CN114076974A - 单光子发射断层成像装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种单光子发射断层成像装置，包括：多个探测器层，所述多个探测器层包括沿光子运动方向排布的至少两个探测器层，所述至少两个探测器层包括沿光子运动方向在前的探测器层和在后的探测器层，所述在前的探测器层包括闪烁晶体阵列和硅光电倍增器件，所述闪烁晶体阵列中相邻的闪烁晶体条，其耦合的硅光电倍增器件的数目、尺寸和相对闪烁晶体阵列的位置至少有一个不同，即可分辨出不同伽马光子方向信息，使来自不同方向的伽马光子穿过所述在前的探测器层的概率不同，从而使所述在前的探测器层对所述在后的探测器层具有伽马光子准直的效果。

Description

单光子发射断层成像装置
技术领域
本公开涉及核技术及应用技术领域，具体涉及一种单光子发射断层成像装置。
背景技术
单光子发射断层成像(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)技术，利用放射性核素标记的示踪药物在注入人体后产生伽玛光子，通过在人体外探测射线来获知药物在人体内的分布及变化信息，并用于疾病的诊断、治疗。SPECT成像是典型的分子影像手段，能够反映人体内的生理、代谢、功能、分子信息，是当前主流医学影像手段之一。
由于放射性核素发射伽马光子的过程是各向同性的，如果直接在人体外放置探测器，其探测到的伽马光子无法确定其方向，亦即无法得知其可能来自人体内的哪一位置。因此在SPECT成像中，需要在人体和探测器之间放置准直器部件。准直部件通过阻挡一定比例的的光子，并且对来自不同方向的光子，其阻挡比例不同，使得探测器所接收到光子来自人体内不同位置的可能性有差别，并经图像重建算法计算获得人体内收到的放射性核素分布图像。
现有准直器通常是采用钨、铅等重金属制成的吸收准直器，通过重金属对光子的强吸收作用，并制成特定的几何形状，如平行孔准直器、针孔准直器等，使得来自某些方向的光子完全通过或有较大概率通过准直器，而来自某些方向的光子被完全阻挡或者有较小概率通过准直器，从而得到了使来自不同方向的光子在通过准直器效率不同的效果。因此，当某个探测器单元上接收到每一个光子时，可以判断其来自人体内不同方向的概率。探测器接收大量光子后，将其统计信息输入图像重建算法，可重建得到人体内的放射性核素空间分布图像。但是，由于重金属吸收准直器所吸收的光子无法被探测器探测到，因而会造成大量光子损失，严重影响SPECT探测效率。此外，现有的单光子发射断层成像装置还存在尺寸大、准直器的准直效果差等缺陷。
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单光子发射断层成像装置，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，提供了一种单光子发射断层成像装置，包括：多个探测器层，所述多个探测器层包括沿光子运动方向排布的至少两个探测器层，所述至少两个探测器层包括沿光子运动方向在前的探测器层和在后的探测器层，所述在前的探测器层包括闪烁晶体阵列和硅光电倍增器件。
进一步的，所述闪烁晶体阵列包括呈阵列排布的多个闪烁晶体，每个闪烁晶体包括多个拼接的闪烁晶体条；每个所述闪烁晶体条具有多个端面，一个或多个所述硅光电倍增器件耦合在一个或多个所述闪烁晶体条的任意一个或多个所述端面上，与所述闪烁晶体条形成固定的相对位置关系，或一或多个所述硅光电倍增器件与所述闪烁晶体条分立设置。
