DE69830627T2

DE69830627T2 - Nukleare Bildwiedergabe-Einrichtung

Info

Publication number: DE69830627T2
Application number: DE69830627T
Authority: DE
Inventors: Frank P. Mayfield Heights Difilippo; Mark H. Garfield Heights Heller
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: JP4208284B2; DE69830627D1; EP0863410A2; US5793045A; EP0863410A3; ATE298428T1; JPH1152059A; EP0863410B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Feld der nuklearen Bildwiedergabe, insbesondere für die Nuklearmedizin und speziell unter Verwendung der Koinzidenzbildgebung. Es ist jedoch zu beachten, dass die Erfindung für andere Anwendungen geeignet ist, bei denen es erforderlich ist, detektierten Ereignissen Gewichte zuzuordnen.
In der Nuklearbildgebung kann ein Radiopharmakum wie ^99mTC oder ²⁰¹TI in den Körper eines Patienten eingeführt werden. Beim Zerfallen des Radiopharmakums werden Gammastrahlen erzeugt. Diese Gammastrahlen werden detektiert und verwendet, um ein klinisch brauchbares Bild zu konstruieren.
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein Zweig der Nuklearmedizin, in dem ein Positronen emittierendes Radiopharmakum wie ¹⁸F-Fluorodeoxyglukose (FDG) in den Körper eines Patienten eingebracht wird. Jedes emittierte Positron reagiert mit einem Elektron, was man als ein Annihilationsereignis kennt, und erzeugt dabei ein Paar 511-keV-Gammastrahlen. Die Gammastrahlen werden in Richtungen emittiert, die ungefähr 180° auseinander liegen, d.h. in entgegengesetzten Richtungen.
Ein Paar Detektoren registriert die Position und die Energie der jeweiligen Gammastrahlen und liefert dadurch Informationen über die Position des Annihilationsereignisses und damit über die Positronenquelle. Da sich die Gammastrahlen in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, gilt für die Positronenannihilation, dass sie entlang einer die Gammastrahlen verbindenden Koinzidenzlinie aufgetreten ist. Eine Anzahl derartiger Ereignisse wird gesammelt und zur Rekonstruktion eines klinisch brauchbaren Bildes verwendet.
Das Energiespektrum für die klinische Positronenannihilationsbildgebung ist durch einen Photopeak von 511 keV gekennzeichnet. Ähnlich trägt eine Compton-Streustrahlung zu Zählwerten bei, deren Energien so hoch wie die Compton-Kante sind. Bei der Koinzidenzbildgebung wird teilweise ein Dual-Energy-Window-Detektionsmodell verwendet. Ein Fenster rund um den Photopeak und ein Fenster in der Nähe des Compton-Bereichs werden bezeichnet. Ein Koinzidenzereignis wird gezählt, wenn beide Detektoren zeitlich simultan Ereignisse innerhalb des Photopeak-Fensters detektieren, oder wenn ein Detektor ein Ereignis im Photopeak-Fenster beobachtet, während der andere gleichzeitig ein Ereignis im Compton-Fenster detektiert. In jedem Fall wird eine Speicherstelle erhöht, um das Ereignis und seine Position festzuhalten, so dass die jeweiligen Ereignisse gleichermaßen gewichtet werden können. Ereignisse, bei denen beide Detektoren Compton-Ereignisse beobachten, werden verworfen.
Ein Multi-Slice-Rebinning-Verfahren für die Koinzidenzbildgebung ist auch aus der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 5.331.553 bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird basierend auf dem axialen Winkel des Ereignisses mehr als eine Speicherstelle erhöht. Die US-amerikanische Patentschrift lehrt jedoch, dass die verschiedenen Ereignisse normalisiert und deshalb ungeachtet der detektierten Energien gleichermaßen gewichtet werden müssen.
Allgemeiner ausgedrückt werden bei der Nuklearbildgebung Bildprojektionen oder Sinogramme erzeugt, indem eine Speicherstelle erhöht wird, die Positionskoordinaten entspricht, welche für jedes detektierte Ereignis bestimmt werden. Die Speicherstelle wird erhöht, wenn die Ereignisenergie innerhalb eines spezifizierten Energiefensters liegt. Alternativ erfolgt eine ähnliche Erhöhung bei der Nachbearbeitung, wenn die Daten im Listenmodus gesammelt werden.
