专利名称：提高γ射线检测中的定时分辨率的装置和相关方法
技术领域：
本公开一般涉及用于提高Y射线检测中的定时分辨率(时间分辨率)的装置和 相关方法。更具体地，本公开通过生成关于识别的交互位置的定时校正，来提高Y射线检 测系统，例如正电子发射断层成像系统中的定时分辨率。
背景技术：
商用Y射线检测器包括与透明光导耦合的闪烁晶体阵列，该闪烁晶体阵列在排 列在透明光导上的光电倍增管(PMTs)阵列上分布闪烁光。一般通过扩展与分组到一个邻 域内的若干光电倍增管(PMTs)上的γ射线相对应光学信号，来编码闪烁晶体阵列内的Y 射线交互的位置。通过对来自所述邻域内的每一个光电倍增管的相对信号强度进行测量， 并应用统计方法或进行质心计算，对Y射线的位置进行解码。来自与邻域相对应的光电倍增管的信号一般相加于模拟域，然后根据上述相加后 的信号的前缘来测量定时。多个效果可能导致邻域内的光电倍增管信号之间的相对迟延。 对于表面充分抛光的闪烁晶体，以相对于晶体阵列表面的较大角度出射的光子在晶体内的 行进距离要远远大于以较小角度出射的光子。这些路径长度差大约是晶体长度的四倍， 而对于高折射率的晶体(接近或超过η = 2)，路径长度差可以给IOmm长的闪烁晶体带来 200ps-300ps的迟延。在20mm长的晶体内，所述迟延可能达到400ps-600ps，甚至更大。一旦闪烁光子到达晶体的输出表面，光子行进至不同光电倍增管的路径长度可能 会有很大差别。例如，折射率为1.5的光导可能产生^mm或更大的路径长度差，导致对于 朝向两个或更多不同光电倍增管行进的光子，在光导本身内出现约140ps的光子间相对迟 延。因此，在上述效果的共同作用下，取决于光子朝向若干不同光电倍增管行进的具 体几何结构，会产生350ps-750ps甚至更大的相对迟延。这些迟延严重降低了商用正电子 发射断层成像(PET)系统的定时分辨率，而该系统的理想定时分辨率为400ps或更大。而 且，这些相对迟延取决于晶体与Y射线交互的位置，使得每个光电倍增管根据与Y射线交 互的晶体相对于光电倍增管的位置而领先或落后于相邻的其它光电倍增管。在大多数传统的Y射线检测系统中，定时信号不是通过数字采样或多阈值采样 获得，而是通过对来自若干光电倍增管的信号进行模拟相加，生成一个复合定时信号。然后 再将前缘或恒定系数鉴别器应用于该复合信号。其信号被相加的光电倍增器通常被称为 “触发区”，这些触发区可能重叠也可能保持分离。与触发区重叠的量无关，传统的Y射线 检测系统都具有硬布线在系统电路板上的固定触发区。在这些传统的系统中，定时分辨率 随着计数速率升高而降低，其原因是触发区内的一部分光电倍增器上的先前信号的尾部对 后续Y射线和晶体交互的定时检测产生干扰。这种干扰随着交互之间的平均时间的减少， 即计数速率的增加而增加。使用数字波形采样或多阈值采样的Y射线检测系统已为人熟知，但这些系统在 获得定时信息时一般只考虑单个的光电传感器。以下著作均对使用采样来获得定时信息的传统Y射线检测系统进行了讨论(1) J. -D. Leroux, J. -P. Martin，D. Rouleau，C. Μ. Pepin, J. Cadorette，R. Fontaine 禾口 R. Lecomte，“Time Determination ofBGO-APD Detectors by Digital Signal Processing for PositionEmission Tomography”，IEEE 核科学研讨会会议记录，2003，波
ΛΑ --，(2)R. I. Wiener, S. Surti, C. C. Μ. Kyba，F. Μ. Newcomer, R. Van Berg 禾口 J. S. Karp, “An Investigation of Waveform Samplingfor Improved Signal Processing in TOF PET", IEEE医学成像大会会议记录，2008，德国德雷斯顿；(2)H. Kim, C. M. Kao, Q. Xie, C. T. Chen, L. Zhou, F. Tang, H. Frisch, W. W. Moses, W. S. Choong,"A multi-threshold samplingmethod for TOF-PET signal processing，，,核 设备与方法A 0009)。为简便起见，此处不再对背景技术进行深入讨论。上述文件的内容将通过引用纳 入到本文中。
