CN106108934A - 多伽马光子同时发射药物时间符合核医学成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多伽马光子同时发射药物时间符合核医学成像系统及方法，属于核医学影像领域，该系统包括多个以非平行方式排列的探测器探头、时间符合模块以及计算机平台构成，每个探测器探头均由准直器和具备时间测量功能的伽马光子探测器构成，探测放射性核素在很短时间内放射的多个伽马光子构成多伽马光子符合事件；所述方法计算到多伽马光子符合事件中的每一个伽马光子事件所确定的投影线的距离之和最短的点的位置即为放射性核素发生衰变的位置，积累一定数量的多伽马光子符合事件即可实现放射性核素在生物体内分布的获取。该成像系统和方法简化了重建算法，提高了重建图像的信噪比；降低了对伽马光子总计数的需求，降低了病人的辐照风险。
Description
技术领域
本发明属于核医学影像领域，特别涉及一种多伽马光子同时发射药物时间符合核医学成像系统及方法。
背景技术
核医学影像技术是现代医学进行疾病诊断的重要技术手段之一。它利用放射性核素标记的分子参与生物体的生理代谢过程，在生物体外探测放射性核素发出的X射线或伽马光子并通过图像重建即可得到放射性核素的分布，从而以非侵入式的手段观察生物体的器官代谢情况，获取疾病的诊断信息。在核医学影像领域，最为重要的两种成像系统分别是正电子发射断层成像仪(Positron Emission Tomography,以下简称PET)和单光子发射计算机断层成像仪(Single-Photon Emission Computed Tomography,以下简称SPECT)。目前PET和SPECT均已广泛用于临床检查和诊断，包括癌症、神经系统疾病和心血管疾病等。
PET的核心组件由很多个具备时间测量功能的伽马光子探测器模块以及相应的时间符合模块构成。PET的基本原理涉及电子准直技术，所利用的放射性核素为正电子核素。正电子核素放射出的正电子会在生物体内发生正负电子湮灭效应，产生一对能量为511keV、方向几乎相反的伽马光子。采用时间符合测量手段，即如果两个伽马光子探测器模块在一个很短的时间内(通常在几个纳秒)分别探测到这两个能量为511keV的伽马光子，就能确定一条正电子湮灭的发生位置(近似为正电子核素发生衰变的位置)所在的响应线(Line of Response)。记录大量这样的响应线通过图像重建即可获得正电子湮灭发生位置的分布，即近似为正电子核素在生物体内的分布。由于正电子湮灭产生的一对伽马光子的发射方向是几乎相反的，因此只能确定正电子湮灭的发生位置在相应的响应线上，而不能确定正电子湮灭发生在相应响应线上的具体位置。尽管可以通过飞行时间(Time-of-Flight)测量技术初步确定正电子湮灭发生在相应响应线上的位置范围，但这需要伽马光子探测器模块具备极高的时间分辨率。由于正电子湮灭在响应线上发生位置的不确定性，重建的正电子核素在生物体内分布图像的信噪比往往较低，影响诊断的效果。为提高图像信噪比通常需要累积大量的响应线，而这会使得病人摄入较大剂量的正电子核素，增加病人的辐照风险。
SPECT的核心组件包括准直器及伽马光子探测器模块等。SPECT利用的是物理准直技术，其所利用的核素为伽马光子核素。在伽马光子探测器模块的前端通常会放置准直器来限制伽马光子核素放射出的伽马光子到达探测器的入射角度，使得仅沿特定方向发射的伽马光子才能通过准直器被探测器探测到。伽马光子探测器每探测到一个伽马光子就能确定一条伽马光子初始发射位置所在的投影线，积累大量这样的投影线通过图像重建就能确定伽马光子初始发射位置的分布，即伽马光子核素在生物体内的分布。与PET存在类似的缺陷，SPECT也不能确定伽马光子在投影线上的具体发射位置，因此重建图像的信噪比较差。另外由于SPECT使用了准直器，限制了能被探测器探测到的伽马光子的发射角度，成像系统的探测效率较低，而这进一步使得重建图像的信噪比恶化。
发明内容
本发明的目的旨在从原理上解决上述PET和SPECT的问题，本发明公开了一种多伽马光子同时发射药物时间符合核医学成像系统及方法。
