CN115337031A - 一种多模态单光子发射断层成像方法及应用其的系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种多模态单光子发射断层成像方法，包括：多模态一体化探测模块探测到入射光子；入射光子发生单次光电效应或康普顿效应，计算第一响应位置和第一能量沉积或每次发生响应的第二响应位置和每次响应的第二能量沉积，逻辑判断第一能量沉积或第二能量沉积之和是否在预设的入射光子的低能或高能能量范围内，若在，则将产生信号的第一响应位置和第一能量沉积存储到单光子发射断层成像数据集中，将多个第二响应位置和多个第二能量沉积存储到用于康普顿成像的数据集中，对两种数据集进行三维图像重建，得到单光子发射断层成像三维图像和康普顿成像三维图像；将两种三维图像在同一坐标系下进行融合，得到多模态单光子发射断层成像结果。
Description
技术领域
本申请涉及医学成像方法，特别地，涉及一种多模态单光子发射断层成像方法及系统。
背景技术
核医学影像设备能够从体外对病人进行非侵入性的病变组织或器官的成像，通过显示病变组织分子水平上的生物学活性，能够提供病变组织精确的位置、形态、大小以及代谢状况。现实中常见的核医学影像设备主要包括单光子发射断层成像(SPECT)设备及正电子发射断层成像(PET)设备。
其中PET技术只能对发射正电子的核素进行探测，通过对来自湮灭反应的一对511keV光子进行符合测量，PET将能够成像正电子核素的分布。传统SPECT能够对衰变过程中发出瞬发光子的核素进行探测，但受限于光电效应的探测手段，通常只能检测到能量小于300keV的光子。因此，目前常用的核医学影像设备在可探测的能量范围上十分受限，并且无法同时对多个核素进行成像。更进一步，目前的成像技术很大程度上限制了新型放射性药物的发展，由于有限的可探测能量范围，目前正在使用及研发的放射性药物只有很小的选择空间。
康普顿相机是一种新型单光子发射成像设备，具有极高的探测效率、大视野和高分辨率的优势，具有核医学成像的潜力。康普顿相机能够同时探测多种能量光子，日本群马大学Makoto等报道了康普顿相机对病人体内99mTc和18F两种放射性核素同时成像的应用。能够对多种在不同器官上结合能力不同的放射性核素制剂同时进行探测，使得康普顿相机具有提高核医学成像效率的可行性。然而康普顿相机仅适用于探测较高能量范围的光子。
多模态融合成像通过融合不同影像技术，能够无创、在体、实时、精细、特异性地显示体内复杂(多项功能)的生化过程，提供更加全面和精确的信息，在癌症的早期诊断、个性化检测、特定细胞群及功能分子的监测、靶向药物跟踪、预后判断、疗效评价等方面具有广阔的应用前景。
多模态融合成像技术对放射性核素诊疗一体化具有重要作用，放射性核素诊疗一体化可应用不同放射性核素将显像诊断与内照射治疗相结合，将能够达到可视化诊断与精准治疗的目的。放射性核素诊疗一体化已在分化型甲状腺癌、嗜铬细胞瘤、骨转移瘤、神经内分泌肿瘤、前列腺癌等肿瘤性疾病中发挥重要作用。在放射性核素诊疗一体化的发展背景下，适用于多核素成像的成像方法和探测设备将是必要的。
然而目前并没有可多核素成像的多模态一体化单光子发射成像系统和方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种多模态单光子发射断层成像方法，包括：多模态一体化探测模块探测到入射光子；若上述入射光子在上述多模态一体化探测模块上发生单次光电效应，则计算上述多模态一体化探测模块上的第一响应位置和第一能量沉积，逻辑判断上述第一能量沉积是否在预设的入射光子的低能能量范围：若在预设的低能能量范围内，则将产生信号的上述第一响应位置和上述第一能量沉积存储到单光子发射断层成像数据集中，对上述单光子发射断层成像数据集进行三维图像重建，得到单光子发射断层成像三维图像；若上述多模态一体化探测模块上发生单次或多次康普顿效应后再发生光电效应，则计算上述多模态一体化探测模块上每次发生响应的第二响应位置和每次响应的第二能量沉积，逻辑判断每次响应的上述第二能量沉积之和是否在预设的入射光子的高能能量范围内：若在预设的高能能量范围内，则将多个上述第二响应位置和多个上述第二能量沉积存储到用于康普顿成像的数据集中，对上述康普顿成像数据集进行三维图像重建，得到康普顿成像三维图像；将上述单光子发射断层成像三维图像和上述康普顿成像三维图像在同一坐标系下进行融合，得到包含低能和高能入射光子分布的多模态单光子发射断层成像结果。
