CN105473072B - 具有晶体或探测器单元间距的pet系统 - Google Patents
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Abstract
一种核扫描器，包括环形支撑结构(12)，所述环形支撑结构支撑多个辐射探测器单元(14)，每个探测器单元包括晶体(52)、包含晶体的阵列的瓦块(66)、或瓦块的模块(14)。所述探测器单元限定晶体的环形排列，并且所述晶体的环形排列限定在所述列之间的空间。在另一实施例中，所述晶体限定在晶体之间的轴向空间。晶体的分离的环具有交错的轴向空间，使得所述成像区域的面积不被错过。在所述探测器单元之间的所述空间可以被调节为形成均匀或非均匀的间距。移动所述患者通过所述环形支撑结构补偿在排列之间的所述空间下减少的采样。
Description
技术领域
本申请涉及诊断成像系统和方法。其尤其应用于正电子发射断层摄影(PET)，但也应用于其他成像系统。
背景技术
在PET扫描中，患者接收一剂量的放射性药物。药物通过血液被携带并在一个或多个目标器官或区域中聚集并发射辐射。在核扫描流程期间，所发射的辐射被系统探测到并被重建成放射性药物在患者中的分布的图像。图像能够示出循环系统和/或放射性药物在各个区域或器官中的相对吸收。例如，癌性肿瘤吸收包含放射性药物的显著量的葡萄糖。来自解剖扫描流程的解剖数据与来自核扫描流程的代谢数据在混合图像中的整合为医师提供了用于确定在对象的解剖结构中的放射性同位素分布的视觉信息。
固态PET探测器通常由闪烁体晶体制成，闪烁体晶体被形成为被耦合到探测器二极管的阵列的2D块阵列。该阵列被耦合到印刷电路板(PCB)以形成探测器瓦块(有时被称为堆叠)。瓦块然后被插到容纳多个瓦块的较大的PCB(模块)中。探测器瓦块常常被安装在具有多于2×2个瓦块(例如4×5、4×6或4×7)的配置中。2D块阵列中的晶体通常彼此邻接，并且一般，在晶体与模块之间没有或有可忽略的间距。晶体成本通常是硬件成本中的一大部分。PET系统能够覆盖的视场(FOV)的大小直接由所使用的晶体的数目决定，这使得大FOV系统成本高昂。
发明内容
本申请提出以下方案来解决这些问题，即通过减少晶体的数目而不减小FOV，或者备选地增大FOV而不增加晶体，同时全部维持均匀的采样而不降低分辨率。
公开了一种PET扫描器，其包括围绕检查区域的环形支撑结构，所述检查区域平行于所述环形支撑结构的轴而轴向延伸。所述PET扫描器还包括：被安装在所述环形支撑结构上多个辐射探测器单元，形成围绕所述检查区域的环形排列；以及在所述检查区域中轴向移动患者的患者支撑体，其中，所述环形排列中的至少一些被环形间隙隔开。
也公开了大体为环形的PET设备，其包括：至少支撑第一环闪烁晶体的第一环形环，至少支撑第二环闪烁晶体并且能够相对于所述第一环形支撑环移动以改变在所述第一环晶体与第二环晶体之间的所述间距的第二环形支撑环，以及在扫描期间在所述PET设备中移动患者的患者支撑体。
也公开了一种执行PET扫描的方法，其包括以下步骤：将患者定位在PET扫描器的患者支撑体上，利用所述患者支撑体移动所述患者通过被至少一个环形间隙间隔的多环辐射探测器单元以收集PET数据，并且重建所述PET数据以产生患者图像。
一个优点在于降低的成本。
另一优点在于增大的FOV。
本领域普通技术人员在阅读并理解了以下详细描述后，应认识到本发明还要进一步的优点。
附图说明
本发明可以采取各种部件和各部件的布置以及各个步骤和各步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选的实施例的目的，并且不应被解释为对本发明的限制。
图1图解地图示了具有在环之间的可调节间距的正电子发射断层摄影(PET)扫描器；
