СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ TOF PET
METHOD AND SYSTEM FOR IMPROVED TOF PET RECONSTRUCTION

Настоящее изобретение относится к позитронной визуализации и, в частности, к времяпролетной (TOF) позитронно-эмиссионной томографии (PET). Хотя изобретение, в частности, применимо в позитронно-эмиссионной томографии в медицине, оно находит применение также в позитронно-эмиссионной томографии в условиях доклинического обследования и других немедицинских учреждениях, а также в других ситуациях, в которых используют информацию TOF.
Позитронно-эмиссионная томография (PET) является областью ядерной медицины, в которой испускающий позитроны радиофармпрепарат вводят в тело пациента или другой объект исследования. Когда происходит распад радиофармпрепарата, образуются позитроны. Образующийся позитрон взаимодействует с электроном, что известно как событие позитронной аннигиляции, в результате которой образуется пара совпадающих 511-кэВ гамма-лучей, которые распространяются, по существу, в противоположных направлениях по линии срабатывания (LOR). Пара гамма-лучей, обнаруживаемая в течение временного интервала совпадения, обычно записывается PET-сканером как событие позитронной аннигиляции. При типичном сканировании много миллионов подобных событий аннигиляции обнаруживают и используют для формирования изображений и другой информации, характеризующей распределение радионуклида в объекте.
Системы PET широко применяются в связи с диагностикой и лечением болезни, например в онкологии, кардиологии, функциональных исследованиях, и других областях применения. Из-за ограничений времени срабатывания сцинтиллятора и других факторов традиционные системы PET не собирали информацию о времени пролета. Таким образом, блок реконструкции не снабжался никакой информацией о положении события на LOR. Хотя системы без определения TOF широко применялись в медицине и других областях, качество получаемых данных изображения было сравнительно ограниченным.
Недавно появились системы TOF PET. В TOF PET измеряют разность времен регистрации двух совпадающих гамма-лучей и используют для обеспечения информации, характеризующей положения обнаруживаемых событий на различных LOR. Однако одним фактором, который влияет на рабочие характеристики реальных систем TOP PET, является временное разрешение времяпролетного измерения. Поскольку реальные системы характеризуются конечным временным разрешением, то положения событий нельзя измерить с определенностью. Следовательно, положения различных событий оценивались как занимающие некоторый диапазон положений на соответствующих им LOR. В частности, значение временного разрешения применяли глобально или в масштабе всей системы, чтобы оценивать положение событий, обнаруживаемых на различных LOR. Упомянутые глобальные оценки применялись в процессе реконструкции для повышения качества результирующих изображений.
При данном уровне активности и времени визуализации системы TOF обычно создают изображения, имеющие относительно более высокое качество, чем сравнимые системы без определения TOF. С другой стороны, изображения со сравнимым качеством можно получать с использованием относительно меньшего уровня активности и/или с сокращением времени визуализации.
Хотя системы TOF оказались эффективнее для создания изображений относительно более высокого качества, чем традиционные системы без определения TOF, все же возможность для усовершенствований сохраняется. В частности, сохраняется потребность в еще более эффективном использовании информации о времени пролета в данной системе и, следовательно, в дополнительном повышении качества результирующих данных изображения.
Аспекты настоящего изобретения касаются упомянутых и других вопросов.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, способ времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии содержит этапы, на которых оценивают координаты первого события позитронной аннигиляции на основе первого временного разрешения, оценивают координаты второго события позитронной аннигиляции на основе второго временного разрешения и используют оцененные координаты для реконструкции данных изображения, характеризующих события позитронной аннигиляции. Второе временное разрешение отличается от первого временного разрешения.
В соответствии с другим аспектом, устройство времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии содержит средство для использования первого значения временного разрешения для оценки координаты первого события позитронной аннигиляции, средство для использования второго значения временного разрешения для оценки координаты второго события позитронной аннигиляции и блок 129 реконструкции, который использует оцененные координаты для реконструкции данных изображения, характеризующих события позитронной аннигиляции. Второе временное разрешение отличается от первого временного разрешения.
