CN112932517B - 本底放射性实现时间自校正方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种本底放射性实现时间自校正方法及装置，涉及正电子发射计算机断层扫描成像技术领域，通过初始化PET***的时间自校正的采集条件，采集符合计数至触发停止条件；选出合适响应线长度的符合事件、响应线飞行时间补偿、对符合事件的能量差异导致的时间定标游走现象做时间游走修正，修正大量符合事例的符合时间差，迭代统计各个探测器的***响应飞行时间谱，评估每个探测器的最优时间偏差值，最终触发迭代收敛、终止条件，完成自校正。本发明不引入外部放射源和复杂的操作流程，完成基于含镥元素闪烁晶体的PET***的时间校正任务；时间自校正时，实现***超大FOV范围探测器覆盖，提高单位时间内的统计计数率。
Description
技术领域
本发明涉及一种本底放射性实现时间自校正方法及装置，属于正电子发射计算机断层扫描成像技术领域。
背景技术
飞行时间正电子发射计算机断层成像技术(TOF-PET)是一种比较高端的核医学影像技术，广泛应用于临床肿瘤检查、定位、及临床病理研究。其原理为，将具有正电子衰变的特定寿命核素与生物代谢物质为载体(如葡萄糖，核酸，蛋白质等)，形成特定的示踪剂，载入人体，参与新陈代谢过程，利用PET成像***，成像出示踪剂在人体中浓度分布图；由于示踪剂的浓度分布与新陈代谢强度有关，间接反映出人体的代谢强度分布情况，进而为医师提供医学辅助诊断信息。
拥有高精度时间分辨率的TOF-PET***可获取符合事件的探测位置、能量及准确飞行时间差，相比传统PET***多了符合飞行时间差的信息，这提高了重建图像的质量。
用于正电子发射断层成像***(PET)的探测器主要有碘化钠(NaI)、锗酸铋(BGO)、硅酸镥(LSO)、硅酸钇镥(LYSO)等闪烁探测器。镥系闪烁晶体探测器具有较佳的能量分辨率、更短的衰减时间，更高的光产额，成为PET***的首选探测器。其中，镥基的闪烁体中核素镥176不是稳定核素，发生β-衰变的同时放出发射分支比较大88、203、307keV等多条gamma射线。
TOF-PET探测***拥有上万个探测器单元，不同模块的探测器使用不同的定时***，而且电信号在电子学元件中加工、传输的过程中引起延时，因此，为了获取符合信号准确的飞行时间差，需要对PET***的所有探测器单元做时间校正。
而且PET***的电路发生老化、更换时，相应的时间校正参数不再适用，导致时间性能下降，所以必须再次执行时间校正。
目前，PET***基本使用棒源、柱源、壳源等几何形状规则的放射源完成时间刻度。这些放射源都有一定的使用寿命，需要专门的存储装置或空间，操作不便利，长期短距离操作有辐射伤害风险，也增加了使用成本。而且会增加散射事件概率，外部放射源的大小限制了探测器覆盖范围。
总之，目前的正电子发射计算机断层扫描成像***(PET)完成探测***的时间校正时，需要引入形状规则的外部正电子放射源，也需要预先确定放射源的位置信息。这将增加时间刻度操作流程的复杂性和操作成本，同时提高相关人员受到的辐射剂量。
基于此，做出本申请。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种本底放射性实现时间自校正方法及TOF-PET装置，不需要借助外部放射源，利用PET***探测器的放射性本底，实现***的时间自校正。
本发明所提供的方法对所有存在内在放射性探测器的PET***都适用，如基于镥系闪烁体探测器的PET***，其特点是采集镥系闪烁晶体的固有本底放射性触发的符合事件。
镥系闪烁晶体中的一个Lu-176的beta-衰变，其放出的电子信号会被自身探测器记录到，而相应的γ光子可能被自身或其他探测器记录，形成一对有效符合事件，相应的飞行时间差即为γ光子在两个探测器之间的飞行时间长度，相应的两个探测空间上形成一条响应线。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
