CN104983438B - 探测器头接近度感测和碰撞避免装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种伽马相机(8,180)包括至少一个辐射探测器头(10,12,210,212)。至少一个这种辐射探测器头(10,12,210,212)包括设置在至少该辐射探测器头的辐射敏感部分(50)之上的多个电容元件(60,260,76,276)。接近度传感器监测器(62)与所述多个电容元件相耦合以便基于电容元件的测量电特性检测受试者与辐射探测器头的接近度。碰撞传感器监测器(64)与所述多个电容元件相耦合以便响应于板之间的间隔的机械变形而检测在电容元件的间隔开的平行导电板(66,67)之间流动的传导电流。

Description

探测器头接近度感测和碰撞避免装置及方法

本申请为分案申请，其原申请是2009年5月19日进入中国国家阶段、国际申请日为2007年10月31日的国际专利申请PCT/US2007/083082，该原申请的中国国家申请号是200780042886.4，发明名称为“探测器头接近度感测和碰撞避免装置及方法”。

本发明涉及成像、测试、诊断及相关领域。本发明尤其适用于伽马相机、包括伽马相机的医学成像系统、利用伽马相机的断层摄影医学成像方法等，并且通过具体参考这些方面对本发明进行描述。然而，本发明更一般地适用于基本任何类型的可移动探测器头，以及采用这种可移动探测器头的成像系统和成像方法。

在核医学成像成像技术如单光子发射计算机断层摄影(SPECT)中，受试者(诸如人类或动物患者、人类或动物测试受试者等)被施予包括放射性同位素或其他放射性组分的放射性药物。该放射性药物任选地被配置为在特定的组织或器官(诸如血液、骨骼组织、肝脏、脑等)中聚集。由于放射性同位素或其他放射性元素对受试者具有某些毒性，有利的是针对活体受试者保持低的放射性药物剂量。由所施予的放射性药物产生的信号相应地较低，因此非常关注辐射探测器敏感性。

用于在成像序列期间使辐射探测器敏感性最大化的一种技术是采用适形断层摄影轨迹，其中探测器头在行进期间朝向患者或远离患者移动以维持小的探测器头到患者的距离。然而，探测器头相对脆弱、相对较大(在一些伽马相机中，每个探测器头具有大约40cm×50cm的辐射敏感面积)，且相对较重(例如包括基于导程的蜂窝状准直仪)，因此探测器头与患者之间的碰撞是一种风险。

为构建适形轨迹，将患者放置到受试者支架上，且放射学家使用手动控制器来操纵探测器头以非常接近患者。将这一接近(close-in)位置(有时称为“标记位置”)存储在存储器中，且操纵该探测器头到另一接近位置，该另一接近位置提供患者的不同角度或视角以定义另一标记位置。然后对若干这样定义的标记位置进行插值以构建适形轨迹。这种类型的适形轨迹规划必须允许有充分的探测器头到受试者的间隙以提供安全裕度。

光学接近度感测系统也是已知的。这些系统使用线性激光阵列或其他定向光源来定义平行于探测器头的辐射敏感面的片光源。相对定向光源布置的光学探测器探测片光源的连续性。当对象与片光源相交叉时，到一些光学探测器的光学信号被中断，从而指示出该片光源已经被破坏。在一些布置中，包括两个空间偏移的平行片光源。如果片光源都没有被破坏，则推断出对象离得还很远。如果一个片光源被破坏，则推断出对象在目标距离范围内。如果两个片光源均被破坏，则推断出对象太靠近，也许指示出即将来临的碰撞。

这种光学接近度感测系统通常从探测器头的辐射敏感面向外投影，这可能是有问题的。此外，所提供的接近度指示是离散的。在单一片光源的情况下该接近度指示是二值的。对于两个片光源，接近度指示是三值的(零、一或两个片光源被破坏)。可以实现更高的分辨率，但是代价是包括额外的片光源。分辨率最终受到光散射、衍射或其他模糊效应的限制，这些模糊效应限制了相邻片光源的靠近度。

另外，一个或多个片光源的一个或多个位置固定了离散的接近度指示。接近度指示的调整或者是不可能的，或者需要通过手动或使用适当的自动光学器件来调整片光源的位置。如果提供这种调整，其将增加光学接近度感测系统的整体复杂性。

此外，现有的光学接近度感测系统并不区分对象破坏片光源的类型。特别地，衣服或床上用品导致的片光源破坏将会被探测到，从而将相对于衣服或床上用品而不是相对于患者定位探测器头。

下文提供了克服上述问题及其他问题的新型改进的装置及方法。

根据一个方面，公开了一种辐射探测器头，其包括辐射敏感面以及多个电容元件，所述辐射敏感面被配置为探测辐射，所述多个电容元件被设置在所述辐射敏感面之上并且被配置为检测受试者与所述辐射敏感面的接近度。

根据另一方面，公开了一种伽马相机，其包括多个辐射探测器头。至少一个辐射探测器头包括设置在至少所述辐射探测器头的辐射敏感部分之上的多个电容元件。接近度传感器监测器与所述多个电容元件相耦合以便基于所述电容元件的测量电特性检测受试者与所述辐射探测器头的接近度。

根据另一方面，利用辐射探测器头执行成像数据采集方法，该辐射探测器头包括设置于其表面上的多个电容元件。该成像数据采集方法包括：相对于受试者移动所述辐射探测器头；在所述移动期间或者在所述移动之间的静止间期期间从所述受试者采集辐射数据；在所述移动期间，测量所述电容元件的电特性；以及基于所测量的电特性控制探测器头到受试者的距离。

