(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステップS1:低計数での非積層コンプライアンス単一事象のシンチレーションパルスデータベースを取得し、前記単一事象の前記シンチレーションパルスデータベースについてシンチレーションパルス雑音モデルを構築するステップであって、平均パルスが、前記非積層コンプライアンス単一事象の前記シンチレーションパルスデータベースについて計算され、シンチレーションパルス波形情報が、前記平均パルスによって与えられる、ステップと、
ステップS2:前記シンチレーションパルス雑音モデルに基づいて所与のエネルギー値について事後確率対数値を計算するステップであって、
ステップ2.1:セグメントS0のシンチレーションパルスをロードし、前記パルス雑音モデルに基づいて前記所与のエネルギー値の尤度関数を計算するステップであって、前記セグメントS0の前記シンチレーションパルスは、前記セグメントS0の前記シンチレーションパルスがしきい値Vtの上方へ向かう時点t0に始まり、前記セグメントS0の前記シンチレーションパルスは、時点t0 + Δtに終わり、Δtは、シンチレーション結晶の立ち下がりエッジの時定数の2倍よりも大きい、ステップ、および
ステップ2.2:事後確率関数と同じ単調性を有する関数の値を得るために、前記時点のすべてについて対数を計算し、前記対数を合計するステップを含む、ステップと、
ステップS3:最大事後確率条件を満たすエネルギー値を得るためにステップS2を繰り返し行うステップであって、
ステップ3.1:モジュールとしてステップS2を繰り返し行うことによって異なる試験的エネルギー値について事後確率を計算するステップ、
ステップ3.2:前記最大事後確率条件を満たす前記エネルギー値を線形探索するステップ、ならびに
ステップ3.3:前記エネルギー値が得られた後、前記エネルギー値に基づいてステップ2.1について時間原点を補正し、ステップ3.1およびステップ3.2を繰り返すステップを含む、ステップとを含む、シンチレーションパルス情報を回復するための方法。
【請求項２】
ステップS1での前記シンチレーションパルスデータベースは、2000以上のサンプルを備える、請求項1に記載のシンチレーションパルス情報を回復するための方法。
【請求項３】
ステップS1での前記シンチレーションパルス雑音モデルは、シンチレーションパルス波形、シンチレーションパルス高さおよびシンチレーションパルス雑音レベルの特徴を備える、請求項1に記載のシンチレーションパルス情報を回復するための方法。
【請求項４】
ステップS1での前記平均パルスを計算する前記ステップは、
ステップ1.1:弱い線源を得るために放射線源の放射線量を低減し、検出器によって捕獲される高エネルギー光子の数を前記弱い線源によってまたは前記検出器に対する前記弱い線源の立体角を調整することによって低減するステップであって、前記検出器によって受け取られる事象は、
【数１】
0006336070.tif 000004
として表される平均計数率を有するポアソンストリームであり、ただしmiおよびqiは、前記弱い線源の線量および前記検出器に対する前記弱い線源の立体角をそれぞれ示し、iは、前記弱い線源の添え字を示し、nは、弱い線源の数を示す、ステップ、
ステップ1.2:コンスタントフラクションディスクリミネータ法または前縁弁別法を用いて前記パルスを整列させるステップ、ならびに
ステップ1.3:前記整列したパルスを平均化するステップを含む、請求項1に記載のシンチレーションパルス情報を回復するための方法。
【請求項５】
ステップS1では、前記パルスが整列された後、同じ時点における同じエネルギー値に対応するシンチレーションパルスのエネルギー値は、分散するように分布され、前記分布は、前記パルスの雑音モデルと定義され、前記雑音モデルのパラメータは、所与のエネルギー値について事後確率値を計算するために使用される、請求項4に記載のシンチレーションパルス情報を回復するための方法。
【請求項６】
ステップS1はさらに、
一対の単一事象としてあるエネルギー範囲内で選択される一対のコンプライアンスパルスを設定するステップ、および
そのようなデジタル化電気パルスを事前に保管し、次いでオフラインで分析するステップであって、平均パルス信号は、前記一対のパルスを整列させることによって得られ、前記単一事象のエネルギースペクトルは、前記平均パルスをインパルス応答と見なすことによって前記デジタル化電気パルスを合計することによって得られる、ステップを含む、請求項1に記載のシンチレーションパルス情報を回復するための方法。
【請求項７】
シンチレーション検出器システムの雑音モデルを取得するために低計数率を有する事前取得データを整えるように構成される雑音モデルモジュールであって、前記雑音モデルは、平均パルス、雑音分散および雑音分布歪みを表し、雑音モデルは、事後確率モジュールに提供される、雑音モデルモジュールと、
所与のエネルギー値について事後確率対数値を得るために事後確率を計算するように構成される前記事後確率モジュールと、
最大事後確率条件を満たすエネルギー値を探索するように構成されるエネルギー値探索モジュールとを備える、シンチレーションパルス情報を回復するためのシステム。
【請求項８】
前記雑音モデルモジュールは、
単一事象の平均パルスを計算するように構成される平均パルスモジュール、
前記単一事象のパルスの雑音分散を計算するように構成されるパルス雑音モジュール、および
雑音の確率密度分布関数を推定するように構成される確率密度分布モジュールを備える、請求項7に記載のシンチレーションパルス情報を回復するためのシステム。
【請求項９】
前記事後確率モジュールは、
前記所与のエネルギー値および前記雑音モデルモジュールによって入力される前記パルス雑音モデルに基づいて各点の尤度関数値を計算するように構成される尤度関数分布モジュール、ならびに
事後確率対数値を計算するように構成される時点積モジュールを備える、請求項7に記載のシンチレーションパルス情報を回復するためのシステム。
【請求項１０】
前記エネルギー値探索モジュールは、
