[0001] 本
申请涉及核成像系统。它特别应用于与
正电子发射
断层摄影（PET）探测器相结合，更特别地应用于具有固态
传感器的
像素化
闪烁体。
[0002] 在正电子发射断层摄影（PET）中，
放射性药物的放射性衰变事件产生正电子。每个正电子与电子相互作用产生正电子-电子湮灭事件，其发射两个方向相反的伽
马射线。利用并发探测
电路，围绕成像患者的
辐射探测器环形阵列探测对应于正电子-电子湮灭的并发的方向相反的伽马射线事件。连接两个并发探测的响应线（LOR）包含正电子-电子湮灭事件的
位置。此类响应线与投影数据相似并且可以被重建以产生二维或三维图像。在飞行时间PET（TOF-PET）中，两个并发γ射线事件的探测之间的较小时间差被用于沿着LOR（响应线）
定位湮灭事件。
[0003] 现代PET成像系统包括闪烁体层和
光电倍增管（PMT）阵列以及设置于其间的光耦合层。伽马射线事件与闪烁层相互作用，进而产生闪光闪烁，其产生多个
光子。来自闪烁晶体的光子被PMT探测，PMT输出与入射伽马射线的
能量成比例的
信号。Anger逻辑被用于分析
输出信号以确定闪烁层上每个闪烁的位置。通常，每个闪烁事件由多于一个PMT探测。基于闪烁光子的相对幅度，每个闪烁事件的坐标被确定。
[0004] 为了改善PET成像系统的
分辨率，已经引入像素化闪烁体，其包括光学隔离闪烁体晶体的阵列。探测器环的直径为大约90cm并且宽度为15-25cm。不同于几个到一些大
块闪烁体彼此粘附以形成探测器环的内层，像素化闪烁体是由上千个紧压的闪烁体晶体制成2 2
的，其测量尺度为大约2x2mm至4x4mm 。每个闪烁体晶体彼此通过薄反射片光学隔离以便减少相邻像素之间的串扰。Anger逻辑仍然被用于像素化闪烁体以确定闪烁事件的坐标。
然而，由于Anger逻辑依赖于由多个探测器探测的单个闪烁事件以定位辐射事件，因此几何失真被引向边缘，其被称为边缘压缩，因为边缘处可用的探测器数量是有限的。通常，在探测器环的中心处的探测比朝向边缘的探测精确得多。
[0005] 为了精确的图像重建，需要为每个晶体测量诸如能量分辨率、
时间分辨率、光收集等属性，因为除了探测器之间的变化外个体晶体可能具有变化的特性。这些变化导致所计算的辐射事件与闪烁事件发生的精确位置之间的不规则性。所测量的属性被用于校准系统以确保最佳的空间分辨率和灵敏度。
[0006] 当前的校准技术涉及用湮灭激流（flood）源照射探测器阵列以生成激流图像。该激流图像是所探测事件的二维分布，其中每个峰对应于像素化闪烁体中的单个晶体。对于非像素化系统或块探测器系统，针孔掩模被用于
覆盖闪烁体块以生成所探测事件的2D分布。根据激流图像生成校准图以将所计算的辐射事件的位置映射到相应闪烁体晶体的实际位置。该校准图被用于去除所采集图像数据中的任何几何失真。生成校准图极度依赖于人工介入，其可能占用熟练工人高达八个小时的时间来完成。存在对减少核成像系统的校准时间的自动方法和相应系统的需求。
[0007] 本申请提供一种新型和改进的晶体识别系统和方法，其克服上述及其他问题。
[0008] 根据一个方面，提出一种用于核成像系统中的自动晶体识别的方法。生成包括多个峰的激流图像，每个峰响应于所接收的辐射，并且每个峰对应于相应的闪烁体晶体。将该激流图像划分成多个区域，每个区域被遮掩以对应于核探测器阵列中的一个探测器。将至少一个高斯模型拟合到每个峰，并且生成模型图像，其中经拟合的高斯模型代表所识别的峰。确定在该模型图像中错误识别的峰，在该错误识别的峰处该激流图像中的所述峰的位置不同于相应的闪烁体晶体，并且基于该模型图像中所有峰的全局知识和邻近峰的局部知识校正该激流图像中错误识别的峰的位置。
