针对正电子发射断层摄影（PET）的子像素时间斜移校正的制作方法

针对正电子发射断层摄影(pet)的子像素时间斜移校正
技术领域
1.本发明涉及用于伽马射线探测器的校准方法、用于伽马射线探测器的对应校准模块、伽马射线探测器以及医学成像设备。


背景技术：

2.正电子发射断层摄影(pet)是一种常用的医学成像技术。所述技术基于对在(例如通过将放射性示踪剂物质注射到外周静脉中)将放射性示踪剂物质施予患者之后发射的伽马射线光子的探测。放射性示踪剂物质的放射性同位素的原子核发射正电子(带正电的电子)，该正电子与患者的组织中的电子发生碰撞。这个过程以两个发射的伽马射线光子的形式将质量转化成能量。这两个伽马射线光子是朝向相反方向的并且被包围成像对象(患者)的辐射探测器探测为基本上同时的辐射探测事件，这两个辐射探测事件定义在它们之间的响应线(lor)。
3.常规的pet的缺点在于，无法确定湮灭事件的确切位置，这会降低所构建的患者图像的分辨率。在飞行时间(tof)pet中，两个基本上同时的探测事件之间的小的时间差(或没有时间差)用于进一步定位沿着lor的正电子。在所述背景中，tof的概念仅仅意味着：对于每个电子-正电子湮灭事件，留意探测到重合光子中的每个重合光子的精确时间以计算时间差。由于较近的光子将首先到达其探测器，因此到达时间的差异有助于更精确地确定沿着lor的湮灭事件的位置。为了提供非常精确的定位操作，应当利用亚纳秒级时间分辨率来探测伽马射线。然而，跨通常用于pet应用的探测器阵列的固有时间延迟的空间变化(也被称为“斜移(skew)”)如果未被校正就会产生实质性误差。
4.常规的伽马射线探测器通常包括闪烁探测器或闪烁体(例如，闪烁体晶体或闪烁体的阵列)，所述闪烁探测器或闪烁体被耦合到光电探测器(例如，光敏元件的阵列)。闪烁体响应于传入的粒子(例如，高能量伽马光子或正电子等)而闪烁出(即，发射)闪光。所发射的光子被光电探测器捕获，继而被专用的读出电子器件基于闪烁光子被捕获的时间和位置来读出。可以确定入射的伽马光子在闪烁体中的时间和空间位置。在所述背景中，斜移是针对这些探测器的个体指纹，其取决于闪烁体晶体的固有属性及其制造过程，但是还取决于外部因素，例如，供电电压和温度变化。另外，对所述斜移的主要贡献来源于被连接到光敏元件的阵列的电子通道。波阻抗和线缆长度引起时间延迟，并且如果没有额外的具有相应的个体时间延迟的缓冲器，就无法实现沿着各条通道的时钟分布。
5.即使tof pet能够减少采集时间并通过计算两个重合光子的时间差来提高对pet采集的有效灵敏度，对于重合计时分辨率为200ps(fwhm)的系统，20ps至40ps的未经校正的时间斜移能够劣化系统性能。
6.因此，需要对tof pet应用进行时间斜移校正，以便提供具有提高的时间分辨率的更准确的医学成像设备(例如，pet/ct或pet/mr)。
7.us 2016/0187497 a1公开了一种校准方法，这种校准方法基于以下操作：根据记录的由闪烁体阵列发射的闪烁光子的空间强度分布来确定重合发射的闪烁光子的集合，针
对重合发射的闪烁光子的集合确定重心位置和累积能量，并且基于所确定的重心位置和累积能量来执行聚类分析。当使用这种方法进行成像时，实现了提高的分辨率。


技术实现要素：

8.本发明的目的是为伽马射线探测器提供替代的校准方法和校准模块来提供对伽马射线探测器的快速准确的校准。本发明的另外的目的是提供伽马射线探测器、医学成像设备和计算机程序。
9.在本发明的第一方面，提出了一种用于伽马射线探测器的校准方法，所述伽马射线探测器包括：像素化闪烁体阵列，其具有多个闪烁体像素，所述像素化闪烁体阵列用于响应于入射的伽马射线而在光子转换位置处发射闪烁光子，以及
10.像素化光电探测器阵列，即，像素化pd阵列，其具有被耦合到所述像素化闪烁体阵列的多个pd像素，所述像素化pd阵列用于确定所述闪烁光子的空间强度分布，
11.其中，所述pd像素被细分成多个pd子像素，
12.所述校准方法包括以下步骤：
13.启用第一pd子像素，所述第一pd子像素被耦合到所述像素化闪烁体阵列的第一闪烁体像素，
14.启用第二pd像素，所述第二pd像素被耦合到所述像素化闪烁体阵列的第二闪烁体像素，其中，所启用的第二pd像素被定位为邻近所启用的第一pd子像素所属于的pd像素，
15.由所启用的第一pd子像素记录在被定位在所述第一闪烁体像素中的光子转换位置处发射的闪烁光子，以获得在第一时间点处的第一pd子像素探测信号，
16.由所启用的第二pd像素记录得自所述第一闪烁体像素中的光子转换并行进到所述第二闪烁体像素中的共享闪烁光子，以获得在第二时间点处的第二pd像素探测信号，
17.估计所述第一时间点与所述第二时间点之间的第一时间斜移，并且
18.校正所述第一时间斜移。
19.在本发明的另外的方面，提出了一种用于伽马射线探测器的校准模块，所述伽马射线探测器包括：
20.像素化闪烁体阵列，其具有多个闪烁体像素，所述像素化闪烁体阵列被配置为响应于入射的伽马射线而在光子转换位置处发射闪烁光子，
21.像素化pd阵列，其具有被耦合到所述像素化闪烁体阵列的多个pd像素，并且所述像素化pd阵列被配置为确定所述闪烁光子的空间强度分布，
22.其中，所述pd像素被细分成多个pd子像素，
