伽玛射线放射成像装置及能量校准方法

摘要

高精度地进行能量的校准。实施方式的伽玛射线放射成像装置，具备取得部和校准部。取得部取得对检测器入射的放射线的校准数据，该校准数据包含有在来自闪烁器晶体内的放射性同位素的放射线照射到所述检测器时收集的第一能谱。校准部将由所述检测器测定出的能量信号应用于非线性能量校正，对所述非线性能量校正的参数进行调整，以使对被吸收的放射能量进行表示的基准频谱的基准值与在所述校准数据的所述第一能谱被应用于所述非线性能量校正时生成的校准后的能量之间的一致最优化，由此进行能量校准。

说明书

相关申请的参照

本申请享受2020年2月12日申请的美国专利申请16/788,741、及2020年9月24日申请的日本国专利申请2020-159887的优先权的利益，这些申请的全部内容被引用于本申请。

技术领域

本说明书等公开的实施方式涉及伽玛射线放射成像装置及能量校准方法。

背景技术

在PET(Positron Emission Tomography，正电子放射断层摄影)成像、SPECT(Single Photon Emission Point Tomography，单光子放射型计算机断层摄影)成像这样的伽玛射线放射成像中，作为入射的伽玛射线的能量的函数的、检测器的响应，有时从线性响应偏离而具有非线性响应。

作为产生非线性响应的例子，例如可举出使用硅光电倍增管(SiPM)作为检测器的情况。另外，作为产生非线性响应的另一个例子，可举出使用阈值超过时间(ToT)来推定入射伽马射线的能量的情况。

因此，在该情况下，优选高精度地进行能量的校准。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第6150655号说明书

发明内容

本说明书等所公开的实施方式所解决的技术问题之一，是高精度地进行能量的校准。但是，通过本说明书等所公开的实施方式来解决的技术问题并不限定于上述技术问题。也能够将与由后述的实施方式所示的各结构带来的各效果对应的技术问题作为本说明书等所公开的实施方式所解决的其他技术问题而定位。

实施方式的伽玛射线放射成像装置，具备取得部和校准部。取得部取得对检测器入射的放射线的校准数据，该校准数据包含有在来自闪烁器晶体内的放射性同位素的放射线照射到所述检测器时收集的第一能谱。校准部将由所述检测器测定出的能量信号应用于非线性能量校正，对所述非线性能量校正的参数进行调整，以使对被吸收的放射能量进行表示的基准频谱的基准值与在所述校准数据的所述第一能谱被应用于所述非线性能量校正时生成的校准后的能量之间的一致最优化，由此进行能量校准。

附图说明

图1A是表示一个实施方式的具备向各个微单元入射的2个光学元件的硅光电倍增管(SiPM)检测器的图。

图1B是表示一个实施方式的具备向各个微单元入射的6个光学元件的SiPM检测器的图。

图1C是表示一个实施方式的SiPM检测器的非线性能量响应的图。

图2A是表示一个实施方式的超过阈值的时间(Time-Over-Threshold：TOT)测定的曲线的图。

图2B是表示一个实施方式的作为峰值高度相对于阈值之比的函数的TOT的曲线的图。

图3是表示一个实施方式的1通道检测事件的原始测定能量与2通道检测事件的原始测定能量的合计如何不同的图。

图4是表示一个实施方式的作为测定出的能量信号的函数而绘制出的镥同位素176(Lutetium Isotope 176：Lu-176)的频谱的图。

图5是一个实施方式的执行能量校准并重构正电子放射断层摄影(PET)图像的方法100的流程图。

图6是表示一个实施方式的对能量校准数据曲线拟合的能量校准模型的曲线的图。

图7是一个实施方式的Lu-176频谱的基于物理学的模型的Lu-176的能级图。

图8是表示按照一个实施方式的与对Lu-176频谱做贡献的各个衰减路径/放射过程有关的频谱的曲线的图。

图9A是一个实施方式的PET扫描仪的立体图。

图9B是一个实施方式的PET扫描仪的概略图。

图10是一个实施方式的放射出单一能量的放射线的放射线源的存在下的摄像扫描仪中的散射过程的概略图。

图11A是表示检测器具有正确的能量分辨率时的、图10所示的各种散射过程所贡献的吸收放射线的曲线图的图。

图11B是表示检测器具有受限的能量分辨率时的、图10所示的各种散射过程所贡献的吸收放射线的曲线的图。

具体实施方式

以下，参照附图对伽玛射线放射成像装置及能量校准方法的实施方式进行详细说明。

首先，使用图9A以及图9B，对实施方式的伽玛射线放射成像装置的结构进行简单地说明。

图9A以及图9B表示由配置成环状的检测器模块(即，伽玛射线检测器(Gamma-RayDetectors：GRD))构成的PET扫描仪200的非限定的例子。在各检测器模块中能够包括检测器元件的多个阵列。GRD包括将伽玛射线变换为闪烁光子(光、红外线、紫外线等的波长)并由光检测器检测的闪烁器晶体阵列。在图9A以及图9B所示的非限定的例子中，光检测器是远大于各个闪烁器晶体元件的光电倍增管(PMT)。在优选的一个实施方式中，该光检测器是能够具有与各个闪烁器晶体元件的截面积近似的检测截面的硅光电倍增管(SiPM)，在晶体与光检测器之间形成一对一的对应。若光检测器比晶体大以便单一的光检测器被用于来自多个晶体的光信号的检测，则能够使用安格运算(Anger arithmetic)来决定上述位置。但是，在晶体与光检测器之间存在一对一的对应的情况下，不一定需要安格运算。

图9A以及9B表示能够实施方法100以及160的PET扫描仪200的非限定的例子。PET扫描仪200包括分别作为长方形的检测器模块而构成的多个伽玛射线检测器(GRD)(例如，基于GRDN的GRD1、GRD2)。根据一个实施方式，检测器环包括40个GRD。在另一实施方式中，存在48个GRD，为了增大PET扫描仪200的内径尺寸而使用更多的GRD。

各GRD能够包括吸收伽玛射线、并放射闪烁光子的各个检测器晶体的二维排列。闪烁光子能够通过也配置于GRD的光电倍增管(PMT)的二维排列来检测。能够在检测器晶体的阵列与PMT之间配置光导。

