CN101040193B - 用于核医学的检测器 - Google Patents

Abstract

一种适于SPECT或其他核成像的辐射成像设备，包括接收辐射的检测器(22)。扇形波束-狭缝准直仪(20)被放置在该检测器的辐射接收面(32)附近，位于该检测器和辐射源(12，18)之间。该准直仪包括多个具有公共焦点的狭条(30)。一个与该狭条相邻的主体(44)形成一个或多个细长的狭缝(46)。该狭缝被设置成使得辐射穿过该狭缝以及该狭条之间而到达检测面。该主体至少基本上不透过辐射。该扇形波束-狭缝准直仪(20)能够提高从该检测器获得的分辨率或效率。

Description

用于核医学的检测器

本发明涉及利用核照相机产生图像。特别地，应用于结合具有狭缝的扇形波束准直仪使用，下面将通过特别参照其进行说明。然而，可以理解，本示例性实施例也可以用于其他类似应用。

核成像技术一般是以两种不同方式中的一种来获取图像。发射图像是通过向物体中引入放射性同位素和利用检测器(照相机)收集来自该物体内部的辐射而生成的，该检测器是对于这种辐射敏感的。这种发射图像包括单光子发射计算机断层扫描(SPECT)图像，并且经常用于提供关于该物体的功能性信息，例如患者体内的肿瘤。当在互相不同的方向产生多个发射投影图像时，就能够根据该获得的数据以体积发射断层扫描图像的形式计算(重建)该辐射生成物质在目标中的浓度分布。

通过将该物体定位在辐射源例如伽马射线源和该检测器中间，以便利用照相机检测经过该物体的射线而生成传输图像。传输图像提供关于辐射衰减或辐射吸收物质在该物体中的分布的信息。

传输图像和发射图像常常是同时进行，例如收集用于该物体中辐射衰减的发射图像。例如，SPECT成像设备有时用于同时生成发射和传输图像。

在该物体内生成的和传输经过该物体的光子被检测器检测，例如NaI晶体和光电倍增器阵列。为了限定每个接收的发射事件的轨迹和区分直接辐射和散射辐射，在该照相机前放置一个准直仪。在传输成像中，该辐射源的预定空间几何结构还决定了该传输辐射事件的轨迹。该准直仪包括辐射吸收材料的网格或蜂巢状阵列，其被设置在该检测器和被检查物体之间以限制冲击在该检测器上的射线的入射角。分辨率和效率由该准直仪的形状以及形成网格的中隔(septa)的高度和厚度来限定，其中一般对于更高的能量范围使用更厚的中隔。

SPECT成像中的一个问题是对于给定空间分辨率受到限制的检测器效率。现有的闪烁照相机的相对优化不同。用于平面或SPECT成像的静态检测器(即那些对于辐射源保持相同的大致定向的检测器)包括平行孔、扇形波束、锥面光束和针孔准直。该平行孔检测器包括具有在第一方向上的平行狭条(slat)的准直仪，其与第二方向上的平行狭条交叉。该准直仪用于与传输测量的平面源组合使用。这种准直仪的效率相对较低，因为该平面辐射源以特定立体角内的所有方向辐射射线，但是仅使用很有限的部分来生成传输图像，也就是说，仅仅是被定向在该准直仪的通道方向上的部分。因此，使用相对较强的源来形成具有预定亮度的传输图像。

对于平行孔检测器的效率提高可以通过聚焦型准直仪来实现，其中该狭条被定向为朝向位于该准直仪的与被测量物体相同侧的焦点。扇形波束准直仪包括聚焦在一个方向上并且在其他方向上平行的狭条。该扇形波束准直仪使用沿着焦直线设置的用于传输测量的线辐射源。锥面波束准直仪包括在两个方向上聚焦的狭条，并且可以使用位于焦点上的点辐射源进行传输测量。线辐射源与扇形波束准直仪结合使用或者点辐射源与锥面波束准直仪结合使用相对于平面源与平行准直仪的组合具有优点，在于可以更好地使用所产生的辐射，并且因而该辐射源的放射性物质量可以更少。而且，因为聚合型准直仪由于其放大效应而比平行准直仪计数更多的光子，所以可以改进该发射和传输记录。然而，通过这种聚焦型准直仪获得的改进是有限的，特别是对于需要厚中隔和引起像素部分遮蔽的更高能量的光子来说。

