CN102238912A - 紧凑且可移动的高分辨率pet脑成像仪 - Google Patents

Abstract

脑成像仪包括安装在头盔形结构内的紧凑的环形静态PET成像仪。当附着于患者头部时，整个成像过程中，头盔形脑成像仪保持头到成像仪的相对几何固定。脑成像头盔包含辐射传感器和最低限度的前端电子设备。柔性械悬挂/带束系统支持头盔的重量，从而在成像扫描期间允许患者头部进行有限的运动。使用对使用及存储需求空间有限的、非常简单的可移动扫描器，紧凑的环形PET成像仪能实现神经学上的脑功能、癌以及创伤影响的甚高分辨率成像。

Description

紧凑且可移动的高分辨率PET脑成像仪

按照能源部第DE-AC05-06OR23177号管理和实施合同，美国可能具有该发明的某些权益。

发明领域

本发明涉及PET成像，特别是涉及用于病人神经性脑功能成像的紧凑且可移动的高分辨率PET成像系统。

发明背景

脑疾病，如老年痴呆症和帕金森氏症，因为寿命的增加而在老年人口中变得更普遍。因美国和欧洲人口持续老龄化，到2050年美国的老年痴呆症病例预期将增长到1600万。估计美国有150万人患有帕金森氏症，其影响美国60岁以上人口的1％而且每年有100,000例新生病例。

虽然很多新的脑功能成像用的PET放射药物在开发中，由于PET分辨率较差以及CT/MRI/fMRI特异性较差，诸如PET+CT和MRI+PET的脑成像形式并不足以胜任。现有临床PET扫描仪具有4-5mm的分辨率，这在很多脑成像情况下是不够的。另外，现有临床PET扫描仪体积大、价格昂贵、未专为脑成像进行优化，而且通常仅在与CT的成套设备中可用。已有的标准PET扫描器为置于专用成像房间的庞大的设备并且要求病人被运送到扫描器中。某些病人无法被运送到成像房间，他们可能位于医疗机构的远处部分，特别是在他们需要连着生命维持和监护仪器时或者是快速诊断和进程判断非常重要时。在很多其他情况下，在门诊场合有脑成像扫描仪将是有利的，例如在神经病学部门。在当前技术条件下，脑成像仪是庞大而笨重的设备，而且不能提供动态高分辨率二维或三维图像。

因此，需要一种能产生动态高分辨率二维或三维图像的紧凑且可移动的专用脑成像仪。紧凑且可移动的成像仪应该能容易地连接到患者头部以产生患者脑部的高分辨率图像。

发明概要

本发明为一种脑成像仪，其包括安装在头盔形结构内的紧凑的环形静态PET成像仪。当接附于患者头部时，在整个成像过程中，头盔形脑成像仪保持头对成像仪的相对几何固定。脑成像头盔包含辐射传感器和最低限度的前端电子设备。柔性机械悬挂/带束系统支持头盔的重量，从而在成像扫描期间允许患者头部进行有限的运动。使用对使用及存储空间需求有限的、非常简单的可移动扫描器，紧凑的环形PET成像仪能实现神经学上的脑功能、癌以及创伤影响的甚高分辨率成像。

