CN106923860B - 一种具有窗口的平板pet成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有窗口的平板PET成像装置，包括：第一平板，第一平板由多个PET探测器依序排列形成板状，第一平板上设置有至少一个窗口；第二平板，第二平板由若干个PET探测器依序排列形成板状，第二平板平行于第一平板设置；以及支撑装置，第一平板和第二平板固定于支撑装置上。本发明通过在平板PET上设置窗口，在保证实时定位扫描效果的同时为放疗等其它操作提供了空间，可以真正实现在不影响治疗操作的前提下进行实时的诊断以及定位导航。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗器械，更具体地涉及一种具有窗口的平板PET成像装置。
背景技术
癌症是当前对人类生命健康威胁最大的疾病之一，当前普遍采用手术、放疗以及化疗作为癌症的治疗手段。对于放疗而言，其利用放射性同位素的射线、X线治疗机产生的普通X线、加速器产生的高能X线、各种加速器产生的电子束、质子、快中子以及重粒子等进行癌症治疗，放疗作为一种重要的癌症治疗手段，如何提升其疗效是人们重点研究的方向。通常，通过优化射线的剂量分布可以显著的提升放疗的疗效，而优化射线的剂量分布的关键在于准确的获取肿瘤及其周围组织的生理生化信息。
为了提升放疗疗效，通常在手术或放疗之前进行定位导航以准确的获取肿瘤及其周围组织的生理生化信息。现有技术中定位导航通常采用医学影像设备对病变器官的癌细胞区域进行初步的定位，然后对病变区域进行手术切除或放射治疗。然而，目前的临床放疗导航系统仍存在以下问题：
首先，当前的定位导航主要基于CT等解剖图像进行，难以准确地识别乏氧组织和坏死病灶。放疗射线对肿瘤的治疗作用主要体现在杀伤活性肿瘤细胞，尤其是富氧细胞。射线作用于细胞会引起水分子的电离，形成自由基R·，比如OH·自由基，若细胞中有分子氧存在，则自由基R·会产生如下反应：R·+O2→RO2·，从而进一步引发对细胞内的分子产生破坏作用的产物。上述反应的前提是氧气的存在，当肿瘤组织处于乏氧状态时，射线对于肿瘤的治疗作用就会大大减弱。此外，对于肿瘤中存在的坏死组织，已经不需要进行照射。因此，为了减轻对病人的正常组织的伤害，在放疗中需要能够调整乏氧组织以及坏死区域的照射剂量，准确地识别乏氧组织和坏死病灶就显得尤为重要。
其次，当前对于亚临床病灶的治疗存在一定盲目性，CT等设备无法对亚临床病灶进行有效定位，更无法为放疗提供导航。亚临床病灶(例如乳腺癌)是肿瘤发病过程中经常出现的伴随症状，其通常位于肿瘤主体周围或远隔位置，有时是多发病灶，其在显微镜下为阴性的组织，通常难以发现，采用一般的临床检查更无法发现。若亚临床病灶不加以消灭，会造成相当大数目的病人治疗失败。
再次，现有技术的定位导航不能实时的向医生或者技师反馈肿瘤及其周围组织的生理生化信息。在放疗过程中，自由基会对活体细胞造成损伤，比如，肿瘤组织活性降低造成氧分压降低，导致病灶的射线灵敏度降低；又比如，由于人体本身生理机能的复杂性，会产生临床上各种偶然或者难以预见的状况，导致不能及时判断射线对于正常组织是否即将产生不可逆损伤。因此，若能够及时反馈肿瘤及其周围组织的生理生化信息，在射线即将对正常组织产生不可逆损伤之前调整剂量的分布，将会降低对患者的损伤，提高患者生活质量和存活率。
最后，现有技术中获得的剂量分布不够精确。在做放疗计划时，考虑到呼吸及器官运动、患者定位的重复误差对靶体积的影响，为了保证放疗效果，放疗时采用的计划靶区一般会比实际靶区半径多数厘米，如此在放疗时会增加对正常组织的损伤，尤其是当靶区与射线敏感组织重合时将陷入两难的境地，若为了保护对射线敏感的正常组织而减小靶区面积或降低剂量，则不能够对病灶造成有效杀伤；若为了充分治疗而使用较大靶区域和剂量，则导致组织受到额外剂量照射，对正常组织造成更大损伤。因此，若能够提高剂量分布的精度，则可降低对正常组织的损伤。
综上，从放射生物学的角度而言，为了改善放疗的效果，就要求放疗导航和观测的设备能够准确地从生理生化信息方面反应组织的状态和变化，快速提供信息以实现定位导航和实时反馈，同时以高分辨率实现对靶区的精确的剂量分布。