进一步地，上述多模态一体化探测模块包括：机械准直器，机械准直器包括准直孔，上述预设低能能量范围的上述入射光子被上述机械准直器准直后通过准直孔穿出，上述预设高能能量范围的上述入射光子穿过上述机械准直器的准直孔；康普顿探测器，探测穿过上述机械准直器的上述入射光子，并反应上述入射光子发生反应的上述第一响应位置、第一能量沉积、第二响应位置、第二能量沉积。
进一步地，上述机械准直器位于上述康普顿探测器的前端且与上述康普顿探测器紧密贴合，上述机械准直器包括准直孔，上述康普顿探测器为位置灵敏探测器。
进一步地，上述机械准直器为平行孔型或扇束型或针孔型机械准直器。
进一步地，上述探测器为单层康普顿探测器。
进一步地，上述康普顿探测器包括探测晶体，上述探测晶体为碲锌镉、碲化镉或钆铝镓石榴石探测晶体。
进一步地，上述机械准直器能够在上述康普顿探测器的平面上移动，以调整上述准直孔在上述康普顿探测器上的对应像素的投影位置。
进一步地，对上述单光子发射断层成像数据集进行三维图像重建的方法包括，直接反投影法、滤波反投影法或迭代重建法；对上述康普顿成像数据集进行三维图像重建的方法包括，直接反投影法、滤波反投影法、代数解析法、最大似然期望最大化迭代、随机源集迭代法以及贝叶斯重建法。
本申请还涉及一种利用如上任一方法的多模态单光子发射断层成像系统，包括：放射性药物，聚集在病灶部位，并放射入射光子；多模态一体化探测模块，包括机械准直器和康普顿探测器，上述入射光子穿过上述机械准直器后，被上述康普顿探测器探测，上述康普顿探测器记录并发送发生单次光电效应的上述入射光子的第一响应位置和第一能量沉积，或记录并发送发生单次或多次康普顿效应后再发生光电效应，此时的上述入射光子的多个第二响应位置和第二能量沉积；存储处理器，接收并收集第一响应位置和第一能量沉积作为单光子发射断层成像数据集，接收并收集发生响应的多个第二响应位置和第二能量沉积作为康普顿成像数据集，对上述单光子发射断层成像数据集进行三维图像重建，得到单光子发射断层成像三维图像，对上述康普顿成像数据集进行三维图像重建，得到康普顿成像三维图像，将上述单光子发射断层成像的三维图像和上述康普顿成像的三维图像在同一坐标系下进行融合，得到包含低能和高能放射源分布的多模态单光子发射断层成像结果。
进一步地，多模态单光子发射断层成像系统包含多个多模态一体化探测模块，上述多模态一体化探测模块紧密排列为环形。
本发明基于单层位置灵敏康普顿相机，提出一种多模态一体化单光子发射断层成像方法及系统。基于该方法构建的整个成像系统将同时具有传统SPECT对低能光子的探测性能以及康普顿相机对高能光子的探测性能。成像系统具有对十几keV到MeV级光子的高效探测性能，几乎覆盖放射性药物的全部能量段。同时该成像系统具备同时多核素、多能量的探测特性，能够极大的提升放射治疗中多核素诊疗情况下的成像效率。极宽的可探测能量范围也允许更多的更高效的放射性核素制剂在未来使用于放射治疗的临床应用上。
多核素成像的多模态一体化单光子发射断层成像方法优点总结如下：(1)支持宽能量范围探测，几乎覆盖所有放射性核素的能量区间；(2)支持多核素、多能量的同时探测；(3)支持更高效的新型放射性药物的研发。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本申请多模态单光子发射断层成像方法示意图。
图2为本申请多模态一体化探测模块的示意图。
图3为本申请多模态一体化探测模块发生单次光电效应和发生单次或多次康普顿效应后再发生光电效应的示意图。
图4示出了本申请多模态单光子发射断层成像系统的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
图1为本申请多模态单光子发射断层成像方法示意图。
如图1所示，本申请中多模态单光子发射断层成像方法主要通过以下步骤：
步骤S1，入射光子由病灶部位聚集的放射性药物发射，多模态一体化探测模块探测到该入射光子。