或者，闪烁光子能够通过硅光电倍增管(SiPM)的阵列来检测，各个检测器晶体分别能够具有SiPM。

各光检测器(例如PMT或SiPM)能够生成对闪烁事件发生的时间和发生了检测事件的伽玛射线的能量进行表示的模拟信号。进而，从1个检测器晶体放射的光子能够由多个光检测器检测，另外，能够基于由各光检测器生成的模拟信号，使用例如安格逻辑以及晶体解码来决定与检测事件对应的检测器晶体。

图9B表示具有以检测从被检体OBJ放射的伽玛射线的方式构成的伽玛射线(γ射线)光子计数检测器(GRD)的PET扫描仪系统的概略图。GRD能够测定与各伽玛射线检测对应的定时、位置、能量。在一个实施方式中，如图9A及图9B所示，伽玛射线检测器配置为环状。检测器晶体可以是闪烁器晶体，其具有配置成二维阵列的各个闪烁器元件，该闪烁器元件可以是任意的已知闪烁材料。上述PMT能够配置为，通过多个PMT检测来自各闪烁器元件的光、且能够进行闪烁事件的安格运算以及晶体解码。

图9B表示PET扫描仪200的配置的一例，所拍摄的被检体OBJ载置于床216上，GRD模块GRD1～GRDN在被检体OBJ以及床216的周围沿圆周方向配置。GRD固定结合于与机架240固定结合的圆形组件220。机架240收容PET成像装置的大部分。PET成像装置的机架240还包括能够供被检体OBJ以及床216通过的开口，通过湮灭事件从被检体OBJ向相反方向放射的伽马射线能够通过GRD来检测，并且能够使用定时以及能量信息来判断伽马射线对的同时发生。

在图9B中还示出了用于收集、保存、处理以及发布伽马射线检测数据的电路及硬件。该电路及硬件包括处理电路270、网络控制器274、存储器278及数据收集系统(DAS)276。上述PET成像装置还包括从GRD向DAS276、处理电路270、存储器278以及网络控制器274对检测测定结果进行路由的数据信道。DAS276能够控制来自检测器的检测数据的取得、数字化以及路由。在一个实施方式中，DAS276控制床216的动作。如在本说明书中说明的那样，处理电路270执行包括根据上述检测数据的图像的重构、上述检测数据的重构前处理、以及上述图像数据的重构后处理在内的功能。

处理电路270是执行程序而实现与各程序对应的功能的处理器。例如，后述的取得功能、校准功能、检测功能、生成功能等各处理功能(未图示)以能够由计算机执行的程序的形态存储于存储器278。在该情况下，处理电路270通过从存储器278读出程序并执行，从而实现与各程序对应的功能。或者，也可以代替在存储器278中保存程序，而将各功能作为逻辑电路直接装入到处理器的电路内。换言之，处理电路270具有取得功能、校准功能、检测功能、生成功能等各处理功能。另外，取得功能、校准功能、检测功能、生成功能分别是取得部、校准部、检测部、生成部的一例。例如，取得功能取得对检测器入射的放射线的校准数据，该校准数据包括了在来自闪烁器晶体内的放射性同位素的放射线照射到检测器时收集的第一能谱。另外，校准功能将由检测器测定出的能量信号应用于非线性能量校正，对非线性能量校正的参数进行调整，以使对被吸收的放射能量进行表示的基准频谱的基准值与在校准数据的第一能谱应用于非线性能量校正时生成的校准后的能量之间的一致最优化，由此进行能量校准。

处理电路270能够构成为执行本说明书中说明的方法100以及160的各种步骤以及其变形。处理电路270能够包括能够作为个别的逻辑门、面向特定用途的集成电路(Application Specific Integrated Circuit：ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array：FPGA)、或者其他的复合可编程逻辑器件(ComplexProgrammable Logic Device：CPLD)而安装的CPU。FPGA或CPLD的安装可以用VHDL、Verilog或其他硬件描述语言进行代码化，该代码可以直接或作为单独的电子存储器保存在FPGA或CPLD内的电子存储器中。此外，该存储器可以是ROM、EPROM、EEPROM或闪存器这样的非易失性的。该存储器也可以是静态或者动态RAM这样的易失性的，另外，微控制器或者微处理器这样的处理器为了管理电子存储器，以及为了管理FPGA或者CPLD与存储器之间的相互作用而设置。

或者，处理电路270内的CPU能够执行包括执行方法100和160的各种步骤的一组计算机可读命令在内的计算机程序，该程序保存在上述的非暂时的电子存储器和/或硬盘驱动器、CD、DVD、闪存驱动器或其他已知的保存介质中。进而，上述计算机可读命令可以作为美国的英特尔的Xeon处理器或美国的AMD的Opteron处理器那样的处理器、以及微软VISTA、UNIX(注册商标)、Solaris、LINUX(注册商标)、Apple、MAC-OS等操作系统、以及与本领域技术人员已知的其他操作系统组合而执行的实用程序、后台守护、或者操作系统的组件、或者它们的组合来提供。进而，CPU能够作为为了执行命令而并列地协调动作的多个处理器而安装。

存储器278可以是硬盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、闪存驱动器、RAM、ROM、或在该技术领域中已知的其他任意的电子存储装置。

如美国的英特尔(Intel Corporation)的英特尔以太网(Intel Ethernet，注册商标)PRO网络接口卡那样的网络控制器274，能够对PET成像装置的各种各样的部分进行接口。此外，网络控制器274还能够与外部网络进行接口。为了能够理解，外部网络能够设为因特网那样的公共网络、或者LAN或者WAN网络那样的专用网络、或者它们的任意的组合，还能够包括PSTN或者ISDN子网络。该外部网络既可以是如以太网网络那样的有线，也可以是包括EDGE、3G、以及4G无线蜂窝系统在内的蜂窝网络那样的无线。无线网络也可以是WiFi、蓝牙(注册商标)或其他已知的无线形式的通信。

以下说明的实施方式，涉及伽玛射线检测器中的能量检测，更详细而言，涉及使用具有比完全的单一能量峰值更多的频谱特征的单一的(或即便多也是几个的)能量源，来对伽玛射线检测器的能量校正进行校准。

对实施方式的背景简单地进行说明。在PET成像中，示踪剂被导入于患者，该药剂通过其物理的及生物体分子的特性，集聚在患者体内的特定的场所。该示踪器放射出正电子，在该正电子与电子碰撞时带来湮灭事件，生成分开大致180度地前进的2个伽玛射线(在511keV中)。

