針對(duì)小間距閃爍晶體陣列的像素識(shí)別的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于伽馬射線探測(cè)器的校準(zhǔn)方法和模塊，涉及伽馬射線探測(cè)器以及醫(yī)學(xué)成像設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]伽馬射線和X射線成像探測(cè)器在醫(yī)學(xué)和其他應(yīng)用中被用作成像設(shè)備，例如正電子發(fā)射斷層攝影(PET)和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層攝影(SPECT)，的部分。這樣的成像探測(cè)器通常包括閃爍探測(cè)器或閃爍體，例如閃爍體晶體或閃爍體晶體的陣列，所述閃爍探測(cè)器或閃爍體被耦合到光探測(cè)器，例如光敏元件陣列。閃爍體響應(yīng)于入射(即撞擊)粒子(諸如電子、阿爾法粒子、離子或高能光子)而進(jìn)行閃爍，即發(fā)射閃光。所發(fā)射的光子由光探測(cè)器捕獲，其繼而由專(zhuān)用讀出電子器件讀出?；陂W爍光子在何處及何時(shí)被捕獲(即電荷在光探測(cè)器上的強(qiáng)度分布或者空間強(qiáng)度分布，其也可以被稱(chēng)為電荷分布)，能夠確定入射粒子在閃爍體中的時(shí)間和空間位置。由此，可以生成表示該置的圖像。該圖像包括關(guān)于各自的粒子在何處和何時(shí)被發(fā)射的信息，這能夠通過(guò)引入發(fā)射粒子的物質(zhì)或通過(guò)使得以其他方式在特定區(qū)處發(fā)射粒子，由醫(yī)學(xué)或其它成像設(shè)備利用。如果，例如，患者被給予發(fā)射特定種類(lèi)的粒子(可能響應(yīng)于代謝反應(yīng))的放射性示蹤物，則能夠生成表示這些粒子在何處被發(fā)射的圖像。備選地，伽馬射線探測(cè)器還可以探測(cè)由伽馬射線源發(fā)射并且在其去往所述探測(cè)器的路徑上與對(duì)象(例如，患者)相互作用的伽馬射線。
[0003]在這樣的成像方法的背景下的一個(gè)重要的問(wèn)題是所提供的圖像分辨率。該分辨率取決于各種因子，諸如光探測(cè)器或閃爍體的設(shè)計(jì)(例如，在使用陣列的情況下，光探測(cè)器陣列或閃爍體陣列的尺寸或間距)，數(shù)據(jù)處理和所使用的算法、不同部件的校準(zhǔn)、材料性質(zhì)(尺寸、質(zhì)量...)，外部狀況或其他影響。被包括在探測(cè)器中的閃爍體可以例如包括單個(gè)(單片)塊，其響應(yīng)于要被米樣和分析的入射粒子，實(shí)現(xiàn)所發(fā)射的閃爍光子的連續(xù)分布(光分布)O備選地，閃爍體可以包括小晶體針的陣列，這實(shí)現(xiàn)由這些針的間距給出的成像探測(cè)器的固有空間分辨率。單位面積更高數(shù)量的晶體針，即更小的針和/或更多針可以例如增加分辨率，其中，能夠以更高的精度確定入射粒子的位置。
[0004]因此，改進(jìn)這種成像探測(cè)器的固有空間分辨率可以通過(guò)減小在閃爍體陣列中的晶體元件的間距來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，使得晶體元件的間距更小導(dǎo)致必須正確被識(shí)別的更高數(shù)量的晶體元件。有針對(duì)對(duì)經(jīng)歷入射粒子的晶體的識(shí)別的兩個(gè)主要策略:每個(gè)個(gè)體閃爍體晶體元件能夠借助于專(zhuān)用光探測(cè)器元件個(gè)體地被讀出，或光共享方法被使用。根據(jù)光共享方法，閃爍體陣列的間距通常比光探測(cè)器陣列的間距小，使得若干晶體元件被放置于單個(gè)光探測(cè)器陣列像素上。為了識(shí)別由入射粒子撞擊的各自的晶體針，即閃爍體陣列元件，然后可以評(píng)估閃爍光如何在多個(gè)光探測(cè)器元件上分布。為了改進(jìn)探測(cè)和晶體針的正確識(shí)別，光導(dǎo)，即光學(xué)均勻并且透明的固體材料，可以用于將閃爍光分布在若干光探測(cè)器陣列像素上。閃爍光子，即閃爍光或閃爍閃光在所述光探測(cè)器陣列的光敏元件上的分布然后可以被分析，以識(shí)別被撞擊的閃爍體陣列元件。此外，能夠確定入射粒子的能量。然而，如果使用光共享代替?zhèn)€體地讀出每個(gè)閃爍體陣列元件，則正確參數(shù)(時(shí)間，能量和撞擊的位置)的提取通常是更加困難的。