进一步的，所述在后的探测器层包括闪烁晶体阵列，所述闪烁晶体阵列包括呈阵列排布的多个闪烁晶体，每个闪烁晶体包括一个或多个闪烁晶体条，所述在后的探测器层的硅光电倍增器件包括一个或多个硅光电倍增器件SiPM，所述一个或多个闪烁晶体条选择性的与所述一个或多个硅光电倍增器件SiPM连接。
进一步的，所述的硅光电倍增器件的材质已知，对光子的衰减和吸收系数已知，伽马光子在穿过所述在前的探测器层时，选择性的穿过一个或多个所述闪烁晶体条，和/或选择性的穿过一个或多个所述硅光电倍增器件
进一步的，从所述成像区域不同位置发出的所述光子，在到达至少一所述闪烁晶体条之前，所经过的所述硅光电倍增器件的数目和/或硅光电倍增器件的有效光程不同。
进一步的，所述在前的探测器层与所述在后的探测器层之间的间距大于或等于1mm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开一种单光子发射断层成像至少具有以下有益效果其中之一：
(1)采用小体积硅光电倍增器件SiPM、APD替代PMT作为在前的探测器层的光电器件，减小了单光子发射断层成像装置的尺寸。
(2)本公开在后的探测器层包括至少一闪烁晶体条，从成像区域不同位置发出的所述光子，在到达所述至少一闪烁晶体条前，所经过的光电器件的数目和/或光电器件的长度不同，进一步利用SiPM、APD等光电器件对光子的吸收效果，通过排布不同的光电器件方案进一步增加在后的探测器层上来自不同方向的光子被在前的闪烁晶体和光电器件共同吸收后的强度差别，即可分辨出不同伽马光子方向信息，从而在前的探测器层对在后的探测器层具有伽马光子准直的效果。
附图说明
图1为本公开实施例1单光子发射断层成像装置结构示意图。
图2为本公开实施例2单光子发射断层成像装置结构示意图。
图3为本公开实施例3单光子发射断层成像装置结构示意图。
图4为本公开实施例4单光子发射断层成像装置结构示意图。
图5为本公开光子穿透概率示意图。
<符号说明>
1-第一探测器层，2-第二探测器层，11、12、13、14、21、23、24-闪烁晶体条，15、16、17-光电器件(SiPM硅光电倍增器件)，22-光电器件(任意类型光电器件)，3-人体，P1、P2、P3、P4-伽马光子射线。
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。
本公开提供了一种单光子发射断层成像装置，包括：多个探测器层，所述多个探测器层包括沿光子运动方向排布的至少两个探测器层，所述至少两个探测器层包括沿光子运动方向在前的探测器层和在后的探测器层，所述在前的探测器层包括闪烁晶体阵列和硅光电倍增器件。
进一步的，所述闪烁晶体阵列包括多个分立的闪烁晶体条和/或多个拼接的闪烁晶体条；每个所述闪烁晶体条具有多个端面，一个或多个所述硅光电倍增器件耦合在一个或多个所述闪烁晶体条的任意一个或多个端面上，与所述闪烁晶体条形成固定的相对位置关系，或一或多个所述硅光电倍增器件与所述闪烁晶体条分立设置。
本公开采用小体积硅光电倍增器件替代PMT作为在前的探测器层的光电器件，减小了单光子发射断层成像装置的尺寸。
所述的硅光电倍增器件的材质已知，对光子的衰减和吸收系数已知，并在光子穿过所述在前的探测器层和在后的探测器层时被所述光子所经过，且在所述单光子发射断层成像装置中起到固定所述探测器层与所述闪烁晶体的相对位置关系的作用。伽马光子在穿过所述在前的探测器层时，选择性的穿过一个或多个所述闪烁晶体条，和/或选择性的穿过一个或多个所述硅光电倍增器件。
其中，从成像区域不同位置发出的所述光子，在到达所述至少一闪烁晶体阵列前，所经过的光电器件的数目和/或光电器件的有效光程不同。由此，本公开进一步增强了在后的探测器层上的光子准直效果，提高了系统的探测效率。