进一步地，该入射光子在多模态一体化探测模块上发生光电效应，其中若发生单次光电效应。则计算多模态一体化探测模块上的第一响应位置和第一能量沉积，逻辑判断第一能量沉积是否在预设的入射光子的低能能量范围：若在预设的低能能量范围内，则将产生信号的第一响应位置和第一能量沉积存储到单光子发射断层成像数据集中，继续等待下一次光子作用事例，在记录足够多第一响应位置和第一能量沉积数据时，对单光子发射断层成像数据集进行三维图像重建，得到单光子发射断层成像三维图像；若不符合预设地低能能量范围，则此次光电效应数据不记录。
若多模态一体化探测模块上发生单次或多次康普顿效应后再发生光电效应，则计算多模态一体化探测模块上每次发生响应的第二响应位置和每次响应的第二能量沉积，逻辑判断每次响应的所述第二能量沉积之和是否在预设的入射光子的高能能量范围内：若在预设的高能能量范围内，则将多个第二响应位置和多个第二能量沉积存储到用于康普顿成像的数据集中，等待下一次光子作用，记录足够多的多个第二响应位置和第二能量沉积数据时，对康普顿成像数据集进行三维图像重建，得到康普顿成像三维图像；
将单光子发射断层成像三维图像和康普顿成像三维图像在同一坐标系下进行融合，得到包含低能和高能入射光子分布的多模态单光子发射断层成像结果。
单光子发射断层成像三维图像和康普顿成像三维图像进行融合方法为：将两种模态的三维重建结果置于同一坐标系下并将康普顿成像三维图像叠加到单光子发射断层成像三维图像，其中，由单光子发射断层成像三维重建结果显示低能放射源的分布，由康普顿散射散射成像三维重建结果显示高能放射源的分布。由于两种模态通过一体化成像设备进行成像，不存在空间位置偏差，由此可以直接融合。融合方式为将两种模态的三维重建结果直接叠加，结果即能同时显示出高能放射源和低能放射源的分布情况。
图2为本申请多模态一体化探测模块的示意图。图3为本申请多模态一体化探测模块发生单次光电效应和发生单次或多次康普顿效应后再发生光电效应的示意图。
如图2和图3所示，多模态一体化探测模块包括机械准直器和康普顿探测器，机械准直器对预设的低能能量范围的入射光子进行准直。高能的入射光子直接穿过机械准直器。在机械准直器上包括准直孔，入射光子通过准直孔穿出。康普顿探测器探测穿过所述机械准直器的入射光子，并反应入射光子发生反应的所述第一响应位置、第一能量沉积、第二响应位置、第二能量沉积。
如图2所示，机械准直器和康普顿探测器紧密贴合，机械准直器位于康普顿探测器的前端，以方便入射光子经过机械准直器后射入康普顿探测器中。而康普顿探测器为位置灵敏探测器。
更进一步地，机械准直器为平行孔型或扇束型或针孔型机械准直器。材料可为铅、钨等。康普顿探测器为具有三维位置读出和能谱读出特性的探测器，本申请选用单层康普顿探测器。这是由于康普顿相机一般分为多层(含双层)康普顿相机和单层位置灵敏康普顿相机，其中单层位置灵敏的康普顿相机结构紧凑，具有比多层的康普顿相机更高的探测效率，是康普顿相机未来的发展方向。
在康普顿探测器中主要起到探测作用的是探测晶体，本申请中的探测晶体可以选用碲锌镉(CZT)、碲化镉(CdTe)或钆铝镓石榴石(GAGG)探测晶体中的一种或几种。
更进一步地，机械准直器能够在康普顿探测器的平面上移动，以使调整所述准直孔在所述康普顿探测器上的对应像素的投影位置。在机械准直器没有移动的时候，准直孔正对探测晶体像素的中心。在准直器平移时，准直孔在对应探测晶体的像素上的投影位置发生变化。准直器平移的目的是使得单光子发射断层成像能够实现超像素重建。
本申请还涉及三维图像成像重建的方法，对单光子发射断层成像数据集进行三维图像重建的方法包括：直接反投影法、滤波反投影法或迭代重建法；对康普顿成像数据集进行三维图像重建的方法包括：直接反投影法、滤波反投影法、代数解析法、最大似然期望最大化(MLEM)迭代、随机源集(SOE)迭代以及贝叶斯重建法。重建图像时可以根据实际状况选择当中提及的一种或几种。
更进一步地，单光子发射断层成像数据集的三维重建方法和康普顿成像数据集的三维图像重建方法可用图形处理器(GPU)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)等加速卡进行硬件支持的三维加速重建。