根据另一方面，公开了一种伽马相机，其包括可移动的辐射探测器头。至少一个电容元件被设置在所述辐射探测器头上并包括间隔开的平行导电板。碰撞传感器监测器被配置为响应于所述板之间的间隔的机械变形而检测在所述平行导电板之间流动的传导电流。

一个优点在于为辐射探测器头提供接近度传感器，该接近度传感器提供连续的而非离散的接近度指示。

另一优点在于提供对枕头或衣服不敏感的接近度传感器，从而在医学应用中相对于患者而非相对于患者的衣服、枕头、床单或其他服装等定位探测器头。

另一优点在于提供电接近度传感器，该电接近度传感器提供连续的距离信息和碰撞检测互锁能力。

另一优点在于提供薄的电接近度传感器，该薄的电接近度传感器具有从辐射敏感探测器面起的基本不显著的突出。

另一优点在于得到连续距离反馈的接近度传感器与提供数据采集的扫描器或控制器相组合，其中探测器头到患者的距离可以在患者之间、在同一患者的解剖区域之间或以其他方式变化。

另一优点在于提供大体平面的接近度传感器，可以利用众所周知的平版图案化技术来构建该接近度传感器。

本领域技术人员在阅读和理解以下详细描述的基础上将认识到本发明的更多优点。

图1图解地示出伽马相机的透视图；

图2和3分别图解地示出图1的伽马相机的辐射探测器头之一的透视图和侧视截面图；

图4图解地示出设置在图2所示的辐射探测器头的侧面上的电容元件之一的侧视截面图；

图5图解地示出适当的采样电路；

图6图解地示出用于处理由图5的采样电路生成的采样信号的适当信号处理电路；

图7图解地示出由图1-6的系统适当执行的接近度控制和碰撞避免方法；

图8图解地示出在全身平面成像数据采集期间进行的接近度感测测量；

图9图解地示出在适用于心脏成像的断层摄影成像数据采集期间进行的接近度感测测量；

图10A、10B和10C示出具有圆形扫描架和两个辐射探测器头的伽马相机的相应前视图、侧视图和顶视图；

图11图解地示出图10A、10B和10C的伽马相机的辐射探测器头之一的透视图，包括对前面安装的和侧面安装的电容元件的描述。

参考图1，一种核医学成像系统包括伽马相机8，在所图示说明的实施例中该伽马相机包括两个辐射探测器头10、12。在其他实施例中，该伽马相机可以包括一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个或更多个探测器头。辐射探测器头10、12具有各自的辐射敏感面14、16，这些辐射敏感面一般被布置为面向患者支架或平板架18。所图示说明的探测器头10、12由各自的铰接式多关节自动机械臂20、22支撑。每个自动机械臂20、22包括电子可控的平移、旋转、转体或其他机械关节的组合，这些机械关节协作地或共同地实现若干运动自由度，诸如探测器头10、12朝向患者床18或远离患者床18的径向运动、这些头在垂直于径向运动的方向上的切向运动，以及圆周运动等。每个所图示说明的自动机械臂20、22分别终止于叉状支撑构件24、26。叉状支撑构件24、26分别直接支撑探测器头10、12。

相机电子设备30提供对铰接式自动机械臂20、22的控制，输送动力给自动机械臂20、22和探测器头10、12，并且输出来自探测器头10、12的辐射探测信息。相机电子设备30任选地与视频监测器32相耦合，以便显示关于伽马相机8的状态和操作的各种信息。

所图示说明的包括辐射探测器10、12、患者支架18、自动机械臂20、22、相机电子设备30和视频显示器32的伽马相机8适当地体现为Skylight^TM核相机(可以从荷兰Eindhoven的Philips Medical Systems获得)。然而，基本上可以通过任何类型的伽马相机来实践此处公开的探测器头距离感测和碰撞避免装置及方法，这些类型的伽马相机提供能够适形地围绕患者或在患者周围移动的一个或多个辐射探测器。例如，它可以结合具有更大数量的较小探测器头的伽马相机一起使用。在一些实施例中，用支撑探测器头10、12的环状扫描架20'(在图1的体模中画出)替换自动机械臂20、22。在这些实施例中，环状扫描架20'包括支撑这些头10、12的可旋转扫描架部分从而使得这些头10、12能够围绕床18回转，并且包括提供探测器头的径向和切向运动的伽马探测器头安装夹具(未示出)。在环状扫描架或自动机械臂安装布置中，与辐射探测器头直接连接的终端安装结构可以不同于所图示说明的叉状支撑构件24、26。例如，可以用定位在探测器头的侧面或后面的单侧安装臂、包括若干安装柱的非对称布置等来替换叉状支撑构件24、26。伽马相机8也可以包括为了简洁而未在图1中图示说明的其他特征，诸如Skylight^TM核相机和一些其他伽马相机可用到的自动准直仪交换器。

继续参考图1，相机电子设备30包括自动机械控制器34，该自动机械控制器可以由手控制器36以手动模式操作以便利用自动机械臂20、22操纵探测器头10、12。作为替代，可以利用由相机电子设备30实现的适当控制算法来操作自动机械控制器34，以便沿着预定的适形轨迹38移动探测器头10、12。在一些实施例中，视频监测器32可以被配置为以持久“p范围”模式输出，其显示出与探测器10、12中选定的一个的探测器面相对应的辐射探测图。放射学家或其他操作者适当地使用手控制器36并结合“p范围”显示、探测器头的位置的视觉观察或其他反馈以确定探测器头的若干接近位置，即标记位置，根据这些位置可以插值或另外构建出适形轨迹38。

