DE69613711T2 - Pet-echtzeitabbildungsverfahren für einzelphotonen-gammakamera - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die nachfolgend beschriebene Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Emissions-Tomographie, und insbesondere auf einen Echtzeitprozessor und ein Verfahren zum Erzeugen bzw. Liefern von verbesserten Emissions-Tomographie- Bildern.
Hintergrund der Erfindung
• Der Bedarf nach PET (Positronen-Emissions-Tomographie) hat sich stetig erhöht. Jedoch kann das Potential des PET Imaging- bzw. Bildaufbereitungs-Marktes nicht vollständig ausgeschöpft werden, weil die PET Imaging- bzw. Abbildungs-Mittel, welche heutzutage verwendet werden, eine sehr kurze Lebensdauer aufweisen und im Allgemeinen von einem Zyklotron erzeugt werden (dies macht die Verteilung sehr schwierig und teuer), und weil PET Abbildungs-(imaging)Systeme sehr teuer sind und im Bereich von jeweils 1,2 bis 2,9 Millionen Dollar liegen.
• Bei der Positron-Emissions-Tomographie (PET) wird ein Radionuklid intern an ein lebendes Subjekt verabreicht bzw. angewandt. Ein Positron von dem zerfallenden Radionuklid trifft auf ein Elektron und vernichtet dieses, was zu einem Paar von Annihilations- bzw. Auslöschungs-Photonen (oder Gammastrahlen) führt, welche in ungefähr entgegengesetzt liegende (180º) Richtungen von der Vernichtungs- bzw. Annihilations-Stelle emittiert bzw. ausgesandt werden, jeweils mit einer Energie von 511 keV. Szintillations-Detektoren werden verwendet, um die emittierten Photonen zu detektieren. Ein gewöhnliches PET Abbildungs-System umfasst einen Ring von feststehenden Szintillations-Detektoren, welcher den Patienten vollständig umgibt. Eine Datenerfassungssoftware zeichnet Ereignisse auf und bestimmt, ob jedes Paar der Ereignisse die Gamma-Strahlen von der Annihilation bzw. Vernichtung eines Positrons darstellen. Dies wird zum Teil durchgeführt durch ein Verfahren, welches koinzidenz- bzw. Übereinstimmungs-Detektion genannt wird, bei welchem jedes Paar von Gammastrahlen mit der geeigneten Energie, welche bei dem Detektor-Ring gleichzeitig ankommen, als Gamma-Strahlen angesehen werden, welche von der Annihilation bzw. Vernichtung eines Positrons stammen.
• Heutzutage gibt es eine installierte Basis von Einzel-Photonen-Emissions-Berechnungs- (computed)Tomographie (SPECT; Single Photon Emission Computed Tomography) Kameras mit mehr als 5000 Einheiten in den Vereinigten Staaten. Diese SPECT Kameras bilden einen großen Bereich von pharmazeutischen Substanzen bzw. Arzneimitteln ab zur Diagnose eines noch größeren Bereiches einer Erkrankung. Bei SPECT werden die detektierten Photonen direkt erzeugt durch ein Radionuklid und nicht durch die Annihilation bzw. Vernichtung eines Positrons. Die direkt emittierten Photonen treten nicht in Paaren auf und haben im Allgemeinen niedrigere Energien als diejenigen, welche von einer Positronen-Annihilation bzw. -Vernichtung stammen. Die Kosten der SPECT Kameras reichen von 200.000 bis 550.000 Dollar. SPECT Kameras wurden mit einem, zwei oder drei Detektoren geschaffen, welche auf einem Träger bzw. einer Gantry angebracht sind, so dass sich die Detektoren um den Patienten bewegen können.
• Seit Jahren wurde über das Erzeugen von Bildern auf bzw. mit diesen weithin verfügbaren SPECT Kameras aus den Gamma-Strahlen, welche von der Annihilation bzw. Vernichtung von Positronen von einem Positronen emittierenden pharmazeutischen bzw. Arzneimittel, wie zum Beispiel FDG stammen, nachgedacht. Eine Art dies bei bzw. mit einer Standard SPECT Kamera durchzuführen, lag darin, einen Blei-Kollimator 10 vor dem Detektor 12 anzubringen, wie in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht. Der Kollimator stellt sicher, dass nur Photonen mit einer gewünschten Trajektorie bzw. Flugbahn den Detektor erreichen. Gewöhnlich sind es diejenigen Photonen mit Trajektoren bzw. Flugbahnen 14, welche senkrecht (oder fast senkrecht) zu der Detektor-Oberfläche sind, welche durch den Kollimator hindurchtreten zu der Detektor-Oberfläche, bei einem Fall, wenn der Kollimator Löcher aufweist, welche parallel zueinander sind und senkrecht zu der Detektor-Oberfläche liegen. Andere Geometrien für den Kollimator wurden auch verwendet, bei welchen der Kollimator einen kegelförmigen Strahl oder einen fächerförmigen Strahl von Photonen akzeptiert bzw. aufnimmt. Die Art des verwendeten Kollimators kann die Betriebskennlinien bzw. Betriebseigenschaften beeinflussen, wie zum Beispiel die Empfindlichkeit und die Auflösung der Kamera, und diese wirkt sich auf den Algorithmus aus, welcher erforderlich ist, um das Bild aus den gesammelten Daten zu rekonstruieren.