23.所述校准模块包括：
24.记录器，其被配置为：
25.由启用的第一pd子像素记录在所述像素化闪烁体阵列的第一闪烁体像素中的光子转换位置处发射的闪烁光子，以获得在第一时间点处的第一pd子像素探测信号，所启用的第一pd子像素被耦合到所述第一闪烁体像素，并且
26.由启用的第二pd像素记录得自所述第一闪烁体像素中的光子转换并行进到所述像素化闪烁体阵列的第二闪烁体像素中的共享闪烁光子，以获得在第二时间点处的第二pd像素探测信号，所启用的第二pd像素被耦合到所述第二闪烁体像素并且被定位为邻近所启
用的第一pd子像素所属于的pd像素，以及
27.处理模块，其被配置为：
28.估计所述第一时间点与所述第二时间点之间的第一时间斜移，并且
29.校正所述第一时间斜移。
30.在本发明的另一方面，提出了一种伽马射线探测器，所述伽马射线探测器包括：像素化闪烁体阵列，其具有多个闪烁体像素，所述像素化闪烁体阵列被配置为响应于入射的伽马射线而在光子转换位置处发射闪烁光子；像素化pd阵列，其具有被耦合到所述像素化闪烁体阵列的多个pd像素，并且所述像素化pd阵列被配置为确定所述闪烁光子的空间强度分布，其中，所述pd像素被细分成多个pd子像素；以及根据本发明的上述方面的校准模块。
31.在本发明的又一方面，提出了一种医学成像设备，所述医学成像设备包括本文所公开的伽马射线探测器。在本发明的又另外的方面，提供了一种包括程序代码模块的计算机程序，当所述计算机程序在根据上述方面的校准模块的处理器上，在根据上述方面的伽马射线探测器的处理器上或在根据上述方面的医学成像设备的处理器上被执行时，所述程序代码模块用于使所述校准模块、所述伽马射线探测器或所述医学成像设备执行根据本文所描述的校准方法的步骤。在本发明的又一方面，提出了一种非瞬态计算机可读记录介质，在所述非瞬态计算机可读记录介质中存储了计算机程序产品，所述计算机程序产品在由处理器运行时使得本文所公开的校准方法得到执行。
32.在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的校准模块、伽马射线探测器、医学成像设备、计算机程序和介质具有与所要求保护的校准方法和在从属权利要求中定义的实施例相似和/或相同的优选实施例。
33.本发明基于以下构思：使用邻近的闪烁体像素(即，像素化闪烁体阵列的闪烁体元件)之间的光共享的概念以通过利用它们的光学光共享属性来估计它们之间的重合计时和斜移(即，时间斜移)。
34.出于所述目的，伽马射线在某个位置(即，光子转换位置)处撞击闪烁像素的阵列，并且引起在闪烁体中发射光闪烁(即，闪烁光子)。pd阵列(其包括光敏元件)被耦合到闪烁体阵列，使得在闪烁体阵列的一个元件(即，一个闪烁体像素)中发射的闪烁光子被分布在像素化pd阵列的多个pd像素上，即，光在邻近的闪烁体像素和邻近的pd像素之间得到共享。优选地，每个pd像素被细分成多个pd子像素。像素化pd阵列允许记录所发射的闪烁光子的空间强度分布。伽马吸收在被定位在像素化闪烁体阵列的第一闪烁体像素中的光子转换位置处。这个第一闪烁体像素被耦合到像素化pd阵列的启用的第一pd子像素。由于光共享，在邻近的第二pd像素中生成并读出重合事件，该重合事件被耦合到像素化闪烁体阵列的第二闪烁体像素。
35.由所启用的第一pd子像素记录在被定位在第一闪烁体像素中的光子转换位置处发射的闪烁光子的操作允许获得在第一时间点处的第一pd子像素探测信号。由启用的第二pd像素记录得自第一闪烁体像素中的光子转换并行进到第二闪烁体像素中的共享闪烁光子的操作允许获得在第二时间点处的第二pd像素探测信号，所启用的第二pd像素被耦合到第二闪烁体像素。因此，在通常为两个略有不同的时间点处获得两个不同的探测信号(第一pd子像素探测信号和第二pd像素探测信号)并将它们用于时间斜移估计。因此，本发明提出了基于邻近的闪烁体晶体之间的局部光共享的校准例程。
36.在所述背景中，“启用”意指(如下面所解释的那样通过相应的触发器)开启相应的pd像素或pd子像素。由于每个pd像素优选被细分成多个pd像素，因此，如果启用该pd像素的所有pd子像素，则将(完全)启用pd像素。因此，本发明基于估计启用的第一pd子像素处的探测事件与完全启用的第二pd像素处的探测事件之间的时间斜移，所述完全启用的第二pd像素被定位为邻近第一pd子像素所属于的(第一)pd像素。换句话说，完全启用的pd像素充当针对pd子像素的“参考pd像素”。由于术语“时间斜移”指两条通道(pd子像素通道与参考pd像素通道)之间的时间差，因此它也可以被称为“时间偏移”。然而，术语“时间偏移”通常指任何固定的参考。在当前背景中，相应的pd像素充当针对相应的pd子像素的参考，但是其本身并不是固定的参考。因此，通道之间的时间差被称为“时间斜移”，而不是“时间偏移”。
37.优选地，校正所述第一时间斜移的步骤包括延迟所述第一pd子像素探测信号和/或所述第二pd像素探测信号以减小所述时间斜移。这意味着，第一pd子像素探测信号优选相对于第二pd像素探测信号进行延迟，或者反之亦然。在所述背景中，时间斜移通常在几十皮秒的范围内。因此，要求精确的电子延迟单元。此类延迟单元能够通过额外的缓冲器(实际上与rc部件相结合)和额外的轨道(如硅设计中的金属迹线，其也创建rc部件)来实现。