发明内容
本发明的典型实施方式提供一种通过采样来自排列在至少一个晶体元件上方的 多个光电传感器的波形，提高Y射线检测器中的定时分辨率的方法，其中所述波形是光电 传感器根据由至少一个晶体元件响应于Y射线的到达而发射的闪烁光生成的。本方法还 包括对至少一个晶体元件内的闪烁事件的位置进行识别，并根据闪烁事件的位置来确定每 个波形的校正时间。然后，使用校正时间对每个波形进行校正，并且根据校正后的波形对Y 射线到达至少一个晶体元件的时间进行估计。在本发明的另一个典型实施方式中，Y射线检测器包括多个采样器，对来自排列 在至少一个晶体元件上方的多个光电传感器的波形进行采样，其中所述波形是根据至少一 个晶体元件响应于Y射线的到达而发射的闪烁光生成的。Y射线检测器还包括对采样后 的波形进行存储的电子存储器，以及与多个采样器相连接的数据处理器，该数据处理器对 至少一个晶体元件内的闪烁事件的位置进行识别。数据处理器还根据闪烁事件的位置来确 定每个波形的校正时间，并使用所述校正时间对每个波形进行校正。然后，数据处理器对Y 射线到达至少一个晶体的时间进行估计。在本发明的又一个典型实施方式中，提供了一种存储计算机可读指令的计算机可 读介质。计算机可读指令在被计算机执行时，使计算机执行一种方法，该方法包括采样来自 排列在至少一个晶体元件上方的光电传感器的波形。所述波形是光电传感器根据由至少一 个晶体元件响应于Y射线的到达而发射的闪烁光生成的。本方法还对至少一个晶体元件 内的闪烁事件的位置进行识别，并根据该位置来确定每个波形的校正时间。本方法还使用 所述校正时间对每个波形进行校正，并根据校正后的波形对Y射线到达至少一个晶体元 件的时间进行估计。
结合在这里并构成说明书的一部分的附图描述本发明当前优选的实施方式，并且 与上述的概要说明以及下面的对优选实施方式的详细描述一同用来说明本发明的原理
图1为根据本发明的典型实施方式的Y射线检测的示意图；图2为根据本发明的典型实施方式的排列在闪烁晶体阵列上方的光电倍增管的 示意图；图3为根据本发明的典型实施方式的Y射线检测系统的示意图；图4为根据本发明的典型实施方式的Y射线检测器系统中的中央处理单元的方 框图；图5A-5F为根据本发明的典型实施方式，由光电倍增管生成的波形；图6为根据本发明的典型实施方式的Y射线检测的算法流程图；图7为根据本发明的典型实施方式的噪声阈值设定的图；图8为根据本发明的典型实施方式的波形中的噪声检测的图；图9为根据本发明的典型实施方式的波形中的噪声检测的另一图；图10为根据本发明的典型实施方式的光电倍增管波形选择的算法流程图。
具体实施例方式在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表 示。图1是根据本发明的典型实施方式的Y射线检测的示意图。在图1中，Y射线检测 器包括排列在闪烁晶体阵列105上方的光电倍增管(PMT) 135和140，在光电倍增管和闪烁 晶体阵列之间有一个光导130。该讨论考虑光电倍增管(PMTs)用作光电传感器的情况。但 是本领域技术人员将认识到，任何光电传感器，包括单通道PMT、多阳极PMT、雪崩光电二极 管(APDs)、APDs阵列、硅光电倍增器(SiPMs)或SiPMs阵列均可以在本发明的范围内使用。本领域普通技术人员还将认识到，尽管图1中包括闪烁晶体阵列，但是其它、射 线检测装置，例如单片闪烁器，可以用在本发明中。就这一点而论，图1中的实施方式仅为 示范性，并不限制本发明的范围。在图1中，当γ射线115与交互晶体100交互时，从闪烁事件110的位置生成闪烁 光线120和125。闪烁光线120和125穿过交互晶体100和光导130到达光电倍增管135 和140。但是，闪烁光线125直接从闪烁事件110行进至光电倍增管140，而闪烁光线120 在交互晶体100内反射并转向光电倍增管135。这样，闪烁光线120相对于闪烁光线125行 进更长的距离。为简便起见，图1中只显示了两条闪烁光线。但是本领域技术人员将认识到，在闪 烁事件110处可以生成多条闪烁光线，遍布交互晶体100和光导130，并入射到两个以上的 光电倍增管上。从这一点上说，图1中闪烁光线120和125的数量仅为示范性，并不对本发 明构成限制。返回到图1，闪烁光线120所行进的额外距离导致光电倍增管135内相对于光电 倍增管140的检测延迟时间。