用于对伽马辐射事件的评估的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在核成像中使用的，尤其是与PET和SPECT相机一起使用的评估装置、 校准装置、核成像设备以及对应的方法。
【背景技术】
[0002] 用于核成像的利用伽马相机的伽马射线探测是多阶段过程。首先，将入射的伽玛 光子转化为闪烁闪光（即闪烁光子）。接着，利用光探测器捕捉来自该闪光的可见光光子中 的每个（有时可能生成紫外光子或其他光子），并获得空间信号分布，之后使用所述空间信 号分布来评估入射伽马光子的能量以及伽马射线光转换的二维或三维位置。该所确定的位 置接着形成对响应线（LOR)进行估计以及根据核衰变过程进行图像重建的基础。
[0003] 尽管伽马光子的能量与探测到的可见光光子的数量成比例，但是可以从可见光光 子的空间分布提取光转换位置（即伽马射线与闪烁器相互作用并创建闪光的位置）。一种 可能性是将闪烁器的每个元件耦合到单个光探测器元件。由该单个光探测器元件收集所有 光，并通过所述光探测器的位置来给出伽马射线冲击的位置。一般将这种类型的读取称为 一对一耦合。
[0004] 由于一对一耦合通常要求大量的数字化通道，因此经常采用光共享，所述光共享 是指在闪烁器与光探测器之间插入光导。这样，使来自光转换的闪烁光分布于若干光探测 器元件上，并显著降低了所要求的数字化通道的数量。在对电荷图样的数字化之后，即基于 空间信号分布，根据所述值来计算能量和位置。最广泛使用的方法是形心（centroid)计算 (又称为anger法或重心（COG)法）。备选地，能够使用最大似然（MLE)估计（Lerche，C. W.等人的 ''Maximum likelihood based positioning and energy correction for pixelated solid-state PET detectors" ；Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), 2011 IEEE)。这种方法基于在光探测器处针对给定的观察 到的电荷图样对闪烁器中的光转换位置的可能性的计算。选择具有最高可能性的位置。
[0005] COG定位和MLE定位两者都很好地起效，并得到合理的位置估计，只要观察到的伽 马辐射事件全部由单个伽马射线碰撞造成。然而，如果伽马辐射事件由多个伽马射线同时 的碰撞造成，即在数字光探测器的一个抽样间隔内或者在模拟电荷转换器的积分时间内的 碰撞（堆叠事件）或者由晶间康普顿散射（晶间康普顿散射事件）造成，那么探测到的位 置可能是错误的。
[0006] 此外，在正常的数据采集期间难以识别由堆叠事件或者来自晶间康普顿散射事件 造成的伽马辐射事件。一种方法是分析探测到的空间信号分布的形心的空间位置，即时域 电荷脉冲（脉冲形状鉴别）或事件能量的上升沿。
[0007] 在US 5293044(A)中公开了一种用于使用最大似然估计器来对伽马相机中的闪 烁事件进行快速定位的方法。所述方法被应用到用于对具有形成相机表面的多个光电倍增 管的伽马相机中的闪烁事件定位的过程中。每个光电倍增管响应于闪烁事件而生成输出信 号。根据所公开的方法，根据与已知位置的各自的闪烁事件相对应的光电倍增管的输出信 号来生成多个比较信号集合。接着，基于对未知位置的闪烁事件的光电倍增管的输出与所 述比较信号集合的比较来形成位置相关的概率函数，并将未知位置的闪烁事件的位置定义 为与概率函数的最大值相对应的位置。此外，通过最初定义总的伽马相机表面上未知起源 的闪烁事件的位置所位于的概率高的部分并将对未知位置的闪烁事件的位置的研究限制 到相机表面该部分，来提高完成定位的速度，同时还提高了精确度。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是使得能够根据对所获得的空间信号分布的分析来可靠地识别有 效伽马辐射事件，具体为不是由堆叠事件或晶间康普顿散射造成的伽马辐射事件。此外，目 标是使识别更可靠并且对故障的光探测器更有鲁棒性，并获得具有经改进的空间分辨率的 重建图像。
[0009] 本发明的目的还是使得能够分别在具有阵列中光敏元件的增益值的差异的核成 像系统中，对伽马相机中的光探测器阵列进行原位（in-Situ)校准。