• Wenn jedes Ereignis detektiert wird, weisen seine X und Y Koordinaten auf eine Stelle in einem Computer-Speicher und der Inhalt des Speichers bei dieser Stelle wird erhöht. Das Feld der Speicher-Stellen wird als eine Projektion bezeichnet. Durch die Tomographie wird jede Projektion, welche über die 360º Umgebung des Patienten 16 aufgenommen bzw. gesammelt wird, verwendet, um die radioaktive Verteilung innerhalb des Patienten zu rekonstruieren. Die Geometrie ist relativ einfach, weil bekannt ist, dass der Einfallswinkel für jeden Gamma-Strahl fast senkrecht auf der Oberfläche des Szintillations-Kristalls ist.
• Bei der Verwendung einer SPECT Kamera für die PET Bilderzeugung war der Blei- Kollimator erforderlich, weil diese Systeme nicht zur Koinzidenz-Detektion ausgelegt wurden. Weil ein Gamma-Strahl, welcher als Ergebnis einer Positronen-Emission emittiert wird, eine Energie von 511 keV aufweist, müssen die Kollimatoren sehr dicke Trennwände (Septa) aufweisen. Dies hat zu einer sehr schlechten Bildauflösung geführt. Zusätzlich ist ein solcher Blei-Kollimator eine sehr schwere Vorrichtung. Viele SPECT Kameras konnten dieses Gewicht nicht tragen. Jedoch war, so schlecht wie die Auflösung war, verglichen mit den PET Systemen, die Positron-Bilderzeugung (positron imaging) unter Verwendung einer SPECT Kamera sehr gut anwendbar und ist dies immer noch bei vielen Anwendern aufgrund der niedrigen Kosten (unter 20.000 Dollar), um einen Kollimator zu einer schon verfügbaren SPECT Kamera hinzuzufügen.
• Es gibt eine große installierte Basis bzw. Anordnung von Weitsicht-Mehrkopf (large field of view multiple head) SPECT Kameras und einen Markt für mehrere solcher Kameras. Die Möglichkeit der Verwendung dieser Kameras zum Durchführen einer Koinzidenz-Detektion der Gammastrahlen, welche von einer Positronen-Annihilation stammen, war attraktiv aus einer Menge von Gründen. Zuerst liegen die Detektoren einander gegenüber (in dem Fall von Zweikopf-(dual head) Kameras, oder sind bei anderen bekannten relativen Positionen in dem Fall von dreiköpfigen Kameras), was die Geometrie effizient bzw. einfach für die Koinzidenz-Detektion macht, und zweitens ermöglicht das "elektronische Ausrichten" ("electronic collimation") bei der Koinzidenz-Detektion die Entfernung des die Auflösung verschlechternden Blei- Kollimators.
• Entsprechend wurden bei einem anderen Ansatz der PET Bilderzeugung unter Verwendung einer SPECT Kamera der Blei-Kollimator verwendet, und so können die Gammastrahlen den Detektor bei einem Bereich von Winkeln treffen. Ein Koinzidenz- Schaltkreis wurde verwendet, um zu bestimmen, ob zwei Gammastrahl-Ereignisse zum gleichen Zeitpunkt bei jedem Detektor aufgetreten sind, was anzeigt, dass diese zwei Ereignisse eine Positronen-Emission und einen Zerfall in zwei entgegengesetzte Gammastrahlen darstellen. In diesem Fall können, ohne den Kollimator, Ereignis-Paare über einen großen Winkelbereich auftreten (veranschaulicht in Fig. 3), wohingegen dies bei SPECT auf nur diejenigen bei ungefähr 0º begrenzt ist. Aus Gründen der Beschreibung kann der Einfallswinkel eines Gammastrahls auf einen Detektor in zwei Komponenten unterteilt werden, eine betrachtet in einer Ebene senkrecht zu der Achse der Kamera, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, was der Transversal-Ebenen-Winkel des Einfalls genannt wird, und eine, welche in einer Ebene betrachtet wird, welche die Achse der Kamera umfasst, was der axiale Winkel des Einfalls genannt wird.
