ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ В ПОЗИТРОННОЙ ЭМИССИОННОЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 2016 года по МПК G01T1/29 

Настоящее изобретение относится к позитронной эмиссионной томографии (PET) и, в частности, к обнаружению совпадающих событий в процессе времяпролетной (TOF) PET. Изобретение находит применение также в PET без времяпролетных измерений (non-TOF PET), однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT) и других медицинских и немедицинских областях, когда необходимо регистрировать излучение в присутствии шумов.

В позитронной эмиссионной томографии в тело пациента или в другой исследуемый объект вводят излучающий позитроны изотоп. Позитрон взаимодействует с электроном, что определяет событие, известное как позитронная аннигиляция, с образованием пары совпадающих 511-кЭв гамма-фотонов, которые распространяются, по существу, в противоположных направлениях по линии срабатывания (LOR). Пара гамма-фотонов, регистрируемая в течение временного интервала совпадения, обычно записывается PET-сканером. Во время типичного сканирования регистрируется много миллионов таких аннигиляций, и результат регистрации используют для формирования изображений и другой информации, отражающей распределение изотопа.

Одной важной областью применения PET является медицина, в которой информация, представляемая PET-сканерами, широко применяется врачами-радиологами и другими медицинскими специалистами в связи с диагностикой и лечением заболеваний. При этом желательно обеспечивать изображения, обладающие относительно высоким качеством изображения, при сведении к минимуму дозы, применяемой для пациента, и продолжительности процедуры визуализации.

В процессе TOF PET измеряют разность между фактическими временами регистрации двух совпадающих гамма-фотонов, и результат измерения используют для оценки положения события на LOR. Информацию о положении, в свою очередь, можно использовать в процессе реконструкции для повышения качества реконструированного изображения. При данных уровне активности и времени визуализации дополнительную информацию о положении можно использовать для формирования изображений, обладающих повышенным качеством изображения, по сравнению с изображениями, полученными методом non-TOF PET. С другой стороны, изображения сравнимого качества можно получать с использованием относительно меньшей дозы и/или при относительно меньшем времени сканирования.

Эффективность практической PET-системы зависит от чувствительности, энергии и временного разрешения данной системы, временной характеристики и других характеристик детекторной системы и от шумов. В предлагаемых на рынке PET-системах позади сцинтилляционного материала расположена матрица фотоприемников, например, фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). В TOF-системах применяется сцинтилляционный материал с относительно коротким временем высвечивания, например LYSO (ортосиликат лютеция-иттрия), LSO (ортосиликат лютеция) или LaBr (бромид лантана), для обеспечения необходимого временного разрешения. Предлагалось также применение твердотельных фотоприемников, например матриц лавинных фотодиодов (APD), работающих в режиме Гейгера (GM-APDs). Хотя GM-APD характеризуются также относительно высоким временным разрешением, но они предрасположены также к выдаче темновых счетных импульсов, которые возникают не из-за фотонных поглощений. Хотя темновая скорость счета зависит от таких факторов, как геометрия устройства и параметры процесса, температура и подаваемое напряжение смещения, темновые счетные импульсы могут оказывать вредное влияние на качество получаемых изображений.

Следовательно, остается возможность для усовершенствований. Например, желательно подавлять влияние ложных событий, являющихся следствием темновых счетных импульсов и других источников шумов, и одновременно повышать точность измерений временных интервалов. В дополнение к снижению качества изображения, срабатывание в ответ на упомянутые ложные события и их обработка могут ограничивать максимальную скорость счета детектора, что приводит к пропуску потенциально достоверных счетных импульсов. Хотя упомянутые эффекты можно сгладить снижением напряжения смещения на фотоприемнике или повышением порога срабатывания по событию, данные меры имеют тенденцию снижать общую чувствительность и/или точность измерений временных интервалов. Разумеется, данные вопросы следует также рассматривать в контексте сложности, надежности и стоимости системы.

Еще одним фактором, который влияет на эффективность практической TOF PET-системы, является преобразователь время - цифровой код (TDC), применяемый для выполнения необходимых измерений времени.

Аналоговые TDC обычно работают на основе постоянной времени конденсатора, который заряжается и/или разряжается с использованием источника постоянного тока. Хотя аналоговые TDC могут обеспечивать измерения с относительно высоким временным разрешением, необходимые аналоговые схемы, интегрирующие конденсаторы и схемы преобразования напряжения во время ограничивают их преимущества. Кроме того, аналоговые TDC обеспечивают нелинейную характеристику. Хотя нелинейность можно скомпенсировать, компенсация может увеличить время преобразования. Когда время преобразования превышает продолжительность сцинтилляционного импульса, увеличивается мертвое время пиксела.

Цифровые TDC можно создавать по передовой КМОП-технологии, по которой TDC объединяют с GM-APD или другими источниками цифровых сигналов. Цифровые TDC содержали также кольцевой генератор и регистр-защелку, которая сохраняет состояние кольцевого генератора в момент события. Однако данные схемные решения обычно не выключаются между событиями и поэтому характеризуются относительно высоким потреблением энергии в статическом состоянии. Следовательно, преобразование время - цифровой код на базе кольцевого генератора не совсем подходит для применения в датчике большого размера, в частности, когда TDC обеспечивают для каждого пиксела детектора. Другой альтернативой является применение многоотводных линий задержки и TDC с подстраиваемыми линиями. Однако упомянутые реализации имеют также тенденцию занимать большую площадь, и временное разрешение может испытывать влияние изменений параметров процесса, а также рабочих условий, например температуры окружающего воздуха и рабочего напряжения.