为了采集断层摄影成像数据，自动机械控制器34利用自动机械臂20、22操纵探测器头10、12以便基本沿着适形轨迹38移动探测器头10、12。在这一自动轨迹往返移动期间，探测器头10、12收集成像数据，该成像数据被存储在成像数据存储器40中。例如，该成像数据可以是在SPECT成像情况下的投影数据，或者是在PET成像模式下使用伽马相机时的响应线数据等。重建处理器42应用适当的重建算法(诸如经滤波的反投影重建算法、迭代重建算法等)来根据所收集的成像数据计算重建图像。该重建图像被存储在图像存储器44中，且可以显示在用户接口46的显示器上，或者存储在电子存储器、磁存储器或光存储器中以用于稍后检索，或者经由局域网或因特网传输，或者由后重建图像处理来进行处理，或者以其他方式进行利用。在所图示说明的实施例中，用户接口46还提供与相机电子设备30的用户接口。在其他实施例中，代替用户接口46或除了用户接口46，可以使用视频监测器32、手控制器36或其他用户接口设备以提供与相机电子设备30的用户接口。

继续参考图1并进一步参考图2和图3，每个探测器头10、12包括大体平面的辐射敏感面50，该辐射敏感面在所图示说明的实施例中包括准直仪52。准直仪52是针孔、蜂窝状或其他类型的准直仪，其由辐射吸收材料制成并具有在大体垂直于大体平面的辐射敏感面50的方向上对进入的辐射进行准直的针孔、开口或填充的可传输辐射的区域。在其他实施例中，可以使用将进入的辐射准直到平面内的板条型准直仪。在又一实施例中，例如如果探测器头被用于正电子发射断层摄影(PET)成像，则可以省略准直仪。所图示说明的探测器头10、12每个都还包括辐射探测器阵列54。所图示说明的辐射探测器54包括一个或多个闪烁体55，该一个或多个闪烁体与布置为观察该一个或多个闪烁体55的多个光电倍增管56光学耦合。光电倍增管56任选地由另一类型的光传感器(诸如光电二极管阵列)替换。用于表示一个或多个闪烁体55的闪烁输出的术语“光”同时包括可见光和不可见的紫外光或红外光。光电倍增管56的输出被输入到例如设置在印刷电路板58上的电子设备。代替基于闪烁体的辐射探测器54，可以使用多个辐射敏感元件(例如基于固态CZT的探测器)直接吸收辐射并响应于此而输出电子信号。

继续参考图1并进一步参考图2-4，探测器头10、12中的一个或两个还包括接近度或距离感测系统，该接近度或距离感测系统包括多个电容元件60(图2、3和4)、接近度传感器监测器62(图1)和碰撞传感器监测器64(图1)。所图示说明的电容元件60是平面电容器，诸如平行板电容器，每个平行板电容器包括(参见图3)由空气或绝缘材料68(诸如泡沫材料、介电材料、环氧树脂等)间隔开的第一和第二平行导电板66、67。如果要在此处所述的导电碰撞感测模态中使用电容元件，则应该将绝缘材料68布置成在其间具有实质气隙的间隔开的间隔物元件，从而使得板66、67可以被压缩而彼此接触，或者至少足够接近以使得传导电流能够横跨机械压缩的间隔物流动。因此，在一些实施例中，间隔物是泡沫、介电材料等的栅格、阵列或其他构型，其具有在间隔物之间的实质分离面积，平行板可以在间隔物之间被压缩在一起以实现碰撞感测。另一方面，如果电容元件仅在电容感测模式下使用而不进行导电碰撞感测，则可以用更刚性的介电材料将导电板66、67间隔开，该介电材料任选地充分填充导电板66、67之间的空间。另外，代替平行板平面电容器，可以使用其他配置，诸如平面感测电容器和非平面的第二导电元件。还预期采用准直仪52作为电容器的第二导体，尽管如果准直仪被电接地则它不能被用作电容元件的导电板。在所图示说明的实施例中，平面电容器60是具有两个导电板66、67的平行板电容器，其中底板或下板67通过绝缘材料70(诸如泡沫或其他介电层)与准直仪52间隔开。在一些实施例中，将绝缘材料70布置成在其间具有气隙的间隔物元件的栅格或阵列。在适当的加工方法中，平行导电板66、67每个均是设置在限定绝缘层68的大体平面的介电衬底上的导电膜(诸如铜膜)，其中将导电膜图案化以定义出平行板电容器60的阵列以及任选的电互连迹线。在所图示说明的实施例中，以相同的方式图案化导电膜66、67，从而使得每个平行板电容器具有基本相同尺寸的导电平行板66、67。在其他预期实施例中，可以以不同方式图案化两个导电膜以给出不同面积的平行板。将电容元件60设置在辐射敏感面50之上，任选地，设置在辐射敏面50的外盖72内(该任选外盖在图3中示意性地用虚线指示)。应该将导电平行板66、67、绝缘材料或层68、70或电容元件60的其他元件选择为基本避免由闪烁体55探测的辐射的衰减。

