CN111870261B - 轻重量正电子发射断层摄影体模 - Google Patents

Abstract

轻重量正电子发射断层摄影体模。公开了一种新颖的PET校准体模结构，其具有减小的总重量和减小的辐射屏蔽要求，而仍然使能安全操纵。此外，当体模不在使用时，辐射源可以被关闭或被从体模移除，因此降低了操纵体模的那些的辐射暴露风险。

Description

轻重量正电子发射断层摄影体模

相关申请的交叉引用

无。

技术领域

本公开涉及核医学。更特别地，本公开涉及用于核医学成像设备的质量控制测量和校准的体模（phantom）。

背景技术

正电子发射断层摄影（PET）是一种核医学成像技术，其产生表示体内正电子发射同位素的分布的三维图像。随着放射性同位素经历正电子发射衰变（也称为正贝塔（beta）衰变），其发射电子的反物质对应物（counterpart）。随着正电子损失能量，它们最终遇到电子并与电子湮灭，通常产生在相反方向上移动的湮灭（伽马）光子的对。PET系统通过检测时间一致（time coincidence）的伽马光子对来确定湮灭发生所沿着的线。

通常，测试对象（体模）被用于校准和/或核实（QC）诸如PET扫描仪之类的核医学成像设备的准确性。实质上，体模是具有已知形状和遍及其主体的分布的包含正电子（）发射活动（activity）的对象。因此，通过对体模成像，可以评估PET仪器及其软件的准确性，并且如果必要，可以调整设置。

常规上，使用也称为体模的圆柱形正电子源作为正电子源，对PET、PET/CT和PET/MR系统进行质量控制和校准，圆柱形正电子源由⁶⁸Ge组成、分散在固体聚氨酯基质（urethane matrix）中，并被包裹在聚乙烯壳中。⁶⁸Ge衰变（decay）成正电子发射同位素⁶⁸Ga。圆柱形形状促进通过对称性的后续分析。该圆柱（cylinder）比成像体积的轴向范围（extent）长，因此21 cm直径×35 cm长的尺寸是典型的，并且它们也相当重。由于这些体模是有放射性的，所以当它们位于成像系统内和从成像系统移除时，它们不可避免地使操作者暴露于一些电离（ionizing）辐射。将这种体模缩放以支持具有不断增加的轴向范围的系统是不切实际的，因为存在伽马光子的过度衰减和散射，并且体模变得过重并且在存储时难以屏蔽。

上述体模是重的，大约10-15 kg，并且需要超过100 kg的铅，用于在不使用时屏蔽技术人员、扫描仪（scanner）、患者和其他人，免受湮灭伽马光子的大部分。这些重量影响操纵（handle）的设施和装运的成本。此外，屏蔽包含铅并且因此从危险材料控制角度来看是一种挑战。

因此，存在对于一种可以适应（accommodate）PET扫描仪、PET/CT扫描仪和/或MR/PET扫描仪并且克服现有技术中描述的问题的体模的需要。

发明内容

本文中公开的是一种新颖的PET校准体模结构，其具有减小的总重量和辐射屏蔽要求，并且对于操纵来说是安全。这是通过将发射辐射源限制到小的体积来实现的，其在体模不在使用中时可以被关闭或移除。

根据本公开的实施例的PET校准体模包括中空（hollow）体，其具有两个端部并且限定其中的内部空间；以及至少一个外壳，其被至少提供在中空体的一个端部处。在每个外壳中提供正电子发射辐射源。正电子发射辐射源被保持在由辐射吸收材料组成的外壳内。每个外壳被配置成在ON配置和OFF配置之间切换。当处于ON配置时，在朝向中空体的内部的方向上行进的正电子退出外壳并进入内部空间，并且其余的正电子发射被外壳吸收。当处于OFF配置时，来自辐射源的所有正电子发射被外壳吸收。当处于ON配置时，进入中空体的大部分正电子撞击所述体的壁，并且在中空体的壁中产生湮灭伽马光子。