换句话说，光电倍增管140通过闪烁光线125检测到闪烁事 件110，要早于光电倍增管135通过闪烁光线120检测到闪烁事件110。这样，由光电倍增 管140生成的波形将会领先于由光电倍增管135生成的波形。此外，光电倍增管140所检 测的闪烁光线125的强度可能高于光电倍增管135所检测的闪烁光线120的强度。因此， 由光电倍增管140生成的波形的幅度大于由光电倍增管135生成的波形的幅度。或者，光 电倍增管135可能检测到较高强度的闪烁光线，而光电倍增管140可能检测到较低强度的闪烁光线，或者两个倍增管135和140均可能检测到同样强度的闪烁光。从这一点上说，光 电倍增管135和140可能检测到不同强度的闪烁光，并生成带有不同电压电平的相应信号， 而不会脱离本发明的实施方式范围。图2是从上方俯视光电倍增管135、140和闪烁晶体阵列105的示意图。在图2 中，交互晶体100位于光电倍增管140的下方，而光电倍增管135位于光电倍增管140的倾 斜位置。这样，交互晶体100所发射的闪烁光线120和125行进的距离既取决于交互晶体 100在闪烁晶体阵列105内的位置，也取决于光电倍增管在闪烁晶体阵列105上方的排列。 本领域普通技术人员将认识到，多个光电倍增管排列图案和闪烁晶体阵列排列图案是可能 的，而不脱离本发明的范围。因此，图1和图2中的排列仅为示范性，并不对本发明构成限 制。额外的变化源可能会造成来自光电倍增管135和140的信号之间的相对延迟。设 计相同且来自相同工厂的光电倍增管在光电倍增管内的电子信号的通过时间方面可能会 有数百皮秒或更多的自然变化。光电倍增管135和140在设计上也可能会有重大区别。在 这种情况下，光电倍增管135和140之间的通过时间变化可能大约数纳秒。图3为根据本发明的典型实施方式的、射线检测系统的示意图。本领域普通技术 人员将认识到，图3中的γ射线检测系统可以形成正电子发射断层成像(PET)系统或飞行 时间(time-of-flight :T0F)PET系统的一部分。为简便起见，此处不再对PET和飞行时间 PET 系统进行深入探讨。但是在 W. W. Moses 的“Time of Flight in PETRevisited “”(核 科学IEEE会刊，第50卷，第5号，1325-1330页)中对飞行时间PET系统进行了论述。该文 的全部内容将通过引用纳入本文中。在图3中，光电倍增管135和140排列在光导130上方，闪烁晶体阵列105排列在 光导130下方。这样，光电倍增管140和135、光导130和闪烁晶体阵列105的排列与图1 中的排列相同。另一个闪烁晶体阵列305安置在闪烁晶体阵列105的对面，其上方排列着 光导330和光电倍增管335和340。在图3中，当γ射线从某一被检体(图中未注明)发出时，Y射线相互呈约180 度角向相反方向行进。Y射线检测几乎同时在交互晶体100和交互晶体300处发生，并且 当在预先定义的时限内在交互晶体100和交互晶体300处检测到γ射线时，确定并发事件 110。这样，PET检测系统几乎同时在交互晶体100和300处检测到、射线。然而，为了简 单起见，此处仅对交互晶体100处的γ检测进行说明。但是，本领域普通技术人员将认识 到，对交互晶体100的说明同样适用于交互晶体300处的γ射线检测。回到图3，光电倍增管135、140、335和340分别与采样器350,355,360和365相 连接。光电倍增管350、355、360和365响应于闪烁光而生成波形，采样器350、355、360和 365通过对这些波形进行采样而生成数字化波形。采样器350、355、360和365可以是模拟-数字转换器，例如西格玛_德尔塔或 flash转换器，采样率在IGHz和5GHz之间。作为另一种选择，采样器350、355、360和365 也可以是多阈值采样器，使用电压阈值触发器对光电倍增管波形进行采样，而不是使用恒 定的采样率。本领域普通技术人员将认识到，在本发明的范围内也可以使用其它的采样方法。采样之后，波形被提交给中央处理单元370进行处理，以根据下列详述的方法来确定Y射线的到达时间。之后，生成的波形和到达时间被存储在电子存储器375中，并可 以在显示器385上显示。接口 380可以用来对中央处理单元370进行配置和/或控制，和 /或可以用来向中央处理单元370提供进一步的指令，以便对生成的到达时间进行分析。