图4示出了本申请多模态单光子发射断层成像系统的示意图。
如图4所示本申请还涉及使用上述方法的多模态单光子发射断层成像系统，该系统包括：多模态一体化探测模块和数据存储处理器，还包括提前注射并聚集在病灶部位的放射性药物，该药物可放射入射光子。
多模态一体化探测模块，单个多模态一体化探测模块包括一个机械准直器和一个康普顿探测器，来自于放射性药物发射的入射光子被康普顿探测器探测，康普顿探测器记录并发送发生单次光电效应的入射光子的第一响应位置和第一能量沉积，或记录并发送发生了单次或多次康普顿效应后再发生光电效应，此时的入射光子的多个第二响应位置和第二能量沉积。
存储处理器，接收并收集第一响应位置和第一能量沉积作为单光子发射断层成像数据集，接收并收集发生响应的多个第二响应位置和第二能量沉积作为康普顿成像数据集，对单光子发射断层成像数据集进行三维图像重建，得到单光子发射断层成像三维图像，对康普顿成像数据集进行三维图像重建，得到康普顿成像三维图像，将单光子发射断层成像的三维图像和所述康普顿成像的三维图像在同一坐标系下进行融合，得到包含低能和高能放射源分布的多模态单光子发射断层成像结果。
进一步地，本申请的多模态单光子发射断层成像系统可包含多个多模态一体化探测模块，多模态一体化探测模块紧密排列为环形。环形中心为病人所处空间。如图4所示。当然多模态一体化探测模块也可根据实际需要排列成为其他形状，多模态一体化探测模块的个数也可以根据需要进行调整，只要保证机械准直器和康普顿探测器紧密贴合，机械准直器对低能的入射光子进行准直后进入康普顿探测器，高能入射光子穿过机械准直器直接进入康普顿探测器即可。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种多模态单光子发射断层成像方法，其特征在于，包括：
多模态一体化探测模块探测到入射光子；
其中，若所述入射光子在所述多模态一体化探测模块上发生单次光电效应，则计算所述多模态一体化探测模块上的第一响应位置和第一能量沉积，逻辑判断所述第一能量沉积是否在预设的入射光子的低能能量范围：若在预设的低能能量范围内，则将产生信号的所述第一响应位置和所述第一能量沉积存储到单光子发射断层成像数据集中，对所述单光子发射断层成像数据集进行三维图像重建，得到单光子发射断层成像三维图像；
若所述多模态一体化探测模块上发生单次或多次康普顿效应后再发生光电效应，则计算所述多模态一体化探测模块上每次发生响应的第二响应位置和每次响应的第二能量沉积，逻辑判断每次响应的所述第二能量沉积之和是否在预设的入射光子的高能能量范围内：若在预设的高能能量范围内，则将多个所述第二响应位置和多个所述第二能量沉积存储到用于康普顿成像的数据集中，对所述康普顿成像数据集进行三维图像重建，得到康普顿成像三维图像；
将所述单光子发射断层成像三维图像和所述康普顿成像三维图像在同一坐标系下进行融合，得到包含低能和高能入射光子分布的多模态单光子发射断层成像结果。
2.如权利要求1所述的一种多模态单光子发射断层成像方法，其特征在于，所述多模态一体化探测模块包括：
机械准直器，包括准直孔，所述预设低能能量范围的所述入射光子被所述机械准直器准直后通过所述准直孔穿出，所述预设高能能量范围的所述入射光子穿过所述机械准直器的所述准直孔；
康普顿探测器，探测穿过所述机械准直器的所述入射光子，并反应所述入射光子发生反应的所述第一响应位置、第一能量沉积、第二响应位置、第二能量沉积。
3.如权利要求2的所述的一种多模态单光子发射断层成像方法，其特征在于，所述机械准直器位于所述康普顿探测器的前端且与所述康普顿探测器紧密贴合，所述康普顿探测器为位置灵敏探测器。
4.如权利要求2所述的一种多模态单光子发射断层成像方法，其特征在于，所述机械准直器为平行孔型或扇束型或针孔型机械准直器。
5.如权利要求2所述的一种多模态单光子发射断层成像方法，其特征在于，所述探测器为单层康普顿探测器。
6.如权利要求2所述的一种多模态单光子发射断层成像方法，其特征在于，所述康普顿探测器包括探测晶体，所述探测晶体为碲锌镉、碲化镉或钆铝镓石榴石探测晶体。
