CN111329500A - 一种伽马辐射成像装置及成像方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种伽马射线成像装置及成像方法，其中，所述成像装置包括多个分离的探测器。所述多个分离的探测器通过设定合适的空间位置、排布方式、探测器材料，使得从成像区域不同位置发出的射线，在到达所述多个分离的探测器中的至少一个探测器时，所经过的探测器厚度、探测器材料、探测器数目中至少有一个不同，从而达到判定射线方向的效果。本公开可以减少光子在准直器上的吸收损失，提升光子方向的判断效果和成像质量。

Description

一种伽马辐射成像装置及成像方法
技术领域
本公开涉及核技术及应用技术领域，具体涉及一种伽马辐射成像的装置及成像方法。
背景技术
伽马辐射成像在医学诊断、核泄露及核辐射热点监测、核废料管理、工农业放射源管理监控方面都有广泛应用。伽马辐射成像装置用于对发射gamma光子的核素进行探测，并形成其在空间分布的图像，可以独立作为工业用伽马相机使用，或作为医疗诊断用伽马相机使用，也可以作为单光子发射断层成像(SPECT)或正电子发射断层成像(PET)的关键功能部件使用。
伽马辐射成像装置一般包含探测器和准直器两部分。其中，探测器部分采用位置灵敏伽马探测器获取光子入射至探测器上的位置信息、能量信息和时间信息，其可以为闪烁晶体+光电倍增管组成的闪烁探测器，也可以为半导体探测器，或其他可以用于伽马辐射测量的探测器。准直器放置于探测器与被探测物体之间，其只允许某个特定方向的光子入射至探测器上而吸收其他方向的光子。结合探测器上探测到的光子位置及准直器所允许的光子入射方向，可以获得光子自人体内发射出来的路径信息，形成平面伽马辐射源分布图像。也可以将探测器和准直器绕被成像物体旋转，在多个方向上测量多幅平面伽马图像，并利用断层重建算法求解获得三维伽马辐射源分布图像。
伽马辐射成像装置的准直器采用吸收准直原理。即，利用铅、钨等重金属制成准直器，在准直器上开有孔、缝、槽等空隙部分，射入空隙部分的光子透过准直器被探测器探测到，其余光子被准直器阻挡而被吸收。典型有平行孔准直器，扇形束准直器，针孔准直器等。采用这种方式制成的准直器阻挡了绝大部分光子，仅允许很小一部分光子被透过，从而使得探测器单元上所接收到的光子事件只可能来自于被成像物体空间中的较小一部分区域，通过图像重建算法可以获得较高空间分辨率的图像。但是因为大量光子被吸收，其探测效率很低，严重影响了成像性能。
基于编码孔径准直器的伽马辐射成像装置，将准直器上的开孔率大大提高，由不同方向的放射源入射的大量光子，在探测器上形成不同的投影平面分布，并利用图像重建算法求解放射源方向。这种准直器尽管探测效率大大提高，但是探测器单元上所接收到的光子事件可能来自于被成像物体空间中的多个区域或较大面积的区域，从单个光子所能获得的方向信息显著下降，仅适用于特定分布如点状或稀疏放射源的成像。在核医学成像等场景中，由于放射性药物在人体内广泛连续分布，其成像效果反而差于基于平行孔准直器等低探测效率的伽马相机。
综上，传统伽马辐射成像装置，由于采用吸收准直原理的准直器吸收大量光子，造成成像装置探测效率很低，使得采集时间长，或者在有限采集时间内的图像质量差；采用高开孔率的编码孔径准直器提高了探测效率，但降低了接收到的光子事件所携带的方向性信息，其图像质量也未得到相应的提高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述问题，本公开的主要目的在于提供一种既具有高的光子探测效率，又具有高的光子事件信息的伽马辐射成像装置及成像方法，以便解决上述问题的至少之一。
(二)技术方案
为了达到上述目的，作为本公开的一个方面，提供了一种分离探测器的伽马辐射成像装置及成像方法。通过将探测器在空间上分离为多个单元，并使不同探测器单元沿光子运动方向前后放置，使沿光子运动方向在前的探测器单元可以起到对在后的探测器单元的光子阻挡准直作用；并且通过使用对光子衰减比例不同的探测器材料制成不同的探测器单元，使沿光子运动方向在前的不同探测器单元可以起到对在后的探测器单元的不同光子阻挡准直作用，从而实现对光子方向的判断效果。
作为本公开的另一个方面，上述装置中全部探测器单元(包含对其他探测器有准直作用的探测器单元)所测量到的光子事件都可被输入至任何一种成像方法中，从而即提高了探测效率，又增加了光子事件所携带的方向性信息，从而得到更高质量的图像。