正电子发射计算机断层成像(PET，positron emission tomography)作为一种功能成像技术，相对于CT而言，其在放疗定位导航中获取肿瘤及其周围组织的生理生化信息时有着绝对的优势，同时相对于MRI而言，其并不会由于磁化手术设备而影响手术操作。因此，应用PET成像技术进行肿瘤手术的放疗导航是一种科学有效的选择。
传统的PET采用多个探测器部件组建成接近环形结构的封闭成像系统，比如日本的Taiga Yamaya等人提出的Open PET(参见An initial investigation of open PETgeometries，2007IEEE nuclear science symposium conference record)，其采用环形探测环结构，如图1所示，其特点在于采用两个相互平行的、相隔一定间距的探测环1和2，这样放疗射线就可以通过两个探测环中间的空间3照射到人体4。此方法虽然能够解决探测环阻挡放疗射线的问题，然而在使用同样数量探测器的情况下，由于灵敏度与探测环的覆盖角度成正比，Open PET的覆盖角度会随着间距的增大而减小，相对于传统PET会进一步牺牲其灵敏度，导致成像性能恶化，难以做到实时动态成像进行放疗导航。同时，为了使视场能够覆盖大部分人的躯干，目前临床的环形结构PET的内径一般在70cm以上、外径可达2m左右，体积庞大、结构复杂，可供医疗人员操作的空间有限，因此仍然难以和放疗设备整合使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有窗口的平板PET成像装置，从而解决现有技术中在进行放疗导航时无法实时的定位扫描而且操作空间不足的问题。
本发明提供的具有窗口的平板PET成像装置，包括：第一平板，第一平板由多个PET探测器依序排列形成板状，第一平板上设置有至少一个窗口；第二平板，第二平板由若干个PET探测器依序排列形成板状，第二平板平行于第一平板设置；以及支撑装置，第一平板和第二平板固定于支撑装置上。
窗口的面积为所述PET探测器面积的整数倍。
窗口的面积介于1平方厘米～1平方米之间。
根据本发明的一个实施例，第二平板上设置至少一个窗口。
根据本发明的一个实施例，第一平板和第二平板形状相同。
根据本发明的一个实施例，第一平板和第二平板形状不同。
根据本发明的一个实施例，支撑装置包括：旋转支架；两条第一导轨，第一导轨相互平行的设置于旋转支架上；以及至少两条第二导轨，第二导轨垂直于第一导轨且通过第一滑块固定于第一导轨上，第一平板和第二平板通过第二滑块铰接于第二导轨上。
每个第一滑块上还设置有垂直于第一导轨且向相对的另一第一导轨延伸的固定板，第二轨道固定于固定板上。
根据本发明的另一个实施例，支撑装置还包括驱动电机以及第三导轨，其中，旋转支架为圆形，驱动电机的驱动齿轮与旋转支架啮合，第三导轨分布垂直于第一导轨和第二导轨，第一平板和第二平板通过第三滑块固定于第三导轨上。
根据本发明的一个实施例，PET探测器的形状为三角形或平行四边形。
本发明提供的具有窗口的平板PET成像装置，便于在手术或放疗过程中对癌细胞进行实时诊断定位，可以实时反映癌细胞的分布状况和病理情况，避免了因为癌细胞的扩散变化等造成的定位失误；同时，本发明中在平板PET上设置窗口，在保证实时定位扫描效果的同时为放疗等其它操作提供了空间，可以真正实现在不影响治疗操作的前提下进行实时的诊断、定位、导航；另外，本发明能够准确地从生理生化信息方面反应组织的状态和变化，实现放疗导航中快速成像，从而为提高射线剂量分布的精度提供依据和标准，从而改善放疗效果。
附图说明
图1是现有技术的Open PET的环形探测环结构的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的具有窗口的平板PET成像装置的立体示意图；
图3是根据图2的具有窗口的平板PET成像装置的探测器阵列和窗口的布置示意图；
图4是根据本发明的另一个实施例的探测器阵列和窗口的布置示意图；
图5是根据本发明的另一个实施例的探测器阵列和窗口的布置示意图；
图6是根据本发明的另一个实施例的探测器阵列和窗口的布置示意图；
图7是根据本发明的另一个实施例的具有窗口的平板PET成像装置的立体示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
