专利名称：带有粗疏角和层重排的三维飞行时间pet的制作方法
技术领域：
本发明涉及辐射检测领域。本发明尤其涉及飞行时间正电子发射 断层扫描(time-of-flight positron emission tomography, TOF-PET )成 像，并特别参考这种技术对本发明进行描述。不过，本发明大体上更 多地涉及利用同时产生辐射粒子发射事件的放射性示踪剂和成像剂的 成像、光谱术和类似的技术。
背景技术：
在PET中，将放射性药剂给予患者或其它成像对象。放射性药剂 产生辐射衰变事件，这些事件发射正电子，这些正电子在电子-正电子 湮没事件中与周围的成像对象的电子快速相互作用以产生两条相对指 向的伽马射线之前传播非常短的距离。这些伽马射线由成像对象周围 的辐射检测器检测为两个基本上同时发生的辐射检测事件，这些事件 在它们之间限定反应线(line-of-response， LOR)。虽然对这些伽马射线"基本上同时"进行检测，但若所涉及的两 个辐射检测器中的一个比另一个检测器更接近于电子-正电子湮没事 件，那么就会在这两个辐射检测事件之间产生小的时间差。由于伽马 射线以光速传播，所以这些检测之间的时间差通常在约几纳秒或更 少。在TOF-PET中，辐射检测器以足够高的速度运行，以能够产生这种小的飞行时间差的测量值，然后，这种测量值用于将电子-正电子湮 没事件定位于LOR的区段。所采集的LOR数据限定投射数据，这些 投射数据可由经过过滤的背投、迭代背投(iterative backprojection ) 或其它算法进行重建，以产生重建图像。重建速度和精度中的一个因素是角排列(angular binning)分辨 率。典型的PET扫描仪具有一个或多个检测器环，每个检测器环包括 600至700个检测器像素。因此，在检测器环的横向平面中采集的LOR 数据的角分辨率(所采集的角排列尺寸)约在0.5。至1° 。通过将LOR 数据重排(rebinning)到较少的角仓中来提高重建速度，每个角仓跨 越较大的角仓尺寸或间隔。不过，通常认为角重排可将图像的分辨率降低到一定的程度，这种程度相当于角重排的LOR数据的降低的角分辨率。在三维PET中，辐射检测器的多个环围绕成像对象以向多个层提 供成像数据。相对指向的伽马射线通常可由在相同或不同环上的辐射 检测器进行检测。由相同环的辐射检测器检测的伽马射线对从位于包 含该环的平面中的正电子-电子湮没事件发出；不过，由不同环的辐射 检测器检测的伽马射线对从位于由检测这些伽马射线的环所界定的体 积中的正电子-电子湮没事件发出。在一种重建方式中，仅对与由相同 的环所检测的重合伽马射线对应的LOR数据进行处理。这种方式允许 对每个层单独进行重建，但导致大量LOR数据的废弃。为了利用包括 使用两个不同的检测器环采集的LOR投射的所有LOR数据，以三维 方式进行背投或其它重建，这种方式属于计算密集型并要求大量的数 据储存。本发明构思出克服前面所描述的限制和其它缺点的改进设备和方法。发明内容根据一个方面，提供一种成像方法。采集三维正电子发射断层扫 描飞行时间反应线(TOF-LOR)数据。每个TOF-LOR对应于带有飞 行时间空间定位的反应线。在飞行时间空间定位的基础上将TOF-LOR 数据按层排在多个二维TOF-LOR数据集中。这些层排的TOF-LOR 数据中的至少一些对应于对于二维数据集是斜的反应线。将二维 TOF-LOR数据集重建成限定三维重建图像的对应图像层。根据另一个方面，公开一种正电子发射断层(PET)扫描仪，这 种扫描仪用于实现发明内容的第一段中所提出的方法。根据再一个方面，公开一种处理器，将这种处理器编程以实现发 明内容的第一段中所提出的方法。根据再一个方面，公开一种飞行时间正电子发射断层扫描仪。提 供一种用于采集三维正电子发射断层扫描飞行时间反应线(TOF-LOR) 数据的装置。每个TOF-LOR对应于带有飞行时间空间定位的 反应线。提供一种用于在飞行时间空间定位的基础上将TOF-LOR数 据按层排在多个二维TOF-LOR数据集中的装置。