前記事後確率モジュールを呼び出すことによって試験的エネルギー値について事後確率対数値を計算するように構成される試験的エネルギー計算モジュール、
線形探索アルゴリズムを用いて最大事後確率条件を満たすエネルギー値を計算するように構成される線形探索モジュール、ならびに
サンプルについての時間原点を補正し、前記試験的エネルギー計算モジュールおよび前記線形探索モジュールを繰り返し呼び出すように構成される時間原点補正モジュールを備える、請求項7に記載のシンチレーションパルス情報を回復するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により全体として本明細書に組み込まれる、2013年11月19日に中国国家知識産権局(Chinese State Intellectual Property Office)に出願された「METHOD AND SYSTEM FOR RECOVERING SCINTILLATION PULSE INFORMATION」と題する中国特許出願第201310585902.1号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本開示は、デジタル信号処理、光電信号処理および放射線検出の分野に関し、詳しくはシンチレーションパルス情報を回復するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
陽電子寿命分光計および陽電子角度-運動量連関分析器(positron angle-momentum association analyzer)を含む核分析分野、二重コンプライアンスエネルギー粒子弁別器(double-compliance energetic particle discriminator)を含む核検出分野および陽電子放出断層撮影(以下PETと略される)を含む医療撮像分野では、エネルギー粒子を検出する主要動作原理は、高エネルギー線を電気信号に変換し、次いで高速エレクトロニクスの方法を用いて粒子事象の様々な情報を得ることである。同時論理演算およびタイムスタンプを伴う計測器のいくつかの応用では、シンチレーションパルスを整形することは、プロセスを減速させるが、シンチレーションパルスの時間性能に影響を及ぼすこともあり、事象パルスを積層する確率を増加させることもある。この場合には、シンチレーションパルスを直接デジタル化することが、より望ましい。
【０００４】
シンチレーションパルスの完全なデジタル化では、高帯域幅および高サンプリングレートを有するアナログデジタル変換器(以下ADCと略される)が、シンチレーションパルスを直接サンプリングし、量子化するために採用される。そのようなデジタル化方法は、高コストに起因してマルチチャネルシステムの実際の要件を満たすことができない。そして上記のデジタル化解決法は、コストを低減するために2つのやり方で簡略化されることもある。1つのやり方では、サンプリングレートが、低減される。この場合、低いサンプリング周波数に起因して、整形されないシンチレーションパルス信号の高周波数成分は、サンプリングできないだけでなく、また周波数領域でのエイリアシングに起因してナイキスト周波数付近の成分の精度に影響を及ぼしもする。上記の影響を軽減するために、整形プロセスが、シンチレーションパルスを出力するプロセスとシンチレーションパルスをデジタル化するプロセスとの間に追加される。整形プロセスでは、シンチレーションパルスのデジタル化に起因する周波数でのエイリアシングを低減するために、ナイキスト周波数よりも高い周波数を有するシンチレーションパルスの成分は、減衰され、シンチレーションパルスの低周波数成分は、確保される。しかしながら、ナイキスト周波数よりも高い周波数を有する成分をサンプリングすることは、ナイキスト周波数それ自体による制限に起因して不可能である。
【０００５】
ADCが、時間軸において簡略化されるやり方の他に、別のやり方では、ADCは、電圧軸において簡略化される。電圧軸において簡略化されるADCの有効帯域幅は、開ループ指定を使用することによって改善されることもあり、それは、高速信号処理にとって好都合である。例えば、いくつかの比較器/ADCユニットを伴うデジタル化方法およびインターリーブ開回路時間(interleaving open-circuit time)を有するADCはすべて、このように機能する。そのようなADCは、高サンプリングレートおよび高帯域幅だがしかし制限された量子化精度によって特徴付けられる。シンチレーションパルスは、特有の演繹的知識を有するので、それを用いることで、デジタル化信号を回復する精度は、改善されることもあり、量子化レベルは、最適に設定されることもある。
【０００６】
従って、上記の少数量子化レベルADCについて、従来技術に存在する問題に対処するために、シンチレーションパルス情報を回復するための新しい方法および新しいシステムを提供することが、望まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記を考慮して、本開示の目的は、量子化レベルの設定を最適化することによってデジタル化信号をより正確に回復し、より多くの事象情報を取得するために、シンチレーションパルス情報を回復するための方法およびシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、下記の技術的解決法が、本開示に従って提供される。
【０００９】
シンチレーションパルス情報を回復するための方法は、
ステップS1:低計数での非積層コンプライアンス(non-stacked compliance)単一事象のシンチレーションパルスデータベースを取得し、単一事象のシンチレーションパルスデータベースについてシンチレーションパルス雑音モデルを構築するステップであって、平均パルスが、非積層コンプライアンス単一事象のシンチレーションパルスデータベースについて計算され、シンチレーションパルス波形情報は、その平均パルスによって与えられる、ステップと、