一种伽马射线成像装置，包括：多个分离的探测器，所述多个分离的探测器中至少存在一个探测器，从成像区域不同位置发出的射线，在到达该一个探测器前，所经过的其他探测器的厚度、探测器材料、探测器数目中至少有一个不同。
进一步的，所述多个分离的探测器中的至少一个探测器所接收的从不同方向入射的射线，由于所经过的其他探测器的厚度、探测器材料、探测器数目中至少有一个不同，从而具有不同的衰减比例，由此判断射线方向。
进一步的，所述多个分离的探测器的多个相邻两探测器的厚度不同。
进一步的，所述多个分离的探测器包括沿光子运动方向排布的至少两个探测器，所述至少两个探测器包括沿光子运动方向在前的探测器和在后的探测器，所述在前的探测器用于对向所述在后的探测器运动的光子进行阻挡和准直。
进一步的，所述多个分离的探测器沿光子运动方向及垂直于光子运动方向的方向呈阵列排布，每个探测器和与其相邻的探测器对所述光子的衰减比例不同。
进一步的，所述多个分离的探测器沿光子运动方向形成多个探测器层，在相邻的两探测器层中，位于外侧的探测器层比位于内侧探测器层的面积小。
进一步的，相邻两探测器层具有一间隔。
进一步的，所述多个分离的探测器层的多个相邻两探测器层的间隔不同。
进一步的，相邻两探测器具有一间隔。
进一步的，所述多个分离的探测器的多个相邻两探测器的间隔不同。
进一步的，通过改变多个探测器间的距离，使得从不同方向入射至一探测器上的光子具有不同的衰减比例。
进一步的，所述多个分离的探测器包括多个第一类型探测器和多个第二类型探测器，多个第一类型探测器和多个第二类型探测器交替排布，相邻的两个探测器的类型不同。
进一步的，所述第一类型探测器和第二类型探测器均为NaI、CsI、BGO、LSO、LYSO、GSO、YSO、CZT、YAP、GAGG中的任意一种。
进一步的，所述多个探测器层分别为第1探测器层至第N探测器层，N≥2，所述第1探测器层至第N探测器层沿光子运动方向排布；所述成像装置还包括在所述第1探测器层和被检测物体间的吸收准直器。
一种成像装置，包括：多个分离的探测器，所述多个分离的探测器形成多个探测器层，在被检测物体外呈多层排布，相邻两探测器层之间具有一间隔。
一种成像装置，包括：多个分离的探测器，该多个分离的探测器包括至少两种类型的探测器，所述多个分离的探测器形成多个探测器层，在被检测物体外呈多层排布，所述成像装置还包括准直器，位于被检测物体与沿光子运动方向的最内层探测器层之间。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开一种分离探测的伽马辐射成像装置及成像方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)用于探测光子的探测器单元，可以同时作为其他探测器单元的准直器使用，使得来自不同方向入射某一探测器单元的射线，因为在其路径上穿过不同数目的其他探测器单元，或者不同厚度的其他探测器单元，或者不同材料的其他探测器单元，而具有不同的衰减比例，从而可以减少光子在准直器上的吸收损失和提升光子方向的判断效果和成像质量，由此既具有高的光子探测效率，又具有高的光子事件信息。
(2)探测器在空间中可以分为多层，增加探测器单元空间排布的变化和/或探测器单元间距的变化，使得来自不同方向入射某一探测器单元的射线，因为在其路径上穿过不同的其他探测器单元而具有不同的衰减比例，从而可以减少光子在准直器上的吸收损失和提升光子方向的判断效果和成像质量。
(3)探测器可以由多种材料组成，不同材料所具有的不同光子衰减比例可以提升光子方向的判断效果和成像质量。使得来自不同方向入射某一探测器单元的射线，因为在其路径上穿过不同的探测器材料而具有不同的衰减比例，从而既可以在减少光子在准直器上的吸收损失，同时可以进一步提升光子方向的判断效果和成像质量。
附图说明
图1为本公开一实施例伽马辐射成像装置结构示意图。
图2为本公开另一实施例伽马辐射成像装置结构示意图。
图3为本公开又一实施例伽马辐射成像装置结构示意图。
图4为本公开再一实施例伽马辐射成像装置结构示意图。
图5为本公开另一实施例伽马辐射成像装置结构示意图。
图6为本公开又一实施例伽马辐射成像装置结构示意图。
<符号说明>
