带有数字触发器的正电子发射断层造影扫描仪.pdf

提供了一种PET扫描仪，包括多个探测器模块，每个探测器模块包括：用于探测候选信号的探测器；模块处理器；和与探测器模块和模块处理器通信的数字触发器。该数字触发器被配置为选择性地触发由模块处理器对候选信号的处理。

1.  一种PET扫描仪，包括：
多个探测器模块，每个探测器模块包括：
用于探测候选信号的探测器；
模块处理器；和
与所述探测器模块和所述模块处理器通信的数字触发器，该数字触
发器被配置为选择性地触发由所述模块处理器对候选信号的处理。

2.  如权利要求1所述的PET扫描仪，还包括：与所述数字触发器通信的存储器，该存储器被配置为存储候选信号的样本。

3.  如权利要求2所述的PET扫描仪，其中，所述存储器包括FIFO存储器。

4.  如权利要求2所述的PET扫描仪，其中，所述存储器包括：第一FIFO存储器，用于存储被第一采样间隔分隔开的候选信号的连续样本；和第二FIFO存储器，用于存储被第二采样间隔分隔开的候选信号的连续样本。

5.  如权利要求1所述的PET扫描仪，其中，所述数字触发器被配置为：
并行执行第一限定器和第二限定器，所述第一限定器用于提供表示候选信号的分类的第一限定器输出，所述第二限定器用于提供表示候选信号的分类的第二限定器输出；以及
使模块处理器至少部分地基于第一和第二限定器输出，进一步处理候选信号。

6.  如权利要求1所述的PET扫描仪，其中，所述数字触发器包括单级数字触发器。

7.  如权利要求1所述的PET扫描仪，其中，所述数字触发器包括多级数字触发器。

8.  如权利要求1所述的PET扫描仪，其中，所述数字触发器被配置为：
执行级联的第一和第二限定器，
所述第一限定器具有第一限定器输出，并且
所述第二限定器具有第二限定器输入和第二限定器输出，
所述第二限定器输入包括由所述第一限定器输出提供的信息；以及
使模块处理器基于所述第二限定器输出来进一步处理候选信号。

9.  如权利要求8所述的PET扫描仪，其中，所述第一限定器被配置为生成表示候选信号的第一数据和表示所述第一限定器处理结果的第二数据；以及
其中，所述第二限定器被配置为生成部分依赖于第二数据的输出。

10.  如权利要求1所述的PET扫描仪，其中，所述数字触发器被配置为执行所述第一限定器，该第一限定器递归地执行所述第二限定器。

11.  如权利要求1所述的PET扫描仪，其中，所述数字触发器被配置为执行：
能量限定器，用于至少部分地基于来自候选信号的样本的第一样本集合，对候选信号进行分类；和
时间限定器，用于至少部分地基于来自候选信号的样本的第二样本集合，对候选信号进行分类。

12.  如权利要求11所述的PET扫描仪，其中，所述第一样本集合包括以第一采样频率获得的候选信号的样本，并且所述第二样本集合包括以大于第一采样频率的第二采样频率获得的候选信号的样本。

13.  如权利要求1所述的PET扫描仪，其中，所述数字触发器被配置为可重新编程。

14.  一种在PET扫描仪中用于使模块处理器处理候选信号的方法，该方法包括：
将候选信号的样本存储在存储器中；
选择性地从存储器中取回样本；
基于选择性取回的样本，确定所述候选信号表示事件；以及
发送标识用于处理的候选信号的模块处理器信息。

15.  如权利要求14所述的方法，还包括：修改至少一个规则，所述规则用于确定候选信号表示事件。

16.  如权利要求14所述的方法，其中，确定候选信号表示事件包括：
执行第一处理过程，该第一处理过程用于将候选信号分类为表示事件；
执行第二处理过程，该第二处理过程用于将候选信号分类为表示事件；以及
基于经过第一和第二处理过程的结果，将所述候选信号分类为事件。

17.  如权利要求14所述的方法，其中，确定候选信号表示事件包括：
从所述存储器取回候选信号的样本的第一集合，该第一集合包括被第一采样间隔分隔开的连续样本，以及
从所述存储器取回候选信号的样本的第二集合，该第二集合包括被第二采样间隔分隔开的连续样本；
基于所述第一集合，生成将候选信号分类为表示事件的第一输出；以及
基于所述第二集合，生成将候选信号分类为表示事件的第二输出。