ステップS2:シンチレーションパルス雑音モデルに基づいて所与のエネルギー値について事後確率対数値を計算するステップであって、
ステップ2.1:シンチレーションパルスセグメントS0をロードし、パルス雑音モデルに基づいて所与のエネルギー値の尤度関数を計算するステップであって、シンチレーションパルスセグメントは、シンチレーションパルスセグメントがしきい値Vtの上方へ向かう時点t0に始まり、シンチレーションパルスセグメントは、時点t0 + Δtに終わり、Δtは、シンチレーション結晶の立ち下りエッジの時定数の2倍よりも大きい、ステップ、および
ステップ2.2:事後確率関数と同じ単調性を有する関数の値を得るために、時点のすべてについて対数を計算し、その対数を合計するステップを含む、ステップと、
ステップS3:最大事後確率条件を満たすエネルギー値を得るためにステップS2を繰り返し行うステップであって、
ステップ3.1:モジュールとしてステップS2を繰り返し行うことによって異なる試験的エネルギー値について事後確率を計算するステップ、
ステップ3.2:最大事後確率条件を満たすエネルギー値を線形探索するステップ、および
ステップ3.3:エネルギー値が得られた後、そのエネルギー値に基づいてステップ2.1について時間原点を補正し、ステップ3.1およびステップ3.2を繰り返すステップを含む、ステップとを含む。
【００１０】
好ましくは、シンチレーションパルス情報を回復するための上記方法では、ステップS1でのシンチレーションパルスデータベースは、2000以上のサンプルを含んでもよい。
【００１１】
好ましくは、シンチレーションパルス情報を回復するための上記方法では、ステップS1でのシンチレーションパルス雑音モデルは、シンチレーションパルス波形、シンチレーションパルス高さおよびシンチレーションパルス雑音レベルの特徴を含んでもよい。
【００１２】
好ましくは、シンチレーションパルス情報を回復するための上記方法では、ステップS1での平均パルスを計算するステップは、
ステップ1.1:弱い線源を得るために放射線源の放射線量を低減し、検出器によって捕獲される高エネルギー光子の数をその弱い線源によってまたは検出器に対する弱い線源の立体角を調整することによって低減するステップであって、検出器によって受け取られる事象は、
【００１３】
【数２】
0006336070.tif 000002
【００１４】
として表される平均計数率を有するポアソンストリーム(Poisson stream)であり、ただしmiおよびqiは、弱い線源の線量および検出器に対する弱い線源の立体角をそれぞれ示し、iは、弱い線源の添え字を示し、nは、弱い線源の数を示す、ステップ、
ステップ1.2:コンスタントフラクションディスクリミネータ法(constant fraction discrimination method)または前縁弁別法(leading edge discrimination method)を用いてパルスを整列させるステップ、ならびに
ステップ1.3:整列したパルスを平均化するステップを含んでもよい。
【００１５】
好ましくは、シンチレーションパルス情報を回復するための上記方法では、ステップS1では、パルスが整列された後、同じ時点における同じエネルギー値に対応するシンチレーションパルスのエネルギー値は、分散するように分布させてもよく、その分布は、パルスの雑音モデルと定義されてもよく、雑音モデルのパラメータは、所与のエネルギー値について事後確率値を計算するために使用されてもよい。
【００１６】
好ましくは、シンチレーションパルス情報を回復するための上記方法では、ステップS1はさらに、一対の単一事象としてあるエネルギー範囲内で選択される一対のコンプライアンスパルスを設定するステップ、およびそのようなデジタル化電気パルスを事前に保管し、オフラインで分析するステップを含んでもよく、平均パルス信号は、その対のパルスを整列させることによって得られ、単一事象のエネルギースペクトルは、平均パルスをシステム応答と見なすことによってデジタル化電気パルスを合計することによって得られる。
【００１７】
シンチレーションパルス情報を回復するためのシステムは、
シンチレーション検出器システムの雑音モデルを取得するために低計数率を有する事前取得データを整えるように構成される雑音モデルモジュールであって、雑音モデルは、平均パルス、雑音分散および雑音分布歪みを表し、その雑音モデルは、事後確率モジュールに提供される、雑音モデルモジュールと、
所与のエネルギー値について事後確率対数値を得るために事後確率を計算するように構成される事後確率モジュールと、
最大事後確率条件を満たすエネルギー値を探索するように構成されるエネルギー値探索モジュールとを含む。
【００１８】
好ましくは、シンチレーションパルス情報を回復するための上記システムでは、雑音モデルモジュールは、
単一事象の平均パルスを計算するように構成される平均パルスモジュール、
単一事象のパルスの雑音分散を計算するように構成されるパルス雑音モジュール、および
雑音の確率密度分布関数を推定するように構成される確率密度分布モジュールを含んでもよい。
【００１９】
好ましくは、シンチレーションパルス情報を回復するための上記システムでは、事後確率モジュールは、
所与のエネルギー値および雑音モデルモジュールによって入力されるパルス雑音モデルに基づいて各点の尤度関数値を計算するように構成される尤度関数分布モジュール、ならびに
事後確率対数値を計算するように構成される時点積(time point product)モジュールを含んでもよい。
【００２０】
好ましくは、シンチレーションパルス情報を回復するための上記システムでは、エネルギー値探索モジュールは、
事後確率モジュールを呼び出すことによって試験的エネルギー値について事後確率対数値を計算するように構成される試験的エネルギー計算モジュール、
線形探索アルゴリズムを用いて最大事後確率条件を満たすエネルギー値を計算するように構成される線形探索モジュール、ならびに
サンプルについての時間原点を補正し、試験的エネルギー計算モジュールおよび線形探索モジュールを繰り返し呼び出すように構成される時間原点補正モジュールを含んでもよい。
