РЕКОНСТРУКЦИЯ В ПОЗИТРОННОЙ ЭМИССИОННОЙ ТОМОГРАФИИ В РЕЖИМЕ ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО СПИСКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФУНКЦИИ ОТКЛИКА ДЕТЕКТОРА
POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY TIME-OF-FLIGHT LIST MODE RECONSTRUCTION USING DETECTOR RESPONSE FUNCTION

В области медицинской визуализации все шире используют позитронную эмиссионную томографию (PET). В визуализирующей РЕТ-системе в объект, подлежащий визуализации, вводят радионуклид. Радионуклид испускает позитроны. Когда испускаемый позитрон сталкивается с электроном, происходит акт, далее событие аннигиляции, в котором позитрон и электрон уничтожаются. В результате события аннигиляции порождаются два гамма-кванта, разлетающихся, по существу, под углом 180 градусов один от другого. Визуализирующие РЕТ-системы используют детекторы, расположенные напротив один другого, для детектирования гамма-квантов, испускаемых объектом. Обычно применяют кольцо из детекторов для регистрации гамма-квантов, приходящих под каждым углом.
Сбор большого числа событий формирует информацию, необходимую для оценки объекта методами томографической реконструкции. Упомянутые события, при привязке к детекторным элементам, формируют линии срабатывания (LOR), которые можно обрабатывать гистограммным методом в зависимости от их геометрических характеристик для определения проекций или синограмм, подлежащих реконструкции. События можно также вводить в изображение по отдельности.
Следовательно, фундаментальным элементом сбора данных и реконструкции изображения является LOR: линия, пересекающая апертуру для пациента в системе. Можно получать дополнительную информацию о местоположении события. Во-первых, известно, что, в ходе снятия отсчетов и реконструкции способность системы к реконструкции (определению координат) точки не является пространственно-инвариантной по полю видения; а именно, выше в центре и постепенно снижается к периферии. Для описания упомянутой характеристики обычно используют функцию рассеяния точки (PSF). Разработаны инструментальные средства для использования PSF в процессе реконструкции. Во-вторых, время пролета (TOF) или разность по времени между прилетами гамма-квантов к каждому детектору, участвующему в регистрации пары, можно использовать для ограничения по LOR, на которых событие могло произойти с большей вероятностью.
По своему характеру PSF является трехмерной и, обычно, изменяется от изотропной с размером 4-6 мм в центре сканера до сильно асимметрично эллипсоидальной, с размером, изменяющимся от 6 до 8 мм, на периферии. Информацию, касающуюся TOF, можно преобразовать в пространственную информацию (посредством преобразования скорости пролета двух гамма-квантов). Обычно, информация, касающаяся TOF, будет приводить к определению местонахождения события с точностью от 10-12 см до нескольких сантиметров с использованием очень быстродействующего сканера.
По существу, желательно создание способа и средства для использования всей имеющейся информации, касающейся LOR, во время реконструкции.
Настоящее изобретение относится к усовершенствованному алгоритму реконструкции для процессов визуализации. Визуализирующая система, например РЕТ-система, объединяет одновременно моделирование функции рассеяния точки детектора и знание TOF для повышения общего качества реконструированного изображения.
В одном варианте осуществления времяпролетные данные используют для определения средней точки излучения и вероятностной функции времени пролета. Средняя точка излучения и вероятностная функция времени пролета, в свою очередь, служат для определения функции отклика детектора. Затем вероятностную функцию времени пролета и функцию отклика детектора используют для определения объема вероятностей, например, эллипсоида. Элементы трехмерного изображения в объеме вероятностей применяются в алгоритме реконструкции для данной линии срабатывания. Указанный процесс повышает общее качество реконструированного изображения без необходимости в существенном увеличении времени обработки.
На прилагаемых чертежах, которые включены в настоящее описание и являются его частью, представлены варианты осуществления изобретения, которые, в сочетании с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием, служат для пояснения принципов настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что упомянутые наглядные варианты осуществления не предназначены для ограничения изобретения, а просто дают примеры, содержащие принципы изобретения.
