用于识别和定位辐射事件的计算机实现的方法以及用于执行该方法的像素化辐射检测器

1.本发明涉及用于识别和定位辐射事件的计算机实现的方法以及像素化辐射检测器，如用于执行该方法的伽马射线检测器。本发明还涉及包括像素化辐射检测器的医学成像装置。


背景技术：

2.像素化辐射检测器即成像检测器用于核医学成像系统中，例如，用于单光子发射计算机断层(spect)和正电子发射断层(pet)成像系统中以及其他应用中。这些成像装置通常使用伽马射线和x射线成像检测器来获取成像数据，例如伽马射线或光子成像数据。这样的成像检测器通常获取从被成像的对象(例如，患者)发射的放射性核素的分布的投影。闪烁检测器通常代表用于伽马射线或x射线成像的成像检测器。
3.耦合至光敏元件的阵列的闪烁体晶体阵列或闪烁体晶体形成闪烁检测器。当对象被引入成像检测器的成像区域中并且发射光子或带电粒子例如电子、阿尔法粒子、离子或高能光子时，闪烁体响应于由对象发射的入射粒子而闪烁，即，发射闪光。因此，闪烁体被配置成发射光子，这些光子由光敏元件即光电检测器捕获，光电检测器进而由专用读出电子器件读出。
4.图像检测器可以围绕患者旋转以获取多个投影，以创建感兴趣结构或通过对象传输的光子的多维图像。同样地，也可以使用不可旋转的多个检测器来获取多个投影。s。这些系统被配置成提供关于何处和何时发射相应粒子的信息，医学或其他成像装置可以通过引入发射粒子的物质或者通过以其他方式在特定区域处引起粒子的发射而利用这些信息。例如，如果患者被施用(可能响应于代谢反应)发射特定种类的粒子的放射性示踪剂，则可以生成图像作为发射这些粒子的地点的表示。可替选地，伽马射线检测器还可以检测由伽马射线源发射的并且在到达检测器的途中与对象(例如，患者)相互作用的伽马射线。可以基于光电检测器上电荷的强度分布或空间强度分布(也可以被称为电荷分布)来生成表示关于何处捕获闪烁光子的位置和何时捕获闪烁光子的图像数据。换句话说，可以确定闪烁体中的入射粒子的时间和空间位置。
5.在现代pet扫描仪中，空间分辨率是重要的，并且分辨率取决于各种其他因素，例如光电检测器或闪烁体的设计、数据处理、所使用的算法、不同部件的校准、材料特性(尺寸、质量等)、外部条件或其他影响。例如，利用给定检测器设计可实现的空间分辨率在很大程度上取决于检测器元件的尺寸(例如，在使用阵列的情况下，光学传感器阵列或闪烁体阵列的尺寸)。
6.包括在检测器中的闪烁体可以例如包括单个(单片)块，这产生响应于待采样和分析的入射粒子而发射的闪烁光子的连续分布(光分布)。可替选地，闪烁体可以包括小晶体元件的阵列，这导致成像检测器的固有空间分辨率。如果闪烁体在给定区域中包括较高数量的晶体元件，因为这可以增加分辨率，因此可以以较高的精度来确定入射粒子的位置。然
而，这导致必须正确识别较高数量的晶体元件。
7.用于识别与入射粒子相互作用的晶体的一种方法依赖于专用光电检测器元件，该专用光电检测器元件被配置成读出晶体元件的阵列中的各个单独闪烁体晶体元件。另一方法是使用光共享，其中每若干光学传感器读出若干晶体元件。为了识别由入射粒子击中的各个晶体元件，然后可以评估闪烁光如何分布在多个光电检测器元件上。为了改善晶体元件的检测和正确识别，光导即光学透明材料可以用于将闪烁光散布在若干光学传感器阵列像素上。为了识别已经被击中的闪烁体阵列元件，可以分析闪烁光子即闪烁光或闪烁闪光在光学传感器阵列的光敏元件上的分布。
8.此外，可以确定入射粒子的能量。然而，如果使用光共享而不是单独地读出每个闪烁器阵列元件，则通常更难以提取正确的参数(碰撞的时间、能量和位置)。另一方面，光电检测器(光电检测器像素)中的光敏元件的所需数量和数据获取系统的复杂性可以显著减小，这可能致使较低的装置成本。