Ein üblicher Gedankengang bei diesen Verfahren ist, dass Ereignisse auf binäre Weise gewichtet werden – sie werden entweder akzeptiert oder abgelehnt. Infolgedessen gelingt es diese Verfahren nicht, die durch jedes Ereignis repräsentierte relative Signifikanz oder Sicherheit zu vermitteln. Beispielsweise ist die Unsicherheit in Bezug auf die Position bei einem Ereignis, das in das Compton-Fenster fällt, größer als bei einem Ereignis, das in das Photopeak-Fenster fällt. Indem diese Unsicherheit nicht berücksichtigt werden kann, gehen wichtige Informationen bezüglich der detektierten Ereignisse verloren und können daher nicht für die Schaffung eines resultierenden Bildes verwendet werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden für ein Positronenannihilationsereignis charakteristische Gammastrahlen detektiert und ihre Energien bestimmt. Basierend auf den festgestellten Energien wird dem Positronenannihilationsereignis eines von mindestens drei verschiedenen Gewichten zugeordnet. Diese Schritte werden für eine Vielzahl von Positronenannihilationsereignissen wiederholt, und es wird ein die gewichteten Ereignisse anzeigendes Bild erzeugt. Es wird ein erstes Energiefenster eingerichtet. Das erste Energiefenster enthält eine Energie, die charakteristisch für einen durch eine Positronenannihilation erzeugten Gammastrahl ist. Es wird ein zweites Energiefenster mit einer geringeren Energie als das erste Fenster eingerichtet und die Energie der detektierten Gammastrahlen im Verhältnis zum ersten und zum zweiten Fenster bestimmt. Falls die festgestellten Energien beider Gammastrahlen innerhalb des ersten Fensters liegen, wird dem Ereignis ein erstes Gewicht zugeordnet. Falls die festgestellte Energie eines der Gammastrahlen innerhalb des ersten Fensters liegt und die festgestellte Energie des anderen Gammastrahls innerhalb des zweiten Fensters liegt, wird dem Ereignis ein zweites Gewicht zugeordnet. Falls die festgestellte Energie beider Gammastrahlen innerhalb des zweiten Fensters liegt, wird dem Ereignis ein drittes Gewicht zugeordnet.
Gemäß noch weiteren, eingeschränkteren Aspekten der Erfindung kann das erste Gewicht größer als das zweite Gewicht sein und das dritte Gewicht Null sein. Das zweite Energiefenster kann eine Compton-Kante enthalten.
Gemäß einem anderen eingeschränkten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Positionen der detektierten Gammastrahlen bestimmt, und basierend auf den Positionen wird eine Speicheradresse erzeugt. Der Gewichtswert wird zu dem in der Speicheradresse enthaltenen Wert hinzugefügt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine durch einen Radionuklidzerfall erzeugte Gammastrahlung detektiert. Das Auftreten eines detektierten Ereignisses wird signalisiert und die Position des Ereignisses bestimmt. Ein die Genauigkeit der bestimmten Position angebender Parameter wird gemessen und dem Ereignis wird basierend auf dem Wert des gemessenen Parameters eines von mindestens drei Gewichten zugeordnet. Diese Schritte werden für eine Vielzahl von Radionuklidzerfällen wiederholt, und es wird ein Bild erzeugt.
Gemäß einem eingeschränkten Aspekt der Erfindung ist der gemessene Parameter die Energie der detektierten Gammastrahlung. Gemäß einem anderen eingeschränkten Aspekt der Erfindung umfasst die detektierte Gammastrahlung erste und zweite von einem Positronenannihilationsereignis erzeugte Gammastrahlen. Bei einem noch anderen Aspekt der Erfindung ist der gemessene Parameter die räumliche Verteilung des Szintillatorlichtimpulses.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch einen Radionuklidzerfall erzeugte Gammastrahlung detektiert. Das Auftreten eines detektierten Ereignisses wird signalisiert und die Energie der detektierten Strahlung bestimmt. Dem Ereignis wird basierend auf der festgestellten Energie eines von mindestens drei verschiedenen Gewichten zugeordnet.
Ein erster Vorteil der Nuklearbildgebung mittels variabler Gewichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Informationen erhalten bleiben, die in Beziehung zum wahrscheinlichen Beitrag eines Ereignisses zur Qualität eines resultierenden Bildes stehen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass detektierte Ereignisse gemäß dem wahrscheinlichen Beitrag zur Bildqualität gewichtet werden.
Ein Verfahren zur Nuklearbildgebung und eine erfindungsgemäß konstruierte Kamera zur Nuklearbildgebung werden im Folgenden anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die begeleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Gammakamera;
2A eine Ansicht der Detektoren, gesehen in axialer Richtung und transversales Rebinning darstellend;
2B ist eine Ansicht der Detektoren, gesehen in transversaler Richtung und axiales Rebinning darstellend;
3 ein Energiespektrum, das charakteristisch für durch Positronenannihilation erzeugte Gammastrahlen ist; und
4 die Gewichtung, die basierend auf dem Energiepegel der detektierten Gammastrahlen auf detektierte Koinzidenzereignisse angewandt wird.
Bei der Nuklearbildgebung ist ein detektiertes Ereignis durch eine x-y-Position und eine Energie z gekennzeichnet. Bei der Koinzidenzbildgebung ist ein Koinzidenzereignis durch zwei Ereignisse gekennzeichnet, die zeitlich simultan detektiert werden. Eine Anzahl derartiger Koinzidenzereignisse wird detektiert und ein Bild rekonstruiert, indem üblicherweise die resultierenden Projektionen gefiltert und Linien durch den Bildraum rückprojiziert werden. Dadurch wird die Genauigkeit des Bildes zur Genauigkeit der Projektionen in Beziehung gebracht, die wiederum durch Summierung der Beiträge der einzelnen detektierten Ereignisse zusammengesetzt werden.
