CN102813527A - 正电子发射计算机断层扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正电子发射计算机断层扫描系统，属于医疗器械领域。其中，该系统包括：三个γ光探测装置，用于产生γ光子击中晶体产生可见光，并将可见光转换成电信号；三个前端电子学装置，用于根据对应γ光探测装置的电信号确定单事例信息；三个数据采集装置，用于采集对应的前端电子学装置得到的单事例信息，并对单事例信息进行处理得到符合事例信息；与数据采集装置连接的一机电控制装置，用于在数据采集装置的控制下，操纵机器组件的运动；与数据采集装置一一对应连接的三个控制装置，用于接收对应的数据采集装置传递的符合事例信息，经处理得到PET图像。本发明实施例能够提高扫描速度，进而拓宽PET的应用范围。

Description

正电子发射计算机断层扫描系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别是指一种正电子发射计算机断层扫描系统。

背景技术

正电子发射计算机断层仪器(Positron emission computed tomography，PET)是专门为探测发射正电子的放射性核素在体内堙没辐射并进行断层显像的仪器，是以一种脏器内、外或脏器与病变之间的显像剂放射性浓度差别为基础的脏器和病变显像方式。

诊断时将放射正电子的核素标记的示踪药物注入人体内，核素放射出的正电子与人体内的电子结合，发生湮灭产生的γ射线穿出人体，在体外用PET测定，仪器记录穿出人体的符合射线强度，通过这些射线可知道人体内正电子的分布情况并扫描成像。

PET由探头、可移动床、计算机及辅助部分组成。探头由闪烁晶体、光电倍增管、前置放大器及射线屏蔽装置等构成，其中接收γ光子的闪烁晶体95％为锗酸铋晶体(BGO)、5％为碘化钠(NaI)晶体。闪烁晶体后面是光电倍增管，将光子转变成电信号，并由前置放大器放大，单个晶体与光电倍增管构成分离的探测器，是PET中湮没辐射符合探测的基本单元，决定了PET的分辨能力，许多分离探测器排列在360度圆周上构成不同直径、不同环数的PET；由单一模块构成的为8环，2个模块并排可构成16环的PET，4个模块可构成32环等，PET的纵向视野及断层面的数目与环数成正比。

现有技术中在进行正电子断层扫描时，采用的为32环PET。但采用32环PET扫描一个体位需9分钟以上，扫描一个全身六个体位的话就需约一个小时，这样一些半衰期较短的元素就不能作为标记物，限制了PET的应用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种正电子发射计算机断层扫描系统，能够提高扫描速度，进而拓宽PET的应用范围。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种正电子发射计算机断层扫描系统，包括：

三个γ光探测装置，分别用于产生γ光子击中晶体产生可见光，并将所述可见光转换成电信号；

与所述γ光探测装置一一对应连接的三个前端电子学装置，用于根据对应γ光探测装置的所述电信号确定单事例信息，所述单事例信息包括γ光子击中晶体的时间、位置和γ光子的能量大小；

与所述前端电子学装置一一对应连接的三个数据采集装置，用于采集对应的前端电子学装置得到的单事例信息，并对所述单事例信息进行处理得到符合事例信息；

与所述数据采集装置连接的一机电控制装置，用于在所述数据采集装置的控制下，操纵机器组件的运动；

与所述数据采集装置一一对应连接的三个控制装置，用于接收对应的数据采集装置传递的符合事例信息，经处理得到正电子发射计算机断层仪器PET图像。

其中，所述三个数据采集装置包括一主数据采集装置，所述机电控制装置具体用于在所述主数据采集装置的控制下，操纵机器组件的运动。

其中，所述三个控制装置包括一主控制装置和两个从控制装置，所述主控制装置具体用于实现所述三个控制装置之间的同步，并将所述三个控制装置得到的符合事例信息进行处理得到PET图像。