Фигура 1 - изображение визуализирующей PET-системы.
Фигура 2 - изображение модели DRF (функции отклика детектора) для трехмерного (3-мерного) кольцевого РЕТ-сканера.
Фигура 3 - изображение данных с временной меткой, обеспечивающей среднюю точку излучения и (функцию вероятности времени пролета) probTOF.
Фигура 4 - изображение эллипсоида вероятностей для точки возникновения пары совпадающих гамма-квантов по модификации DRF, основанной на функции probTOF.
РЕТ-система, предлагаемая в настоящей заявке, обеспечивает способ и средство для точного моделирования PSF, чтобы PSF можно было использовать для обеспечения усовершенствованной реконструкции изображений в течение допустимого времени обработки. РЕТ-система моделирует PSF в сочетании с данными, собранными в режиме списка, о временах пролета (TOF) в PET. РЕТ-система фактически обеспечивает более точную модель PSF, а также ограничивает объем вычислений ограничением числа элементов трехмерного изображения, которые могут вносить вклад в точку возникновения зарегистрированных гамма-квантов.
1
2
3
4
5
На фигуре 1 представлена РЕТ-система 8, содержащая множество колец 10 детекторов, область 12 визуализации, объект 13, подлежащий визуализации, и консоль или корпус 14. Объект 13, подлежащий визуализации, внутри которого содержится радионуклид, испускающий позитроны, помещают в область 12 визуализации в корпусе 14. Когда позитроны испускаются из радионуклида, они сталкиваются с электронами, и при этом происходит событие 16 аннигиляции. Событие 16 аннигиляции порождает два гамма-кванта 17, 18, разлетающихся в противоположных направлениях вдоль линии 31 отклика. Затем гамма-кванты 17, 18 детектируются кольцами 10 детекторов, и сигнал передается в процессорный блок 54. РЕТ-система 8 может содержать любое число колец 10 детекторов, из которых пять (r, r, r, r, r) показаны на фигуре 1.
A
B
Процессорный блок 54 использует информацию из детекторов 10 вместе с алгоритмами реконструкции для формирования изображения объекта. Алгоритм реконструкции включает в себя моделирование PSF для определения точки возникновения каждого зарегистрированного гамма-кванта. В двумерной PET отклик детектора является двумерной функцией Х и ε, как показано на фигуре 2, где Х является радиальной координатой линии срабатывания (LOR), и ε, которое равно t/t, является относительной тангенциальной координатой места излучения гамма-кванта вдоль LOR. PSF в центре поперечного поля видения имеют более узкий и центрированный профиль, чем PSF, которые находятся на периферии поперечного поля видения. PSF более или менее асимметрична относительно Х для периферических LOR. PSF является более узкой при ε=1 (точка излучения находится в середине LOR) и расширяется с уменьшением ε (точка излучения находится ближе к одному из детекторов). В этом отношении, неточное моделирование DRF создает проблемы качества изображения, которые становятся более серьезными на периферии поперечного поля видения.
Что касается трехмерной PET, PSF является четырехмерной функцией X, ε, Z' и β, как показано на фигуре 2. Как показано, Z' является осью, перпендикулярной к LOR в осевом направлении, β означает угол наклона LOR к оси, и плоскость X-Z' ортогональна к LOR.
Так как РЕТ-системы создают гамма-кванты, которые всегда разлетаются под углом 180 градусов один к другому, то для облегчения определения точки возникновения вдоль LOR можно применять времяпролетные (TOF) алгоритмы. Например, как показано на фигуре 3, поле 68 видения PET показано с LOR 70, найденной по паре совпадающих гамма-квантов. Исходя из разности времен регистрации совпадающей пары и известного диаметра поля 68 видения, можно определить среднюю точку 72 излучения вдоль LOR 70. Однако точку излучения невозможно определить абсолютно точно. Вместо этого точку излучения можно выразить в виде функции вероятности (probTOF) 75 для всех точек вдоль LOR 70. Как показано на фигуре 3, probTOF 75 напоминает функцию Гаусса с максимальной вероятностью в средней точке 72 излучения.