校正方法包括如下步骤：
(1)初始化，初始化PET***的时间自校正的采集条件，采集符合计数至触发停止条件；
(2)符合事件挑选，剔除无用的、随机符合事件，选出合适响应线长度的符合事件；
(3)响应线飞行时间补偿，根据符合事件的位置信息对相应响应线光所需的飞行时间补偿到参考响应线上，从新计算相应的时间差；
(4)时间游走修正，对符合事件的能量差异导致的时间定标游走现象做时间游走修正；
(5)***探测器时间校正，对所有已挑选的、经过响应线飞行时间补偿和时间游走修正的符合事件做时间差校正；
(6)统计，统计所有探测器的有效的、经过时间差校正的飞行时间谱；
(7)时间偏差评估，根据各个探测器单元的飞行时间谱计算出一次统计迭代后的所有探测器单元的时间偏移修正表，并累加到***时间偏移修正表；
(8)迭代，重复***探测器时间校正步骤、统计步骤和时间偏差评估步骤，直至触发迭代收敛和中断条件，完成所有探测器的时间偏差表，本底时间自校正结束。
相应的自校正装置包括具有本底放射性的PET***，且能在采集模块中形成至少一对有效的符合事件，对应一条响应线的探测模块、符合事件挑选模块(采用多能窗事件鉴别器和响应线长度选择器)、响应线飞行时间补偿模块、时间游走修正模块、***探测器时间校正模块、统计模块、时间偏差评估模块和迭代模块。
其中，获取大量有效的符合事件，本发明提供一种多能窗时间鉴别器，将beta粒子和gamma射线触发形成的有效符合事件，从本底beta粒子、gamma射线、beta+gamma叠加、beta+beta叠加、gamma+gamma叠加信号等多种不同能量的触发信号形成的符合事件中提取出来。其中放射性本底中比较明显的多个不同能量的gamma光子具有一类相应多能量段的能窗，beta粒子的能窗由扣除gamma射线、beta+gamma叠加、beta+beta叠加、gamma+gamma叠加信号的能量段形成的另一类多能量段的能窗；一对符合事件的两个信号的能量分别在这两类能窗，鉴定为有效符合事件。
获取大量有效的符合事件，本发明提供一种响应线选择器，从PET***的成千上万条响应线中筛选出长度适合时间修正的符合事件。
获取更窄的迭代修正时间谱的beta信号发射峰及gamma光子接收峰峰形，本发明提供一种响应线飞行时间补偿模块。其功能在于PET***的每两个独立的信号输出子***即可组成一对符合事件，相应的两个探测器组成一条响应线，不同位置的响应线对应的光子飞行时间差通过指定参考响应线，将符合事件的时间差补偿到参考响应线的对应的飞行时间差。
不同能量的事件触发的信号引起时间定标出现游走现象，通过参考能量信号，计算出不同能量所触发的时间游走相对差值，进一步修正符合事件的时间差。
通过上述的多能窗时间鉴别器、响应线选择器、响应线补偿模块、时间游走修正模块处理、修正大量符合事例的符合时间差，迭代统计各个探测器的***响应飞行时间谱，评估每个探测器的最优时间偏差值，最终触发迭代收敛、终止条件。
本发明的原理和有益技术效果：
(1)本发明无需使用外部放射源：不引入外部放射源和复杂的操作流程，完成基于含镥元素闪烁晶体的PET***的时间校正任务；镥系闪烁晶体含有放射性核素Lu-176，其β-衰变时伴随发射能量202、307keV的γ光子。利用β-粒子与发射出来的γ光子在探测器上形成的符合事件对探测器进行时间校正，免去传统上借助外部放射源的时间校正方法。
(2)与传统使用外部放射源相比，由于外部放射源的大小限制了探测器覆盖范围，本发明时间自校正时，大径向视野采集符合数据，可实现TOF-PET***超大FOV范围探测器覆盖，提高单位时间内的统计计数率；