Die detektierten Ereignisse haben jedoch häufig verschiedene Unsicherheiten. Beispielsweise steht die Lichtabstrahlung des Szintillationskristalls in Beziehung zur Energie der detektierten Strahlung. Da Ereignisse mit geringerer Energie weniger Szintillationslicht erzeugen, aus dem die Position berechnet wird, kann die gemessene Position mit geringerer Konfidenz bestimmt werden. Andererseits erzeugen Ereignisse mit höherer Energie mehr Szintillationslicht, so dass die Position mit relativ größerer Konfidenz bestimmt werden kann.
Die Konfidenz hinsichtlich der Genauigkeit eines detektierten Ereignisses wird auch durch die Streuung beeinflusst. Wie dem Fachkundigen bekannt sein wird, verursacht Streuung eine Veränderung in der Energie des Gammastrahls zusammen mit einer Veränderung seiner Richtung.
Je nach Existenz und Lage der Streuung lassen sich detektierte Ereignisse in verschiedene Kategorien unterteilen. Ein echtes Ereignis tritt beispielsweise auf, wenn ein Gammastrahl detektiert wird, ohne gestreut worden zu sein. Weil man davon ausgehen kann, dass sich die Gammastrahlen vor ihrer Detektierung in einer geraden Linie ausgebreitet haben, ist der tatsächliche Ort des zugrunde liegenden Ereignisses mit relativ großer Genauigkeit bekannt. Da sie nicht gestreut wurden, sind diese Gammastrahlen durch Energien im Bereich des primären Photopeaks des jeweils verwendeten Radiopharmakums charakterisiert (z.B. etwa 104 keV bei ^99mTc, 80 keV bei ²⁰¹TI, 511 keV bei Gammastrahlen, die durch Positronenannihilation erzeugt wurden). Bei Ereignissen, die im oberen Teil des primären Photopeaks detektiert wurden, ist es besonders unwahrscheinlich, dass sie gestreut wurden. Die Positionen dieser Ereignisse können daher mit einem besonders hohen Konfidenzgrad bestimmt werden. Infolgedessen tragen echte Ereignisse positiv zur Bildqualität bei.
Bei einem Szintillatorstreuereignis tritt innerhalb des Szintillatorkristalls eine Compton-Streuung auf, beispielsweise wenn ein Gammastrahl in einer ersten Wechselwirkung nur teilweise vom Kristall absorbiert wird. Diese Ereignisse werden mit Energien detektiert, die unterhalb derjenigen der Compton-Kante für das jeweils verwendete Radiopharmakum liegen (z.B. etwa 50 keV bei ^99mTc, 19 keV bei ²⁰¹TI, 340 keV bei Gammastrahlen, die durch Positronenannihilation erzeugt wurden). Da die Stelle, an der das Ereignis detektiert wird, die Stelle ist, an der die Szintillatorabsorption (und damit die Streuung) auftritt, kann die Position des zugrunde liegenden Ereignisses mit einem relativ hohen Genauigkeitsgrad bestimmt werden. Infolgedessen neigen Szintillatorstreuereignisse dazu, positiv zur Bildqualität beizutragen. Die Szintillatorstreuung ist eine dominante Form der Wechselwirkung bei der Positronenannihilationsbildgebung, wenn ein Natriumiodid (NaI(TI)-Szintillationskristall benutzt wird, sie ist jedoch weniger üblich, wenn ein Wismuth-Germanat(BGO)-Szintillator benutzt wird. Besonders signifikant ist die Szintillatorstreuung bei den mit der Annihilationsbildgebung verbundenen höheren Energien.
Bei einem noch anderen Typ eines Szintillatorstreuereignisses erfährt ein einfallender Gammastrahl eine oder mehrere Compton-Wechselwirkungen, bevor seine Energie durch den Szintillationskristall absorbiert wird. Da die gesamte Energie des Gammastrahls im Wesentlichen sofort durch den Kristall absorbiert wird, wird diese Art der Wechselwirkung so detektiert, als habe sie eine Energie im Bereich des primären Photopeaks. Insofern, als dieser Ereignistyp durch mehr als eine Wechselwirkung (die jeweils eine unterschiedliche Lage haben) charakterisiert ist, kann die Position des zugrunde liegenden Ereignisses mit einer etwas geringeren Genauigkeit als im Falle eines einzelnen Szintillatorstreuereignisses bestimmt werden. Trotzdem neigen Streuereignisse dieses Typs dazu, positiv zur Bildqualität beizutragen.
Bei einem Körperstreuereignis tritt die Streuung innerhalb des untersuchten Körpers auf, wodurch die Richtung des emittierten Gammastrahls verändert wird. Weil der Ort des Streuereignisses unbekannt ist und wegen der Richtungsänderung kann der Ort des zugrunde liegenden Ereignisses nur mit einem relativ geringen Genauigkeitsgrad bestimmt werden. Diese Gammastrahlen werden so detektiert, als hätten sie Energien, die im Compton-Bereich des jeweiligen Radiopharmakums liegen. Streuereignisse dieses Typs neigen daher dazu, die Bildqualität zu verschlechtern.
Es können auch andere Arten von Streuereignissen auftreten. Beispielsweise tritt ein Rückstreuungsereignis auf, wenn ein Gammastrahl den Szintillator ohne eine Wechselwirkung durchquert, vom Glashintergrund im Detektor oder von der Detektorelektronik zurückgestreut und beim zweiten Durchqueren des Kristalls absorbiert wird. Bei der Positronenannihilationsbildgebung sind viele detektierte Gammastrahlen durch Energien im Bereich von 170 keV bis 200 keV charakterisiert. Streuereignisse dieses Typs neigen ebenfalls dazu, die Bildqualität zu verschlechtern.