Еще одним методом TDC является способ так называемого укорачивания импульсов. Смотри, например, патент США № 6.288,587, выданный Чену с соавторами (Chen et al.), по названием CMOS Pulse Shrinking Delay Element with Deep Subnanosecond Resolution. Подобные системы обычно содержат, по меньшей мере, один элемент задержки с укорачиванием импульсов, который уменьшает ширину измеренного импульса на время dT. В одной реализации применяется асинхронный счетчик для определения числа циклов, необходимых для пропадания импульса.

Хотя сжатие импульсов может обеспечить относительно подходящую линейность и низкое потребление энергии, время преобразования T_c для наихудшего случая является функцией максимальной ширины T_max импульса, подлежащего преобразованию, и временного разрешения dT:

Уравнение 1

$$T_c=\frac{T_{\max }^2}{dT}$$ .

Например, если T_max составляет 10 наносекунд (нс), и dT=10 пикосекунд (пс), то время преобразования для наихудшего случая будет составлять около 10 микросекунд (мкс). Столь продолжительные времена преобразования не допустимы в TOF PET-системах и других высокоскоростных системах.

Следовательно, остается потребность в создании усовершенствованного TDC для применения в аппаратуре для TOF PET и других областях применения, в частности, когда требуются относительно высокое временное разрешение и короткие времена преобразования.

Аспекты настоящего изобретения касаются данных и других вопросов. В соответствии с одним аспектом, устройство для регистрации излучения содержит сцинтиллятор, который порождает сцинтилляционные фотоны в ответ на полученные фотоны излучения, и фотоприемник, оптически связанный со сцинтиллятором. Фотоприемник

формирует сигнал фотоприемника в ответ на сцинтилляционные фотоны. Устройство содержит также детектор первого сигнала, который генерирует (формирует) первый выходной сигнал, если сигнал фотоприемника удовлетворяет критерию первого сигнала, детектор второго сигнала, который формирует второй выходной сигнал, если сигнал фотоприемника удовлетворяет критерию второго сигнала, и детектор сигнала излучения, который оценивает первый и второй выходные сигналы для распознавания сигналов фотоприемников, показывающих излучение, полученное сцинтиллятором.

В соответствии с другим аспектом, способ содержит этапы получения сигналов из детектора гамма-излучения и оценки полученных сигналов для распознавания возможных сигналов детектора. Возможные сигналы детектора содержат сигналы зарегистрированного гамма-излучения и ложные сигналы. Способ содержит также этапы оценки возможных сигналов детектора для распознавания сигналов зарегистрированного гамма-излучения и отбрасывания ложных сигналов, и формирования выходного сигнала, указывающего, по меньшей мере, что-то одно из измеренной энергии гамма-излучения и измеренного времени регистрации распознанных сигналов детектора.

В соответствии с другим аспектом изобретения, устройство для позитронной эмиссионной томографии содержит множество детекторных каналов. Детекторные каналы содержат детектор, чувствительный к излучению, и средство для оценки выходного сигнала детектора, чтобы распознавать возможные сигналы детектора, при этом возможные сигналы детектора содержат сигналы зарегистрированного гамма-излучения и ложные сигналы. Детекторные каналы содержат также средство для квалификации возможных сигналов детектора, чтобы распознавать сигналы гамма-излучения. Устройство содержит также детектор совпадений, соединенный с возможностью функционирования с детекторными каналами, при этом детектор совпадений распознает квалификационные сигналы детектора, показывающие события позитронной аннигиляции.

В соответствии с другим аспектом изобретения, устройство содержит детектор, чувствительный к гамма-излучению, первое средство, соединенное с возможностью функционирования с детектором, чувствительным к излучению, для селективного распознавания и квалификации возможных сигналов детектора, показывающих гамма-излучение, полученное детектором, чувствительным к гамма-излучению, и средство преобразования время - цифровой код с укорачиванием импульсов, соединенное с возможностью функционирования с первым средством, для формирования данных временной метки, которые помечают время регистрации квалифицированных сигналов детектора.

В соответствии с еще одним аспектом, способ преобразования время - цифровой код содержит этапы получения сигнала, подлежащего измерению, и деления периода времени измерения на множество субпериодов, при этом каждый субпериод содержит ширину. Способ содержит также этап укорачивания ширины сигнала на величину, которая соответствует ширине, по меньшей мере, одного из субпериодов, этап измерения ширины укороченного сигнала и этап использования величины и измеренной ширины для определения ширины сигнала.

В соответствии с другим аспектом, устройство для измерения ширины сигнала содержит средство для деления периода времени измерения на множество субпериодов, при этом каждый субпериод содержит ширину. Устройство содержит также средство для укорачивания ширины сигнала на величину, которая соответствует ширине, по меньшей мере, одного из субпериодов, средство для измерения ширины укороченного сигнала и средство для использования величины и измеренной ширины для вычисления ширины сигнала.

Кроме того, дополнительные аспекты настоящего изобретения будут очевидны специалистам со средним уровнем компетентности 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.

Фиг. 2 - компоненты системы сбора РЕТ-данных.

Фиг. 3А и 3В - порядок работы селективно-фотонной срабатывающей системы.

Фиг. 4 - последовательность операций способа визуализации.

Фиг. 5 - последовательность операций способа временных измерений.

Фиг. 6 - способ временных измерений.

Фиг. 7 - функциональная блок-схема преобразователя время - цифровой код.

Как показано на Фиг. 1, комбинированная РЕТ/СТ-система 100 (система позитронного эмиссионного томографа/компьютерного томографа) содержит секцию 102 РЕТ-гентри и секцию 104 СТ-гентри. Секция 102 РЕТ-гентри содержит, по меньшей мере, одно осевое кольцо детекторов 106, чувствительных к излучению, которые окружают область 108 исследования. Детекторы 106 содержат сцинтилляционный материал 140, который порождает фотоны в ответ на гамма-фотоны, принятые на поверхности упомянутого материала, чувствительной к излучению. Фотоприемники 142, оптически связанные со сцинтиллятором 140, формируют электрические сигналы в ответ на порожденные фотоны. Следовательно, детектор 106 формирует выходные сигналы, показывающие зарегистрированное гамма-излучение. Хотя число и конфигурация детекторов 106 является функцией конструкции системы в целом и других требований, связанных с конкретным применением, следует понимать, что типичная РЕТ-система может содержать около 104 детекторных каналов.