下面结合附图1-5详细介绍本公开实施例。
实施例1
在本实施例中，如图1所示，被检测物体(例如人体3)内的放射性核素产生伽马光子，成像装置包括且不限于两个探测器层，在所述人体外部沿伽马光子传输方向呈前后两层分布，其中，沿光子传输方向在前的探测器层为第一探测器层1，沿光子传输方向在后的探测器层为第二探测器层2，在前的探测器层(第一探测器层)较在后的探测器层(第二探测器层)更靠近人体。第一探测器层1包括四个独立的闪烁晶体条11、12、13、14(虽然本实施例是独立的闪烁晶体条，数量若干，但其实也可以采用拼接的闪烁晶体条或两者的若干组合)和三个SiPM器件15、16、17(15、16、17还可以采用APD光电器件)，第二探测器层2包括一个闪烁晶体条21。所述闪烁晶体用于接收的伽马光子信号，所述SiPM器件用于将接收的所述伽马光子信号转换为电信号输出或者起准直作用。所述四个闪烁晶体条的其中两个闪烁晶体条11、13为第一类型的闪烁晶体条，另外两个闪烁晶体条12、14为第二类型的闪烁晶体条，两种类型的闪烁晶体条的材质不同。所述闪烁晶体条11与SiPM器件15耦合，所述闪烁晶体条12、13与SiPM器件17耦合，所述闪烁晶体条14未与SiPM器件耦合，所述SiPM器件16未与闪烁晶体条耦合。
所述成像装置还可包括图像重建模块，所述图像重建模块接收所述电信号并利用图像重建算法得到人体内放射性核素分布的图像。所述图像重建算法例如可以为滤波反投影解析重建算法、代数迭代算法或统计迭代重建算法等。
所述闪烁晶体条可以由NaI、CsI、LaBr3、CLYC、BGO、LSO、LYSO、GSO、YSO、YAP和GAGG中的任意一种或多种组合而成。
当然，本实施例第一探测器层中的光电器件并不限于硅光电倍增器件SiPM，还可以采用雪崩型光电二极管APD、盖革模式雪崩型光电二极管GAPD、固态光电倍增器件SSPM等。相较于采用PMT器件，本实施例采用SiPM、APD、闪烁晶体作为在前的探测器层的光电器件可以减小探测器层之间的距离，进而能够减小装置尺寸及占用空间。
此外，SiPM与闪烁晶体条的耦接关系并不限于实施例中的耦接关系。对于任意一个SiPM，其可以与一个或多个闪烁晶体条耦接，也可以不与闪烁晶体条耦接(此时SiPM只起增强准直效果的作用，不起到将闪烁晶体条输出的光信号转换为电信号的作用)。对于任意一个闪烁晶体条，其可以与一个或多个SiPM耦接，也可以不与SiPM耦接(此时闪烁晶体条只起增强准直效果的作用，不起到探测伽马光子的作用)。
此外，本实施例中探测器层数(优选的，探测器的层数为2至6层，以减小成像装置的尺寸及提高成像装置的成像性能)，闪烁晶体形状(并不限于条状，例如还可以为块状等均不影响本公开的实现，后续实施例亦同)、闪烁晶体条数量、闪烁晶体条的类型、光电器件数量等仅仅是示例性说明，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，被检测物体(例如人体3)内的放射性核素产生伽马光子，成像装置包括两个探测器层，在所述人体外部沿伽马光子运动方向呈前后两层分布，其中，沿光子运动方向在前的探测器层为第一探测器层1，沿光子运动方向在后的探测器层为第二探测器层2，在前的探测器层(第一探测器层)较在后的探测器层(第二探测器层)更靠近人体。第一探测器层1包括四个独立的闪烁晶体条11、12、13、14和三个SiPM器件15、16、17(15、16、17还可以采用APD光电器件)，第二探测器层2包括一个闪烁晶体条21和一个PMT器件22(22并不限于PMT器件，可以为任意类型的光电器件)。所述闪烁晶体用于接收的伽马光子信号，所述SiPM器件、PMT器件用于将接收的所述伽马光子信号转换为电信号输出或者起准直作用。