9.例如，如果单独读出每个闪烁体晶体阵列元件，则将需要光电检测器(光电检测器像素)和电子通道中相同数量的光敏元件。使用光共享方法可以将所需的光电检测器像素和电子通道的数量减少一个数量级。
10.然而，使用光共享可能增加使用光共享晶体的伽马射线检测器中的计算任务和时间，这是因为必须从来自光电检测器中的所有受影响的光敏元件的信号集合中提取入射伽马射线的能量。另外，由于必须首先从数据中重构伽马射线入射，然后才可以执行校准(例如，单独的闪烁体式光谱校准和定时校准)，这表示显著的校准障碍。
11.为了定位，最广泛使用的方法是anger定位，即确定重心或分布的质心。例如，wei等人2011年公开了通过象限共享技术设计的光电倍增管检测器块上的二维定位图的影响因子。或者，wei等人2016年公开了使用基于svd和均值漂移算法的分层峰值跟踪的双层偏移doi-pet检测器中晶体识别。然而，该方法具有例如由一个或更多个光敏元件的死区时间引起的类似缺失信号的缺点。它还可能遭受诸如胶中气泡或检测器元件的制造过程中可能发生的位置偏移的缺陷(例如，闪烁体晶体元件可以胶合在一起形成阵列，另外的光共享装置可以用胶固定至晶体阵列)。
12.可替选方法是针对任何给定入射闪烁事件使用模型参数的半物理建模和优化。例如，在lerche等人2011年的maximum likelihood based positioning and energy correction for pixelated solid-state pet detectors，核科学研讨会和医学成像会议记录的第3027页至第3029页中，作者提出了用于确定入射伽马射线的位置并提取相应参数的替选方法。该方法基于最大似然方法。通过将所得光分布与闪烁体中的不同光转换位置的预定分布进行比较，来确定光共享模式下耦合至光电检测器阵列的闪烁体阵列中的最可能的光转换位置。最可能的位置，即对应于最相似的光分布的位置，被用作对入射伽马射线的闪烁体中的光转换位置的估计。作者表明，可以通过使用最大似然位置估计方法来提高医学图像的分辨率。
13.如ep3033636中提出的另一解决方案是校准方法，其中对于一组同时发射的闪烁光子，确定重心位置和累积能量。然后，执行聚类分析，以获得归因于闪烁体阵列元件的伽马射线事件的簇。通过为簇累积空间强度分布，确定闪烁体阵列中响应于发射的伽马射线的闪烁光子的累积空间强度分布。
14.如ep3033636中所描述的重心定位方法依赖于对低维度数据空间的参数化，特别是2d数据空间或2d数据空间加上一维能量的参数化，这具有降低聚类分离性能的不方便特性，从而对辐射事件的定位精度具有负面影响。
15.因此，本发明的目的是消除或至少减轻上述缺点中的一些缺点。
16.更具体地，本发明的目的是提供用于像素化辐射检测器的计算机实现的方法，其具有改进的聚类分离性能，以用于更准确地定位辐射事件。


技术实现要素：

17.该目的借助于一种用于像素化辐射检测器的辐射事件定位的计算机实现的方法来实现，该像素化辐射检测器包括处于光共享模式的具有布置成(m)
×
(n)阵列的闪烁体阵列元件的至少一个闪烁体阵列和具有布置成(q)
×
(z)阵列的光学传感器的并且耦合至闪烁体阵列的光学传感器阵列，以用于确定闪烁光子的空间强度分布。响应于光转换位置处的入射辐射事件，由闪烁体阵列发射闪烁光子。该计算机实现的方法包括以下步骤：
[0018]-响应于多个入射辐射事件，对由闪烁体阵列发射的闪烁光子的空间强度分布进行采样；
[0019]-基于所采样的闪烁光子的空间强度分布执行至少一个聚类分析，以获得归因于闪烁体阵列元件的辐射事件的簇，其中，所采样的闪烁光子的空间强度分布的维度对应于光学传感器阵列的(q)
×
(z)维度，以及
[0020]-基于至少一个聚类分析确定辐射事件的定位。
[0021]
在实施方式中，基于通过先前执行的聚类分析获得的簇来重复聚类分析。
[0022]
