数据获取装置、对湮没伽马射线检测器及对湮没伽马射线检测方法
【专利摘要】通过实施方式，加法通道对来自阵列状的传感器（301）的信号进行相加并数字化后，提取时间及能量的信息。延迟加法通道，包含对各传感器导入已知的延迟并制作针对传感器（301）的时间署名的个别的延迟线（305），之后，与对延迟的信号进行相加的加法电路（303）连接。延迟加法通道使用高速计数器（509）来数字化，并提取位置信息。当加法通道输出及延迟加法通道输出分别超过脉冲ID阈值时，输出计数器的开始及停止的信号。选择脉冲ID阈值，以使康普顿散射最小化并且不提取光峰事件。
【专利说明】数据获取装置、对湮没伽马射线检测器及对湮没伽马射线检测方法
【技术领域】
[0001]本公开大致涉及一种在正电子放射断层摄影(Positron Emission Tomography:PET)中削减通道计数的装置及方法。更详细而言，本公开涉及一种通过使来自光检测器的读取成为数据集，来在基于半导体的正电子放射断层摄影(Positron EmissionTomography:PET)中削减通道计数的装置及方法。
【背景技术】
[0002]PET成像首先向被检体投放(大多数是注入，但是也包括吸入及摄取)放射性医药品，接着，药剂的物理性的及生物体分子性的特性集聚在人体内的特定部位。实际的空间分布、集聚的点或者区域的强度、及从投放到捕捉再到最终排出的处理的动态都可能是具有临床重要性的因素。该处理中，附着于医药品中的正电子放射体，根据同位素(半衰期、分支t匕)的物理性质放射正电子。各正电子都与被检体的电子相互作用后发生对湮没，多数情况下，在彼此实质上成180度方向上生成511keV的两个对湮没伽玛射线。之后，通过光检测器及处理电子设备所连接的闪烁体，快速检测这两个对湮没伽马射线。
[0003]如果在被检测出的一对的对湮没伽马射线的位置之间引出一条线的话，也称为响应线(Line-of-Response:LoR),那么能够推断出原本的应该发生对湮没事件的位置。该处理虽然只识别发生了对湮没事件的线，但是通过积累多条这样的线，并通过断层摄影重建处理，能够推断出正电子发射核素的原本的分布。
[0004]当除了两个闪烁事件的位置之外，还能够利用准确的定时(数百皮秒以内)时，能够准确地计算出对湮没伽马射线从其原本的点移动至检测器电子设备所花费的时间。通过该时间(称为飞行时间(Time-of-Flight =ToF)),能够得到与原本的应该发生对湮没事件的位置，即，沿线的对湮没位置相关的更多信息。根据扫描仪的时间分辨率的极限，来确定沿该线的定位的精度。根据原本的闪烁事件的定位的极限，来确定扫描仪的最终空间分辨率，另一方面，根据同位素的固有的特性(正电子的能量)、或两个对湮没伽马射线的正电子范围及共线性，也有助于确定对于特定的药剂的空间分辨率。
[0005]需要将上述计算对多个事件反复进行。为了支援成像作业，在所有情形下，为了确定需要进行多少计数(事件对)，需要进行分析，但是在当前的习惯中，规定在典型的IOOcm长的FDG (氟脱氧葡萄糖)的研究中需要积累数亿的计数。积累该计数所需要的时间由注入的放射线量、及扫描仪的灵敏度及计数性能来决定。
[0006]扫描仪的计数性能主要由两个要因决定。第I是，闪烁体的衰减时间决定传感器被占有的时间。该时间是无法削减的参数，是闪烁体的固有性质。闪烁光发生并集聚所需的时间，决定用于事件处理的最小时间。假如其他事件在该时间周期内发生的话，那么来自第二次的事件的光使事件的推定偏向使时间、能量、及位置的推定成为无效的点。因此，可能需要放弃双方的事件。
[0007]影响计数率的第2变量被称为触发区，是事件中「被影响的」或者「被占有的」扫描仪的总表面的划分。第二次事件在不同位置的触发区的外侧发生，使用电子通道的不同的集合时，第二次的事件能够发生在最初的事件的正在处理时的任意时间点。因此，触发区及集聚时间的概念在决定扫描仪的计数率性能时是重要的。