[0009] 根据另一个方面，提出一种晶体识别系统。该晶体识别系统包括图像
存储器，该图像存储器接收包括多个峰的激流图像，每个峰响应于由相应闪烁体晶体探测的辐射。晶体识别处理器被配置为将激流图像划分成多个区域，每个区域被遮掩以对应于核探测器阵列中的一个探测器。然后，将至少一个高斯模型拟合到每个峰。生成模型图像，其中所拟合的高斯模型代表所识别的峰。确定在模型图像中错误识别的峰，在该错误识别的峰处激流图像中的所述峰的位置不同于相应的闪烁体晶体，并且基于模型图像中所有峰的全局知识和邻近峰的局部知识校正激流图像中错误识别的峰的位置。
[0010] 晶体识别处理器还可以被配置为执行根据闪烁体晶体的实际位置校正激流图像中的峰的位置的步骤。此外，晶体识别处理器还可以被配置为执行通过使每个划分的区域匹配到模板来为所划分的区域确定一组
变形参数的步骤。晶体识别处理器还可以被配置为执行基于相应的经校正的位置以及模型图像中相邻高斯模型之间的局部最小等距确定每个闪烁体晶体的边界的步骤。
[0011] 此外，确定模型图像中的错误识别的峰的步骤可以包括：识别模型图像中出现在两个相邻核探测器之间的界面上或附近的分裂点，当两个或更多个核探测器探测到相同的辐射事件并由此导致两个或更多个峰彼此非常靠近地出现时所述分裂点出现，并且所述分裂点对应于相同的闪烁晶体；以及更新非分裂中心与相同闪烁晶体的分裂点的最近中心之间的局部最小等距的位置。
[0012] 此外，确定错误识别的峰的步骤可以包括：计算每个经划分的区域中相邻高斯表面模型的位置之间的距离；将该距离与所有相邻峰之间的全局平均距离和/或邻近高斯表面模型的局部平均距离进行比较；以及如果相邻之间的至少一个距离不满足全局平均标准和/或局部平均标准，则将高斯表面模型标记为被错误识别。
[0013] 在一个
实施例中，针对每个经划分的区域确定一组变形参数的步骤可以包括：生成模板的
数据库；沿着两个维度
迭代地卷曲每个区域以确定平移因子、缩放因子和旋转因子，直到经卷曲的区域根据最小二乘优化匹配模板数据库中的至少一个模板；其中平移因子、缩放因子、旋转因子和所匹配的模板一起定义该组变形参数。
[0014] 针对每个闪烁体晶体确定边界的步骤可以包括：将经校正的位置和模型图像中的相应高斯模型从
图像空间映射到模板，例如变形不变的矩形空间；基于模板中所映射的高斯模型确定每个闪烁体的边界；以及将模板和所确定的边界映射回到图像空间。
[0015] 根据另一个方面，提出一种核成像系统。该核成像系统包括
辐射探测器阵列，该辐射探测器阵列围绕检查区域取向以接收来自注入对象中的
放射性药物的辐射。并发探测器探测多对探测辐射事件并确定对应于并发对的投影数据。校准处理器利用晶体识别系统校正所采集的投影数据中的几何失真，并且重建处理器将经校正的投影数据重建成图像表示。
[0016] 一个优点在于减少了校准时间和成本。
[0017] 另一个优点在于减少了核成像数据中的几何失真。
[0018] 另一个优点是该方法需要较少或不需要人工介入。
[0019] 本领域普通技术人员在阅读和理解以下详细描述后将认识到本
发明的更多优点。
[0020] 本发明可以表现为各种部件和部件的布置以及各种步骤和步骤的安排。
附图仅用于图示说明优选实施例，而不应解读为限制本发明。
[0021] 图1示意性图示了具有晶体识别系统的核成像系统；
[0022] 图2图示了激流图像；