В соответствии с другим аспектом, машиночитаемый носитель информации, содержащий команды, которые, при исполнении компьютером, предписывают компьютеру выполнять способ. Способ содержит этапы получения временных данных второго порядка для множества событий позитронной аннигиляции, при этом временные данные второго порядка содержат, по меньшей мере, первое и второе разные значения. Способ содержит также этап, на котором используют временные данные второго порядка для реконструкции данных изображения, характеризующих события позитронной аннигиляции.
В соответствии с другим аспектом, устройство содержит детектор, чувствительный к гамма-излучению, детектор совпадений, имеющий рабочее соединение с детектором, чувствительным к излучению, и память, содержащую данные, характеризующие временное разрешение детектора во множестве положений на чувствительной к излучению поверхности детектора, и блок реконструкции, имеющий рабочие соединения с детектором совпадений и памятью. Блок реконструкции использует метод реконструкции в списочном режиме и данные о временном разрешении из памяти для формирования данных изображения, характеризующих события позитронной аннигиляции, отождествленных детектором совпадений.
В соответствии с другим аспектом изобретения, способ содержит этапы, на которых заменяют компонент системы времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии и корректируют значения временного разрешения, содержащегося в памяти системы. Компонент влияет на временное разрешение системы, и память содержит множество значений временного разрешения.
Дополнительные аспекты настоящего изобретения будут очевидны специалистам со средним уровнем компетенции в данной области техники после прочтения и изучения нижеследующего подробного описания.
Изобретение может быть выполнено в виде различных компонентов и схем расположения компонентов и различных этапов и схем расположения этапов. Чертежи приведены только с целью пояснения предпочтительных вариантов осуществления и не подлежат интерпретации как ограничивающие изобретение.
Фиг.1 - изображение системы визуализации TOF PET.
Фиг.1A - трансаксиальный вид детектора PET.
Фиг.2 - представление данных временного разрешения второго порядка.
Фиг.3 - изображение способа визуализации.
Фиг.4 - изображение способа замены компонента системы времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии.
Как показано на фиг.1, система 100 PET содержит гентри 102 и чувствительный к излучению детектор 106. Как подробно описано ниже, детектор 106 может демонстрировать значительные изменения точности определения временных интервалов, например, от одной области детектора к другой, от одного компонента к другому и даже от одного сцинтиллирующего кристалла (или области кристалла) к другому. Хотя учет временного разрешения в масштабе системы в целом обеспечивает удовлетворительное описание средней характеристики, локальные и индивидуальные свойства детекторных элементов теряются. Следовательно, желательно более точно учитывать упомянутые изменения характеристик детектора.
Детектор 106, который расположен по, в основном, цилиндрической схеме расположения вокруг области 108 исследования, а также продолжается вдоль продольной или z-оси. Детектор 106 содержит сцинтиллятор 107, который превращает характеристику 511-кэВ гамма-лучей от событий позитронной аннигиляции во вспышки света. Фотодетекторы 109, расположенные в оптическом контакте со сцинтиллятором 107, обнаруживают сцинтилляции и формируют соответствующие электрические сигналы. Поскольку временное разрешение системы 100 непосредственно связано с временем срабатывания сцинтиллятора 107, фотодетекторов 109 и других компонентов детектора 106, то детекторы 106 предпочтительно изготавливают из сцинтилляционных материалов 107 и фотодетекторов 109, обладающих относительно коротким временем срабатывания. Одним подходящим сцинтилляционным материалом является ортосиликат лютеция-иттрия (LYSO); подходящие фотодетекторы содержат фотоэлектронные умножители (PMT) и кремниевые фотоумножители (SiPM). Возможно также исполнение в других конфигурациях из сцинтилляционных материалов 107, фотодетекторов 109 и детекторов 106, в зависимости от конкретных требований к применению.