[0010] 根据本发明的第一方面，提供了一种用于评估由伽马相机探测到的伽马辐射事件 并识别有效伽马辐射事件的评估装置，所述伽马相机包括：闪烁器，其用于响应于入射伽马 射线和得到的伽马辐射事件而在所述闪烁器中的光转换位置处发射闪烁光子；以及位置敏 感光探测器，其用于探测所发射的闪烁光子并根据所述闪烁光子来获得空间信号分布。所 述评估装置包括比较器，所述比较器用于针对所述闪烁器中的不同的可能的光转换位置将 所获得的空间信号分布与预定的模型分布进行比较，并根据所述比较来确定所述不同的可 能的光转换位置的似然函数。所述评估装置还包括选择器，所述选择器用于基于所述不同 的可能的光转换位置的所述似然函数的最大值来选择最可能的光转换位置，并确定所述似 然函数的所述最大值是否满足预定的选择准则，所述预定的选择准则指示所评估的伽马辐 射事件是有效伽马辐射事件，所述预定的选择准则是与阈值的比较，所述阈值被定义为校 准数据集中的不同有效伽马辐射事件的最大似然值的分布的分位数。
[0011] 因此，确定所述闪烁器中的最可能的光转换位置。对所述似然函数的确定（即对 所述不同的可能的光转换位置的似然值的确定）能够基于（例如）最大似然率估计或最小 二乘方估值。为了获得空间信号分布，即所述闪烁器中生成的可见光光子的分布，可以使用 模拟光探测器并可以借助于模数转换器来使电荷脉冲数字化，或者可以使用数字光探测器 来直接获得数字信号。将所获得的空间信号分布与预定的模型分布进行比较，所述预定的 模型分布是指用作参考的有效伽马辐射事件的得到的空间信号分布。根据该比较，确定导 致该所获得的空间信号分布的最可能的对应光转换位置和伽马辐射事件（尤其是来自单 个伽马射线碰撞的）。接着，还使用所述似然函数的函数值，即所述最大似然值，来确定该当 前伽马辐射事件是否由被解释为有效伽马辐射事件的足够的可能性。返回所述闪烁器中的 所述光转换位置和所确定的有效性指标。
[0012] 具体而言，有效伽马辐射事件由单个伽马射线碰撞和单个光转换位置造成。其他 伽马辐射事件可能例如由堆叠事件或晶间康普顿散射事件造成，其中，可能无法根据入射 伽马射线清楚地识别原始光转换位置，或者其中，存在多个原始光转换位置（例如，由于多 次同时的碰撞或散射）。伽马辐射事件能够至少由入射伽马射线、堆叠事件和晶间康普顿散 射事件造成。所有不同类型的伽马辐射事件导致由光探测器获得的空间信号分布。然而，如 果针对堆叠事件或晶间康普顿散射事件应用相同的处理，则作为对核成像设备中响应线的 确定和图像重建的基础的所确定的闪烁器中的光转换位置可能导致不清楚或错误的结果。 一种方法能够是对所述空间信号分布或其他参数进行评估，以确定当前伽马辐射事件是有 效的，即直接由来自待测量/成像的衰变过程的单个入射伽马射线造成，还是无效的，即由 堆叠事件或晶间康普顿散射事件造成。根据本发明，基于所述似然函数的值的对探测到的 空间信号分布的评估被用于区分有效伽马辐射事件和无效伽马辐射事件。无效伽马辐射事 件由此特别包括但未必限于由堆叠事件和晶间康普顿散射事件造成的伽马辐射事件。有效 伽马辐射事件由此特别包括但未必限于由单个伽马射线碰撞直接造成的伽马辐射事件。
[0013] 在所述选择器中使用的所述预定的选择准则的一种可能性是使用与阈值的比较。 例如，该阈值能够是在使用所述评估装置之前确定的。一种可能的阈值可以是基于探测到 的事件的数量，即由利用所述伽马相机观察的对象（例如患者、材料探头等）中的核衰变过 程引起的伽马辐射事件的数量，而被确定的。另一种可能性是基于所观察的衰变过程（即 所使用的同位素）的强度来确定所述阈值。参考所有探测到的事件，选择较高的阈值引起 较低百分率的事件被分类为有效。如果选择较低的阈值，那么较高数量的事件被分类为有 效。此外，还可以考虑其他准则，例如基于信号分布的准则，所述信号分布如形状分析、点大 小、标准偏差或其组合。
[0014] 如果例如由于所观察的核衰变过程的较高强度或较长观测时间，探测到的事件的 数量高，则选择较高的阈值可以得到对不期望的堆叠事件和晶间康普顿散射事件的良好的 鉴别。在另一方面，可以拒绝可能已经被使用的较高百分率的事件。如果探测到的事件的 总数低，则可能无法拒绝高百分率的事件，这是因为在对响应线的估计中使用的所述闪烁 器中的位置太少则可能导致较差的图像。
[0015] 根据本发明的另一实施例，该阈值被定义为校准数据集中的不同有效伽马辐射事 件的所述最大似然值的分布的分位数。所述校准数据集能够是根据实验性研究获得的，其 中，检查若干不同的对象和/或校准体模。备选地，所述校准数据集可以是根据蒙特卡罗仿 真获得的，其中，对若干不同的对象和/或校准体模进行仿真。另外备选地，该校准数据集 能够是根据分析建模获得的，其中，对至少一个对象和/或校准体模进行建模。
[0016] 这意味着由单个伽马射线碰撞造成的所述空间信号分布和对应的最大似然值被 用于建立参考分布，所述阈值是从所述参考分布导出的。通过选择不同有效伽马辐射事件 的所述最大似然值的分布的分位数，能够直接定义被分类为无效的事件的百分率。例如如 果选择7