• Bei den PET Anwendungen sind die X und Y Koordinaten eines Ereignisses bei einem einzelnen Detektor allein nicht mehr ausreichend, um auf eine eindeutige Stelle in der Projektions-Erfassungs-Matrix hinzudeuten. Dies ist so, weil der Winkel des Einfalls nicht aus dieser Information allein bekannt sein kann. Jedoch können die Koordinaten von gleichzeitigen bzw. Koinzident-Ereignissen bei jedem Detektor (XDET1, YDET1; XDE2, YDET2) zusammen mit dem Abstand zwischen den Detektoren 20, 22 verwendet werden, um den Winkel des Einfalls zu bestimmen. Siehe die Fig. 4 und 5. Um einen Tomographen bzw. eine Tomographie aus diesen Daten zu erzeugen, war der erste Schritt die Transformation der Positionen auf ein neues Bezugssystem (hierin bezeichnet als das "Index" bzw. Referenz Bezugssystem), in welchem der Transversal- Ebenen-Winkel des Einfalls 90º beträgt. In Fig. 4 wird angenommen, dass die Position der Detektoren 20 und 22 bei 0º bzw. 180º liegt, wenn die Strahlen 26 die Detektoren treffen. In dem Index- bzw. Referenz-Bezugssystem werden die Detektoren im Uhrzeigersinn auf bzw. um 36º bzw. 216º gedreht, wie in der gestrichelten Darstellung in Fig. 4 gezeigt. Der tatsächliche Einfallswinkel in der transversalen Ebene (welcher ungefähr 56º misst) ist so gezeigt, dass er 90º ist in dem Referenz- Bezugssystem. Die neu berechneten Xindex und Yindex (siehe die Fig. 4 und 6) wurden verwendet, um in die Projektions-Systeme (projection frames) zu indexieren bzw. transformieren, genau wie bei dem SPECT Fall. Dieses Verfahren wird "rebinning" genannt. Sobald die Daten in die Projektions-Systeme transformiert (rebinned) sind, kann eine Tomographie durchgeführt werden.
• Das Rebinning-Verfahren arbeitet gut. Jedoch haben existierende SPECT Kamera- Systeme nicht die Fähigkeit, diese Berechnung direkt durchzuführen. Dies liegt primär daran, weil bei Viel-Detektor-Systemen die Detektoren unabhängige Verarbeitungskanäle aufweisen. Sie wissen nicht übereinander Bescheid und können die Daten nicht vergleichen, wenn diese ankommen. Um dies zu überwinden, wurden die Daten in einem List-Modus gesammelt, ein übliches Standard-Merkmal bei den meisten Systemen. Bei einer List-Modus-Erfassung werden die X, Y, E (Energie) und Detektor-Erfassungs-Winkel-Signale von jedem Detektor erfasst bzw. gespeichert in einem "List"-Format in den Speicher. Nach der Datensammlung werden durch ein nachher durchgeführtes Software-Verfahren die Rebinning-Berechnungen durchgeführt auf einer Ereignis-für-Ereignis Basis, was die Projektions-Systeme erzeugt. Dieser List-Modus ist flexibel, weil er es ermöglicht, dass die Parameter für das Rebinning nach der Bestandsaufnahme verändert werden können. Zum Beispiel kann der Einfallswinkel eines Gammastrahls verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Daten verwendet werden, um das Bild zu formen, oder nicht. Das Zulassen eines weiten Bereiches der Annahme erhöht die Empfindlichkeit, wohingegen die Auflösung verringert wird. Bei einer Nach-Verarbeitung (post processing) aus einer Liste von Daten können beide, eine hohe Auflösung des Bildes und eine hohe Empfindlichkeit des Bildes erzeugt werden. Jedoch weist das List-Verfahren zwei große Nachteile auf. Erstens sind die Anforderungen bezüglich des Speichers und des Disk-Platzes sehr hoch. Und zweitens ist es langsam (10-30 min), weil dieses Rebinning-Verfahren mit einer Software durchgeführt wird.
• Die US 4,755,680 offenbart ein Strahlungs-Bilderzeugungs-Verfahren, welches die Ausgaben von Szintillations-Erfassungs-Einheiten verarbeitet, welche axiale Positionen und Positionen relativ zu ersten und zweiten Koordinaten senkrecht zu einer Longitudinalachse eines röhrenförmigen Körpers aufweisen. Auf eine elektrische Art werden eine erste gewichtete Summe der Ausgaben der Einheiten berechnet, wobei die Ausgabe von jeder Einheit in der Summe gewichtet wird, in Abhängigkeit von ihrer Position relativ zu der ersten Koordinate, in elektrischer Form wird eine zweite gewichtete Summe der Ausgaben der Einheiten berechnet, wobei die Ausgabe einer jeden Einheit in der zweiten Summe gewichtet wird, in Abhängigkeit von ihrer Position relativ zu der zweiten Koordinate, und ein Wert der Position für mindestens eine der Szintillationen wird berechnet als eine Funktion der ersten und zweiten gewichteten Summen für die ersten und zweiten Koordinaten.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung schafft einen Echtzeitprozessor, welcher zu einer SPECT Kamera hinzugefügt werden kann, um eine praktische (im Hinblick auf Zeit und Kosten) PET Datenerfassung und Verarbeitung zu ermöglichen. Benutzer können das System auf eine Art betreiben, welche diesen schon vertraut ist. Das Hinzufügen dieser Fähigkeit verändert die Arbeitsweise der momentanen SPECT oder planaren bzw. ebenen Arbeitsweise nicht. Der Echtzeitprozessor der vorliegenden Erfindung schafft die folgenden Vorteile: Die Gültigkeit des Ereignisses (event validity) wird frühzeitig getestet bzw. überprüft, um sicherzustellen, dass ein Ereignis-Paar vollständig und koinzident bzw. gleichzeitig ist, vor dem Durchführen von weiteren Berechnungen; die Unterscheidung des Ereignisses (Energie-Fensterbildung bzw. energy windowing) wird schnell durchgeführt; eine zweidimensionale oder dreidimensionale Winkel- oder Koordinaten-Bestimmung kann schnell und leicht durchgeführt werden; die Ereignis- Rahmenbildung (event framing) (oder rebinning) wird schneller durchgeführt; mehrere Rebinnings können durchgeführt werden, basierend auf den Vorzügen bzw. Präferenzen des Benutzers (d.h. hohe Empfindlichkeit, niedrige Auflösung zur gleichen Zeit wie niedrige Empfindlichkeit, hohe Auflösung des Bildes, wobei der axiale Winkel des Einfalls der bestimmende Rebinning-Faktor ist); Mittelpunkt der Drehung und Kompensation der Detektor-Überlappung; Vorsehen von Ganzkörper-Abtastungen bzw. -Scanning; fliegende (on-the-fly) Empfindlichkeits-Korrektur aufgrund der Geometrie; und für den Detektor spezifische bzw. intrinsische Detektor-Korrekturen, wie zum Beispiel bezüglich der Energie, Linearität und Gleichförmigkeit können bei diesem Prozessor aufgenommen werden.