[0023] 图3是用于在核成像系统中识别晶体位置和边界的方法的
流程图；
[0024] 图4是模型图像，其中根据激流图像校正了晶体位置；
[0025] 图5图示了模型图像中连接的峰、分裂的峰和PMT边界的示例；
[0026] 图6是模型图像的矩形空间变形；
[0027] 图7是具有经识别的晶体边界的校准图；以及
[0028] 图8是用于确定晶体边界的方法的流程图。
[0029] 参照图1，核成像系统例如SPECT扫描器、PET扫描器或其他辐射断层摄影扫描器8包括取向为接收来自成像区域12的辐射的多个辐射探测器10。在图1中，辐射探测器模块10被沿着轴向布置在几个相邻环中；然而，也可以使用辐射探测器模块的其他布置。此外，应认识到布置在阵列11中的多个辐射探测器模块10是示意性示出的；通常辐射探测器阵列11被容纳在断层摄影扫描器8的
外壳14内并且因此是不能从外部看到的。每个辐射探测器模块10包括像素化闪烁体层和诸如光电倍增管（PMT）等的辐射探测器以及设置在其间的光耦合层。断层摄影扫描器8包括用于将对象或人类患者定位在成像区域12中的对象
支撑件16。任选地，支撑件16能够在大致与辐射探测器模块10的环垂直的轴向上线性运动，以便于在延伸的轴向距离上采集三维成像数据。
[0030] 在成像过程中，支撑件16上的患者被注射放射性药物。由辐射探测器模块10探测辐射事件。通过时间戳电路18使时间戳与每个感测的闪烁事件相关联。在PET扫描器中，并发探测器20确定并发对以及由每个并发对定义的LOR。重建处理器22将LOR重建成图像表示，该图像表示被存储在图像存储器24中。在TOF-PET系统中，重建处理器也从时间戳电路18导出每个LOR的飞行时间信息。图形
用户界面或显示装置26包括用户输入装置，临床医师可以使用该用户输入装置选择扫描序列和协议、显示图像数据等。
[0031] 由于各个闪烁体晶体之间以及各个PMT之间的不一致性，例如
制造过程中引入的不准确性，每个PET成像系统被校准以解决可能由这些不一致性引发的几何失真。结果确保每个计算的辐射事件与实际发生闪烁的闪烁体晶体位置相关联。此外，由于重建处理器22所用的重建
算法例如Anger逻辑等的本性，辐射探测器环的边缘处探测到的辐射事件的分布被高度压缩，并且从一个探测器模块10到另一个探测器模块变化很大。PMT倾向于将闪烁事件的表观位置拉向PMT的中心。一旦相机已经被校准，来自PMT的输出信号将随着时间和使用而逐渐改变或漂移。最终该漂移将使输出失真，以至于系统应该再次被重新校准。初始校准和有规律的重新校准对于消费者来说可能是耗时的和高成本的。自动晶体识别系统能够将熟练技术人员执行校准程序的时间从8-10小时减少到小于1小时，从而在劳动
力和扫描器停机时间方面提供显著的成本节约。
[0032] 为了校准PET扫描器8，点源或线源被放置在成像区域中，使得辐射探测器模块10被辐射事件均匀冲激。当激流数据被重建时，结果是如图2所示的激流图像30，其为所探测辐射事件的
水平位置和竖直位置（即行和列）的二维分布。激流图像30中的每个闪烁峰32对应于像素化闪烁体中的各个闪烁体晶体。所生成的激流图像被存储在图像存储器24中，其可被晶体识别系统40
访问以便进一步分析。对于具有连续或块而非像素化的闪烁体的扫描器，具有矩形孔径阵列的铅板被放置在每个探测器模块上方。如在图2中可见，闪烁体晶体（或模板孔径）的正方形网格在激流图像中变得失真。
