[发明专利]正电子发射断层摄影中的飞行时间测量

说明书

本申请是申请日为2007年7月18日、申请号为200780028522.0、发明名称为“正电子发射断层摄影中的飞行时间测量”的中国专利申请的分案申请。

本申请涉及正电子发射断层摄影(PET)，并尤其涉及飞行时间(TOF)PET中符合事件的探测。其也可应用于非TOF PET、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)以及有必要在噪声存在下探测辐射的其他医学与非医学应用。

在正电子发射断层摄影中，在检查中将发射正电子的同位素引入人类患者或其他对象的体内。在被称为正电子湮灭事件的过程中，正电子与电子相互作用，从而产生沿着响应线(LOR)以基本相反的方向行进的511keV的伽玛射线符合对。通常通过PET扫描器记录在符合时间内探测的伽玛射线对。在典型扫描中，探测成百上千万个这样的湮灭并且将其用于产生指示同位素分布的图像或其他信息。

PET的一个重要应用是在医学中，其中放射学家和其他医学专家广泛使用PET扫描器提供的信息用于疾病的诊断和治疗。在这点上，期望在使施加给患者的剂量和成像程序的长度最小化的同时提供具有相对更高图像质量的图像。

在TOF PET中，测量对两条符合伽玛射线的探测之间的实际时间差并且将其用于估计沿着LOR的事件的位置。进而可以将该位置信息用于重建过程中以改进所重建的图像的质量。对于给定的活性水平和成像时间，可以使用额外的位置信息来生成具有相比于非TOF PET图像具有改进的图像质量的图像。从另一观点看，可以通过使用相对较少的剂量和/或相对较短的扫描时间，获得具有可相比的质量的图像。

实际PET系统的性能受其灵敏度、其能量和时间分辨率、时间响应、探测器系统的其他特性以及噪声的影响。在可购买到的PET系统中，将诸如光电倍增管(PMT)的光电传感器阵列设置在闪烁体材料后面。在TOF系统中，使用诸如正硅酸钇镥(LYSO)、硅酸镥(LSO)或溴化镧(LaBr)的相对快速的闪烁体材料来提供必需的时间分辨率。还提议使用固态光电传感器，诸如在盖革模式(GM-APD)下驱动的雪崩光电二极管(APD)阵列。虽然它们也具有相对优良的时间分辨率特性，但是GM-APD也倾向于产生暗计数，而该暗计数并非源于光子吸收。虽然暗计数速率取决于诸如器件几何结构和工艺参数、温度和所施加的偏置电压等因素，但是暗计数会对结果图像的质量产生有害影响。

因此，仍有改进的空间。例如，期望在改进定时测量精确度的同时，减小暗计数和其他噪声源所产生的乱真(spurious)事件的影响。除了降低图像质量，响应和处理这些乱真事件还会限制最大探测器计数率，从而导致遗漏潜在的有效计数。虽然可以通过减小光电传感器偏置电压或增加事件触发阈值来改善这些影响，但是这样做趋于减小定时测量的整体灵敏度和/或精确度。当然，在系统复杂度、可靠性和成本方面也必须考虑这些问题。

影响实际TOF PET系统性能的另一因素是用于执行必需的时间测量的时间-数字转换器(TDC)。

模拟TDC典型地基于电容器的时间常数，利用恒流源对该电容器进行充电和/或放电。虽然模拟TDC可以提供具有相对高的时间分辨率的测量，但是必需的模拟电路、积分电容器和电压-时间转换电路限制了它们的吸引力。此外，模拟TDC提供非线性响应。虽然有可能补偿非线性，但是这样做会增加转换时间。在转换时间超过闪烁体脉冲长度的情况下，增加了像素死时间。

可以以高级CMOS工艺实现数字TDC，其中将TDC与GM-APD或其他数字信号源集成在一起。数字TDC还包括环形振荡器和在事件时刻存储环形振荡器状态的锁存器。然而，这种设计典型地不会在事件之间停止，因此具有相对高的静态高能耗。因此，基于环形振荡器的时间-数字转换不是非常适合用于大尺度传感器，尤其在为每个探测器像素提供TDC的情况下。另一可替换选择是使用抽头延迟线和游标线TDC。然而，这种实现方式也倾向于区域密集的，并且工艺变化以及诸如环境温度和操作电压的操作条件会影响时间分辨率。

另一种TDC技术是所谓的脉冲收缩(pulse shrinking)方法。参见例如Chen等人的题为“CMOS Pulse Shrinking Delay Element with DeepSubnanosecond Resolution”的美国专利No.6,288,587。这种系统典型地包括一个或多个脉冲收缩延迟元件，所述脉冲收缩延迟元件将测量的脉冲的宽度减少时间dT。在一种实现方式中，使用异步计数器来确定脉冲消失所需的周期数量。