所述成像系统由多个探测器探头、时间符合模块以及计算机平台构成，每个探测器探头均由准直器和具备时间测量功能的伽马光子探测器构成；其中，各个准直器分别放置在与其对应的伽马光子探测器前端使得成像对象内放射性核素发生衰变产生的伽马光子仅沿设定方向发射才能被伽马光子探测器探测到；各伽马光子探测器的时间信号线均与时间符合模块连接，时间符合模块设定的时间窗用于判断分别被多个伽马光子探测器探测到的多个伽马光子事件是否构成多伽马光子符合事件，并将判断结果输入到计算机平台中；各伽马光子探测器的能量和位置信号线还同时与计算机平台连接，用于多伽马光子符合事件的有效性判断以及伽马光子发射位置所在投影线的计算从而获得放射性核素的衰变位置。
所述的基于多伽马光子同时发射药物的时间符合核医学成像系统，其特征在于，所述多个探测器探头，至少包含两个探测器探头；当采用两个探测器探头时，两个探测器探头的探测平面以互相垂直或其他非平行的方式排列布置；当采用两个以上探测器探头时，多个探测器探头的探测平面以非平行的方式排列布置。
所述的基于多伽马光子同时发射药物的时间符合核医学成像系统，其特征在于，所述放射性核素，在其衰变过程中能以级联方式在很短时间内产生至少两个伽马光子。
所述成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)启动所述成像系统，设定该成像系统的采集时间，设定时间符合模块的时间窗宽度；依据所用伽马光子放射核素所放射的伽马光子能量设定伽马光子探测器的能窗；设定用于多伽马光子符合事件有效性判断的长度阈值；向成像对象注射放射性核素；
(2)计算机平台根据所设定的采集时间判断成像过程是否结束；若结束，则执行步骤(5)；若未结束，则执行步骤(3)；
(3)时间符合模块判断伽马光子探测器是否探测到多伽马光子符合事件，若探测到，则执行步骤(4)；若未探测到，则执行步骤(2)；
(4)计算机平台根据伽马光子探测器输入的多个伽马光子事件能量信息判断所输入的多个伽马光子能量是否分别在所设定的两个能窗内；如果不在所设定的能窗内，则舍弃该多伽马光子符合事件；如果在所设定的能窗内，则根据伽马光子探测器所输入的多个伽马光子事件的位置信息计算伽马光子发生衰变所在位置的投影线；计算到所有伽马光子事件所确定的非平行的多条投影线的距离之和最短的点的位置，判断该点到任意一条投影线的距离是否都小于等于所设定的长度阈值，如果小于等于所设定的长度阈值，则记录放射性核素发生衰变的位置为该点位置；如果该线段长度大于所设定的长度阈值，则舍弃该多伽马光子符合事件；执行步骤(2)；所述投影线的条数至少为2，且不多于所用伽马光子核素级联发射的伽马光子的个数；
(5)根据所有多伽马光子符合事件计算的放射性核素的衰变位置得到放射性核素在成像对象体内的分布。
本发明的特点及有益效果：
本发明的基于多伽马光子同时发射药物的时间符合核医学成像系统，有效地克服了传统PET或SPECT系统只能确定放射性核素衰变位置所在响应线或投影线而不能确定放射性核素衰变发生在响应线或投影线上具体位置的缺陷，通过计算到非平行级联发射的两个及以上伽马光子所确定的投影线的距离之和最短的点的位置实现对放射性核素的衰变位置的定位，从而实现放射性核素在生物体内分布的获取。由于能够基于多条非平行投影线计算放射性核素的衰变位置，简化了图像重建算法，提高了重建图像的信噪比。同时由于不需要累积大量的投影线来重建放射性核素的空间分布，降低了对伽马光子事件总计数的需求，减少了病人摄入的放射性核素剂量，一定程度上降低了病人的放射辐照风险。
附图说明
图1是本发明实施例中的采用平行孔准直器的成像系统的示意图；
图2是采用针孔准直器的成像系统的示意图；
图3是图1或图2中的成像系统的成像方法流程图。
具体实施方式
本发明提出的一种多伽马光子同时发射药物时间符合核医学成像系统及方法结合附图以及实施例详细说明如下：