[0033] 参照图1，晶体（或模板孔径）识别系统40包括识别处理器42或计算机例程，其处理激流图像（图2，30）以识别并确定对应于每个单独闪烁体晶体的图像位置。校准处理器43或计算机例程基于所确定的闪烁体晶体的图像位置校正所采集的投影数据中的几何失真。识别处理器42确定每个峰（图2，32）的初始位置即行和列，利用模板匹配技术（图3，
44）、高斯表面拟合技术（图3，46）和逐点校正技术（图3，48）将该初始位置校正到实际闪烁体晶体或模板孔径位置。根据每个闪烁体峰（图2，32）的校正位置，生成边界图（图3，50），边界图识别每个闪烁体晶体的边界并被校准处理器43用于去除几何失真。
[0034] 如前所述，每个PET成像模块包括大约10-30个PMT，其被光学耦合到成百上千个闪烁体晶体。由于每个PMT表现出变化的成像
质量，因此识别对应于每个单独PMT的闪烁峰。识别处理器42利用模板匹配将激流图像30划分或分割成对应于每个单独PMT的区域（在图2中为六边形）。利用与先前校准参数、已知PMT和闪烁体特性等有关的先验知识离线生成数据库52或模板和掩模库。每个区域用相应的掩模遮掩并且然后根据优化技术例如最小二乘最小化等与模板数据库的模板进行比较。在图示说明的实施例中，激流图像30的突显
角落与掩模54相乘并且得到的遮掩区域被显示为56，在其上执行优化。在最小二乘实现方式中，识别处理器42执行如方程1和2所示的一对优化：
[0035] mini,θ={minx{(f-g)2}} 方程1
[0036] 其中
[0037] x={x0,y0,lx1,lx2,ly1,ly2} 方程2
[0038] f是遮掩区域，g是模板，x是变形参数空间，i是模板指数，而θ是一组旋转。第一（嵌套的）优化是遮掩区域f与编索引的模板g之间的最小二乘最小化。区域f根据平移参数x0,y0平移或转移并且以缩放因子lx1,lx2,ly1,ly2分别沿着正向和负向x轴和y轴伸展或卷曲。第二优化是离散优化，其根据旋转因子θ旋转模板。识别处理器42贯穿整个模板库52进行迭代并且基于该优化选择最佳匹配。可替代地，为了节省计算时间，识别处理器42可以选择落在可接受范围内的第一模板。目标是确定被用于校正初始峰位置的变形参数x以及旋转θ。应该认识到其他优化和/或匹配技术也是可预期的。
[0039] 利用高斯表面拟合技术进一步细化峰位置。所选遮掩区域56中的每个闪烁峰用高斯表面模型拟合。高斯峰模型的数据库58是离线生成的并且可被识别处理器42所用。识别处理器42将至少一个高斯模型拟合到来自模板匹配步骤44的校正位置处的每个闪烁体峰32。该拟合是通过使用诸如最小二乘最小化等优化技术来实现的。所拟合的高斯模型一起形成遮掩区域56的表面图像表示60。确定每个拟合的高斯模型的局部最大值或峰并且替换来自先前模板匹配步骤44的当前校正位置。如图4所示，高斯峰寻找步骤的结果是模型图像62，其为各个表面图像60的复合物。在峰被高度压缩即彼此非常靠近的区域中，峰的初始定位可能错误地将重叠的两个或更多个峰识别为单个连接的峰64。高斯峰寻找步骤46使得能够通过比较每个峰分布与高斯表面模型来识别这些连接的峰。
[0040] 参考图3和图5，对每个校正峰位置，即在先前高斯峰寻找步骤46中确定的那些峰位置，执行逐点校正步骤48，以确定哪些峰被错误分配给错误的闪烁体晶体。由于模板匹配步骤44没有考虑单个闪烁体晶体错误分配，因此逐点校正48扫描所有峰位置以确定对应于不同于预期的闪烁体晶体的错误识别的峰。识别处理器42使用经校正峰的坐标位置来测量相邻峰之间的距离。如果所选峰70的测量距离没有落在全局或预选的距离范围内，即距离边界行或列中的峰既不太近也不太远，则处理器42对周围峰的局部邻域72进行