将附加的电容元件76附加地或可替代地设置在辐射探测器头10、12的一侧或多侧上以检测侧面接近度。通过特别参考图4，在所图示说明的实施例中，侧面安装的电容元件76是通过对铜层78、80进行图案化而形成的平行板电容器，这些铜层被层压在双面印刷电路板的环氧树脂板82的相对侧上，该双面印刷电路板通过泡沫层84与准直仪54的侧面间隔开。因为不通过侧面安装的电容元件76探测辐射，这些元件任选地由辐射吸收材料制成。在这一方法中，印刷电路板的环氧树脂板82限定将平行导电板78、80间隔开的绝缘层。

继续参考图1-4，接近度传感器监测器62适当地测量每个电容元件60、76的电特性，诸如电容、阻抗或导纳。导电体(诸如人体、含有或携带流体的静脉内袋或管等)的接近将导致最近的电容元件的电容发生变化，变化量取决于导体的靠近度或定量的接近度。因此，随着患者或其他导体朝向电容元件或远离电容元件移动，电容值或其他测量电特性将发生变化。另一方面，床上用品或衣服是不导电的，因此即使非常接近也只会导致电容发生很小的变化或不变化。

在适当的测量方法中，接近度传感器监测器62将交流电信号或交流电信号分量施加到多个电容元件60、76的特定平行板电容器，并且检测响应于此而生成的测量电特性。例如，在图2中，通过由虚线90示出的栅格路径来指示电容元件60的往复栅格采样。当前被采样的电容元件用图2中的实心圆标记来表示。接近度传感器监测器62将交流电信号或交流电信号分量施加到由实心圆表示的电容元件，并且利用例如同步或相干测量技术测量响应信号，该同步或相干测量技术例如是Satterwhite的美国专利NO.4,942,365中所讨论的技术，以引用的方式将该专利的全部内容并入本文。例如可以基于输出信号相量与输入信号相量之比来确定电容元件的阻抗或导纳。任选地根据该阻抗或导纳确定电容，或者该阻抗或导纳可以直接用作测量电特性。

在一些实施例中，接近度传感器监测器62还被配置为对邻近的电容元件(在图2中用空心圆标记指示)进行偏压以降低邻近的电容元件对被采样的电容元件(在图2中用实心圆标记指示)的测量电特性的影响。在迭代方法中，采集被采样的电容元件的初始测量值以确定其电压。然后将邻近的电容元件有效地驱动到该电压并采集被采样的电容元件的另一测量值。任选地重复该过程以进一步细化被采样的电容元件的测量值。

如下所述根据经验适当地确定测量电特性与探测器头到患者的距离之间的关系。在附近没有受试者的情况下对测量电特性的初始值进行采样以建立“无限距离”校准点。在不同的探测器头到患者的距离处采集附加的样本以得到校准曲线。附加地或可替代地，可以通过第一原理静电计算确定测量电特性与探测器头到患者的距离之间的关系。通过使用栅格路径90或另一适当的采样样式对电容元件60进行栅格采样，可以以选定的时间间隔(如每秒或每十秒)对所有的电容元件60进行采样。将接近度适当定义为由任何被采样的电容元件60指示的最小接近度。此外，在一些实施例中计算出接近度映射，其中每个接近度映射元素是由相对应的电容元件测量的接近度。这一接近度映射可以用于识别例如探测器头何时在带着它远离患者的方向上移动(从而自动机械臂应该开始朝向患者移动探测器头)以及相对地探测器头何时在带着它朝向患者的方向上移动(从而自动机械臂应该开始远离患者移动探测器头)。

接近度测量的精确度性通常与平行板电容器60、76的面积成反比。另一方面，更小的板面积提供更高的空间分辨率。在图2和图3所示的说明性实施例中，平行板电容器60具有变化的尺寸，其中最大面积的板靠近辐射敏感面50的相对边缘，而最小的板靠近辐射敏感面50的中心。基于成本和空间考虑选择这一布置。更多的电容元件会增加前置放大或其他操作电路的成本，因为电子部件的数量和电路板面积覆盖率通常与用于感测的电容元件的数量线性成比例。然而，可以选择其他布置。例如，在一些预期实施例中，使用具有所有相等尺寸的平行板电容元件。

电容接近度感测的优点在于它对非导电材料(诸如床上用品或衣服材料)基本不敏感。然而，这一优点在相对刚性的非导体实际冲击探测器头的情况下可能是不利的。

继续参考图1-4，碰撞传感器监测器64通过使用来自平行板电容器60、76的传导电流信息来解决这一问题。在并入碰撞传感器监测器64的一些实施例中，绝缘层68由可变形或柔顺材料制成，该可变形或柔顺材料可以被压缩变形以使板66、67相接触或者至少充分接近，从而允许传导电流在这些板之间流动。在来自碰撞传感器监测器64的适当偏压下，传导电流将因此响应于柔顺材料68的压缩变形而在平行导电板66、67之间流动，柔顺材料68的压缩变形允许平行导电板66、67彼此接触或达到彼此充分贴近的接近度以产生导电分流。因此，平行板电容器60和碰撞传感器监测器64定义出检测碰撞的二值开关。与接近度检测不同，碰撞检测依赖于柔顺绝缘层的机械变形，因此不管碰撞体是导电的或电绝缘的都可以检测碰撞。