在实施方式中，第一聚类分析和第二聚类分析使用相同的聚类算法或不同的聚类算法。
[0023]
在实施方式中，聚类分析包括使用标准聚类算法。
[0024]
在实施方式中，该聚类分析或每个聚类分析基于无监督机器学习聚类算法。
[0025]
在实施方式中，该聚类分析或每个聚类分析基于基于密度的空间聚类算法。
[0026]
在实施方式中，聚类分析包括以下步骤：
[0027]-限定簇域边缘，
[0028]-对所述簇域边缘进行参数化，
[0029]-将所获得的参数保存在校准数据阵列中，
[0030]-将所述参数应用于由光学传感器阵列(q)
×
(z)感测的所采样的闪烁光子的空间强度分布；以及
[0031]-根据先前的校准，获得分成(m)
×
(n)个域的数据。
[0032]
在实施方式中，光学传感器被布置成从至少一个闪烁体阵列的每个闪烁体元件中读出闪烁数据。
[0033]
在实施方式中，至少一个聚类分析基于光强度样本，以获得归因于闪烁体阵列元件的辐射事件的簇。每个闪烁体阵列元件的矩阵的闪烁光子的空间强度分布基于所述簇。
[0034]
本发明的另一方面涉及一种用于执行如上所述的计算机实现的方法的像素化辐射检测器。像素化辐射检测器包括其中可能发生辐射事件的区域、被布置成检测辐射事件的装置、以及可操作地连接至该装置的计算机。该装置包括一个或更多个检测器模块阵列，
所述一个或更多个检测器模块阵列均包括若干检测器模块和检测器模块阵列读出装置，所述检测器模块阵列读出装置被连接以读取每个检测器模块阵列的输出。检测器模块阵列读出装置包括用于存储和/或处理采集数据的处理单元。
[0035]
在实施方式中，检测器模块中的每一个包括若干闪烁体单元。每个闪烁体单元包括具有维度为(m)
×
(n)的闪烁体阵列、用于检测来自闪烁体阵列的光的光学传感器装置、以及连接至检测器模块读出装置的闪烁体单元输出接口。
[0036]
在实施方式中，闪烁体阵列包括闪烁体元件。光学传感器阵列的至少一个光学传感器与两个或更多个闪烁体元件相关联。光学传感器阵列定义了一个(q)
×
(z)阵列，所述(q)
×
(z)阵列以(q)《(m)或(z)《(n)、或者(q)《(m)和(z)《(n)的方式与闪烁体阵列的大小相关。
[0037]
在实施方式中，采集数据包括关于光子的(q)
×
(z)维强度分布、光学传感器的标识符、以及至少一个时间戳的信息。可以使用(q)
×
(z)时间戳或每个(q)
×
(z)光学传感器的多个时间戳，提供时间和空间上采样的闪烁光子的强度分布。
[0038]
本发明的另一方面涉及一种包括如上所述的像素化辐射检测器的医学成像装置。
[0039]
本发明的另一方面涉及一种用于存储指令的非暂态计算机可读存储介质，所述指令在由处理器执行时执行如上所述的方法。
附图说明
[0040]
借助于通过示例给出并通过附图说明的实施方式的描述，将更好地理解本发明，在附图中：
[0041]
图1示出了用于辐射事件定位的计算机实现的方法的流程图；
[0042]
图2示出了具有反馈回路的图1的方法的流程图；
[0043]
图3a示出了通过初始聚类分析获得的簇的2d重心图示；
[0044]
图3b示出了通过基于由图3a的初始聚类分析获得的簇的后续聚类分析获得的簇的2d重心图示；
[0045]
图4a示出了包括光学传感器阵列和闪烁体阵列的闪烁体单元的透视图；
[0046]
图4b是图4a的侧视图；
[0047]
图4c示出了图4a的顶视图；
[0048]
图4d示出了光学传感器阵列的顶视图；
[0049]
图4e示出了图4d的光学传感器阵列的底视图；
[0050]
图4f示出了闪烁体元件的透视图；
[0051]
图5a示出了检测器模块的侧视图；
[0052]
图5b示出了图5a的检测器模块的检测器模块读出装置的底视图；
[0053]
图5c示出了检测器模块读出装置的顶视图；
[0054]