作为静态检测器系统的替代，已经提出了动态检测器的概念，其中包括旋转狭条或狭缝检测器，编码小孔成像，和重叠检测器面积。这些概念都容易受到由于必需的附加重建步骤而导致的噪声积累的影响。

根据本示例性实施例的一个方面，提供了一种辐射成像设备。该成像设备包括检测器。准直仪被放置在该检测器的辐射接收面附近。该准直仪包括具有公共焦点的多个狭条。与该狭条相邻的主体限定了细长的狭缝。该狭缝被设置成使得射线穿过该狭缝并且穿过狭条之间到达检测器。该主体至少基本上不能被该射线透过。

根据另一方面，提供一种成像方法。该方法包括将来自源的射线朝向检测器引导，以及将狭缝和具有公共焦点的多个间隔狭条插入在该辐射源和检测器之间，从而使得射线穿过该狭缝并且穿过狭条之间到达检测器。

根据另一方面，提供一种检测系统。该检测系统包括用于形成多个像素的检测器。多个间隔狭条具有公共焦点和在它们之间形成通道，每个通道与该像素的一列相邻延伸。一个板覆盖该狭条并形成狭缝。该狭缝具有一定宽度和垂直于该宽度的一定长度。该长度大于宽度，并且大于该狭条之间的间隔，从而进入该狭缝的射线经过该通道传播到该检测器像素上。

至少一个实施例的一个优点是由于具有获得比其他静态检测器概念更高效率的性能。

在阅读和理解以下对于优选实施例的详细说明的基础上，本领域普通技术人员将会清楚本发明的其他优点和好处。

本发明可以采取各个部件和部件组合以及各个步骤和步骤组合的形式。附图仅仅是用于图示该优选实施例，而不应被解释为限制本发明。

图1是根据本实施例的核成像系统的透视图；

图2是用于图1的核成像系统的检测系统的第一实施例的透视图；

图3是图2的检测系统的侧面透视图；

图4是用于演示准直仪效率的检测器像素的示意性透视图；

图5是用于演示准直仪的空间分辨率的检测器像素的示意性透视图；

图6是用于图1的核成像系统的检测系统的第二实施例的俯视图；

图7是用于图1的核成像系统的检测系统的第三实施例的俯视图。

参照图1，示出了用于生成传输图像或组合发射/传输图像的成像系统的透视图。该成像系统包括成像区域10，其中物体例如患者12躺在或者被传送到可移动支架14上。一个或多个辐射检测系统或头16被放置在患者邻近以监视和记录传输和/或发射的辐射事件。传输辐射源18例如伽马射线源被放置成使得该源发射的射线进入该物体并且以光子形式被相对的检测系统16接收。可选地或附加地，被引入到物体12中的放射性药物用于作为SPECT成像的放射源。典型地，该发射和传输辐射具有不同的能量以助于区分它们。该检测系统包括准直仪20和检测器22。该准直仪被放置在物体12和检测器22中间以限制冲击到该检测器上的射线的入射角。检测器22连接到处理系统24，该处理系统24可以实现为操作员工作站、计算机网络或其他适当的硬件/软件。处理系统24基于来自该检测器的信号而重建该物体的图像，其由显示器26显示，例如屏幕或打印输出。

检测器12包括传感器，其检测由于该辐射与该物体相互作用而生成的射线(典型地为光子)。一个合适的传感器包括闪烁器，例如单晶体，例如碘化钠晶体，或更小的晶体矩阵。该晶体被放置在光电倍增管(PMT)附近。冲击在该闪烁器上的每个辐射事件生成对应的闪光(闪烁)，可以通过该PMT看出。基于该PMT的输出，可以映射辐射事件，其包括冲击在闪烁器上的辐射射线的能量和位置。其他检测器包括闪烁晶体矩阵，即像素化检测器(pixelated detector)，其与光电二极管或雪崩检测器配合来代替光电倍增管。可选地，可以使用碲锌镉(CZT)或其他直接转化检测器，其将辐射光子直接转化为电子(电流)而不使用闪烁器。