其中，每一γ光探测装置包括64个组件，每个组件包括4区段，每一区段包括一块锗酸铋BGO晶体和4个光电倍增管，每一BGO晶体在探测面形成8*8晶体条阵列。

其中，所述光电倍增管具体用于在γ光子击中晶体产生可见光后，并将所述可见光转换成电信号；

其中，4个光电倍增管输出电信号的总和用于确定γ光子的能量和γ光子击中晶体的时间，4个光电倍增管输出电信号的比率用于确定γ光子击中的晶体位置。

其中，所述前端电子学装置包括16个桶状Bucket组和一个时钟通信控制板，每一Bucket组包括4个模块Module控制板和一个Bucket控制板；

其中，所述Module控制板用于接收所述组件的电信号，并通过所述电信号得到包括γ光子击中晶体的时间、击中的晶体位置和γ光子的能量大小的单事例信息；

所述Bucket控制板用于所述传递Module控制板得到的单事例信息，并监控所述前端电子学装置的温度和高压；

所述时钟通信控制板用于为所有的Bucket控制板提供同步时钟和通信端口。

其中，所述数据采集装置包括：

接口面板，用于接收所述Bucket控制板传递的单事例信息，并将所述单事例信息传递给符合控制板；

所述符合控制板，用于对所述单事例信息进行类型区分，并将区分所得的符合事例信息发送给控制模块；

所述控制模块，用于将所述符合事例信息发送给所述控制装置，实现所述数据采集装置与所述前端电子学装置和所述控制装置之间的通信。

其中，所述机电控制装置包括：

T扫控制单元，用于控制T扫装置的移动、辐射棒源的旋出和辐射棒源的旋转；

支架Gantry控制单元，用于控制激光灯的工作状态，并检测温度、射线、高压状态。

床板运动控制单元，用于控制床板在垂直及水平两个方向上的运动，并检测床板的位置。

其中，所述数据采集装置与所述控制装置之间通过1GHz高速光纤进行通信，所述数据采集装置与所述前端电子学装置之间通过低压差分信号端口进行通信，所述数据采集装置与所述机电控制装置之间通过RS232端口进行通信。

本发明的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，在一次扫描的情况下，本发明的正电子发射计算机断层扫描系统可同时获得三个不同部位的断层成像，提高了对全身的扫描速度，由于对全身扫描速度快，一方面可以减少对病人的放射性剂量，减少扫描成本；另一方面，可以使用半衰期短的同位素如¹⁵O，拓宽了PET的应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例的正电子发射计算机断层扫描系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的正电子发射计算机断层扫描系统各装置之间的连接示意图；

图3为本发明实施例的γ光探测装置的结构示意图；

图4为本发明实施例的Bucket组的结构示意图；

图5为本发明实施例的Gantry部分的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的实施例针对现有技术中采用32环正电子发射计算机断层仪器(Positron emission computed tomography，PET)进行扫描时，耗时较长的问题，提供一种正电子发射计算机断层扫描系统，能够提高扫描速度，进而拓宽PET的应用范围。

图1为本发明实施例的正电子发射计算机断层扫描系统的结构示意图，如图1所示，本实施例包括：

三个γ光探测装置10、11和12，分别用于产生γ光子击中晶体产生可见光，并将可见光转换成电信号；

与γ光探测装置10、11和12一一对应连接的三个前端电子学装置20、21和22，用于根据对应γ光探测装置的电信号确定单事例信息，单事例信息包括γ光子击中晶体的时间、位置和γ光子的能量大小；

与前端电子学装置20、21和22一一对应连接的三个数据采集装置30、31和32，用于采集对应的前端电子学装置得到的单事例信息，对单事例信息经过处理以后，形成一对γ光子的信息，简称符合事例信息，符合事例信息包括有散射或光电符合、立即或延迟符合、位置信息、分帧信息等；

与数据采集装置30、31和32连接的一机电控制装置40，用于在数据采集装置的控制下，操纵机器组件的运动；

与数据采集装置30、31和32一一对应连接的三个控制装置50、51和52，用于接收对应的数据采集装置传递的符合事例信息，经处理得到正电子发射计算机断层仪器PET图像。

其中，数据采集装置21为主数据采集装置，用于控制机电控制装置40，进而操纵机器组件的运动。

控制装置51为主控制装置，控制装置50、52为从控制装置，主控制装置51具体用于实现三个控制装置之间的同步，并将三个控制装置得到的采集信息进行传输、分类、重组、环内校正、环间校正、重建、重切等形成PET图像，采集信息包括发射扫描信息、衰减扫面信息、R波扫描信息等。