图2是根据本发明的一个实施例的具有窗口的平板PET成像装置的立体示意图，由图2可知，本发明提供的平板PET成像装置包括第一平板10、第二平板20以及支撑机构，第一平板10和第二平板20平行布置且通过支撑装置固定。具体而言，该支撑装置包括第一导轨30、第二导轨40以及旋转支架50，其中，两条平行布置的第一导轨30设置于环形平板状的旋转支架50的同一侧，每条第一导轨30上设置两个第一滑块31，第一滑块31卡扣于第一导轨30上并且可沿第一导轨30滑动；每个第一滑块31上还设置有垂直于第一导轨30且向相对的另一第一导轨30延伸的固定板41；第二轨道40垂直于第一导轨30且通过固定块42固定于固定板41上，第一平板10和第二平板20分别通过第二滑块43铰接于第二导轨40上，从而使得第一平板10和第二平板20可以沿着第二导轨40滑动同时分别围绕第二导轨40转动；第一平板10上设置有一窗口11，该窗口11在放疗导航时可方便医疗人员进行其它操作，比如透过窗口11引入X射线等。
图3是根据图2的第一平板10和第二平板20的探测器阵列和窗口的布置示意图，由图3可知，第一平板10和第二平板20均包括若干个依序排列的PET探测器12、22，PET探测器12、22可由常规的连接方式连接，比如机械部件连接，夹具连接等。第一平板10和第二平板20的形状可以根据需要制作为不同形状，比如圆形或者环形，同样，第一平板10和第二平板20的大小可以根据需要调整为相同或者不同，在图3中，第一平板10和第二平板20整体均形成为大小相同的矩形板状，其中，第一平板10上通过移除中间的3x3个PET探测器12而形成窗口11，窗口11的大小大致等于单个PET探测器12的面积的九倍。通常，窗口11的面积为单个PET探测器的面积的整数倍，由于单个PET探测器可根据不同需要切割为不同大小，因此，单个窗口11的面积可为1平方厘米～1平方米不等。
值得注意的是，在本发明中，窗口11的位置、数量和大小可以根据实际需要进行调整，比如窗口的位置可以在任意一个平板上进行调整，窗口的数量也可以为两个或两个以上，窗口还可以同时位于第一平板和第二平板上，图4-图6示出了本发明的另外的实施例，在此作为举例而非限制。
如图4所示，在本发明的另一个实施例中，其中相同部件的附图标记通过增加100的数字进行标示，第一平板110上设置有两个窗口111，两个窗口111的位置大致沿第一平板110的对角线分布，每个窗口111的面积为单个PET探测器面积的四倍。
如图5所示，根据本发明的另一个实施例，其中相同部件的附图标记通过增加200的数字进行标示，第一平板210上设置有一个窗口211，该窗口211的面积为单个PET探测器的面积的九倍；第二平板220中间设置有窗口221，窗口221的位置与窗口211对应，窗口221的面积也为单个PET探测器的面积的九倍。
另外，如图6所示，根据本发明的另一个实施例，其中相同部件的附图标记通过增加300的数字进行标示，图中第一平板310和第二平板320均为异形组合板，即第一平板310和第二平板320均由三角形的PET探测器312、322和正方形的PET探测器313、323依序排列而形成。在该实施例中，第一平板310上设置有两个窗口311，窗口311的面积大致为单个PET探测器313的面积的四倍。
本发明采用两个相互平行的PET平板，可用于在肿瘤治疗过程中进行扫描成像，实时地对肿瘤细胞进行追踪定位。本发明在PET平板上根据使用需要设置窗口，能够在两平板之间以及垂直于平板的方向提供空间通道，从而为肿瘤治疗操作留出足够的空间以用于医疗人员操作或者允许射线通过，同时由于节省了探测器数量，从而大大降低了成本。
再如图2所示，本发明在使用时，第一平板10和第二平板20的间距可通过驱动机构(图中未示)沿着第一导轨30进行调整以便更好地适应肿瘤区域的大小。同时，第一平板10和第二平板20还可以分别沿着第二导轨40在垂直于第一导轨30的方向上移动，从而调整第一平板10和第二平板20的相对位置以获得更好的成像效果。另外，第一平板10和第二平板20还可以围绕相应的第二导轨40同步旋转以改变窗口的倾斜方向和相对位置。本发明中在平板PET上设置窗口后对整体探测精度的影响几乎可以忽略不计。