Секция 104 СТ-гентри содержит источник 110 излучения, например рентгеновскую трубку, который поворачивается вокруг области 112 исследования методом СТ (СТ-исследования). Детекторы 114, чувствительные к излучению, регистрируют излучение, которое, после излучения рентгеновским источником, прошло через область 112 исследование.

Секция 102 РЕТ-гентри и секция 104 СТ-гентри предпочтительно находятся вблизи соответствующих им областей 108, 112 исследования, расположенных вдоль общей продольной оси или оси z. Опора 116 для объекта поддерживает подлежащий визуализации объект 118, например пациента. Опора 116 для объекта предпочтительно допускает продольное перемещение согласовано с работой РЕТ/СТ-системы 100, чтобы объект 118 можно было сканировать во множестве положений вдоль продольной оси обеими секциями 102, 104 PET- и СТ-гентри в соответствии с запланированной траекторией сканирования.

Система 122 сбора СТ-данных обрабатывает сигналы из СТ-детекторов 114 для формирования данных, показывающих ослабление излучения вдоль множества линий или лучей через область 112 исследования. Блок 126 СТ-реконструкции выполняет по данным реконструкцию с использованием подходящих алгоритмов реконструкции для формирования данных объемного изображения, показывающих ослабление излучения объектом 118.

Как подробнее поясняется в дальнейшем, система сбора РЕТ-данных содержит множество селективно-фотонных срабатывающих систем 120₁, 120₂, 120₃, 120n. Срабатывающие системы 120, которые соединены с возможностью функционирования с соответствующими детекторными каналами, служат для избирательного распознавания достоверных сигналов детекторов, получаемых от зарегистрированного излучения, и в то же время игнорируют сигналы, которые, вероятнее всего, получены от таких факторов, как шум. В показанном варианте осуществления срабатывающие системы 120 формируют также сигналы, указывающие время, энергию и положение зарегистрированного события. Логическая схема 121 анализа совпадений распознает пары гамма-фотонов, которые регистрируются с совпадением и, следовательно, отражают события аннигиляции.

Блок 129 РЕТ-реконструкции обрабатывает данные событий аннигиляции для формирования объемных данных, показывающих распределение радионуклида в объекте 118, например, с использованием подходящего алгоритма итерационной или аналитической реконструкции. В случае показанной гибридной РЕТ/СТ-системы 100, блок 129 РЕТ-реконструкции использует информацию из СТ-системы для введения поправок на ослабление и других искомых поправок в РЕТ-данные.

Рабочая станция обслуживает операторскую консоль 128. Консоль 128 содержит удобочитаемые устройства вывода, например монитор или дисплей, и устройства ввода, например клавиатуру и мышь. Резидентное программное обеспечение консоли 128 позволяет оператору просматривать и иначе манипулировать данными объемных изображений, формируемыми блоками 129, 126 PET- и СТ-реконструкции. Резидентное программное обеспечение консоли 128 позволяет также оператору управлять работой системы 100 посредством установки требуемых протоколов сканирования, запуска и прекращения операций сканирования и другого взаимодействия со сканером 100.

Предусмотрены также варианты системы 100. Так, например, СТ-секцию сканера можно исключить, расположить на расстоянии от секции 102 РЕТ-гентри, или заменить другим средством, например магнитно-резонансным (MR) сканером. Информацию об ослаблении или анатомии можно также формировать с применением источника, работающего на пропускание и связанного с секцией 102 РЕТ-гентри, или получать из другого источника.

На Фиг. 2 изображена примерная селективно-фотонная срабатывающая система 120. Как показано, срабатывающая система 120 реализует многоуровневую срабатывающую систему, содержащую первый 202₁ и второй 202₂ детекторы или дискриминаторы сигнала, входы которых соединены с возможностью функционирования с, по меньшей мере, одним детекторным каналом. Детекторы 202 сигнала формируют соответствующие выходные сигналы срабатывания, когда соответствующие им условия на входе были удовлетворены. Как показано, детектор 202₁ первого сигнала реализован в виде детектора уровня, имеющего первое относительно низкое пороговое значение. Детектор 202₂ второго сигнала аналогично реализован в виде детектора уровня, имеющего второе относительно высокое пороговое значение. Хотя показана двухуровневая срабатывающая система, однако, следует понимать, что можно обеспечить дополнительные детекторы 202 сигналов и, следовательно, уровни срабатывания. Предполагается также наличие других условий срабатывания (например, скорость изменения или интеграл детекторного сигнала), кроме уровня, либо одного, либо в комбинации с определением уровня.

В показанной реализации, которая является, в частности, подходящей для применения в связи с TOF РЕТ-системами, в которых особенно важно точное измерение времени регистрации, пороговое значение детектора 202₁ первого сигнала устанавливают на уровень, который соответствует на ожидаемый сигнал, сформированный k-м дискретным сцинтилляционным фотоном. В одной реализации первый порог устанавливают равным значению, которое соответствует первому фотону, хотя порог можно установить, чтобы регистрировать второй или другой последующие во времени фотоны. Кроме того, формирование сигнала срабатывания может выполняться не детектором уровня, а может осуществляться по сцинтилляционным фотонам другим способом, например посредством получения сигнала срабатывания по первому фотону с использованием GM-APD (или многопикселного GM-APD). Как принято ожидать, срабатывание по сигналам, возбужденным исходными сцинтилляционными фотонами после регистрации фотона излучения, обычно должно повышать точность измерения времени, в частности, когда изменения или дрожание времени между регистрацией фотона излучения и формированием выходного сигнала детектора 106 относительно невелики. С другой стороны, упомянутый подход обнаруживает тенденцию повышать чувствительность детектора 202₁ первого сигнала к шуму или другим ложным событиям. Поэтому пороговое значение детектора 202₂ второго сигнала устанавливают на уровень, который можно использовать для подтверждения или квалификации возможных событий, распознаваемых детектором 202₁ первого сигнала, в качестве событий, вероятнее всего, вызванных достоверным сигналом фотона. В этом смысле тогда первый сигнал срабатывания можно рассматривать как возможный или единственный сигнал срабатывания на фотон, и второй сигнал срабатывания можно рассматривать как квалифицирующий или отпирающий сигнал срабатывания на фотон.