38.根据另一实施例，所述像素化pd阵列被连接到可调谐pd子像素延迟单元和可调谐pd像素延迟单元的可调谐延迟单元阵列。所述校准方法可以包括以下步骤：设置针对被连接到所述第一pd子像素的第一可调谐pd子像素延迟单元的延迟时间和针对被连接到所述第二pd像素的第二可调谐pd像素延迟单元的延迟时间，以校正所述第一时间斜移。优选地，每个pd像素和每个pd子像素分别被连接到可调谐pd像素延迟单元和可调谐pd子像素延迟单元。因此，所述校准方法还可以包括以下步骤：分别设置针对所有可调谐pd像素延迟单元的延迟时间和针对所有可调谐pd子像素延迟单元的延迟时间。延迟单元可以是任何在处理电信号的领域中已知的可控延迟单元，并且这些延迟单元可以由任何种类的合适的处理器来控制。这些延迟单元可以实现一定皮秒范围内的精确延迟。
39.如上文已经提到的，斜移主要取决于闪烁体像素的固有属性，所述固有属性可以取决于所述闪烁体像素的制造过程。除此之外，如果伽马射线探测器在磁场中操作，则斜移也可以取决于环境数据，例如，温度、相应的pd像素和pd子像素的供电电压，或者磁场。在本领域中已知磁场对pet图像分辨率有影响。
40.为了考虑这些情况，也可以基于时间斜移模型来校正第一时间斜移，所述时间斜移模型将所述环境数据与用于校正所述第一时间斜移的时间偏移进行关联。这对于在磁场中操作的pet系统或温度的潜在变化超过10k的空气冷却的pet系统来说是特别感兴趣的，因为这会导致时间斜移的大的漂移(几十ps)。因此，为了显著提高计时性能，有利的是不仅基于相对于pd像素探测信号延迟pd子像素探测信号，而且还基于优先基于由一个或多个传感器测量的多个环境数据的时间斜移模型来校正时间斜移。因此，所述校准方法包括直接校正温度漂移(以及电压漂移等)。所述模型可以是线性模型或非线性模型，并且还可以基于环境数据和参考时间斜移的参考表。
41.启用一个pd子像素(即，第一pd子像素)和一个pd像素(即，第二pd像素)允许仅估计它们之间的时间斜移。通常，现有技术中已知的像素化pd阵列包括许多pd像素，这些pd像素优选被细分成多个pd子像素。因此，仅估计第一pd子像素与第二pd像素之间的时间斜移是不够的，而是要估计更多的时间斜移来校正所有这些时间斜移。
42.出于所述目的，所述pd像素优选被连接到相应的pd像素触发器，并且所述pd子像素优选被连接到相应的pd子像素触发器。触发器被配置为启用或禁用相应的pd像素和pd子像素。
43.根据实施例，所述校准方法还可以包括以下步骤：通过若干pd子像素的相应的pd子像素触发器和若干pd像素的相应的pd像素触发器来启用所述若干pd子像素和所述若干pd像素以形成启用的pd子像素和pd像素和禁用的pd子像素和pd像素的预定图案。这允许获得相应的pd子像素与相应的pd像素之间的多个时间斜移，然后将所有这些时间斜移用于如上所述的校正流程。可以通过将对应的启用矩阵应用于pd像素阵列来编程预定图案。优选地，每个pd像素被连接到相应的pd像素触发器，并且每个pd子像素被连接到相应的pd子像素触发器，以独立地启用或禁用每个pd像素和pd子像素。如果图案被存储在被连接到pd像素触发器和pd子像素触发器的fpga中(或由所述fpga生成)，则可以在几毫秒内进一步改变预定图案。
44.在启用的pd子像素和pd像素和禁用的pd子像素和pd像素的若干预定图案之间进行切换，这允许解决各种不同的pd像素和pd子像素之间的光共享问题。因此，可以估计一堆时间斜移并将它们用于上面讨论的校正流程。这进一步改进了校准方法并使得伽马射线探测器的所有pd子像素的时间斜移较小。
45.根据另一实施例，所述校准方法还包括以下步骤：
46.启用第三pd像素，所述第三pd像素被耦合到所述像素化闪烁体阵列的第三闪烁体像素，其中，所启用的第三pd像素被定位为邻近所启用的第一pd子像素所属于的所述pd像素，
47.由所启用的第三pd像素记录得自所述第一闪烁体像素中的光子转换并行进到所述第三闪烁体像素中的共享闪烁光子，以获得在第三时间点处的第三pd像素探测信号，
48.估计所述第三时间点与所述第一时间点之间的第二时间斜移，并且
49.对所述第一时间斜移和所述第二时间斜移求平均以获得平均时间斜移。
50.这具有以下技术效果：不仅一个pd像素(即，第二pd像素)充当针对第一pd子像素的参考pd像素，而且另一pd像素(即，第三pd像素)也充当针对第一pd子像素的参考pd像素。因此，在校正两个(或更多个)的时间斜移之前，能够估计这两个(或更多个)的时间斜移并对其求平均。在所述背景中，第二pd像素和第三pd像素被定位为邻近第一pd子像素所属于的(第一)pd像素。因此，可以通过使用例如水平参考pd像素和垂直参考pd像素对时间斜移求平均。在计算相应的经校正的时间斜移的平均值之前，也可以选择分别校正第一时间斜移和第二时间斜移。
51.根据实施例，所述校准方法还可以包括以下步骤：
52.通过远离所述伽马射线探测器的点源发射入射的伽马射线，并且/或者如果所述像素化闪烁体阵列包括放射性核素，则通过放射性核素发射入射的伽马射线，其中，所述闪烁光子是响应于所述入射的伽马射线而在光子转换位置处被发射的。