PET成像系统使用在患者周围配置的检测器，检测伽马射线的同时发生对。检测器的环能够用于检测来自各角度的伽马射线。因此，PET扫描仪为了使各向同性放射线的捕获最大化，可以实质上为圆筒形。PET扫描仪能够由配置成二维闪烁器阵列的数千个晶体(例如，正硅酸镥(Lutetium Ortho silicate：LYSO)或其他闪烁晶体)构成，这些晶体被封装于用于测定来自各个闪烁事件的光脉冲的、具备光检测器的模块。例如，来自闪烁器晶体阵列的各元件的光能够在多个光电倍增管(Photomultiplier Tube：PMT)之间共享，或者能够通过与闪烁器晶体阵列的元件一对一地对应的硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier：SiPM)进行检测。

为了借助断层重构原理来重构示踪器的时空分布，检测出的各事件，关于其能量(即，所生成的光的量)、其位置及其定时而带有特征。通过检测上述2个伽玛射线、并引出它们的位置之间的线、即响应线(Line-Of-Response：LOR)，由此能够决定原始的衰变(disintegration)的可能性存在的位置。上述定时信息也可以用于基于该2个伽马射线的飞行时间(Time-Of-Flight：TOF)信息来决定沿着上述LOR的湮灭的统计分布。通过累积大量的LOR，能够执行断层重构，而决定患者内的放射能的空间分布(示踪器密度等)的体积图像。

SPECT除了使用准直器来限制对各检测器元件(例如，闪烁器晶体阵列的各个元件)入射的伽玛射线的立体角、并不为了决定LOR而需要同时发生、而是能够使用单一伽玛射线检测事件进行重构这一点之外，与PET类似。

除了位置信息(例如LOR)以及定时信息(例如TOF)之外，PET以及SPECT系统的检测器也能够在图像重构过程中取得以及使用能量信息。能量校准对于全部PET检测器来说是重要的。例如，为了大幅减少散射对于最终图像的的贡献，适当的能量校准能够进行能量切割。

在许多PET检测器中，检测器的能量响应大致为线性。在这些情况下，能量校准能够使用单一的能量来执行。在为线性响应的情况下，能量校准包括决定将与511keV的伽玛射线对应的测定信号电平变换为所希望的目标值的比例系数。

但是，能量测定由于测定过程的非线性、例如与多通道伽玛射线检测时的通道间的光/电荷共享相关联的实用的考虑要件(例如，以能够起因于康普顿散射而产生的方式，伽玛射线能量在多个检测器/通道中被吸收)，有可能从理想的线性响应偏离。因此，为了对被像素化的伽玛射线检测器的能量测定值进行校准，期望得到改善的技术。

正电子放射断层摄影(PET)以及单光子放射型计算机断层摄影(SPECT)成像的某实施方式，涉及决定检测出的伽马射线的位置、时间以及能量的能力。例如，能够使用时间以及能量窗，将散射的随机的伽玛射线与从相同的正电子湮灭事件发生的同时发生的伽马射线相区别。这样，同时发生识别的可靠性依赖于定时和能量的校准精度。

因此，期望伽玛射线检测器的得到改善的能量校准。但是，在这些改善的方法中，需要尽可能地避免能量校准的时间及费用的增加。例如，在上述的改善的方法中，如果可能，则需要减少能量校准线源的数量和校准过程的步骤数。即，该改善后的校准方法应该目的在于，提供更准确的能量校准的同时在时间和成本方面更有效。

作为输入能量的函数的、检测器的响应，有可能由于各种实际的考虑事项而偏离理想的线性响应。为了对该非线性能量响应进行校正，本说明书中说明的方法及装置使用得到改善的能量校准方法，生成实质上为线性的校正后的能量值。

伽玛射线检测过程中存在许多非线性的原因。例如，使用硅光电倍增管(SiPM)作为闪烁器基底的伽玛射线检测器中的光传感器、及使用超过用于振幅推定的阈值的时间(ToT)方法，有可能带来显著的能量值的非线性。为了得到正确的能量信息，特别是在能量伽玛射线被分散于多个晶体且被检测的多通道检测事件中，该对非线性进行校正是重要的(例如，由于康普顿散射，能量有可能在多个晶体间共享)。关于与能量的非线性对于多通道事件的检测带来的影响有关的追加的详细内容，在后面参照图3来提供。

能量信号能够通过将蓄积于晶体的能量被变换为电信号而取得，接着，该电信号能够数字化。该数字化过程能够通过各种方法来执行。在将伽玛射线的能量测定值数字化的方法中，超过阈值的时间(TOT)法具有费用效果高、且能够简单地应用于需要高的通道密度的应用中的优点。TOT值是特定的通道的吸收能量的单调增加函数，但TOT与实际的能量的关系可能不是完全为线性。该非线性检测器的响应以及其他非线性检测器的响应能够使用在此说明的方法来修正。

在检测器的灵敏度元件为晶体阵列的情况下，由于晶体间散射(康普顿散射等)、光共享、电荷共享，有可能发生多个晶体/读出通道间的入射伽马射线能量的共享。即，来自单一的511keV伽玛射线的能量在多个通道中被共享/分配，因此这些各通道仅检测出该伽玛射线的总能量的一部分。但是，原始的伽马射线的合计能量仅在非线性被校正的情况下，能够通过对来自各个通道的能量进行合计来恢复。

在多通道检测事件中，以规定的通道检测的能量为511keV至伽玛射线检测器的检测下限(例如80keV)的范围，因此伽玛射线检测器的能量校准优选达到该范围。

遍及大范围的能量地进行校准的1个方法是使用放射不同能量的多个射线源(例如不同同位素等)。例如，使用来自外部伽玛射线源或上述晶体的放射线背景，能够提供不同能量的伽玛射线。

与多射线源校准方法对照，在此说明的方法使用其自身具备遍及大量不同的伽玛射线能量(例如，大量的离散能量和/或能量的连续体)地高度结构化的能量特性的伽玛射线源。因此，使用单一的伽马射线源(例如镥同位素176、Lu-176)或几个在实施方式中为2个伽马射线源(例如第二放射线源可以是锗同位素、Ge-68或氟同位素18、F-18中的任一种)，能够实施大范围的伽马射线能量的能量校准。