Данные от детекторов 10 могут подаваться в процессорный блок 54 и могут содержать временную метку для каждого зарегистрированного гамма-кванта. Временные метки могут служить для определения средней точки 72 излучения и probTOF 75. Среднюю точку 72 излучения и probTOF 75 можно использовать для более точного моделирования DRF. На фигуре 4 представлен алгоритм реконструкции, который использует среднюю точку 72 излучения и probTOF 75 для модификации DRF. Оси координат обозначены позицией 76. Регистрация совпадения дает LOR 70, и временные метки служат для определения средней точки 72 излучения и probTOF 75, при этом probTOF является функцией L. DRF 78 можно вычислить по средней точке 72 излучения, при этом DRF является функцией X, Z' при L=1. Для данной LOR 70 вносить вклад в LOR 70 могут только элементы трехмерного изображения внутри эллипсоида 80. Границы эллипсоида 80 вероятностей определяются функциями probTOF 75 и DRF 78. В частности, границы эллипсоида 80 вероятностей определяются ненулевой областью probTOF 75 в направлении LOR и ненулевой областью DRF 78 в плоскости X-Z', L=1. В альтернативном варианте объем 80 вероятностей может быть ограничен заданным участком probTOF, заданным участком DRF или заданным участком probTOF и заданным участком DRF. При изменении заданного(ных) участка(ков) изменяется форма объема вероятностей, и можно уменьшить число элементов трехмерного изображения в объеме вероятностей. Например, probTOF и/или DRF могут быть вычислены при одном или двух стандартных отклонениях от средней точки излучения.
Поскольку PSF может быть функцией относительной тангенциальной координаты ε, контур эллипсоида для каждого фиксированного L=1 может быть разным. Весовой множитель точки пересечения каждого элемента трехмерного изображения с LOR является простым произведением probTOF(L) и PFS в плоскости (X, Z', L=1). Поэтому в передней проекции, для данной LOR, все элементы трехмерного изображения в эллипсоиде 80 вероятностей должны проецироваться с весовым множителем их probTOF и DRF. В обратной проекции, для данной LOR, скорректированная LOR получает соответствующий весовой множитель и распределяется каждому элементу трехмерного изображения в пределах цилиндра для эллипсоида вероятностей. Следует отметить, что объем 80 вероятностей может иметь любую трехмерную форму, определяемую функциями probTOF и DRF, и, следовательно, предполагается, что объем настоящего изобретения не должен ограничиваться конкретной геометрической формой объема вероятностей.
Следовательно, с использованием данных TOF, полученных в режиме списка, для каждой измеренной LOR координата излучения совпадающих гамма-квантов известна и находится в пределах временного разрешения сканера. PSF моделируется для ограниченного диапазона элементов трехмерного изображения объекта вдоль LOR, исходя из средней точки 72 излучения и probTOF 75. Уменьшение объема необходимых вычислений значительно сокращает время реконструкции изображения для алгоритмов, которые точно моделируют DRP. Точное моделирование PSF допускает формирование изображений с намного более высокими разрешающей способностью и общим качеством.
Выше изобретение описано со ссылкой на, по меньшей мере, один предпочтительный вариант осуществления. Безусловно, специалистам, прочитавшим и изучившим настоящее описание, станут очевидными модификации и варианты. Например, предполагается, что настоящее изобретение не ограничено РЕТ-системами, но может включать в себя визуализирующие системы, использующие разные способы, например комбинированные системы РЕТ/СТ (компьютерной томографии) или систему PET/MR (ядерного магнитного резонанса). Предполагается охват всех подобных модификаций и изменений в той степени, насколько они находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.