这些层排的TOF-LOR数据中的至少一些对应于反应线，对于二维数据集来讲，这些反 应线是斜的。提供一种用于将二维TOF-LOR数据集重建成限定三维 重建图像的对应图像层的装置。根据再一个方面，提供一种成像方法。采集正电子发射断层扫描 飞行时间反应线(TOF-LOR)数据。每个TOF-LOR对应于带有飞行 时间空间定位的反应线。将TOF-LOR数据粗疏地角重排(coarsely angularly rebin)到多个粗疏角仓中，每个仓具有至少约10°的角跨 距。对粗疏角排列的TOF-LOR数据进行重建，以产生图像层。 本发明的一个优点在于提供快速TOF-PET图像重建。 另一个优点在于提供高分辨率TOF-PET图像重建。 再一个优点在于使TOF-PET图像重建在分层的基础上进行，而并 不废弃由不同的检测器环所采集的LOR数据。再一个优点在于利用粗疏角重排提供快速TOF-PET图像重建，而 并无伴随的图像分辨率的损失。在阅读了下面的详细描述之后，本领域中熟练的技术人员就会明 白多种另外的优点和好处。
本发明通过各种器件和器件的布置以及各种程序操作和程序操作 的布置成形。附图仅用于示出优选实施例且并不解释为对本发明进行 限制。图1图示出采用粗疏角重排且极可能是层重排(slice rebinning) 的TOF-PET系统。图2图示出在用于飞行时间定位的基础上将三维TOF-LOR数据 集排到多个二维TOF-LOR数据集中的层排。图3图示出用于二维TOF-LOR数据的粗疏角重排的最小仓尺寸 的偏差。图4图示出一种粗疏角重排方式。图5图示出适于最可能由图1中TOF-PET系统的层重排处理器和 二维重建处理器进行的集成三维TOF-PET重建过程的框图。
具体实施方式
参看图1，飞行时间正电子发射断层(TOF-PET)扫描仪8包括 多个辐射检测器环10，这些环10布置成观察成像区域12，成像对象 安排在成像区域12中。在图1中，成像对象是患者13的头部；不过， 也可形成其它解剖区域的图像，而且成像对象可以不是人类。为了便 于说明，在图1中示出了五个辐射检测器环10，这五个辐射检测器环 分别用ri、 r2、 r3、 r4和rs表示；不过，通常包括20至60个或更多的 检测器环，以用于高分辨率三维成像。而且，将会理解，用图形示出 了这些辐射检测器环10;这些辐射检测器环通常容纳在扫描仪8的外 壳14中，因此从外部看不到。每个辐射检测器环IO通常包括数百个 辐射检测器，例如，限定每个环600至700个的辐射检测器像素。在TOF-PET成像的起动之前将适当的放射性药剂给予患者或其 它成像对象。放射性药剂包括放射性物质，这种放射性物质经受放射 衰变事件，这些事件发射正电子。这些正电子迅速与附近的成像对象 的电子湮灭。图1图示出一个示例性正电子-电子湮灭事件16。每个正 电子-电子湮灭事件产生具有511keV的能量的两条相对指向的伽马射 线。该示例性正电子-电子湮灭事件产生伽马射线17、 18。还构思出其 它的放射性药剂，这些放射性药剂导致引起多个粒子产生的放射衰 变，将沿着反向的或其它的可预见的相对轨道发射这些粒子。伽马射 线以光速传播，即 3><108米/秒。由于成像区域12通常具有约为2米 或更小的直径或其它性能尺寸，所以从正电子-电子湮灭事件的位置至 多个辐射检测器10中的一个检测器的飞行时间约几纳秒或更少。因 此，两条相对指向的伽马射线基本上同时撞击这些辐射检测器中的两 个。这两条伽马射线可由在相同的辐射检测器环上的辐射检测器进行 检测。在这种情形中，对应的LOR位于辐射检测器环的平面中，且可 容易地明白，正电子-电子湮灭事件位于由辐射检测器环所限定的空间 层中。不过，这两条伽马射线更普遍地是由两个不同的辐射检测器环检 测。例如，所示出的伽马射线17、 18由辐射检测器环10中的两个不 同的检测器进行检测。特别地，伽马射线17由辐射检测器环n检测， 而伽马射线18由辐射检测器环r4检测。