例如，使用了硅光电倍增管和动态时间阈值振幅推定的伽玛射线检测器表现出能量的显著的非线性。在一定的实施方式中，本说明书中说明的方法使用Lu-176本底谱(background spectrum)的2个以上的频谱特征，提取非线性校正系数。镥(Lu)基底的闪烁器经常用于正电子放射断层摄影(PET)检测器的飞行时间(TOF)测定。Lu-176的放射能力弱，因此，在不使用PET扫描仪的时间内，在任何时间都能够蓄积本底谱。该本底谱作为在检测中使用的闪烁器的一部分而被组装于PET扫描仪，因此不需要外部放射源。因此，能够将用于取得能量校准频谱的追加的劳力抑制为最小限度。

在此，参照附图时，遍布几个附图地同样的参照标号表示相同或对应的要素，图1A～图1C表示在硅光电倍增管(SiPM)中产生的第一非线性的原因，图2A及图2B表示在使用超过阈值的时间(TOT)作为伽马射线能量的尺度的情况下产生的非线性的第二个原因。

图1A表示低通量的情况下的SiPM检测器，在该情况下，2个光子入射到位于35微单元(即，5微单元×7微单元)的二维(2D)阵列内的2个微单元。在多数情况下，在SiPM检测器中有数千个微单元，但在此，作为用于说明的被简化的例子，使用被减少的数量的微单元。图1B示出了6个光子入射到35个微单元中的6个微单元的中等程度的通量的情况下的SiPM检测器。SiPM是作为称为微单元的微细的盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-ModeAvalanche Photodiode：G-APD)元件的二维排列而形成的光检测器。该架构由于SiPM的输出脉冲的振幅与入射到器件表面的光子的数量成比例(遍及某范围的强度)，因此克服单一G-APD的缺点。但是，如果光子通量充分地变大而2个光子入射到相同的微单元的概率不能忽视，则作为入射光子数的函数的信号开始翻转(roll over)，成为非线性。该非线性在图1C中示出，在此，沿着水平轴表示的伽马射线能量与入射到SiPM的光学光子的数量成比例。在PET检测器中，存在光学光子通量变大的情况(例如，按每个511keV的伽马射线，生成数千光子)，SiPM需要大的动态范围。

如上所述，SiPM的输出信号是受光的微单元的信号的合计，因此输出信号与入射光子的数量相关。动态范围由装置内的单元的数量决定，只要对每个SiPM单元相互作用的光学光子为1个以下，则SiPM信号与光强度的线性得以维持。在与该条件相反的高的光强度下，信号饱和，产生入射光电平下的非线性。在PET的情况下，由此在检测器信号与蓄积于闪烁器的能量之间产生非线性，基于能量损失来拒绝康普顿散射湮灭光子的能力、或者拒绝由在相同的闪烁器元件内同时相互作用的2个湮灭光子脉冲带来的堆积(pile-up)的能力降低。

图2A表示由伽玛射线的检测带来的脉冲的曲线，电压沿着垂直轴绘制，时间沿着水平轴绘制。进而，图2A表示约1.2毫伏的预先定义的阈值，脉冲超过该阈值的时间是TOT值。如图2B所示，TOT值与检测出的伽玛射线的能量为单调地关系，其能够通过脉冲的曲线下的面积或脉冲的振幅来表示。对于低于上述阈值的信号，信号/检测未被示出。

除了上述例示的检测器的饱和非线性以及TOT非线性之外，PET检测器中有时有产生非线性的其他因素。与非线性的供给源或类型无关，在此说明的校准方法是一般性的，与非线性的供给源无关地、能够应用于全部的检测器非线性。即，在本说明书中，出于例示的目的而使用了检测器饱和以及TOT的非线性，但这些PET检测中的非线性的例子并不是限定性的。

由非线性引起的错误有可能因多通道检测事件而恶化，这在来自单一的伽马射线的能量在多个检测器元件之间被共享并被检测时发生(例如康普顿散射、光学串扰等)。但是，通过判断哪个检测事件是多通道事件，接着识别出从相同的伽马射线产生的多通道事件组(例如，基于检测时间、空间的接近和/或各个能量的事件)，由此能够恢复总能量。接着，将根据从相同伽玛射线产生的全部事件测定出的能量进行合计，并对上述被共享的能量进行合计，能够重构出原始的伽玛射线的总能量。即，对来自各个共享能量的检测器的能量进行合计，而决定该伽玛射线的总能量。即，校准功能在例如发生了由康普顿散射或光学串扰引起的多通道检测事件的情况下，能够在进行能量校准后恢复总能量。在不对该非线性进行校正而对原始的能量信号进行合计、并作为图3所示那样的单通道检测事件而测定能量的情况下，表示不同的合计能量值(例如更大的值)。

特别是，图3表示从TOT测定产生的非线性的事例，对比了单通道事件和多通道检测事件。事件1是511keV的伽马射线能量整体蓄积于单一的晶体的单通道检测事件。在右侧示出以由正电子-电子湮灭引起的伽玛射线的511keV能量为中心的能量窗。事件2以及3对应于2个晶体分别检测合计511keV的伽马射线的能量的一部分的2通道检测事件。

在事件2中，在第一晶体中检测到171keV，在第二晶体中检测出340keV(即，合计能量为171keV+340keV＝511keV)。在事件3中，第一晶体和第二晶体分别吸收/检测255keV和256keV的能量。如图3的右侧所示，在无非线性校正的情况下，事件2的能量和事件3的能量的合计在指定的能量窗的范围外。两个事件都蓄积合计511keV，但由于没有针对测定信号的非线性校正，所以合计信号远大于对511keV的单通道检测进行登记的情况，因此这些事件被丢弃，因此作为结果而发生灵敏度下降。

例如，闪烁器以及SiPM基底的伽玛射线检测器的检测事件的65％成为单晶体/单通道的检测事件是不少见的，通过康普顿散射，检测出的伽玛射线的30％成为2通道检测事件，另外5％成为3通道检测事件。在该情况下，若排除多通道检测事件，则单一计数率降低至65％的效率，同时计数率降低至42％的效率。PET成像为了决定响应线(LOR)而依赖于同时检测，因此若排除多通道检测事件，则整体的灵敏度降低50％以上。