1-第一类型探测器、2-第二类型探测器、3，4-光线、5，6位置、7-准直器、O-被检测物体。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
本公开提出将可探测闪烁光子的探测器用于组成伽马辐射成像装置的准直器。准直器部分可以全部由可探测闪烁光子的探测器组成，也可以由任一种现有的准直器与可探测闪烁光子的探测器共同组成准直器。探测器部分的任一探测器即可以作为其他探测器的准直器，也可以仅作为探测器工作。通过合适的探测器结构、材料、排布关系等，使得从成像区域不同位置发出的射线，在到达同一个探测器时所经过的探测器厚度、探测器材料、探测器数目中至少有一个不同(例如，对于任一探测器a，从成像区域不同位置发出的射线b和射线c在到达这一探测器a之前，所经过的探测器的厚度不同，和/或所经过的探测器的材料不同，和/或所经过的探测器的数目不同)，从而可以通过测量探测器中的射线强度来确定射线所发出的位置，并获得图像。
为了进一步提升作为准直器使用的探测器的准直器效果，探测器可以由多种探测器材料组成，使得空间中处于不同位置的探测器可以有不同的光子(射线)衰减比例(衰减系数)。使得来自不同方向入射某一探测器的射线，因为在其路径上穿过不同的探测器材料而具有不同的衰减比例，从而可以达到判断光子方向的目的。
为了进一步提升作为准直器使用的探测器的准直器效果，探测器可以在空间当中非紧密排列。通过改变探测器间的距离，使得相邻层的间距等于或者大于探测器尺寸，或者使得同一层相邻探测器的间距等于或者大于探测器尺寸，从而使来自不同方向入射某一探测器的射线，因为在其路径上穿过不同的其他探测器而具有不同的衰减比例，从而可以达到判断光子方向的目的。
实施例1
在本实施例中，如图1所示，所述成像装置包括9个探测器，所述9探测器形成3个探测器层，在所述被检测物体(如人体)外部呈3层分布，由内而外依次为第1探测器层、第2探测器层和第3探测器层。所述9个探测器共包括两种类型的探测器，第一类型探测器1和第二类型探测器2。而且，任意相邻的两个探测器对所述光子的衰减比例不同。
具体的，所述第一探测器和第二探测器采用不同材料制成。采用本实施例成像装置，来自被检测物体O的位置5的光线3和位置6的光线4，在入射至所述第2探测器层中的第二类型探测器2之前，分别经过第一探测器层中第一类型探测器1和第二类型探测器2，由此造成不同的衰减，使得所述第2探测器层中的第二类型探测器2上接收到的光子来自于位置5和位置6的概率不同，从而起到判断光子方向的作用，所述位置5和位置6为被检测物体O内部的两个不同位置。
需要说明的是，本实施例中探测器的数量，探测器层数，探测器的类型数仅仅是示例性说明，也就是说，探测器的数量并不限于9个，探测器的层数也并不限于3层，探测器的类型也并不限于两类，本领域技术人员可以根据需要适当调整。
实施例2
在本实施例中，如图2所示，所述成像装置包括6个探测器，所述6探测器形成2个探测器层，在所述被检测物体(如人体)外部呈2层分布，由内而外依次为第1探测器层和第2探测器层。所述6个探测器均为第一类型探测器1。而且，任意相邻的两个探测器之间具有一间隔，即第1探测器层和第2探测器层之间具有一间隔，第1探测器层的相邻两探测器之间具有一间隔，第2探测器层的相邻两探测器之间也具有一间隔。
具体的，采用本实施例成像装置，来自被检测物体的位置5的光线3和位置6的光线4，在入射至第2探测器层中的探测器之前，来自被检测物体的位置5的光线3经过第1探测器层的探测器，而来自被检测物体的位置6的光线4只经过空气，由此造成不同的衰减，使得所述第2探测器层中的探测器上接收到的光子来自于位置5和位置6的概率不同，从而起到判断光子方向的作用。
需要说明的是，本实施例中探测器的数量，探测器层数，探测器的类型数仅仅是示例性说明，也就是说，探测器的数量并不限于6个，探测器的层数也并不限于2层，探测器的类型也并不限于1类，本领域技术人员可以根据需要适当调整。
此外，本实施例成像装置的各探测器层也可以包括多种类型的探测器，利用间隔和探测器类型的不同来判断光子方向。
实施例3
在本实施例中，如图3所示，所述成像装置包括9个探测器，所述9探测器形成3个探测器层，在所述被检测物体(如人体)外部呈3层分布，由内而外依次为第1探测器层、第2探测器层和第3探测器层。所述9个探测器共包括两种类型的探测器，第一类型探测器1和第二类型探测器2。相邻两探测器层之间具有间隔，而且，第1探测器层和第2探测器层之间的间隔，可以与第2探测器层和第3探测器层之间的间隔不同。任意相邻的两个探测器对所述光子的衰减比例不同。通过各层间隔开一定的间距以进一步提高判断光子方向的效果。