在图1中，将接近度传感器监测器62和碰撞传感器监测器64示出为分离的部件。在一些实施例中，这两个部件可以局部地或整体地集成在一起。例如，单一的传感器监测器可以施加信号到当前感测的电容器，该信号包括直流偏压和叠加的交流偏压。直流偏压分量用于监测指示碰撞的传导电流，而交流偏压分量用于接近度感测。作为替代，可以仅使用交流分量，并测量复数形式的阻抗和导纳。复数形式的阻抗或导纳的实部指示传导电流，而复数形式的阻抗或导纳的虚部适用于接近度感测。

参考图5，示出图解的示意性电采样电路，其适于对电容元件60进行采样。开关S1、S2主要用于执行栅格扫描。仅有一个前传感器板66在某一时间连接到感测信号，而阵列的其他电容元件60的前传感器板66被强加与测量传感器板66相同的电位。这降低了由影响场线的邻近电容元件所导致的测量失真的可能性。碰撞检测与开关S1、S2如何设置无关。相反，在任何时间任何电容元件60的任何板66、67彼此接触时，均有传导电流流过二极管DC和标识为“碰撞信号”的线，且这一传导电流被解读为碰撞的指示。

继续参考图5，接近度感测以如下方式运行。100KHz的正弦振荡器(5V_pp)与前板66(也被称为传感器或感测板)连接，通过感测信号线对前板进行测量。这一连接导致前传感器板66发射电场，该电场穿过任选的防护盖72和空气并且朝向附近处于不同电位的任何对象传播。如图5所示，通过经由单位增益放大器B将传感器输入信号反馈给前感测板66后面的保护元件电容板67以及经由开关S1、S2的设置将传感器输入信号反馈给邻近的保护元件，在对象的方向上对该电场进行偏压。由于存在强电容耦合，邻近的前传感器板66也保持在保护信号电平以防止场线从被测量的感测板66转移到邻近的前板66。与被测量的感测板66连接的前置放大器A具有高输入阻抗，这导致到该放大器的输入电压大约为输入电容C_in与感测板66前面的对象的电容(此处表示为C_obj)之间的分压。将输入电容C_in选择为大约等于感测元件周围没有接近的对象时的电容。在一些实施例中，将C_in设置为大约1.5pF，尽管可以使用其他值。结果是不存在接近的对象时在前置放大器A的输入处的2.5V_pp信号。随着对象逐渐接近感测板66，接近对象的电容增加，这导致在前置放大器A处的较低输入信号。通过使大的接地对象接近感测板66(例如几乎接触任选的防护盖72)，可以实现在前置放大器A的输入处的几百mV的最低信号。

在图5中未示出的是在每个前置放大器A的输入级处的一阶高通滤波器，该一阶高通滤波器阻止来自电气装备的50Hz或60Hz的噪声使这些放大器饱和。在一些实施例中，该滤波器的3dB截止频率为大约3kHz。

系统的稳健性足以抵抗一个或几个电容元件60的失效。例如，如果到感测元件66的电线断开，则将不会发生C_obj与C_in之间的分压，且输入放大器A将遇到整个5V_pp信号。这高于任何接近对象的正常运行范围，因此接近度传感器监测器62适当地生成错误消息或者另外处理错误的读数。如果到保护元件67的电线断开，则保护信号将跟随保护传感器67后面的准直仪52的电位，该准直仪在这一实施例中接地。这将产生到前置放大器A的输入信号，该输入信号低于任何接近对象的正常运行范围。在这种情况下接近度传感器监测器62适当地生成错误消息或者另外处理错误的读数。在碰撞期间电容元件60的感测板66和保护板67短接。因为从DC的视角看保护板67被连接到-5V，这允许传导电流经过二极管DC，然后驱动碰撞信号。图5未示出处理这一传导电流的附加电路，但是可以适当地使用比较器和开集电极电路。

参考图6，其描述了同步探测器或模数转换器以及包含用于计算距离和补偿增益及偏移误差的固件的微处理器。图6的电路接收“感测信号”并利用高通(“HP”)滤波器HPF执行高通滤波，利用同步解调块SYNCH和处于0°和90°相位的方波输入执行同步解调，利用低通滤波器LPF执行经解调的信号的低通(“LP”)滤波，并且执行任选的进一步信号处理，诸如模数转换、均方根(RMS)或其他平均计算、增益校正、偏移校正等(在图6中以缓冲器BUF图解指示)。由接近度传感器监测器62适当地使用缓冲器BUF的输出以确定接近度。

在实际精简以便实践的情况下，构建一个辐射探测器头，该辐射探测器头包括跨越辐射敏感面的面积的6×9阵列的54个平行板电容器。这些电容器的面积类似于图2和3所示进行变化，其中最大面积的电容器为9×9cm²，最小面积的电容器为9×3cm²。这些电容器是由7微米厚的图案化铜片形成的，这些铜片由5mm宽、1.6mm高的泡沫条间隔开，这些泡沫条在分开大约10cm的地方横跨盖表面分布。因此，铜片之间的空间主要是空气，这有利于碰撞感测应用，其中两个片被机械压缩在一起以生成传导电流信号。以10cm间隔开的泡沫条的类似布置被用于将最底层的导电层与准直仪分离。将塑料外盖放置在设置在辐射敏感面之上的电容器阵列之上。配置电子设备以便在大约1毫秒内执行一轮对54个电容元件的栅格采样，从而使得整个探测器能够每秒测量到对象的距离大约16次。在实际精简以便实践的情况下，通过使双面印刷电路板的导电层图案化来制作侧面电容元件。通过对从印刷电路板后侧上的迹线经由连接到准直仪框架的L形托架而到地的传导电流进行监测来提供侧面碰撞检测。