附图说明

图1是本公开的PET校准体模的实施例的示意图。

图2A是用于在本公开的PET校准体模中使用的正电子辐射源的外壳的实施例的示意图，其中外壳处于其ON配置。

图2B是处于其OFF配置的图2A的外壳的示意图。

图3A是用于在本公开的PET校准体模中使用的正电子辐射源的外壳的另一实施例的示意图，其中外壳处于其ON配置。

图3B是处于其OFF配置的图3A的外壳的示意图。

具体实施方式

对示例性实施例的该描述旨在结合附图被阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。

参考图1，公开的是一种PET校准体模100，其包括中空体110，中空体110具有两个端部120A和120B，并且限定其中的内部空间115。内部空间115由中空体110的内壁表面117限定。在两个端部120A和120B中的一个或两个处提供用于保持正电子发射辐射源50材料的外壳200（或图3A中所示的300）。

每个外壳200（300）被配置成使得当正电子（）发射辐射源50被放置在外壳200（300）内时，来自辐射源50的许多正电子将通过直接发射或散射离开外壳200并进入内部空间115，但是没有正电子将在体模100的外部被发射或散射。

辐射源50可以是⁶⁸Ge。可以以任何希望的形状来提供辐射源50，但优选地，辐射源50足够薄以允许在是朝向内部空间115的方向的希望的方向上的正电子发射以在任何封装覆盖（cover）内以最小吸收和最小自吸收逸出（escape）源50。辐射源50可以在物理上尽可能的薄以进行制造。在一些实施例中，辐射源50可以是薄层的形式。辐射源50的薄层可以通过多种已知的金属沉积过程中的一种形成在合适的基底上，多种已知的金属沉积过程包括例如例如锗之类的放射性金属原子结合到的络合剂（chelating agent）的蒸发。在一些实施例中，放射性金属原子可经由诸如环氧树脂或涂料（paint）之类的粘合剂来施加。

每个外壳200（300）包括指向中空体的内部空间115的开口250，因此允许来自辐射源50的正电子进入内部空间115。外壳200（300）阻挡正电子在其他方向上发射或散射到外壳200（300）的外部或发射或散射到体模100的外部。外壳200（300）由一种或多种具有适当厚度的辐射吸收材料组成，以停止（stop）从辐射源50发射的正电子。用于包围辐射源50的外壳200（300）的辐射吸收材料优选是高原子序数材料，诸如作为一些示例：铅、钨、钽、钍、金、不锈钢、铋或铀。在一些实施例中，外壳200（300）优选由钨制成。

当PET校准体模100不被使用时，正电子发射辐射源50可以从外壳200移除并存储在适当的存储装置中，该存储装置被适当地屏蔽以包含湮灭伽马以及正电子辐射。因为仅正电子发射辐射源50需要被存储在辐射屏蔽存储装置中而不是整个体模，所以对该PET校准体模的操纵比常规的固体填充⁶⁸Ge体模更容易。对其余结构、PET校准体模壳的操纵和存储也非常简单，因为没有辐射要处理。

参考图2A、2B、3A和3B，在一些实施例中，外壳200（300）可以被配置成在ON配置和OFF配置之间切换。在ON配置中，开口250允许正电子离开外壳200（300）并行进进入和穿过中空体的内部空间115以湮灭在内部空间的壁中。在OFF配置中，利用类似于外壳200（300）材料的辐射吸收材料隔绝（close off）开口250，并且没有正电子逸出外壳200（300）。

在一些实施例中，外壳200（300）可以被配置成通过手动操作在ON配置和OFF配置之间切换。在一些实施例中，可以远程控制该切换。例如，外壳200（300）可以被配置有适当的致动机构，该致动机构被远程激活以在ON和OFF配置之间切换外壳200（300）。