[0008]因此，为了使计数率最大化，存在制造非常小的触发区这样的希望。但是，对于该希望而言，在更小的检测器区域增加电子通道的数量，导致的结果是，系统整体的成本的上涨这样的事实，由此，该希望立即被反对。
[0009]以往的组成中，当通道的数量过高，无法实现使用分开的构成元件的信号处理电子装置时，一般地，执行通道的数据集。例如，典型的最新的PET扫描仪在扫描仪整体只使用数百个传感器，这时，显然可以得到与处理电子通道相对的传感器的I对I的结合。
[0010]如果使用其他类型的传感器，例如，多阳极光电倍增管(Photo-MultiplierTubes:PMT)、光电二极管、雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes:APD)、或者最近的半导体光电倍增管(SiPM (Silicon Photomultipliers:娃光电倍增管)、SSPM (Solid StatePhotomultipliers:半导体光电倍增管)、MPPC (Multi Pixel Photon Counter:多像素光子计数器)等)，通常，其结果是能够得到数千或数万的传感器。这时，显然需要尝试将通道计数最佳化。如图1及2所示，两个这样的通道计数削减技术分别可以使用基于象限(重心演算法)的、或基于行和列的加法电路。
[0011]图1是表示基于象限的重心演算法的变化的图，在此，锗酸铋氧化物(BismuthGermanium Oxide:BG0)的闪烁体的块是根据4个象限101所读出的,该4个象限101是通过将SiPM103的2X2的矩阵进行总和计算所制作的。重心演算法用于这些象限的输出，并且能够推定位置、能量、及时间。
[0012]图2是表示以往的行列读取的图，该行列读取利用行方向及列方向的加法Σ通道。由16台传感器201 (或者传感器单元)构成的4X4的矩阵的该例子中，4行及4列能够恰当地识别排列中事件的位置。该组成中，通道计数是16，相比每个传感器的专用电子通道，只能使用8个电子通道。排列越大，则越能够通过该组成来更多地消减通道计数。例如，是正方形的排列时，其中，N是各行和列的传感器数，NXN与2N的差变得显著。
[0013]有关该组成的一个问题是，在伽玛相互作用时，信号从(通过第I闪烁体内的康普顿散射)多个闪烁体被分割至多个加法电路。该状况是一般性的。基于20mm厚的LYSO(cerium doped Lutetium Yttrium Orthosilicate:铺惨杂锻娃酸乾)和 4X4mm2 的闪烁体的典型的PET扫描仪结构中，全部相互作用中的仅78%对单一的闪烁体产生影响，事件的残留的22%通过至少两个邻接的闪烁体来生成光。该比例根据闪烁体的尺寸及厚度的实际设计而不同，因此存在需要进行应对的重大问题。
[0014]这些多个相互作用事件的大部分对于对象的闪烁体的周围的最初的列带来影响，该对象的闪烁体将对象的闪烁体作为中心，制作应该由包含对象的闪烁体的9个闪烁体构成矩阵。当部分的能量堆积发生在中心的闪烁体的左或者右时，水平线捕捉受到影响的2台传感器的总计。当部分的能量堆积发生在中心的闪烁体的上部或者下部时，垂直线捕捉受到影响的2台传感器的总计。但是，任意的倾斜的相互作用将信号分布在多个加法线上。
[0015]为了得到该组成的总合效果，系统对于相加的信号分析水平线和垂直线这双方，为了进行时间截取(timing pick-off)，需要发现哪条线包含最佳的信号。并且，当倾斜相互作用时，因为最佳的信号劣化，所以良好的时间推定的能力被限定。[0016]现有技术文献
[0017]专利文献
[0018]专利文献1:日本特开2007-41007
【发明内容】