本领域技术人员将认识到，显示器385可以是阴极射线管显示器(CRT)、液晶显示 器(IXD)等。接口 380可以是键盘、鼠标、轨迹球、麦克风、触摸屏或其它任何已知的与中央 处理单元接口的设备。本领域普通技术人员还将认识到，电子存储器375可以是硬盘驱动 器、⑶-ROM或DVD光盘、闪存或另一个中央处理单元。电子存储器375还可以从中央处理 单元370上移除或拆除，也可以附在其上。电子存储器375也可以通过网络与中央处理单 元连接，并因此可以被放置于独立的房间、建筑或其它与中央处理单元370相关的地点。图4为根据本发明的典型实施方式的中央处理单元370的方框图。中央处理单元 370包括处理器480，处理器480对存储在主存储器440和/或R0M450中的数据和指令进 行处理。处理器480还可以对存储在磁盘410或⑶-R0M420中的信息进行处理。典型的处 理器480可以是美国英特尔的Xenon处理器或美国AMD的皓龙处理器。本领域普通技术人 员将认识到，处理器480也可以是奔腾处理器、酷睿2双核处理器等。这样，与Y射线检测 方法相对应的指令可以存储在磁盘410、⑶-R0M420、主存储器440或R0M450的任何一者中。中央处理单元370还可以包括网络接口 475，例如美国英特尔公司的英特尔以太 网PRO网络接口卡，用于与因特网或专用网等网络接口。显示控制器430可以是美国NVIDIA 公司的NVIDIA G-ForceGTX图形适配器，用于与显示器385接口。中央处理器还可以包括 输入/输出接口 490，用于与键盘四5、定点设备285或其他通用接口 380，如麦克风、轨迹 球、控制杆、触摸屏等接口。盘控制器460将磁盘410、⑶-R0M420或DVD驱动器与总线470相互连接，磁盘410 可以是硬盘驱动器或闪存驱动器、总线470例如可以是ISA、ESIA、VESA、PCI或类似设备， 用于将中央处理单元370的所有组件相互连接。中央处理单元370的组件的一般特性和功 能已是众所周知，这里不再赘述。当然，本发明中也可以使用业内知名的其它处理器和硬件 的供应商和类型，例如美国Freescale公司的Freescale Coldfire、I. MX和ARM处理器。典型的中央处理单元370还可以分别在FPGA或ASIC的微控制器、PLD或其它计 算机可读介质，例如光盘上实施。此外，典型的中央处理单元370是个人计算机等计算装置 的硬件平台，处理器480可以是英特尔奔腾处理器或业内知名的任何其它处理器。存储在 主存储器440、R0M450、磁盘410或⑶-R0M420任何一者中的计算机可读指令可以用作实用 应用程序、后台守护程序、操作系统组件，或上述三者的结合，与处理器480和操作系统共 同执行，操作系统可以是微软VISTA、UNIX、Solaris、LINUX、苹果MAC-OS或业内人士熟知的 其他操作系统。主存储器440和/或R0M450支持中央处理单元370的注册和其它类似特性。从 这一点来看，主存储器440可以是随机存储器(RAM)、闪存、EEPROM存储器或其它类似设备， 而R0M450是只读存储器，例如PR0M。鉴于主存储器440和R0M450已是众所周知，这里不再 赘述。接下来，将参照图5A-5F来描述将定时校正应用于光电倍增管波形的过程。尽管 图5中所示波形为正波形，本领域普通技术人员将认识到，负波形和正波形都可以在本发 明的范围内使用。在图5A中，使用多个阈值对光电倍增管(PMT)信号500、505和510进行采样以分别生成样本M0a-C、550a-C和560a_c。在多阈值方法中，样本由预定阈值被跨过 的时间的测量值组成。然后使用下述独立过程对交互晶体100进行定位。使用交互晶体100 的位置作为查找表的索引，查找表中包括相邻的每个光电倍增管(例如图1中的光电倍增 管135和140)的校正时间。作为另一种选择，定时校正也可以从PMT波形500、505和510 之间的相对触发定时来确定。不管哪一种情况，除了对由于特定交互晶体发生的定时变化 进行校正以外，定时校正还可以对PMT和其它电子组件内的通过时间变化进行校正，其它 电子组件诸如连接PMT和获取电子电路的电缆。图5B包括分别用于PMT波形500、505和510的定时校正tl、t2和t3。在图5C 中，PMT波形500、505和510的样本根据定时校正tl、t2和t3被位移。