所述四个闪烁晶体条的其中两个闪烁晶体条11、13为第一类型的闪烁晶体条，另外两个闪烁晶体条12、14为第二类型的闪烁晶体条，两种类型的闪烁晶体条的材质不同。所述闪烁晶体条11与SiPM器件15耦合，所述闪烁晶体条12、13与SiPM器件17耦合，所述闪烁晶体条14未与SiPM器件耦合，所述SiPM器件16未与闪烁晶体条耦合。所述闪烁晶体条21与所述PMT器件22耦合。
所述第一探测器层所包括的光电器件并不限于硅光电倍增器件SiPM，还可以采用雪崩型光电二极管APD、盖革模式雪崩型光电二极管GAPD、固态光电倍增器件SSPM等。通过采用SiPM、APD、SSPM替代PMT作为在前的探测器层的光电器件，减小了器件尺寸及占用空间。所述第二探测器层所包括的光电器件并不限于PMT，还可以采用硅光电倍增器件SiPM、雪崩型光电二极管APD、盖革模式雪崩型光电二极管GAPD、固态光电倍增器件SSPM等。
实施例3
在本实施例中，如图3所示，被检测物体(例如人体3)内的放射性核素产生伽马光子，成像装置包括两个探测器层，在所述人体外部沿伽马光子运动方向呈前后两层分布，其中，沿光子运动方向在前的探测器层为第一探测器层1，沿光子运动方向在后的探测器层为第二探测器层2，在前的探测器层(第一探测器层)较在后的探测器层(第二探测器层)更靠近人体。
所述第一探测器层用于对向所述第二探测器层运动的光子进行阻挡和准直，也即作为准直器。传统的SPECT由于自身限制无法采用高穿透比例的准直器，本公开通过采用在前探测器层作为准直器，造成其对在后的探测器层上的光子准直效果，提高探测效率。
实施例4
在本实施例中，如图4所示，被检测物体(例如人体3)内的放射性核素产生伽马光子，成像装置包括两个探测器层，在所述人体外部沿伽马光子运动方向呈前后两层分布，其中，沿光子运动方向在前的探测器层为第一探测器层1，沿光子运动方向在后的探测器层为第二探测器层2，在前的探测器层(第一探测器层)较在后的探测器层(第二探测器层)更靠近人体。优选的，所述第一探测器层和第二探测器层之间的间隔距离大于或等于1mm，以提供固定机械预留空间，同时增大光子传输距离以增加不同性。所述第一探测器层1包括四个独立的闪烁晶体条11、12、13、14和三个SiPM器件15、16、17(15、16、17还可以采用APD光电器件)，所述第二探测器层2包括三个闪烁晶体条21、23、24。
前述实施例中，所述第二探测器层中至少存在这样一闪烁晶体条，来自人体内不同方向的光子在进入这一闪烁晶体条之前，所经过的闪烁晶体条的数目、光子穿过闪烁晶体的长度、闪烁晶体材料中这三者中至少有一个不同。或者，所述第二探测器层的探测器中至少存在这样一闪烁晶体条，来自人体内不同方向的光子在进入这一闪烁晶体条前，所经过的SiPM的数目、光子穿过SiPM的长度这二者中至少有一个不同。
概况而言，若被检测物体外设置了N个探测器层，由靠近被检测物体至远离被检测物体的方向分别为第一探测器层、第二探测器层、......、第N探测器层，第一探测器层包括k1个闪烁晶体条、第二探测器层包括k2个闪烁晶体条，......以此类推，第N探测器层包括kN个闪烁晶体条，各探测器层所包括的闪烁晶体条的数量可为任意值，具体不作限制，可相等也可以不相等，那么所述第N探测器层中至少存在这样一闪烁晶体条，来自人体内不同方向的光子在进入这一闪烁晶体条之前，所经过的闪烁晶体条的数目、光子穿过闪烁晶体的长度、闪烁晶体材料中这三者中至少有一个不同。在此基础上，所述第一至第N探测器层也可包括一定数量的光电器件(例如SiPM)，光电器件数量和类型不作限制，那么所述第N探测器层的探测器中至少存在这样一闪烁晶体条，来自人体内不同方向的光子在进入这一闪烁晶体条前，所经过的光电器件的数目、光子穿过光电器件的长度这二者中至少有一个不同。