目的和优点

本发明的紧凑高分辨率脑成像仪取得了一些优点，包括：

(1)在整个成像过程中，头盔形脑成像仪保持头对成像仪的相对几何固定，从而增加图像的准确度。

(2)脑成像仪在紧凑的特殊用途设备中提供高效率和高分辨率。

(3)PET脑成像仪包括小于2mm的高分辨率。

(4)本发明所提出的成像仪的较高空间分辨率能实现对更小异物的检测和对脑疾病的更早的检测及更准确的诊断。

(5)作为紧凑和可移动的结果，部件专门化的成像仪可被移动至患者处，如在ER、ICU、病床或门诊中心，以提供现场成像，特别是当患者不能被移动到PET成像中心时。

(6)高分辨率和经济的专用PET脑成像仪在脑疾病的早期检测和治疗计划和监测上有重要作用。

(7)当在和疾病特异性生物标志物联合使用时，脑成像仪改善脑疾病的早期诊断。

(8)本发明的脑成像仪可适合用在患者身体的其他部位，如四肢、颈和甲状腺、以及胸部(如果配以改造的台架的话)。

(9)脑成像仪包括专用轻质可移动台架以用于静态扫描或可选地用于平移/转动扫描。

(10)大约10cm的脑/头切片宽度和小于25cm的视场的实时静态断层成像。

(11)紧凑的几何结构允许扫描整个头部时仍保持靠近。

(12)脑成像仪在整个视场内提供小于2.5mmFWHM的三维重建分辨率(在中心为1.5-1.7mm)。

(13)能实现用于高质量的全角度采样的快速连续动态扫描。

本发明的这些以及其他目的和优点通过阅读下面描述以及参考附图将更好地理解。

附图说明

图1是从患者头部上看过去的按照本发明的脑成像系统的概念视图，该系统包括围绕在患者头部安置的环形检测器模块。

图2是按照本发明的使用模块化方法构造的PET成像仪检测器模块的剖面图。

图3是按照本发明的使用模块化方法构造的PET成像仪检测器模块的剖面图。

图4描述了以4×4阵列布置的16个3mm×3mm的读出像素或板的阵列所构造的基本原始的12.5mm硅PMT成像模块。

图5描述了图5中的基本的四侧可接合模块的2×2阵列，这些可接合模块接合到一起形成约一英寸的方形光检测器。

图6描述了可由16个(布置为4×4阵列)基本成像模块实现的插入式替代模块的原理。

图7是从患者头上看过去的有12个独立检测器模块的单个头/颈成像仪环的概念视图。

图8是按照本发明的头盔形脑成像仪的分解透视图。

图9是从可移动台架垂挂下并环绕在踏板上运动的患者头部安置的环形PET脑成像仪80的侧视图。

附图中参考数字索引

20 脑成像系统，第一实施例

22 环

24 光检测器模块

26 患者

30 光检测器模块，第一实施例

31 位敏光电倍增管(PSPMT)

32 读取电子设备

33 闪烁体阵列

34 窗口

35 反射条

36 死区

37 外壳或保护罩

40 光检测器模块，第二实施例

43 Burle MCP PMT

44 光学传播窗

45 闪烁体阵列

46 窗口

47 反射条

50 光检测器模块，第三和优选实施例

52 硅PMT(SiPM)基本成像模块

54 基本硅单元或板

55 由四个板组成的读出通道

56 由十六个板组成的读出通道

57 一英寸方形硅光电探测器

58 死区

60 脑成像系统，第二实施例

62 成像仪环

64 光检测器模块

66 闪烁体阵列

68 光检测器

70 头盔形成像仪

72 成像环

74 检测器模块

76 内壳或内衬

78 外壳

79 钩

80 环形PET脑成像仪

81 可移动台架

82 头部

83 患者

84 踏板

85 机械架

86 悬挂

87 配重

发明详述

参考图1，显示了按照本发明的紧凑且可移动的脑成像系统20，该系统包括环22，其具有一组观察患者26脑部的光检测器模块24。多个光检测器模块24形成环22，该环22由12-30个紧密间隔并独立读取的成像模块24组成。成像模块24的环为脑的高分辨率二维/三维PET成像切片重建提供足够的表面覆盖度和视角。

按照本发明的紧凑且可移动的高分辨率PET成像仪20将包括在5到15cm之间的断层切片重建，以及1.5到2.0mm之间的三维重建分辨率(在所涉及的窄切片上)。紧凑的环形成像仪20优选为安装在悬挂的轻质头盔内，该头盔具有为了头颈而开的内径为20-25cm的开口。为了限制探测器体积和重量(也包括为了减少防护)，仅最小限度的读取电子设备被安置在环形包围中。数据采集(DAQ)电子设备位于可移动柜(未示出)中，用小截面的稳固电缆连接检测器环形模块24和DAQ模块。数据采集与处理系统在目录方式中能以至少200kHz触发率记录数据，以实现迅速的有限数据分析，和在同一扫描期间内实现快速数据重放和图像重构。

一些成像技术可在本发明的脑成像设备中应用。脑成像仪优选包括作为511keV湮灭伽马射线传感器/换能器的闪烁体，而各种光检测器作为闪烁光的检测器，该闪烁光由闪烁器伽马传感器中吸收的511keV伽马射线所产生。闪烁体传感器部分优选由像素化的或者片状晶体闪烁体材料构成，所述材料例如为LSO、LYSO、GSO、BGO、LaBr3、NaI(Tl)、CsI(Tl)、CsI(Na)及其他。光检测器部分优选为标准或多元光电倍增管、位敏光电倍增器、平板或基于微通道板的光电倍增管、雪崩光电二极管阵列或具有电阻性读出器等读出器的大型雪崩光电二极管、以及硅光电倍增管的不同变体。