所图示说明的实施例包括接近度感测能力和碰撞检测能力。然而，在给定的实施例中预期仅包括这些能力中的一个或另一个。例如，探测器头可以省略接近度感测能力但是包括碰撞检测方面，从而提供安全联锁装置以防止打扰或伤害患者或者损坏探测器头。相反，探测器头可以包括接近度感测能力但是省略碰撞检测能力。在后一实施例中，可以通过联锁自动机械控制器34来提供相应于导体的碰撞保护以避免使探测器头10、12移动得比选定的最小探测器头到受试者的距离更近。

所图示说明的电容元件60、76是具有导电板66的平面电容器，这些导电板横跨辐射敏感面分布并与辐射敏感面平行对准。这提供了低轮廓的接近度探测器，其仅远离辐射敏感面50延伸较短的距离。例如，被精简以便实践的实施例包括厚度为1.6毫米(针对厚泡沫层)加上图案化铜片的两个17微米(0.017毫米)的厚度所得的总厚度小于2毫米的平行板电容器。更一般地，电容元件任选地从辐射敏感面50起延伸小于5毫米，从而使得接近度探测器自身不引入辐射敏感面50与受试者之间的不期望的附加分离。

电容性接近度感测系统适用于简化SPECT成像数据采集的工作流程。在用于断层摄影成像的一种方法中，放射学家或其他操作者选择期望的起始角度和探测器取向，并且命令该系统开始研究。自动机械操纵器20、22自动地移动探测器头10、12到期望的初始方位角，并缓慢地减小它们的半径直到利用电容接近度感测检测到期望的探测器到患者的分离。在每个方位进行成像数据采集结束时，自动机械操纵器20、22移动探测器头10、12远离患者一小距离，以便针对下一方位重新定向探测器头10、12。再次利用电容接近度感测以定位患者，并将间隔减少到期望的距离。针对每个方位角重复这一过程。由于距离测量是连续的，操作者可以选择期望的距离，并且在研究过程中也可以选择增大或减小这一距离。

侧面安装的电容元件76被安装在探测器头10、12的前缘和后缘上。这些适用于例如全身平面成像应用。在这种研究中，探测器头10、12朝向平卧的患者的上面或下面，并沿着患者的身体从头到脚(或从脚到头)移动。随着探测器头10、12沿着患者的身体移动，它们适当地升高或降低以避免接触高度变化的解剖结构，诸如胸部、腹部、脚部等。在这种平面扫描应用中，侧面安装的电容元件76沿着身体轴线测量探测器之前的距离，以允许有充足的时间升高探测器头从而避免较高的对象。在一些实施例中，操作者工作流程如下：选择起始距离和停止距离以指示整体扫描长度，并且命令伽马相机8开始采集成像数据。使用电容接近度感测来自动确定每个探测器头的相对角度和工作台起始位置，减小探测器半径至距患者的期望距离，然后开始采集。

即使在静态成像数据采集的情景下，此时与自动控制的探测器取向无关，电容接近度感测也是有助于操作者的。由于侧面安装的电容元件76可以检测在探测器头之前的对象，它们可以在自动机械操纵器20、22的手控制器操作期间使用以定位这些头10、12。当检测到与受试者的接近度时，适当地减缓头移动并且在与受试者相接触之前停止头移动。碰撞感测能力可以用作在这种手控制器操作的探测器头定位期间的次级故障安全装置。

参考图7，描述了由监测器62、64结合电容元件60、67执行的适当的接近度控制和碰撞避免方法。在栅格操作100中，接近度传感器监测器62例如利用栅格路径90(图2所示)或另一适当的采样样式来相继采样电容元件60、76。栅格操作100测量每个被采样电容元件的电特性，诸如测量出的电容、导纳、阻抗等。在计算过程102中，基于每个电容元件的测量出的电特性为每个电容元件计算元件到受试者的距离。计算过程104根据各个元件到受试者的距离确定探测器头到受试者的距离。在图7的实施例中，计算过程104选取最小的元件到受试者的距离作为探测器头到受试者的距离。这一方法可减小过高估计探测器头到受试者的距离的可能性，这可以有利于安全性。然而，计算过程104可以使用其他公式，例如取最小的N个元件到受试者的距离的平均数(其中N为选定的整数)以提供一些稳健性来避免偶然错误的元件到受试者的距离测量或者出故障的或失效的电容元件。类似地，计算过程104可以并入滤除异常值。例如，异常值可以被识别为测量出的与针对邻近的电容元件测量出的元件到受试者的距离极其不同的元件到受试者的距离。