[0019]本发明所要解决的课题是提供一种能够在基于半导体的PET中削减通道计数的数据获取装置、对湮没伽马射线检测器及对湮没伽马射线检测方法。
[0020]通过一实施方式，数据获取装置是用于对湮没伽马射线检测器的数据获取装置，具备:加法电路、延迟加法电路、第I电路、及第2电路。加法电路，从与闪烁体阵列连结并且接收光后转换成多个电子信号的多个传感器接收上述多个电子信号后进行相加，由此来生成第I信号，上述闪烁体阵列是根据通过对湮没事件所生成的入射伽马射线进行相互作用后生成上述光的闪烁体的阵列。延迟加法电路，通过选择性地延迟上述多个电子信号后进行相加来生成第2信号。第I电路，接收上述第I信号，并确定上述第I信号的能量及事件时间。第2电路，接收上述第I信号及上述第2信号，当上述第I信号超过规定的阈值时，确定上述多个传感器中的哪个传感器与上述相互作用的闪烁体的位置对应。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]通过参阅所添附的附图，并参照以下的详细说明，因为能够更详细地进行理解，所以容易地得到本说明书中记载的实施方式的更全面的认识及其附随的优点。
[0022]图1是表示基于象限的重心演算法的变形的图，在此，BGO的块是根据4象限所读出的，该4个象限通过将2X2SiPM相加所制作。
[0023]图2是表示以往的行列读取的图，该行列读取利用行方向及列方向的加法(Σ )通道。
[0024]图3是与4台传感器的阵列相对的Σ及Σ Λ通道复用的概略图。
[0025]图4Α是表示与4台传感器的阵列相对的、选择性地延迟的前后的传感器输出的图。
[0026]图4Β是表示与4台传感器的阵列相对的、选择性地延迟的前后的传感器输出的图。
[0027]图5是Σ及Σ Λ通道的方块图。
[0028]图6是Σ及Σ Λ通道的时间图。
[0029]图7是表示用于BGO闪烁体的强度函数的图，BGO闪烁体用于确定光子到达时间。
[0030]图8Α是表示到达时间的图，该到达时间表示采取不均匀泊松过程的典型性的路径的实例。
[0031]图8Β是表示到达时间的图，该到达时间表示使用重合模型的BGO-PMT设定的典型性的电流脉冲输出的实例。
[0032]图9是Σ Λ排列的研究中使用的仿真设定的流程图。
[0033]图1OA是表示Σ Δ蒙特卡罗模拟的结果的图。
[0034]图1OB是表示Σ Δ蒙特卡罗模拟的结果的图。
[0035]图1OC是表示Σ Δ蒙特卡罗模拟的结果的图。[0036]图1OD是表示Σ Δ蒙特卡罗模拟的结果的图。
[0037]图11是用于伽马射线检测器的数据获取方法的流程图。
[0038]图12是伽马射线检测器的方块图。
【具体实施方式】
[0039]以下，详细说明与本申请相关的实施方式。如上所述，本申请提供一种能够在基于半导体的PET中削减通道计数的数据获取装置、对湮没伽马射线检测器及对湮没伽马射线检测方法。具体而言，本申请中描述了一种方法，该方法在削减通道计数的同时，实现更小的触发区的使用、非常高的计数率能力及更高的定位精度。所公开的实施方式提供更大的通道计数的削减的同时，通过在时间及能量的推定中具有专用的电路的一部分及定位于阵列的电路的其他部分来提供最佳的系统设计。
[0040]因此，通过本申请所涉及的第I实施方式，提供一种用于伽马射线检测器的数据获取设备。该数据获取设备包括:加法电路，构成为将来自与闪烁体阵列连结的对应的多个传感器的多个电子信号进行相加来生成第I信号；多个传感器，将接收的光转换成多个电子信号，在此，光是根据通过对湮没事件所生成的入射伽马射线进行相互作用的闪烁体所生成的光；延迟加法电路，构成为选择性地延迟多个电子信号后相加来生成第2信号；第I电路，构成为接收第I信号，并确定第I信号的能量及事件时间；及第2电路，构成为接收第I信号及第2信号，当第I信号超过规定的阈值时，确定多个传感器中的哪个传感器与相互作用的闪烁体的位置对应。