下面结合附图对本发明的正电子发射计算机断层扫描系统进行详细介绍。如图2所示为本发明的PET系统各装置之间的连接示意图，可以看出，控制装置与数据采集装置之间通过1GHz高速光纤连接，数据采集装置和前端电子学装置之间通过LVDS(Low-Voltage Differential Signaling，低压差分信号)高速端口和RS232通信端口进行通信，前端电子学装置和γ光探测装置之间通过50欧姆电缆相连接，机电控制装置与γ光探测装置之间通过高压总线相连接，机电控制装置与前端电子学装置之间通过低压总线相连接，机电控制装置与数据采集装置之间通过RS232通信端口和RS485通信端口进行通信。下面对各装置进行详细介绍。

(一)γ光探测装置

本发明的PET系统中有3个32环的γ光探测装置，这些γ光探测装置之间相互独立，可以调整相邻γ光探测装置之间的距离，精度能够达到1mm以下。如图3所示，每一γ光探测装置由64个Module(组件)组成，近似于环型。每一个Module由4个Block(区段)组成，每一个Block由一块BGO晶体和四个光电倍增管组成，每一块BGO晶体块被切割成深浅不一的窄缝，在探测面形成8*8晶体条阵列。

工作时，γ光子击中晶体后，产生可见光，光子被4个光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)探测，输出电信号。4个PMT输出电信号的总和反应γ光子的能量和γ光子击中晶体的时间。4个PMT输出电信号的比率确定了γ光子击中的晶体条。

(二)前端电子学装置

本发明的PET系统中有3个前端电子学装置，每一前端电子学装置对应连接一γ光探测装置。每一前端电子学装置包括16个Bucket(桶状)组和一个时钟通信控制板，如图4所示为一个Bucket组，每一Bucket组包括4个Module(模块)控制板和一个Bucket控制板。

在正常工作的情况下，Module控制板、Bucket控制板和时钟通信控制板已被设置了参数，如能量边界、位置边界、时间边界、增益等。Module控制板通过电缆获取相应γ光探测装置Module中Block的γ光子击中事件，Module控制板分成两个通道：1、求和通道，即将4个PMT输出的电信号相加，放大；2、分光通道，即将4个PMT输出的电信号滤波，归一。通过求和通道可以得到γ光子击中晶体的时间和γ光子的能量大小。通过分光通道可以得到γ光子击中晶体的位置，即哪一个晶体条(即条号)被击中。γ光子击中用事件表示，在Block事件中，表示了事件的有效、光电、时间和条号信息。一个Module控制板接收4个Block输入的事件，经过处理后形成Module输出事件，该事件除包含Block的事件信息外，还包括了Block的位置信息。Module控制板接收4个Block的输出事件，Module控制板输出事件遵循以下原则(即输出事件原则)：在一个同步周期，仅输出一个事件，如在一个同步周期有一个事件就输出这个事件；如有两个事件就随机输出其中一个事件，并输出事件个数为2；如有更多的事件，则标明无效事件，并输出事件个数。Bucket控制板通过一组48芯的连接器来接收4个Module控制板中的输入事件，Bucket控制板将4个Module分成两个Bucket，每个Bucket有独立的输出事件端口。同样，Bucket控制板在输出事件时也遵循以上的输出事件原则。通过Bucket控制板还可以监控板的温度，控制并监控高压等。时钟通信控制板为所有的Bucket控制板提供时钟、同步时钟、和通信端口。

(三)数据采集装置

本发明的PET系统中有3个数据采集装置，其中一个为主，另两个为辅。主数据采集装置实现对机电控制装置的控制。

每一数据采集装置对应连接一前端电子学装置，数据采集装置主要由接口面板，符合控制板，CPCI计算机(Compact Peripheral Component Interconnect，紧凑型PCI)及嵌入式软件系统组成。

接口面板主要实现在Bucket组和符合控制板之间的信号转换，即将Bucket组传送过来的LVDS电平转换成LVTTL(Level Transistor-Transistor Logic，电平式晶体管-晶体管逻辑电路)电平输入到符合控制板。