另一方面，在光探測(cè)器中的所需光敏元件(光探測(cè)器像素)數(shù)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的復(fù)雜性可以顯著降低，這可以實(shí)現(xiàn)更低的設(shè)備成本。例如，現(xiàn)代臨床PET掃描器具有14到15數(shù)量級(jí)的許多閃爍體晶體元件。陣列的間距通常為大約4mm，從而實(shí)現(xiàn)約4mm的固有空間分辨率。如果個(gè)體讀出每個(gè)閃爍體晶體陣列元件，則將需要光探測(cè)器中的相同數(shù)量的光敏元件(光探測(cè)器像素)和電子通道。光共享方法的使用可以以一量級(jí)或幅度減少所需光探測(cè)器像素和電子通道的數(shù)量。
[0005]然而，利用光共享方法的也能夠?qū)е氯秉c(diǎn)。例如，在基于光共享的伽馬射線探測(cè)器中，必須從來(lái)自光探測(cè)器中的所有受影響的光敏元件的信號(hào)的集合中提取由入射的伽馬射線撞擊的晶體，即晶體元件以及該伽馬射線的能量，這通常需要額外的計(jì)算步驟。對(duì)于定位，最廣泛使用的方法是憤怒定位(anger-pos i t1ning)，即對(duì)分布的重心或質(zhì)心的確定。然而，憤怒定位嚴(yán)重地受丟失信號(hào)影響，所述丟失信號(hào)例如由在光探測(cè)器中的死光敏元件或由一個(gè)或多個(gè)光敏元件的死時(shí)間引起。在Lerche等人的Maximum Likelihood BasedPosit1ning and Energy Correct1n for Pixelated Solid State PET Detectors，Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record第3027-3029頁(yè)(2011)中，作者呈現(xiàn)了用于確定入射伽馬射線的位置，并且提取各自的參數(shù)的備選方法。所述方法基于最大似然法。以光共享模式被耦合到光探測(cè)器陣列的閃爍體陣列中的最可能的光轉(zhuǎn)換位置通過(guò)將得到的光分布與針對(duì)閃爍體中的不同光轉(zhuǎn)換位置的預(yù)先確定的分布進(jìn)行比較來(lái)確定。最可能的位置，即對(duì)應(yīng)于最相似的光分布的位置，被用作對(duì)入射伽馬射線的閃爍體中的光轉(zhuǎn)換位置的估計(jì)。作者示出，醫(yī)學(xué)圖像的分辨率可以通過(guò)使用最大似然位置估計(jì)方法來(lái)改進(jìn)。
[0006]然而，并未詳述如何獲取用于比較的必要參考分布。
[0007]在Yoshida等人的Calibrat1nProcedure for a DOI Detector of HighResolut1n PET Through a Gaussian Mixture Model，IEEE TRANSACT1NS ON NUCLEARSCIENCE，第51卷、第5號(hào)(2004年10月)中，交互探測(cè)器的深度被開(kāi)發(fā)用于下一代正電子發(fā)射斷層攝影(PET)掃描器?；诟咚够旌夏Ｐ?GMM)的方法的統(tǒng)計(jì)模型被介紹用于晶體識(shí)別。該方法的結(jié)果被用于生成查找表。
[0008]在Z1ck等人的3D Millimeter Event Localizat1n in Bulk ScintillatorCrystals，IEEE TRANSACT1NS ON NUCLEAR SCIENCE，第60卷、第2號(hào)(2013年4月)中，呈現(xiàn)了一種新技術(shù)，其通過(guò)使用被放置在晶體和位置敏感光換能器之間的緊密耦合、編碼孔陰影掩膜來(lái)實(shí)現(xiàn)高水平的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供用于伽馬射線探測(cè)器的校準(zhǔn)方法和模塊，以在用于成像時(shí)提供改進(jìn)的分辨率。本發(fā)明另外的目的在于提供伽馬射線探測(cè)器、醫(yī)學(xué)成像設(shè)備以及計(jì)算機(jī)程序。