该SPECT图像的图像质量典型地由该检测器的计数灵敏度和该准直仪的结构来决定。

现在参照图2和3，准直仪20由一种密集辐射吸收材料形成，例如钨。准直仪20可以被视为一种具有方向选择传输特性的传输装置，其确保了该检测器检测表面的检测段仅能被具有预定限制方向范围的辐射所照射。当前所示的准直仪可以被描述为一种扇形波束-狭缝准直仪。该准直仪的扇形波束部分由多个紧密间隔的狭条或中隔30提供(图示了5个，但是该数量典型地可以更大)。该狭条30是平面的。在所示实施例中，检测器22的大致平面的辐射接收面或检测表面32位于由y和x轴限定的平面上，并且该准直仪狭条30大致在z方向上从该平面向外延伸。特别地，狭条30从该检测器的平面表面32向辐射源18延伸和向焦直线34会聚。在所示实施例中，源18包括与该狭条的焦直线34共线以优化效率的线源，但是还可以预见到，该源可以与检测器22间隔更远或更近。虽然可以仅在多个头之一的对面存在单个传输源，但是也可以所有头都具有共同的准直仪。由于该会聚，该外部狭条被定向为比内部狭条与该检测器平面成更窄的角θ，该角θ朝向中心增加，其中该中心狭条被定向为与平面x，y成90°。狭条30在它们之间形成了多个平行通道36。作为该聚焦狭条的结果，每个通道的中心线与该线形辐射源18交叉。通道36在x方向上延伸该检测器平面的完整宽度B，即不存在如常规扇形波束或锥形准直仪中的交叉狭条。

最接近检测器22的狭条的末端40在y方向上等距间隔分布，与该检测器相邻，间距为P_y。优选地，该狭条的末端40被间隔分布以便与像素化检测器的相邻行元件之间的接口相配合。由于狭条的厚度为t，相邻狭条之间的距离D＝P_y-t。该狭条在z方向上具有高度L，在x方向上具有大于高度L的宽度B。在一个实施例中，间距P_y是大约1-3mm，相邻狭条之间的距离D是大约0.80至大约2.95mm，狭条的厚度t是大约0.05mm至大约0.5mm，例如大约0.15mm，高度L是从大约10mm到大约100mm，在一个特定实施例中，L小于大约60mm。

该准直仪的狭缝部分由主体以板44的形式大致限定，板44位于与检测器22的平面36平行的平面上。该板由不传导辐射的材料形成，例如不能透过辐射的，或者基本不能透过的材料。如图3中最佳示出的，该平面限定了在y方向上延伸该检测器的长度G的细长狭缝46，其大于狭条之间的距离P_y。该狭缝在x方向上具有宽度w。长度G实质上大于宽度w。在一个实施例中，w从大约0.3mm到大约3mm，该狭缝越窄分辨率越高。板44在z方向上具有厚度h，其是狭缝46的高度，大约从0.5mm到大约5mm，更高的厚度更适合于更高的能量。在所示实施例中，板44被设置在平面32上方的高度L，即与狭条30的顶端48接触，但是还可以预见到，该板可以与该平面间隔大于L但是一般小于2L的距离。如图所示，狭缝的侧壁50可以与z轴对齐，或者与z轴成一定角度，例如V形或倒V形。

所示检测器22是像素化的。如图2所示，一行像素52在每一对相邻狭条30之间延伸。该像素被配置成独立地向处理系统24发送信号。该像素的每个在x方向上具有像素宽度或间距P_x，在y方向上具有长度D。在一个实施例中，P_x从大约0.5mm到大约2.5mm。在每行/通道中示出了7个像素52，但是典型地可以采用更多的像素。在一个实施例中，像素间距P_x大于或等于狭缝宽度w的一半，但是小于狭缝之间的间隔。

来自在平面44上方间隔高度z的目标平面60的辐射仅仅通过狭缝46到达检测器22，如图2中的阴影线所示。视场(FOV)62是该平面内的区域。在该检测器上的投影图像的面积，在图2的实施例中由平面32的面积限定，在x方向上小于该目标平面。如从图2中可以看出的，检测器上每个像素52具有面积P_x×D，其与目标平面上的对应像素64的面积相比，在x方向上更小而在y方向上更大，导致在y方向上具有放大效应。