符合控制板主要实现符合的功能、分帧的功能、参数设置和数据通信功能。符合的功能即在一个同步周期内，要进行240个可能符合事件的探测，并区别出立即符合、延迟符合、散射符合和光电符合等。分帧的功能即根据门控或辐射棒源位置信息实现符合数据的分区。参数设置即3D/2D、视野、工作模式和时间窗的选择等。数据通信的功能即产生的符合事例要适时有序地通过CPCI计算机发送出去。CPCI计算机带有PMC千兆光纤网卡，和一些其它的标准端口，如键盘、显示器、RS232等。CPCI计算机可以通过安装的嵌入式软件系统实现与控制装置的网络通信。

心电仪是实现心肌功能成像的重要设备，如图2所示，在需要实现心肌功能成像时，数据采集装置通过TTL电平排线与心电仪相连接。

(四)机电控制装置

本发明的PET系统中有1个机电控制装置，用于操纵机器组件的运动。机电控制装置由配电单元、T扫装置控制单元、Gantry(支架)控制单元、和床板运动控制单元四个部分组成。

其中，配电单元主要是合理地分配PET系统中各装置所需的220V电源。T扫控制单元主要是实现T扫装置的移动、辐射棒源的旋出和辐射棒源的旋转等。Gantry(支架)控制单元主要是实现面板对床、激光灯等的控制，以及对温度、射线、探测器位置和高压状态等的检测。床板运动控制单元主要是实现床板在垂直、及水平两个方向的运动控制及检测床板的位置。

(五)机械组件

PET系统中的机械组件分成Gantry、床体、T扫装置和附件四个部分。如图5所示，Gantry部分主要包括准直器1，壳体2，module3，铜环4，机架5，底座6，Bucket组7。64个module3、16个Bucket组7、激光灯、风扇、及三根铜环4安装在机架5上。机架5可移动，便于维修。本发明的PET系统中有三套机架。在安装过程中，三个机架系统独立安装，调试。保证无误后将机架移入底座中，调整相邻的机架位置为指定位置，误差小于1mm。

T扫装置部分主要包括有放射源的屏蔽体、放射源的伸出和缩回模块和放射源的旋转模块。

附件部分主要用于安装高、低压电源，三个数据采集装置和隔离变压器等。

如图2所示，机电控制装置通过TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑电平)电平排线实现对激光灯的控制，通过CAN(ControllerAreaNetwork，控制器局域网络)总线实现对T扫装置、面板控制和床体的控制。

(六)控制装置

本发明的PET系统包括有一个主控制装置和两个从控制装置，主控制装置实现对三个控制装置的同步控制，并实现获取的PET图像信息间的归一化校正，Overlap处理，和三个sino图的衔接。在扫描过程中，通过主控制装置设置参数，通过参数传输命令向其它两个控制装置传递参数。开始采集时，由主控制装置同步其它的两个控制装置，完成各自的数据采集协议。在归一化校正过程中，将三个数据采集装置采集到的数据经过常规校正后，在主控制装置进行PET间的归一化校正，去掉重叠层后，形成串接在一起的SINO数据。

控制装置可以是一个基于Windows的计算机控制系统，控制装置主要包括数据采集单元，数据校正单元，性能检测单元，图像处理单元，病档管理单元，报告输出单元等。

数据采集单元实现PET系统的参数设置，如T/E、床位、采集时间、采集协议等，实现和数据采集装置的通信，以及快速有序地通过SCSI(SmallComputer System Interface，小型计算机系统接口)总线以List mode格式向RAID(Redundant Array ofIndependent Disk，独立冗余磁盘)阵列写入数据等。

数据校正单元实现数据的读取，并根据情况做相应的校正，最后形成可以重建的sino数据格式。校正主要包括均匀性，衰减，衰变，几何，死时间，散射分支比等。

性能检测单元实现模型数据的处理和显示等，数据处理包括有位置分辨率，灵敏度等；数据显示包括探测器效率统计图，探测器符合事例统计图等。

图像处理单元实现图象的多模态显示，以及图像的重建、重切、和滤波等。

病档管理单元实现病档的保密、分类、插入、删除、传输、和数据的完整性等。

报告输出单元实现病人报告的编写，图像的导入，和报告的打印输出等。

进一步地，控制装置还可以通过打印机并行端口与打印机相连接，实现PET图像的打印。

因为本发明的PET系统包括了三个32环γ光探测装置、三个前端电子学装置、三个数据采集装置和三个控制装置，因此可以称之为96环PET，采用本发明的PET系统扫描一个病人全身一般只需两个床位，大大提高了全身扫描速度，节省了扫描时间。由于对全身扫描速度快，一方面可以减少对病人的放射性剂量，节省检查成本；另一方面，可以使用半衰期短的同位素如¹⁵O，拓宽了PET的应用领域。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种正电子发射计算机断层扫描系统，其特征在于，包括：