Koinzidenzereignisse können ähnlich charakterisiert werden. Bei einem echten Koinzidenzereignis wird jeder detektierte Gammastrahl als ein echtes Ereignis detektiert. Jeder Gammastrahl geht aus derselben Positronenannihilation hervor, und die Gammastrahlen werden detektiert, ohne gestreut worden zu sein. Daher ist die Annahme, dass der Zerfall entlang einer Koinzidenzlinie auftritt (die Kolinearitätsannahme), gültig, und das Ereignis trägt positiv zur Bildqualität bei.
Bei einem teilweise gestreuten Koinzidenzereignis wird einer der Gammastrahlen als ein echtes Ereignis und der andere entweder als ein Szintillatorstreuereignis oder als ein Körperstreuereignis detektiert. Im ersteren Fall ist es wahrscheinlich, dass die Kolinearitätsannahme gültig ist und das Ereignis positiv zur Bildgebung beitragen wird. Im letzteren Fall ist die Kolinearitätsannahme nicht gültig, und das Ereignis wird dazu neigen, sich nachteilig auf die Bildqualität auszuwirken.
Bei einem zweifach gestreuten Koinzidenzereignis werden beide Gammastrahlen als Streuereignisse detektiert. Insofern, als keines der Ereignisse als ein echtes Ereignis detektiert wird, ist die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens eines der detektierten Ereignisse aus einem Körperstreuereignis hervorgeht, relativ größer als der Fall, bei dem eines ein echtes Ereignis ist. Infolgedessen ist es weniger wahrscheinlich, dass die Kolinearitätsannahme wahr ist, und das Ereignis wird mit geringerer Wahrscheinlichkeit positiv zur Bildqualität beitragen.
Wie aus der vorangegangenen Erörterung zu verstehen sein wird, gehören zur Nuklearbildgebung die Detektion und Messung zahlreicher diskreter Ereignisse, wobei jedes Ereignis ein Element der Unsicherheit einschließt. Statistische Messungstheorien besagen, dass man separate Messungen x_i mit Standardabweichungen σ₁ gemäß den folgenden Gleichungen kombinieren kann, um die besten Schätzungen der mittleren x und der Standardabweichung σ zu erzielen:
Somit werden beim Bestimmen der Mittelwerte Ereignisse mit einer geringeren Unsicherheit stärker gewichtet als Ereignisse mit einer größeren Unsicherheit. Dieses Prinzip kann genutzt werden, um die Qualität von Nuklearbildern zu maximieren.
Bezug nehmend auf 1 enthält eine Gammakamera für die Verwendung in der Koinzidenzbildgebung Detektoren 10a, 10b, die gegenüberliegend um eine Untersuchungsregion 11 herum angeordnet sind. Die Untersuchungsregion 11 ist so bemessen, dass sie ein abzubildendes Objekt wie einen Patienten 12 aufnehmen kann. Eine Patientenliege (nicht gezeigt) oder ein anderer Objektträger nimmt die Person 12 innerhalb der Untersuchungsregion 11 auf.
Jeder Detektor 10 enthält einen NaI(TI)-Szintillationskristall, eine x-y-An ordnung von Sekundärelektronenvervielfachern (SEVs) und Verarbeitungselektronik. Energie von Gammastrahlen, die den Szintillatorkristall treffen, wird in Licht umgewandelt, das von einem oder mehreren SEVs detektiert wird, wodurch wiederum ein detektiertes Ereignis signalisiert wird.
Eine Koinzidenzlogikschaltung 14 bestimmt, ob von beiden Detektoren 10a, 10b detektierte Ereignisse simultan aufgetreten sind. Genauer gesagt ermittelt die Koinzidenzlogikschaltung, ob beide Detektoren einen Gammastrahl innerhalb eines zuvor festgelegten Koinzidenzzeitintervalls detektieren, beispielsweise in der Größenordnung von 15 Nanosekunden. Ist dies der Fall, erzeugt die Koinzidenzlogikschaltung 14 ein digitales Koinzidenzsignal 16, mit dem angegeben wird, dass ein Koinzidenzereignis stattgefunden hat. Wenn andererseits die Detektoren 10a, 10b Ereignisse detektieren, die zeitlich mehr als das Koinzidenzzeitintervall auseinander liegen, wird das Koinzidenzsignal 16 nicht erzeugt, und die Ereignisse werden nicht weiter verarbeitet.
Verbunden mit jedem Detektor 10a, 10b ist eine Energie- und Positionsbestimmungsschaltung 18a, 18b, die sowohl die Energie z als auch die Position x, y der detektierten Ereignisse bestimmt. Die Schaltung 18a, 18b wird durch das Koinzidenzsignal 16 ausgelöst, so dass die Energie z und die Position x, y nur für Koinzidenzereignisse bestimmt werden. Für jedes Koinzidenzereignis werden entsprechend den von den Detektoren 10, 10b detektierten Ereignissen Positionen und Energien x₁, y₁, z₁ und x₂, y₂, z₂ erzeugt. Nicht-Koinzidenzereignisse werden nicht verarbeitet.