将会认识到，检测器平面32典型地大于该投影图像，例如当使用多个狭缝和/或多个模块时。其中检测系统16包括多个狭缝46，每个狭缝作为检测器平面32上的不同的部分或部分重叠的部分，以增加检测面积。在一个实施例中，如图6和7所示，该狭缝被定向为互相平行，每个狭缝及其相关狭条包括一个模块。一个模块的狭条可以是相邻模块的狭条的延续。或者，多于一个模块可以共用同一个狭缝。在一个实施例中，相邻狭缝之间的间隔S是大约5-100mm，在一个特定实施例中为5-50mm(图7)。

在所示实施例中，该检测器22是静态检测器，即不旋转而是相对于该狭条和检测器平面保持固定。当然，该整个检测器系统16可以例如通过旋转台架来围绕该物体旋转。该扇形波束-狭缝准直仪发现了在平面或SPECT成像中的特定应用。执行平面成像而不围绕患者旋转该检测器。该检测器还适于在rolec型照相机中使用，其中该检测器围绕垂直于该检测器平面的轴旋转。

该扇形波束-狭缝结构有利于在保持分辨率的同时优化效率。在一个实施例中，当狭缝准直仪与处于缩小模式的固态检测器一起使用时，同时优化狭条长度(对于扇形波束)和准直仪-检测器距离(对于狭缝)，并且结合并行读出可能的相邻检测器面积，可以提供超越常规检测系统的性能。将会理解，当对于高能光子使用厚狭条时，不可能完全实现该优化，但是效率值仍然很高。

可以获得一个准直仪与像素化检测器组合的空间分辨率和几何效率的分析模型，该检测器例如基于CZT的像素化检测器。例如使用用于检测效率的美国电器制造商协会(NEMA)性能标准和适于像素化检测器的空间分辨率的测量，基于单像素响应函数的采样，可以对于获得静态和旋转检测器概念的说明。

对于不同的应用，已经研究了分辨率、效率和信噪比(SNR)之间的折衷。分析表明，除了纯热点成像之外，旋转准直仪的概念还会受到噪声积累的影响。处于缩小模式中的扇形波束-狭缝准直仪使用用于SPECT照相机的像素化固态检测器提供了优化的效率和图像质量。

不受特定理论的约束，以下讨论论证了提高该扇形波束-狭缝准直仪效率的理论基础。经典理论通过放射点源描述了准直仪性能，其辐射投射穿过该准直仪通道并被检测器吸收。由于该准直仪中隔的遮蔽效应，被照射像素区域随着与直接在该点源下放的检测器上的点之间的距离而线性减少。这一模型的缺点来自于一个认识，即该点源响应函数不是空间恒定的。

基于单个准直仪通道的响应函数，提出了一种像素化检测器的更合适的可选方案。它能够获得用于多种准直仪概念的几何效率和空间分辨率的精确方程。基于所获得的方程，能够评估静态和旋转准直仪的图像质量和研究使它们最优的概念。

准直仪几何结构可以通过孔径D、中隔厚度t、间距P＝D+t、中隔长度L、目标平面-准直仪距离z和目标平面-检测器距离z′＝z+L来限定。

几何效率E被计算为来自该点源的照射一个像素的打开检测器面积的辐射部分(归一化立体角)，乘以该目标平面中被该检测器像素上任意点可见的平均面积(可见区域)，并且被该目标平面中等于一个像素的面积(体素面积)归一化，如图4所示。

分辨率R(图5)被计算为用于该目标平面中的点源的单像素检测器响应的半幅全宽(FWHM)，集成在一维上。该定义等效于在固态x射线成像中使用的标准测量方法，其中一个线幻图(line phantom)相对于一个检测器轴轻微倾斜。

聚焦准直仪以减少视场(FOV)或者等效地增大检测器面积的代价提供了更高的效率。具有焦距f的准直仪的线性放大因子m是：

m＝f′/(f-z)，其中f′＝f+L。

假定z＜f，对于该检测器中心部分之外的所有像素，该立体角被减少因子cos³β，由倾斜入射角β和更大的目标-检测器距离解释。该可见区域被减少因子f/f′或(f/f′)²，并且对于扇形波束，体素面积被设定为像素面积除以m(对于锥面波束，体素面积被设定为像素面积除以p²/m²)。