图2图示了具有间隔配置的闪烁晶体的个体PET探测器模块；
图3图示了具有其附接的光探测器和为间隔配置的闪烁晶体的瓦块；
图4图示了探测器元件的环的现有技术的邻接布置；
图5图示了具有均匀间距的探测器元件的环的展开布置；
图6图示了具有在成像区域的中心中增大的灵敏度的探测器单元的环的展开布置；
图7图示了在其中探测器单元的环的对被均匀间隔的布置；
图8图示了相对于探测器单元的环的患者支撑体移动；
图9图示了探测器单元的环的布置，其中，间距补偿邻近的FOV的轴向端部的降低的扫描器灵敏度；
图10图解地图示了在一个实施例中PET探测器环上的探测器单元的间隔布置；
图11为图示用于利用具有稀疏探测器单元的PET扫描器扫描患者的方法的流程图；
图12图示了几种PET扫描，其中，来自每第四排列的晶体的数据被移除，以图示去除晶体不牺牲扫描质量。
具体实施方式
参考图1，成像系统8包括正电子发射断层摄影(PET)成像系统10，并且任选地，包括解剖成像系统，例如CT扫描器(未示出)。PET扫描器10包括被安置在机架(未示出)内的多个探测器单元14的环12。环限定患者接纳膛16。成像系统8还包括患者支撑体18、患者支撑体驱动单元20，以及针对患者支撑体单元的位置传感器22。环12可由环定位器24(例如，机动跟踪、蜗轮等)移动。环位置传感器26将环12的位置和旋转位置输出到响应线(LOR)与参照系解析器30。
在PET扫描中，在PET数据采集之前向对象施予合适的正电子发射放射性药物。所发射的正电子经历正电子/电子湮灭，每个湮灭事件生成在相反方向上行进的511keV伽马射线，因此限定响应线(LOR)。患者支撑体18将要被成像的患者或对象定位到检查区域16中。图像采集与控制单元32操作患者支撑体驱动单元20、环定位器24和PET环12，以及采集PET响应线数据(任选地包括飞行时间定位)。图像采集与控制单元32监测每个探测器单元14的能量尖峰，例如在脉冲之下的积分面积、由放射性药物生成的伽马射线的能量的特性。图像采集与控制单元32检查时钟并利用前沿接收的时间为每个探测到的伽马射线事件加时间戳。当伽马射线撞击探测器时，记录被撞击的探测器单元上的位置、探测器单元在环中的位置、可移动的环的位置、以及撞击时间。这些位置，与患者支撑体的位置一起，提供了在患者坐标系中对每个伽马射线撞击的指示。图像采集与控制单元32包括单一处理单元，其针对不与时间上接近的时间配对的单一伽马射线事件监测所记录的伽马射线事件，拒绝单一事件。
一旦事件对被图像采集与控制单元32验证，则限定LOR并将其作为PET响应线数据存储在列表模式事件储存存储器中。PET响应线数据也包括时间戳和端点晶体位置。PET响应线数据被传送到LOR参照系解析器30，其将响应线数据与患者支撑体位置和环相组合，以将响应线数据放置在与患者一起移动的参照系中，使得在该参照系中，患者是静止的。LOR参照系解析器30将响应线数据解析到参照系，以产生经解析的响应线数据，其被传送到重建单元34。PET重建处理器34使用图像重建算法生成一个或多个PET图像。例如来自CT扫描器的衰减图被PET图像重建处理器用于从PET数据生成衰减校正的PET图像表示。有利地，可以使用迭代重建算法，例如最大似然期望最大化(ML-EM)和有序子集期望最大化(OS-EM)。
数据可以被存储为列表模式或可以被处理为正弦图数据。PET响应线数据被与CT图像组合，以提供功能和解剖信息。