在这种情形中，对应的LOR 并不与辐射检测器环10中的任何一个共面，且正电子-电子湮灭事件16可位于由检测器环n、 r2、 r3、 r4所限定的四个空间层中的任何一个 中。这些辐射检测器例如利用Anger逻辑或其它处理将每个粒子检测 定位，以确定粒子的能量和检测的精确位置。可将这种逻辑集成在辐 射检测器电子装置中，或可容纳在PET外壳14中或可位于离开扫描仪 的位置。将合成的辐射检测事件储存在事件清单緩沖器22中，且每个 检测事件由检测时间加上标签或附上说明，以便于TOF处理。伽马射 线对检测电路24对这些辐射检测事件进行处理，以识别属于对应的电 子-正电子湮灭事件的基本上同时发生的伽马射线检测对。这种处理可 包括如能量加窗(即废弃以约511keV设置的已选能量过滤窗以外的辐 射检测事件)和重合检测电路(即废弃以大于已选时间过滤间隔在时 间上相互分开的辐射检测事件对)。在识别伽马射线对时，反应线(LOR)处理器28处理与两个伽马 射线检测事件有关的空间信息，以识别连接这两个伽马射线检测的空 间反应线(LOR)。由于沿着完全相对的路径发射这两条伽马射线， 所以分辨出在LOR上的某个位置已发生了电子-正电子湮灭事件。在TOF-PET中，检测器环10的辐射检测器具有足够高的瞬时分 辨率，以检测两个"基本上同时发生的"伽马射线检测之间的飞4亍时 间差。飞行时间处理器3 0对这两个伽马射线检测事件的时间之间的差 异进行分析，以沿着该LOR将正电子-电子湮灭事件定位。在飞行时 间信息的基础上确定飞行时间反应线(TOF-LOR)，如组织投射。在 图1中示出了对应于示例性正电子-电子湮灭事件16的组织投射31。 由于与检测伽马射线17的辐射检测器相比，示例性正电子-电子湮灭事 件16更接近于检测伽马射线18的辐射检测器，所以伽马射线18的飞 -f亍时间短于伽马射线17的飞行时间，因此，沿着该LOR朝向检测伽 马射线18的辐射检测器相应地移动TOF-LOR或组织投射31。TOF-LOR31具有沿着该LOR的有限长度，该长度非零，因为这 些辐射检测器具有有限的时间分辨率。在一些实施例中，每个TOF-LOR体现或代表表示沿着LOR的正电子-电子湮灭事件的位置的高斯 或其它可能性分布。在其它实施例中，该TOF-LOR体现或代表整个 统计宽度的不变值，如沿着LOR的可能性分布的半极大处全宽度 (FWHM ) 。 TOF-LOR可在TOF信息的基础上采用沿着LOR的正电子-电子湮灭事件的位置的其它适当表示。将累积用于大量的正电子-电子湮灭事件的合成TOF-LOR数据作为三维TOF-LOR数据32集储存。继续参看图l并进一步参看图2，最可能的层排处理器40在这些 TOF-LOR的飞行时间定位的基础上将三维TOF-LOR数据集32排列 在多个二维TOF-LOR数据集42中。层排将TOF-LOR数据32适当地 排在由辐射检测器环所限定的层中。对于所示出的带有五个检测器环 10的实施例来讲，最可能的层排处理器40将三维TOF-LOR数据32 排列在分别对应于检测器环n、 r2、 r3、 r4和rs的五个二维TOF-LOR 数据集42中。层排将每个TOF-LOR适当地排到含有TOF-LOR的至少中心部 分的空间层。若每个TOF-LOR代表表示基础正电子-电子湮灭事件的 高斯或其它可能性分布，那么就直接确定表示正电子-电子湮灭事件的 最有可能的空间位置的可能性分布的高斯峰值或其它中间值或平均 值。然后，层排处理器40将每个TOF-LOR适当地排到空间层，该空 间层含有对应于该TOF-LOR的正电子-电子湮灭事件的最有可能的空 间位置。在图2中，可以看出将示例性TOF-LOR31适当地排到由辐射检测 器环r3所限定的层，该层含有大多数或所有的TOF-LOR31。在一些实 施例中，层装包括将每个TOF-LOR投射到层中，将该TOF-LOR层装 到该层中。这在图2中示出，在图2中，将示例性TOF-LOR31投射到 由检测器环O所限定的层中，以限定位于由检测器环n所限定的层中 的TOF-LOR31'。在所构思出的其它实施例中，将TOF-LOR适当地 旋转到该层中，这样就在二维数据集中产生通常较大的TOF-LOR。