本说明书中使用的“能量”的用语，并不限定于与实际的能量或真正的能量直线地关联的校准后的能量。通常，本说明书中使用的“能量”的用语表示实际的能量或真正的能量且单调地指定与其关联的能量坐标。因此，“能量”的用语只要上下文不特别明确地表示其他情况，则未必指实际的能量或真正的能量。

例如，在此，在对能量的合计进行说明的情况下，该合计能够针对“能量坐标”执行，而不针对与实际的能量线性关联的校准值执行。测定出的/原始的能量E

如上述所讨论的那样，本说明书中说明的方法，通过与为了进行能量校准而使用大量的单独的射线源及同位素的相关的校准方法进行比较，能够更好地理解。例如，在用于对非线性进行校准的这些关联方法中，为了导出将使用目的的范围覆盖的多个能量的频谱位置，使用多个同位素进行测定。在生产环境或临床环境中频繁更换多个同位素是昂贵的，测定耗费时间且麻烦，因此不希望使用该方法。

但是，多射线源能量校准在PET扫描仪的初始(一次)校准(例如，最初安装PET扫描仪时)中仍然是有用的。然后，仅使用Lu-176频谱或与来自其他放射性同位素的频谱组合地使用Lu-176频谱的、为了将能量校正更新而执行的缩短校准过程，能够进行后续的(二次)校准。由于初始/一次校准是仅限1次的事件(或者至少是很少的事件)，因此更复杂的校准过程的多余的负担也能够正当化，与此相对，对该能量校准进行再校准/更新是更频繁地产生，因此将再校准所需的时间以及劳力抑制在最小限度是非常重要的。

为了克服大量的射线源的校准方法所需要的追加的时间和劳力，在本说明书中说明的方法活用PET扫描仪能够使用镥基底的闪烁器来制造这一事实。存在于闪烁器的Lu-176提供在校准和/或每日的品质管理中能够使用的本底放射线(background radiation)。在能量的非线性校准中使用Lu-176的本底谱，能够替换使用多个同位素的程序(routine)的能量非线性校准。图4表示作为校正后的全部能量的函数的Lu-176的本底谱的曲线。观察可知，Lu-176本底谱具有相当多的结构。因此，非线性校准的1个方法是使用拟合方法，决定赋予所测定的频谱与参数化模型之间的最佳一致的参数值(其中一部分表示非线性)。

图5表示具备生成能量校准115的第一过程和使用能量校准115校正原始数据105的第二过程的方法100的流程图。接着，使用该校正后的数据155重构图像。图5所示的实施方式是在此说明的校准方法的非限定的例子。在使用校正后的数据155重构图像的医疗用成像模式(imaging modality)的例子中，包括PET及SPECT图像。即，伽玛射线放射成像装置也可以是正电子放射断层摄影(PET)扫描仪以及单光子放射计算机断层摄影(SPECT)扫描仪中的1个。此外，在其他实施方式中，方法100能够用于投影成像，在该情况下，方法100能够省略步骤170，输出成为基于步骤160中的滤波后的校正数据155的投影图像。使用该其他实施方式的医疗用成像模式的1例是为了投影图像而使用伽玛射线的单光子放射。并且，能够与构成为伽马照相机的伽玛射线检测器的阵列一起使用任意的伽玛射线源来执行投影成像。

在步骤110中，使用校准数据103来生成能量校准115。为了保证能量校准115不为劣决定，由校准数据103提供的频谱特征的数量必须为能量校准115中的固有参数的数量以上。例如，校准功能使用与已知的能量对应的基准频谱的n个频谱特征作为基准值，使基准值与校准后的能量之间的一致最优化，非线性能量校正的参数的数量为频谱特征的数量的n个以下。例如，能量校准115可以由以下的式(1)表示。

[数式1]

E＝f(x，p)＝α(β|+e

在式(1)中，E是校准后的能量，x是原始的能量信号(在此，它们作为原始的能量信号的非限定性的例子即TOT值来表示)，p＝{α，β，γ}是定义能量校准115的参数。参数p定义目标函数(最小二乘目标函数或对数似然目标函数等)，关于最优化后的该参数p值，能够通过求解上述目标函数并达成使用能量校准115得到的校准后的能量与频谱特征的已知的能量值之间的一致来求解。

在一个实施方式中，步骤110通过找到解决最优化问题的参数p来执行。参数p例如可以由以下的式(2)表示。

[数式2]

在式(2)中，E

关于597keV的边缘，在决定与597keV边缘有关的原始的能量信号的1个方法中，使用物理基体的模型(关于其详细内容在以下叙述)，针对遍及预先确定的能量的范围(例如，550keV～1MeV的范围的能量)的值的范围，使其拟合于Lu-176校准频谱的形状。如以下说明的那样，597keV与β伴线(beta replica)对应。进而，β伴线5～7在550keV～1MeV的范围内能够显著地做出贡献，与此相对，在该能量范围内，存在其他的β伴线的贡献不显著的可能性。如果被赋予基于202keV和307keV的峰值形状能够决定的频谱分辨率的值，则能够事先计算这些β伴线的频谱形状。接着，对β伴线的预先计算出的频谱形状的加权和进行调整，对沿着原始的能量信号轴被合计的频谱进行变换，实现被模拟的频谱与Lu-176校准频谱之间的最佳的拟合，由此能够计算被模拟的频谱。通过沿着原始能量信号轴的模拟的频谱的最佳位置来提供597keV边缘的原始能量信号。

另外的方法也能够使用于取得与第三频谱特征对应的原始的能量信号。例如，可以将峰值间的值作为该第三频谱特征来使用。或者，可以将597keV边缘附近的极大作为该第三频谱特征来使用，或者，该第三频谱特征可以设为Lu-176频谱减少至597keV边缘附近的极大峰值的一半的800keV附近的值。

在特定的实施方式中，并非仅使用Lu-176校准频谱内的少数的离散频谱功能来执行校准，能够将Lu-176校准频谱整体使用于校准。例如，如果对检测器的非线性进行了校准，则能够将作为能量的函数的计数的直方图保存到存储器中。然后，在进行检测器的重新校准的情况下(例如，检测器性能的经年劣化以及漂移)，从存储器调出所保存的直方图，能够与Lu-176校准频谱的新的直方图进行比较。通过调整能量校准115的参数，直至新的校准后的直方图与旧的校准后的直方图一致为止，由此能够考虑非线性检测器响应的随时间变化来定期地对能量校准115进行微调整。即，校准功能能够使用对基准频谱的基准直方图与通过对第一能谱应用非线性能量校正而生成的频谱之间的一致进行表示的目标函数，使基准值与基于校准数据校准后的能量之间的一致最优化。

