低成本的数字式PET设计的制作方法

技术领域和

背景技术：

下文总体上涉及射电发射成像。它与正电子发射断层成像(pet)相结合获得了具体的应用，并将具体参照pet进行描述。数字式pet扫描器在成像质量方面具有许多优点，但设计数字式pet扫描器是昂贵的。例如，在一种设计中，具有超过30,000个晶体用以构建例示性的pet扫描器。

晶体成本是整个pet系统成本的重要部分，且缩减晶体成本将使pet扫描器对于不太富裕的医疗机构来说更能负担的起，比如发展中国家的那些医疗机构。然而，由于每个晶体对应一个探测器像素，所以缩减晶体数量导致pet探测器的分辨率相应降低，且因此图像分辨率降低。

技术实现要素：

下文提供了一种克服这些和其他问题的新型和改进的系统和方法。

根据一个方面，一种核成像系统，包括辐射探测器，所述辐射探测器具有由探测器像素位置形成的规则阵列且包括：占据所述规则阵列的探测器像素位置中的一些的辐射探测器元件，和所述规则阵列的未被辐射探测器元件占据的空置探测器像素位置。所述系统可进一步包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被构造成通过如下操作处理使用所述辐射探测器对受试者采集的辐射事件数据，以生成所述受试者的重建图像：基于由占据所述规则阵列的毗邻所述空置探测器像素位置的探测器像素位置的辐射探测器元件对所述受试者采集的辐射事件数据，估算用于所述空置探测器像素位置的辐射事件数据；以及重建包括使用所述辐射探测器对所述受试者采集的辐射事件数据和用于所述空置探测器像素位置的所估算的辐射事件数据的数据集，以生成所述受试者的重建图像。

根据另一方面，一种成像方法，包括：使用布置在成像区域周围的至少一个晶体模块，采集在所述成像区域内的受试者的辐射事件数据，所述模块具有闪烁体晶体，所述闪烁体晶体限定具有一些缺失的探测器像素的由探测器像素形成的规则阵列；估算用于所述缺失的探测器像素的辐射事件数据；以及重建所采集的辐射事件数据和所估算的辐射事件数据的组合，以生成所述受试者的重建图像。

根据另一方面，一种成像系统，包括：射电发射成像扫描器，所述射电发射成像扫描器包括具有一些缺失的闪烁体晶体的基于闪烁体的辐射探测器；以及处理器，所述处理器被编程以通过包括如下步骤的操作来对由所述射电发射成像扫描器采集的所采集的射电发射数据进行重建：基于所采集的射电发射数据估算用于所述缺失的闪烁体晶体的辐射射电数据，以及重建所采集的辐射射电数据和用于所述缺失的闪烁体晶体的所估算的辐射射电数据的组合，以生成重建图像。

一个优势在于成像系统的成本降低。

另一个优势在于成像质量的损失较小。

本领域普通技术人员在阅读和理解下面的详细描述后将认识到本发明的一些其他优势。

附图说明

本申请可采取各个部件和各个部件的布置结构的形式；以及各个步骤和各个步骤的排布的形式。附图仅是出于例示优选实施方式的目的，且并不应解释为限制本发明。

图1示出了具有基于迭代的重建系统的核成像系统，该重建系统使用用于平滑的重建内滤波器；

图2示出了图2的核成像系统的典型探测器；

图3示出了缩减的晶体设计。

具体实施方式

本文中公开了一种pet扫描器，该扫描器具有缩减数量的闪烁体晶体，以降低扫描器的制造成本且没有图像逼真度的相应损失。

参照图1，提供了一种利用核成像模态对受试者成像的核成像系统10。核成像模态探测从受试者的靶标体积接收的辐射，诸如伽马光子，以用于成像。这种核(也称作射电发射)成像模态的示例包括正电子发射断层成像(pet)和单光子发射计算机断层成像(spect)。如所例示的，系统10是pet成像系统。