Eine Energiediskriminierungsschaltung 20a, 20b ermittelt, ob die detektierten Ereignisse in eines von einem oder mehreren vorgegebenen Energiefenstern W₁, W₂, ... W_n fallen. Koinzidenzereignisse, bei denen ein oder beide detektierte Ereignisse außerhalb eines der Energiebereiche W_n liegen, werden zurückgewiesen, und das Ereignis wird nicht weiter verarbeitet.
Ein Listenmodusprozessor 22 erzeugt eine Liste, die die Energie z und die Position x, y der detektierten Ereignisse in jedem einer Vielzahl von Koinzidenzereignispaaren enthält. Die Ausgabe des Listenmodusprozessors 22 wird vorzugsweise in einem Speicher für die weitere Verarbeitung zu einem geeigneten Zeitpunkt gespeichert, beispielsweise nachdem die Datenerfassung für einen bestimmten Patienten abgeschlossen wurde.
Die Weiterverarbeitung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines herkömmlichen Bildgebungscomputers 30. Ein Rebinning-Prozessor 24 sortiert die Listenmodusdaten basierend auf den Positionen x₁, y₁ und x₂, y₂ der detektierten Ereignisse. Bezug nehmend auf
2A wird ein Punkt, wie beispielsweise das Zentrum 27 der Bildgebgungsregion 12, definiert. Die Transversalkoordinaten x₁, x₂ werden verwendet, um eine Transversalkoordinate X im Verhältnis zum Zentrum 27 und einen Transversalwinkel θ im Verhältnis zur Stirnfläche eines der Detektoren 10a, 10b zu berechnen. Bezug nehmend auf 2B werden die Listenmodusdaten mit dem allgemein bekannten „Single-Slice-Rebinning"-Algorithmus auch in der axialen Richtung parallelisiert. Die axialen Positionskoordinaten y₁, y₂ werden verwendet, um eine mittlere Axialkoordinate Y zu berechnen, und der Axialwinkel Φ wird als Null angenommen. Somit werden die parallelisierten Koordinaten (X, Y, θ) für jedes Koinzidenzereignis auf der Basis der detektierten Koordinaten (x₁, x₂, y₁, y₂) bestimmt. Mit jedem parallelisierten Koinzidenzereignis ist weiterhin eine Markierung verbunden, die die Energie jedes detektierten Ereignisses angibt. Diese Markierung kann beispielsweise das jeweils mit jedem der detektierten Ereignisse zusammenhängende Energiefenster W_n sein.
Hervorzuheben ist, dass auch andere Rebinning-Verfahren benutzt werden können. Beispielsweise könnte das axiale Rebinning auch auf eine Weise durchgeführt werden, die der in transversaler Richtung verwendeten entspricht, so dass die detektierten Axialkoordinaten y₁, y₂ verwendet werden, um die Axialkoordinate Y und den Axialwinkel Φ zu berechnen. Somit würden für jedes Koinzidenzereignis parallelisierte Koordinaten (X, Y, θ, Φ) erzeugt.
Ein Ereignisgewichtungsprozessor 26 ordnet jedem Koinzidenzereignis basierend auf der Konfidenz bezüglich seiner Genauigkeit ein Gewicht zu. Genauer gesagt ordnet der Ereignisgewichtungsprozessor 26 in der bevorzugtren Ausführungsform dem Koinzidenzereignis basierend auf der Energie der einzelnen detektierten Ereignisse ein Gewicht δ zu. Auf diese Weise werden Ereignisse im Verhältnis zu der Konfidenz bezüglich der Genauigkeit ihrer Position und damit zu ihrem wahrscheinlichen Beitrag zur Bildqualität gewichtet. Ereignisse, die wahrscheinlich positiv zur Bildqualität beitragen, werden schwerer gewichtet als solche, die dies nicht tun.
Die parallelisierten Koordinaten (X, Y, θ) werden zusammen mit dem Gewicht δ verwendet, um einen Projektionsmatrixspeicher 28 zu aktualisieren. Der Speicher 28 kann als eine dreidimensionale Anordnung veranschaulicht werden, wobei jedes Element eine eindeutige Adresse basierend auf der transversalen Position X, der axialen Position Y und dem transversalen Winkel θ hat. Jedes Element bzw. jede Speicherstelle enthält einen Zählwert C(X, Y, θ). Für jedes Koinzidenzereignis wird die entsprechende Stelle im Speicher 28 aktualisiert, um das Auftreten und das Gewicht des Ereignisses gemäß folgendem Verhältnis wiederzugeben: Caktualisiert(X, Y, θ) = Czuvor(X, Y, θ) + δ (3).
Ein Rekonstruktionsprozessor 32 verarbeitet die Daten im Speicher 28 mittels Verfahren wie der gefilterten Rückprojektion oder der iterativen Rekonstruktion, um Bilder zu erzeugen, die dem abgebildeten Objekt entsprechen. Natürlich ist die Erfindung gleichermaßen auch auf iterative und andere Rekonstruktionsverfahren anwendbar. Eine Bedienerschnittstelle 34 enthält vorzugsweise einen Videoprozessor und einen Monitor, um ausgewählte Teile der Bilder in eine visuell lesbare Form umzuwandeln.