对于具有狭缝的聚焦准直仪(该扇形波束-狭缝准直仪)，该线性放大因子m由狭缝几何形状在x方向上限定，像素间距p_y由该狭条在y方向上限定。特别地：

孔大小：狭缝：D_x＝RL/z′，狭条距离：D_y＝RLf′/z′f，D_y＞D_x。

像素：x上： $p_x=\frac{D_x{z}^{\′}}{2z},$ y 上：p_y＝D_y+t，p_y＞p_x。

在x上放大：m_x＝L/z    (强烈缩小)

在y上放大： $m_y=\frac{f^{\′}}{f^{\′}-z^{\′}}=\frac{f^{\′}}{f-z},$ f′＝f+L.   (放大)

效率： $E=a_{\mathrm{cone}}\frac{D_x{D}_y^2}{4\mathrm{\πLz}}\frac{f_y}{f_y-z}\·\frac{1}{p_y}.$ f_y＝f(焦距)

a_cone是用于因该打开角度而限制的效率的校正因子。

分辨率： $R_x=D_x\frac{z^{\′}}{L},$ $R_y=D_y\frac{z^{\′}}{L}\frac{f_y}{{f_y}^{\′}}$

从而可以通过组合扇形波束和狭缝，使用在y方向上更大的检测器大小来获得更高的频率。

作为例子，可以确定用于通用目的成像的不同检测器的性能，如表1所示。表1示出了像素化检测器概念的性能参数，6个是常规类型，2个具有这里公开的扇形波束-狭缝准直仪。

如上所述，准直仪几何形状由像素大小D、中隔长度或准直仪-检测器距离L来限定。性能以空间分辨率R、效率E、空间-带宽乘积SBP的形式来给出，其实质上是满足Nyquist准则时检测器像素的数量。另一个表示效率的方法是表示为效率-空间-带宽乘积ESBP，对于不同准直仪所接收的信息量的测量。所有检测器值都是对于0.152mm中隔厚度(VXGP)和5mm分辨率在100mm源-准直仪距离时计算的。

考虑扇形波束-狭缝准直仪的两种配置。二者都采用了多于一个模块，即多个狭缝。在两种情况下，都是用了5个狭缝。该狭条的焦点f(和源的位置)是10-20cm。在配置1中，如图6所示(表1中为55cm×73.3cm)，视场62(FOV)在x方向上为55cm，在y方向上为40cm。狭缝46被定向在y方向，狭条(未示出)被定向在x方向。共用一个长狭缝的多个模块在y方向上重叠了40cm的FOV。大量模块在x方向上覆盖了55cm的FOV。由于该扇形波束在y方向上的较大打开角度，平均效率被降低(上面给出的校正因子a_cone远小于1)。

在第二种配置中(图7)，示出了在x方向上为55cm而在y方向上要小得多的两个检测器模块结构(如果它们构成了围绕目标的环的一部分，就称为“环”)。第三个检测器模块结构被显示为在不同的SPECT角度下。这些模块在y方向上更小，因此打开角度更小，而效率更高(上面给出的校正因子a_cone近似等于1)。每个模块“环”仅看到对应的区域62A、62B。通过在y方向上移动该检测器环或者通过在不同SPECT角度下的附加检测器74来对在矩形62A、62B之间遗漏的区域70成像，如图7所示。每个检测器面积的效率比配置1要高得多。为了优化静态检测器概念的最大效率，已经发现，组合扇形波束和狭缝，利用在一维上具有聚焦中隔的检测器和在另一维上的针孔检测器，可以给出比其他已知静态检测器结构更高的效率。

在表1中，扇形波束狭缝配置1和2的D的第一值对应于y方向上的狭条之间的距离，D的第二值对应于狭缝宽度w。

如表1所示，当该概念应用于大型照相机中时(配置1)，扇形-波束狭缝准直仪的ESBP比平行孔准直仪的值高出50％多，而当该概念应用于小型模块或环时(配置2)大于平行孔准直仪值的250％，比其他检测器概念例如多针孔的效率高两倍。该高值是通过五倍(five-fold)数量的读出通道和与平行孔检测器相比大83％的检测器面积来获得的。

从而可以通过仅适当增加检测器面积和读出通道数量(与多针孔检测器概念相比)来获得高效率。

以上参照优选实施例描述了本发明。显而易见地，可以在阅读和理解前述详细说明的基础上作出修改和选择。希望本发明被解释为包括所有这些修改和选择，以致于它们在所附权利要求或其等效物的范围之中。