[0041]另外，通过第2实施方式，提供一种包含闪烁体的阵列、传感器的阵列、及多个数据获取装置的对湮没伽马射线检测器。各数据获取装置包括:加法电路，构成为将来自与闪烁体阵列连结的对应的多个传感器的多个电子信号进行相加来生成第I信号，在此，多个传感器是将接收的光转换成多个电子信号的装置，光是根据通过对湮没事件所生成的入射伽马射线进行相互作用的闪烁体所生成的光；延迟加法电路，构成为选择性地延迟多个电子信号后相加来生成第2信号；第I电路，构成为接收第I信号，并确定第I信号的能量及事件时间；及第2电路，构成为接收第I信号及第2信号，当第I信号超过规定的阈值时，确定多个传感器中的哪个传感器与相互作用的闪烁体的位置对应。
[0042]另外，通过第3实施方式，提供一种对湮没伽马射线检测方法。对湮没伽马射线检测方法，包括:通过将来自与闪烁体的阵列连结的对应的多个传感器的多个电子信号进行相加来生成第I信号的步骤，在此，多个传感器是将接收的光转换成多个电子信号的装置，光是根据通过对湮没事件所生成的入射伽马射线进行相互作用的闪烁体所生成的光；选择性地延迟多个电子信号后相加来生成第2信号的步骤；确定第I信号的能量及事件时间的步骤；及当第I信号超过规定的阈值时，基于第2信号，确定多个传感器中的哪个传感器与相互作用的闪烁体的位置对应的步骤。
[0043]在此，在附图中，类似的参照号码表示几个图中的相同的或者对应的部分。图3是表示使用传感器301的阵列的一个实施方式的图。例示的4台传感器表示阵列的行、列、或者面积。该例中，显示了 4台传感器，但是可以使用任意数量的传感器。Σ Δ组成的概念是通过以下的方式制作两个通道。第I通道被称为Σ通道。该Σ通道是沿行(或者列)将来自所有的传感器301的信号相加的加法电路303的输出，因此，作成用于能量推定及时间截取的最佳信号。第2通道被称为Σ Λ。该Σ Λ通道通过对各传感器301插入已知的延迟元件△ 305来作成，其结果为，作成针对事件的位置的时间署名，接着，使用加法电路303加上延迟的信号。
[0044]图4Α及4Β分别是表示延迟的前后的4个传感器信号的例子的图。该例中，不同的传感器信号中导入的不同的延迟时间是规定的延迟时间△的整数倍。
[0045]图5是Σ及Σ Λ通道的方块图。Σ及Σ Λ各通道通过对应的前置放大器及整形电路501来调整，其输出与对应的比较器505的正侧输入连接。比较器505的负侧输入与脉冲 ID (Identification:识别)阈值 DAC (Digital-to-Analog Converter:数字 / 模拟转换器)503的输出连接。与Σ及Σ Λ通道对应的比较器505的输出分别向高速计数器509输出「开始」及「停止」的信号。
[0046]与Σ通道对应的前置放大器及整形电路501的输出信号还与ADC(Analog-to-Digital Converter:模拟数字转换器)电路507连接,将信号数字化并提取时间及能量。
[0047]Σ Δ通道使用高速计数器509来数字化，并提取位置信息。(与其相比，在行/列逻辑上，16个通道使用模拟/数字转换器(ADC)直接进行数字化，不需要比较器及DAC。由此，ADC的数量需要2倍，其结果为，电力消耗成为2倍。)
[0048]当Σ通道输出超过脉冲ID阈值时，生成开始信号。在Σ Λ通道中，来自SiPMs的信号通过具备△的准确时间延迟及Σ加法电路的几个单独的延迟元件来传播。该通道的脉冲识别阈值输出停止信号。导出的开始及停止的信号间的时间差提供与检测器线相关的位置信息。通过延迟线导入的总延迟相对包含8个SiPMs的延迟链少于总计80ns。与行/列及4倍的数据集的组成进行比较，每个通道的电子空载时间较大，因为是占有较小的检测器，所以能够使其整体性的影响成为最小。