Логическая схема 204 импульса облучения или срабатывания оценивает выходные сигналы срабатывания из детекторов 202 сигналов в соответствии с, по меньшей мере, одним критерием приема для распознавания сигналов детектора, которые предположительно следуют из достоверных сигналов детектора и при этом игнорируют сигналы, которые предположительно вызваны шумами или другими факторами. Один подходящий критерий приема состоит в определении, следует ли квалифицирующий сигнал срабатывания на фотон за возможным сигналом срабатывания на фотон в пределах временного окна приема. При соблюдении данного условия, сигнал детектора принимается как достоверный сигнал детектора. При несоблюдении сигнал детектора игнорируется, например, пометкой его как недостоверного сигнала.

Выход логической схемы 204 срабатывания, в свою очередь, соединен с системой 206 измерения энергии и системой 208 измерения времени. Система 208 измерения времени формирует выходной сигнал, показывающий энергию зарегистрированного гамма-фотона. Как показано на Фиг. 2, система 206 измерения энергии содержит интегратор 209, таймер 210 и аналого-цифровой преобразователь 212. При получении достоверного сигнала детектора из логической схемы 204 срабатывания таймер 210 предписывает интегратору 209 интегрировать сигнал детектора в течение искомого периода времени интегрирования. Как должно быть очевидно специалистам со средним уровнем компетентности в данной области техники, выходной сигнал интегратора 209 характеризует энергию зарегистрированного гамма-фотона. Выходной сигнал интегратора 209, в свою очередь, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (ADC) 212.

Система 208 измерения времени, например преобразователь время - цифровой код (TDC), формирует данные временной метки, указывающие момент времени, когда зарегистрирован гамма-фотон. Как показано на Фиг. 2, система 208 измерения времени содержит высокоскоростной датчик 214 времени DLL (канала передачи данных), регистр-защелку 216 и декодер 218. После получения достоверного сигнала детектора из логической схемы 204 срабатывания, регистр-защелка 216 фиксирует текущее значение датчика 214 времени. Значение датчика времени декодируется декодером для формирования временной метки фотона.

Идентификатор 224 канала служит для распознавания конкретного канала. Как очевидно, информацию, передаваемую в канале, можно использовать для распознавания физического положения соответствующего детекторного канала и, следовательно, для установления координат соответствующих LORs.

Входная/выходная шина 224 обеспечивает интерфейс связи между срабатывающей системой 120 и остальной частью системы сбора РЕТ-данных. В частности, шина 224 служит для передачи информации, например временных меток, уровней энергии, идентификаторов каналов и т.п., связанной с данным сигналом детектора. Шину 224 можно также использовать для обеспечения управляющей информации, необходимой для управления работой срабатывающей системы 120 и обеспечивающей искомые параметры 120 установки или что-то подобное.

Вход 220 сигнала запрета или блокировки служит для выключения сбора данных при необходимости. В одной реализации сбор данных выключается согласовано с работой гибридного сканера. В случае гибридной PET/MR-системы, например, переменные во времени градиентные магнитные поля и другие сигналы, сформированные в связи с магнитно-резонансным возбуждением и процессом регистрации, могут лишать детекторные сигналы достоверности. Следовательно, может потребоваться, чтобы сбор РЕТ-данных выключался согласовано с упомянутыми сигналами. Вход 220 сигнала запрета (или другой вход) можно использовать также, чтобы задавать преобразование выбранных каналов для ввода в действие соседних логических схем посредством реализации зональной общей схемы срабатывания. Например, может потребоваться, чтобы считывалось некоторое число каналов, соседних с каналом, в котором случилось срабатывание, хотя сами упомянутые соседние каналы, возможно, не формировали сигнал срабатывания.

Калибровочный вход 222 служит для калибровки срабатывающей системы 120, например, посредством калибровки систем измерения энергии 206 и временных интервалов 208, порогов детекторов 202 и т.п. Фактическую калибровку порогов срабатывания можно получать изменением порогов в течение калибровки. Калибровка системы 206 измерения энергии возможна также путем изменения продолжительности и/или амплитуды калибровочного импульса. Хотя входы сигналов запрета 220 и калибровки 222 показаны как отдельные входы, следует понимать, что подходящие управляющие сигналы можно также обеспечить через входную/выходную шину 226.

Контроллер 228 управляет работой срабатывающей системы 120. Контролер можно использовать, чтобы подавать в детекторы 202 пороги срабатывания или другие соответствующие рабочие параметры, токи подмагничивания для управления высокоскоростным датчиком времени и т.п. Контроллер 228 можно также использовать для выполнения таких функций, как инициализация при включении питания, самопроверки и диагностика, обмен данными по шине 226 и т.п.

Срабатывающие системы 120 можно реализовать на основе дискретных или интегральных электронных компонентов или их сочетания. Однако из-за сравнительно большого числа каналов, срабатывающие системы 120 предпочтительно реализовать с использованием, по меньшей мере, одной специализированной интегральной схемы (ASIC). Электронные схемы системы 120, связанные с многочисленными каналами, можно реализовать в виде общей ASIC.