具体的，采用本实施例成像装置，来自被检测物体位置5的光线3和位置6的光线4，在入射至第2探测器层中的第二类型探测器2探测器之前，来自被检测物体位置5的光线3经过第1探测器层的第一类型探测器1，而来自被检测物体位置6的光线4经过第1探测器层的第二类型探测器2，由此造成不同的衰减，使得所述第2探测器层中的第二类型探测器2上接收到的光子来自于位置5和位置6的概率不同，从而起到判断光子方向的作用。
需要说明的是，本实施例中探测器的数量，探测器层数，探测器的类型数仅仅是示例性说明，也就是说，探测器的数量并不限于9个，探测器的层数也并不限于3层，探测器的类型也并不限于2类，本领域技术人员可以根据需要适当调整。
实施例4
在本实施例中，如图4所示，复合探测器/准直器的伽马辐射成像装置包括9个探测器，所述9探测器形成3个探测器层，在所述被检测物体(如人体)外部呈3层分布，由内而外依次为第1探测器层、第2探测器层和第3探测器层。所述9个探测器共包括两种类型的探测器，第一类型探测器1和第二类型探测器2。相邻两探测器层之间具有间隔，而且，第1探测器层和第2探测器层之间的间隔，可以与第2探测器层和第3探测器层之间的间隔不同。任意相邻的两个探测器对所述光子的衰减比例不同。通过各层间隔开一定的间距以进一步提高判断光子方向的效果。
进一步的，所述成像装置在所述第1探测器层与所述被检测物体之间还包括高开孔率的吸收准直器7。本实施例成像装置，除第一层探测器外，其余各层探测器因为受到前面各层探测器的衰减而具有光子方向判断的效果。通过在第1探测器层和被检测物体间设置高开孔率的吸收准直器，进一步提升了第1探测器层中探测器对光子方向判断的效果。
需要说明的是，本实施例中探测器的数量，探测器层数，探测器的类型数仅仅是示例性说明，也就是说，探测器的数量并不限于9个，探测器的层数也并不限于3层，探测器的类型也并不限于2类，本领域技术人员可以根据需要适当调整。
此外，本实施例包括准直器的成像装置，其探测器的类型、排布等可以前述实施例相同，此处不再赘述。
实施例5
在本实施例中，伽马辐射成像装置包括探测器单元，探测器单元包括四个探测器阵列层，分别为第一探测器阵列层、第二探测器阵列层、第三探测器阵列层、第四探测器阵列层；每个探测器阵列层包括两种探测器，分别为第一探测器和第二探测器。第一探测器包括NaI无机闪烁体，第二探测器包括LSO无机闪烁体。在每个探测器阵列层中，第一探测器和第二探测器交错排列。第一探测器阵列层各第一探测器分别与第二探测器阵列层各第二探测器的位置相对，第一探测器阵列层各第二探测器分别与第二探测器阵列层各第一探测器的位置相对。被检测物体内不同位置发出的光子，在探测器单元内将穿过不同衰减比例的两种材料，从而形成不同的分布。
实施例6
在本实施例中，伽马辐射成像装置包括探测器单元，探测器单元包括四个探测器阵列层，分别为第一探测器阵列层、第二探测器阵列层、第三探测器阵列层、第四探测器阵列层；每个探测器阵列层包括两种探测器，分别为第一探测器和第二探测器。第一探测器为GSO探测器，第二探测器为YSO探测器。被检测物体内不同位置发出的光子，在探测器内将穿过不同衰减比例的两种材料，从而形成不同的分布。
实施例7
在本实施例中，伽马辐射成像装置包括多个探测器阵列层，每个探测器阵列层包括多种探测器。其中，距离所述被检测物体距离最大、也即最外层探测器阵列层包括一种类型的探测器；所述多层探测器阵列层中除最外层探测器阵列层之外的探测器阵列层包括多种探测器。在同一层探测器阵列层中，所述多种探测器交替排列，如图5所示。
实施例8
与实施例7不同的是，本实施例成像装置在第1探测器层与所述被检测物体之间还包括准直器，如图6所示。
采用本公开分离探测器的伽马辐射成像装置，准直效果更好，测量伽马光子的数量更多，有效提升了空间分辨率和探测效率。
此外，本公开提供了一种成像方法，包括：
提供多个分离的探测器，
将所述多个分离的探测器在被检测物体外按多层排布方式排布，形成多个探测器层；
利用所述多个探测器层对所述被检测物体进行成像。
其中，所述多个分离的探测器中的至少一个探测器，从成像区域不同位置发出的射线，在到达所述一个探测器前，所经过的其他探测器的厚度、探测器材料、探测器数目中的至少一者不同。