本实施例的成像系统总体结构如图1所示，由探测平面互相垂直排列的两个探测器探头、时间符合模块3以及计算机平台4构成，每个探测器探头均由平行孔准直器1和具备时间测量功能的伽马光子探测器2构成；其中各个平行孔准直器1分别放置在与其对应的伽马光子探测器2前端使得成像对象5内放射性核素发生衰变产生的多伽马光子仅沿垂直于伽马光子探测器面方向发射才能被伽马光子探测器2探测到，成像对象5可以为生物体，也可以为核医学成像系统的标准化成像模型；每个伽马光子探测器2的时间信号线均连接到时间符合模块3，该模块设定一定宽度的时间窗(时间窗宽度根据所采用的放射性核素可调，通常在几百纳秒以内)用于判断分别被两个伽马光子探测器探测到的多个伽马光子事件是否构成多伽马光子符合事件，并将相应的判断结果输入到计算机平台4中；每个伽马光子探测器2的能量和位置信号线也连接到计算机平台4用于伽马光子发射位置所在投影线的计算从而获取放射性核素的衰变位置。
本实施例中所用平行孔准直器1由矩形钨合金板组成，其中钨合金材料对伽马光子具有较强的吸收作用。在该矩形板上等间隔地设置了多个平行的准直孔，使得仅沿该孔发射的伽马光子才能穿过准直器被伽马光子探测器2探测到。本实施例中所用准直器的厚度为4mm,准直孔的孔径为2mm，孔壁的厚度为2mm。
本实施例中伽马光子探测器2为NaI(Tl)闪烁体探测器，所采用闪烁体为一整块连续的NaI(Tl)晶体，其尺寸为585mm(长)×470mm(宽)×9.5mm(厚)；在NaI(Tl)晶体远离准直器的一端耦合着55个光电倍增管(Photomultiplier,以下简称PMT)，用于光电信号转换从而实现伽马光子在晶体内作用位置、能量和时间的测量。
本发明成像系统所用药物所标记的放射性核素除铟111外，还可以是其他多伽马光子放射核素，即该放射性核素在衰变过程中能以级联方式在很短时间内产生至少两个伽马光子，包括但不限于钠22、碘131、铊201、铷82、钇90等。
本发明成像系统所用准直器的种类除图1所展示的平行孔准直器外，还可以是针孔型准直器(如图2所示)、汇聚型准直器、发散型准直器等。所述准直器均为常规产品，可根据所要达到的成像系统成像视野大小、空间分辨率及探测效率等因素选择所用准直器类型和参数。
本发明成像系统所用探测器探头的个数除本实施例中的两个外，还可以是两个以上，多个探测器探头的探测平面以环形、方形或多边形等非平行的方式排列布置。探测器探头的个数及排列方式可根据所要达到的成像系统的探测效率进行选择，当探测器探头的个数越多时，则成像系统的探测效率越高。
本发明成像系统的成像方法流程如图3所示，结合实施例对该方法的具体实施步骤说明如下：
(1)启动所述成像系统，设定采集时间为20分钟，设定时间符合模块3的时间窗宽度为200ns；设定用于多伽马光子事件有效性判断的长度阈值为5mm，该长度阈值可根据成像系统所用准直器类型和参数以及伽马光子探测器2的空间分辨率调节；依据所用伽马光子放射核素所放射的伽马光子能量设定伽马光子探测器2的能窗。本实施例中所用伽马光子放射核素为铟111，其在衰变过程中能以级联方式在很短的时间内(取决于所用放射性核素，通常在几百纳秒内)产生两个伽马光子，其能量分别为171keV和245keV，因此设定伽马光子探测器2的能窗均分别为171keV±10％和245keV±10％；其中每个伽马光子探测器2的能窗的个数均可根据所用放射性核素级联发射的伽马光子的个数调节，即每种能量的伽马光子对应一个能窗；每个能窗的宽度可根据伽马光子探测器2的能量分辨率调节；向成像对象5注射活度为4mCi由铟111标记的放射性药物。
(2)计算机平台4根据所设定的采集时间判断成像过程是否结束；若结束，则执行步骤(5)；若未结束，则执行步骤(3)；
(3)时间符合模块3判断伽马光子探测器2是否探测到多伽马光子符合事件，若探测到，则执行步骤(4)；若未探测到，则执行步骤(2)；所述多伽马光子符合事件，即如果被多个伽马光子探测器探测到的两个及以上伽马光子事件在时间符合模块3所设定的时间窗内，则所探测的两个及以上伽马光子事件构成多伽马光子符合事件；