Ниже, со ссылкой на Фиг. 3, приведено дополнительное описание работы детекторов 202 уровня и логической схемы 204 срабатывания в зависимости от примерного сигнала детектора. На Фиг. 3А показан сигнал 302, сформированный детекторным каналом, который содержит фотоприемник 142 в форме GM-APD, оптически связанный со сцинтиллятором 140 из LYSO. Абсцисса отражает время в наносекундах (нс), и ордината указывает амплитуду детекторного сигнала. Пороговое значение детектора 202₁ первого сигнала обозначено позицией 304. Пороговое значение детектора 202₂ второго сигнала обозначено позицией 306.

Сигнал 302 содержит шумовые сигналы 308, являющиеся следствием темновых счетных импульсов или других шумов. Сигнал 302 содержит также сигнал 310, порожденный 511-кЭв сцинтилляционным событием. Как можно видеть, сигнал 310 характеризуется относительно быстрым временем нарастания и последующим, в общем, экспоненциальным затуханием. Шумовые сигналы 308, которые превышают порог 304 первого уровня, воспринимаются детектором 202₁ первого сигнала, который формирует соответствующий однофотонный (SP) или возможный сигнал срабатывания на фотон. Такие сигналы, как достоверный сцинтилляционный сигнал 310, которые превышают второй порог 306, регистрируются детектором 202₂ второго сигнала, который формирует квалификационный или отпирающий (EN) сигнал срабатывания.

Как дополнительно показано на Фиг. 3В, после получения возможного сигнала срабатывания на фотон из детектора 202₁ первого сигнала, логическая схема 204 срабатывания открывает временное окно 312 приема. Как показано, временное окно приема приблизительно равно 5 нс, однако, возможно использование других окон, в зависимости от характеристик конкретной детекторной системы или других требований, связанных с конкретным применением. Если отпирающий сигнал срабатывания не принимается в пределах временного окна 312 приема, то предполагается, что сигнал детектора вызван шумовым сигналом 308. Если, с другой стороны, квалифицирующий сигнал 314 поступает в течение временного окна 312 приема, то сигнал 310 считается достоверным сигналом от фотона. Шумовые сигналы 308, полученные во время затухания сцинтиллятора, могут быть следствием флуктуаций сцинтилляционного сигнала, темновых импульсов счета или других шумов. Данные сигналы также игнорируются, так как они не пересекают низкий пороговый уровень, или, если пересекают, то никакой отпирающий сигнал срабатывания не принимается в пределах соответствующего временного окна приема.

Следует отметить, что различные пороги и временные окна могут быть динамически регулируемыми. Например, ширина временного окна приема может изменяться в зависимости от времени нарастания сигнала 302 (например, при измерении разности по времени между сигналом детектора и отпирающими сигналами).

В случае достоверного фотона, окончание или предел окна 312 приема используется системой 206 измерения энергии и системой 208 измерения времени для инициирования процесса сбора данных, как показано, в общем, позицией 316. В одной реализации логическая схема 204 срабатывания вынуждает регистр-защелку 216 фиксировать текущее значение датчика времени, которое служит временной меткой для зарегистрированного гамма-фотона. Аналогично, логическая схема 204 срабатывания инициирует интегрирование сигнала детектора, чтобы измерить энергию зарегистрированного гамма-фотона. Конкретное преимущество использования окончания временного окна 312 приема для инициирования процесса сбора данных состоит в простоте реализации, особенно когда временное окно 312 приема имеет постоянное значение. Сбор данных может инициироваться другими способами, например сигналом, выведенным из возможного сигнала срабатывания на фотон, и особенно вторичным сигналом, который находится в известной временной связи с сигналом срабатывания.

В другой реализации регистр-защелка 216 фиксирует или помечает временную метку при получении возможного сигнала срабатывания на фотон. Если отпирающий сигнал срабатывания на фотон принимается в пределах временного окна 312 приема, то логическая схема 204 срабатывания предписывает помечать событие как достоверное и сохранять временную метку. В ином случае временная метка отбрасывается, например, присвоением временной метке или соответствующему событию пометки недостоверных. Аналогично, возможный сигнал срабатывания на фотон также можно использовать для инициирования процесс измерения энергии, и, в данном случае, измерение энергии сохраняют только, если отпирающий сигнал срабатывания на фотон принимается в пределах временного окна приема. Подобная реализация особенно полезна в ситуациях, в которых временное окно 312 приема имеет переменную ширину, например, в случае динамически изменяющегося временного окна приема, описанного выше.

Описание способа визуализации приведено далее со ссылкой на Фиг. 4.

На этапе 400 инициируют PET или другое требуемое исследование.

На этапе 402 контролируют сигнал 302 из детекторного канала.

На этапе 404 распознают возможный сигнал, который может быть следствием достоверного фотона, например, посредством распознавания сигнала, который превышает первый порог 304.

На этапе 406 возможный сигнал квалифицируют, например, посредством определения, превышает ли сигнал 302 второй порог 306 в пределах временного окна 312 приема. Если не превышает, то процесс возвращается на этап 402.

В случае превышения, на этапе 408 получают временную метку, энергию, местоположение канала и/или другие требуемые данные о событии. Как отмечено выше, некоторые или все данные события могут быть измерены прежде, чем сигнал квалифицируют как показывающий зарегистрированный фотон.

На этапе 410 детекторный канал контролируют, пока исследование не завершено.

На этапе 412 выполняют реконструкцию по данным события, чтобы сформировать объемные данные или данные об объемном пространстве, отражающие зарегистрированные события. Хотя этапы 402-408 способа описаны применительно к контролю одного детекторного канала для более понятного объяснения, специалистам со средним уровнем компетентности в данной области техники должно быть очевидно, что обычно будет контролироваться множество детекторных каналов, с использованием данных из различных каналов в процессе реконструкции.