图2A是处于其ON配置的外壳200的实施例的示意性侧视图图示。图2B是处于其OFF配置的外壳200的示意性侧视图图示。在该实施例中，外壳200包括至少两个部分：固定（stationary）存储部分210，用于保持辐射源50；和可移动部分220。部分210和220两者都由如上所述的辐射吸收材料制成。可移动部分220被配置成在ON配置和OFF配置之间来回移动或滑动，如箭头S1和S2所示。通过在箭头S1的方向上移动可移动部分220，外壳200可从ON配置切换到OFF配置。在箭头S2的方向上移动可移动部分220则相反。固定存储部分210被配置成保持辐射源50并且从与中空外壳110的内部空间115相对的侧围绕它，使得在除了朝向内部空间115之外的方向上行进的所有发射被外壳200吸收并且没有/>发射逸出体模。可移动部分220被提供有开口250，其允许来自辐射源50的/>发射在箭头A所示的方向上朝向内部空间115离开外壳200。在图2B中所示的OFF配置中，可移动部分220已经被转换（shiftover），使得孔250不再与辐射源50对准。因此，辐射源50完全被包裹在外壳200内并且没有发射从外壳200逸出。

图3A是处于其ON配置的外壳300的另一实施例的示意性正面（head-on）视图图示。图3B是处于其OFF配置的外壳300的示意性正面视图图示。正面视图意味着观看是从中空体110的内部空间115直接看向外壳300。外壳300包括至少两个部分：固定存储部分310，用于保持辐射源50；和可移动部分320。部分310和320两者都由如上所述的辐射吸收材料制成。可移动部分320被配置成在ON配置和OFF配置之间来回移动，如箭头S1和S2所示。固定存储部分310被配置成保持辐射源50并且从与中空外壳110的内部空间115相对的侧围绕它，使得在除了朝向内部空间115之外的方向上行进的所有发射被外壳300吸收并且没有/>发射逸出体模。

参考图3A和3B，固定存储部分310被提供有凹部315，辐射源50位于该凹部315中。可移动部分320还包括盖（cover）部分320a，其被配置成在外壳300处于图3B中所示的其OFF配置时覆盖并密封凹部315内的辐射源50。在图3A的ON配置中，盖部分320a被移动到旁边并暴露辐射源50，允许辐射进入体模100的内部空间115。盖部分320a连接到可移动部分320，使得其与可移动部分320一起在ON配置和OFF配置之间移动。可以有多种结构配置，其可以使能可移动部分320与盖部分320a之间的协调移动。这种配置的结构细节对于本领域技术人员来说是公知的。

中空体110可以具有任何希望的形状。然而，在优选实施例中，中空体110具有圆柱形形状，其提供与大多数PET系统的成像体积一致的径向对称性（radial symmetry）。中空体110可以由如下任何材料制成：足够轻以使得其便于操纵，其良好地保持其形状，并且其壁足够厚以停止撞击到其上的所有正电子。例如，铝、不锈钢、铜、钽或多种塑料可以用于中空体110。在优选的实例中，使用聚乙烯（polyethylene），因为它是容易获得的、便宜、足够轻且耐用。无论使用什么材料，中空体110都应被形成为具有有足够厚度的壁以停止正电子。

中空体的内部空间115可以是大气、真空或填充有低密度材料，诸如聚苯乙烯泡沫（例如绝热泡沫），这取决于在体模结构中人们意图在何处发生正电子湮灭。在内部空间115是真空或填充有空气的实施例中，来自辐射源50的发射的正电子可以基本上不受阻碍地行进，直到它们撞击中空体110的内壁表面117。在内部空间115填充有空气的实施例中，大多数正电子将行进穿过内部空间115，直到它们到达内壁表面117并在壁110内湮灭，并且一些将在空气中湮灭。正电子的湮灭导致PET扫描仪可以检测到的511 keV湮灭伽马光子对。大多数湮灭光子对来自停止正电子的中空体壁110。存在湮灭光子对的非常小的衰减或者不存在湮灭光子对的衰减，因为它们没有被低密度填充材料吸收也没有被散射。相比之下，在常规固体聚氨酯体模中，由于固体聚氨酯内的衰减，仅约20%的发射的湮灭光子对到达PET扫描仪检测器而未被吸收或散射，伴随有能量的损失和方向的改变。在一些实施例中，如果希望正电子湮灭在体模的内部空间115内并且不仅仅在体模的壁110内，则内部空间115可以填充有低密度泡沫材料。