53.使用点源(例如，na-22正电子源)的优点在于获得了大的光子转换计数统计数据，这能够加快校准流程。然而，校准流程不需要由在伽马射线探测器的视场(fov)中放置并调整的外部正电子发射器创建的重合事件。如果闪烁体阵列展现出如lu-176(其通常用于伽马射线探测器的闪烁体)的放射性材料，则利用固有的自我发射来校准伽马射线探测器就
足够了。另一种选择是甚至使用宇宙伽马射线。背景扫描(没有外部点源)的优点在于，每当pet系统没有主动记录患者数据时，就能够在没有用户介入的情况下执行它。因此，在临床环境中，优选每天在患者的医学检查之间执行若干次校准方法。
54.根据实施例，所述校准方法还可以包括以下步骤：
55.将所估计的第一时间斜移、第二时间斜移和/或平均时间斜移与时间斜移的参考表进行比较，并且
56.如果所估计的时间斜移在接受窗口之外，则生成警告。
57.如果伽马射线探测器的时间斜移太大，则无法对患者实现精确的医学成像。因此会生成警告，所述警告向临床环境中的医务人员指示pet系统可能给出错误的成像结果。这会改进对患者的医学检查，特别是在例行地运行校准方法以永久地控制伽马射线探测器的功能的情况下。
附图说明
58.参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。在以下附图中：
59.图1示出了根据本发明的医学成像设备的示意图；
60.图2示出了根据本发明的伽马射线探测器的示意图；
61.图3示出了图示根据本发明的校准方法的流程图；
62.图4示出了根据本发明的校准模块的示意图；
63.图5示出了pd像素阵列到延迟单元和触发器的电连接的示意图；
64.图6示出了图示被细分成若干pd子像素的一个pd像素的可编程时间延迟的框图；
65.图7示出了启用的pd像素和pd子像素和禁用的pd像素和pd子像素的八种不同的参考图案的俯视图的示意图；
66.图8示出了不同的启用的和禁用的2
×
2pd像素矩阵的洪水图的图解；
67.图9示出了针对利用镥背景扫描进行的pd子像素斜移校准的能量直方图和计时直方图；
68.图10示出了根据在校正之前(左图)和在校正之后(右图)的针对2
×
2pd像素矩阵的镥背景扫描的pd子像素时间斜移估计结果的颜色映射图；
69.图11示出了针对利用处于单打模式的na-22点源进行的pd子像素斜移校准的能量直方图和计时直方图；
70.图12示出了根据在校正之前(左图)和在校正之后(右图)的针对2
×
2pd像素矩阵的处于单打模式的na-22扫描的pd子像素时间斜移估计结果的颜色映射图；
71.图13示出了启用的pd子像素和禁用的pd子像素的不同的重合测试图案的俯视图的示意图；
72.图14示出了针对利用处于重合模式的na-22点源进行的pd子像素斜移校准的能量直方图和计时直方图；
73.图15示出了根据在校正之前(左图)和在校正之后(右图)的针对2
×
2pd像素矩阵的处于重合模式的na-22扫描的pd子像素时间斜移估计结果的颜色映射图；
74.图16示出了具有自主时间斜移校正的传感器拼片的示意图，其中，在拼片fpga内
实现控制环；并且
75.图17示出了图示温度对时间斜移的影响的图解。
具体实施方式
76.图1示出了根据本发明的医学成像设备50的示意图。所述医学成像设备50可以是例如pet设备、pet/ct设备、pet/mr设备或spect/pet/ct设备。所图示的医学成像设备50包括伽马射线探测器100，伽马射线探测器100优选通过利用根据本发明的校准方法或校准模块来校准的。
77.所图示的医学成像设备50还包括可调谐的患者支撑物55，所述可调谐的患者支撑物55用于支撑正在借助于医学成像设备50经受处置的患者60。pet设备通常探测颗粒，特别是在要被成像的患者60内发射的伽马射线。例如，患者60可以被施予放射性示踪剂物质，并且根据本发明进行校准的伽马射线探测器100可能用于确定该示踪剂物质在患者60中的空间位置。因此，pet设备通常包括如图1所示的伽马射线探测器环100以用于探测两条同时撞击伽马射线。
78.在图1的入口中更清楚地图示了这一点。该入口示出了伽马射线探测器环100的剪下物和患者60的头部，其中，在向所述患者60施予了放射性示踪剂物质之后对放射性示踪剂物质进行定位。在pet成像中，被施予患者60的放射性药物发射正电子，这些正电子中的每个正电子继而在电子-正电子湮灭事件中与所包围的成像对象的电子发生湮灭以产生两条方向相反的511kev的伽马射线90。在常规的pet成像中，这两条方向相反的伽马射线90被包围成像对象的伽马射线探测器100以基本上同时的辐射探测事件的形式探测到，这些基本上同时的辐射探测事件定义在它们之间的响应线(lor)。在飞行时间(tof)pet中，这两个基本上同时的探测事件之间的小的时间差(或没有时间差)用于进一步定位沿着lor的正电子。与没有飞行时间应用的pet相比，由于较近的光子将首先到达其探测器，因此到达时间的差异有助于更精确地定位沿着lor的湮灭事件。
79.图1中的入口还图示了伽马射线探测器100包括具有多个闪烁体像素的像素化闪烁体阵列110，像素化闪烁体阵列110用于响应于入射的伽马射线90而在光子转换位置处发射闪烁光子。此外，伽马射线探测器环100还包括具有被耦合到像素化闪烁体阵列110的多个光电探测器(pd)像素的像素化pd阵列120，像素化pd阵列120用于确定闪烁光子的空间强度分布。光电探测器像素可以是光电倍增管或硅雪崩光电二极管(spad)。