18.  如权利要求14所述的方法，其中，确定候选信号表示事件包括：
从所述存储器中取回候选信号的样本的集合；
执行用于基于该样本的集合对候选信号进行分类的第一处理过程；以及
执行用于至少部分地基于第一处理过程的输出对候选信号进行分类的第二处理过程。

19.  一种其上具有经编码的软件的计算机可读介质，该软件用于使模块处理器处理候选信号，该软件包括以下指令：
将候选信号的样本存储在存储器中；
选择性地从存储器中取回样本；
基于选择性取回的样本，确定所述候选信号是否表示事件；以及
发送标识用于处理的候选信号的模块处理器信息。

20.  一种其上具有经编码的软件的计算机可读介质，该软件用于由具有模块处理器的PET扫描中的数字触发器执行，该软件包括这样的指令：当其由数字触发器执行时，使数字触发器导致模块处理器对候选信号进行处理。

带有数字触发器的正电子发射断层造影扫描仪
技术领域
本发明涉及正电子发射断层造影，具体来说，涉及通过PET扫描仪的数据获取。
背景技术
在正电子发射断层造影(“positron emission tomography，PET”)中，放射性物质被注入到病人体内。在放射性衰减过程中，该物质发射出正电子。这些正电子在病人体内行进，直到它们遇到电子。当正电子与电子相遇时，它们互相湮灭。这导致两种以相反方向行进的伽马射线光子(以下文中称为“伽马射线”)的发射。通过探测这些伽马射线，人们可以推断放射性物质在病人体内的分布。
为了探测这些光子，病人被沿着探测器模块环的轴放置。每个探测器模块都包括这样的探测器：它们在被伽马射线照射时产生电信号。与每个探测器模块相关联的触发器基于该信号的特征确定该信号是表示事件、还是该信号是一个将被忽略不计的杂散(stray)信号。
如果触发器将所述信号分类为事件，那么它将使得与该探测器模块相关联的模块处理器保存关于该事件的信息。该信息包括关于探测器模块内具体哪个探测器实际探测到了伽马射线、探测时间以及对探测到的伽马射线的能量的估计的信息。模块处理器将该信息压缩并且将其包括在事件数据分组内。该事件数据分组与由其它探测器模块中的模块处理器创建的许多其它事件数据分组一起，被集中传送(funnel)到中央并发事件处理器(centralcoincidence processor)。
从该环上的所有探测器模块接收事件数据分组的并发事件处理器处理该数据。基于探测到事件对的探测器的位置以及那些事件的时间，该并发事件处理器确定事件对是否是由病人体内的正电子和电子的湮灭造成的。如果并发事件处理器断定事实如此，那么它就将关于每个事件的压缩信息保存，以供以后图像重建过程使用。
发明内容
在一个方面，本发明特征在于一种具有探测器模块的PET扫描仪，每个探测器模块都包括：用于探测候选信号的探测器；模块处理器；和与探测器模块和模块处理器通信的数字触发器。该数字触发器被配置为选择性地触发由模块处理器对候选信号的处理。
在某些实施方式中，PET扫描仪包括与数字触发器通信的存储器。该存储器被配置为存储候选信号的样本。在某些情况下适合的存储器包括FIFO存储器。在其它情况下，所述存储器包括：第一FIFO存储器，用于存储被第一采样间隔分隔开的候选信号的连续样本；和第二FIFO存储器，用于存储被第二采样间隔分隔开的候选信号的连续样本。
其它实施例包括那些：其中，所述数字触发器被配置为：并行执行第一限定器和第二限定器，所述第一限定器用于提供表示候选信号的分类的第一限定器输出，所述第二限定器用于提供表示候选信号的分类的第二限定器输出；以及使模块处理器至少部分地基于第一和第二限定器输出，进一步地处理候选信号。
PET扫描仪的实施例中有那些其中所述数字触发器包括单级数字触发器，那些其中所述数字触发器包括多级数字触发器，以及那些其中所述数字触发器被配置为可重新编程。
在PET扫描仪的其它实施例中，所述数字触发器被配置为执行级联的第一和第二限定器。所述第一限定器具有第一限定器输出。所述第二限定器具有第二限定器输入和第二限定器输出，所述第二限定器输入包括由第一限定器输出提供的信息。所述数字触发器使模块处理器基于第二限定器输出来进一步处理候选信号。
