CN101964115A - 一种正电子发射层析成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种正电子发射层析成像方法，本方法直接利用单个光子计数(无需电子准直)，采用多孔准直技术以及相应的图像采集和重建方法来成像。所述多孔准直技术为编码孔准直技术。本发明具有如下有益效果：1.由于编码孔准直技术采用单个光子计数方法，无需时间耦合，从而降低了探测器系统复杂度和成本。2.避免了由随机耦合所带来的图像质量的下降。3.每一个光子计数都被用于图像重建，提高了有效计数率，从而提高了图像质量。4.由于不受随机耦合限制，可以使用更高剂量的药物，缩短图像采集时间，提高PET设备的病人流量。
Description
技术领域
本发明涉及一种医学成像技术，具体指正电子发射层析成像方法，属于医学影像技术领域。
背景技术
目前的PET图像重建技术正是建立在这一物理学规律基础之上。医用PET机装备有一组或多组（组与组之间互相平行）环状分布的探测器，可以探测湮灭所生成的γ光子。如图1所示，湮灭事件1所生成的一对511 KeV的γ光子被位于A和B的探测器同时测到，则可以判定事件1位于直线AB上。直线AB就是事件1的投影线。同理，如果湮灭事件2所生成的一对511 KeV的γ光子被位于C和D的探测器同时测到，则可以判定事件2位于直线CD上。
上述描述中的“同时”是通过时间耦合技术来判定的。当探测器A探测到一个能量为511 KeV的γ光子计数时，如果在一个很短的时间窗口内（前或后），探测器B 也探测到一个能量为511 KeV的γ光子计数，则系统认为有一对γ光子被位于A和B的探测器同时测到，而相应的湮灭事件发生在连接探测器AB的直线上。这一技术也被称为电子准直。
这一方法利用了上述物理学规律，通过时间耦合获得光子计数的投影线用于图像重建，而无需使用准直器，单个光子计数效率高。但是时间耦合也带来了相应的局限性。
首先是随机耦合。例如，如果事件1和2 发生在很短的时间间隔内，而由于探测器的效率问题，只有探测器A 和C探测到了511 KeV的γ光子计数，则系统会认为事件发生在直线AC上，产生错误；或者A,B,C同时探测到，则系统无法判定事件究竟发生在那条线上。
其次是无法耦合。同样由于探测器的效率和探测器几何尺寸等原因，当事件1 发生后，如果只有探测器A探测到了511 KeV的γ光子计数，则系统无法利用这一计数，因为无法确定投影线。
由于时间耦合对PET成像的重要性，PET机通常需要使用环状的多层探测器以提高探测效率，使用发光衰减时间短的闪烁体，如 LSO(硅酸镥)，以及反应时间快的电子线路和光电倍增管以减小随机耦合的概率。这些要求使得PET机的成本非常昂贵。同时由于随机耦合发生的概率随着药物剂量加大而增加，为控制随机耦合率，PET成像的药物剂量受到限制，PET成像用时较长，因而设备的使用率低和成像的成本较高。
同时，由于PET机中的探测器覆盖的空间角度仍然很小，而湮灭所生成的γ光子对可以沿任意空间角度发射，其结果是有效耦合比例，即当一个探测器测到一个511KeV的γ光子计数时，有且只有一个别的探测器在时间窗口内测到一个511 KeV的γ光子计数的概率非常低，因为另一个光子有极大的可能性飞出了探测器的覆盖面，或者飞向了某个探测器，但由于探测效率有限，而没有被探测到。有数据表明，有效耦合计数只占单个光子计数的1-2%。 而且这些有效耦合中还包括相当一部分随机耦合。
单光子发射层析（SPECT）是另一类发射层析的医学影像技术，通常用于心血管疾病等的诊断。不同于PET的是，SPECT中用到的药物含有发射γ光子（而不是正电子）的同位素（如99mTc）, 而且不同药物和同位素所发射的光子能量也不同。由于没有上述光子对关联，必须纪录单个的光子计数，同时要使用某种准直技术，如单孔或平行孔准直器，来建立投影关系，以便进行图像重建。图2 显示了通过单孔准直器可以确定单个光子探测事件的投影线。和PET中的时间耦合计数相比，单光子计数的好处非常明显：没有随机耦合；也不存在因为没有耦合或多重耦合而无法利用的计数；探测器也无须布成环状（成本低）。虽然SPECT和PET对γ光子的探测在原理上有相似之处，但从PET机至80年代诞生以来一直没有使用SPECT 中的准直器而用电子准直（时间耦合），同时SPECT 中的常用准直器要么通过效率很低（<<1%），如单孔准直器，或者空间分辨率差，如平行孔准直器，整体性能也不如电子准直。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种成像质量高、降低设备成本的正电子发射层析成像方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一种正电子发射层析成像方法，本方法直接利用单个光子计数（无需电子准直），采用多孔准直技术以及相应的图像采集和重建方法来成像。