系统10包括核扫描器12，例示为pet扫描器。核扫描器12生成原始扫描数据，且包括固定的机架14，该机架容纳由在扫描器12的膛孔18周围布置的单独的探测器阵列单元17(本领域中不同地称为“模块”、“平铺件(tile)”等)构建的多个伽马探测器16。图1示出了一种这样的探测器模块17的平面图，作为代表性插图。膛孔18限定了检查体积20，该检查体积用于接收待成像的受试者的靶标体积，诸如大脑、躯干等。探测器16通常被布置成延伸检查体积20的长度的一个或多个固定的环。然而，还可设想到可旋转的机头。探测器16探测来自检查体积20的伽马光子并生成原始扫描数据。

参照图2，探测器模块17中的每一个包括通常按规则的栅格图案布置的一个或多个闪烁体22。闪烁体22的图案在下文更详细地描述。闪烁体22响应于伽马光子的能量沉积而闪烁并生成可见光脉冲。如所例示的，伽马光子24将能量沉积在闪烁体26中，由此导致产生可见光脉冲28。可见光脉冲的量值与对应的能量沉积的量值成比例。闪烁体22的示例包括铊掺杂的碘化钠(nai(ti))、铈掺杂的硅酸钇镥(lyso)、以及铈掺杂的硅酸镥(lso)。

除了闪烁体22之外，探测器模块17包括传感器30，该传感器用于探测闪烁体22中的可见光脉冲。传感器30包括多个光敏元件32。光敏元件32被布置成与闪烁体22的栅格相同尺寸的栅格并可光学地联接至对应的闪烁体22。在所例示的实施方式中，光敏元件32是硅光电倍增器(sipm)，而光电倍增管(pmt)以及数字式硅光电倍增器(dsipm)也被设想到。在例示性的图2中，在闪烁体晶体22和sipm32之间具有一对一的对应性，但这并非是必须的—例如，在另一实施方式中，闪烁体对sipm的比率是四对一，其中每个sipm由2x2阵列的闪烁体晶体覆盖。

每个sipm32包括光电二极管阵列(例如，盖格模式的雪崩光电二极管阵列)，每个光电二极管对应于光电二极管阵列的一个单元。适当地，sipm32被构造成以盖格模式操作，以生成一串单位脉冲，从而以数字模式操作。作为选择，sipm可被构造成以模拟模式操作。在光敏元件32是pmt时，在闪烁体22之间通常具有多对一的对应关系。不论闪烁体对探测器元件的比率如何，在典型的构造中，每个闪烁体晶体用作为一个探测器“像素”，也就是说，所探测的闪烁28被定位至单个确定的闪烁体晶体22。为此，闪烁体晶体22可涂覆有反光材料以控制晶体中的闪烁光。另外或作为选择，诸如anger逻辑的信号处理技术可用于定位哪个闪烁体晶体探测到闪烁事件28。还可设想到的是，进一步将闪烁事件定位在出现该闪烁事件的闪烁体晶体22中—例如，可基于在光探测器30处观察到的光线传播执行交互深度(doi)分析。

闪烁体晶体22被布置成规则的(例如笛卡尔)栅格，例如，闪烁体晶体22形成的行和列。更一般而言，由探测器像素位置形成的规则阵列或规则栅格包括在探测器的表面上以重复的图案布置的探测器像素位置，例如，在所示的示例中为笛卡尔行和列，或在探测器的表面上具有重复的六边形重复基本单元的规则的六边形布局，等。