Опора 116 объекта поддерживает пациента или другой объект 118, подлежащий визуализации в области 108 исследования. Опора 116 объекта является предпочтительно перемещаемой относительно области 108 исследования согласованно с работой системы 100 PET, чтобы облегчать позиционирование объекта 118 и, по требованию, допускать сканирование объекта 118 во множестве дискретных или непрерывно перемещающихся положений вдоль оси.
Система 120 сбора данных формирует информацию, характеризующую различные гамма-кванты, обнаруживаемые детектором 106. Упомянутые данные могут содержать одну или более информацию, касающуюся положения на детекторе 106, в котором обнаружен гамма-квант, энергии кванта, временной метки регистрации, глубины взаимодействия (DOI) кванта, скорости счета и т.п. И вновь, характеристики различных компонентов системы 120 сбора данных могут влиять на измерения временных интервалов и, следовательно, на временное разрешение системы 100.
Система 122 обнаружения совпадений получает информацию из системы 120 сбора данных и опознает обнаруживаемые гамма-кванты, которые образуются в результате событий позитронной аннигиляции. Система 122 обнаружения совпадений формирует также данные о событиях для каждого из различных событий. Данные о событиях, которые предпочтительно формируются в списочном режиме, обычно содержат положение или координату LOR, информацию по TOF, например наиболее вероятную координату (MLP), и другую требуемую информацию по каждому событию или импульсу счета.
Блок 129 реконструкции содержит процессор 130 компьютера, который исполняет машиночитаемые команды, содержащиеся в энергозависимой, энергонезависимой или другой машиночитаемой памяти, доступной процессору 130. Блок 129 реконструкции реконструирует данные о событиях с формированием данных изображения, характеризующих обнаруженные аннигиляции, например с использованием подходящего итеративного или аналитического алгоритма реконструкции. В связи с процессом реконструкции блок 129 реконструкции также производит выборку данных 124 временного разрешения, которые хранятся в подходящей памяти или которые иначе доступны блоку 129 реконструкции. Как более подробно описано ниже, блок 129 реконструкции использует данные 124 временного разрешения для учета изменений временного разрешения между различными компонентами в канале сбора данных.
Рабочая станция выполняет функцию операторской консоли 128 и содержит удобочитаемые устройства вывода, например мониторы или дисплеи, и устройства ввода, например клавиатуру и/или мышь. Программное обеспечение, содержащееся в консоли 128, позволяет оператору управлять работой сканера 100 посредством определения требуемых протоколов сканирования, запуска и выключения сканирований, просмотра данных изображений и другого манипулирования с ними и другого взаимодействия со сканером 100.
Хотя вышеприведенные пояснения относились к системе PET, система 100 может также содержать одно или более дополнительное средство визуализации, например гибридную PET/CT, PET/MR или другую систему.
На фиг.1A представлен трансаксиальный вид одной примерной конфигурации детектора 106. Как показано на фиг.1А, множество сцинтилляционных модулей 150, разбитых на элементы разрешения, расположено вокруг области 108 исследования. Матрицы фотоэлектронных умножителей (PMT) 109 обнаруживают сцинтилляционные кванты, порожденные сцинтилляторами 150. Хотя на фиг.1A показан детектор 106, содержащий восемь (8) сцинтилляционных модулей 150 в преувеличенном масштабе для простоты изображения, следует понимать, что реальный детектор 106 может содержать до двадцати восьми (28) или более сцинтилляционных модулей 150, расположенных вокруг области 108 исследования.
Как показано на фиг.1A, между сцинтилляционными модулями 150 расположены пограничные или пустые зоны 152. Кроме того, некоторые участки 154 сцинтилляционных модулей 150 расположены относительно ближе к поперечному центру PMT 109, тогда как другие участки 156 расположены относительно дальше от упомянутого центра.