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verarbeitung von Positronen-Emissions-Daten, welche mit einer Gamma-Kamera mit einer Achse und einem Paar von Detektoren aufgenommen wurden, welche um einen kreisförmigen Weg in einer Ebene transversal zu der Achse der Kamera bewegbar sind. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte. Als erstes werden Daten gesammelt bzw. aufgenommen, welche sich auf die aktuelle bzw. momentane Stelle beziehen, einschließlich des aktuellen Einfallswinkels und der Energie der Ereignisse bei jedem der zwei Detektoren und Daten, welche sich auf die Winkelposition des Detektors beziehen, in bzw. bei seinem Weg bei dem Moment der Ereignisse. Zweitens, Vergleichen des Zeitpunktes eines jeden Ereignisses bei jedem der zwei Detektoren, um zu bestimmen, ob die zwei Ereignisse gleichzeitig aufgetreten sind und Verwerfen der Daten, wenn die Ereignisse nicht gleichzeitig aufgetreten sind. Als Nächstes kann ein Korrektur-Faktor bei dem Energie-Daten angewendet werden, basierend auf der Geometrie des Detektors, und die korrigierten Energie-Werte können verglichen werden mit einem Bereich von akzeptablen bzw. annehmbaren Werten und Verwerfen der Daten, wenn der korrigierte Energie-Wert außerhalb eines ausgewählten Bereiches liegt. Schließlich werden die tatsächlichen Stellendaten und tatsächlichen Einfallswinkel-Daten transformiert in Äquivalenz-Index- bzw. Äquivalenz-System- Stellendaten für einen senkrechten Einfallswinkel in der transversalen Ebene bei einer Äquivalenz-Index- bzw. Äquivalenz-System-Detektor-Winkelposition, und danach Aufzeichnen eines Ereignisses durch Erhöhen eines Zählers (tally) bei einer Speicherstelle, welche den Index-Stellendaten und der Index-Detektor-Winkelposition entspricht.
• Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der vorangehende und umfasst das Aufzeichnen von Ereignissen bei Speicherstellen, welche den ausgewählten Bereichen der Winkelposition in einer Ebene entsprechen, welche die Achse der Kamera enthält.
• Das vorhergehende und andere Merkmale der Erfindung werden hiernach vollständig beschrieben werden und insbesondere in den Ansprüchen dargelegt werden, wobei die nachfolgende Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen eine bestimmte veranschaulichende Ausführungsform der Erfindung im Detail ausführen, welche jedoch nur einen der verschiedenen Wege zeigen soll, bei welchem die Prinzipien der Erfindung verwendet werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine schematische Seiten-Aufriss-Ansicht einer SPECT Gamma- Kamera nach dem Stand der Technik und zeigt einen Patienten zwischen einem Paar von Detektoren, wobei jeder davon mit einem Kollimator versehen ist und zeigt die Gamma-Strahlen in einer vertikalen bzw. senkrechten Ebene von einem Radionuklid;
• Fig. 2 ist eine Ansicht, gesehen in der Richtung eines Pfeiles 2-2 in dem Bilderzeugungs(imaging)-System in Fig. 1.
• Fig. 3 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, zeigt jedoch die Detektoren ohne die Kollimatoren und angeordnet zur PET Bilderzeugung bzw. Bilderfassung, und veranschaulicht weiter die Gammastrahlen in einer Ebene transversal zu der Achse der Kamera;
• Fig. 4 ist ähnlich zu Fig. 3, veranschaulicht jedoch ein einzelnes, koinzidentes Paar von Gammastrahlen und die Transformation der Koordinaten der aktuellen Position des Einfalls von einem der Strahlen und die Position des Detektors, wenn die Ereignisse, welche aufgetreten sind bei den Koordinaten des Punktes, wo der Strahl den Detektor erreicht hätte, den transversalen Winkel des Einfalls des Strahles von 90º hat und die zugehörige Position des Detektors;
• Fig. 5 ist eine Ansicht, gesehen in der Richtung der Pfeile 5-5 in Fig. 4;
• Fig. 6 ist eine Ansicht, gesehen in der Richtung der Pfeile 6-6 in Fig. 4; und
• Fig. 7 ist ein Blockdiagramm und zeigt die Abfolge der Schritte, welche bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung schafft einen Echtzeit-Prozessor, um die Rebinning- Berechnungen und andere fliegende (on-the-fly) Berechnungen und Verfahren durchzuführen, um die PET Bilderzeugung bzw. Abbildung bei einer Gamma-Kamera praktischer zu machen. Die praktische Echtzeit PET Koinzidenz-Bilderzeugung bei einer Mehrfach-Detektor SPECT Gamma-Kamera umfasst das Detektieren von zwei einzelnen nuklearen Ereignissen innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters, eins von jedem Detektor, und das Transformieren der empfangenen Daten in ein Format, welches eine Standard SPECT Bild-Rekonstruktion ermöglicht.