三个γ光探测装置，分别用于产生γ光子击中晶体产生可见光，并将所述可见光转换成电信号；

与所述γ光探测装置一一对应连接的三个前端电子学装置，用于根据对应γ光探测装置的所述电信号确定单事例信息，所述单事例信息包括γ光子击中晶体的时间、位置和γ光子的能量大小；

与所述前端电子学装置一一对应连接的三个数据采集装置，用于采集对应的前端电子学装置得到的单事例信息，并对所述单事例信息进行处理得到符合事例信息；

与所述数据采集装置连接的一机电控制装置，用于在所述数据采集装置的控制下，操纵机器组件的运动；

与所述数据采集装置一一对应连接的三个控制装置，用于接收对应的数据采集装置传递的符合事例信息，经处理得到正电子发射计算机断层仪器PET图像。

2.根据权利要求1所述的正电子发射计算机断层扫描系统，其特征在于，所述三个数据采集装置包括一主数据采集装置，所述机电控制装置具体用于在所述主数据采集装置的控制下，操纵机器组件的运动。

3.根据权利要求1所述的正电子发射计算机断层扫描系统，其特征在于，所述三个控制装置包括一主控制装置和两个从控制装置，所述主控制装置具体用于实现所述三个控制装置之间的同步，并将所述三个控制装置得到的符合事例信息进行处理得到PET图像。

4.根据权利要求1所述的正电子发射计算机断层扫描系统，其特征在于，每一γ光探测装置包括64个组件，每个组件包括4区段，每一区段包括一块锗酸铋BGO晶体和4个光电倍增管，每一BGO晶体在探测面形成8*8晶体条阵列。

5.根据权利要求4所述的正电子发射计算机断层扫描系统，其特征在于，所述光电倍增管具体用于在γ光子击中晶体产生可见光后，并将所述可见光转换成电信号；

其中，4个光电倍增管输出电信号的总和用于确定γ光子的能量和γ光子击中晶体的时间，4个光电倍增管输出电信号的比率用于确定γ光子击中的晶体位置。

6.根据权利要求5所述的正电子发射计算机断层扫描系统，其特征在于，所述前端电子学装置包括16个桶状Bucket组和一个时钟通信控制板，每一Bucket组包括4个模块Module控制板和一个Bucket控制板；

其中，所述Module控制板用于接收所述组件的电信号，并通过所述电信号得到包括γ光子击中晶体的时间、击中的晶体位置和γ光子的能量大小的单事例信息；

所述Bucket控制板用于所述传递Module控制板得到的单事例信息，并监控所述前端电子学装置的温度和高压；

所述时钟通信控制板用于为所有的Bucket控制板提供同步时钟和通信端口。

7.根据权利要求1所述的正电子发射计算机断层扫描系统，其特征在于，所述数据采集装置包括：

接口面板，用于接收所述Bucket控制板传递的单事例信息，并将所述单事例信息传递给符合控制板；

所述符合控制板，用于对所述单事例信息进行类型区分，并将区分所得的符合事例信息发送给控制模块；

所述控制模块，用于将所述符合事例信息发送给所述控制装置，实现所述数据采集装置与所述前端电子学装置和所述控制装置之间的通信。

8.根据权利要求1所述的正电子发射计算机断层扫描系统，其特征在于，所述机电控制装置包括：

T扫控制单元，用于控制T扫装置的移动、辐射棒源的旋出和辐射棒源的旋转；

支架Gantry控制单元，用于控制激光灯的工作状态，并检测温度、射线、高压状态。

床板运动控制单元，用于控制床板在垂直及水平两个方向上的运动，并检测床板的位置。

9.根据权利要求1所述的正电子发射计算机断层扫描系统，其特征在于，所述数据采集装置与所述控制装置之间通过1GHz高速光纤进行通信，所述数据采集装置与所述前端电子学装置之间通过低压差分信号端口进行通信，所述数据采集装置与所述机电控制装置之间通过RS232端口进行通信。

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