80.即使发现当前的tof pet方法能够在给定时间为给定的辐射探测器像素提供足够的(例如，亚纳秒级)时间分辨率，跨探测器阵列的空间变化(也被称为“斜移”)也会产生实质性误差。斜移是闪烁体阵列110的闪烁体像素的个体固有指纹，但是还取决于外部因素，例如，供应电压和温度变化。这会实质上降低pet探测器阵列的有效时间分辨率。
81.以下附图解释了如何通过快速有效的校准过程以识别和校正像素化光电探测器阵列的pd子像素斜移来克服前述限制。
82.图2示出了根据本发明的伽马射线探测器100的示意图。图2a示出了关于所述伽马射线探测器100的侧视图的示意图。伽马射线探测器100包括具有多个闪烁体像素112的像素化闪烁体阵列110。在图2b中清楚地图示了这一点，图2b示出了像素化闪烁体阵列110的俯视图的示意图。伽马射线探测器100还包括具有多个pd像素122的像素化pd阵列120。图2c
示出了关于所述像素化pd阵列120的俯视图的示意图。每个pd像素可以被细分成四个相应的pd子像素。然而，应当理解，这只是示例性的；也可以选择将pd像素细分成更多或更少的pd子像素。
83.在图2a中能够看出，像素化pd阵列120的pd像素122被耦合到像素化闪烁体阵列110。所述耦合可以通过在本领域中已知的任何技术来实现，特别是通过在像素化闪烁体阵列110与像素化pd阵列120之间基于胶合层(未示出)(特别是导光胶)的耦合来实现。所述耦合允许确定响应于入射的伽马射线90而在多个闪烁体像素112中的光子转换位置94处发射的闪烁光子的空间强度分布。
84.根据本发明的校准方法可以包括以下步骤：通过远离伽马射线探测器100的点源150(例如，na-22正电子源)发射入射的伽马射线90，并且/或者如果像素化闪烁体阵列110包括放射性核素(例如，镥(lu-176))，则通过放射性核素发射入射的伽马射线。因此，对于具有点源150的校准流程，可以将点源放置在伽马射线探测器环100的中间(参见图2)，在医学成像期间，患者被定位在伽马射线探测器环100中。利用放射性闪烁体材料(例如，lu-176)执行校准流程的优点在于，针对校准流程不需要放置外部点源150并且不需要调整外部点源150。
85.根据本发明的校准方法包括以下步骤：启用第一pd子像素124a，第一pd子像素124a被耦合到像素化闪烁体阵列110的第一闪烁体像素112a。另外，根据本发明的校准方法还包括以下步骤：启用第二pd像素122b，第二pd像素122b被耦合到像素化闪烁体阵列110的第二闪烁体像素112b，其中，所启用的第二pd像素122b被定位为邻近所启用的第一pd子像素124a所属于的pd像素。在所述背景中，表述“邻近”意指这些pd像素被定位为在像素化pd阵列120的平面中在彼此旁边。应当注意，仅在图2a中图示了启用(开启)的pd像素和pd子像素以进行简化。
86.第一闪烁体像素112a中的光子转换不仅会引起由第一pd子像素124a探测到的闪烁光子，而且还会引起行进到第二闪烁体像素112b中的共享闪烁光子。然后，完全启用的第二pd像素122b探测到这些共享闪烁光子以获得第二pd像素探测信号，同时根据所启用的第一pd子像素124a记录的闪烁光子来获得第一pd子像素探测信号。应当注意，在所述背景中，“完全启用”意指第二pd像素122b(其被细分成四个pd子像素(参见图2c))被完全启用，即，第二pd像素的所有四个pd子像素都被启用。
87.又另外，校准方法还包括以下步骤：估计获得第一pd子像素探测信号的第一时间点与获得第二pd像素探测信号的第二时间点之间的第一时间斜移。这个第一时间斜移得自上面提到的“斜移”。因此，第一闪烁体像素112a和第二闪烁体像素112b的固有指纹属性引起不同的时间点，在所述不同的时间点，所启用的第一pd子像素124a和所启用的第二pd像素122b探测到闪烁光子。对于tof pet来说，这个时间斜移是个问题，其中，需要高的时间分辨率来确定沿着lor的湮灭事件的位置(参见图1以用于进一步解释)。出于所述目的，校准方法还包括以下步骤：校正第一时间斜移。这允许减小时间斜移，即，第一时间点与第二时间点之间的时间差。
88.图3示出了图示所述讨论的校准方法的流程图。在步骤s10中，启用第一pd子像素124a，第一pd子像素124a被耦合到像素化闪烁体阵列110的第一闪烁体像素112a。在步骤s20中，启用第二pd像素122b，第二pd像素122b被耦合到像素化闪烁体阵列的第二闪烁体像
素112b，其中，所启用的第二pd像素122b被定位为邻近所启用的第一pd子像素124a所属于的pd像素(参见图2)。在步骤s30中，由所启用的第一pd子像素124a记录在被定位在第一闪烁体像素112a中的光子转换位置94a处发射的闪烁光子，以获得第一pd子像素探测信号。在步骤s40中，由所启用的第二pd像素122b记录得自所述第一闪烁体像素112a中的光子转换并行进到第二闪烁体像素112b中的共享闪烁光子，以获得第二pd像素探测信号。在步骤s50中，将所启用的第一pd子像素124a的记录光子到所启用的第二pd像素122b的记录光子的第一时间斜移估计为获得/导出第一pd子像素探测信号的第一时间点与获得/导出第二pd像素探测信号的第二时间点之间的时间斜移。在步骤s60中，校正所述第一时间斜移以减小这些信号之间的时间斜移(时间偏移)。下面参考图5给出了对该步骤s60的更详细的说明。