从上述的例子可知，在步骤110中使用几个变形，能够根据校准数据103生成能量校准115。除了上述的方法之外，能够通过扩充校准数据103，除了Lu-176之外还包括来自其他的放射性同位素的频谱，由此生成4参数的能量校准115。例如，校准数据103可以包括来自锗同位素(Ge-68)或氟同位素18(F-18)的频谱。例如，取得功能通过进一步取得与锗同位素68(Ge-68)或氟同位素18(F-18)中的任一个对应的第二能谱，从而取得校准数据，校准功能调整非线性能量校正的参数，使与第一能谱相关的至少2个频谱特征的一致最优化，使基准值与关于第二能谱的至少1个频谱特征的校准数据之间的一致最优化，由此能够进行能量校准。例如，检测功能通过定期地检查追加的校准数据中的2个以上的频谱特征的已知的值与校正后的能量之间的差，由此检测何时更新何时进行能量校准。在此，频谱特征也可以是基准频谱中的峰值或谷值。

图6表示朝向超过阈值的时间(TOT)技术中的非线性的校正的能量校准模型的例子，在此，为了曲线拟合而使用6个频谱特征。在该情况下，以拟合于数据的方式选择的函数形式例如可以由以下的式(3)表示。

[数式3]

E＝α(β+e

方法100并不限定于具有上述所赋予的特定的函数形式的能量校准模型。在其他实施方式中，目标数据能够在不脱离上述实施方式的主旨的情况下采取其他形式。

如上所述，步骤110也能够使用多射线源校准方法来执行，另外，在步骤140中，能量校准115使用上述的方法来执行，在此，仅使用Lu-176校准频谱，或者最多的Lu-176校准频谱与其他的1个放射性同位素的频谱组合使用。

在步骤110中使用多射线源校准的情况下，能够使用以下的来自放射线源的频谱来执行校准。即，(i)Am-241(峰值为59.5keV)、(ii)Ba-133(峰值为81keV和356keV)、(iii)Co-57(峰值为122keV)、(iv)Lu-176(峰值为202keV和307keV)、(v)Ge-68(峰值为511keV)和(vi)Cs-137(峰值为662keV)。这些同位素被选择为覆盖511keV伽玛射线的关注范围和其康普顿散射相互作用。在向能量校准的多射线源方法中，能量校准模型f的参数p是通过针对上述同位素、使与8个能量峰值对应的TOT值与已知的能量(59.5、81、122、202、307、356、511和662keV)匹配地进行曲线拟合而生成的。

在步骤120中，使用包括Lu-176频谱在内的新的校准数据113，监视被赋予的检测器的非线性响应是否充分地变化为希望进行重新校准的程度。例如，在检测器未被用于成像(即，处于无效(idling)状态)时，新的校准数据113随时能够蓄积。即，取得功能在伽玛射线放射成像装置未被使用于成像的多个成像扫描之间的时间，根据从闪烁器晶体放射的本底放射取得计数，取得功能所取得的所述计数是为了进行能量校准而使用的校准数据。接着，能量校准115能够应用于新的校准数据113，能够从进行了能量校正的Lu-176频谱导出Lu-176频谱中的频谱特征中的1个校准后的能量值。如果监视对象的频谱特征为307keV峰值，则能够决定与307keV峰值对应的极大值的校正后的能量值。如果该校正后的能量值超过预先确定的阈值而与已知的值(即，307keV)不同，则在步骤130中，方法100通知能量校正发生了漂移这一情况、即“是”，方法100为了更新能量校准115而进入到步骤140。即，伽玛射线放射成像装置还具备检测何时更新能量校准的检测功能，检测功能在进行能量校准后，使用放射性同位素取得追加的校准数据，对追加的校准数据应用能量校准，决定追加的校准数据中的2个以上的频谱特征的校正后的能量，在所述2个以上的频谱特征的已知的值与根据追加的校准数据决定的频谱特征所决定的频谱特征的校正后的能量之间的差满足1个以上的重新校准基准时，能够发送用于将能量校准更新的信号。否则，方法100继续监视在图像取得期间取得的新的校准数据113。

为了避免包括噪声的1个测定不必要地使校准更新的可能性，在步骤130中使用的基准能够基于移动平均，或者在步骤120中最近生成的m个校正能量值中的n个，为以比预先定义的阈值大的量与已知的值不同。例如，如果步骤120的5次中的3次产生预先决定的阈值外的结果，则进入到步骤140，更新上述的校准。

在特定的实施方式中，步骤120能够监视多个频谱特征的被校正后的能量值。关于线性能量校正，仅监视单一的频谱特征就足够了，但关于非线性能量校正，即使某个频谱特征的校正后的能量正确，也可能存在其他的频谱特征的校正后的能量变得不正确的情况。因此，在步骤120中，能够监视2个以上的频谱特征的校正后的能量值。除此之外/代替于此，步骤120能够监视与2个频谱特征有关的校正后的能量值之间的差。

在步骤140中，基于Lu-176频谱和至多1个其他放射性同位素的频谱，能量校准115使用上述的方法进行重新校准。

在步骤150中，能量校准115被应用于原始数据105，生成校正数据155。例如，参数p作为向能量校准模型f的输入而与能量信号x(也称为能量坐标)一起被应用，生成校准后的能量值E。校准后的能量值E例如可以由下述的式(4)表示。

[数式4]

通常，非线性响应的形状虽然多少有些不同，但在检测器元件/通道间是类似的。为了应对这些变动，上述参数能够针对各读出通道/模块进行校准。

如上述说明的那样，能量校准模型f不限定于下述的式(5)的函数形式。

[数式5]