然而，从图2中看出，一些闪烁体晶体被从规则的栅格中省略。在例示性的图2中，这些“缺失的”闪烁体晶体被填充元件23替代，例如切割成与闪烁体晶体22相同形状的玻璃元件。用填充元件23替代缺失的闪烁体晶体能够在改进闪烁体阵列的结构完整性方面具有优势，因为在一些设计中，毗邻晶体可以接触并且这样的接触有助于整个布局的结构强度。然而，还设想到的是，在闪烁体晶体22的(其他的)规则栅格中省略填充元件23并替代地具有未填充的开口。填充元件23(如果使用时)应是廉价的(至少与闪烁体晶体22相比)，例如，单个lyso晶体的成本是约$10美元，而大批量购买的相同尺寸的玻璃元件比它廉价的多。因此，省略的闪烁体晶体代表大量的成本节省。填充元件23由不会响应于伽马射线的吸收而生成明显闪烁的材料(例如玻璃)制成，或填充元件22根本不吸收伽马射线(即对伽马射线是透明的)。

更一般而言，辐射探测器具有由探测器像素位置形成的规则阵列且包括：(i)占据所述规则阵列的一些探测器像素位置的辐射探测器元件22(例如，闪烁体晶体22)；以及(ii)所述规则阵列的不被辐射探测器元件占据的空置探测器像素位置。在图2的基于闪烁体的实施方式中，闪烁体晶体22是辐射探测器元件，因为闪烁体晶体22吸收辐射粒子24，因此实现其探测。在例示性的实施方式中，空置探测器像素位置(也就是，缺失的探测器像素)被布置成规则的子阵列，例如，如图3的例示性示例中示出的。

例示性的探测器模块17包括8x8阵列的闪烁体晶体22，但设想到其他尺寸。此外，根据构成元件的尺寸，设想到各种模块/子模块的组合，其中对于各种模块和子模块具有各种术语，例如“平铺件”、“插件(podule)”、“模块”等。应理解的是，所示出的几何形状仅是例示性示例，并且能够使用和设想到具有其他填充因数的其他几何形状。

回过来参照图1，在使用扫描器12对受试者进行扫描期间，受试者的靶标体积被注射放射性药剂或放射性核素。放射性药剂或放射性核素从靶标体积发射伽马光子，或导致伽马光子发射。靶标体积则使用对应于扫描器12的受试者支撑件34定位于检查体积20中。一旦靶标体积定位于检查体积20内，控制扫描器12以执行靶标体积的扫描并采集事件数据。所采集的事件数据描述了由探测器16探测到的每个闪烁事件的时间、位置和能量，并适当地存储于数据缓存器36内，示为pet数据缓存器。

在采集后，或与其同时，事件验证处理器38过滤所缓存的事件数据。过滤包括将每个闪烁事件的能量(数字模式的单元计数)与限定用于闪烁事件的可接受能量范围的能量窗进行比较。落到能量窗外侧的那些闪烁则被滤除。通常，能量窗的中心位于从检查体积20接收的伽马光子的已知能量上(例如，511千电子伏特(kev))，并使用根据校准模型生成的能量光谱的半宽高(fwhm)来确定。

对于pet成像，事件验证处理器38还根据过滤的事件数据生成响应线(lor)。lor由在彼此的规定时间差内(即同时发生事件)撞击探测器16的一对伽马光子限定。规定时间差足够小，以确保伽马射线是来自相同的湮灭事件。对于spect成像，事件验证处理器38还生成投影线或小角度锥(通常称为“投影”)。投影由撞击探测器16的伽马光子限定。lor或投影被存储于列表模式存储器的列表中。每个列表的项对应于lor或投影。

在使用包括具有缺失的闪烁体晶体(例如，由填充元件23替代)的探测器模块17的探测器16时，伽马射线不会被这些缺失的闪烁体晶体探测到。在缺失的闪烁体晶体的数量充分地小时，则这将不是重要问题，因为效果将在统计学上无关紧要。然而，在本文所公开的实施方式中，缺失的晶体达到在完全填充的规则阵列中将存在的闪烁体晶体的总数的相当大的分数。例如，模块17在被完全填充时将具有8x8＝64个闪烁体22。从图2中看出(或在图1的插图中)，在探测器模块17中具有16个缺失的闪烁体晶体—也就是说，“填满的”8x8阵列的晶体中的25％是缺失的。在本文公开的其他实施方式中(参见图3)，缺失的晶体分数可以是50％或甚至75％(也能设想到其他的缺失的晶体分数)。因此，由于缺失的闪烁体晶体的这种大分数造成的“损失的”伽马射线采集是相当大的。