【００２１】
本開示の実施形態によるシンチレーションパルス情報を回復するための上記の方法およびシステムを用いると、それぞれの単一事象のエネルギー情報は、効果的に計算でき、エネルギー窓でのシステムの計数率は、増加され、システムのエネルギー分解能は、改善されることが、上記の技術的解決法から分かる。従って、本方法およびシステムは、オフライン環境においてシンチレーション事象を処理するのに特に適している。
【００２２】
本開示の実施形態では、シンチレーションパルスのパルス高さまたはエネルギー情報は、所与のシステムの最大事後推定に対応するシンチレーション事象のパラメータを計算することによって正確に推定されることが、上記の技術的解決法から分かる。
【００２３】
従来技術と比較すると、本開示は、下記の利点、
(1)良好なエネルギー分解能、
(2)所与のエネルギー窓について高い計数率、および
(3)少数の量子化レベルによって引き起こされる量子化誤差を避ける能力を有する。
【００２４】
実施形態または従来技術の説明に使用されるべき図面は、本開示の実施形態によるまたは従来技術による技術的解決法が、より明らかになるように、下記において簡潔に述べられることになる。下記の説明での図面が、本開示のいくつかの実施形態を例示するだけであることは、明らかである。当業者にとっては、他の図面が、どんな創造的作業もなしにこれらの図面に従って得られてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本開示によるシンチレーションパルス情報を回復するためのシステムの構造図である。
【図２】本開示によるシンチレーションパルス情報を回復するための方法の流れ図である。
【図３】典型的なシンチレーションパルスの概略図である。
【図４】同じエネルギーを有する一組のシンチレーションパルスの概略図である。
【図５】4つのしきい値を有するADCの下での図3に示されるシンチレーションパルスのデジタル化の結果を示す図である。
【図６】エネルギーが、デジタルゲーテッド積分(digital gated integration)を用いて計算される、貧弱なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。
【図７】エネルギーが、本開示による方法を用いて計算される、貧弱なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。
【図８】エネルギーが、最小二乗適合アルゴリズムを用いて計算される、貧弱なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。
【図９】エネルギーが、デジタルゲーテッド積分を用いて計算される、良好なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。
【図１０】エネルギーが、本開示による方法を用いて計算される、良好なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。
【図１１】エネルギーが、最小二乗適合アルゴリズムを用いて計算される、良好なエネルギーの場合のエネルギースペクトルの概略図である。
【図１２】エネルギー値が、図4に示される通りである場合の、最小二乗適合アルゴリズムによって得られるエネルギー値対デジタルゲーテッド積分によって得られるエネルギー値の散布図である。
【図１３】エネルギー値が、図4に示される通りである場合の、本開示による方法によって得られるエネルギー値対デジタルゲーテッド積分によって得られるエネルギー値の散布図である。
【図１４】エネルギー値が、図7に示される通りである場合の、最小二乗適合アルゴリズムによって得られるエネルギー値対デジタルゲーテッド積分によって得られるエネルギー値の散布図である。
【図１５】エネルギー値が、図7に示される通りである場合の、本開示による方法によって得られるエネルギー値対デジタルゲーテッド積分によって得られるエネルギー値の散布図である。
【図１６】あるエネルギー値について最適な一次元解を探索するためのプロセスを示す図である。
【図１７】本開示による典型的なシステムの概略図である。
【図１８】本開示による別の典型的なシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本開示は、シンチレーションパルス情報を回復するための方法およびシステムを提供する。本方法およびシステムを用いると、少数量子化レベルADCによってサンプリングされるパルスエネルギー情報は、回復でき、シンチレーションパルスの高さ推定は、より正確に推定でき、エネルギー窓でのシステムの計数率は、増加できる。
【００２７】
本開示によるシンチレーションパルス情報を回復するための方法は、下記のステップ1からステップ3を含む。
ステップ1では、低計数での非積層コンプライアンス単一事象のパルスデータベースが、取得され、次いで雑音モデルが、単一事象のパルスデータベースについて構築される。パルスデータベースは、2000よりも多いサンプルを含むことが、好ましい。雑音モデルは、パルス数の増加とともにより正確になる。
ステップ2では、所与のエネルギー値についての事後確率対数値が、計算される。
ステップ3では、最大事後確率条件を満たすエネルギー値が、線形探索される。
【００２８】
本開示によるシンチレーションパルス情報を回復するためのシステムは、雑音モデルモジュールと、事後確率モジュールと、エネルギー値探索モジュールとを含む。雑音モデルモジュールは、単一事象パルスの組から雑音モデルを得るように構成され、他のモジュールは、少数量子化レベルADCによって得られるシンチレーションパルス信号を処理するように構成される。事後確率モジュールは、入力されたエネルギー値の事後確率を計算するように構成される。そしてエネルギー値探索モジュールは、最大事後確率条件を満たすエネルギー値を探索するように構成される。
【００２９】