继续参考图7，控制操作106对适当的自动机械臂20、22进行操作以调整探测器头10、12的定位从而匹配设定点距离108。可以以各种方式生成该设定点距离108。在一些实施例中，设定点距离108是恒定距离，基于伽马相机8的机械公差和成像期间保持较小的探测器头到受试者的距离的需求来选择这一恒定距离。其他因素也可以任选地并入设定点距离108，诸如关于患者的考虑事项(例如，如果患者信息110指示患者具有幽闭恐怖症，则可以选择更大的设定点距离108)。可以任选地并入的另一个因素是扫描类型信息112。例如，如果该扫描使用低信号强度(或低剂量)的放射性同位素，则与使用较高信号强度(或较高剂量)的放射性同位素的扫描相比，可以选择较小的设定点距离108。扫描类型信息112也可以用于选择设定点距离108以反映出患者舒适度与所执行的扫描类型的高分辨率或良好图像质量的需求之间的权衡。如果扫描类型是两部分(或更多部分)的研究，例如在研究期间的不同时间使用两种不同的同位素，则可以在研究期间随时间改变设定点距离108，以便例如当使用较低信号的同位素时更近地移动探测器头。对于断层摄影扫描，可以基于角位置或方位角位置调整设定点距离108，以便例如当感兴趣区域更加远离辐射探测器头时相对更近地移动探测器。

作为又一说明性因素，可以考虑解剖区域信息114，其中，即使在同一成像扫描中，也改变设定点距离108以便对不同的解剖区域进行成像。例如，在从头到脚的体扫描中，与对相对较小的头部区域的进行成像相比，当对相对较大且包含关键的解剖特征的躯干区域进行成像时设定点108可以设置为较低(即更小的探测器头到受试者的距离)。相对较大的探测器头到受试者的距离还可以适用于头部区域，是因为这一成像将探测器头安置在患者的面部前面，这可能使患者感到不舒服。因素110、112、114是说明性示例，在确定设定点108的过程中还可以考虑附加的或其他因素，诸如放射学家的个人偏好、管理规章或最佳医学实践规则等。

继续参考图7，碰撞避免系统还有利地在成像期间运行。在栅格操作100期间，随着每个电容元件被采样，对是否检测到传导电流进行检查120。如果由碰撞传感器监测器64(见图1)检测到这一传导电流，则启动适当的碰撞序列122。该碰撞序列可以包括例如引起听觉和/或视觉警报、停止探测器头10、12的所有运动或者将探测器头10、12退回到远离患者的安全位置等。

参考图8，示出了用于全身平面数据采集的探测器头10、12的位置。在图8中通过代表头部H、躯干T、手臂A、腿部L和脚部F的椭圆图解地指示出患者。该患者平躺在患者支架或平板架18(在图8中图解地指示)上。两个辐射探测器10、12分别朝向患者身体的上面和下面。顶部探测器10的电容传感器阵列用于测量最接近的探测器头到患者的距离(所测量的距离在途8中用箭头图解地指示)。然后将这一测量值用作动态垂直定位探测器的参考信号，从而实现阵列与患者之间的规定间隙。如果平板架18是导电的，则底部探测器12的电容传感器阵列也任选地用于随着探测器头12移动而保持探测器头到平板架的距离恒定。作为替代，假设平板架18具有基本均匀和平直的下部轮廓，则可以在没有这种反馈控制的情况下移动底部探测器头12。

在图8的全身平面成像数据采集中，探测器10、12沿着患者的身体从头到脚(如图8所示)或者从脚到头移动。例如，在图8的从头到脚的图像数据采集中，所图示说明的探测器位置10'、12'分别指示从头到脚的采集中在稍后时间的探测器头10、12的位置。因此，有利的是将边缘电容元件76如此定向，即它们测量在探测器头10“之前”的距离，以便感测图8所示的患者轮廓脚部F的即将到来的向外变化。这为系统提供额外的时间来升高探测器10，从而避免与脚部10接触，同时仍然尽可能地维持期望的探测器到患者的间隙。

参考图9，在心脏成像数据采集中，探测器10、12相对彼此以90°的相对角度定向。在图9中，利用如图8所标示的代表性椭圆示出了从患者头部向下看的患者视图，其中添加部分椭圆来指示患者的腹部B。对于心脏采集，探测器头10、12应该尽可能接近患者以优化图像质量。因此，由任何电容元件60给出的最近的接近度值被用作定位探测器的引导接近度信号。在心脏采集中，两个探测器头10、12相对于彼此的近的接近度是使问题复杂的因素。如果检测到的最近的接近度实际上是相对于另一个探测器头而不是相对于患者，则可能提供错误的接近度信息。为解决这一问题，在一些实施例中两个探测器头10、12被分别布置为主控头和从动头并且被配置为彼此同步，其中一个辐射探测器头的辐射敏感面上的栅格序列与另一个辐射探测器头的辐射敏感面上的栅格序列成镜像。如参考图6所述，通过执行偏移和增益校准，在探测器10、12之间没有对象的情况下，每个探测器头对另一个探测器头的影响可以被抵消。在图9所示的实施例中，将栅格序列开始信号叠加在从主控探测器头10的盖发送到从动探测器头12的100KHz的信号130上。

在图9的心脏采集中，或者在两个探测器头定位在患者的相对侧的断层摄影采集示例(未示出)中，在很多方位角处采集患者的成像数据，因此在每个方位角处接近度传感器系统有利地提供探测器头到患者的距离的更新的测量值。由于人体是不规则的形状，通过每个新的方位角，不同的一个或一组平行板电容器60通常将提供“最接近”的测量值。因此，通过所有平行板电容器60的栅格采样所采集的“最接近”的测量值适于用作最小探测器头到患者的距离。