例如，作为函数形式的参数化的代替，参数化可以使用查找表(LUT)的参数来表现。在一个实施方式中，例如，LUT能够将映射E

因此，在特定的实施方式中，不是使用函数形式，而是能够用LUT来指定非线性的校正。在这种情况下，LUT指定与特定的信号电平对应的校正系数。与未显示于LUT的信号电平有关的校正系数能够通过从LUT中显示的值的内插或外推来决定。根据精度以及计算的复杂度的制约，能够使用不同的插补方法(例如样条(spline)、线性或者三次样条(cubic))。同样地，LUT的信号电平的数量依赖于精度及计算的复杂度的制约。通常，值的个数越多，能量分辨率(即，校正的精度)越提高。在LUT方法的情况下，LUT的全部校正系数可以是通过能量校准确定的各个参数。

如上所述，上述能量校准能够包括TOT非线性校正，但不限定于TOT非线性校正。除此之外，上述能量校准能够考虑由电荷共享、阈值处理以及其他非线性效应带来的非线性。进而，上述能量校准可以是为了取得对非线性校正进行表现的方程式的参数、而通过各个检测器元件的位置/个性(ID)建立索引的查找表。因此，能量校准的参数化能相对于检测器元件而言在检测器元件基底上执行。

在步骤160中，对校正后的数据应用能量窗而将随机的同时发生去除，由此改善图像品质。例如，在PET成像中，能量窗及于与正电子湮灭对应的511keV的能量。如上所述，在特定的实施方式中，判别哪个检测事件与多通道事件对应，将各个多通道检测的能量进行合计，决定各多通道检测事件的合计能量，由此能够修复多通道检测。即，伽玛射线放射成像装置也可以具备生成部，该生成部从使用了伽玛射线成像装置的医疗用成像扫描中取得放射数据，为了省略在达到511keV的能量窗之外存在的、被校正后的能量值的计数，而对放射数据进行滤波，使用上述滤波后的放射数据来重构断层摄影图像。以下示出该过程的1个实施方式的详细情况。

在步骤170中，使用已知的重构方法，根据正确的PET数据重构PET图像155。例如，能够使用PET数据145，将放射性能级(radioactivity level，例如，示踪器密度)的图像重构为体素位置的函数。如本领域技术人员可以理解那样，该图像重构可以使用反投影法、滤波反投影法、基于傅立叶变换的图像重构法、反复图像重构法、矩阵反转图像重构法、统计图像重构法、列表模式方法、或其他重构方法、或它们的组合来执行。例如，lPET图像175可以使用基于FBP重构PET图像中被初始化的子集化的期望值最大化法(Ordered SubsetExpectation Maximization；OS-EM)算法来重构。

返回到步骤160。原始数据105能够包括与伽马射线检测事件对应的能量、时间以及位置。例如，上述检测事件能够与在被检体OBJ产生的正电子湮灭事件时放射的伽马射线的对相对应。上述检测事件能够由多个检测器元件中的任一个检测器元件来检测。若发生多通道检测，则来自1个伽马射线的能量被2个以上的检测器元件分散地检测。这2个以上的检测器元件能够位于单一的检测器模块内(例如，相邻的检测器元件)或能够分配给2个以上的检测器模块。例如，在康普顿散射中，散射后的伽马射线在被与发生康普顿散射的最初的检测器元件离得较远的第二个检测器元件吸收之前，通过了几个检测器元件。

在步骤160中，从能量校正数据155识别多通道检测事件，接着对识别出的多通道检测事件按每个事件进行分组。即，各组与单一的一次伽玛射线对应。在一次散射的情况下，在各组中包括2个碰撞(hit)。1个是由发生康普顿散射的最初的晶体检测出的能量，另1个是由经由光电吸收而吸收散射伽玛射线的第二晶体检测出的能量。同样地，在2次散射事件的各组中，包括3个碰撞(即，在一次伽玛射线中为1个、关于2个散射伽玛射线各自而言为2个)等(例如，与3次散射对应的组中的4个碰撞)。

多通道事件例如能够基于检测信号的时间的接近性、检测信号的空间的接近性、信号的能量的合计、或者它们的任意的组合来选择。例如，在伽马射线源具有已知的能量(例如，关于来自正电子湮灭的伽马射线为511keV)的情况下，信号越接近已知的能量，与相同的多通道事件对应的可能性越高。进而，在时间上接近而产生的信号与相同的多通道事件对应的可能性高，在空间上接近而产生的信号与相同的多通道事件对应的可能性高。进而，若上述3个条件(能量、时间、空间)全部被满足，则上述信号与相同的多通道事件对应的可能性进一步变高。因此，能够执行使用多变量统计分析将上述信号分组为多通道事件的处理。

如上所述，在特定的实施方式中，能够使用频谱的物理基体的模型来决定各种频谱特征的能量信号值。在该方法中，输入频谱拟合于物理基体的复杂的频谱模型。该模型中包括记述非线性的可调整的参数。对于数据的最佳拟合，在其他参数中也特别提供非线性系数。

图7表示Lu-176的能级和放射路径的能级图(level diagram)。如图7所示，Lu-176通过β放射和其后续的伽马射线的级联而衰减。β放射及伽马级联本质上同时发生(即，在与检测器系统的分辨率相比远远接近的时间发生)。图8表示基于物理模型，能够将Lu-176频谱作为来自多个放射衰减过程的频谱的重叠而模型化的情况。

若考虑图7以及图8，则通过考虑几个简化的假定，能够更好地理解上述物理基体的模型。第一，在β放射中，能够假定为全部衰减在99.1％的路径中产生。

第二，β能量本质上始终被闪烁器完全捕获。因此，能够假定为β粒子的100％将这些能量的全部蓄积在它们所产生的晶体中。

第三，伽玛射线(88keV、202keV以及307keV)有可能被捕获或者逃逸(escape)。概率依赖于能量及闪烁器的尺寸。其结果，β频谱被复制数次，整体的频谱成为这些复制后的频谱的合计。例如，88keV和307keV的伽玛射线被捕获的衰变生成移位了(88+307＝395keV)的β频谱。因此，3个伽玛射线各自的逃逸的概率可以用3个概率(P88、P202、P307)表示，在此，P88是88keV的伽玛射线逃逸的概率，P202是202keV的伽玛射线逃逸的概率，P307是307keV的伽玛射线逃逸的概率，P88＜P202＜P307。现实中，逃逸的概率被假定为依赖于在闪烁器内发生放射衰减的场所，另一方面不是上述晶体的位置以及几何学的函数而是常数，因此其是简化的。

[表1]