На этапе 414 формируют, по меньшей мере, одно изображение, воспринимаемое человеком и отражающее данные об объемном пространстве.

Предполагается возможность различных альтернативных вариантов. Например, вышеописанные методы применимы также к non-TOF PET (PET без времяпролетных измерений), однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT) и другим медицинским и немедицинским задачам, которые требуют точной регистрации сигнала в присутствии шумов. Методы применимы также, в общем, к детекторам импульсов или сигналов, которые получают данные с временной меткой. Примеры включают в себя регистрацию ионизирующего или неионизирующего излучения, например, в экспериментах по физике высоких энергий, в ходе которых измеряется время пролета между опорным сигналом срабатывания и зарегистрированными сцинтилляционными импульсами (ливнями), и при определении дистанций по лазерному дальномеру. В зависимости от требований, связанных с конкретным применением, возможно отсутствие одного или обоих из измерений энергии и временной метки. Предусмотрена возможность выполнения других измерений.

Хотя точность измерений временных интервалов обычно оказывается выше с детекторами, обладающими относительно быстрым временем срабатывания и относительно низким временным дрожанием, предполагается возможность применения других детекторов и конфигураций детекторов, в зависимости от требований к скорости, чувствительности, энергии и других требований, связанных с конкретным применением. APD, например, можно применять в рабочем режиме, отличающемся от режима Гейгера. Фотоприемники 142 также можно выполнять с использованием фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), многоанодных ФЭУ или других светочувствительных устройств. Возможно применение других сцинтилляционных материалов 140, включая, но без ограничения LSO, LaBr, GSO (силикат гадолиния) и BGO (оксид висмута и германия). В качестве еще одной альтернативы возможно использование полупроводниковых детекторов и других детекторов прямого преобразования.

Кроме того, системы измерения энергии 206 и времени 208 могут быть выполнены с применением других подходящих методов. Другая альтернативная реализация системы 208 использует иерархический метод уменьшения ширины импульсов для укорачивания ширины импульса или сигнала, подлежащего измерению. Уменьшение ширины импульсов очень хорошо подходит для укорачивания импульсов или другим методам измерения времени, в которых время преобразования является функцией максимальной ширины импульса.

Данный способ описан ниже в связи с Фиг. и 5 и 6. На этапе 502, период T_max времени измерения, который соответствует максимальной ожидаемой ширине сигнала, подлежащего измерению, делят на N субпериодов, где N является целым числом больше единицы. Хотя число и длительность субпериодов могут быть произвольными, число N субпериодов целесообразно устанавливать из соотношения:

Уравнение 2

N=2^x,

где х означает целое число, большее или равное единице. Аналогично, ширину T_w субпериодов можно установить из соотношения:

Уравнение 3

$$T_w=\frac{T_{\max }}{N}.$$

С другой стороны, деление периода времени измерения можно выразить как многоуровневое иерархическое разложение периода T_max времени измерения на Н уровней, где Н является целым числом, большим или равным 1.

Неограничивающий пример подобной схемы представлен на Фиг. 6, на которой период T_max времени измерения имеет ширину 100 условных единиц (УЕ) времени. Как показано, период времени разбит на четыре (4) субпериода n, каждый с шириной 25 УЕ. С другой стороны, разбиение на субпериоды можно рассматривать как двухуровневое (2-уровневую) бинарное иерархическое разложение (т.е. при Н=2) периода времени измерения.

Подлежащий измерению сигнал 602, имеющий произвольную ширину Т_р по времени, получают на этапе 504. В примере на Фиг. 6 измеряемый сигнал имеет ширину Т_р, равную 70 УЕ.

На этапе 506 выполняют общее измерение времени для определения субпериода n, который соответствует ширине Т_р измеренного сигнала. Согласно другой формулировке, ширину измеренного сигнала уменьшают на величину, которая соответствует ширине, по меньшей мере, одного субпериода. В показанном примере ширина Т_р измеренного сигнала находится в пределах третьего субпериода (т.е. n=2).

На этапе 508 измеряют участок T_m измеренного сигнала 602, находящийся в пределах найденного субпериода. В одной реализации ширину измеряют с использованием метода укорачивания импульсов. Как показано на Фиг. 6, измеренный участок T_m составляет 20 УЕ от начала третьего субпериода. С другой стороны, измеренный участок T_m составляет 5 УЕ от конца третьего субпериода.

На этапе 510, найденный субпериод n и найденный участок T_m используют для вычисления ширины Т_р измеренного сигнала. Когда субпериоды имеют одинаковую ширину, ширину Т_р измеренного сигнала можно определить из соотношения:

Уравнение 4

Т_р=((n-1)×T_w)+T_m,

где T_m выражено при отсчете от начала субпериода. В примере на Фиг. 6, в таком случае, ширина Т_р измеренного сигнала равна ((2-1)×25)+20=70 УЕ. Уравнение 5 выражает ширину Т_р измеренного сигнала в зависимости от периода T_max времени измерения:

Уравнение 5

Т_р=T_max-((N-n)×T_w)+T_m,

где T_m также выражено при отсчете от начала субпериода. Уравнения 4 и 5 можно легко обобщить на случай субпериодов, имеющих неравные значения ширины, или на случай T_m с отсчетом от конца субпериода.

Как должно быть очевидно, описанный метод сокращает время преобразования в 4^H раз по сравнению с обычным укорачивающим импульсы преобразователем.

На Фиг. 7 показана примерная система 700 TDC, в которой N=2, T_w=0,5×T_max, и Н=1. Как показано, система 700 TDC содержит линию 702 задержки с отводом, первый 704₁ и второй 704₂ преобразователи время - цифровой код, и первую логическую функцию 706₁ И.