参考图10A、10B、10C和11，图示说明了另一实施例。图10A、10B和10C示出了伽马相机180的相应前视图、侧视图和顶视图，该伽马相机180包括安装在自动机械操纵器220、222上的两个探测器头210、212，自动机械操纵器220、222进而安装在圆形扫描架224上。在所图示说明的实施例中，将两个探测器头210、212定位为以180°的方位角分离，从而适用于断层摄影采集或者适用于如图8所示的平面采集。通过围绕圆形扫描架224(在图10A、10B和10C中未示出)将一个探测器头及其自动机械操纵器旋转90°的方位角，可以使得探测器头执行图9的心脏采集。图11示出了辐射探测器头210、212中的一个的透视图。这一探测器头包括54个前面接近度感测电容元件260，这些电容元件被布置成分布在辐射敏感面之上并基本覆盖辐射敏感面的6×9网格。类似于图2所示，电容元件260的面积横跨辐射敏感面是变化的。另外，示出了在探测器头210、212的侧面上的四个侧面接近度感测电容元件276。类似于已经描述的接近度感测电容元件60的配置来适当配置接近度感测电容元件260，同时类似于已经描述的接近度感测电容元件76的配置来适当配置接近度感测电容元件276。因此，接近度感测电容元件260、276适用于接近度感测和碰撞检测。

已经通过参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解前面的详细描述的基础上，其他人员可以进行修改和变化。本发明意在被解读为包括所有这些修改和变化，只要它们处于所附的权利要求及其等价物的范围内。

Claims (13)

1.一种辐射探测器头(10,12,210,212)，包括：

辐射敏感面(50)，其被配置为探测辐射；和

多个电容元件(60,260)，其被设置在所述辐射敏感面之上并且被配置为检测受试者与所述辐射敏感面的接近度以及所述受试者与所述辐射敏感面之间的碰撞，

其中所述多个电容元件(60,260)包括与所述辐射敏感面平行对准且定义出多个平行板电容器的导电板(66,67)的阵列，所述多个平行板电容器横跨所述辐射敏感面分布并且被电互连以支持对与每个导电板相关联的电特性进行采样，其中被采样的电特性包括响应于作用于所述平行板电容器的导电板中的至少一个的压缩力而在所述平行板电容器的导电板之间流动的传导电流。

2.如权利要求1所述的辐射探测器头(10,12,210,212)，其中，所述辐射敏感面(50)包括：

辐射准直仪(52)；和

辐射探测器阵列(54)，其被布置为在辐射穿过所述辐射准直仪之后探测所述辐射。

3.如权利要求2所述的辐射探测器头(10,12,210,212)，其中，所述辐射探测器阵列(54)包括以下之一：

(i)一个或多个闪烁体(55)，其与布置为观察所述一个或多个闪烁体的多个光传感器(56)光学耦合，和

(ii)多个辐射敏感元件，其被配置为吸收辐射并响应于此而输出电信号。

4.如权利要求1所述的辐射探测器头(10,12,210,212)，其中，所述辐射敏感面(50)包括：

辐射准直仪(52)，其被布置为沿着大体垂直于大体为平面的所述辐射敏感面的方向对辐射进行准直；和

辐射探测器阵列(54)，其被布置为在辐射穿过所述辐射准直仪之后探测所述辐射。

5.如权利要求1所述的辐射探测器头(10,12,210,212)，其中，所述多个电容元件(60,260)包括：

导电膜(66)，其被图案化以定义出所述导电板的阵列。

6.如权利要求5所述的辐射探测器头(10,12,210,212)，其中，所述多个电容元件(60,260)还包括：

与所述导电膜(66)间隔开的第二导电膜(67)。

7.一种伽马相机(8,180)，包括：

多个辐射探测器头(10,12,210,212)，其包括至少一个如权利要求1所述的辐射探测器头；

接近度传感器监测器(62)，其与所述至少一个辐射探测器头的所述多个电容元件耦合以基于所测量的所述电容元件的电特性来检测受试者与所述辐射探测器头的接近度；以及

碰撞传感器监测器(64)，其被配置为响应于所述导电板之间的间隔的机械变形而检测在所述导电板之间流动的传导电流。

8.如权利要求7所述的伽马相机(8,180)，其中，所述接近度传感器监测器(62)被配置为相继采样所述多个电容元件(60,260)中的每一个电容元件以检测由所述电容元件所产生的所测量的电特性。

9.如权利要求8所述的伽马相机(8,180)，其中，所述接近度传感器监测器(62)还被配置为对与被采样的电容元件相邻近的电容元件进行偏压以降低所述邻近的电容元件对所测量的电特性的影响。

10.如权利要求7所述的伽马相机(8,180)，其中，所述接近度传感器监测器(62)被配置为检测由间隔开的导电板之间的间隙由于压缩力而造成的减小或消除所产生的所述导电板之间的传导电流。

11.一种利用如权利要求1所述的辐射探测器头(10,12,210,212)执行的成像数据采集方法，所述成像数据采集方法包括：

相对于受试者移动所述辐射探测器头；

在所述移动期间或者在所述移动之间的静止间隔期间利用所述辐射探测器头从所述受试者采集辐射数据；

在所述移动期间，响应于作用于所述电容元件的所述导电板中的至少一个的压缩力而测量所述电容元件的电特性；

基于所测量的电特性来控制辐射探测器头到受试者的距离。

12.如权利要求11所述的成像数据采集方法，其中，所述控制在整个所述移动和采集期间将所述辐射探测器头到受试者的距离保持为一恒定值。

13.如权利要求11所述的成像数据采集方法，其中，在所述移动期间自动机械控制器(34)根据最近的解剖区域来改变所述辐射探测器头到受试者的距离。