在某些情况下，第一限定器被配置为生成表示候选信号的第一数据，和表示由第一限定器处理的结果的第二数据。第二限定器被配置为生成部分依赖于第二数据的输出。
在又一些实施例中，所述数字触发器被配置为执行第一限定器，该第一限定器递归地执行第二限定器。
在其它实施例中，所述数字触发器被配置为执行：能量限定器，用于至少部分地基于第一样本集合，对候选信号进行分类；和时间限定器，用于至少部分地基于第二样本集合，对候选信号进行分类。每个样本集合均包括来自候选信号的样本。在这些实施例中有那些其中，所述第一样本集合包括以第一采样频率获得的样本，并且所述第二样本集合包括以大于第一采样频率的第二采样频率获得的样本。
在另一方面，本发明特征在于一种用于通过以下步骤使模块处理器处理候选信号的方法：将候选信号的样本存储在存储器中；选择性地从存储器中取回(retrieve)样本；基于选择性取回的样本，确定所述候选信号是否表示事件；以及发送标识(identify)用于处理的候选信号的模块处理器信息。
在某些实践中，该方法还包括：修改至少一个规则，所述规则用于确定候选信号表示事件。
在其它实践中，确定候选信号表示事件包括：执行第一处理过程，该第一处理过程用于将候选信号分类为表示事件；执行第二处理过程，该第二处理过程用于将候选信号分类为表示事件；以及基于第一和第二处理后的结果，将所述候选信号分类为事件。
另外的实践包括那些：其中，确定候选信号表示事件包括：从所述存储器取回候选信号的样本的第一集合和第二集合，该第一集合和第二集合包括分别被第一采样间隔和第二采样间隔分隔开的连续样本；基于所述第一集合，生成将候选信号分类为表示事件的第一输出；以及基于所述第二集合，生成将候选信号分类为表示事件的第二输出。
本发明的其它实践包括那些：其中，确定候选信号表示事件包括：从存储器中取回候选信号的样本的集合；执行用于基于样本的集合对候选信号进行分类的第一处理过程；以及执行用于至少部分地基于第一处理过程的输出对候选信号进行分类的第二处理过程。
在另一个方面，本发明特征在于一种其上具有经编码的软件的计算机可读介质，该软件用于执行使模块处理器处理候选信号的前述方法。
在另一个方面，本发明特征在于一种其上具有经编码的由数字触发器执行的软件的计算机可读介质，该软件包括这样的指令：当其由数字触发器执行时，使数字触发器引起模块处理器对候选信号进行处理。
除非另有定义，否则的话，这里所使用的所有技术术语和科学术语与本本发明所属技术领域的一个普通技术人员通常所理解的意思相同。尽管与这里所描述的那些方法和事物相似或等同的方法和物质(material)可以用于本发明的实践和测试，但是下面描述了适合的方法和物质。这里所提及的所有出版物、专利申请、专利及其它参考均通过引用的方式将其内容全部并入。在发生冲突的情况下，本发明、包括定义在内，将控制其含义。另外，物质、方法和示例均只是示意性的而非意在限定。
本发明的其它特征和优点将从下面详细的说明中以及附图中变得明显，附图中：
附图说明
图1示出了探测器模块环；
图2示出了具有并行架构的数字触发器；和
图3示出了具有串行架构的数字触发器。
具体实施方式
参照图1，PET扫描仪10包括环绕病人要躺在其上的床14的探测器模块16A-K的环12。每个探测器模块16A-K(下文中称为“模块”)包括若干探测器块17。探测器17典型地包括与闪烁晶体(scintillating crystal)进行光通信的四个光电倍增管(photo-multiplier tube)。光电倍增管和闪烁晶体的结构细节对本发明的理解不重要，因此为了清楚起见而将其略去。
闪烁晶体是一种在由伽马射线照射时短暂地(briefly)生成可见光的晶体。该可见光被光电倍增管探测到，光电倍增管随即生成表示探测到入射伽码射线光子的电信号，以下文中称为探测到“事件”。