89.因此，总的来说，与邻近的闪烁体像素的光共享是本发明的基本特征，因为它允许仅通过利用其光学光共享属性来估计重合的计时分辨率和它们之间的斜移。出于该原因，与邻近的闪烁晶体的光共享优选不低于10％以保证合适的计时相关值。
90.图4示出了根据本发明的用于伽马射线探测器的校准模块的示意图。伽马射线探测器优选与已经参考图2讨论了的伽马射线探测器相同，因此包括具有多个闪烁体像素的像素化闪烁体阵列，该像素化闪烁体阵列被配置为响应于入射的伽马射线而在光子转换位置处发射闪烁光子。伽马射线探测器优选还包括具有被耦合到所述像素化闪烁体阵列的多个pd像素的像素化pd阵列，并且所述像素化pd阵列被配置为确定闪烁光子的空间强度分布，其中，pd像素被细分成多个pd子像素(例如分别具有四个pd子像素)。
91.如图4所示的校准模块包括记录器210和处理模块220。记录器210通过启用的第一pd子像素记录在像素化闪烁体阵列的第一闪烁体像素中的光子转换位置处发射的闪烁光子，以获得在第一时间点处的第一pd子像素探测信号，所启用的第一pd子像素被耦合到第一闪烁体像素。另外，记录器通过启用的第二pd像素记录得自第一闪烁体像素中的光子转换并行进到像素化闪烁体阵列的第二闪烁体像素中的共享闪烁光子，以获得在第二时间点处的第二pd像素探测信号，所启用的第二pd像素被耦合到第二闪烁体像素并且被定位为邻近所启用的第一pd子像素所属于的pd像素。基于探测信号，处理模块220估计第一时间点与第二时间点之间的第一时间斜移并且校正所述第一时间斜移。
92.图5示出了pd像素阵列120到延迟单元和触发器的电连接的示意图。如已经参考图2-4所解释的那样，启用第一pd子像素124a和第二pd像素122b。因此，第一pd子像素124a可以被电连接到第一pd子像素触发器144a，并且第二pd像素122b可以被连接到第二pd像素触发器142b。应当理解，图5所示的图示仅是示例性的，在图5中，只有一个pd子像素被连接到pd子像素触发器，并且只有一个pd像素被连接到pd像素触发器。优选地，像素化pd阵列的所有pd像素和pd子像素都被连接到相应的pd像素触发器或pd子像素触发器，它们均被配置为启用和禁用相应的pd像素和pd子像素。
93.在图5中还示例性示出了第一pd子像素124a可以被电连接到第一可调谐pd延迟单元134a，并且第二pd像素122b可以被电连接到第二可调谐pd延迟单元132b。应当理解，图5所示的图示仅是示例性的，并且所有pd像素和pd子像素优选均被连接到相应的延迟单元。
94.校正第一时间斜移的步骤可以包括延迟第一pd子像素探测信号和/或第二pd探测信号以减小第一时间斜移。这可以通过以下操作来完成：设置针对被连接到第一pd子像素124a的第一可调谐pd子像素延迟单元134a的延迟时间和针对被连接到第二pd像素122b的
第二可调谐pd像素延迟单元132b的延迟时间。
95.到目前为止参考图1-5所讨论的所有方法和流程都基于以下假设：部分启用一个pd像素(仅启用四个pd子像素中的一个pd子像素)并且完全启用针对所述pd像素的邻近的pd像素(启用所有四个pd子像素)。应当理解，正是启用的pd像素和启用的pd子像素的最小可能数量解释了本发明的与邻近的pd像素的光共享的基本特征。通常，如在下文中参考图6所解释的，启用了一个以上的pd子像素。
96.图6示出了图示被细分成若干pd子像素的一个pd像素的可编程时间延迟的框图。每个pd像素都被细分成多个pd子像素，这多个pd子像素继而都如图6的左列所示包括多个单光子雪崩二极管(spad)。因此，每个pd子像素优选包括spad的阵列，其中，一行中的多个spad可以形成spad行。spad行延迟单元136以及pd子像素延迟单元134优选独立受控。针对spad行的可编程延迟单元(左)、针对pd子像素的可编程延迟单元(中)和针对pd像素的可编程延迟单元(右)创建了针对pet伽马射线探测器的多层斜移校正的基础。
97.图7示出了启用的pd像素和pd子像素和禁用的pd像素和pd子像素的八种不同的参考图案的俯视图的示意图。这些参考图案能够用于估计针对2
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2像素化闪烁体阵列(未被示为离开平面)和4
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4pd子像素区的像素化pd阵列120的示例矩阵的个体pd子像素时间斜移。编码指示个体pd像素122或个体pd子像素124被启用还是被禁用(亮＝启用/开启；暗＝禁用/关闭)。
98.这是参考左上方的参考图案进行示例性解释的，其中，启用了属于右下方的pd像素的第一pd子像素124a。另外，完全启用了左下方的第二pd像素122b(启用了所有四个pd子像素)。这允许示例性地估计第一时间斜移(获得(第一pd子像素124a的)第一pd子像素探测信号的第一时间点与获得(第二pd像素122b的)第二pd像素探测信号的第二时间点之间的时间斜移)。因此，如图7的左上方所示的参考图案允许估计第一pd子像素124a参考第二pd像素122b(由此充当参考像素)的时间斜移。