表1

	检测器面积(cm<sup>2</sup>)	D(mm)	L(mm)	R(mm)	E*1E6	SBP	ESBP
								平行孔(优化的)	55×40	0.733	17.18	5	59.6	35200	2.10

	检测器面积(cm<sup>2</sup>)	D(mm)	L(mm)	R(mm)	E*1E6	SBP	ESBP
								扇形波束，f＝500mm  (垂直于z轴的扇形轴)	55×71.2	0.812	18.56	5	69.9	35200	2.46
扇形波束，f＝500mm  (平行于z轴的扇形轴)	75.7×40	0.812	18.56	5	64.4	35200	2.27
								锥面波束，f＝500mm	88×64	1,833	50	5	63.7	35200	2.24
针孔，25mm(16×读出)	55×40	1.0	25	5	60	35200	2.11
								针孔，12.5mm(64×读出)	55×40	0.56	12.5	5	72	35200	2.53
配置1扇形波束，250mm，垂直于z轴的扇形轴平行于z轴的狭缝(5×读出)	55×73.3	1.0/0.9	20	5	92	35200	3.24
								配置2扇形波束-狭缝(如上所述的小环5×读出)	55×小环	1.0/0.9	20	5	153	35200	5.39

Claims (19)

1.一种辐射成像设备，包括：

辐射检测器(22)；

与该检测器的辐射接收面(32)相邻的准直仪(20)，该准直仪包括：

多个具有公共焦点(34)的间隔狭条(30)；和

与所述狭条相邻的主体(44)，所述主体限定了细长狭缝(46)，该狭缝被设置成使得辐射穿过该狭缝以及该狭条之间到达检测器，该主体不能透过辐射；

其中目标平面在该检测器上的投影至少在一维上小于该目标平面(60)。

2.如权利要求1所述的成像设备，还包括线辐射源(18)。

3.如权利要求2所述的成像设备，其中该狭条的公共焦点(34)与所述线辐射源(18)共线。

4.如权利要求1所述的成像设备，其中该狭条被布置成在该狭条邻近检测器的末端(40)互相平行。

5.如权利要求1所述的成像设备，其中该狭条(30)从该检测器面(32)延伸。

6.如权利要求4所述的成像设备，其中该狭缝与该狭条相对检测器面(32)的边(48)相邻。

7.如权利要求6所述的成像设备，其中该狭缝被限定在板(46)上。

8.如权利要求7所述的成像设备，其中该板与狭条的末端(48)连接。

9.如权利要求1所述的成像设备，其中该检测器(22)是像素化的。

10.如权利要求9所述的成像设备，其中该狭缝(46)具有宽度(w)和长度(G)，该狭缝的宽度小于该狭缝的长度，并且该检测器包括像素(52)，所述像素的与该狭缝宽度平行的宽度(P_x)等于或大于该狭缝宽度的一半。

11.如权利要求9所述的成像设备，其中该狭条具有等于该像素长度的间距(P_y)。

12.如权利要求11所述的成像设备，其中该间距(P_y)是从1到3mm，该狭条具有从0.05mm到0.5mm的厚度(t)。

13.如权利要求1所述的成像设备，其中所述主体(44)为板的形式，所述板包括多个狭缝。

14.如权利要求13所述的成像设备，其中该检测器包括多个像素，并且该狭缝之间的间隔(S)大于该检测器宽度。

15.如权利要求1所述的成像设备，其中该狭条在会聚面上平行。

16.包括至少一个根据权利要求1的辐射成像设备的核成像设备。

17.如权利要求16所述的核成像设备，其中该辐射成像设备是单光子发射计算机断层扫描(SPECT)成像设备。

18.一种成像方法，包括：

将来自源(12，18)的辐射朝向检测器(22)引导；

在该辐射源和检测器之间插入一个或多个狭缝(46)和多个间隔狭条(30)，该狭条具有公共焦点(34)，从而使得辐射穿过该狭缝以及该狭条之间而到达检测器上，其中目标平面在该检测器上的投影至少在一维上小于该目标平面(60)。

19.如权利要求18所述的方法，还包括：

根据所检测的辐射重建三维图像。

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