继续参照图1，为了补偿这些损失的采集，缺失的探测器像素补偿器41如本文中公开的基于存在的毗邻闪烁体晶体22的采集统计，生成用于每个缺失的闪烁体晶体的估算的(即近似的)数据。近似的数据与对应于缺失的闪烁体晶体的事件探测器位置被适当地格式化成列表模式格式。因此，缺失的探测器像素补偿器41的输出是“完整的”列表模式数据集，因此能够像由没有缺失的探测器像素的探测器16采集的那样进行处理。

重建处理器42，示为pet重建处理器，将列表模式数据(即，投影或lor的列表，根据成像模态，其中用于缺失的闪烁体晶体的估算数据被缺失的探测器像素补偿器41填入)重建到靶标体积的重建图像中，该图像存储在例如pet图像存储器44中，和/或在显示装置48上显示等。各种数据处理部件38、41、42能适当地实施为通过合适的软件或固件编程的计算机46或其他电子数据处理装置，以执行如本文中所公开的各种功能。计算机46或其他电子数据处理装置可进一步编程以用作为控制器或用户界面，通过它们，放射学技师或其他医务人员使用合适的用户界面装置，诸如例示性的键盘50、鼠标、轨迹球、触敏显示器等，来操作成像扫描器12。还应理解的是，各种数据处理部件38、41、42能够实施为单独的部件(如所示)或可以不同地集成到一起——例如，缺失的探测器像素补偿器的功能可以与事件验证部件集成以生成列表模式数据。

参照图3，示出了用于探测器模块的一些例示性的缩减晶体设计图案。完整图案300是用于晶体模块的常规晶体设计图案，其中每个晶体位置被一个闪烁体晶体22占据，即100％的晶体容量。在一个实施方式中，使用除去晶体的25％的缩减图案302。(这对应于图1、插图和图2的例示性探测器模块17)。在另一实施方式中，使用除去晶体的50％的缩减图案304。在另一实施方式中，使用除去晶体的75％的缩减图案306。这些图案将在下文更详细论述。应理解的是，图3中所示的图案是图解性的表格表示，其中数字标记描绘了晶体的不存在/存在，其中每个方形，即表格条目，表示潜在的晶体位置。在该情形中，“1”表示晶体存在308于晶体位置处，且“0”表示晶体不存在310于晶体位置处。在一些实施方式中，缺失的探测器像素它们自身被布置成规则栅格或阵列，因为这样能够简化对用于缺失的探测器像素的估算数据的计算，如本文中所述。

如上所述，使用缩减的晶体图案对受试者采集列表模式数据。由于缩减的晶体图案设计，通过基于毗邻的探测器像素(包括直接毗邻，即相邻的探测器像素，且可选地还包括更远距离的，例如次最近邻的探测器像素)的实际采集的统计信息给那些缺失的像素添加估算的数据，缺失的探测器像素补偿器41负责晶体不存在310的像素处缺失的事件数据。

在一个实施方式中，缺失的探测器像素补偿器41通过使用来自相邻晶体的事件数据(即单个计数)的平均值来负责缺失的晶体。例如，在缩减25％的晶体设计图案302中(图3右上的示例，也对应于图1、插图、和图2中的例示性探测器模块17)，选择3x3的窗口312以包括8个填充晶体的位置，该8个填充晶体的位置围绕一个不存在晶体的位置。缺失的探测器像素补偿器41对这8个最近邻晶体的位置的事件数据求平均并将该平均值存储为对应于该不存在晶体的位置的事件数据。对于模块边缘上的不存在晶体的位置，可使用3x1的窗口314或1x3的窗口316来对填充晶体的位置的事件数据求平均并将该平均值存储为不存在晶体的位置的事件数据。能够设想到使用其他尺寸的窗口。