图6a示出了检测器模块阵列的透视图；
[0055]
图6b示出了没有检测器模块阵列读出装置的检测器模块阵列的底视图；
[0056]
图6c示出了检测器模块阵列读出装置的顶视图；以及
[0057]
图7示出了为医学用途而设置的像素化辐射检测器的透视图。
具体实施方式
[0058]
图7示出了医学扫描设置系统1的实施方式，系统1包括正电子发射断层扫描仪、像素化辐射检测器10、外接成像区域12的一个或更多个检测器环16，包括成像装置14。成像区域12被配置成接收搁置在受试者支承件4上的受试者的头部。已经接受放射性药物注射的受试者开始发射伽马射线。这些伽马光子由具有多个检测器模块阵列18的成像装置14检测，这些检测器模块阵列18周向安装在成像装置14上。每个检测器模块阵列18包括安装在检测器模块阵列读出装置50上的多个检测器模块20，如图5a和图6a至图6c所示。检测器模块阵列读出装置50包括至少一个检测器模块阵列处理单元52。在一个实施方式中，检测器模块读出装置50是具有至少一个集成处理器52的母板。
[0059]
图6a示出了一个检测器模块阵列18的示例。关于图6b，示出了没有检测器模块阵列读出装置的后视图。检测器模块20包括后侧上的连接器48，连接器48连接至检测器模块阵列读出装置50即如图6c所示的母板的连接器54。连接器54还可以提供电流和冷却装置。表示一个或更多个检测器模块处理单元46。在一个实施方式中，检测器模块处理单元46是被配置为存储和数字化输出数据流的asci芯片。每个检测器模块20包括如图5a所示安装在检测器模块20上并经由连接器42通信地耦合至检测器模块读出装置44的多个闪烁体单元22。图6b仅示出了阵列的三个检测器模块20，使得多个闪烁体单元22的后侧可见，示出了连接器42。经由连接器42，光学传感器的输出数据被传输至检测器模块处理单元46以进行进一步处理。
[0060]
这种模块化设计允许在制造期间端部设计具有更大的通用性。例如，基于相同子元件按不同大小组装不同类型的检测器提供了更快且最终更有效的生产集成检测器成像系统的医疗装置。
[0061]
图4a示出了包括闪烁体阵列24的闪烁体单元22的示例，该闪烁体阵列24包括(m)
×
(n)个闪烁体元件26。一般来说，闪烁体是具有吸收离子辐射例如x射线或伽马射线的能力的材料，将一部分所吸收的能量转换为可见光子或紫外线光子。转换过程通常生成对应于与闪烁体材料相互作用的每个辐射事件的短光子脉冲。沉积在闪烁体元件中的光脉冲由如图4d所示的光学传感器阵列28内的光学传感器30感测，并转换为电信号。对于x射线和伽马射线例如pet中使用的511kev伽马射线的检测，使用无机单晶闪烁体26，因为它们通常的较高的密度和原子序数，这致使更好的检测效率。闪烁体元件26可以是例如lyso晶体闪烁体。
[0062]
在其他实施方式中，诸如lso或bgo晶体的无机闪烁体元件可以用于闪烁体单元。
[0063]
闪烁体通常可以是液体或固体、有机或无机、晶体或非晶体。有机液体和塑料闪烁体通常用于检测β粒子和快中子。在另外的实施方式中，可以使用无机材料用于闪烁体。
[0064]
在一个实施方式中，闪烁体元件26被布置成6
×
6阵列，以形成如图4c所示的闪烁体阵列24。闪烁体阵列24具有面向成像区域12(图7)的表面，该表面在本文中称为顶表面。顶表面不限于空间定位。与闪烁体阵列24顶表面相对的表面称为闪烁体阵列的后表面。该后表面面向具有光学传感器30的光学传感器阵列28，如例如图4b所示。
[0065]
光学传感器阵列28的光学传感器30相对于闪烁体阵列24以光共享模式布置。光共享的方法被广泛用于克服光学传感器与闪烁体元件的一对一耦合的限制。
[0066]
在一个实施方式中，一个光学传感器30耦合至四个闪烁体元件26。在这个具有6
×