成像采集与控制单元32、LOR参照系解析器30以及重建单元34适当地由与适当的电子器件、电源等等组合操作的一个或多个数字处理器或控制器，或由数字处理器与控制器的组合来实现。重建单元34任选地包括，例如被实现为专用集成电路(ASIC)硬件的的专用重建管线硬件。重建单元34组合经解析的响应线数据并将得到的图像存储在图像存储器中，以供在显示单元36(例如包括监视器的计算机)上显示。用户接口38与显示单元36、图像采集与控制单元32、重建单元34、环定位器24、图像存储器等等接口，以使得放射科医师或其他用户能够配置、启动以及监测PET成像会话，以及使得放射科医师或其他用户能够观看得到的PET图像。显示单元36包括显示器，例如LCD显示器。用户接口38可以包括一个或几个输入设备，例如键盘、鼠标、触摸敏感屏幕等等。
探测器单元14可以由个体闪烁晶体、闪烁晶体的阵列、瓦块或模块形成。模块的间距在机械上是最不具挑战性的。
图2图示探测器模块40，其包括冷却与支撑板组件50，带有被安装在组件50之下的闪烁晶体阵列58。在一个实施例中，多个闪烁体晶体52被布置在排列54中(参见图3)，排列54与空间56交替以形成被光学耦合到多个光探测器阵列60(参见图3)的晶体阵列58。探测器阵列被安装到瓦块底座62(参见图3)，瓦块底座62被安装到冷却板50。空间56为在晶体列54之间的一晶体宽度宽，晶体列54也为单个晶体宽度宽，利用较少的晶体提供相同的视场(FOV)。在图2的实施例中，模块40将被与环12上的其他相同的模块组合。在另一实施例中，闪烁体晶体52为密堆积的。
探测器模块40具有预定的晶体间距56，用于通过利用较少的晶体来提供相同的视场(FOV)，以可忽略的图像质量损失降低总体系统成本。在下文讨论的另一实施例中，瓦块或模块被隔开。晶体、瓦块或模块的间距实现了以与具有常规晶体布局的PET扫描器相比，具有相似数目晶体的更长的PET轴向FOV，或者备选地，通过减少晶体的数目实现了低成本PET扫描器而没有图像质量的显著牺牲。目前，硅光电倍增器(Si-PM)在PET探测器设计中代替光电倍增管，并且Si-PM也是昂贵的资源。Si-PM的数目与晶体的数目成正比，因此将少晶体也减少了Si-PM的数目。
在图2的取向中，由箭头64指示的下方朝向扫描器检查区域16的中心。沿环形环12的外周布置的元件将被称为被环形布置。例如，参考图1，探测器单元14被环形布置。在图2的实施例中，其中，每个探测器单元14为探测器模块40，晶体排列54形成晶体52的环形环。被平行于穿过检查区域16的中心的轴28布置的元件被称为轴向的。
空间56的宽度可以为固定的或例如通过省略瓦块、使用不同的冷却与支撑板50，或在冷却支撑板50中使用轨道或不同的孔可调的。模块40可以具有不同的安装点或轨道，以允许在环上的移动。环12也是可移动的。
参考图3，示出了瓦块66。瓦块66包括被光学链接到光探测器60的闪烁晶体阵列58，光探测器60被附接到瓦块底座62。销70机械定位瓦块底座62。瓦块底座62具有通过顶表面针对连接器74的孔72。阵列58具有被布置在排列54中的晶体52，其中一个晶体宽的空间56分开排列54。空间与晶体的模式将在相同模块的其他瓦块上，并然后在其他模块的瓦块上继续，使得所述排列形成在检查区域32周围(被附接到环形环12)的环。
图4示出了现有技术中探测器元件14在排列82中的布置，在晶体、模块和环之间没有间距。基于数据充分性理论，由图4的探测器元件14生成的响应线(LOR)为过采样的，例如针对精确的图像重建而言为冗余的。
由PET系统使用的迭代图像重建算法(例如，ML-EM和OS-EM)相比于延时分析算法对3D测量的较低采样较不敏感，因此具有预定探测器单元间距(例如，晶体、瓦块和/或模块间距)的PET系统能够更好地利用晶体和Si-PM部件，具有在3D PET测量中减少的数据冗余，实质上以降低的成本提供相同的分辨率。