Так как временное разрешение детектора 106 зависит от таких факторов, как свет, собранный PMT, и отклик данной комбинации из сцинтиллятора 150 и PMT 109 на квантовый возбудитель, то границы 152, близость к центрам PMT и другие геометрические факторы могут приводить к неравномерностям временного разрешения по чувствительной к излучению поверхности детектора 106. Например, области вблизи границ 152 и области 156, относительно более удаленные от центров PMT, обычно характеризуются относительным снижением временного разрешения, тогда как области 154, расположенные относительно ближе к центрам PMT, обычно характеризуются относительно более высоким временным разрешением.
Временное разрешение детектора 106 может зависеть также от изменчивости компонентов детектора 106 и других элементов канала визуализации. Например, сцинтиллятор 150 или фотодетекторы 109 могут характеризоваться изменениями времен срабатывания между разными элементами или партиями, выпущенными в разное время. Аналогичная изменчивость может проявляться в реактивных и других электрических компонентах в системе 120 сбора данных. Действительно, изменчивость в процессе сборки и даже в размещении выводов электрических сигналов также могут вызывать подобную изменчивость.
Временное разрешение может также испытывать влияние динамических или характерных для измерения факторов. Таким образом, например, временное разрешение может также изменяться в зависимости от DOI гамма-квантов, энергии кванта, временных и/или определяемых положением изменений скорости счета и других аналогичных факторов.
Эффект этих изменений представлен на фиг.1A по отношению к примерным первой 160 и второй 162 LOR. Первая LOR 160 отражает событие аннигиляции, при котором соответствующие гамма-кванты обнаруживают относительно ближе к границам 152, и, следовательно, характеризует относительно сниженное временное разрешение. Вторая LOR 162 отражает событие аннигиляции, при котором соответствующие гамма-кванты обнаруживают в положении относительно ближе к центрам 154 соответствующих PMT, и, следовательно, характеризует относительно высокое временное разрешение.
В частности, показанные оценки 164, 166 координат характеризуются временной информацией нулевого, первого и второго порядка. Временные данные нулевого порядка представляют площадь под соответствующими кривыми 164, 166. Временные данные первого порядка представляют MLP 168, 170 обнаруженных событий, которые обычно определяются из соответствующих измерений TOF. Временные данные второго порядка представляют достоверность или ширину оценки координаты и являются функцией временного разрешения. Когда оценки 164, 166 координат представляются в виде гауссовых функций, временные данные второго порядка можно эффективно выражать в виде полной ширины на уровне полумаксимума (FWHM) оценки координат.
В показанном примере временные данные нулевого порядка как для первой 164, так и для второй 166 оценок координаты имеют одинаковое значение, что обычно соответствует случаю, когда событиям, обнаруживаемым на разных LOR 160, 162, придается равный вес. Данные первого порядка отражают MLP соответствующих событий. Временные данные второго порядка отражают изменения временного разрешения между разными LOR. В показанном примере вторая оценка 168 координаты характеризуется относительно более высоким временным разрешением и, следовательно, характеризуется меньшей или более узкой FWHM, чем первая оценка 170 координат.
Хотя изменчивость оценок 164, 166 координат описана выше как функция геометрических или конструктивных характеристик детектора 106, оценки 164, 166 координат могут также испытывать влияние межкомпонентных изменений, динамических или свойственных измерениям изменений и других переменных параметров, по одиночке или в сочетании. Таким образом, например, по меньшей мере, один из PMT 109, расположенных вблизи границ 152, может обладать относительно более высокими временными характеристиками, чем другие PMT 109 в системе, что положительно сказывается на некоторых изменениях временного разрешения, которые можно было бы ожидать в ином случае. Разумеется, справедливо также обратное.
Временные данные второго порядка можно использовать для повышения качества данных изображения, формируемых системой 100 PET. Как показано на фиг.1 и дополнительно показано на фиг.2, данные 124 временного разрешения, характеризующие временные параметры конкретного детектора 106, хранятся в машиночитаемой памяти или в другой подходящей форме. Данные 124 временного разрешения можно визуализировать, например, при хранении в форме двумерной таблицы 202 поиска, выборка из которой осуществляется по x, y координатам на поверхности детектора 106. В показанном случае со сцинтилляционным модулем 150, разбитым на элементы разрешения, каждый элемент 204 в таблице 202 может отражать временное разрешение каждого из разных элементов разрешения сцинтилляционного модуля 150. В другом примере данные 124 временного разрешения можно организовать на основе индекса элемента разрешения или по положению или координате конкретной LOR или группе LOR. Разумеется, выше описаны только два возможных метода визуализации и выборки данных; возможно исполнение других структур.