然后再如图5D所 示，对位移后的样本进行时间同步，并且同步后的样本在图5E中被相加，在图5F中对到达 时间tfinal的最终估计值进行确定。上述过程同样适用于使用全数字采样的PET系统，只是 波形以高采样率(例如1-5GHZ)定期采样，而不是以有限数量的阈值进行采样。本领域普通技术人员将认识到，对于全数字采样的情况，可以通过将样本位移采 样率的整数倍来应用定时校正。作为另一种选择，可以通过在对信号进行相加之前重新采 样和内插，来进行子LSB调整的子样本。其它应用定时校正的方法也可以在本发明的本实 施方式范围内使用。接下来，将结合图6进一步对γ射线检测的过程进行说明。在图6中，在步骤600 处，采样来自光电倍增管135和140的波形。然后在步骤610处，识别交互晶体100的位置。 在使用多阈值样本时，最好通过与光电倍增管135和140用来获得样本信息的通道分离的 通道对交互晶体的位置进行识别。例如，可以提供分离的能量通道，以便使用质心或统计分 析来确定交互晶体的位置，其中分离的能量通道提供与入射到每个光电传感器上的闪烁光 子的整体数量成比例的信号。一旦交互晶体100被定位，该流程便前行至步骤620，在此处使用交互晶体100的 位置来确定每个波形的校正时间。例如，电子存储器375中的查找表可以包含按照晶体阵 列中的晶体位置索引的每个光电倍增管135和140的预定校正时间。这样，一旦交互晶体 100的位置被确定，该位置就可以用来在查找表中进行搜索，并识别将用于PMT波形的校正 时间。在步骤630，使用识别的校正时间对来自光电倍增管135和140的波形进行校正。 具体地说，每个PMT波形都被位移相应的校正时间。正如上面所讲，时移所采取的形式可以 是采样器350、355和360所使用的采样率的整数倍，其中采样率的整数倍与校正时间相对 应。作为另一种选择，可以通过与校正时间相对应的因子来内插波形。本领域普通技术人 员将认识到，采样器350、355、360和365的采样率可以是相同的采样率，也可以是各不相同 的采样率，校正时间会考虑到采样器彼此之间采样率的任何变化。除了定时校正以外，步骤630还可以包括基线(base line)校正。基线校正移除 任何恒定信号，例如获取系统中的放大电子电路所产生的偏移，该偏移在波形中存在于闪 烁脉冲的前缘之前。这种偏移可能随时间缓慢变化，例如，由于温度变化。偏移和偏移漂移 的去除会带来改进的定时估计。此外，步骤630还可以包括增益校正。增益校正被用作倍增因子，该倍增因子对 PMT的增益或获取系统中的放大电子电路的变化进行校正。增益校正会带来改进的定时估计，也会带来其它值的更好估计，例如Y射线的能量或Y射线交互的位置，这些值可以从 采样脉冲获得。在步骤640，用校正时间对波形进行校正后，将其相加在一起。在一个典型实施方 式中，每个波形的样本通过内插进行时间同步。一旦样本被同步，波形将在步骤640处相加 以生成校正后的波形。然后，步骤650处，从校正后波形中生成γ射线115到达交互晶体 100的估计时间。在步骤660处，γ射线115的估计到达时间被存储在电子存储器375(举 例)中，该方法在步骤670处结束。此外，可根据Y射线交互的检测速率或位置，将光电倍增管动态地组织到相邻或 触发区中。然后使用来自相邻或触发区内的光电传感器的波形来实施上述Y射线检测的 过程。该相邻或触发区的动态重组通过减小由系统噪声水平产生的噪声伪像、检测频率或 检测速率等，来提高检测准确度。在PET扫描仪中，触发区或邻域的动态重组适应具有不同 检测速率的不同扫描协议，例如82Rb心脏扫描和肿瘤FDG全身扫描。除此以外，邻域的重组 被迅速完成以导致非常高的检测速率。光电传感器邻域或触发区的选择可以是前瞻性的或者可以是回溯性的。利用在对 来自特定事件的光电传感器信号进行测量和处理之前可获得的信息来进行前瞻性选择。在 前瞻性选择中使用的前瞻性信息的例子包括检查预期的计数速率、检查协议和检查协议中 使用的同位素。本领域普通技术人员将认识到，也可以使用其它标准来进行前瞻性选择，而 不脱离本发明的范围。光电传感器邻域或触发区的回溯性选择是在对与特定事件相对应的光电传感器 信号进行测量和初步处理之后进行的。进行回溯性选择所使用的信号的例子包括波形位 置、幅度、噪声和上次事件以后的时间、以及每个光电传感器信号的信噪比。本领域普通技 术人员将认识到，这个回溯性信息列表只是示范性的，并不限制本发明的范围。