Der Fachkundige wird erkennen, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Beispielsweise können drei oder mehr um die Bildgebungsregion 12 herum angeordnete Detektoren 10 benutzt werden, wobei jedes Koinzidenzereignis durch Gammastrahlen charakterisiert wird, die gleichzeitig von zwei der drei oder mehr Detektoren detektiert werden. In ähnlicher Weise können die Detektoren 10 während der Datenerfassung einfach um den Patienten 12 gedreht und/oder axial in Bezug auf den Patienten bewegt werden. Es können auch alternative Szintillatoren benutzt werden, wie beispielsweise aus Wismuth-Germanat (BGO).
Verschiedene der oben beschriebenen Funktionen können auch in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden. Beispielsweise kann das Energiegewicht eines Koinzidenzereignisses an verschiedenen Punkten im Prozess bestimmt werden, zum Beispiel vor dem Rebinning. In ähnlicher Weise kann die Energiediskriminierung stattfinden, nachdem das Ereignisgewicht festgelegt wurde, indem das Gewicht der zurückgewiesenen Ereignisse auf Null gesetzt wird. Hervorzuheben ist, dass die Listenmodusausgabe in verschiedenen Phasen erzeugt werden kann. Alternativ können Daten in Echtzeit parallelisiert, gewichtet und gespeichert werden.
In ähnlicher Weise ist die Erfindung auf die traditionelle SPECT-Bildgebung (Single Photon Emission Computed Tomography, Einzelphotonenemissions-Computertomographie) anwendbar, so dass die Koinzidenzlogikschaltung 14 nicht erforderlich ist. Wie bei der Koinzidenzbildgebung werden zwei oder mehr Energiefenster im Verhältnis zum Energiespektrum des jeweils verwendeten Radiopharmakums definiert, beispielsweise in den Bereichen des Photopeaks und der Compton-Kante. Energiefenster können auch in den Photopeak-Bereichen eines Radiopharmakums wie I-131 eingerichtet werden, das zwei primäre Photopeaks hat. In diesem Fall werden in die höheren der Energiefenster fallende Ereignisse schwerer gewichtet als solche, die in die unteren Energiefenster fallen. Auch hier wird jedes detektierte Ereignis entsprechend seiner Energie gewichtet und ein Bild erstellt.
Im Betrieb wird ein Radiopharmakum wie FDG in den Körper eines Patienten 12 eingeführt und der Patient in der Bildgebungsregion 11 platziert. Ein Ereignis wird von einem der Detektoren, beispielsweise Detektor 10a, detektiert. Ein zweites Ereignis wird von dem anderen Detektor 10b detektiert. Wenn die beiden Ereignisse zeitlich innerhalb des Koinzidenzzeitintervall auftreten, wie es für eine Positronenannihilation charakteristisch ist, erzeugt die Koinzidenzlogikschaltung 14 ein Koinzidenzsignal 16. Ausgelöst vom Koinzidenzsignal bestimmt die Energiepegel- und Positionsschaltung 18a, 18b den Energiepegel z und die x-y-Position jedes detektierten Ereignisses.
Die Energiediskriminierungsschaltung 20a, 20b ermittelt, ob jedes detektierte Ereignis in ein vorgewähltes Energiefenster fällt. Bezug nehmend auf 3 wird in der Nähe des für eine Positronenannihilation charakteristischen primären 511-keV-Photopeaks ein Energiefenster eingerichtet. Das untere Ende dieses Photopeak-Fensters wird vorzugsweise bei etwa 430 keV platziert, während das obere Ende vorzugsweise bei etwa 590 keV platziert wird. Auf ähnliche Weise wird im Compton-Bereich bei etwa 300 keV ein Energiefenster platziert. Das untere Ende dieses Compton-Fensters wird vorzugsweise bei etwa 260 keV platziert, während das obere Ende vorzugsweise bei etwa 340 keV platziert wird.
Wenn eines oder beide der detektierten Ereignisse sowohl außerhalb des Photopeak- als auch außerhalb des Compton-Fensters liegt/liegen, veranlasst die Diskriminierungsschaltung 20a, 20b, dass beide Ereignisse zurückgewiesen werden. In ähnlicher Weise werden beide Ereignisse zurückgewiesen, wenn beide Ereignisse innerhalb des Compton-Fensters liegen. Wenn beide Ereignisse in das Photopeak-Fenster fallen, oder wenn eines der Ereignisse in das Photopeak-Fenster und das andere in das Compton-Fenster fällt, werden die entsprechenden Werte für die x-y-Positionen und die Energie z vom Listenmodusprozessor 22 verarbeitet und so lange gespeichert, bis die Datenerfassung abgeschlossen ist.