参考图2，显示了用于构建本发明的紧凑型脑成像仪的PET光检测器模块30的第一实施例。光检测器模块30基于紧凑的、1”或2”大小的、位敏光电倍增管(PSPMT)31，该光电倍增管来自新泽西州Bridgewater的HamamatsuCorporation或者宾夕法尼亚州Lancaster的Burle Industries。该光电倍增管31耦合到2×2×10mm的LYSO闪烁体像素阵列33。本发明中，模块化方法用于构建PET光检测器模块30。检测器模块30包括使用高速率电阻性读出电子设备32的紧凑型H8500或H9500平板PMT 31的阵列。位敏平板PMT 31被置于紧密阵列中并且通过窗34和光导与闪烁体阵列33耦合。平板HamamatsuH8500或H9500PMT每个均约为5cm×5cm大小，以获得每检测器模块30大概20cm的覆盖范围。反射条35被置于平板PMT 31之间的死区36中，以改善PMT31之间大概2cm宽的死区闪烁光的收集。外壳37被设置成围绕检测器30以用于保护。1”或2”大小的紧凑型H8500或H9500平板PMT可从新泽西州Bridgewater的Hamamatsu Corporation获得。

参考图3，显示了紧凑型脑PET检测器模块40的第二实施例，其基于16个(4×4)Burle 85001-501 MCP(微通道板)PMT 43的阵列，该PMT可从宾夕法尼亚Lancaster的Burle Industries获得。该85001-501PMTs 43通过光学传播窗44耦合到封装在窗46后的闪烁体阵列45。反射条47被置于MCP PMT之间的死区中以改善这些MCP PMT之间的-2cm宽的死区闪烁光的收集。在这个图中省略了保护罩。

参考图4-6，PET检测器头的第三和最优实施例由使用硅光电倍增管(SiPMT)代替位敏PMT得到。光检测器模块50的第三实施例是本发明的脑成像仪的优选结构，因为SiPMT提供更紧凑和轻质的成像仪。一般的SiPMT模块达到大约3mm×3mm到5mm×5mm的面积和1.5mm厚度的更小尺寸单元。当和板载电子设备结合时，SiPMT加上板载电子设备的厚度小于1cm。SiPMT阵列需要覆盖期望的活动视场。图4-6示出了如何使用标称12.5mm的硅PMT基本成像模块52(图4)取得大约5cm×5cm活动视场的基于硅PMT的光检测器50(图6)的例子，其中每个基本成像模块52由16个3mm基本硅PMT单元54组成。如图4所示，基本原始成像模块52具有以4×4阵列布置的16个3mm×3mm读出像素或板54的阵列。如分别在图4中间和下方示意性示出的，3mm板或单元54或者以每四块板54连接到一个读出通道55的方式被分别读出，或者以所有16块板54都连接到一个读出通道56的方式被粗略读出。如图5所示，2×2个这些四侧可接合的基本模块(8×8＝64块3mm板)阵列形成近似1”的方形光检测器57，其等效物例如为市场可买到的Hamamatsu R8520-C12PSPMT。基本成像模块52会是在边缘估计有1mm死区的四侧可接合的。如图6所示，光检测器模块优选被置于由4×4基本模块52构成的主成像模块50中，覆盖范围和读出需求等同于上文论述的H8500或H9500平板PMT。主成像模块50可作为插入式替代模块用于具有大约5cm×5cm活性表面的H8500/H9500平板PMT。基本模块之间的死区58将为约1-2mm宽，这可实现均一能量的充足的闪烁信号采样以及空间响应。硅PMT可从若干制造商获得，包括加利福尼亚州Mountain View的SensLUSA和马萨诸塞Watertown的Radiation Monitoring Devices，Inc。

参考图7，显示了按照本发明的脑成像系统60的第二实施例。脑成像仪60包括单个头/颈成像仪环62，该环具有从患者头顶看过去的12个独立检测模块64。为了覆盖这样的脑成像仪的活动FOV，脑成像仪将被提供有多个环。在这种情况下，假设各成像仪模块大概2”×2”大小，依据成像仪的确切功能和静态(没有旋转部分)条件下获得断层(3维)图像的方法，成像仪会被提供1-3个环。如果要求脑部的特定区域的信息，可安置单环版的成像仪以用于患者头部或颈部该区域的成像。

各有高速能力的检测器模块64均为单独个体，其具有单独的并行读出器以及单独的数据获得通道以最大化总体速率性能。各闪烁阵列66通过合适的光导耦合到选择的单个光检测器设备68.