• Der Rebinning- oder Transformations-Vorgang, wie oben beschrieben, wird fliegend (on-the-fly) durchgeführt, wenn jedes Ereignis-Paar detektiert wird, bei einer Ereignis- Durchsatz bzw. -Leistungsrate, welche für klinische Anwendungen ausreichend ist. Dieses Transformationsverfahren wird durchgeführt durch eine Kette von digitalen signalverarbeitenden Sub- bzw. Untersystemen (oder ähnlichen Echtzeit-Prozessoren), wobei die erhaltenen transformierten Daten in einen Speicher-Subsystem gespeichert werden, bis eine ausreichende Anzahl an Ereignissen empfangen wurde, um ein Bild mit annehmbarer Qualität zu erzeugen. Nachdem die Datenerfassung vollständig bzw. abgeschlossen ist, werden die präparierten bzw. vorbereiteten Vollbild(Frame)-Daten (oder Projektionen) zu einem Allzweck-Computer übertragen, wo der Bild- Rekonstuktions-Vorgang auf die gleiche Art durchgeführt wird wie bei einer herkömmlichen SPECT Verarbeitung. Diese Kombination der Schritte verringert erheblich die Verarbeitungszeit, um ein Bild zu erzeugen, verglichen mit dem bisher verfügbaren List-Verfahren.
• Fig. 7 ist ein Blockdiagramm und veranschaulicht die verschiedenen Schritte bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung. Diese Schritte können von einem fest verdrahteten System, durch eine Software, oder durch eine Kombination dieser zwei ausgeführt werden. Die folgende Offenbarung wird als ausreichend angesehen, um es einem Software-Ingenieur oder einem Schaltkreis-Designer, welche mit der nuklearen bzw. Kern-Bilderzeugung (nuclear imaging) und der Hardware und Software, welche für das Nuclear Imaging verwendet werden, vertraut sind, zu ermöglichen die vorliegende Erfindung auszuführen.
• Wie in Block 40 gezeigt, werden Ereignis-Daten von jedem Detektor empfangen. Diese Daten umfassen zwei Werte, X und Y, welche die Stelle auf dem Detektor darstellen, wo das Ereigniss aufgetreten ist, sowie einen Wert, welcher die Energie E des Ereignisses darstellt. Jeder Detektor sendet ein herkömmliches bzw. konventionelles Signal, wann immer ein Ereignis auftritt. Diese Signale werden bei Block 42 verglichen, um zu bestimmen, ob die Ereignisse bei den zwei Detektoren "gleichzeitig" sind. In der Praxis wird dies durchgeführt durch einen Koinzidenz-Detektor 44, wobei die Ereignisse als "gleichzeitig" angesehen werden, wenn sie sich innerhalb von 15 ns voneinander bzw. in einem Zeitraum von 15 ns ereignen. Jedem Ereignis eines gleichzeitigen Ereignis-Paares wird dann eine Ereignis-Identifikations-Kennung (event identification tag) zugeordnet, welche für jedes Ereignis des Paares das gleiche ist. Eine andere Komponente des Systems (der Rebinning-Prozessor) zeichnet die aktuelle bzw. tatsächliche Position des Detektors in seiner Gantry für jedes solches Ereignis- Paar auf.
• Das Hinzufügen eines Identifikations-Tags bzw. -Kennung ist nützlich, um die Differenzen in Reaktion auf die bzw. Abhängigkeit von der Hardware-Verarbeitung der Daten von den zwei Detektoren aufzunehmen. Dies gilt insbesondere, wenn die Erfindung bei einer SPECT Gamma-Kamera verwendet wird mit einem Paar von Detektoren, welche anfänglich so ausgelegt waren, um unabhängig voneinander zu arbeiten.