辐射源50在所有方向上发射正电子，并且所发射的正电子中的50%或更多将在希望的方向上通过外壳200的开口250朝向中空体110的内部空间115。在其他方向上的正电子发射被外壳200材料立即吸收或散射到中空体中。与常规的固体聚氨酯体模相比，本公开的体模100针对要进行检测的PET扫描仪产生湮灭光子对的净增益。因为正电子在空气或低密度泡沫中比在固体聚氨酯中具有更长的行程（range），所以在正电子撞击中空体110的内壁117之前，在本公开的新颖体模100中存在正电子的基本上非常小的衰减，在中空体110的内壁117生成湮灭光子对。

在一些实施例中，一个或多个正电子透镜可以与外壳200合并，以在朝向中空体110的内部的方向上引导由辐射源50发射的正电子中的更多正电子。这种正电子透镜在本领域中是公知的。在J. Van Klinken等人的“Mini-Orange Spectrometers for In- andOff-beam Observation of Conversion Electrons,” Nuclear Instruments andMethods 130, 427-441 (1975)中描述了一个示例。

还公开了一种正电子发射断层摄影（PET）校准体模壳。这种壳由中空体110组成，中空体110具有两个端部120A、120B并且限定其中的内部空间115。外壳200（或300）被至少提供在两个端部中的一个处，其中外壳被配置成保持正电子发射辐射源50。外壳由辐射吸收材料组成，其中外壳被配置成在ON配置与OFF配置之间切换。当外壳正在保持正电子发射辐射源50并且外壳处于ON配置时，从辐射源发射的、正在朝向中空体的内部的方向上行进的正电子退出外壳并且进入内部空间，并且其余的正电子发射被外壳吸收；并且当外壳正在保持正电子发射辐射源50并且外壳处于OFF配置时，来自辐射源的所有正电子发射被外壳吸收。

本公开的PET校准体模具有相对于常规固体填充⁶⁸Ge体模的许多益处。所公开的体模比常规体模轻得多，因为它是中空的，因此它更容易操纵。甚至填充有泡沫的实施例也比常规固体填充圆柱体模轻得多。因为需要更小量的辐射并且可以关闭辐射源，所以操纵体模的技术人员暴露于大幅减少的辐射剂量。辐射的更高效的使用减少了与所用同位素相关联的成本。因为辐射源被限制在辐射吸收外壳200、300中，所以体模可能在没有附加辐射屏蔽的情况下被存储。而且，因为本公开的中空体模100具有长正电子行程，所以可以将体模制造得大于常规的固体PET质量控制体模，并且体模能够填充PET扫描仪的视场，而没有511keV湮灭伽马光子对的散射或具有511 keV湮灭伽马光子对的最小散射。

在一些其他实施例中，本公开的中空体模100的概念可以集成到PET扫描仪结构中。例如，PET扫描仪的隧道（tunnel）可以代替体模100的中空体110来使用。在这样的实施例中，正电子辐射源50密封在类似于外壳200（300）的外壳中，并且定位在扫描仪隧道的一端处或两端处，其中外壳的开口250瞄准该隧道。正电子将在隧道壁内湮灭，产生湮灭光子。因为扫描仪隧道的确切位置和尺寸已经是已知的，所以隧道壁的得到PET图像用作体模。PET扫描仪的扫描和图像处理软件将不需要改变。

尽管已经按照示例性实施例描述了本主题，但是本主题并不局限于此。而是，所附权利要求书应当被宽泛地解释以包括本领域技术人员可以做出的其他变型和实施例。

Claims (22)

1.一种正电子发射断层摄影校准体模，包括：

中空体，具有两个端部并且限定其中的内部空间；

外壳，被至少提供在所述两个端部中的一个处；以及

正电子发射辐射源，被提供在所述外壳中；

其中所述外壳由辐射吸收材料组成；

其中所述外壳被配置成在ON配置和OFF配置之间切换，

其中当处于所述ON配置时，在朝向所述中空体的内部的方向上行进的、从所述辐射源发射的正电子退出所述外壳并且进入所述内部空间，并且其余的正电子发射被所述外壳吸收，并且当处于所述OFF配置时，来自所述辐射源的所有正电子发射被所述外壳吸收，