为了通过PET扫描仪10将病人的一部分成像，人们将放射性物质引入病人体内。随着放射性物质的衰减，其发射出正电子。正电子在病人体内行进短距离之后，最终遇到电子。正电子与电子的最终湮灭产生以相反方向行进的两个伽马射线光子。对于这两个光子均没有在病人体内被偏转或吸收的情况，它们从病人体内逸出并且撞击探测器模块16A-K中的两个模块。
具体来说，当这两个光子其中之一撞击第一探测器模块16A时，另一个光子撞击与第一探测器模块相对的第二探测器模块16E、F、G或H。这导致两个事件：一个在第一探测器模块16A，另一个在相对的第二探测器模块16E、F、G或H。这些事件的每一个均表示探测到伽马射线光子。如果这两个事件是几乎同时在第一探测器模块16A和第二探测器模块16E、F、G或H探测到的，那么很可能它们表示发生在沿着连接第一探测器模块16A和第二探测器模块16E、F、G或H的线上的某处的湮灭。如果这两个事件是差不多同时在第一探测器模块16A和第二探测器模块16E、F、G或H探测到的，那么很可能它们表示发生在沿着连接第一探测器模块16A和第二探测器模块16E、F、G或H的线上的某处的湮灭。
很明显，PET扫描仪10中感兴趣的是由相对的探测器模块16A、16E-F同时或几乎同时探测到的事件对。具有这些特性的事件对被称为“并发事件”。在PET扫描的过程中，每个探测器模块16A-K探测到大量事件。但是，这些事件中只有有限数目的事件表示并发事件。
与每个探测器模块16A-K相关联的是模块处理器18A-K，其对由其相关联的探测器模块16A-K探测到的事件做出响应。模块处理器18A-K包括互相进行数据通信的处理元件和存储器元件。处理元件包括算术逻辑单元(“ALU”)，其包含用于执行各种逻辑运算的组合逻辑元件、指令寄存器、相关联的数据寄存器和时钟。在每个时钟间隔期间，处理器从存储器元件中取出指令并且将其加载到指令寄存器中。要对其执行该指令的数据同样也被加载到相关联的数据寄存器中。模块处理器18A-K的结构和操作以及它们与并发事件处理器的交互在Worstell等的美国申请No.6,828,564中具体进行了描述，其内容通过引用的方式并入此处。
模块处理器18旨在只响应于由探测器块17探测到的事件。但是，在许多情况下，探测器块17生成乱真(spurious)信号，该乱真信号是由除事件之外的原因引起的。触发器保护模块处理器18免受这些信号的过度影响(overwhelm)。触发器的功能是拒绝那些不可能表示事件的信号，以及向模块处理器18提供剩余的信号。
图2更加详细地示出了触发器的架构。在每个光电倍增管22处接收到的信号的波形，这里称为“候选信号24”，被提供到高带通滤波器26。然后，利用第一采样频率对所得到的经过高带通滤波的候选信号28进行采样。这些将被称为“高频样本”的样本存储在诸如FIFO存储器的第一存储器30中。
类似地，候选信号24也被提供到低带通滤波器32。低带通滤波器的通带涵盖比高带通滤波器的通带低的频率。然后，以低于第一采样频率的第二采样频率对所得到的经过低带通滤波的候选信号34进行采样。这些将被称为“低频样本”的样本存储在诸如FIFO存储器的第二存储器36中。
图2中所示的两种不同的存储器30、36只表示在逻辑上有两个存储器。这两个逻辑存储器可以实施在一个物理存储器或者分布在若干物理存储器中。
一般来说，高带通滤波器26和低带通滤波器32的通带将在某种程度上有重叠。高带通滤波器26的通带应当具有这样的上截止频率，即，该上截止频率在高频噪声开始削弱识别候选信号24的上升沿的出现的能力的频点以下。低带通滤波器32的通带被选择为提供足够的带宽用于获得与候选信号的幅度相关的信息的，而无需接受被过度噪声影响的高频分量。
候选信号24的特征有时不同。在某些情况下，这些特征与所探测到的伽马射线一致。在另一些情况下，它们不一致。例如，某些候选信号24表示的电压可能罕见地低。或者，候选信号24的时间卷积可能是非典型的(atypical)伽马射线相互作用(interaction)。