Как должно быть очевидно специалистам со средним уровнем компетентности в данной области техники, данные 124 временного разрешения можно легко включать в процесс реконструкции, которая использует надлежащее временное значение второго порядка для каждого импульса счета. Подобное включение особенно просто выполняется в связи с реконструкцией в списочном режиме, в котором удобнее использовать разные значения. Хотя данные 124 временного разрешения можно использовать также в связи с реконструкцией по гистограммам, на практике исполнение может быть более сложным.
Изменчивость предусматривают. Например, временные данные 124 второго порядка можно обеспечивать с разными степенями детализации. Например, данные 124 можно обеспечивать с относительно сниженным пространственным разрешением, например, для областей, содержащих два или более элементов разрешения сцинтилляционного модуля 150. Данные 124 можно также обеспечивать применительно к еще большим областям детекторов. Например, данные 124 можно использовать для внесения поправок только на относительно более значительную или геометрическую изменчивость в детекторе 106, например, расчетные изменения в пограничных областях 152.
Таким образом, временные данные 124 могут быть определены из априорных знаний о конструкции системы 100 и ее расчетных временных рабочих характеристиках. Временные данные 124 могут быть также определены по измеренным значениям, относящимся к конкретной системе 100 или соответствующим ее компонентам, полученным, например, во время процедуры калибровки, которая выполняется как часть процесса изготовления или установки системы, время от времени во время эксплуатации системы 100, при замене одного или более компонента, что, как можно ожидать, должно изменить временные рабочие характеристики системы 100, или в любое другое необходимое время.
Кроме того, как отмечено выше, временное разрешение зависит от скорости поступления данных. Таким образом, с повышением активности изотопа скорость счета одиночных событий также возрастает, так как в детектор 106 приходят дополнительные гамма-кванты. Результирующее наложение сигналов имеет тенденцию к снижению временного разрешения. Таким образом, временное разрешение обычно зависит от активности. Упомянутую зависимость временного разрешения от активности можно определить путем получения информации о временном разрешении при двух или более уровнях активности. Результирующие данные можно сохранить в таблице 202 поиска (либо отдельно, либо в комбинации с временными данными второго порядка, например, в многомерной таблице). Зависимость временного разрешения от активности можно также аппроксимировать линейной или другой функцией, которая хранится в памяти или иным образом и которая применяется для коррекции данных 124 второго порядка с учетом текущей степени активности. И вновь, полученные временные данные можно включать в реконструкцию либо отдельно, либо в комбинации с данными, характерными для детектора или измерения.
Кроме того, различия временного разрешения можно прогнозировать на основании подробных сведений о данном исследовании с визуализацией, например, когда разным пациентам дают разные дозы радиоактивных маркеров, при разных размерах пациентов (так как более крупные пациенты обеспечивают разные значения рассеяния), в виде функции времени, прошедшего после введения маркера, и для разных изотопов (так как короткоживущие индикаторы создают более высокие скорости поступления данных). В последнем случае временное разрешение может изменяться даже в течение данного исследования с визуализацией. Для индикаторов с быстрым затуханием (например, с изотопом Rb-82, который характеризуется временем полураспада около 1,27 минут), скорости могут значительно изменяться во время сканирования, с сопутствующим изменением временного разрешения. Упомянутые изменения могут быть особенно значительными во время динамических исследований, в ходе которых формируется последовательность изображений во времени. В последнем случае для каждого изображения можно использовать разное временное разрешение.