(4)计算机平台4根据伽马光子探测器2输入的两个伽马光子事件能量信息判断所输入的两个伽马光子能量是否分别在所设定的两个能窗内；如果分别不在所设定的两个能窗内，则舍弃该多伽马光子符合事件；如果分别在所设定的两个能窗内，则根据伽马光子探测器2所输入的两个伽马光子事件的位置信息计算伽马光子发生衰变所在位置的投影线；计算到所有伽马光子事件所确定的非平行的两条(投影线的条数至少为2，且不多于所用伽马光子核素级联发射的伽马光子的个数)投影线(多伽马光子符合事件中的每一个伽马光子事件均可以确定一条伽马光子发射位置所在的投影线)的距离之和最短的点的位置，判断该点到任意一条投影线的距离是否都小于等于所设定的长度阈值，如果小于等于所设定的长度阈值，则记录放射性核素发生衰变的位置为该点位置；如果该线段长度大于所设定的长度阈值，则舍弃该多伽马光子符合事件；执行步骤(2)；
(5)根据所有多伽马光子符合事件计算的放射性核素的衰变位置得到放射性核素在成像对象体内的分布。
本发明实施例中的成像系统由于能够通过直接计算方式获得放射性核素的衰变位置，简化了图像重建算法，提高了重建图像的信噪比。同时由于不需要累积大量的投影线来重建放射性核素的空间分布，降低了对伽马光子事件总计数的需求，减少了病人摄入的放射性核素剂量，一定程度上降低了病人的放射辐照风险。
将本发明所述成像方法进行编程(该过程可由编程人员通过常规的编程技术予以实现)后输入到计算机平台4中，按照步骤执行即可实现该成像方法预期达到的效果。
Claims (4)
1.一种多伽马光子同时发射药物时间符合核医学成像系统，其特征在于，包括多个探测器探头、时间符合模块以及计算机平台构成，每个探测器探头均由准直器和具备时间测量功能的伽马光子探测器构成；其中，各个准直器分别放置在与其对应的伽马光子探测器前端使得成像对象内放射性核素发生衰变产生的伽马光子仅沿设定方向发射才能被伽马光子探测器探测到；各伽马光子探测器的时间信号线均与时间符合模块连接，时间符合模块设定的时间窗用于判断分别被多个伽马光子探测器探测到的多个伽马光子事件是否构成多伽马光子符合事件，并将判断结果输入到计算机平台中；各伽马光子探测器的能量和位置信号线还同时与计算机平台连接，用于多伽马光子符合事件的有效性判断以及伽马光子发射位置所在投影线的计算从而获得放射性核素的衰变位置。
2.如权利要求1所述的基于多伽马光子同时发射药物的时间符合核医学成像系统，其特征在于，所述多个探测器探头，至少包含两个探测器探头；当采用两个探测器探头时，两个探测器探头的探测平面以互相垂直或其他非平行的方式排列布置；当采用两个以上探测器探头时，多个探测器探头的探测平面以非平行的方式排列布置。
3.如权利要求2所述的基于多伽马光子同时发射药物的时间符合核医学成像系统，其特征在于，所述放射性核素，在其衰变过程中能以级联方式在很短时间内产生至少两个伽马光子。
4.一种采用如权利要求3所述成像系统的成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)启动所述成像系统，设定该成像系统的采集时间，设定时间符合模块的时间窗宽度；依据所用放射核素所放射的伽马光子能量设定伽马光子探测器的多个能窗；设定用于多伽马光子符合事件有效性判断的长度阈值；向成像对象注射放射性核素；
(2)计算机平台根据所设定的采集时间判断成像过程是否结束；若结束，则执行步骤(5)；若未结束，则执行步骤(3)；
(3)时间符合模块判断伽马光子探测器是否探测到多伽马光子符合事件，若探测到，则执行步骤(4)；若未探测到，则执行步骤(2)；
(4)计算机平台根据伽马光子探测器输入的多个伽马光子事件能量信息判断所输入的多个伽马光子能量是否分别在所设定的多个能窗内；如果分别不在所设定的多个能窗内，则舍弃该多伽马光子符合事件；如果分别在所设定的多个能窗内，则根据伽马光子探测器所输入的多个伽马光子事件的位置信息计算伽马光子发生衰变所在位置的投影线；计算到所有伽马光子事件所确定的非平行的多条投影线的距离之和最短的点的位置，判断该点到任意一条投影线的距离是否都小于等于所设定的长度阈值，如果小于等于所设定的长度阈值，则记录放射性核素发生衰变的位置为该点位置；如果该线段长度大于所设定的长度阈值，则舍弃该多伽马光子符合事件；执行步骤(2)；所述投影线的条数至少为2，且不多于所用伽马光子核素级联发射的伽马光子的个数；
(5)根据所有多伽马光子符合事件计算的放射性核素的衰变位置得到放射性核素在成像对象体内的分布。
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