[0010]在本發(fā)明的第一方面中，提出了一種用于伽馬射線探測(cè)器的校準(zhǔn)方法，所述伽馬射線探測(cè)器包括閃爍體陣列和以光共享模式被耦合到所述閃爍體陣列的光探測(cè)器陣列，所述閃爍體陣列用于響應(yīng)于入射伽馬射線在光轉(zhuǎn)換位置處發(fā)射閃爍光子，所述光探測(cè)器陣列用于確定閃爍光子的空間強(qiáng)度分布。該方法包括以下步驟:記錄由所述閃爍體陣列響應(yīng)于多條入射伽馬射線發(fā)射的閃爍光子的空間強(qiáng)度分布;根據(jù)所記錄的空間強(qiáng)度分布確定符合地發(fā)射的閃爍光子的集合;針對(duì)所述符合地發(fā)射的閃爍光子的集合，確定重心位置和累積能量;執(zhí)行基于所確定的重心位置和累積能量的聚類(lèi)分析，以獲得歸于閃爍體陣列元件的伽馬射線事件的聚類(lèi);針對(duì)聚類(lèi)，累積所述空間強(qiáng)度分布，以確定響應(yīng)于在所述閃爍體陣列元件中的入射伽馬射線而發(fā)射的閃爍光子的累積空間強(qiáng)度分布;并且基于所述累積空間強(qiáng)度分布確定光矩陣，所述光矩陣包括針對(duì)不同閃爍體陣列元件的閃爍光子的預(yù)期的空間強(qiáng)度分布。
[0011]在本發(fā)明的另一方面中，提出了一種用于伽馬射線探測(cè)器的校準(zhǔn)模塊，所述伽馬射線探測(cè)器包括閃爍體陣列和以光共享模式被耦合到所述閃爍體陣列的光探測(cè)器陣列，所述閃爍體陣列用于響應(yīng)于入射伽馬射線在光轉(zhuǎn)換位置處發(fā)射閃爍光子，所述光探測(cè)器陣列用于確定閃爍光子的空間強(qiáng)度分布。該模塊包括記錄器累積模塊以及矩陣模塊，所述記錄器用于記錄由所述閃爍體陣列響應(yīng)于多條入射伽馬射線發(fā)射的閃爍光子的空間強(qiáng)度分布，所述累積模塊用于:根據(jù)所記錄的空間強(qiáng)度分布確定符合地發(fā)射的閃爍光子的集合;針對(duì)所述符合地發(fā)射的閃爍光子的集合，確定重心位置和累積能量;執(zhí)行基于所確定的重心位置和累積能量的聚類(lèi)分析，以獲得歸于閃爍體陣列元件的伽馬射線事件的聚類(lèi);針對(duì)聚類(lèi)，累積所述空間強(qiáng)度分布，以確定響應(yīng)于在所述閃爍體陣列元件中的入射伽馬射線而發(fā)射的閃爍光子的累積空間強(qiáng)度分布;所述矩陣模塊用于基于所述累積空間強(qiáng)度分布確定光矩陣，所述光矩陣包括針對(duì)不同閃爍體陣列元件的閃爍光子的預(yù)期的空間強(qiáng)度分布。
[0012]在本發(fā)明的另一方面中，提出了一種伽馬射線探測(cè)器，包括:閃爍體陣列，其用于響應(yīng)于入射伽馬射線在光轉(zhuǎn)換位置處發(fā)射閃爍光子;光探測(cè)器陣列，其以光共享模式被耦合到所述閃爍體陣列，所述光探測(cè)器陣列用于確定閃爍光子的空間強(qiáng)度分布；以及根據(jù)本發(fā)明的上述方面的校準(zhǔn)模塊。
[0013]在本發(fā)明的又一方面中，提出了一種包括如本文公開(kāi)的伽馬射線探測(cè)器的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備。在本發(fā)明的又一方面中，提供了一種包括程序代碼模塊的計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行時(shí)，所述程序代碼模塊用于令所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行本文公開(kāi)的校準(zhǔn)方法的步驟，以及提供了一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)，在所述非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)中存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品當(dāng)由處理器運(yùn)行時(shí)，令本文所公開(kāi)的校準(zhǔn)方法被執(zhí)行。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例定義在從屬權(quán)利要求中。應(yīng)當(dāng)理解，請(qǐng)求保護(hù)的模塊、設(shè)備、計(jì)算機(jī)程序和介質(zhì)與請(qǐng)求保護(hù)的并且在如從屬權(quán)利要求中定義的校準(zhǔn)方法具有相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例。
[0015]伽馬射線在特定的位置，即光轉(zhuǎn)換位置處撞擊閃爍元件的陣列，即閃爍體陣列，并且