采样并且确定该邻域中相邻峰之间的平均距离。如果接受检查的测量距离仍然没有落在基于邻近峰的平均距离的可接受范围内，则识别处理器42根据邻域样本的平均距离确定期望位置74。在一个实施例中，识别处理器42除了使用邻域平均距离外还使用先验知识，例如来自先前存储的校准参数的平均峰距离。用所确定的期望位置74更新经校正的峰位置。在另一个实施例中，在逐点校正步骤48之后，重复80高斯表面拟合步骤并且比较82结果，最佳结果被用于更新后续边界生成步骤48中将使用的经校正的峰位置。
[0041] 与连接峰64的问题相反，当识别处理器42将单个峰错误地识别为对应于分离的闪烁体晶体的两个不同峰时，可能出现分裂峰90。在模型图像62和激流图像30中可见的暗带形成六边形图案，其中每个六边形代表单个探测器模块10的成像区域。界面92形成在相邻PMT之间，其被
可视化为暗带。当两个PMT共享单个闪烁体晶体时出现分裂峰90。当在界面处探测到辐射事件时，其被两个PMT 10探测到并且因此生成两个峰，该两个峰代表相同的辐射事件。逐点校正步骤48基于以下两个标准中的至少一个识别每个分裂峰90：
分裂峰90相对于界面92的位置和/或已经在步骤46中拟合到分裂峰90的两个或更多个高斯模型的方向。映射PMT界面92的位置的界面模板被用于标记位于界面92上或附近的峰。如果标记的峰是分裂峰90，则中心点即峰之间的中间点被用于识别相应闪烁体晶体的位置。
[0042] 到此为止，所有闪烁体晶体位置都已经被识别处理器42确定并校正。经校正的晶体位置近似于晶体的质心而非边界。由峰代表的闪烁体晶体中心的位置自身不能在不切入相邻晶体的情况下提供足够的
自由度来围绕每个晶体准确地作出边界线，特别是在经历压缩的边缘晶体处。为了解决这一问题，模型图像62被映射到矩形空间90中，在此模型图像被变形到如图6所示的等间隔直角
坐标系。该矩形空间是变形不变的，因此晶体形状近似相同。在矩形空间中确定边界并且然后利用变换例如图7所示的非线性卷曲等将该边界映射回到模型图像空间，从而生成校准图92。该校准图92被用于在成像过程中校正投影数据中的几何失真，或者它可以被用作未来校准程序的先验知识。
[0043] 根据图8，用于晶体识别的方法确定对应于每个单独闪烁体晶体的闪烁事件的图像位置。该方法开始于从点源或线源生成激流图像30（S100），其包括所探测的辐射事件的二维分布。利用模板匹配技术将所生成的激流图像30划分（S102）成多个区域。每个区域对应于围绕检查区域12布置的多个核探测器之一。为了进一步细化来自先前步骤的峰位置，所选择的遮掩区域56中的每个峰用高斯表面模型进行拟合（S104）。确定每个经拟合的峰的局部最大值并且该局部最大值用于替换，即表示，来自先前步骤的峰位置，然后其被用于生成模型图像62（S106）。对模型图像62执行逐点校正以确定错误识别的峰（S108），即不正确地分配给闪烁体晶体的峰，并根据所有峰的全局知识和/或邻近峰的局部知识之一校正错误识别的峰（S110）。根据经校正的模型图像确定（S112）每个闪烁体晶体的边界。根据模型图像将边界设置在相邻高斯模型之间的等距处。根据边界图像可以校准核成像系统。
[0044] 已经参考优选实施例描述了本发明。本领域技术人员在阅读和理解前面详细的描述之后将容易想到各种修改和变化。希望本申请被解读为包括所有这些修改和变化，只要它们落在所附
权利要求及其等价物的范围内。