Линия 702 задержки имеет ширину T_max и содержит отвод в точке 708, которая соответствует времени T_max/2 или половине максимальной ширины импульса. Первая логическая функция 706₁ И подсоединена ко входу 710 линии задержки и средней точкой 708.

Преобразователи 704 время - цифровой код являются укорачивающими импульсы TDC, предназначенными для импульсов, имеющих максимальную длительность T_max/2. Первый преобразователь 704₁ время - цифровой код подсоединен к выходу первой логической функции 706 И. Второй преобразователь время - цифровой код подсоединен к выходу линии 702 задержки.

В одной реализации укорачивающие импульсы преобразователи 704 содержат линию задержки обратной связи, содержащую асимметричный инвертирующий элемент. Асимметричный инвертирующий элемент обладает немного различающимися временами нарастания и спада, что уменьшает ширину входного импульса на время dT. Асинхронный счетчик считает число циклов, которые необходимы для пропадания импульса. Следует отметить, что возможно также использование других подходящих реализаций преобразователей время - цифровой код, с укорачиваем импульсов или иных.

Во время работы измеряемый сигнал 602, имеющий неизвестную ширину Т_р, принимается на входе 710 линии 702 задержки. Если сигнал 602 имеет ширину больше чем T_max/2 (т.е. n=1), то укороченный импульс с шириной Т_р-T_max/2 будет передан в первый преобразователь 704₁ время - цифровой код, и его выходной сигнал будет служить для определения T_m. Если импульс короче чем T_max/2 (т.е. n=0), то первый преобразователь 704₁ время - цифровой код, второй преобразователь 704₂ время - цифровой код получат укороченный импульс, и выходной сигнал второго будет служить для определения T_m. Следует отметить, что для удобства пояснения не упоминаются арифметические функции и различные функции управления, используемые для выполнения необходимых вычислений. Хотя показано использование двух субпериодов, возможна также реализация с, по меньшей мере, тремя субпериодами.

Поскольку подобласти не перекрываются, то показанная система 700 будет обладать кусочно-линейной характеристикой для подобластей Т_р<0,5T_max и Т_р>0,5T_max. Однако различия между преобразователями 704, а также влияние линии 702 задержки и функции 706 и могут сказаться на согласовании подобластей, например привести к рассогласованию в точке перехода между подобластями и различию коэффициентов усиления или наклонов в разных подобластях. В схеме коррекции после измерения необходимые поправки на смещение и коэффициент усиления для различных подобластей хранятся в калибровочной таблице или ином виде в подходящей памяти. В схеме коррекции с выравниванием задержки, коэффициент(ы) усиления можно калибровать посредством подстройки временного разрешения dT различных преобразователей 704. Смещение(ия) между подобластями можно скорректировать вставкой настраиваемых элементов задержки в линию задержки. Элементы задержки настраивают для обеспечения общей точки перехода между требуемыми подобластями.

Как показано на Фиг. 7, один преобразователь 704 применяется на каждом уровне Н иерархического разложения. Число преобразователей 704 можно уменьшить мультиплексированием преобразователей из различных подобластей, например, путем применения по одному преобразователю 704 на каждом иерархическом уровне и соответственным мультиплексированием преобразователей. Кроме того, на одной и той же линии задержки можно реализовать иерархию с различными уровнями и тем самым сократить ее потребность в площади.

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, насколько они находятся в пределах притязаний прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.

Изобретение относится к позитронной эмиссионной томографии (PET) и, в частности, к обнаружению совпадающих событий в процессе времяпролетной (TOF) PET. Сущность изобретения заключается в том, что детектор первого сигнала генерирует первый выходной сигнал, если сигнал фотоприемника удовлетворяет первому критерию сигнала; причем критерий первого сигнала распознает сигнал фотоприемника как показывающий первоначальные во времени сцинтилляционные фотоны, генерируемые сцинтиллятором в ответ на полученные фотоны излучения; детектор второго сигнала генерирует второй выходной сигнал, если сигнал фотоприемника альтернативно удовлетворяет критерию второго сигнала, причем критерий второго сигнала распознает сигнал фотоприемника как показывающий последующие во времени сцинтилляционные фотоны, генерируемые сцинтиллятором в ответ на полученные фотоны излучения; и детектор сигнала излучения оценивает первый и второй выходные сигналы для определения того, получен ли второй выходной сигнал в пределах временного окна приема, причем полученный первый выходной сигнал определяет начальную точку временного окна приема, и если второй выходной сигнал получен в пределах временного окна приема, детектор сигнала излучения распознает сигналы фотоприемника, показывающие излучение, полученное сцинтиллятором; и если второй выходной сигнал не получен в пределах временного окна приема, детектор сигнала излучения не распознает сигналы фотоприемника, показывающие излучение, полученное сцинтилятором. Технический результат - повышение качества реконструированного изображения. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство регистрации излучения, содержащее:
сцинтиллятор, который генерирует сцинтилляционные фотоны в ответ на полученные фотоны излучения;
фотоприемник, оптически связанный с сцинтиллятором, и который генерирует сигналы фотоприемника в ответ на сцинтилляционные фотоны;
детектор первого сигнала, который генерирует первый выходной сигнал, если сигнал фотоприемника удовлетворяет первому критерию сигнала;
причем критерий первого сигнала распознает сигнал фотоприемника как показывающий первоначальные во времени сцинтилляционные фотоны, генерируемые сцинтиллятором в ответ на полученные фотоны излучения;
детектор второго сигнала, который генерирует второй выходной сигнал, если сигнал фотоприемника альтернативно удовлетворяет критерию второго сигнала, причем критерий второго сигнала распознает сигнал фотоприемника как показывающий последующие во времени сцинтилляционные фотоны, генерируемые сцинтиллятором в ответ на полученные фотоны излучения; и
детектор сигнала излучения, который оценивает первый и второй выходные сигналы для определения того, получен ли второй выходной сигнал в пределах временного окна приема, причем полученный первый выходной сигнал определяет начальную точку временного окна приема, и если второй выходной сигнал получен в пределах временного окна приема, детектор сигнала излучения распознает сигналы фотоприемника, показывающие излучение, полученное сцинтиллятором; и если второй выходной сигнал не получен в пределах временного окна приема, детектор сигнала излучения не распознает сигналы фотоприемника, показывающие излучение, полученное сцинтилятором.