本開示の実施形態による技術的解決法は、添付の図面と併せて次の通りに明確にかつ完全に述べられることになる。述べられる実施形態が、本開示による実施形態のすべてというよりもむしろほんの少しだけであることは、明らかである。どんな創造的作業もなく本開示における実施形態に基づいて当業者によって得られる他のいかなる実施形態も、本開示の範囲に入る。
【００３０】
本方法では、最大事後確率条件を満たすエネルギー値は、ベイズの原理に基づいて得られる。
【００３１】
本開示によるシンチレーションパルス情報を回復するための方法では、雑音モデルが、事前取得データベースに基づいて初めに得られる。雑音モデルは、少数量子化シンチレーションパルスの事後確率を計算するために電気信号の固有の予備知識として使用される。そして最大事後確率条件を満たすエネルギー値は、事後確率モジュールを繰り返し呼び出すことによって線形探索される。
【００３２】
図2に示されるように、本開示によるシンチレーションパルス情報を回復するための方法は、下記のステップS1からS3を含む。
【００３３】
ステップS1では、低計数での非積層コンプライアンス単一事象のシンチレーションパルスデータベースが、取得される。シンチレーションパルス雑音モデルは、単一事象のシンチレーションパルスデータベースについて構築される。平均パルスが、非積層コンプライアンス単一事象のシンチレーションパルスデータベースについて計算される。シンチレーションパルス波形情報は、その平均パルスに基づいて与えられる。パルスデータベースは、2000よりも多いサンプルを含むことが、必要とされる。そして統計雑音は、パルス数の増加とともにより小さくなる。
【００３４】
ステップS1でのシンチレーションパルス雑音モデルは、シンチレーションパルス波形、シンチレーションパルス高さおよびシンチレーションパルス雑音レベルの特徴を含む。これらの特徴は、単一時点における一対のサンプルのエネルギーの事後確率を計算するためのパラメータであり、そのエネルギーに対応する事後確率は、上記特徴の値がないと計算できない。パラメータは、システムに依存する。雑音モデルは、当業者によって異なる方法を用いて構築されてもよい。一般に、雑音モデルは、シミュレーションまたは実験的測定によって得られることもある。シミュレーションの場合には、各パルスの異なる時点における電圧値の分布は、仮定に基づいて与えられ、その分布が、雑音モデルである。実験的測定の場合には、サンプリングされたシンチレーションパルスは、整列され、それによって各時点における電圧値の分布を得る(シンチレーションパルス雑音モデル)。
【００３５】
平均パルスは、ステップS1において下記のステップS1.1からS1.3を用いて計算される。
【００３６】
ステップ1.1では、放射線源の放射線量が、弱い線源を得るために低減される。検出器によって捕獲される高エネルギー光子の数は、弱い線源によってまたは検出器に対する弱い線源の立体角を調整することによって低減される。積層の確率は、非常に低い計数率の下では小さい。検出器によって受け取られる事象は、
【００３７】
【数３】
0006336070.tif 000003
【００３８】
として表される平均計数率を有するポアソンストリームであり、ただしmiは、弱い線源の線量を示し、qiは、検出器に対する弱い線源の立体角を示し、iは、弱い線源の添え字を示し、nは、弱い線源の数を示す。n = 1であり、mは、パルスデータベースを取得する際には十分小さいと構成されてもよい。
【００３９】
ステップ1.2では、パルスが、コンスタントフラクションディスクリミネータ法または前縁弁別法を用いて整列される。
【００４０】
ステップ1.3では、整列したパルスが、平均化される。
【００４１】
パルスが、ステップS1において整列された後、同じ時点における同じエネルギー値に対応するシンチレーションパルスのエネルギー値は、分散するように分布される。その分布は、パルスの雑音モデルと定義される。雑音モデルのパラメータは、所与のエネルギー値について事後確率値を計算するために使用される。
【００４２】
同じエネルギーを有する一組のシンチレーションパルスの概略図である、図4を参照する。ステップS1はさらに、一対の単一事象としてあるエネルギー範囲内で選択される一対のコンプライアンスパルスを設定するステップと、そのようなデジタル化電気パルスを事前に保管し、次いでオフラインで分析するステップとを含む。その対のパルスは、平均パルス信号および残りのパルス系列を得るために整列される。そして単一事象データのエネルギースペクトルは、平均パルスをシステム応答と見なすことによってデジタルパルスを合計することによって得られる。
【００４３】
別に明記されない限り、本開示によるシンチレーションパルスはそれぞれ、正の値を有する。単一事象データのエネルギースペクトルは、デジタルパルスを合計することによって得られてもよい。もし実際に取得されるパルスが、負のパルスであるならば、位相反転が、初期設定により行われている。従って、電気パルスの立ち上がりエッジは、その前縁であり、電気パルスの立ち下がりエッジは、その尾部である。最初のパルスデータベースを処理する際に得られるすべての中間情報は、派生パルスデータベースと呼ばれてもよい。そして派生パルスデータベースは、最初のパルスデータベースについて、フィルタリング、補間、適合、外挿および組み合わせなどの操作を行うことによって得られてもよい。
【００４４】
ステップS2では、所与のエネルギー値についての事後確率対数値が、シンチレーションパルス雑音モデルに基づいて計算される。
【００４５】
最大事後確率条件を満たすエネルギー値は、統計学での基本原理を反映し、それは、現在の観測があるエネルギー値において起こる確率が、その観測が他のエネルギー値において起こる確率よりも大きいということである。確率は、あるエネルギー値の事前確率に観測がそのエネルギー値において起こる尤度確率を掛けることによって計算される。
【００４６】
ステップS2は、下記のステップ2.1およびステップ2.2を含む。
【００４７】