• Bei dem ersten digitalen Signalprozessor (DSP) 46 werden die Identifikations-Tags eines Ereignis-Paares verglichen, und wenn diese nicht identisch sind, wird das Paar zurückgewiesen bzw. verworfen, als nicht das Ergebnis einer Positronen-Annihilation. Wenn die Zeitvorgabe- bzw. Zeitablauf(timing)-Tags passen, kann der erste DSP eine Energie-Korrektur durchführen, wie bei Block 48 gezeigt. Es ist wohl bekannt, dass sich die Energie-Antwort bzw. das Energie-Ansprechverhalten eines Detektors von einer Stelle zu einer anderen Stelle auf der Oberfläche des Detektors verändern kann und ähnlich ist es bekannt bezüglich dieser Nicht-Linearität zu korrigieren unter Verwendung von Korrektur-Faktoren, welche während der Kalibrierung des Detektors erhalten wurden. Der erste DSP 46 vergleicht dann die korrigierten Energiewerte für jedes Ereignis des Ereignis-Paares mit einem vorgegebenen Bereich von Energiewerten, welche als normal für das verwendete Radionuklid angesehen werden. Wenn der korrigierte Energiewert für jedes Ereignis eines Ereignis-Paares außerhalb des ausgewählten Bereiches (oder der Bereiche) liegt, dann wird das Paar verworfen. Wenn die korrigierten Energiewerte innerhalb des ausgewählten annehmbaren Bereiches liegen, dann wird das Ereignis-Paar zu dem zweiten DSP 50 weitergeleitet und der erste DSP 46 ist frei für eine Verarbeitung des nächsten koinzidenten Paares.
• Wie bei Block 52 gezeigt, nimmt der zweite DSP 50 die Ereignis-Paar-Daten von dem ersten DSP 46 auf und wendet lineare Korrekturen bei den X und Y Werten an. Solche räumlichen Linearitäts-Korrekturen sind im Stand der Technik üblich und werden auf eine herkömmliche Art durchgeführt, basierend auf Korrekturfaktoren, welche während der Kalibrierung der Kamera bestimmt wurden. Die korrigierten X, Y und E Werte zusammen mit dem Identifikations-Tag werden dann zu einem dritten DSP 54 weitergeleitet, was den zweiten DSP freilässt, um Daten zu verarbeiten, welche sich auf das nächste koinzidente Paar beziehen.
• Der dritte DSP 54 führt eine Rebinning-Operation bzw. -Berechnung durch, wie schematisch bei Block 56 gezeigt. Diese Operation bzw. Berechnung transformiert die X, Y und Winkel-Gantry-Positions werte von jedem Ereignis-Paar von ihren gemessenen Werten zu neuen, äquivalenten Werten in einem verschiedenen Bezugssystem. In diesem neuen Bezugssystem wird der Detektor entlang der Achse der Maschine betrachtet und es wird angenommen, dass der Detektor in der Winkelposition um der Gantry ist, wo der einfallende Gamma-Strahl senkrecht zu der Oberfläche des Detektors erscheint bzw. auftritt (wiederum betrachtet entlang der Achse der Maschine). Dieses Bezugssystem ist nützlich, weil von diesem Bezugssystem, bezeichnet als das Index-Bezugssystem, die Ebene des Detektors der Projektions-Ebene einer entsprechenden SPECT Gamma-Kamera entspricht, und sobald das Rebinning abgeschlossen bzw. vollständig ist, kann der Tomograph bzw. die Tomographie erzeugt werden auf ziemlich die gleiche Art wie eine herkömmliche SPECT Tomographie aus diesen Projektionen erzeugt wird.
• Während das Index-Bezugssystem geeignet so ausgewählt wird, dass es dasjenige ist, wo der einfallende Gamma-Strahl einen Weg senkrecht oder innerhalb von wenigen Grad zur Senkrechten der Ebene des Detektors hat, wie in Fig. 4 gesehen, ist dies nicht erforderlich. Wie bei den Kollimatoren, welche Gamma-Strahlen aufnehmen bzw. empfangen, welche nicht senkrecht sind, ist der Einfallswinkel in der Transversal- Ebene auswählbar für verschiedene Bilderzeugungs- bzw. Abbildungs-Zwecke und muss nicht senkrecht sein. In dem Fall, dass ein nicht senkrechter Transversalebenen- Einfallswinkel gewünscht ist, enthält der dritte DSP 54 entweder einen Algorithmus oder eine Nachschlagtabelle (look up table), welche die annehmbaren Einfallswinkel als eine Funktion von XINDEX, YINDEX spezifiziert, genau wie sich bei den Fächerförmigen oder Kegelförmigen Kollimatoren der Winkel des Loches durch den Kollimator über die Oberfläche des Detektors verändert.
• Bei dem Rebinning-Vorgang werden die X, Y und Detektor/Gantry-Positions-Werte eines Ereignis-Paares verwendet, um die neuen Werte XINDEX, YINDEX und die Winkel- Index-Werte für jedes Ereignis eines Ereignis-Paares zu berechnen. Die XINDEX und YINDEX Werte für jedes Ereignis stellen die Stelle auf einem Detektor dar, wo das Ereignis aufgetreten wäre, wenn der Detektor in der Position um die Gantry gewesen wäre, wo der Strahl den Detektor senkrecht zu der Oberfläche des Detektors getroffen hätte, betrachtet in einer Ebene senkrecht zu der Achse der Maschine (diese Position des Detektors wird bezeichnet als die "Index-Position" und ist in den Fig. 4 und 6 veranschaulicht). Die XINDEX und YINDEX Werte für jeden Detektor (zusammen mit der geometrischen Information über die relativen Positionen der Detektoren in Bezug aufeinander) definieren eine Linie im Raum, welche durch den Punkt hindurchtritt, wo das Positron ausgelöscht wurde. Die Orientierung bzw. Ausrichtung dieser Linie im Raum kann auch definiert werden durch zwei Winkel, einer davon ist der Winkel der Index-Position des Detektors in Bezug auf die Gantry für dieses Ereignis-Paar (in Fig. 4 beträgt die Index-Position der Gantry und des Detektors 21 36º). Der andere Winkel, bezeichnet als der axiale Winkel (bei 30 in Fig. 6 gezeigt), ist der Winkel, welcher die Linie mit der Detektor-Oberfläche bildet, wenn der Detektor in der Index-Position ist und wenn in einer Ebene senkrecht zu der Oberfläche des Detektors betrachtet, welche die Achse der Maschine beinhaltet. Der axiale Winkel kann leicht berechnet werden aus den XINDEX und YINDEX Werten und einer geometrischen Information über die relativen Positionen der Detektoren in Bezug zueinander. Demzufolge berechnet für jedes Ereignis-Paar der Rebinning-Vorgang die XINDEX und YINDEX Werte, einen axialen Winkelwert, und einen Index-Positions-Wert, welcher die Detektorkopf-Index-Position darstellt bzw. wiedergibt.