本公开还提供了另一种成像方法，包括：
提供多个分离的探测器；
将所述多个分离的探测器在被检测物体外按多层排布方式排布，形成多个探测器层，且使相邻两探测器层之间具有一间隔；
利用所述多个探测器层对所述被检测物体进行成像。
本公开还提供了另一种成像方法，包括：
提供准直器以及包括至少两种类型多个分离的探测器；
将所述多个分离的探测器在被检测物体外按多层排布方式排布，形成多个探测器层；
将所述准直器设置在所述被检测物体与沿光子运动方向的最内层探测器层之间；
利用所述准直器和所述多个探测器层对所述被检测物体进行成像。
本公开成像方法中的所述探测器、准直器、间隔等的细节与前述成像装置实施例中的相同，此处不再赘述。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种伽马射线成像装置，包括：多个分离的探测器，所述多个分离的探测器中至少存在一个探测器，从成像区域不同位置发出的射线，在到达该一个探测器前，所经过的其他探测器的厚度、探测器材料、探测器数目中至少有一个不同。
2.根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述多个分离的探测器中的至少一个探测器所接收的从不同方向入射的射线，由于所经过的其他探测器的厚度、探测器材料、探测器数目中至少有一个不同，从而具有不同的衰减比例，由此判断射线方向。
3.根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述多个分离的探测器的多个相邻两探测器的厚度不同。
4.根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述多个分离的探测器包括沿光子运动方向排布的至少两个探测器，所述至少两个探测器包括沿光子运动方向在前的探测器和在后的探测器，所述在前的探测器用于对向所述在后的探测器运动的光子进行阻挡和准直。
5.根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述多个分离的探测器沿光子运动方向及垂直于光子运动方向的方向呈阵列排布，每个探测器和与其相邻的探测器对所述光子的衰减比例不同。
6.根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述多个分离的探测器沿光子运动方向形成多个探测器层，在相邻的两探测器层中，位于外侧的探测器层比位于内侧探测器层的面积小。
7.根据权利要求5所述的成像装置，其中，相邻两探测器层具有一间隔。
8.根据权利要求6所述的成像装置，其中，所述多个分离的探测器层的多个相邻两探测器层的间隔不同。
9.根据权利要求5所述的成像装置，其中，相邻两探测器具有一间隔。
10.根据权利要求8所述的成像装置，其中，所述多个分离的探测器的多个相邻两探测器的间隔不同。
11.根据权利要求7或8所述的成像装置，其中，通过改变多个探测器间的距离，使得从不同方向入射至一探测器上的光子具有不同的衰减比例。
12.根据权利要求6所述的成像装置，其中，所述多个分离的探测器包括多个第一类型探测器和多个第二类型探测器，多个第一类型探测器和多个第二类型探测器交替排布，相邻的两个探测器的类型不同。
13.根据权利要求12所述的成像装置，其中，所述第一类型探测器和第二类型探测器均为NaI、CsI、BGO、LSO、LYSO、GSO、YSO、CZT、YAP、GAGG中的任意一种。
14.根据权利要求5所述的成像装置，其中，所述多个探测器层分别为第1探测器层至第N探测器层，N≥2，所述第1探测器层至第N探测器层沿光子运动方向排布；所述成像装置还包括在所述第1探测器层和被检测物体间的吸收准直器。
15.一种成像装置，包括：多个分离的探测器，所述多个分离的探测器形成多个探测器层，在被检测物体外呈多层排布，相邻两探测器层之间具有一间隔。
16.一种成像装置，包括：多个分离的探测器，该多个分离的探测器包括至少两种类型的探测器，所述多个分离的探测器形成多个探测器层，在被检测物体外呈多层排布，所述成像装置还包括准直器，位于被检测物体与沿光子运动方向的最内层探测器层之间。
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