数字触发器38保护模块处理器18免受乱真(specious)候选信号的过度影响，乱真候选信号诸如那些可能由伽马射线相互作用之外的原因引起的信号。数字触发器38被编程为检查从候选信号24得到的数据，并且然后执行特定规则，这些特定规则将候选信号24归类为可能由伽马射线相互作用而引起的信号、或者归类为杂散信号。
一般说来，用于分类候选信号24的具体规则是可编程的。因为这些规则可编程，所以数字触发器38能够实现多种分类算法，以供确定候选信号是否可能表示事件。数字触发器38的可编程性使得能够由操作员或自适应地改变分类算法，以适应变化的环境。例如，限定条件(qualifying condition)可能导致通过分支、考虑额外输入来改变分类算法，或者通过改变分类算法所考虑的参数来改变分类算法。在某些实施方式中，即使在数据处理继续的同时，数字触发器38也可以被编程或改变，而无需中断处理。
数字触发器38在针对候选信号24做出决定时不需要依赖模拟信息。结果是，由数字触发器38执行的规则不受与模拟信息的操纵和存储相关联的困难所约束。这些困难包括模拟信息的失效，这样的失效常常发生在其操纵理和存储期间。
数字触发器38与存储器30、36中的一个或二者进行数字通信。结果是，可编程规则能够容易地充分利用(exploit)来自当前候选信号24候选信号之外的候选信号的信息、或者来自组成(make up)当前候选信号24的波形的不同部分的信息。从而，数字触发器38能够实现那些基于先前信号对当前候选信号24进行分类的规则。或者，数字触发器38可以推迟对候选信号24的分类，直到获得了另外的候选信号。这使得数字触发器38能够实现依赖于在接收到待分类的候选信号24的时候还不可用的信息的分类规则。
在图2所示的实施例中，数字触发器38充分利用得自于高频样本28和低频样本34二者的信息。它通过执行时间(timing)限定器处理过程40(下文中称为“时间限定器40”)和能量限定器处理过程42(下文中称为“能量限定器42”)来完成上述过程。时间限定器40基于高频样本28分类候选信号。能量限定器42基于低频样本34分类候选信号。比较器44，其在图2中被表示为AND(与)门，仅在时间限定器40和能量限定器42就候选信号24很可能代表事件达成一致的条件下将候选信号视为代表事件。
由于时间限定器40的输出和能量限定器42的输出在不同时间可用，所以通过将这两个输出中较早的那个放到延迟线中来实施比较器44。延迟线将两个输出中较早的那个延迟，直到较晚的那个也变为可用。在该时间点上，能量限定器42和时间限定器40的输出二者均可用，因此可以将它们进行比较。
由时间限定器40和能量限定器42二者或者其中之一实施的一个规则是单对斜率测试(single-pair slope test)。在实施单对斜率测试中，限定器40、42检查与存储在存储器30、36中的样本对相关联的斜率。在某些实施方式中，这些样本是连续的。但是，在其它实施方式中，这些样本被一个或多个其它样本分隔开。如果结果得到的斜率超出了阈值，那么限定器40、42就将候选信号分类为很可能代表事件。结果得到的分类由提供到比较器44的逻辑输出信号46、48表示。
由时间限定器40和能量限定器42二者或者其中之一实施的另一个规则是多对斜率测试。当执行多对斜率测试时，限定器40、42检查与存储在存储器30、36中的两对或多对样本相关联的斜率。如果具有超出斜率阈值的相关斜率的样本对的数目超过计数阈值(count threshold)，那么限定器40、42就将候选信号分类为很可能表示事件。结果得到的分类由提供到比较器44的逻辑输出信号46、48表示。
多对和单对斜率测试对于检测候选信号波形的边沿是有用的。通过测量在两个不同时间的斜率的差，限定器40、42将灵敏度(sensitivity)降低至基线位移(baseline shift)。通过适当重新编程限定器40、42，例如，通过为斜率差定义不同的阈值以及通过改变测量斜率差的时间，人们可以基于不同的斜率范围调节限定器40、42以接受或拒绝候选信号。