[0049]图6是Σ通道、Σ Δ通道、及比较器输出的时间图。该例子中，Σ通道及Σ Λ通道分别输出来自4台检测器的输出信号的总计及延迟总计。该例子中，来自4台检测器的输出信号延迟不同的延迟量，即，Λ、2Λ、3Λ、&4Λ。事先校正的脉冲ID阈值适用于Σ通道及Σ △通道双方，分别提取开始信号及停止信号。以停止信号与4台检测器之间最强信号的延迟时间对应的方式，选择脉冲ID阈值。该例子中，最强信号延迟3Λ。其结果为，开始与停止的信号间的时间差为大致3Λ。
[0050]为了使康普顿散射最小化并不提取光峰事件，需要慎重地选择用于Σ Δ通道的脉冲ID (Pulse Identification:PID)阈值。基于测定时观察的能量分解能,康普顿谷位于低于光峰的3 oEK的周围。其中，2.34* σΕΚ是能量分解能(18%~25%被测定)。因为能量测定不能使用粗糙地从完全的闪烁体脉冲所合并的值，所以如果在该值中放置PID阈值的话，那么康普顿接收有稍稍变大的倾向。并且，PID比较器中存在的噪声也对阈值增加制约。为了使康普顿接收成为最�。枰褂媒魃鞯谋冉掀魃杓�。为了使比较器不被光子统计噪声诱发，使用至少等于2 σ PID的负的滞后来设计比较器。其中，2 σ PID是PID比较器输入中的噪声。能量测定误差σ-通过下式(I)来取得。
[0051]【数学公式I】
【权利要求】
1.一种数据获取装置，用于对湮没伽马射线检测器，其中，具备: 加法电路，从与闪烁体阵列连结并且接收光来转换成多个电子信号的多个传感器接收上述多个电子信号后进行相加，由此来生成第I信号，上述闪烁体阵列是根据通过对湮没事件所生成的入射伽马射线进行相互作用来生成上述光的闪烁体的阵列； 延迟加法电路，通过选择性地延迟上述多个电子信号后进行相加来生成第2信号； 第I电路，接收上述第I信号，并确定上述第I信号的能量及事件时间；及第2电路，接收上述第I信号及上述第2信号，当上述第I信号超过规定的阈值时，确定上述多个传感器中的哪个传感器与上述相互作用的闪烁体的位置对应。
2.如权利要求1所述的数据获取装置，其中，上述延迟加法电路具备至少I个加法器及至少I个延迟元件，以使上述第2信号成为以不同长度的时间延迟的上述多个电子信号中的各信号的总计。
3.如权利要求1所述的数据获取装置，其中，上述多个传感器在传感器的比较大的阵列内形成传感器的行、列、或者块。
4.如权利要求1所述的数据获取装置，其中， 上述第2电路具备: 脉冲ID阈值发生器，生成上述规定的阈值； 第I比较器，将上述第I信号与上述规定的阈值进行比较，当上述第I信号超过上述规定的阈值时，生成开始信号； 第2比较器，将上述第2·信号与上述规定的阈值进行比较，当上述第2信号超过上述规定的阈值时，生成停止信号；及 计数器，接收上述开始信号及停止信号，对应于上述开始信号的接收开始计数，对应于上述停止信号的接收停止计数。
5.如权利要求1所述的数据获取装置，其中，还具备: 对上述第I信号进行前置放大并整形的第I前置放大器/整形器电路；及 对上述第2信号进行前置放大并整形的第2前置放大器/整形器电路。
6.如权利要求1所述的数据获取装置，其中， 上述第I电路具备将上述第I信号数字化的模拟/数字转换器。
7.如权利要求4所述的数据获取装置，其中， 上述脉冲ID阈值发生器具备数字/模拟转换器。
8.如权利要求1所述的数据获取装置，其中， 上述多个传感器中包含的各传感器具有与上述闪烁体阵列内的各闪烁体实质相同的尺寸，上述各传感器覆盖对应的闪烁体。
9.一种对湮没伽马射线检测器，具备: 闪烁体阵列、 传感器阵列、及 多个数据获取装置， 上述多个数据获取装置分别具备: 加法电路，从与闪烁体阵列连结并且接收光来转换成多个电子信号的多个传感器接收上述多个电子信号后进行相加，由此来生成第I信号，上述闪烁体阵列是根据通过对湮没事件所生成的入射伽马射线进行相互作用来生成上述光的闪烁体的阵列； 延迟加法电路，通过选择性地延迟上述多个电子信号后进行相加来生成第2信号； 第I电路，接收上述第I信号，并确定上述第I信号的能量及事件时间；及第2电路，接收上述第I信号及上述第2信号，当上述第I信号超过规定的阈值时，确定上述多个传感器中的哪个传感器与上述相互作用的闪烁体的位置对应。