Данные нулевого порядка могут изменяться в зависимости от данных второго порядка. В некоторых ситуациях, например, возможно, потребовалось бы применять относительно более высокие весовые коэффициенты к областям или данным, полученным при относительно более высоком временном разрешении (или, наоборот, применять меньшие весовые коэффициенты к элементам разложения или областям детекторов, которые характеризуются относительно пониженным временным разрешением).
В еще одном альтернативном варианте, который особенно полезен для упрощения обслуживания или модернизаций системы 100, один или более элемент, заменяемый в процессе эксплуатации (FRU), который влияет на временные рабочие характеристики системы 100, снабжается памятью, содержащий временные данные, характерные для FRU. Таким образом, например, детекторные модули (например, комбинация из фотодетектора 106 и сцинтиллятора 107), один или более требуемых участков системы 120 сбора данных или другие компоненты, заменяемые в процессе эксплуатации, канала сбора данных могут снабжаться собственной памятью. В подобном исполнении временные характеристики второго порядка или другие временные характеристики соответствующего(их) компонента(ов) можно измерять в процессе изготовления. Требуемые значения загружают, получают во время эксплуатации системы 100 или получают иным образом после установки соответствующего FRU.
Возможны также другие схемы расположения детектора 106. Хотя вышеприведенное описание относится к применению сцинтилляторов 107, разбитых на элементы разложения, возможно использование однородных сцинтилляторов или сцинтилляторов, не разбитых на элементы разложения. Примеры кристаллических материалов для альтернативных сцинтилляторов включают в себя ортосиликат лютеция (LSO), ортосиликат лютеция-иттрия (LYSO), легированный церием, перовскит лютеция-иттрия-алюминия (LuYAP), легированный церием, оксиортосиликат лютеция-гадолиния (LGSO), бромид лантана (LaBr), хлорид лантана (LaCI), ортосиликат гадолиния (GSO), легированный церием, германат висмута (BGO) и их смеси. Альтернативные фотодетекторы 109 содержат кремниевые дрейфовые фотодиоды, счетчики лучей видимого света (VLPC) и другие кремниевые фотодетекторы. Предполагается также применение детекторов прямого преобразования, например теллурид кадмия (CdTe), теллурид кадмия-цинка (CZT) и т.п. Кроме того, исполнение детектора 106 не обязательно должно быть модульным, и, с учетом конкретных требований к применению, возможны разные исполнения физической конструкции детекторов 106 и их составляющих элементов. Другие дополнительные варианты осуществления будут очевидны специалистам со средним уровнем компетентности в данной области техники.
Работа системы 100 визуализации применительно к примерному исследованию с визуализацией описана ниже в связи с фиг.3.
Объект 118 исследования помещают в область 108 исследования, и на этапе 302 собирают данные изображения.
На этапе 304 система 122 обнаружения совпадения опознает совпадающие гамма-кванты, и на этапе 306 формируются данные о событии в списочном режиме.
Данные о событии реконструируются на этапе 308. В частности, временные данные второго порядка или другие временные данные служат для оценки координаты событий на соответствующих им LOR, как описано выше.
Удобочитаемые изображения, характеризующие реконструированные данные, создаются на этапе 310.
В данном смысле следует отметить, что этапы 304, 306, 308 и 310 могут, но не обязательно, выполняться, по существу, параллельно с этапом 302. Таким образом, например, данные этапы могут выполняться в течение требуемого периода времени после окончания сбора данных.
Способ замены компонента времяпролетной позитронно-эмиссионной томографической системы показан на фиг.4. На этапе 402 производят замену требуемого компонента, например, для замены неисправного компонента или для модернизации системы после установки системы в учреждении пользователя. Компонент оказывает влияние на временное разрешение системы. На этапе 404 обновляют значение временного разрешения, содержащееся в памяти системы.
Выше изобретение описано на примере предпочтительных вариантов осуществления. Специалисты смогут создать модификации и внести изменения после прочтения и изучения вышеприведенного подробного описания. Предполагается, что изобретение следует интерпретировать как охватывающее все упомянутые модификации и изменения, пока они находятся в пределах притязаний прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.