所述多孔准直技术为编码孔准直技术。
相比现有电子准直技术，本发明具有如下有益效果：
1.由于编码孔准直技术采用单个光子计数方法，无需时间耦合，从而降低了探测器系统（环状分布的探测器，快反应的复杂电子线路）的复杂度和成本。
2.避免了由随机耦合所带来的图像质量的下降。
3.每一个光子计数都被用于图像重建，提高了有效计数率，从而提高了图像质量。
4.由于不受随机耦合限制，可以使用更高剂量的药物，缩短图像采集时间，提高PET设备的病人流量。
附图说明
图1- PET成像中的时间耦合(窗口)技术示意图。
图2-单孔准直器示意图。
图3-编码孔准直器示意图。（图中黑点代表准直孔）
具体实施方式
针对现有PET图像重建中电子准直存在的诸多不足，本发明直接利用单个光子计数（即无需电子准直），并采用一种通过效率很高的准直技术，称为多孔（multipinhole）准直技术和其相应的图像重建方法，来取代当前PET图像重建中的电子准直或时间耦合技术，从而实现PET成像。
所述多孔准直技术为编码孔准直技术。
编码孔技术过去是为天文影像技术提出来的。在将其应用到医学影像的过程中出现了很多困难，主要是受到近场成像中随距离远近变化的放大倍数造成的复杂情况的干扰。这些困难直到最近才获得了突破。在文献Zhiping Mu,et al., “A Novel Three-dimensional Image Reconstruction Method for Near-field Coded Aperture Single Photon Emission Computerized Tomography”, Medical Physics, Vol. 36, No. 5, pg. 1533-1542, 2009（母治平等，一种用于近场编码孔单光子发射层析的三维图像重建的新方法，医学物理，第36卷，第5期，第1533-1542页，2009年）中，作者（也是本申请的申请人）提出了一种适用于以编码孔准直技术的图像重建方法为基础的高灵敏度和高分辨率的SPECT成像技术，通过实验成功地重建了一个复杂模型的三维断层图像，验证了这一方法的可行性。
由于编码孔准直技术和相应的图像重建方法已经成为现有技术，故在此不赘述。而本发明使用单个光子计数方法，无需时间耦合，因而每一个符合能量窗口的γ光子计数都可以被用于图像重建。由于这一技术不依赖时间耦合来建立投影线，因此不存在随机耦合，也就不受随机耦合对图像质量的影响。由于有多个准直孔，编码孔准直器的通过率远高于常规准直器，可以达到25%以上，甚至接近50%。和电子准直（时间耦合）相比，这种准直技术的单个光子计数率受通过率影响，会低于电子准直（由于没有物理准直器，电子准直通过率接近100%）。但由于不用时间耦合，其单个光子计数率就是有效计数率，而电子准直的有效耦合计数比例很低，只有1-2%，因而这种准直技术的有效计数率仍然远远高于目前PET中电子准直的有效计数率。
适用于这一准直技术的图像重建方法过去是为SPECT成像而开发的。本发明的创新点就是将这一技术应用到PET成像中，即将PET成像方法中原来采用的准直技术由电子准直改为编码孔准直，这样就扩大了PET成像技术的应用。因为除了γ光子能量不同外，SPECT和PET成像对γ光子的探测在原理上并无不同。
Claims (2)
1.一种正电子发射层析成像方法，其特征在于：本方法直接利用单个光子计数，采用多孔准直技术以及相应的图像采集和重建方法来成像。
2.根据权利要求1所述的正电子发射层析成像方法，其特征在于：所述多孔准直技术为编码孔准直技术。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110202 |