Jedes der aufgelisteten Koinzidenzereignisse wird dann vom Rebinning-Prozessor 24 parallelisiert. Anschließend wird dem Koinzidenzereignis von einem Gewichtungsprozessor 26 ein Gewicht zugeordnet. Koinzidenzereignisse, bei denen beide detek tierten Ereignisse in den Photopeak-Energie-Bereich fallen, werden am schwersten gewichtet; Koinzidenzereignisse, bei denen eines der detektierten Ereignisse in den Photopeak-Bereich und das andere in den Compton-Energie-Bereich fällt, werden weniger schwer gewichtet. Wie oben angemerkt werden Koinzidenzereignisse, bei denen beide detektierten Ereignisse in den Compton-Bereich fallen, von der Rückweisungsschaltung 21 zurückgewiesen und haben damit ein effektives Gewicht von Null. Tabelle I zeigt das resultierende Gewicht, das basierend auf der Energie der einzelnen detektierten Ereignisse auf jeden Koinzidenztyp angewandt wird:
Tabelle I
Diese Informationen sind in 4 grafisch dargestellt.
Andere Gewichte, sowohl ganzzahlige als auch nicht ganzzahlige, sind möglich und können leicht implementiert werden. Es ist auch nicht erforderlich, dass die Rückweisungsschaltung 21 die Compton-Compton-Ereignisse zurückweist. Compton-Compton-Koinzidenzereignissen könnte dann vom Gewichtungsprozessor 26 ein Gewicht von Null (oder ein gewünschtes Nicht-Null-Gewicht) gegeben werden.
Die entsprechende Stelle im Speicher 28 wird dann aktualisiert. Bei einem Koinzidenzereignis mit Koordinaten (X, Y, θ), bei denen jedes detektierte Ereignis in das Photopeak-Fenster fällt, wird die entsprechende Stelle im Speicher 28 beispielsweise wie folgt aktualisiert: Caktualisiert(X, Y, θ) = Czuvor(X, Y, θ) + 2 (4)
Bei einem Koinzidenzereignis mit Koordinaten (X, Y, θ), bei denen ein detektiertes Ereignis in das Photopeak-Fenster und das andere in das Compton-Fenster fällt, wird die entsprechende Stelle im Speicher 28 beispielsweise wie folgt aktualisiert: Caktualisiert(X, Y, θ) = Czuvor(X, Y, θ) + 1 (5).
Der Fachkundige wird erkennen, dass die Erfindung nicht auf zwei Energiefenster beschränkt ist. So können beispielsweise drei oder mehr Energiefenster verwendet werden, wobei Koinzidenzereignisse auch hier entsprechend der mit jedem der detektierten Gammastrahlen verbundenen Energie gewichtet werden. In ähnlicher Weise können basierend auf der Energie der detektierten Ereignisse mehr als drei Gewichtwerte festgelegt werden.
Die vorliegende Erfindung kann auch benutzt werden, um detektierte Ereignisse basierend auf anderen Parametern als der Energie zu gewichten. Wie oben beschrieben sind einige Szintillatorstreuereignisse durch mehrere Wechselwirkungen innerhalb des Szintillators charakterisiert. Vom Szintillator in Reaktion auf diese Ereignisarten erzeugtes Licht neigt dazu, über einen größeren Bereich als bei einzelnen Wechselwirkungsereignissen gestreut zu werden, was wiederum zu einer größeren Unsicherheit hinsichtlich der Position führt. Eine einzelne Compton-Wechselwirkung gefolgt von einer vollständigen Absorption wird beispielsweise dazu neigen, Licht in einem im Allgemeinen elliptischen Muster zu erzeugen, wobei der Fokus der Ellipse den Stellen der Wechselwirkungen entspricht. Gewöhnlich würde dem Ereignis eine Position zwischen den beiden Fokussen zugeordnet werden.
Dementsprechend kann die Energie- und Positionsbestimmungsschaltung 18a, 18b auch dazu benutzt werden, die räumliche Verteilung des Szintillationslichtimpulses zu bestimmen, indem beispielsweise eine herkömmliche Second-Moment-Berechnung durchgeführt wird. Dem Ereignis wird dann ein Gewicht zugeordnet, die im Allgemeinen invers zur räumlichen Verteilung ist. Dadurch wird ein Ereignis, das ein Licht mit einer im Verhältnis kleineren räumlichen Verteilung erzeugt, schwerer gewichtet als ein Ereignis mit einer größeren räumlichen Verteilung. Auf diese Weise können Ereignisse, bei denen die Position mit größerer Genauigkeit bestimmt werden kann, schwerer gewichtet als Ereignisse, bei denen die Position mit geringerer Genauigkeit bestimmt werden kann.