表1：8个β伴线场景(beta replica scenarios)的概率

第四，关于3个伽玛射线(各自逃逸或能够捕获)，存在2

第五，在存在其他闪烁器元件(同一检测器模块内的其他闪烁器像素或者PET检测器环内的其他检测器等)的情况下，由其他检测器检测来自1个检测器(主要为202以及307keV)的出口，带来追加的峰值。为了简化上述物理模型，能够假定为仅来自其他检测器元件的202keV和307keV的逃逸对频谱整体带来较大的贡献。

第六，上述频谱特征根据检测系统整体(闪烁器、光传感器以及电子设备的组合)的能量分辨率来变更。为了简化上述物理模型，能够假定为能量分辨率能够以单一的参数记述。例如，能够将511keV下的分辨率作为1个参数来使用。以下，511keV下的分辨率如下述的式(6)那样表述。

[数式6]

另外，能够假定为以下面的式子给出特定的能量E下的能量分辨率，另外，能够假定为所给出的能量E中的能量分辨率由下述的式(7)给出。

[数式7]

在上述中，假设为能量分辨率与能量的平方根成比例。

各β伴线能够由被参数化的形状函数B表示。例如，形状函数B能够由下述的式(8)表示。

[数式8]

在式(8)中，E

[数式9]

如图8所示，整体的能谱是8个β伴线和由来自其他检测器元件的逃逸的吸收引起的2个伽马峰(202keV和307keV)的合计。能够应用追加的方程式，将沿着检测路径(例如闪烁器、光传感器、读出电子电路)的链路的效果模型化。例如，光传感器的量子效率可能作为能量的函数而变化。

接着，检测器的非线性通过参数化的方程式表示。例如，在使用超过阈值的时间(TOT)法的检测器的读出中，能够使用4个参数(C、a、E0、以及ToT511)来说明非线性。能量E例如由下述的式(10)～(12)的方程式表示。

[数式10]

d＝E0/C-1...(10)

[数式11]

b＝ToT511/log(511/C-d)...(11)

[数式12]

E＝C*(exp(ToT/(a/|ToT+b))+d)...(12

在此，ToT是测定出的信号。

若将上述的假定全部汇总，则整体的Lu-176频谱通过具有11个自由的参数的物理模型来记述。

1 A：β伴线的整体的标度系数

2 Eres_511：511keV下的能量分辨率

3 P88：88keV的逃逸概率

4 P202：202keV的逃逸概率

5 P307：307keV的逃逸概率

6 A202：202keV峰值的振幅(来自其他检测器的逃逸)

7 A307：307keV峰值的振幅(来自其他检测器的逃逸)

8 C：非线性参数#1

9 a：非线性参数#2

10 E0：非线性参数#3

11 ToT511：非线性参数#4

在仅仅是与597keV的边缘对应的能量信号值成为问题的情况下，能够减少该自由参数的数量。例如，可以忽略A202和A307的值，并且值Eres_511可以从202keV和307keV的峰值取得。进而，能够使用2个参数的拟合而不是4个参数的拟合，将ToT值(ToT)相对于能量值E进行缩放和变换，将自由参数的数量减少到6个。这6个参数能够通过本领域技术人员已知的拟合方法来决定。例如，能够使用单纯形搜索来决定，或者能够使用最小平方罚函数来决定。

方法100的上述实现主要使用Lu-176的频谱来表示。Lu-176频谱表示出多个离散的及连续的频谱特征，因此有利于非线性能量校准。但是，来源于如Ge-68那样的单一峰值频谱的频谱还能够通过康普顿散射以及检测器晶体内的其他物理过程而生成离散的以及连续的频谱特征。即，作为实际问题，由检测器吸收的放射线的频谱可以具有超过放射性同位素的发光频谱特征的追加特征(例如，后方散射峰值和康普顿边缘)。在这些追加的特征中，如图10、图11A以及图11B所示，能够包括康普顿后方散射峰、康普顿边缘以及各种逃逸峰值。这样，能够使用仅具有单一的放射能量的放射性同位素来校准多个频谱特征，因此能够执行非线性能量校准。例如，校准功能能够使用包括由放射性同位素放射的放射线能量的放射峰值和1个以上的后方散射峰值及康普顿边缘在内的频谱特征来进行能量校准。

图10表示由单一能量的放射线源产生的各种物理过程的概略图。在此，Ge-68以511keV放射伽玛射线。但是，示出了来自位于环上部的晶体的后方散射在环的左下的区域被检测器吸收。进而，图10示出了通过多康普顿散射而被吸收的伽马射线能量和在X射线逃逸的存在下被吸收的能量。

图11A表示从Ge-68放射的511keV的伽马射线的检测产生的吸收频谱，其中包括与上述散射过程对应的各种频谱特征。在图11A中，对数刻度在垂直方向上使用，吸收频谱为了更好地将各种各样的功能析像，在完全的检测器分辨率的假定下进行表示。在图11B中，线性标度被用于垂直轴，设想被限定的检测器分辨率。Ge-68放射仅具有单一的能量的伽玛射线，但所吸收的能量示出了较多的不同的频谱特征(例如，基于后方散射峰值和康普顿边缘)。因此，即使在放射线源仅放射单一能量的放射线的情况下，上述检测过程也有可能带来很多频谱特征。

从该观点出发，在此说明的方法除了使用如Lu-176那样的以多个能量放射出放射线的放射线源来使用之外，还能够使用来自如Ge-68那样的以单一的能量放射出放射线的放射线源的频谱来使用。

图10、图11A以及图11B所示的各种散射过程的物理基体的模型，能够使用与该散射过程有关的已知的分析以及数值表现来应用。因此，能够将DL网络实现或物理基体的模型实现中的任一个应用于从仅以1个或2个能量放射出的放射源取得的吸收频谱。

对特定的实现进行了说明，但这些实现仅作为例子而进行提示，并不意图限定本公开的示教。实际上，本说明书中说明的新的方法、装置以及系统能够以各种其他方式实现。而且，在本说明书所记载的方法、装置以及系统的方式中，能够在不脱离本公开的精神的情况下进行各种省略、置换以及变更。

根据以上说明的至少1个实施方式，能够高精度地进行能量的校准。

对几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子进行提示的，并不意图限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更、实施方式彼此的组合。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

附图标记说明

200 PET扫描仪

270 处理电路