参考图8，显示了按照本发明的头盔形脑成像仪70。头盔形成像仪70包括附着在刚性内壳或内衬76上的检测模块74的环72。内衬76安装在外罩或外壳78内。外壳78包括附着钩79用于容纳连接外部悬挂机构的带束或带缆(未示出)以支撑成像头盔70的重量。电子设备和线缆图中从略。

参考图9，显示了从可移动台架81悬挂下来的大约25cm的环形PET脑成像仪80，其围绕站在踏板84上的患者83的头部82。图9描述了对患者脑部切片成像以评价脑功能和血流的假想成像过程。本发明的紧凑型脑成像仪80将由机械架85、悬挂86以及配重87支撑，以保证扫描期间成像仪80相对患者头部82保持静止。当成像仪被置于患者头部82或颈部时，悬挂86支撑成像仪80的重量。虽然图9中示出了一种支撑装置，但环形PET成像仪的其他支撑方案也是可能的，例如使环形成像仪从弹簧或平衡器上的滚动支撑悬挂下来从而能更灵活和舒适地安置成像仪。在任何支撑布置中，头盔形或环形脑成像仪保证患者身体和头部的小的运动由于成像仪头盔跟随患者运动而将可被自然地适应。

至少四种主要类型的成像仪头盔支撑是可能的，包括：1)附着于安装在患者椅子上部的房间天花板的固定设备，2)附着于安装在患者椅子上部的房间墙上的刚性或关节连接臂或支架上的固定设备，3)附着于可随着患者椅子移动的可移动或滚动型支撑框架，4)附着于患者椅子本身的延伸的后背支撑的延伸体，形成一个紧凑的机械单元。

优选地，头盔形成像仪的重量通过使用柔性支撑将其悬挂而获得良好的平衡，并且头盔形成像仪通过带子或类似的舒适手段附着于患者头部。本发明的头盔形成像仪的重要之处在于确保患者在扫描期间可移动其身体和头部，而成像仪将跟随所有的头部运动。在所要求的大约1-2mm的分辨率水平下，患者头部相对于成像仪环的任何运动将引起图像模糊并妨碍需要的图像细节。

当成像方式要求较长的(比秒级长)成像过程时，在高分辨率成像情况下需要认真考虑患者头部或其他器官的位置监测。用于监测以及用于软件校正器官运动的复杂装置，例如光传感器或磁性传感器，被运用在很多临床成像过程中。本发明的头盔形成像仪以及它到患者头部的可靠附着装置具有将现有技术中的成像仪所要求的复杂运动的监测方法简化到最低限度的显著优势。

本发明的紧凑且可移动头盔形成像仪可提供高分辨率和高性能分子成像，当与新的生物标志物(例如检测老年痴呆症的Pittsburgh Compound B(PiB))联用时，该成像仪可期望大大改善脑疾病的早期诊断。如帕金森氏症和Pick病的其他疾病的检测和诊断也可得到改善。

虽然上述说明包含很多具体的说明、材料和尺寸，但这些不应被解释为对本发明的范围的限制，而仅是提供本发明目前的一些优选方案的说明。因此发明的范围将由所附的权利要求和它们法律上等同物所确定，而不是通过所给出的例子。

Claims (20)