7.如权利要求3所述的一种多模态单光子发射断层成像方法，其特征在于，所述机械准直器能够在所述康普顿探测器的平面上移动，以调整所述准直孔在所述康普顿探测器上的对应像素的投影位置。
8.如权利要求1所述的一种多模态单光子发射断层成像方法，其特征在于，
对所述单光子发射断层成像数据集进行三维图像重建的方法包括，直接反投影法、滤波反投影法或迭代重建法；
对所述康普顿成像数据集进行三维图像重建的方法包括，直接反投影法、滤波反投影法、代数解析法、最大似然期望最大化迭代、随机源集迭代法以及贝叶斯重建法。
9.一种利用如权利要求1-8任一方法的多模态单光子发射断层成像系统，其特征在于，包括：
放射性药物，聚集在病灶部位，并放射入射光子；
多模态一体化探测模块，包括机械准直器和康普顿探测器，所述入射光子穿过所述机械准直器后，被所述康普顿探测器探测，所述康普顿探测器记录并发送发生单次光电效应的所述入射光子的第一响应位置和第一能量沉积，或记录并发送发生单次或多次康普顿效应后再发生光电效应，此时的所述入射光子的多个第二响应位置和第二能量沉积；
存储处理器，接收并收集第一响应位置和第一能量沉积作为单光子发射断层成像数据集，接收并收集发生响应的多个第二响应位置和第二能量沉积作为康普顿成像数据集，对所述单光子发射断层成像数据集进行三维图像重建，得到单光子发射断层成像三维图像，对所述康普顿成像数据集进行三维图像重建，得到康普顿成像三维图像，将所述单光子发射断层成像的三维图像和所述康普顿成像的三维图像在同一坐标系下进行融合，得到包含低能和高能放射源分布的多模态单光子发射断层成像结果。
10.如权利要求9所述的多模态单光子发射断层成像系统，其特征在于，多模态单光子发射断层成像系统包含多个多模态一体化探测模块，所述多模态一体化探测模块紧密排列为环形。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210829545.8A CN115337031A (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 一种多模态单光子发射断层成像方法及应用其的系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115337031A true CN115337031A (zh) | 2022-11-15 |
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ID=83947483
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| CN202210829545.8A Pending CN115337031A (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 一种多模态单光子发射断层成像方法及应用其的系统 |
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| CN (1) | CN115337031A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116577819A (zh) * | 2023-05-18 | 2023-08-11 | 兰州大学 | 一种多头康普顿探测方法及系统 |
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2022
- 2022-07-15 CN CN202210829545.8A patent/CN115337031A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116577819A (zh) * | 2023-05-18 | 2023-08-11 | 兰州大学 | 一种多头康普顿探测方法及系统 |
| CN116577819B (zh) * | 2023-05-18 | 2023-09-26 | 兰州大学 | 一种多头康普顿探测方法及系统 |
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