在另一示例中，在缩减50％的晶体设计图案304中，使用2x2的窗口318、3x3窗口的319来对最近邻的填充晶体的位置的事件数据求平均并将该平均值存储为对应于不存在晶体的位置的事件数据。对于模块边缘上的不存在晶体的位置，使用3x1的窗口314或1x3的窗口316来对填充晶体的位置的事件数据求平均并将该平均值存储为不存在晶体的位置的事件数据。能够设想到使用其他尺寸的窗口。

在又一示例中，在缩减75％的晶体设计图案306中，一对最近邻的对角相邻的填充晶体320或两对最近邻的对角相邻的填充晶体322能够用于对填充晶体的位置的事件数据求平均并将该平均值存储为对应于不存在晶体的位置的事件数据。对于不具有对角相邻的填充晶体的不存在晶体的位置，可使用3x1的窗口324或1x3的窗口326来对填充晶体的位置的事件数据求平均并将该平均值存储为不存在晶体的位置的事件数据。对于模块边缘上的不存在晶体的位置，可使用3x1的窗口314或1x3的窗口316来对填充晶体的位置的事件数据求平均并将该平均值存储为不存在晶体的位置的事件数据。能够设想到使用其他尺寸的窗口。

在这些示例中，在估算用于缺失的闪烁体晶体的数据中仅使用紧邻、即相邻的探测器元件。在另一方案中，还可以纳入更远距离的晶体。例如，次最近邻元件可以加入。在该情形中，由于次最近邻晶体的数据不能够像最近邻像素那样具有代表性，所以该数据可因此进行加权，即与最近邻晶体相比，给来自次最近邻晶体的数据赋予较低的权重。

为了实施缺失的探测器像素补偿器41，提供了表格，其具有用于每个缺失的探测器元件(即，每个缺失的闪烁体晶体)的条目，该条目确定将被组合的现存探测器元件，以连同赋予来自每个现存闪烁体晶体的数据的权重来估算用于缺失的探测器元件的数据。

更具体而言，在一个实施方式中，缺失的探测器像素补偿器41采用加权平均法来构造用于不存在晶体的位置310的事件数据值。事件验证处理器38使用被设计成确定在不存在晶体的位置处的事件的线性或非线性加权导引函数。可使用各种加权方式来选择函数的权重。在一个实施方式中，使用距离导引法选择权重。距离导引法考虑了不存在晶体的位置310与填充晶体的位置308的距离作为因子来确定给具体晶体处的事件赋予的权重(即，来自直接相邻的晶体的数据与次最近邻晶体相比权重更重，等等)。在另一实施方式中，事件验证处理器308考虑了在填充晶体的位置308处事件的强度，即单个计数的数量，来确定用于该位置的权重。

前述内容能够直接应用于单光子发射计算机断层成像(spect)数据的情形中，由于在spect中，每个探测器像素独立于其他探测器像素采集响应线(lor)。通过对比，在pet中，每个lor由两个(几乎)同时的511kev的伽马粒子探测事件限定。为处理这种情况，可针对每个探测器像素对执行所描述的求平均。例如，考虑限定在探测器像素i和j之间的lor(i,j)，其中探测器像素i是缺失的像素而探测器像素j是存在的探测器像素。毗邻缺失的像素i的每个存在的探测器像素和探测器像素j之间的lor计数则能够求平均。在对两个探测器元件i和j均缺失的lor(i,j)进行估算的情形中，可采用各种方法。在一种方案中，这些数据从重建的列表模式数据集中省略。尽管这在一定程度上可能影响图像质量，但影响相对较低，尤其是对于其中缺失的探测器像素的分数较低的设计，例如，如图1、插图和图2的实施方式中的25％。另一方案是：(1)对lor(i,j+1)进行估算，其中j+1表示对于缺失的探测器j来说存在的紧邻像素(使得该情形转换为刚才描述的缺失一个像素的情形)；(2)对lor(i+1,j)进行估算，其中i+1表示对于缺失的探测器i来说存在的紧邻像素；以及(3)对步骤(1)和(2)的结果求平均。可选地，根据计算复杂度和估算质量之间的预期平衡，该方案对于缺失的像素i和j周围的像素中的一些或全部可以重复。