下面结合附图5对本公开光子穿透概率进行说明。如图5所示，若硅光电倍增器件衰减系数为μ1，单根晶体衰减系数为μ2、μ3...，光子穿过的有效光程为l1、l2...，通过组合得到光子穿过在前的探测器层(第一探测器层1)的多种穿透概率(在后的探测器层(第二探测器层2)的穿透概率的规律相同)。
光子穿过光电器件的概率：p1＝1-e-u1×l1，其中，μ1为硅光电倍增器件衰减系数，l1为在光电器件中的有效光行程。
光子只穿过第一类型的闪烁晶体条的概率：p2＝1-e-u2×l2，其中，μ2为单根第一类型的闪烁晶体衰减系数，l2为在第一类型的闪烁晶体条中的有效光行程。
光子同时穿过光电器件和第一类型的闪烁晶体条的概率：p3＝1-e-u1×l3′-u2×l3″，其中，μ1为硅光电倍增器件衰减系数，μ2为单根第一类型的闪烁晶体衰减系数，l3’为在光电器件中的有效光行程，l3”为在第一类型的闪烁晶体条中的有效光行程。
光子同时穿过光电器件和第二类型的闪烁晶体条的概率：p4＝1-e-u1×l4′-u3×l4″，l4’为在光电器件的有效光行程，l4”为在晶体2的有效光行程。
通过对多个探测器层中的闪烁晶体阵列和硅光电倍增器件不同的设计，可使得的来自不同方向的伽马光子穿过前后探测器层的概率不同，即可分辨出不同伽马光子方向信息，从而使在前的探测器层对在后的探测器层具有伽马光子准直的效果。
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 (6)

1.一种单光子发射断层成像装置，其特征在于，包括：多个探测器层，所述多个探测器层包括沿光子运动方向排布的至少两个探测器层，所述至少两个探测器层包括沿光子运动方向在前的探测器层和在后的探测器层，所述在前的探测器层包括闪烁晶体阵列和硅光电倍增器件。
2.根据权利要求1所述的单光子发射断层成像装置，其特征在于，所述闪烁晶体阵列包括呈阵列排布的多个闪烁晶体，每个闪烁晶体包括多个拼接的闪烁晶体条；每个所述闪烁晶体条具有多个端面，一个或多个所述硅光电倍增器件耦合在一个或多个所述闪烁晶体条的任意一个或多个所述端面上，与所述闪烁晶体条形成固定的相对位置关系，或一或多个所述硅光电倍增器件与所述闪烁晶体条分立设置。
3.根据权利要求1所述的单光子发射断层成像装置，其特征在于，所述在后的探测器层包括闪烁晶体阵列，所述闪烁晶体阵列包括呈阵列排布的多个闪烁晶体，每个闪烁晶体包括一个或多个闪烁晶体条，所述在后的探测器层的硅光电倍增器件包括一个或多个硅光电倍增器件SiPM，所述一个或多个闪烁晶体条选择性的与所述一个或多个硅光电倍增器件SiPM连接。
4.根据权利要求1所述的单光子发射断层成像装置，其特征在于，所述的硅光电倍增器件的材质已知，对光子的衰减和吸收系数已知，伽马光子在穿过所述在前的探测器层时，选择性的穿过一个或多个所述闪烁晶体条，和/或选择性的穿过一个或多个所述硅光电倍增器件。
5.根据权利要求1所述的单光子发射断层成像装置，其特征在于，从成像区域不同位置发出的所述光子，在到达至少一所述闪烁晶体条之前，所经过的所述硅光电倍增器件的数目和/或硅光电倍增器件的有效光程不同。
6.根据权利要求1所述的单光子发射断层成像装置，其特征在于，所述在前的探测器层与所述在后的探测器层之间的间距大于或等于1mm。
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