10.如权利要求9所述的对湮没伽马射线检测器，其中，上述延迟加法电路具备至少I个加法器及至少I个延迟元件，以使上述第2信号成为以不同长度的时间延迟的上述多个电子信号中的各信号的总计。
11.如权利要求9所述的对湮没伽马射线检测器，其中，上述多个传感器在传感器的比较大的阵列内形成传感器的行、列、或者块。
12.如权利要求9所述的对湮没伽马射线检测器，其中， 上述第2电路具备: 脉冲ID阈值发生器，生成上述规定的阈值； 第I比较器，将上述第I信号与上述规定的阈值进行比较，当上述第I信号超过上述规定的阈值时，生成开始信号； 第2比较器，将上述第2信号与上述规定的阈值进行比较，当上述第2信号超过上述规定的阈值时，生成停止信号；及 计数器，接收上述开始信号及停止信号，对应于上述开始信号的接收开始计数，对应于上述停止信号的接收停止计 数。
13.如权利要求9所述的对湮没伽马射线检测器，其中，还具备: 对上述第I信号进行前置放大并整形的第I前置放大器/整形器电路；及 对上述第2信号进行前置放大并整形的第2前置放大器/整形器电路。
14.如权利要求9所述的对湮没伽马射线检测器，其中， 上述第I电路具备将上述第I信号数字化的模拟/数字转换器。
15.如权利要求12所述的对湮没伽马射线检测器，其中， 上述脉冲ID阈值发生器具备数字/模拟转换器。
16.如权利要求9所述的对湮没伽马射线检测器，其中， 上述多个传感器中包含的各传感器具有与上述闪烁体阵列内的各闪烁体实质相同的尺寸，上述各传感器覆盖对应的闪烁体。
17.一种对湮没伽马射线检测方法，包括: 从与闪烁体阵列连结并且接收光来转换成多个电子信号的多个传感器接收上述多个电子信号后进行相加，由此来生成第I信号，上述闪烁体阵列是根据通过对湮没事件所生成的入射伽马射线进行相互作用来生成上述光的闪烁体的阵列； 通过选择性地延迟上述多个电子信号后进行相加来生成第2信号； 确定上述第I信号的能量及事件时间；及 当上述第I信号超过规定的阈值时，基于上述第2信号，确定上述多个传感器中的哪个传感器与上述相互作用的闪烁体的位置对应。
18.如权利要求17所述的对湮没伽马射线检测方法，其中， 上述多个传感器在传感器的比较大的阵列内形成传感器的行、列、或者块。
19.如权利要求17所述的对湮没伽马射线检测方法，其中，还包括: 生成上述规定的阈值； 将上述第I信号与上述规定的阈值进行比较； 当上述第I信号超过上述规定的阈值时，生成开始信号； 将上述第2信号与上述规定的阈值进行比较； 当上述第2信号超过上述规定的阈值时，生成停止信号； 对应于上述开始信号的上述发生开始计数；及 对应于上述停止信号的上述发生停止计数。
20.如权利要求17所述的对湮没伽马射线检测方法，其中， 还包括对上述第I信号及上述第2信号进行前置放大并整形。
21.如权利要求17所述的对湮没伽马射线检测方法，其中， 还包括使用模拟/数字转换器将上述第I信号进行数字化。
22.如权利要求17所述的对湮没伽马射线检测方法，其中， 上述多个传感器中包含的各传感器具有与上述闪烁体阵列内的各闪烁体实质相同的尺寸，上述各传感器覆盖对应的闪`烁体。
【文档编号】G01T1/161GK103858022SQ201380003399
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2012年7月18日
【发明者】丹尼尔·加格农, 萨克恩·S·云纳卡尔 申请人:株式会社东芝, 东芝医疗系统株式会社
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