99.除了这个第一pd子像素124a和这个第二pd像素122b以外，左上方的参考图案还包括启用的第三pd像素122c，所启用的第三pd像素122c被耦合到像素化闪烁体阵列110(未被示为离开平面)的第三闪烁体像素112c，其中，所启用的第三pd像素122c被定位为邻近所启用的第一pd子像素124a所属于的pd像素。参考先前的附图所讨论的校准方法还可以包括以下步骤：由所启用的第三pd像素122c记录得自第一闪烁体像素112a中的光子转换并行进到所述第三闪烁体像素112c中的共享闪烁光子。这允许获得在第三时间点处的第三pd像素探测信号。因此，第二时间斜移可以被估计为第三时间点与第一时间点之间的时间差。这允许对第一时间斜移和第二时间斜移求平均以获得平均时间斜移。因此，优选通过使用水平参考(第二pd像素122b)和垂直参考(第三pd像素122c)来对针对第一pd子像素124a的时间斜移估计值求平均，这是针对时间斜移校正的基础。
100.总而言之，图7的左上方的参考图案允许估计针对第一pd子像素124a的平均时间斜移。作为另一pd子像素(即，在参考图案中还启用了第四pd子像素124d)，所述参考图案不仅允许估计针对第一pd子像素124a的时间偏差，而且还允许(通过如上文所讨论的相同的流程)估计针对第四pd子像素124d的时间偏差。
101.还如图7所示，可以使用八种不同的图案来生成针对水平邻居pd像素和垂直邻居pd像素的时间斜移估计结果。因此，这八种图案可以用于提取16个时间斜移估计结果(针对
每一个pd子像素有一个pd子像素斜移)。由于只对四个pd子像素到参考pd像素的时间斜移差异感兴趣，因此能够对平均自由的水平估计结果和垂直估计值求平均。另外，能够通过应用针对最大可允许差异的限制来检测不良拟合。
102.能够通过将对应的启用矩阵应用于个体的pd像素和pd子像素来编程测试图案。如果测试图案被存储在局部传感器拼片fpga中(或者由局部传感器拼片fpga生成)，则能够在几毫秒内实现这种改变。应当理解，通常，pd子像素124能够覆盖任何分数的相应的pd像素122。
103.图8示出了不同的启用的和禁用的2
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2pd像素矩阵的洪水图的图解，其中标绘了计数的平方根以可视化动态压缩。左图示出了启用所有四个pd像素的洪水图。这种配置用于普通pet操作。中图示出了图7所示的八种测试图案之一的洪水图，其中仅启用四个pd像素中的两个pd像素(面积的1/4)(这里为左上和右下)。与左侧洪水图中的完全启用的pd像素相比，中图中的像素的失真是由于这些部分启用的pd像素的较低探测强度导致的。右图示出了与中图基本相同的测试图案的洪水图，其差异在于掩蔽了完全启用的pd像素(右上和左下)中的事件。因此，为了进一步的pd子像素斜移估计以仅提取由于光共享而产生的事件，仅保留了两个感兴趣区域。
104.通常，校准流程不需要由正电子发射器创建的重合事件。具有(例如在基于镥的闪烁体的情况下来自lu-176的自我发射的，或者由外部单个伽马发射器(具有661kev的cs-137)产生的)“单个”伽马以及宇宙伽马射线就足够了。背景扫描的优点在于，每当pet系统没有主动记录患者数据时，就能够在没有用户介入的情况下执行它。另外，也能够由局部fpga在传感器拼片或模块级别上的分散式处理来实现对pd子像素斜移估计结果的数据处理和更新。
105.图9示出了针对利用镥背景扫描进行的子像素斜移校准的能量直方图和计时直方图。左图示出了感兴趣的pd子像素(例如，图2和图6中的第一pd子像素124a)的能量直方图以及由于邻近的完全启用的pd像素(例如，图2和图6中的第二pd像素122b)上的光共享引起的对应的能量直方图。pd子像素的直方图是能量门控的，因为仅选择了镥背景光谱的合适部分。右图示出了在能量削减后伽马事件的对应的计时直方图，它给出了针对参考像素的pd子像素的时间斜移的估计结果。能够看出，记录了大约－0.6ns(－600ps)的时间斜移。
106.图10示出了根据在校正之前(左图)和在校正之后(右图)的针对2
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2pd像素矩阵的镥背景扫描的pd子像素时间斜移估计结果的颜色映射图。这些值(例如，针对第四pd子像素124d的“13p”)表示所述pd子像素到参考pd像素的时间斜移。另外，通过使用水平参考(例如，针对第四pd子像素124d的第三pd像素122c)和垂直参考(例如，针对第四pd子像素124d的第二pd像素122b)来对这些时间斜移估计结果求平均。相应的pd像素中间的值(例如，针对第二pd像素122b的“11ps”)是通过对相应的pd像素的所有四个pd子像素的相应的时间斜移求平均而获得的标准偏差。另外，相应的pd像素的pd子像素的所有四个时间斜移均相互抵消，即，相应的pd像素的四个pd子像素斜移的总和(几乎)为零。