6即36个闪烁体元件26的实施方式中，在以一比四的光共享模式下，光学传感器阵列28是3
×
3阵列，即九个光学传感器30用于36个闪烁体元件。
[0067]
在其他实施方式中，可以使用具有不同形状例如三角形形状的闪烁体元件，其中，光学传感器可以在光共享模式下覆盖六个闪烁体元件。在其它实施方式中，可以使用较小的闪烁体元件，使得其他耦合比是可行的，并且在本发明的范围内。为了简化和全面地描述本发明，描述了光学传感器30与闪烁体元件之间1比4的耦合比。
[0068]
如图4b和图4e所示，光学传感器阵列28的一侧面向闪烁体元件26，而其另一侧包括闪烁体单元输出接口40，该闪烁体单元输出接口40包括用于光学传感器的读出数据的数据传输的连接器42。连接器42还可以提供电流和冷却装置。
[0069]
光学传感器阵列28是任何合适的光检测器，例如光电倍增管(pm)、微通道板光电倍增管(mcpt)或者在该示例性实施方式中的硅基光电倍增管(sipm)。
[0070]
可选地，处理单元可以附加地安装在闪烁体单元输出接口40上。这个阶段的处理单元将允许对获得的传感器数据进行预处理。例如，在闪烁体元件与一个光学传感器之间具有较高耦合比的实施方式中，可能需要通过光学传感器对获得的感测数据进行预处理。
[0071]
与闪烁体阵列24处于光共享模式的光学传感器阵列28直接或通过布置在光学传感器阵列28与闪烁体阵列24之间的光导32固定在闪烁体晶体阵列28上，如图4b所示。光导32可以是例如空气、玻璃、丙烯酸玻璃、蓝宝石或具有导光特性的合适的胶。
[0072]
在一个实施方式中，一个或更多个闪烁体单元22可释放地安装在检测器模块读出装置44上，如图5a所示。该检测器模块读出装置44具有面向具有连接器42的闪烁体单元输出接口40(图4e)的一侧。检测器模块读出装置44包括连接器48，如图5c所示，连接器48耦合至闪烁体单元22的相应连接器42。连接器48提供来自闪烁体单元22的读出数据的数据传输。连接器48还可以提供电流和冷却装置。
[0073]
在一个实施方式中，四个闪烁体单元22的每个闪烁体单元输出接口40的连接器42插入检测器模块读出装置44的相应连接器48中。
[0074]
在示例性实施方式中，六个检测器模块20安装在母板50上，形成检测器模块阵列18，如图6a至图6c所示。
[0075]
在一个实施方式中，这些检测器模块阵列18中的一个或更多个安装在医学扫描设置系统1的像素化辐射检测器10的成像装置14的检测器环16上，如图7所示。检测器模块阵列读出装置50包括连接器和安装装置以用于将模块阵列18连接至成像装置和外部处理单元例如计算机60。
[0076]
闪烁体单元20的模块化结构可以被视为单一构建块，仅需调整检测器模块阵列读出装置50和闪烁体单元输出接口40，即，如果检测器模块尺寸或检测器模块阵列尺寸应适应不同的检测器架构。
[0077]
在辐射事件期间，沉积在闪烁体元件26中的光脉冲由光学传感器阵列28内的光学传感器30感测并转换为电信号。转换为电信号的多个辐射事件形成通过本发明的方法处理的读出数据。
[0078]
图1示出了计算机实现的方法200的示例性流程图，该计算机实现的方法对读出数据进行处理以根据从光学传感器阵列28内的光学传感器30中获得的电信号样本来获得特定闪烁体元件中的辐射事件的定位。
[0079]
由光学传感器阵列内的光学传感器30捕获的对应于相应闪烁体阵列24内的单个闪烁体元件26中的辐射事件的数据经由连接器42传输至相应的检测器模块处理单元46。
[0080]
检测器模块处理单元46从获得的数据80中对由闪烁体阵列发射的闪烁光子的空间强度分布进行采样72。在一个实施方式中，采样对应于记录选定位置的一部分光子强度分布，该选定的位置被设计为使光检测效率最大化或者设计为使光共享分离功率(即，数据簇的距离)最大化、或者设计为使系统飞行时间(tof)能力最大化、或者设计为遵循某些对称性以简化后期处理，或者选择好位置的其他方法。在每个检测器模块处理单元46上采样和记录数据允许避免数据堆积在集中数据处理单元上。感测模拟数据的数字化过程可以有利地在检测器模块级处进行数字化。