由此进入所述中空体的正电子撞击所述中空体的壁，并且在所述中空体的所述壁中产生511-keV湮灭伽马光子。

2.根据权利要求1所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中在所述中空体的所述两个端部中的每个处提供外壳，并且在两个外壳中的每个中提供正电子发射辐射源。

3.根据权利要求1所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中所述中空体具有圆柱形形状。

4.根据权利要求1所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中包围所述源的所述辐射吸收材料是足以停止从所述辐射源发射的正电子的高原子序数材料。

5.根据权利要求4所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中所述高原子序数材料包括金、钨、钽、钍、铅、不锈钢、铋或铀中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中所述正电子发射辐射源包括⁶⁸Ge。

7.根据权利要求6所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中所述正电子发射辐射源具有足够薄的厚度，允许在朝向所述中空体的所述内部空间的方向上发射的那么多的正电子逸出所述正电子发射源而在所述辐射源内不被吸收。

8.根据权利要求1所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中所述中空体由具有足以停止正电子的厚度的材料制成。

9.根据权利要求8所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中所述中空体由铝、铜、不锈钢、钽或聚乙烯制成。

10.根据权利要求8所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中所述中空体由不锈钢制成。

11.根据权利要求1所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中所述中空体的内部是真空的、填充有空气、或填充有低密度泡沫。

12.根据权利要求1所述的正电子发射断层摄影校准体模，其中所述外壳包括一个或多个正电子透镜，以朝向所述中空体的内部引导更多的正电子。

13.一种正电子发射断层摄影校准体模壳，包括：

中空体，具有两个端部并且限定其中的内部空间；

外壳，被至少提供在所述两个端部中的一个处，其中所述外壳被配置成保持正电子发射辐射源；

其中所述外壳由辐射吸收材料组成；

其中所述外壳被配置成在ON配置和OFF配置之间切换，其中当所述外壳正在保持正电子发射辐射源并且所述外壳处于所述ON配置时，在朝向所述中空体的内部的方向上行进的、从所述辐射源发射的正电子退出所述外壳并且进入所述内部空间，并且其余的正电子发射被所述外壳吸收；以及

当所述外壳正在保持正电子发射辐射源并且所述外壳处于所述OFF配置时，来自所述辐射源的所有正电子发射被所述外壳吸收。

14.根据权利要求13所述的正电子发射断层摄影校准体模壳，其中在所述中空体的所述两个端部中的每个处提供外壳。

15.根据权利要求13所述的正电子发射断层摄影校准体模壳，其中所述中空体具有圆柱形形状。

16.根据权利要求13所述的正电子发射断层摄影校准体模壳，其中所述辐射吸收材料是足以停止从所述辐射源发射的正电子的高原子序数材料。

17.根据权利要求16所述的正电子发射断层摄影校准体模壳，其中所述高原子序数材料包括金、钨、钽、钍、铅、不锈钢、铋或铀中的至少一个。

18.根据权利要求13所述的正电子发射断层摄影校准体模壳，其中所述中空体由具有足以停止正电子的厚度的材料制成。

19.根据权利要求13所述的正电子发射断层摄影校准体模壳，其中所述中空体由铝、铜、不锈钢、钽或聚乙烯制成。

20.根据权利要求13所述的正电子发射断层摄影校准体模壳，其中所述中空体由不锈钢制成。

21.根据权利要求13所述的正电子发射断层摄影校准体模壳，其中所述中空体的内部是真空的、填充有空气、或填充有低密度泡沫。

22.根据权利要求13所述的正电子发射断层摄影校准体模壳，其中所述外壳包括一个或多个正电子透镜，当所述外壳正在保持正电子发射辐射源时，所述一个或多个正电子透镜能够朝向所述中空体的内部引导正电子。