1.一种用于安装在患者头部的紧凑且可移动的PET脑成像系统，包括：

环形成像仪，包括多个紧密间隔的、安装成大体为环形的伽马检测模块；

附着装置，用于将所述环形成像仪固定到患者头部，从而所述环形成像仪得以跟随患者所有的头部运动；

悬挂装置，用于支撑所述环形成像仪的重量；以及

数据采集与处理系统，用于从每个所述伽马检测模块分别接收成像数据以产生脑断层图像。

2.权利要求1所述的脑成像系统，其中所述附着装置是头盔并且所述伽马检测模块与所述头盔集成在一起。

3.权利要求1所述的脑成像系统，其中所述悬挂装置包括固定在构筑物上的带束。

4.权利要求1所述的脑成像系统，其中

每个所述伽马检测模块包括：

闪烁体阵列；

从所述闪烁体传感器延伸的成像光导；

从所述光导延伸的光电倍增器；以及

连接到所述光电倍增器的读出器。

5.权利要求4所述的脑成像系统，其中

所述伽马检测模块检测闪烁体阵列中由被吸收的511keV伽马射线产生的闪烁光；以及

所述脑成像系统包括2mm或更佳的空间分辨率。

6.权利要求1所述的脑成像系统，包括在相对于头部的不同高度调整或扫描所述成像仪环的能力，从而实现患者整个头部的扫描。

7.权利要求1所述的脑成像系统，包括多环成像仪，所述多环成像仪包括三个或更多的叠置的所述成像环，由此所述多环成像仪能实现最大成像目标体积和最佳系统敏感度，并且在一个扫描位置实现整个脑部的成像。

8.权利要求1所述的脑成像系统，其中所述成像系统包括小于2mm的分辨率。

9.权利要求1所述的脑成像系统，包括大约10cm脑切片宽度和小于25cm视场的实时静态断层成像。

10.权利要求1所述的脑成像系统，包括在整个视场内小于2.5mm FWHM的三维重建分辨率。

11.权利要求1所述的脑成像系统，包括

在5和15cm之间的断层切片重建；以及

在1.5和2.0mm之间的在所涉及的窄切片上的三维重建分辨率。

12.权利要求1所述的脑成像系统，其中所述数据采集与处理系统包括：

在目录方式中至少200kHz触发率的数据记录速率，以实现迅速的有限数据分析；以及

在同一扫描期间的快速数据重放和图像重建。

13.权利要求1所述的脑成像系统，其中所述静态环形成像仪包括12到30个之间的所述伽马检测模块。

14.权利要求1所述的脑成像系统，其中所述伽马检测模块包括：

作为511keV湮灭伽马射线传感器和换能器的闪烁体；以及

用于检测闪烁体中由吸收的伽马射线所产生的闪烁光的光检测器。

15.权利要求14所述的脑成像系统，其中所述闪烁体包括：

像素化的或者片状晶体闪烁体材料；以及

所述闪烁体材料选自包括LSO、LYSO、GSO、BGO、LaBr3、NaI(Tl)、CsI(Tl)、和CsI(Na)的集合。

16.权利要求14所述的脑成像系统，其中所述光检测器选自包括标准光电倍增管、多元光电倍增管、位敏光电倍增管、平板光电倍增管、基于微通道板的光电倍增管、雪崩光电二极管阵列，具有电阻性读出器的大型雪崩光电二极管、以及硅光电倍增管。

17.权利要求1所述的脑成像系统，其中所述伽马检测模块包括：

具有在3mm×3mm到5mm×5mm之间的面积和1.5mm厚度的硅光电倍增器；

与所述硅光电倍增管结合的板载电子设备；以及

所述硅光电倍增管和板载电子设备具有小于1cm的厚度。

18.权利要求17所述的脑成像系统，其中所述伽马检测模块包括：

具有5cm×5cm活动视场的基于硅PMT的光检测器；以及

所述光检测器包括多个标称12.5mm的硅PMT基本成像模块，每个基本成像模块由16个3mm基本硅PMT单元组成。

19.一种用于安装在患者头部上的紧凑且可移动的PET脑成像系统，包括

包括多个紧密间隔的、固定到内衬的伽马检测模块的头盔形的成像仪；

所述内衬固定在外壳内；

所述头盔形成像仪能被置于患者头部，以至于所述头盔形成像仪能跟随患者所有的头部运动；

用于支撑所述头盔形的成像仪重量的悬挂装置；以及

从所述伽马检测模块接收成像数据用于产生脑断层图像的数据采集与处理系统；以及

用于将所述伽马检测模块连接到所述数据采集与处理系统的电子设备和线缆。

20.权利要求19所述的脑成像系统，其中所述伽马检测模块包括：

具有5cm×5cm活动视场的基于硅PMT的光检测器；

所述伽马检测模块检测由所吸收的511keV伽马射线所产生的闪烁光；以及

所述脑成像系统包括2mm或更佳的空间分辨率。

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