或 者，空间TOF-LOR排到两个或更多的层中，且TOF-LOR对按照在每 个层中发生的事件的可能性权重的每个层由作用。下面是一种用于层装的方式的一个数量示例。在此示例中，每个 LOR具有由在时间"发生的辐射检测事件所确定的第一端点(Xb yi、 zO个由在时间12发生的辐射检测事件所确定的第一端点"2、 y2、 z2)。 飞行时间信息由时间差At-t2-"量化。将最有可能的层(ZML)适当 地确定为<formula>formula see original document page 11</formula> (1)式中，"C"表示光速，d表示LOR的长度，这种长度由下面的等 式给出<formula>formula see original document page 11</formula>(2)ZML的第一项是LOR的第一和第二端点之间的平均层位置，而ZML的第二项是说明TOF信息的相关或调节项。继续参看图2，用e表示LOR所排到的图像层的各自的LOR的 角度。在将高斯核表示用于飞行时间信息时，就可通过用光速(c=3.0 x1011毫米/秒)乘时间上的飞行时间偏差计算飞行时间(FWHMtof) 的空间上的偏差。将由最有可能的层排处理器40所进行的层的误置的 可能性的估计计算为<formula>formula see original document page 11</formula>(3) 对于在带有15°的轴向开度角(θ(max) =7.5° )和FWHMTOF = 300皮秒(90毫米)的系统中具有最斜LOR的TOF-PET来讲FWHMslice=sin(7.5° ) x ( 90毫米)=12亳米 (4 )。这是最大的层误置。对于不太斜的LOR(即6〈7.5。)来讲，这种误 差会更小。有利的是，层误置误差仅略微取决于PET扫描仪的视野内 的TOF-LOR的位置，并且基本上由飞行时间分辨率确定。二维TOF-LOR数据集42中的每一个由二维重建处理器50重建， 以产生对应的图像层。这些重建图像层共同限定存储在图像存储器52 中的三维重建图像。可将这种三维重建图像显示在用户界面54上，并 且可打印、储存或通过内联网或国际互联网传送或以其它方式使用。 在所示出的实施例中，用户界面54还能够使放射线医生或其它用户控 制TOF-PET扫描仪8;在其它的实施例中，可设有分立的控制器或控制计算机。继续参看图l， 二维重建处理器50包括粗疏角重排处理器60，粗 疏角重排处理器60将二维TOF-LOR数据集重排到多个粗疏角仓中。 在一些实施例中，每个角仓具有至少约10°的角跨距。在一些实施例中，角仓的数量少于约二十个仓，这些仓共同跨越180。的角跨距。背 投射仪62将粗疏角重排的TOF-LOR数据进行背投，以产生重建图像 层。在一些实施例中，背投射仪62是在单一迭代中产生重建图像的过 滤背投射仪(filtered backprojector)。在其它实施例中，背投射仪62 采用二维TOF-LOR数据的迭代背投来产生图像层。其它的重建算法 也可用于重建粗疏角重排的TOF-LOR数据，以产生重建图像层。参看图3，粗疏重排，例如利用带有至少约10°的角跨距的仓的 粗疏重排，并不在实质上降低重建图像的分辨率。对于高斯飞行时间 核(Gaussian time-of-flight kernels)来讲，将空间飞行时间分辨率适当地 表示为FWHM，。考虑半径为R的所涉及的区域，g个像素跨越这个区 域(即Ax R= g ，其中，Ax是如图3所示的像素尺寸)。在限定 g-R/FWHM，且R是所涉及的区域的半径时，若角重排所导致的误差小 于像素尺寸Ax，那么分辨率就不会降低。对于用于角仓的AO的均匀 角跨距来讲，这通过选择用于角仓的至少约△ O-atan (2g/ g )的均匀 角跨距来实现。这推导用于代表对称的高斯可能性分布的T0F-L0R， 对称的高斯可能性分布与L0R的角度无关。图4示出了用于粗疏角重排的一种方式。