探测器单元14的间距能够基于诸如系统的成本、图像质量要求、FOV、扫描器覆盖范围的灵敏度曲线、针对基于晶体/环的成本效率系统的设计需要等的因素，被设计为均匀的或可变的。图5示出探测器单元14在间隔排列92中的均匀的展开布置，具有在其之间的环形空间94。在一个实施例中，该空间比一个探测器单元14的宽度略窄。该布置提供了在(平行于患者接纳膛16的轴的)轴向方向上增大的FOV 96，允许扫描器更快速地覆盖患者86。排列92形成围绕检查区域16的晶体的环形环12的一部分。
在一些实施例中，在排列92之间的空间94可以包含屏蔽(例如，环形环屏蔽)，用于防止光子从侧面而非辐射探测面进入单元的侧面晶体。在其中因光子进入晶体的侧面产生的相互作用能够被与因光子撞击晶体的面引起的相互作用区分开的实施例中，屏蔽是不必要的并且可能阻挡有用的数据。由进入晶体的侧面的光子产生的相互作用可以被用于估计可能已被设置在间隙中的探测器环探测到的事件。间距不需要是均匀的。也预期可变的探测器单元间距。图6示出这样的布置，其具有被非恒定宽度的环形空间隔开的探测器单元，间距从在102的中心(在这里存在最小间距)变化到在邻近FOV 108的端部处较大的空间104、106。当在小的检查面积中想要高的分辨率并且在周围区域中降低的分辨率是可接受的时，使用该方案。
间距可以通过个体晶体52的间距、通过探测器单元14的间距，或者通过探测器单元14被粘附到的环12的间距，或它们的任意组合来实现。在图1的实施例中，环是可移动的，以适应用户选择的配置。在具有在环上的多个排列的探测器元件14的实施例中，在单元之间可以存在空间。例如，预期图6的模式能够在瓦块66间连续，其中，中心的瓦块具有较接近的间距并且在模块的端部的瓦块具有较宽的间距。在一个实施例中，个体晶体具有在瓦块上的固定间距(可变的或均匀的)，但能够通过使用不同的孔(或在轨道上的滑道)或通过省略瓦块，调节瓦块在模块上的位置。模块40自身也可以为在轴向环上可调节的。
图7示出了这样的布置，其中探测器环12被布置在探测器模块14的排列的对112中，具有在排列的对之间的环形空间114。探测器模块14的对112可以为两个晶体宽的瓦块，具有在瓦块之间的空间。瓦块在其他实施例中可以更宽，例如八个晶体宽度宽。在另一实施例中，探测器单元14可以为包含密堆积的瓦块的模块，并且模块可以具有在它们之间的空间。在另一实施例中，晶体可以被安装在成对的(或更大数目的)被安装在可移动的环上的排列中(例如8个排列的晶体被安装在五个环上)。
在诸如图5-图7的实施例中，间隙可以足够大，以创建对直接在每个环形空间下的区域具有减小的灵敏度的环，创建在所重建的患者图像中的伪影。在PET成像系统中移动患者支撑体补偿在环形空间下减少数目的采样，以创建均匀的采样。在这样的实施例中，患者支撑体移动患者，以确保患者的全部区域得到均匀地采样。随着患者被移动，瓦块阵列的不同部分对患者进行成像，由图8中的重影晶体116所示。患者可以被连续地，或者备选地，逐步地，从一个位置移动到另一个，在某些位置处短暂地暂停。患者能够被移动通过膛或者可以前后移动，例如，在等于或大于间隙加探测器环的距离上。
探测器单元14可以被布置为补偿扫描器灵敏度。扫描器在阵列的中心具有较大的灵敏度，这是因为在中心的发射事件比在阵列的边缘上的发射事件具有撞击晶体的更大概率。图9示出用于补偿该问题并提供均匀的扫描器灵敏度的布置。接近成像区域的中心的探测器单元14可以具有比在阵列的边缘124、126处的单元更宽的间隙122。这提供了在FOV128的边缘处较大的数据采集，边缘处通常被较不密集地采样。