• Sobald die Rebinning-Berechnung vollständig ist, werden die Daten, welche einem Ereignis-Paar zugeordnet sind, in bzw. an einer Speicherstelle (Projektion) gespeichert, welche der bestimmten Detektorkopf-Index-Position zugezeichnet ist, wie schematisch in Fig. 7 bei Block 58 gezeichnet. Die Daten in bzw. bei jeder Projektion umfassen XINDEX, YINDEX und den axialen Index-Winkelwert. Diese Daten werden gespeichert, bis jede Projektion ausreichend Daten hat, dass ein Tomograph bzw. eine Tomographie rekonstruiert werden kann. Die tomographische Rekonstruktion kann fortschreiten unter Verwendung des axialen Winkels als Filter, was es ermöglicht, dass ein großer Winkel der Annahme bzw. Akepttanzwinkel eine Tomographie mit relativ höherer Empfindlichkeit jedoch niedrigerer Auflösung erzeugen wird. Alternativ könnte die tomographische Rekonstruktion so durchgeführt werden, dass nur Ereignis-Paare akzeptiert bzw. angenommen werden, wo der axiale Winkelwert nahe bei 90º liegt, wobei die erhaltene Tomograghie eine hohe Auflösung, jedoch eine niedrige Empfindlichkeit aufweist.
• Andere Parameter können ausgewählt werden zum Filtern des erzeugten Bildes. Zum Beispiel kann der Benutzer ein Energie-Fenster auswählen, was nur Photonen mit Energien bei der Photo- bzw. Photonen-Spitze annimmt, oder auch Photonen bei niedrigeren Energien annimmt, welche von einer Compton-Streuung stammen oder einer weiteren Trennung unter Verwendung eines Herz-Gatters bzw. -Tores (cardiac gate). Weil das Rebinning-Verfahren fliegend durchgeführt wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass mehrere Filter gleichzeitig verwendet werden, so dass Bilder mit verschiedenen Energiefenstern, verschiedenen Annahme- bzw. Aufnahmewinkeln, verschiedenen Stufen des Zyklus eines Organs bei dem Anfang des Bilderzeugungs- bzw. Abbildungsverfahrens spezifiziert bzw. festgelegt werden können und dann gleichzeitig erzeugt werden können.
• Es wird vorweggenommen, dass dieser Echtzeit-Prozessor auch auf dreidimensionale Rekonstruktions-Verfahren erweitert werden kann. Das Rebinning-Kriterium kann sich in Abhängigkeit von dem ausgewählten Algorithmus verändern und der Echtzeit- Prozessor würde wie erforderlich umprogrammiert werden. Die Rebinning- Algorithmen, welche für die Rebinning-Verfahren verwendet werden, sind ähnlich zu denjenigen, welche bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik verwendet werden, welche das List-Verfahren verwenden, mit dem Unterschied, dass die vorliegende Erfindung die Algorithmen fliegend anwendet, d.h. wenn die Daten erfasst bzw. gesammelt werden und nicht nach dieser Tatsache bzw. Aufnahme.
• Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine beispielhafte Ausführungsform gezeigt und beschrieben wurde, ist es offensichtlich für anderen Fachleute, dass äquivalente Änderungen und Abwandlungen auftreten können beim Lesen und Verstehen der Beschreibung. Die vorliegende Erfindung umfasst alle solche äquivalenten Abänderungen und Abwandlungen und ist nur durch den Schutz der nachfolgenden Ansprüche begrenzt.