ステップ2.1では、シンチレーションパルスセグメントS0が、ロードされ、所与のエネルギー値の尤度関数が、上で得られたパルスの雑音モデルに基づいて計算される。シンチレーションパルスセグメントは、シンチレーションパルスセグメントがしきい値Vtの上方へ向かう時点t0に始まり、シンチレーションパルスセグメントは、時点t0 + Δtに終わり、Δtは、シンチレーション結晶の立ち下がりエッジの時定数の2倍よりも大きい。
【００４８】
ステップ2.2では、事後確率関数と同じ単調性を有する関数の値を得るために、時点のすべてについての対数が、計算され、合計される。
【００４９】
尤度関数は、実際の計算において直接計算される必要はなく、尤度関数の対数値を計算することによって得られる。対数尤度関数は、個々の時点におけるパルスの対数関数の合計と同等である。尤度関数は、他の形を有することもあるので、尤度関数の形は、固定されない。
【００５０】
時点は、パルスの到達時間を意味する。そして到達時間は、パルスの時点についてのゼロ点と考えられる。関数の対数は、その関数と同じ単調性を有するので、関数の対数は、関数が極値を達成すると極値を達成する。従って、ある関数を最大化することは、その関数の対数を最大化することと同等である。従って、ステップS2で行われるように、事後確率の対数を最大化することは、事後確率を最大化することと同等である。
【００５１】
ステップS3では、最大事後確率条件を満たすエネルギー値が、ステップS2を繰り返し行うことによって計算される。
【００５２】
ステップS3では、エネルギー補正が、各エネルギー計算の後にパルスの時間原点について行われる。時点は、エネルギー値をより正確にするためだけでなく、より正確な時間情報を得るためにも補正される。PETまたは核測定装置では、単一事象パルスは、時間情報およびエネルギー情報を用いて完全に表される。波形情報は、平均パルスによって与えられ、核測定装置の大部分にとって不必要である。
【００５３】
ステップS3は、下記のステップ3.1からステップ3.3を含む。
【００５４】
ステップ3.1では、異なる試験的エネルギー値に対応する事後確率を計算するために、ステップS2が、モジュールとして繰り返し行われる。
【００５５】
ステップ3.2では、最大事後確率条件を満たすエネルギー値が、線形探索される。既存の線形探索アルゴリズムは、黄金分割法、双探索法(bi-search method)、フィボナッチ数列法および同様なものを含む。図16に示されるように、図16は、あるエネルギー値について最適な一次元解を探索するためのプロセスを示す図である。
【００５６】
最大化事後確率は、最大化尤度関数にエネルギー確率分布関数を掛けることによって得られる。そして事後確率は、尤度関数にエネルギー確率分布関数を掛けることによって得られる。
【００５７】
ステップ3.3では、エネルギー値が得られた後、時間原点が、エネルギー値に基づいてステップ2.1において補正され、次いでステップ3.1およびステップ3.2が、繰り返される。
【００５８】
エネルギー値は、デジタル化サンプルに基づいて計算され、すなわち、測定エネルギー値は、時間に依存する。時間は、エネルギー値に基づいて補正されないと正確でなく、「タイムウォーク(time walk)」現象が、起こることもある。従って、不正確な時間は、エネルギー値が得られた後に補正される。エネルギー値は、時間が補正された後に再び計算され、時間は、エネルギー値が得られた後に再び補正される。時間-エネルギー-時間-エネルギーの繰り返しプロセスは、時間およびエネルギー測定の精度を改善するために行われる。従って、時間に関係する繰り返しは、測定の精度を改善するために導入される。
【００５９】
貧弱なエネルギー分解能または良好なエネルギー分解能の場合に異なるエネルギー計算方法を採用することによって得られるエネルギースペクトルの概略図である、図6から図11を参照する。採用されるエネルギー計算方法は、デジタルゲーテッド積分、本開示による方法および最小二乗適合アルゴリズムを含む。
【００６０】
図6は、エネルギーが、デジタルゲーテッド積分を用いて計算される、貧弱なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。エネルギー分解能は、ピーク位置をピーク幅(半値全幅)で割ることによって計算される。ゲーテッド積分では、ゲーテッド信号は、立ち上がりエッジのしきい値反転によって得られる。パルスは、そのようなゲーテッド範囲において積分され、得られる積分値は、エネルギー値を表すように正規化される。正規化は、511keV(キロ電子ボルト)に関して全エネルギーピークを正規化することによって行われる。
【００６１】
図7は、エネルギーが、本開示による方法を用いて計算される、貧弱なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。そしてエネルギー分解能を計算するために使用される方法および正規化のために使用される方法は、図6に示されるそれらと同じである。
【００６２】
図8は、エネルギーが、最小二乗適合アルゴリズムを用いて計算される、貧弱なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。そしてエネルギー分解能を計算するために使用される方法および正規化のために使用される方法は、図6に示されるそれらと同じである。
【００６３】
図9は、エネルギーが、デジタルゲーテッド積分を用いて計算される、良好なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。そしてエネルギー分解能を計算するために使用される方法および正規化のために使用される方法は、図6に示されるそれらと同じである。
【００６４】
図10は、エネルギーが、本開示による方法を用いて計算される、良好なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。そしてエネルギー分解能を計算するために使用される方法および正規化のために使用される方法は、図6に示されるそれらと同じである。
【００６５】
図11は、エネルギーが、最小二乗適合アルゴリズムを用いて計算される、良好なエネルギー分解能の場合のエネルギースペクトルの概略図である。そしてエネルギー分解能を計算するために使用される方法および正規化のために使用される方法は、図6に示されるそれらと同じである。