根据由重建处理器42执行的图像重建的性质，用于缺失的探测器像素的所估算的lor可能需要被赋予估算的时间戳记。(例如，在图像重建对数据集的全部lor执行前向/后向投影而不考虑时间信息时，时间戳记值是没有意义的)。对于不随时间运动或以其它方式改变的静止的成像受试者，用于缺失的探测器像素的时间戳记可赋予在数据采集的时间间隔内的随机值或伪随机值，从而均匀地填满时间间隔。如果期望估算时间戳记的统计信息中的时间变化(这适于例如在测量放射性药剂流入或洗出的动态成像任务中)，则在用于毗邻探测器像素的采集时间间隔上的时间戳记分布可被选择为“模板”，且用于缺失的探测器像素的所估算的lor的时间戳记被选择以遵从该统计分布。

在一个实施方式中，由于标准视场中缩减数量的晶体，实现了缩减的扫描时间。在另一实施方式中，通过增加在完整的探测器块之间的间隔和增加视场实现了缩减的扫描时间。

回过来参照图1，控制系统，诸如例示性的计算机46，适当地提供了图形用户界面(gui)以允许使用者控制扫描器12对受试者成像。例如，用户能够调整受试者的靶标体积的pet图像。此外，通过gui，能够利用控制系统来观察且可选地操纵存储于图像存储器44内的图像。例如，图像存储器的图像能够在显示装置48上显示。

在一些情形中，一个或多个存储器36、40、41和/或处理部件38、41，4与控制系统集成，例如，作为单体的计算机系统。例如，重建处理器42、缺失的探测器像素补偿器41、以及事件验证处理器38能够共用共同的处理器。

如本文中所使用的，存储器包括存储数据的任意装置或系统，诸如随机存取存储器(ram)或只读存储器(rom)、硬盘驱动器、光盘等。此外，如本文中所使用的，处理器包括处理输入装置以生成输出数据的任意装置或系统，诸如微处理器、微控制器(通常具有附件，诸如工作ram内存)、图形处理单元(gpu)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)等；控制器包括控制另一装置或系统的任意装置或系统，并通常包括至少一个处理器；用户输入装置包括诸如鼠标或键盘的、允许用户输入装置的使用者向另一装置或系统提供输入的任意装置；以及显示装置，其包括用于显示数据的任意装置，诸如液晶显示器(lcd)或发光二极管(led)显示器。

例示性实施方式利用了每个探测器像素对应单个闪烁体晶体的辐射探测器设计。在功能上，探测器像素是在辐射探测器上辐射探测事件能够定位到的最小元件(尽管一些其他的辅助定位，诸如doi，是可行的)。因此，探测器像素的尺寸决定了辐射探测器的空间分辨率。在另一设想到的实施方式中，利用直接探测固态探测器元件，其中通过由固态探测器吸收辐射粒子来直接探测辐射，而没有生成光线的中介闪烁体/闪烁事件。在固态探测器中，探测器像素对应于单个固态探测器元件，其响应于吸收辐射粒子而生成电流脉冲(或其他信号)。与本文中所公开的基于闪烁体的实施方式类似，这种固态探测器通过从制成辐射探测器的由固态探测器元件形成的规则阵列省略某些固态探测器元件，以及基于由毗邻的固态探测器元件采集的lor数据来估算用于缺失的固态探测器元件的lor，能够有利地根据本文公开的原理来构造，

本发明已经参照优选实施方式进行描述。在阅读和理解前面的详细描述后，对他人来说可出现若干修改和变体。目的是本发明应被解释为包括所有这些修改和变体，只要它们进入所附权利要求或其等同方案的范围内。