2. Устройство по п. 1, в котором критерий первого сигнала включает в себя порог первого уровня, и критерий второго сигнала включает в себя порог второго уровня, и при этом абсолютное значение второго порога больше, чем абсолютное значение первого порога.

3. Устройство по п. 1, в котором фотоприемник генерирует темновые счетные импульсы, и при этом детектор сигнала излучения отбрасывает сигналы фотоприемника, происходящие от темновых счетных импульсов, генерируемых фотоприемником.

4. Устройство по п. 1, в котором детектор сигнала излучения определяет, генерируется ли второй выходной сигнал в пределах временного окна приема после формирования первого выходного сигнала.

5. Устройство по п. 1, дополнительно включающее в себя систему измерения времени, функционально соединенную с детектором сигнала излучения, при этом система измерения времени генерирует временные метки, указывающие распознанные сигналы фотоприемника.

6. Устройство по п. 5, в котором временная метка является моментом времени, в который выходной сигнал фотоприемника удовлетворяет критерию первого сигнала.

7. Устройство по п. 5, в котором система измерения времени включет в себя средство сокращения ширины импульса для укорачивания ширины измеряемого импульса.

8. Устройство по п. 7, дополнительно включающее в себя преобразователь время - цифровой код с укорачиванием импульсов, который измеряет ширину укороченного импульса.

9. Устройство по п. 1, дополнительно включающее в себя систему измерения энергии, функционально соединенную с детектором сигнала излучения, при этом система измерения энергии измеряет избирательно распознанные выходные сигналы фотоприемника для формирования сигнала, указывающего полученные фотоны излучения.

10. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее TOF РЕТ-систему (систему времяпролетной позитронной эмиссионной томографии).

11. Способ регистрации излучения, содержащий этапы, на которых:
генерируют сцинтилляционные фотоны в ответ на полученные фотоны излучения;
генерируют сигналы фотоприемника в ответ на сцинтилляционные фотоны;
генерируют первый выходной сигнал, если сигнал фотоприемника удовлетворяет критерию первого сигнала, причем критерий первого сигнала распознает сигнал фотоприемника, показывающий первоначальные во времени сцинтилляционные фотоны, генерируемые сцинтиллятором в ответ на полученные фотоны излучения;
генерируют второй иной выходной сигнал, если сигнал фотоприемника удовлетворяет критерию второго иного сигнала, причем критерий второго сигнала распознает сигнал фотоприемника, показывающий последующие во времени сцинтилляционные фотоны, генерируемые сцинтиллятором в ответ на те же полученные фотоны излучения; и
оценивают первый и второй выходные сигналы для определения того, получен ли второй выходной сигнал в пределах временного окна приема, причем полученный первый выходной сигнал определяет начальную точку временного окна приема, и если второй выходной сигнал получен в пределах временного окна приема, распознают сигналы фотоприемника, показывающие излучение, полученное сцинтиллятором; при этом если второй выходной сигнал не получен в пределах временного окна приема, не распознают сигналы фотоприемника, показывающие излучение, полученное сцинтиллятором.

12. Способ по п. 11, в котором детектор излучения включает в себя лавинный фотодиод, работающий в режиме Гейгера, и при этом ложные сигналы содержат темновые счетные импульсы, создаваемые лавинным фотодиодом.

13. Способ по п. 11, в котором зарегистрированное гамма-излучение включает в себя гамма-фотоны, указывающие на события позитронной аннигиляции.

14. Способ по п. 11, содержащий этапы, на которых:
измеряют характеристику возможного сигнала;
используют измеренную характеристику для настройки второго порога.

15. Способ по п. 11, в котором значение первого порога также соответствует шумовому выходному сигналу детектора.

16. Способ по п. 11, в котором этап оценки возможных сигналов детектора заключается в том, что
устанавливают временное окно приема после распознавания возможного сигнала;
оценивают характеристику сигнала детектора в течение временного окна приема.

17. Способ по п. 16, в котором временное окно приема составляет приблизительно 5 нс.

18. Устройство для позитронной эмиссионной томографии, содержащее:
средство для генерации сцинтилляционных фотонов в ответ на полученные фотоны излучения;
средство для генерации сигналов фотоприемника в ответ на сцинтилляционные фотоны;
средство для генерации первого выходного сигнала, если сигнал фотоприемника удовлетворяет критерию первого сигнала, причем критерий первого сигнала распознает сигнал фотоприемника, показывающий первоначальные во времени сцинтилляционные фотоны, генерируемые сцинтиллятором в ответ на полученные фотоны излучения;
средство для генерации второго выходного сигнала, если сигнал фотоприемника удовлетворяет критерию второго сигнала, причем критерий второго сигнала распознает сигнал фотоприемника, показывающий последующие во времени сцинтилляционные фотоны, генерируемые сцинтиллятором в ответ на полученные фотоны излучения; и
средство оценки первого и второго выходных сигналов для определения того, получен ли второй выходной сигнал в пределах временного окна приема, причем полученный первый выходной сигнал определяет начальную точку временного окна приема, и если второй выходной сигнал получен в пределах временного окна приема, распознают сигналы фотоприемника, показывающие излучение, полученное сцинтиллятором; при этом, если второй выходной сигнал не получен в пределах временного окна приема, не распознают сигналы фотоприемника, показывающие излучение, полученное сцинтиллятором.