图10示出一实施例，在其中每个环134内的间隙130从一个环到邻近的环错开，使得当在患者支撑体上平行于膛的轴移动患者时，间隙130被其他环的探测器元件132成像。在图5-图9中，在探测器单元之间的空间分隔探测器单元的环形排列。图10具有在探测器单元132的环134之间的空间，但也包括在环形环内的环形间隙130。要理解，环形间隙130为较大间隙，例如约为晶体或瓦块的大小。可以存在因机械公差或安装施工造成的较小开口，它们对图像分辨率没有影响并且出于图10的目的而被忽略。在图10的实施例中，间隙为规则的，亦即，每对间隙限定圆周的相同长度的弧。一个环134的间隙130中没有与邻近的环的间隙对齐的部分。在具有更多环的实施例中，非邻近的环的间隙可以重叠。由于间隙130为交错的，因此患者的全部区都被成像，例如，间隙130A随着患者被移动而被探测器单元132A和132B成像。圆周间隙130可以在PET晶体环134中的瓦块之间。在另一实施例中，在PET探测器环上的模块之间可以存在间隙。间隙130可以包括屏蔽。环134的位置可以为可调节的以变更环之间的空间。环134可以被旋转，尤其是在间隙130的位置或大小被变更时。
图11示出与实施例一起使用的示范性方法。
该方法始于S100。
在S102，调节在探测器单元(例如晶体、瓦块或模块)之间的间距。在一个实施例中，晶体的位置通过针对晶体、瓦块或模块的底座的位置而在机械上是已知的。备选地或额外地，可以通过被引入到PET扫描器的膛中的点源来计算晶体的位置。
在S104，将患者定位在患者支撑体(例如躺椅)上。
在S106，注射放射性核素(同位素)。
在S108，扫描开始并且收集PET数据，例如为列表模式。PET数据包括患者位置、伽马射线探测的时间，以及探测晶体位置。
在S110，在成像区域中移动患者，并将探测晶体的位置变换到患者的坐标系或针对患者运动调节的另一坐标系中。
在S112，探测正电子发射事件的对的符合性，去除不是一对中的部分的单一事件，并且任选地，针对每一事件的符合对计算飞行时间(TOF)。
在S114，调节数据以将数据放置在相对于患者静止的参照系中。
在S116，扫描结束。
在S118，重建图像。任选地，重建在扫描期间开始。所重建的3D图像使用几何学与晶体位置信息以及对不连续采样不敏感的迭代重建算法。连续台面运动填充因在晶体之间的空间引起的任意缺失的采样数据。
在S120，该方法结束。
晶体间距能够被设计为显著降低PET系统的成本以构建成本效率的PET系统，而没有图像质量的显著损失。图12示出在当前的临床重建与利用剪切数据(其模拟针对每4个环有1个环的晶体间隔的影响)的重建之间的比较研究。图像是从模拟人类躯干的测试人体模型生成的。如通过左侧图像140(其是使用目前的飞行时间PET重建产生的)与右侧图像142(其是在去除了9个环(44个环中的环2、7、12、17、22、27、32、37以及42)的数据的同时产生的)的视觉比较所示。从该比较可见，晶体的约20％的减少得到最小的图像劣化。在该情况中，间距为一个晶体宽，其分离为四个晶体宽的晶体的排列。在另一实施例中，间距能为均匀的，在每个排列的晶体之间空间大约为四分之一晶体宽，排列仅为一个晶体宽。
间距不应当太大，以至于必须通过在重建期间插值以填充空间创建虚拟晶体。
所公开的PET系统允许在邻近的晶体、瓦块、探测器模块或探测器环之间的间距。间距能够为均匀的或非均匀的，并且可以为可调节的或固定的，取决于成像应用需要。每个晶体的确切几何位置能够基于间距来输出或计算。连续或逐步的台面移动可以被用于补偿因晶体或模块间距造成的不连续采样。所采集的3D数据可以为正弦图或列表模式数据。所重建的3D图像使用几何学和晶体位置信息以及能够处理不连续采样或连续台面运动的迭代重建算法。
除了被与闪烁晶体耦合的硅光电倍增器(SiPM)探测器以外，还预期其他类型的探测器。预期碲锌镉(CZT)或其他固态探测器。也预期被与光电倍增管耦合的闪烁晶体阵列。探测器或晶体可以为像素化的。可以使用Anger逻辑。系统可以被用于为PET/CT或PET/MR系统的混合型扫描系统。
已参考优选的实施例描述了本发明。明显地，他人在阅读和理解了前文的详细描述后将想到多种修改和变动。目的是，本发明被解释为包括全部这样的修改和变动，只要它们落入权利要求或其等价方案的范围内。