107.图11示出了针对利用处于单打模式的na-22点源进行的pd子像素斜移校准的能量直方图和计时直方图。在所述背景中，“单打模式”意指仅发射一个伽马光子。下面的示例示出：也能够通过参考点源在拼片级别上的分散式单个处理来估计pd子像素斜移和pd像素斜移。这具有以下优点：由于较快的计数统计，能够加快校准流程，但是另一方面(如上文已经
提到的)要求手动工作来放置伽马点源。
108.图12示出了根据在校正之前(左图)和在校正之后(右图)的针对2
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2pd像素矩阵的处于单打模式的na-22扫描的pd子像素时间斜移估计结果的颜色映射图。具有na-22点源的示例主要用于说明，该示例示出：基于由na-22点源发射的511kev单伽马光子的子像素斜移校准基本上给出与当选择对应的能量时基于镥的估计结果相同的结果。
109.与处于单打模式的na-22的差异在于，必须将校准源放置在预定义的位置(例如，伽马射线探测器的视场(fov))中，并且要求对重合事件进行基于系统的处理以确定针对基于重合的校准方法的pd像素和pd子像素时间斜移估计结果。
110.图13示出了启用的pd子像素和禁用的pd子像素的不同的重合测试图案的俯视图的示意图。由于以重合模式操作na-22点源，因此必须置换图案以形成4
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4＝16种图案组合，而根据图13的最左侧的测试图案，启用了第一pd子像素124a、第二pd子像素、第三pd子像素124c和第四pd子像素124d。因此，可以形成16种测试图案组合的完整集合，其中，针对每个重合侧形成一种图案。在所述背景中，“重合模式”意指探测并处理两个重合的511kev。如果与完全启用的pd像素相比仅选择了一个pd子像素，则所得到的针对511kev的能量峰值具有能量峰值的1/4的增益。由于该流程不要求在这里的邻近的闪烁体晶体之间进行任何光共享，因此能够将其视为“金标准”。
111.图14示出了针对利用处于重合模式的na-22点源进行的子像素斜移校准的能量直方图和计时直方图。可以在重合模式中在每个正在启用的pd像素中仅利用四个pd子像素中的一个pd子像素来获得针对pd子像素测试图案的上述能量直方图和计时直方图(参见图13)。示例性的曲线可以属于所启用的第一pd子像素124a和所启用的第二pd子像素。
112.图15示出了根据在校正之前(左图)和在校正之后(右图)的针对2
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2pd像素矩阵的处于重合模式的na-22扫描的pd子像素时间斜移估计结果的颜色映射图。重合测量结果能够用于采集参考全局时间斜移映射图，包括模块斜移、拼片斜移、pd像素斜移和pd子像素斜移。能够生成根据重合模式和镥背景扫描估计的pd子像素斜移和pd像素斜移之间的映射矩阵，以根据镥背景来缩放后续的测量结果。
113.图16示出了具有自主时间斜移校正的传感器拼片300的示意图，其中，在拼片fpga内实现控制环。在所述背景中，传感器拼片300包括在印刷电路板上的若干传感器管芯，在该印刷电路板的背面具有fpga和其他基础架构。每一个传感器管芯都具有四个pd像素，并且每一个pd像素都具有四个pd子像素，如图(例如，图2c)所示。
114.本发明可以包括反馈环以识别和校正基于拼片的时间偏移。这能够在图16中看到，其中，传感器200用于提供环境数据。pd子像素时间斜移还取决于外部因素，例如，供电电压和温度变化。因此，校准方法还可以包括以下步骤：通过基于所述环境数据(例如，供电电压或温度)设置延迟时间来校正时间斜移。这可以通过以下操作来完成：读取从传感器200获得的环境数据并基于这些环境数据来应用基于模型的时间斜移校正。因此，控制环还可以识别并校正基于拼片的时间偏移，这些时间偏移通常是温度依赖性的和电压依赖性的，并且能够源自参考块的缓冲器250。
115.图17示出了图示温度对时间斜移的影响的图解。左图图示了如何通过将温度从31℃提高到54℃而将时间斜移从大约900ps移位到大约1080ps的较大值。右图图示了在该示例中具有7.7ps/k的线性模型能够用于校正时间斜移。对于许多应用来说，重要的是使用这
些模型来校正时间斜移。特别是具有超过10k的潜在变化的空气冷却的pet系统在探测器环内可以具有77ps的时间斜移移位，这将大大劣化计时性能。
116.虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
117.在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
118.计算机程序可以被存储/分布在合适的非瞬态介质上，例如，与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如，经由互联网或其他有线或无线的电信系统进行分布。
119.权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。