Die Erfindung wurde in Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Es ist offensichtlich, dass anderen beim Lesen und Verstehen der vorstehenden ausführlichen Beschreibung Abwandlungen und Abänderungen einfallen werden. Die Erfindung ist daher so auszulegen, dass sie alle derartigen Abwandlungen und Abänderungen insofern beinhaltet, als sie im Rahmen der angefügten Ansprüche oder Entsprechungen davon liegen. Text in der Zeichnung Figur 1

COINCIDENCE LOGIC CIRCUITRY	KOINZIDENZLOGIKSCHALTUNG
DETERMINE X, Y, Z	X, Y, Z BESTIMMEN
ENERGY DISCRIMINATION	ENERGIEDISKRIMINIERUNG
REJECT	ZURÜCKWEISEN
LIST MODE PROC.	LISTENMODUSPROZESSOR
REBINNING PROCESSOR	REBINNING-PROZESSOR
WEIGHTING PROCESSOR	GEWICHTUNGSPROZESSOR
OPERATOR INTERFACE	BEDIENERSCHNITTSTELLE
RECONSTRUCTION PROC.	REKONSTRUKTIONSPROZESSOR

Figur 3

COUNTS	ZÄHLWERTE
COMPTON WINDOW	COMPTON-FENSTER
PHOTOPEAK WINDOW	PHOTOPEAK-FENSTER
ENERGY	ENERGIE

Figur 4

COUNTS	ZÄHLWERTE
ENERGY	ENERGIE

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Bildes mit folgenden Schritten: Detektieren von Gammastrahlen, die charakteristisch für ein Positronenannihilationsereignis sind; Bestimmen der Energien der detektierten Gammastrahlen; Zuordnen von einem von mindestens drei verschiedenen Gewichten zu dem Positronenannihilationsereignis auf Basis der festgestellten Energien; Wiederholen der Schritte des Detektierens, Bestimmens und Zuordnens für eine Vielzahl von Positronenannihilationsereignissen; und Erzeugen einer die gewichteten Ereignisse anzeigenden Abbildung, wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst: Einrichten eines ersten Energiefensters, das eine Energie umfasst, die charakteristisch für einen durch eine Positronenannihilation erzeugten Gammastrahl ist; Einrichten eines zweiten Energiefensters, das eine geringere Energie als das erste Energiefenster hat; Bestimmen der Energie der detektierten Gammastrahlen im Verhältnis zu dem ersten und dem zweiten Fenster; und Zuordnen eines ersten Gewichts zu dem Ereignis, falls die festgestellte Energie beider Gammastrahlen innerhalb des ersten Fensters liegt, eines zweiten Gewichts, falls die festgestellte Energie einer der Gammastrahlen innerhalb des ersten Fensters und die festgestellte Energie des anderen Gammastrahls innerhalb des zweiten Fensters liegt, und eines dritten Gewichts, falls die festgestellte Energie beider Gammastrahlen innerhalb des zweiten Fensters liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Gewicht größer als das zweite Gewicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das dritte Gewicht Null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Energiefenster eine Compton-Kante hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das weiterhin folgende Schritte umfasst: Bestimmen der Position der detektierten Gammastrahlen; Erzeugen einer Spei cheradresse basierend auf den detektierten Positionen, wobei die Speicheradressen einen Wert enthalten; und Hinzufügen des zugeordneten Gewichts zu dem in der Speicheradresse enthaltenen Wert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das weiterhin den Schritt des Erzeugens einer Liste detektierter Annihilationsereignisse umfasst.
Gammakamera mit: Mitteln (10a, 10b), um für Positronenannihilationsereignisse charakteristische Gammastrahlen zu detektieren; Mitteln (20a, 20b), um die Energien der detektierten Gammastrahlen für jedes Positronenannihilationsereignis zu bestimmen; Mitteln (26), um jedem Positronenannihilationsereignis auf Basis der festgestellten Energien eines von mindestens drei verschiedenen Gewichten zuzuordnen; Mitteln (32), um eine die Positronenannihilationsereignisse und ihre zugeordneten Gewichte anzeigende Abbildung zu erzeugen, wobei die Gammakamera weiterhin umfasst: Mittel (20a, 20b), um ein erstes Energiefenster einzurichten, wobei das erste Energiefenster eine für eine Positronenannihilation charakteristische Energie enthält; und Mittel (20a, 20b), um ein zweites Energiefenster einzurichten, das eine geringere Energie als das erste Energiefenster hat; Mittel (20a, 20b), um die Energie der detektierten Gammastrahlen im Verhältnis zu dem ersten und dem zweiten Fenster zu bestimmen; und Mittel (26), um dem Ereignis ein Gewicht basierend auf der Energie der detektierten Gammastrahlen im Verhältnis zu dem ersten und dem zweiten Energiefenster zuzuordnen.
Gammakamera nach Anspruch 7, wobei die Mittel (10a, 10b) zum Detektieren mindestens zwei um eine Untersuchungsregion herum angeordnete Szintillationsdetektoren umfasst.
Gammakamera nach Anspruch 8, wobei die Szintillationsdetektoren Natriumiodid enthalten.
Gammakamera nach Anspruch 8, wobei die Mittel (10a, 10b) zum Detektieren weiterhin eine Koinzidenzdetektionsschaltung (14) in elektrischer Kommunikation mit den Detektoren hat, und die Koinzidenzdetektionsschaltung nach dem Detektieren eines Koinzidenzereignisses ein Signal erzeugt.
Gammakamera nach Anspruch 7, wobei das zweite Energiefenster eine energiecharakteristische Compton-Kante hat.
Gammakamera nach Anspruch 11, weiterhin Mittel umfassend, um dem Ereignis ein erstes Gewicht zuzuordnen, falls die Energie beider detektierten Gammastrahlen innerhalb des ersten Fensters liegt, ein zweites Gewicht, falls die Energie von einem der detektierten Gammastrahlen innerhalb des ersten Fensters und die Energie des anderen detektierten Gammastrahls innerhalb des zweiten Fensters liegt, und ein drittes Gewicht, falls die Energie beider detektierten Gammastrahlen innerhalb des zweiten Fensters liegt.