此外，还可以进行前瞻性和回溯性选择的组合。例如，每个协议(例如全身18F-FDG 和心脏82Rb)可具有与定时估计中使用的不同最大触发区尺寸相对应的不同区域尺寸。更 具体地说，对于相对较低计数速率的检查，例如全身18F-FDG,其中脉冲堆积的可能性较小， 可以使用多达七个光电传感器的触发区。对于高计数速率的检查，例如心脏82Rb,其中脉冲 堆积的可能性较大，使用多达四个光电传感器的触发区。这样，可以根据检查协议，前瞻性 地进行用于邻域或触发区的最多七个或四个光电传感器的选择。然后，随着事件被检测到， 在进行最终的定时估计之前，来自邻域内的光电传感器的每组信号被检查，并且触发区被 回溯性地调整，例如通过删除具有高噪声水平的光电传感器。此外，可以使用考虑了多个因子(例如交互位置、每个光电传感器处的信号幅度 和上次被光电倍增管检测到事件以来的时间、以及噪声水平)的算法来动态地确定应当对 哪些光电倍增管信号进行组合，由此优化了定时分辨率。例如在图7中，为每个PMT定义了两个区域。在第一区域710中，PMT信号幅度较 大，上次事件以来的时间较长，或PMT噪声较低。因此，相应的PMT信号被用来进行定时确 定。如上所述，在PMT信号与满足上述包含标准(即落在第一区域710内)的其它PMT信 号相加之前，应用取决于交互位置的延迟补偿。相反地，如果PMT信号幅度较低，上次事件以来的时间太短或前期噪声太高，则 PMT信号将落在第二区域705内，并且将被排除在上述定时估计过程之外。
在全数字方法中，可以通过分析脉冲前缘之前的PMT信号对PMT信号中的噪声进 行估计。例如在图8中，四个PMT信号805、810、815和820在定时校正和组合之前被显示， 如上所述。PMT信号805、810、815和820的基线部分800在所有情况下都是相对无噪声的。 因此，所有的PMT信号805、810、815和820都可以被纳入定时估计。相反地，在图9中，PMT 信号920的前缘部分800包括噪声，并可能因此无法改进定时估计。因此，PMT信号920被 排除在定时估计之外，而只使用PMT信号905、910和915。接下来，结合图10来描述选择光电倍增管波形以便包含在定时估计中的方法。在 图10中，事件前波形或PMT波形的基线按照上述在步骤1000处的说明被采样。在步骤1005 处确定事件前波形中的噪声是否超过预定阈值。如果噪声超过预定阈值，则相应的PMT波 形将在步骤1010处被排除在定时检测之外。作为另一种选择，如果在步骤1005处预定阈 值没有被超过，则该PMT波形将在步骤1015处被标记包含在定时检测内。该选择流程在步 骤1020处结束。本领域普通技术人员将认识到，还可以使用噪声阈值设定的多种方法。例如，可以 通过将波形的基线部分800中的每个单独样本与绝对阈值进行比较来实现噪声阈值设定。 作为另一种选择，波形的基线部分800中的样本的绝对值可以一起取平均，然后可以将平 均值与噪声阈值进行比较。在另一个实施方式中，基线部分800中的峰值和事件后部分830 中的峰值的比率被生成，并与噪声阈值进行比较。基线部分800中的样本值的绝对值的平 均值与事件后部分830中的样本值的绝对值的平均值的比率也可以与噪声阈值进行比较。 本领域技术人员将认识到，也可以使用其它方法对光电倍增管135和140所生成的波形设 定阈值，而不脱离本发明的范围。作为另一种选择，在多阈值方法中，可以使用设置为较低阈值水平(稍微高于噪 声，例如几毫伏)的比较器和用来计数预定时间间隔内比较器被触发的次数的计数器，来 对PMT信号中的噪声进行估计。如果计数超过预定阈值(该阈值可以根据测量到的信号水 平而变化)，则相应的PMT信号将被排除在定时估计之外。本领域普通技术人员将认识到， 上述PMT信号选择的例子仅为示范性的，也可以结合本发明使用其它的信号选择和噪声过 滤技术，而没有限制。如上所述，定时校正可以被存储为查找表，在查找表中每个晶体都与若干PMT相 关联，而每个PMT具有针对该特定晶体的延迟值。可在校准周期内确定包括在查找表中的 延迟值。前面还提到过，定时校正可以对定时变化的各种来源进行校正，例如PMT和电子电 路中的通过时间变化，这些变化不仅归因于由光程长度差引起的差。在另一个典型实施方式中，各种时间拾取方法，例如前缘鉴别或恒定系数鉴别可 以进行数字化实施，以对来自相关PMT的数字化相加信号的最终到达时间进行估计。