【００６６】
最小二乗適合アルゴリズムによって得られるエネルギー値対デジタルゲーテッド積分によって得られるエネルギー値の散布図および本開示による方法によって得られるエネルギー値対デジタルゲーテッド積分によって得られるエネルギー値の散布図である、図12から図15を参照する。
【００６７】
図12は、最小二乗適合アルゴリズムによって得られるエネルギー値対デジタルゲーテッド積分によって得られるエネルギー値の散布図であり、エネルギー値は、図4に示される通りである。散布図での水平座標は、ゲーテッド積分によって得られるエネルギー値を表し、散布図での垂直座標は、パルス適合によって得られるエネルギー値を表す。ゲーテッド積分を黄金標準(golden standard)と見なすと、ゲーテッド積分に関するエネルギー計算方法の誤差レベルは、エネルギー計算方法の精度を評価するために使用されてもよい。それぞれのエネルギー計算方法の性能は、エネルギー精度を二乗平均平方根誤差(RMSE)として表すことによって観測されてもよい。
【００６８】
図13は、本開示による方法によって得られるエネルギー値対デジタルゲーテッド積分によって得られるエネルギー値の散布図であり、エネルギー値は、図4に示される通りである。散布図での水平座標は、ゲーテッド積分によって得られるエネルギー値を表し、散布図での垂直座標は、本開示による方法によって得られるエネルギー値を表す。
【００６９】
図14は、最小二乗適合アルゴリズムによって得られるエネルギー値対デジタルゲーテッド積分によって得られるエネルギー値の散布図であり、エネルギー値は、図7に示される通りである。散布図での水平座標は、ゲーテッド積分によって得られるエネルギー値を表し、散布図での垂直座標は、パルス適合によって得られるエネルギー値を表す。
【００７０】
図15は、本開示による方法によって得られるエネルギー値対デジタルゲーテッド積分によって得られるエネルギー値の散布図であり、エネルギー値は、図7に示される通りである。散布図での水平座標は、ゲーテッド積分によって得られるエネルギー値を表し、散布図での垂直座標は、本開示による方法によって得られるエネルギー値を表す。
【００７１】
本開示による方法によって得られるエネルギー分解能は、従来のパルス適合法によって得られるそれよりも良好であり、本開示による方法は、散在する事象の排除を容易にすることが、図6から図11に示されるようなエネルギースペクトル図から分かる。そして本開示による方法は、より高い精度およびより小さい誤差を有し、パルスの高さを推定し、ある位置敏感検出器を設計するのにより適していることが、図12から図15に示されるような散布図から分かる。図16に示される探索プロセスは、本開示による方法において規定されるエネルギー範囲を低減するためのプロセスであり、それは、範囲が毎回0.618倍だけ圧縮されるプロセスとして概略図に示される。
【００７２】
シンチレーションパルス情報を回復するための本方法およびシステムを用いると、システムエネルギー計算精度が、効果的に改善される。本方法およびシステムは、少数量子化レベルADCデジタル核機器によってエネルギーを計算するのに特に適している。
【００７３】
図1に示されるように、本開示によるシンチレーションパルス情報を回復するためのシステムは、雑音モデルモジュール100と、事後確率モジュール200と、エネルギー値探索モジュール300とを含む。雑音モデルモジュール100は、シンチレーション検出器システムの雑音モデルを得るために低計数率を有する事前取得データを整えるように構成される。事後確率モジュール200は、所与のエネルギー値について事後確率対数値を得るために事後確率を計算するように構成される。そしてエネルギー値探索モジュール300は、最大事後確率条件を満たすエネルギー値を探索するように構成される。
【００７４】
図1にさらに示されるように、雑音モデルモジュール100は、平均パルス、雑音分散および雑音分布歪みを得るために事前取得データを整えるように構成される。そして雑音モデルは、モジュール200に提供される。
【００７５】
雑音モデルモジュール100は、3つのサブモジュール、すなわち、平均パルスモジュール110、パルス雑音モジュール120および確率密度分布モジュール130を含んでもよい。平均パルスモジュール110は、単一事象の平均パルスを計算するように構成される。パルス雑音モジュール120は、単一事象のパルスの雑音分散を計算するように構成される。そして確率密度分布モジュール130は、雑音の確率密度分布関数を推定するように構成される。
【００７６】
事後確率モジュール200は、所与のエネルギー値について事後確率対数値を計算するように構成される。
【００７７】
事後確率モジュール200は、2つのサブモジュール、すなわち、尤度関数分布モジュール210および時点積モジュール220を含んでもよい。尤度関数分布モジュール210は、所与のエネルギー値およびモジュール100によって入力されるパルス雑音モデルに基づいて各点について尤度関数の値を計算するように構成される。そして時点積モジュール210は、事後確率対数値を計算するように構成される。
【００７８】
エネルギー値探索モジュール300は、最大事後確率条件を満たすエネルギー値を計算するように構成される。
【００７９】
エネルギー値探索モジュール300は、3つのサブモジュール、すなわち、試験的エネルギー計算モジュール310、線形探索モジュール320および時間原点補正モジュール330を含んでもよい。試験的エネルギー計算モジュール310は、モジュール200を呼び出すことによって試験的エネルギー値について事後確率対数値を計算するように構成される。線形探索モジュール320は、線形探索アルゴリズムを用いて最大事後確率条件を満たすエネルギー値を計算するように構成される。そして時間原点補正モジュール330は、サンプルの時間原点を補正し、モジュール310およびモジュール320を繰り返し呼び出すように構成される。
【００８０】