(3)本发明可简单、快速、随时检查日常PET***的时间偏移情况，由于Lu-176的超长半衰期(3.7E+10y)，基于镥系闪烁晶体的PET***的本底放射性活度稳定，可以随时采集数据，完成PET***的探测器能量刻度，及日常的探测器***的时间性能检测。
附图说明
图1为镥基闪烁探测器组成PET***典型的本底符合事件示意图；
图2为本实施例本底时间自校正流程图；
图3为本实施例本底时间自校正前(上)后(下)的飞行时间谱对比图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了一个实施例，并结合附图作如下详细说明：
如图2所示，本实施例的本底放射性实现时间自校正的***及方法，首先需要明确探测模块中具有本底放射性的PET***，且能在采集模块中形成一对有效的符合事件。如基于镥基闪烁晶体的PET***；如图1所示，在指定符合时间窗中，假设探测器101中的Lu-176核素一次β-衰变释放出一个β-粒子和多个γ光子，β-粒子触发探测器101记录一个电子学信号，而发射的γ光子在探测器103被记录为另一个电子学信号，这两个信号形成一对有效的符合事件，对应于一条响应线102(如图1所示)；在符合时间窗内，一对符合事件中先被记录的信号称为第一信号，后被记录的信号称为第二信号；每对符合事件中包含相应两个信号的位置、能量信息，时间先后及实际测量的飞行时间差信息。
具体自校正方法包括如下步骤：
步骤201、根据时间自校正条件初始化采集条件，采集本底符合数据至适合PET***各个探测器的飞行时间谱的统计量。采集条件如：不限制PET***径向视野的符合事件，能窗全开，根据实际PET***电子学条件预设适当的符合时间窗，及初始化相应各个探测器的时间偏移量(一般预设为零)；
步骤202、调用符合事件挑选功能模块，调用多能窗事件鉴别器对每个符合事件的第一信号和第二信号进行有有效性鉴别，通过多能窗判断符合事件是否确定由一次Beta-衰变发射的Beta粒子和gamma光子触发的符合，剔除无用的、随机符合事件，提高符合事件集的真符合事件占比；调用响应线长度选择器，选出合适响应线长度的符合事件(合适的响应线长度通常大于PET***的内切半径)；
步骤203、接着使用响应线补偿模块，指定特定响应线长度的光子飞行时间为参考飞行时间(一般用PET***的径向内切直径为参考)，计算出光子穿越步骤202挑选出来的每对符合事件的探测器对需要的真实飞行时间与参考飞行时间的差值，将这个差值补偿到每对符合事件的实际测量的飞行时间差；其中每一步的时间差都是经过上一步修正后的飞行时间差；
步骤204、再通过时间游走修正模块对符合事件的能量差异导致的时间游走偏差对步骤203补偿后的飞行时间差进行修正；
步骤205、再接着调用***探测器时间校正模块，对经过步骤204修正后的各个符合事件飞行时间差做***时间偏差校正；
步骤206、然后调用统计功能模块，统计步骤205处理好的符合事件，生成各个探测器对应的飞行时间谱；
步骤207、最后调用时间偏差评估模块，计算各个探测器单元的飞行时间谱定位发射响应峰及接收响应峰的峰位，由这两个峰位的均值计算出一次统计迭代后的所有探测单元的时间偏移修正表，即为一次迭代时间修正，并将获得的各个探测单元的时间偏移修正表累计到***时间偏移修正表；
步骤208、进入迭代模块，重复步骤205、206、207、208，直至触发迭代收敛、中断条件，完成所有探测器的时间偏差表，其中的迭代收敛、中断条件可为指定最多迭代次数或每次迭代后的偏移修正值到指定偏差阈值等。
步骤209、本底时间自校正结束。
综上，对比时间校正前(上)后(下)的飞行时间谱(如图3)，校正后各个探测器的符合飞行时间谱呈现明显的发射峰和接收。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种本底放射性实现时间自校正的方法，包括如下步骤：