也 可以通过样本或独立的电子通道，例如可以进行数字化实施的能量通道或模拟成形过滤器 库，对来自每个PMT的相关信号进行确定。PMT信号到达每个光电倍增管的相对时间还提供了与交互(即交互晶体)的位置 相关的额外信息。例如，这些信息可以与集成PMT信号结合使用，以确定交互的位置。使用 统计方法(例如最大似然法)将所有这些信息结合起来导致改进的位置估计。此外，相对定时信息提供了交互深度信息，因为高角度和低角度光子的光程长度 的相对变化取决于交互深度。因此，相对定时信息和相关的交互深度信息可被用于例如通过减少或消除视差误差和提高空间分辨率来提高图像质量，特别是在远离扫描仪轴线的位置。因为在全数字PET系统中闪烁体脉冲的详细形状是确定的，可以分析闪烁体脉冲 以提取附加信息(诸如交互深度)和减少或消除视差误差，从而提高空间分辨率，特别是在 远离扫描仪轴线的位置。流程图中的任何流程、说明或框图均代表编码的模块、分段或部 分，该编码包括至少一条可执行指令，用来实施特定的逻辑功能或该流程中的各步骤。本发 明的典型实施方式的范围包括交替实施，在交替实施中，各项功能可能不会按照图纸所示 或文中所讨论的顺序执行，包括大体上同步执行或逆序执行，具体取决所涉及的功能。技术 熟练的人会明白上述内容。根据上述说明，可以对上述本发明的实施方式进行诸多修订和改变。因此，在附加 权利要求的范围内，本发明可以使用与此处的具体说明不同的方法进行实践。
权利要求
1.一种提高Y射线检测器中的定时分辨率的方法，包括使用多个采样器对来自排列在至少一个晶体元件上方的多个光电传感器的波形进行 采样，所述波形是光电传感器根据响应于Y射线的到达而从所述至少一个晶体元件内的 闪烁事件发出的闪烁光生成的；识别所述至少一个晶体元件内的闪烁事件的位置；根据识别的闪烁事件的位置来确定每个波形的校正时间；使用相应的校正时间对每个波形进行校正；以及根据校正后的波形来估计Y射线到达所述至少一个晶体元件的时间。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个采样器以至少IGHz的速率周期性地获取 样本。
3.如权利要求所述1的方法，其中，所述校正时间存储于查找表中，而闪烁事件的位置 被用作查找表的索引。
4.如权利要求1所述的方法，其中，校正步骤包括 在校正后内插每个波形，以使波形在时间上同步。
5.如权利要求1所述的方法，其中，识别步骤包括根据所述多个光电传感器的每一个光电传感器处的相对到达时间来识别闪烁事件的位置。
6.如权利要求1所述的方法，其中，校正步骤包括 根据校正时间来内插波形。
7.如权利要求1所述的方法，其中，校正步骤包括使用与闪烁事件的位置相对应的不同校正时间对每个波形进行校正。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括根据波形间的相对定时和波形的详细形状中的至少一个，确定至少一个晶体元件内的 交互深度；以及使用确定的交互深度来减少相应PET图像中的视差误差。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述光电传感器为光电倍增管。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述光电传感器为硅光电倍增器。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括根据前瞻性信息，动态地选择光电传感器的子集，其中，在估计步骤中，根据来自动态选择的多个光电传感器的子集的校正后波形，估计 Y射线到达至少一个晶体元件的时间。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述前瞻性信息包括被预计的计数速率、检查协 议和检查协议中使用的同位素。
13.如权利要求1所述的方法，进一步包括根据回溯性信息，动态地选择光电传感器的子集，其中，在估计步骤中，根据来自动态选择的多个光电传感器的子集的校正后波形，估计 Y射线到达至少一个晶体元件的时间。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述回溯性信息包括与多个光电传感器中的每 个光电传感器相对应的波形幅度、多个光电传感器中的每个光电传感器处的上次Y射线检测以来的时间，以及测量到的多个光电传感器中的每个光电传感器的噪声水平。