由限定器40、42执行的其它规则包括那些针对由于快速连续接收两个候选信号而导致的信号积聚(pile-up)进行校正的规则。在这些情况下，较早候选信号的尾部可能没有衰减(decay)到足以避免被加到较晚候选信号的开头。限定器40、42通过存储候选信号的尾部幅度以及使得该幅度的衰减部分从随后的候选信号中被减去，来对其进行校正。触发使用尾部删节(cancellation)所需要的衰减速率和参数均是可编程的。
由限定器40、42执行的其它规则包括那些针对光电检测器22在其视场边界的灵敏度降低进行校正的规则。灵敏度随着人接近视场边界而降低被称为“加冕(crowning)”。
从而，数字触发器38使用存储器30、36中的样本，以针对候选信号24是否代表伽马射线相互作用做出判断。这些所存储的样本的可用性允许在对特定判断做出约定之前对信息进行粗略的和可编程的处理。这使得基于具体体现在先前样本中的信息对当前样本做出可实践的判断。因为样本被存储在存储器30、36中，直到做出判断，所以可以在任意时间从存储器30、36的不同部分读出代表不同时间的样本，由此使得由数字触发器38实施的规则在复杂度上能够被改变，而不更改数据存储需求。
前述特征使得数字触发器38能够并行执行多个独立过程，如图2所示。例如，在图2中，时间限定器40和能量限定器42不彼此交互，并且因此能够相互独立地执行。
虽然图2示出了限定器的具体类型，也即能量限定器42和时间限定器40，但是数字触发器38并不局限于执行那些特定类型的限定器。示出能量限定器和时间限定器42、40仅为了具体描述数字触发器38的具体实施例。数字触发器38也不局限于仅并行执行两个处理过程。
图2示出了数字触发器38的架构的一个示例。具体来说，图2示出了其中两个处理过程并行执行的架构。但是，其它架构也是可能的。在图3中所示的一个这样的架构是多级数字触发器45的架构，其中，候选信号经历连续级联处理过程的不同测试。
现在参照图3，多级数字触发器45包括A/D转换器46，用于对来自光电倍增管22的候选信号进行采样。样本放在与第一处理过程50通信的存储器48中。第一处理过程50实现分类算法，该算法基于相对简单和快速的测试将候选信号的某些部分视为不合格。然后，第一处理过程50将通过该测试的那些候选信号转送到第二处理过程52，该第二处理过程52对剩余的候选信号执行第二测试。第二处理过程52将另外的候选信号视为不合格并且将剩余的候选信号转送到模块处理器18。
图3中所示的架构，其中处理过程50、52被级联，可以扩展为多于两个处理过程。在这种情况下，筛选(winnowing)持续进行，每一个接连的处理过程渐进地对较少的候选信号执行较为耗时的测试。
在每个级，对于候选信号的测试结果的信息可以被转送到后面的级，以供该级所用。在确定事件是否可能是并发事件的一部分时，可选地用要被并发事件处理器使用的加权系数对那些通过所有级并且之后从数字触发器38“获得资格(graduate)”的候选信号进行标记。
也可以使用多级递归(multi-level recursion)来实现如图3中所示的多级数字触发器45。在这种情况下，处理过程递归地调用另一处理过程是以以下方式进行的，即，被调用的处理过程可能调用又一个处理过程。
上面所描述的并行的、串行或级联的的架构以及递归的架构可以组合成混合架构。例如，多级数字触发器可以包括如图2所示的处理过程在其中独立执行的级。或者，多级数字触发器38的一级或多级可以执行嵌套式处理过程，并且从而具有多级递归处理过程的属性。
如图3所示的用于数字触发器45的多级架构避免了需要基于单个检查来决定候选信号是否被视为适合于转送到并发事件处理器的事件。通过提供多级数字触发器45，人们可以对所选择的候选信号进行更高等级的仔细检查。这导致更有可能是正确的判断。
显然，本领域的技术人员现在可以在不脱离本发明构思的条件下对这里公开的装置和技术进行许多修改和改变。因而，本发明应当被理解为包含这里公开的并且仅由后附权利要求的精神和范围限定的装置和技术中所提出或具有每个新特征以及特征的新组合。