(1)初始化PET***的时间自校正的采集条件，采集符合计数至触发停止条件；
(2)符合事件挑选，剔除无用的、随机符合事件，选出合适响应线长度的符合事件；采用多能窗事件鉴别器对所有符合事件的第一信号和第二信号进行有效性鉴别，通过多能窗判断符合事件是否确定由一次Beta-衰变发射的Beta粒子和gamma光子触发的符合，剔除无用的、随机符合事件，提高事件集的真符合事件占比；采用响应线长度选择器，选出合适响应线长度的符合事件；一对符合事件中先被记录的信号称为第一信号，后被记录的信号称为第二信号；
(3)响应线飞行时间补偿，根据符合事件的位置信息对相应响应线长度的光子飞行时间补偿到参考响应线上，重新计算相应的时间差；
(4)时间游走修正，对符合事件的能量差异导致的时间定标游走现象做时间游走修正；
(5)***探测器时间校正，对所有已挑选的、经过响应线飞行时间补偿和时间游走修正的符合事件做时间差校正；
(6)统计，统计所有探测器单元的有效的、经过时间差校正的飞行时间谱；
(7)时间偏差评估，根据各个探测器单元的飞行时间谱计算出一次统计迭代后的所有探测器单元的时间偏移修正表，并累加到***时间偏移修正表；
(8)迭代，重复***探测器时间校正步骤、统计步骤和时间偏差评估步骤，直至触发迭代收敛和中断条件，完成所有探测器单元的时间偏移修正表，本底时间自校正结束。
2.如权利要求1所述的本底放射性实现时间自校正的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述采集条件包括不限制PET***径向视野的符合事件，能窗全开，根据实际PET***电子学条件预设适当的符合时间窗，以及预设相应各个探测器单元的时间偏移量为零。
3.如权利要求1所述的本底放射性实现时间自校正的方法，其特征在于：所述步骤(8)中，计算各个探测器单元的飞行时间谱定位发射响应峰及接收响应峰的峰位，由这两个峰位的均值计算出一次统计迭代后的所有探测单元的时间偏移修正表，为一次迭代时间修正。
4.一种本底放射性实现时间自校正装置，包括探测模块，具有本底放射性的PET***，且能在采集模块中形成至少一对有效的符合事件，每对有效的符合事件对应一条响应线；其特征在于：还包括
初始化模块，用于初始化PET***的时间自校正的采集条件，采集符合计数至触发停止条件；
符合事件挑选模块，用于剔除无用的、随机符合事件，选出合适响应线长度的符合事件；采用多能窗事件鉴别器对所有符合事件的第一信号和第二信号进行有效性鉴别，通过多能窗判断符合事件是否确定由一次Beta-衰变发射的Beta粒子和gamma光子触发的符合，剔除无用的、随机符合事件，提高事件集的真符合事件占比；采用响应线长度选择器，选出合适响应线长度的符合事件；一对符合事件中先被记录的信号称为第一信号，后被记录的信号称为第二信号；
响应线飞行时间补偿模块，用于根据符合事件的位置信息对相应响应线长度的光子飞行时间补偿到参考响应线上，重新计算相应的时间差；
时间游走修正模块，用于对符合事件的能量差异导致的时间定标游走现象做时间游走修正；
***探测器时间校正模块，用于对所有已挑选的、经过响应线飞行时间补偿和时间游走修正的符合事件做时间差校正；
统计模块，用于统计所有探测器单元的有效的、经过时间差校正的飞行时间谱；
时间偏差评估模块，用于根据各个探测器单元的飞行时间谱计算出一次统计迭代后的所有探测器单元的时间偏移修正表，并累加到***时间偏移修正表；
迭代模块，用于重复使用***探测器时间校正模块、统计模块和时间偏差评估模块，直至触发迭代收敛和中断条件，完成所有探测器单元的时间偏移修正表，本底时间自校正结束。
5.如权利要求4所述的一种本底放射性实现时间自校正装置，其特征在于：所述符合事件挑选模块，采用多能窗事件鉴别器和响应线长度选择器。
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