Claims (13)

1. Verfahren zur Ausbildung bzw. Erzeugung eines Bildes aus Positronen-Emissionen mit den Schritten:

a) Sammeln (40) von Positronen-Emissions-Daten von einer Gamma-Kamera mit einer Achse und einer Mehrzahl von Detektoren (20, 22) mit Oberflächen, welche über bzw. entlang eines Weges in einer Ebene transversal zu der Achse der Kamera bewegbar sind, wobei sich die Daten auf die aktuelle bzw. tatsächliche Stelle und Energie der Ereignisse bei jedem von zwei der Detektoren (20, 22) und auf die tatsächliche bzw. aktuelle Winkelposition von jedem Detektor (20, 22) bei seinem Weg bei dem Moment bzw. Zeitpunkt der Ereignisse beziehen;

b) in einem ersten Echtzeit-Prozessor wird die Zeit von jedem Ereignis bei jedem von zwei Detektoren (20, 22) verglichen (42), um zu bestimmen, ob die zwei Ereignisse gleichzeitig aufgetreten sind;

c) danach werden die aktuellen Stellen-Daten und aktuellen Energie-Daten, welche den gleichzeitigen Ereignissen zugeordnet sind, von dem ersten Echtzeit- Prozessor zu einem zweiten Echtzeit-Signal-Prozessor weitergeleitet bzw. übergeben;

d) bei dem zweiten Echtzeit-Signal-Prozessor werden die aktuellen Stellen-Daten, welche von dem ersten Echtzeit-Signal-Prozessor empfangen wurden, in äquivalente Stellen-Daten für ein Bezugssystem transformiert (56), in welchem eine Linie, welche die zwei gleichzeitigen Ereignisse verbindet, bei einem vorgegebenen bzw. vorausgewählten Winkel zu der Oberfläche des Detektors liegt, wenn in einer transversalen Ebene normal bzw. senkrecht zu der Achse der Kamera betrachtet, und eine äquivalente Detektor-Winkel-Position des Detektors wird berechnet; und danach

e) Aufzeichnen eines Ereignisses durch Inkrementieren bzw. Erhöhen eines Zählers (tally) bei einer Speicherstelle, welche der äquivalenten Stelle und der Detektorwinkelposition entspricht, während zusätzliche Daten gesammelt bzw. erfasst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Schritt des Anlegens bzw. Anwendens eines Korrektur-Faktors an die Energie-Daten, basierend auf der Geometrie des Detektors.

3. Verfahren nach Anspruch 2 umfassend den Schritt des Vergleichens der korrigierten Energie-Werte mit einem Bereich von annehmbaren Werten und Verwerfen bzw. Zurückweisen der Daten, wenn der korrigierte Energie-Wert außerhalb eines ausgewählten Bereiches liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Schritt des Anwendens eines Linearitäts- Korrektur-Faktors an Energie-Daten, basierend auf der Geometrie des Detektors.

5. Verfahren nach Anspruch 4 umfassend den Schritt des Vergleichens der korrigierten Energie-Daten mit einem Bereich von annehmbaren Werten und Zurückweisen bzw. Verwerfen der Daten, wenn der korrigierte Energiewert außerhalb eines ausgewählten Bereiches liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, umfassend die Schritte des Anwendens eines Korrektur- Faktors an die Energie-Daten, basierend auf der Geometrie des Detektors, und danach Verwerfen bzw. Zurückweisen der Daten, wenn der korrigierte Energie-Wert außerhalb eines ausgewählten Bereiches liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Anwendens eines Korrektur- Faktors bei den Energie-Daten durchgeführt wird nach dem Schritt des Vergleichens der Zeit von jedem Ereignis und vor dem Schritt der Transformation.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der voreingestellte bzw. ausgewählte Winkel ungefähr 90º beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend das Berechnen und Aufzeichnen des Winkels zwischen der Linie, welche zwei gleichzeitige Ereignisse verbindet und der Oberfläche des Detektors, gemessen in einer Ebene, welche senkrecht zu der transversalen Ebene ist und welche die Achse der Kamera umfasst, als dem äquivalenten Winkel des Einfalls.

10. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend das Aufzeichnen von Ereignissen bei Speicherstellen, welche den ausgewählten Bereichen von äquivalenten Winkeln des Einfalls bzw. Einfallswinkeln entsprechen.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Aufzeichnung eines Ereignisses die Schritte der Aufzeichnung einer Mehrzahl von Ereignissen umfasst und weiter den Schritt der Auswahl eines ersten Bereiches von Annahme-Werten für den äquivalenten Einfallswinkel und einen zweiten Bereich von Annahme-Werten für den äquivalenten Einfalls-Winkel umfasst und das Aufzeichnen eines jeden Ereignisses bei einer ersten Speicherstelle, welche dem ersten Bereich der Annahme-Werte zugeordnet ist, wenn der äquivalente Einfallswinkel des Ereignisses innerhalb des ersten Bereiches der Annahme-Werte liegt und gleichzeitiges Aufzeichnen des Ereignisses bei einer zweiten Speicherstelle, welche dem zweiten Bereich der Annahme-Werte zugeordnet ist, wenn der äquivalente Einfallswinkel des Ereignisses innerhalb des zweiten Bereiches der Annahmewerte liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Auswählen von Annahme-Bereichen für Variablen, welche ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend die Einfalls- Photonen-Energie, den transversalen Einfallswinkel, und den axialen Einfallswinkel, und Aufzeichnen von mehreren Ereignissen jeweils bei einer Speicherstelle, welche den ausgewählten Bereichen der Werte zugeordnet ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Auswählens von Werten den Schritt des Auswählens von mindestens zwei Bereichen von Annahme-Werten für mindestens eine der Variablen umfasst und das Aufzeichnen von Ereignissen bei Speicherstellen, welche den ausgewählten Bereichen der Werte zugeordnet sind.