図3から図5を参照する。図3は、本開示による典型的なシンチレーションパルスの概略図であり、図4は、同じエネルギーを有する一組のシンチレーションパルスの概略図であり、図5は、4つのしきい値を有するADCの下での図3に示されるシンチレーションパルスのデジタル化の結果を示す。図5では、V1、V2、V3およびV4は、基準電圧1、2、3、4をそれぞれ表す。図17および図18を参照する。図17は、本開示によるコンプライアンス動作モードを有する典型的なシステムの概略図であり、図18は、本開示による単一チャネル動作モードを有する別の典型的なシステムの概略図である。図17および図18では、シンチレーションパルスは、400として表され、放射線源は、500として表され、光電子増倍管は、600として表され、デジタルオシロスコープは、700として表される。本開示によるシンチレーションパルス情報を回復するための方法およびシステムは、図3から図5ならびに図17および図18と併せていくつかの実施形態について詳細に述べられる。本開示によるシンチレーションパルスを回復するための方法およびシステムでは、関係するパラメータおよびフィルタ設計は、良好なエネルギー分解能性能および短いパルス持続時間を達成するために、事前取得データの特徴に基づいて調整される。下記では、関連出願実施形態でのデータを処理するためのパラメータが、列挙される。
【００８１】
第1の実施形態
下記では、本実施形態によるデータを処理するためのパラメータが、列挙される。
【００８２】
ステップS1において採用される実際のシステムは、LYSO結晶およびHamamatsu R9800 PMTを含む。結晶は、16.5mm×16.5mm×10.0mmのサイズを有する。結晶とPMTとの間の結合面は、100面であり、結合面以外の表面は、テフロン(登録商標)粘着テープを用いてパッケージ化される。データ取得システムは、50GHzのサンプリングレートおよび16GHzの帯域幅を有する。図10に示されるように、放射線源は、511keVの陽電子消滅ガンマ光子を含み、平均パルス立ち上がり時間分は、約2nsであり、時定数は、指数関数的適合が立ち下がりエッジについて行われた後は42.5497nsである。
【００８３】
ステップ2.1において採用されるΔtは、200nsである。
【００８４】
第2の実施形態
下記では、本実施形態によるデータを処理するためのパラメータが、列挙される。
【００８５】
図11に示されるように、ステップS1において採用される実際のシステムは、LYSO結晶およびFM300035 SIPMを含む。結晶は、2.0mm×2.0mm×10.0mmのサイズを有する。結晶とPMTとの間の結合面は、100面であり、結合面以外の表面は、テフロン(登録商標)粘着テープを用いてパッケージ化される。データ取得システムは、50GHzのサンプリングレートおよび16GHzの帯域幅を有する。図10に示されるように、放射線源は、511keVの陽電子消滅ガンマ光子を含み、平均パルス立ち上がり時間分は、約5nsである。
【００８６】
ステップ2.1において採用されるΔtは、300nsである。
【００８７】
第3の実施形態
下記では、本実施形態によるデータを処理するためのパラメータが、列挙される。
【００８８】
ステップS1において採用される実際のシステムは、LaBr結晶およびHamamatsu R9800 PMTを含む。結晶は、3.5mm×3.5mm×5.0mmのサイズを有する。結晶とPMTとの間の結合面は、100面であり、結合面以外の表面は、金属を用いて密封される。データ取得システムは、50GHzのサンプリングレートおよび16GHzの帯域幅を有する。図10に示されるように、放射線源は、511keVの陽電子消滅ガンマ光子を含み、平均パルス立ち上がり時間分は、約2nsである。
【００８９】
ステップ2.1において採用されるΔtは、100nsである。
【００９０】
本開示によるシンチレーションパルス情報を回復するための方法およびシステムは、信号が、直接デジタル化されることを必要とされる、核検出機器、核分析機器および核医療機器に適用されてもよい。
【００９１】
本開示が、前述の例示的な実施形態の詳細に限定されず、本開示が、本開示の趣旨または本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形で具体化されてもよいことは、当業者には明らかであろう。従って、例示される実施形態は、あらゆる点で例示的なものであり、制限するものでないと考えるべきである。本開示の範囲は、前述の説明よりもむしろ添付の請求項によって規定され、従って請求項の等価の意味および範囲内に入るすべての変化を含む。そして請求項における参照符号は、関係する請求項を制限すると解釈されるべきでない。
【００９２】
加えて、本明細書は、実施形態に基づいて述べられるが、しかし各実施形態だけが、1つの独立した技術的解決法を含むことは、意図されていないと理解すべきである。本明細書のそのような記述方法は、明確にするためだけである。本明細書は、全体として当業者によって考えられるべきであり、実施形態の技術的解決法は、当業者によって理解できる他の実施形態を形成するために適切に組み合わされてもよい。
【符号の説明】
【００９３】
100  雑音モデルモジュール
110  平均パルスモジュール
120  パルス雑音モジュール
130  確率密度分布モジュール
200  事後確率モジュール
210  尤度関数分布モジュール
220  時点積モジュール
300  エネルギー値探索モジュール
310  試験的エネルギー計算モジュール
320  線形探索モジュール
330  時間原点補正モジュール
400  シンチレーションパルス
500  放射線源
600  光電子増倍管
700  デジタルオシロスコープ
V1  基準電圧1
V2  基準電圧2
V3  基準電圧3
V4  基準電圧4
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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