Claims (14)
1.一种PET扫描器，包括：
环形支撑结构(12、134)，其围绕检查区域(16)，所述检查区域(16)平行于所述环形支撑结构(12、134)的轴(28)轴向延伸；
多个辐射探测器单元(14、40、66、132)，其被安装在所述环形支撑结构(12、134)上，每个辐射探测器单元(14、40、66、132)包括多个闪烁晶体(52)，并且其中，所述多个辐射探测器单元(14、40、66、132)的所述闪烁晶体(52)被布置在围绕所述检查区域(16)的环形排列中；并且
其中，被安装在所述环形支撑结构(12、134)上的所述多个辐射探测器单元(14、40、66、132)被圆周间隙(130)隔开，并且其中，在所述多个辐射探测器单元(14、40、66、132)中的每个内的所述环形排列中的所述闪烁晶体(52)中的至少一些被晶体间距(56)隔开。
2.根据权利要求1所述的PET扫描器，其中，所述晶体间距在邻近所述检查区域(16)的中心处较小，并且朝向所述检查区域的轴向地相对的端部逐渐变大。
3.根据权利要求1所述的PET扫描器，其中，所述晶体间距在邻近所述检查区域的中心处较大，并且朝向所述检查区域的轴向地相对的端部逐渐变小。
4.根据权利要求1所述的PET扫描器，其中，所述晶体间距在轴向长度上是均匀的。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的PET扫描器，还包括患者支撑体(18)，其被配置为在所述检查区域(16)中轴向移动患者，其中，所述患者支撑体(18)被配置为在所述扫描期间在所述检查区域(16)中移动所述患者。
6.根据权利要求5所述的PET扫描器，还包括被配置为确定所述患者支撑体(18)的位置的传感器(22)以及被配置为确定所述环形支撑结构(12、134)的位置的位置单元(26)。
7.根据权利要求6所述的PET扫描器，其中，来自所述环形支撑结构(12、134)的响应线数据被从所述环形支撑结构(12、134)的所述位置的参照系转换到与所述患者支撑体(18)一起移动的参照系。
8.根据权利要求1所述的PET扫描器，其中，在所述晶体间距中设置有屏蔽。
9.根据权利要求1所述的PET扫描器，其中，所述晶体间距为所述探测器单元中的一个的轴向长度的1/4。
10.根据权利要求1-4中的任一项所述的PET扫描器，其中，所述环形排列包括：
第一环形排列，其包括处于形成所述第一环形排列的所述多个辐射探测器单元之间的第一多个圆周间隙(130)；以及
第二环形排列，其包括处于形成所述第二环形排列的所述多个辐射探测器单元之间的第二多个圆周间隙(130)，所述第一多个圆周间隙相对于所述第二多个圆周间隙交错，使得所述第一多个圆周间隙中没有与所述第二多个圆周间隙轴向对齐的部分。
11.一种利用根据权利要求5所述的PET扫描器来执行PET扫描的方法，包括：
利用患者支撑体(18)移动患者通过辐射探测器单元的多个环(12)以收集PET数据，所述辐射探测器单元的多个环间隔至少一个环形间隙；
重建所述PET数据以产生患者图像。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述患者支撑体被连续地或逐步地移动。
13.根据权利要求11-12中的任一项所述的方法，还包括：
探测所述患者支撑体的位置；并且
探测所述辐射探测器的多个环的位置。
14.根据权利要求11-12中的任一项所述的方法，还包括：
将响应线数据从所述多个环的参照系转换到与所述患者支撑体一起移动的参照系。
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