15.一种γ射线检测器，包括多个采样器，采样来自排列在至少一个晶体元件上方的多个光电传感器的波形，所述 波形是由光电传感器根据闪烁光而生成的，所述闪烁光是响应于Y射线的到达而从所述 至少一个晶体元件内的闪烁事件发出的； 电子存储器，存储采样后的波形；以及 数据处理器，与多个采样器连接并进行下列处理 对至少一个晶体元件内的闪烁事件的位置进行识别， 根据识别的闪烁事件的位置来确定每个波形的校正时间， 使用相应校正时间对每个波形进行校正，和 根据校正后的波形，估计Y射线到达交互晶体的时间。
16.如权利要求15所述的γ射线检测器，其中，所述校正时间存储在电子存储器的查 找表中，以及所述数据处理器使用闪烁事件的位置作为查找表的索引，来确定每个校正时 间。
17.如权利要求15所述的γ射线检测器，其中，所述数据处理器将每个波形时移多 个采样器中的相应一个采样器所使用的采样率的整数倍，所述整数倍与相应校正时间相对应。
18.如权利要求15所述的γ射线检测器，其中，所述数据处理器根据相应校正时间来 内插每个波形。
19.如权利要求15所述的γ射线检测器，其中，数据处理器进一步根据波形间的相对 定时和波形的详细形状中的至少一个，对Y射线在至少一个晶体元件内的交互深度进行 确定，并使用所述交互深度来减少相应PET图像中的视差误差。
20.如权利要求15所述的γ射线检测器，其中，所述Y射线检测器包括在正电子发射 断层成像扫描仪中。
21.如权利要求15所述的γ射线检测器，其中，所述Y射线检测器包括在飞行时间正 电子发射断层成像扫描仪中。
22.一种γ射线检测器，包括用于采样由排列在至少一个晶体元件上方的多个光电传感器生成的多个波形的部件， 所述波形是根据闪烁光生成的，所述闪烁光是响应于Y射线的到达而由至少一个晶体元 件内的闪烁事件发出的；存储器，存储采样后的波形；用于识别至少一个晶体元件内的闪烁事件的位置的部件；用于根据识别的闪烁事件的位置来确定每个波形的校正定时的部件；用于使用相应的校正定时对每个波形进行校正的部件；以及用于根据校正后的波形来估计Y射线到达至少一个闪烁晶体元件的时间的部件。
23.如权利要求22所述的γ射线检测器，进一步包括 用于在校正后内插波形以使波形在时间上同步的部件。
24.如权利要求22所述的γ射线检测器，进一步包括用于将预定校正时间存储在由晶体位置索引的查找表中的部件，闪烁事件的位置被用作查找表的索引，以确定校正定时。
25.如权利要求22所述的γ射线检测器，进一步包括用于将波形时移用于采样波形的预定采样率的整数倍的部件，所述整数倍与校正定时 相对应。
26.如权利要求22所述的γ射线检测器，进一步包括 用于根据校正定时来内插波形的部件。
27.如权利要求22所述的γ射线检测器，进一步包括用于根据波形间的相对定时和波形的详细形状中的至少一个，确定Y射线在至少一 个晶体元件中的交互深度的部件；以及用于根据交互深度，减少相应PET图像中的视差误差的部件。
28.一种存储计算机可读指令的计算机可读介质，计算机可读指令被计算机执行时，使 得计算机执行包括下列步骤的方法采样来自排列在至少一个晶体元件上方的多个光电传感器的波形，所述波形是由光电 传感器根据闪烁光而生成的，所述闪烁光是响应于Y射线的到达而从至少一个晶体元件 内的闪烁事件发出的；识别至少一个晶体元件内的闪烁事件的位置；根据识别的闪烁事件的位置，确定每个波形的校正时间；使用相应的校正时间对每个波形进行校正；以及根据校正后的波形，估计 射线到达至少一个晶体元件的时间。
全文摘要
提高γ射线检测中的定时分辨率的装置和相关方法。闪烁晶体阵列中的交互晶体响应于与γ射线的交互而发出闪烁光。闪烁光被一个或多个光电倍增管检测到。每个检测到闪烁光的光电倍增管在不同时间检测到闪烁光。本装置确定γ射线交互的位置，并使用交互的位置为每个由光电倍增管生成的波形生成校正时间。使用校正定时对各波形进行校正并且合并，以提取γ射线的估计到达时间。还使用噪声阈值设定来选择具有低噪声的波形进行合并，以提取估计到达时间。
文档编号G01T1/202GK102141632SQ20101061073
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月29日 优先权日2009年12月29日
发明者D·加尼翁, K·C·布尔 申请人:东芝医疗系统株式会社, 株式会社东芝