T0F-L0R 31'在图4中 示出，图4还示出了用实线画出的作为高斯轮廓的T0F信息。T0F-L0R31 '在层平面中处于角①。将经过角重排的TOF-LOR32''重排到用标 记n识别的角仓On中。用于经过角重排的T0F-L0R31''的TOF信息 示出为用虚线画出的高斯轮廓。示于图4中的坐标S是T0F-L0R31' 的反应线与扫描^l的中心之间的径向距离。坐标I确定T0F-L0R31' 沿着反应线的位置。坐标S'和r是经过角重排的T0F-L0R31''的 对应径向和TOF坐才示。参看图5，可改变由排列处理器40、 60进行的TOF-LOR排列操作 的排序。图5示出了由最有可能的层重排处理器40适当进行的集成三 维TOF-PET重建过程的框图，而且还示出了二维重建处理器50。将带 有接近的取向的T0F-LOR数据加到用于每个角度的不同的原像中。原 像的生成用于每个角度，且将利用时间差计算的用于每个"关闭的" T0F-LOR的对应于每个TOF-LOR的正电子-电子湮灭的最有可能的点加到该原像。参看图1，熟练的技术人员会理解，可将包括粗疏角重排的二维重建处理器50直接应用于二维T0F-L0R数据集。例如，具有单检测器环 的TOF-PET扫描仪直接采集二维TOF-LOR数据集。可将这种二维 TOF-LOR数据集直接输入到二维重建处理器50以提供利用粗疏角重排 的快速二维重建，而并无层排，因为具有单检测器环的PET扫描仪仅 从单层采集数据。已通过参看优选实施例对本发明进行了描述。显然，通过阅读和 理解前面的详细描述，其他人可对本发明进行修改和变化。本发明旨 在解释为包括所有的这些修改和变化，只要这些修改和变化在所附的 权利要求书或等同的描述的范围之内。
权利要求
1.一种成像方法，所述成像方法包括以下步骤采集三维正电子发射断层扫描飞行时间反应线(TOF-LOR)数据，每个TOF-LOR对应于带有飞行时间空间定位的反应线；在所述飞行时间空间定位的基础上将所述TOF-LOR数据层排在多个二维TOF-LOR数据集中，所述层排的TOF-LOR数据中的至少一些对应于这样的反应线，这些反应线对于所述二维数据集而言是斜的；以及将所述二维TOF-LOR数据集重建成限定三维重建图像的对应图像层。
2. 如权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述采集TOF-LOR 数据的步骤采用多个辐射检测 器环， 且所述层排步骤包括将所述TOF-LOR数据排到对应于由所述辐射检测器环所限定 的层的多个二维TOF-LOR数据集中。
3. 如权利要求2所述的成像方法，其特征在于所述层排步骤进 一步包括将每个斜的TOF-LOR投射到其中所述TOF-LOR被层排的层中。
4. 如权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述采集TOF-LOR 数据的步骤采用多个辐射检测器环， 每个辐射检测器环限定空间 层，且所述层排步骤包括将每个斜的TOF-LOR排列到含有所述TOF-LOR的至少中心 部分的空间层。
5. 如权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述采集TOF-LOR 数据的步骤采用多个辐射检测器环，每个辐射检测器环限定空间 层，且所述层排步骤包括对于每个斜的TOF-LOR来讲，确定对应于所述TOF-LOR的 正电子-电子湮灭事件的最有可能的空间位置；以及将每个斜的TOF-LOR排到含有对应于所述斜的TOF-LOR的 正电子-电子湮灭事件的最有可能的空间位置的空间层。
6. 如权利要求1所述的成像方法，其特征在于每个二维TOF-LOR 数据集的所述重建包括将所述TOF-LOR数据过滤背投以产生所述图像层。
7. 如权利要求1所述的成像方法，其特征在于每个二维TOF-LOR 数据集的所述重建步骤包括采用所述TOF-LOR数据的迭代背投以产生所述图像层。
