但不限于台式计算机、膝上型计算机、平板计算机和智能电话。
[0067]
系统800的每个组件可以包括其操作所必需的其他元件，以及用于提供除了本文描述的功能之外的功能的附加元件。本文描述的每个功能组件可以在计算机硬件、程序代码和/或执行本领域已知的这种程序代码的一个或多个计算系统中实现。这种计算系统可以包括执行存储在存储器系统中的处理器可执行程序代码的一个或多个处理单元。
[0068]
本领域技术人员将理解，在不脱离权利要求的情况下，可以配置上述实施例的各种适配和修改。因此，应当理解，权利要求可以以不同于本文具体描述的方式来实施。