另外，如图7所示，根据本发明的又一个实施例，其中相同部件的附图标记通过增加400的数字进行标示，在该实施例中，第一平板410、第二平板420、第一导轨430、第二导轨440以及旋转支架450与图1的实施例中均相同，下面仅描述不同的部分。在图7中，本发明还包括驱动电机460以及第三导轨470，其中，驱动电机460的驱动轴上设置有驱动齿轮461，旋转支架450上设置有沿圆周分布的啮合齿451，啮合齿451与驱动齿轮461啮合以在驱动电机460的驱动下使得旋转支架450转动，从而将第一平板410和第二平板420转动至所需位置；固定块442上设置有垂直于第一导轨430延伸的第三固定板472，第三固定板472上设置有垂直于第一导轨430且垂直于第三固定板472延伸的第三导轨470，第一平板410或者第二平板420上相对的两个对边上分别设置两个第三滑块471，第三滑块471卡扣于第三导轨470上，从而使得第一平板410或者第二平板420可沿着第三导轨470滑动。在该实施例中，第一平板410或者第二平板420可实现沿三个维度的直线运动，即沿第一导轨430、沿第二导轨440以及沿第三导轨470的直线运动，也可实现围绕旋转支架450的旋转运动，从而使得第一平板410和第二平板420可以根据治疗需要实现任意的排列位置。
本发明提供的带窗口的平板PET探测系统，可便于在手术或放疗前进行定位导航，能够有效鉴别残余病灶、坏死病灶以及亚临床病灶等组织，能够提高治疗成功率；本发明可以结合其他成像设备进行共床位同时多模成像，可以消除扫描时间差内组织自身产生的变化的影响以及消除图像融合时的误差；可以与显微镜、“达芬奇手术系统”等设备共用，用以检测、发现临床或者生物学研究中的其他生理生化现象等。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围，比如图2中窗口11可设置为沿垂直于第一导轨30的方向延伸将第一平板10分割为两个单独的平板；再比如图5中窗口211、221可分别设置为沿垂直于第一导轨的方向延伸并分别将第一平板210、第二平板220分割为两个单独的平板；再比如本发明中的支撑装置还可以形成为其它能够满足任意移动的结构，在此不再一一列举。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (9)
1.一种具有窗口的平板PET成像装置，其特征在于，所述平板PET成像装置包括：
第一平板，所述第一平板由多个PET探测器依序排列形成板状，所述第一平板上设置有至少一个窗口；
第二平板，所述第二平板由若干个PET探测器依序排列形成板状，所述第二平板平行于所述第一平板设置；以及
支撑装置，所述第一平板和所述第二平板固定于所述支撑装置上；所述支撑装置包括：
旋转支架；
两条第一导轨，所述第一导轨相互平行的设置于所述旋转支架上；以及
至少两条第二导轨，所述第二导轨垂直于所述第一导轨且通过第一滑块固定于所述第一导轨上，所述第一平板和所述第二平板通过第二滑块铰接于所述第二导轨上。
2.根据权利要求1所述的具有窗口的平板PET成像装置，其特征在于，所述窗口的面积为所述PET探测器面积的整数倍。
3.根据权利要求2所述的具有窗口的平板PET成像装置，其特征在于，所述窗口的面积介于1平方厘米～1平方米之间。
4.根据权利要求1所述的具有窗口的平板PET成像装置，其特征在于，所述第二平板上设置至少一个所述窗口。
5.根据权利要求1所述的具有窗口的平板PET成像装置，其特征在于，所述第一平板和所述第二平板形状相同。
6.根据权利要求1所述的具有窗口的平板PET成像装置，其特征在于，所述第一平板和所述第二平板形状不同。
7.根据权利要求1所述的具有窗口的平板PET成像装置，其特征在于，每个所述第一滑块上还设置有垂直于所述第一导轨且向相对的另一所述第一导轨延伸的固定板，所述第二导轨固定于所述固定板上。
8.根据权利要求1所述的具有窗口的平板PET成像装置，其特征在于，所述支撑装置还包括驱动电机以及第三导轨，其中，所述旋转支架为圆形，所述驱动电机的驱动齿轮与所述旋转支架啮合，所述第三导轨分布垂直于所述第一导轨和所述第二导轨，所述第一平板和所述第二平板通过第三滑块固定于所述第三导轨上。
9.根据权利要求8所述的具有窗口的平板PET成像装置，其特征在于，所述PET探测器的形状为三角形或平行四边形。
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