8. 如权利要求1所述的成像方法，其特征在于每个二维TOF-LOR 数据集的所述重建步骤包括将近似图像限定为由所述二维TOF-LOR数据集的TOF-LOR 限定的空间点的集合；以及对所述近似的图像进行逆向飞行时间过滤以产生所述图像层。
9. 如权利要求8所述的成像方法，其特征在于将所述近似图像 限定为由所述二维TOF-LOR数据集的TOF-LOR限定的空间点的集 合步骤包括将每个空间点限定为对应于所述TOF-LOR的正电子-电子湮 灭事件的最有可能的空间位置。
10. 如权利要求1所述的成像方法，其特征在于每个二维 TOF-LOR数据集的所述重建步骤包括将所述二维TOF-LOR数据集的TOF-LOR数据角排列到多个 角仓；以及将所述角排列的TOF-LOR数据重建以产生所述图像层。
11. 如权利要求10所述的成像方法，其特征在于所述角排列步 骤包括选择用于所述角仓的至少约△ O-atan (2g/ g )的均匀角跨距 (厶O)，式中，g等于所涉及的空间区域的半径除以所述T0F-L0R的统计宽度，且g等于跨越所涉及的空间区域的像素数量。
12. 如权利要求10所述的成像方法，其特征在于所述角仓的数 量少于约二十个仓，这些仓共同跨越180。的角跨距。
13. 如权利要求10所述的成像方法，其特征在于每个角仓的角 跨距至少约为10° 。
14. 一种用于实现权利要求1所提出的成像方法的正电子发射断 层(PET )扫描仪(8 )。
15. —种进行编程以实现权利要求1所提出的成像方法的处理器(24、 28、 30、 40、 50、 54)。
16. —种飞行时间正电子发射断层扫描仪(8)，包括 用于采集三维正电子发射断层扫描飞行时间反应线(TOF-LOR) 数据的装置(10、 22、 24、 28、 30)，每个TOF-LOR对应于 带有飞行时间空间定位的反应线；用于在所述飞行时间空间定位的基础上将所述TOF-LOR数据 层排在多个二维TOF-LOR数据集中的装置(40)，所述层排的 TOF-LOR数据中的至少一些对应于反应线，对于所述二维数据集来 讲，这些反应线是斜的；以及用于将所述二维TOF-LOR数据集重建成限定三维重建图像的 对应图像层的装置(50)。
17. 如权利要求16所述的扫描仪(8 ),其特征在于所述TOF-LOR 数据采集装置包括多个检测器环(10)，所述检测器环限定对应于所述二维 TOF-LOR数据集的层，每条斜的反应线由两个不同的环中的检测器来 检测。
18. —种成>(象方法，所述成像方法包括以下步骤 采集正电子发射断层扫描飞行时间反应线(TOF-LOR)数据，每个TOF-LOR对应于带有飞行时间空间定位的反应线；将所述TOF-LOR数据粗疏角地排列到多个粗疏角仓中，每个仓具有至少约10。的角跨距；以及对所述粗疏角排列的TOF-LOR数据进行重建，以产生所述图像层。
19. 如权利要求18所述的成像方法，其特征在于所述粗疏角排 列步骤包括选择用于所述角仓的至少约△ <D=atan (2g/ g )的均匀角跨距 (△O)，式中，g等于所涉及的空间区域的半径除以所述T0F-L0R 的统计宽度，且g等于跨越所涉及的空间区域的像素数量，且AO)至 少约为10° 。
全文摘要
在飞行时间正电子发射断层扫描(TOF-PET)成像方法中，采集三维飞行时间反应线(TOF-LOR)数据。每个TOF-LOR对应于带有飞行时间空间定位的反应线。在飞行时间空间定位的基础上将TOF-LOR数据按层排在多个二维TOF-LOR数据集中。层排的TOF-LOR数据中的至少一些对应于对于二维数据集是斜的反应线。将TOF-LOR数据粗疏角重排到多个粗疏角仓中，每个仓具有至少约10°的角跨距。对粗疏角排列的TOF-LOR数据进行重建，以产生图像层。
文档编号G06T11/00GK101223553SQ200680012067
公开日2008年7月16日 申请日期2006年3月28日 优先权日2005年4月14日
发明者S·J·C·范登伯格 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司