[0081]
在一个实施方式中，校准步骤包括对采样数据执行聚类分析76，以获得第一组簇。这些获得的簇的示例在图3a中所示。
[0082]
采样数据的维度为(q)
×
(z)——光学传感器阵列的维度。分析包括通过监督、半监督或无监督机器学习识别簇。该第一聚类分析提供了辐射事件的定位信息，以区分感测辐射事件的光学传感器。这些簇还表示光学阵列28的维度。在示例性实施方式中，使用3
×
3光学阵列，即9个簇。
[0083]
与“边缘化”2d/(2 1)d或其他参数化数据空间相比，使用高(q)
×
(z)维度数据空间的优势在于在更高维度中保留“更多体积”。这是高维空间的数学性质。数据点之间的更多体积易于这些数据点的分离。
[0084]
此外，根据所采用的监督、半监督或无监督机器学习算法，通过质心、决策树或其他方法限定“簇域边缘”。域边缘表示的格式在很大程度上取决于用于确定簇的方法。域边缘被参数化，并且这些参数保存在数据阵列中，即校准数据阵列84中。
[0085]
在一个实施方式中，对通过第一校准步骤的聚类分析76获得的先前聚类数据执行第二聚类分析78，以获得对辐射事件的进一步区分。聚类分析78包括在步骤76的分析中获得的簇中识别其他簇。图3b示出了聚类分析中的簇，提供了对每个闪烁体晶体26的级别上的辐射事件的区分。然后在第二步骤中，将包含参数化域边缘的校准数据阵列84直接应用于快速(q)
×
(z)维数据86。根据先前的校准，这使数据94分为(m)
×
(n)个域。因此，获得的簇数据86的维度为总共(m)
×
(n)，或者在示例实施方式中为36，其对应于闪烁体阵列28的维度。
[0086]
在一个实施方式中，对一个或更多个外部数据处理单元如外部计算机、服务器或云执行步骤76的聚类分析。所获得的校准数据阵列84可以存储在检测器模块阵列处理单元52上。因此，也可以对检测器模块处理单元52内的检测器模块级别执行聚类分析步骤78。
[0087]
图2示出了其中对获得的数据执行n次聚类分析的可替选实施方式。这些附加步骤可以提高聚类分离的精度，并且因此实现在与辐射事件相关联的数据定位方面较高的精度。可以使用相同或不同类型的聚类算法。
[0088]
在步骤76中的聚类分析和或在步骤78中的聚类分析可以基于机器学习算法。虽然许多算法可能适用于辐射事件定位的计算机实现的方法，但基于密度和或分层聚类方法已证明更稳健，同时提供更好的结果。
[0089]
在一个实施方式中，聚类分析76和可选的第二聚类分析78是基于具有噪声的应用的基于密度的空间聚类(dbscan)算法。
[0090]
附图标记列表
[0091]
医学扫描设置系统1
[0092]
受试者支承件4
[0093]
像素化辐射检测器10
[0094]
成像区域12
[0095]
成像装置14
[0096]
检测器环16
[0097]
检测器模块阵列18
[0098]
检测器模块20
[0099]
闪烁体单元22
[0100]
闪烁体阵列24
[0101]
闪烁体元件26
[0102]
晶体
[0103]
光学传感器阵列28
[0104]
光学传感器30
[0105]
光导32
[0106]
玻璃
[0107]
气隙
[0108]
胶
[0109]
闪烁体单元输出接口40
[0110]
连接器42
[0111]
检测器模块读出装置44
[0112]
检测器模块处理单元46
[0113]
连接器48
[0114]
检测器模块阵列读出装置50
[0115]
检测器模块阵列处理单元52
[0116]
连接器54
[0117]
计算机60