CN1307431C - 用于提高伽马照相机分辨率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在核照相系统中用于增强发射型计算机断层扫描的分辨率的装置和方法，它构成能实现正电子发射计算机断层扫描和单光子发射计算机断层扫描两种成像。该装置包括一个晶体(81)，该晶体与伽马射线相交以在晶体(81)的表面以内产生闪烁事件；入射到晶体(81)的伽马射线具有由晶体(81)的视场所限制的入射角；位于晶体(81)之后的是探测器(80)，该探测器响应于每个闪烁事件所释放的发光光子并定位每个闪烁事件的坐标值；与探测器(80)相连的是分辨率增强器，该增强器产生用于由探测器(80)所定位的每个坐标值的一个晶体内的平面位移的校正值。然后把该晶体内的平面位移校正值与该坐标值相结合以便计算出该伽马射线进入晶体的实际进入点。

Description

用于提高伽马照相机分辨率的 装置和方法

本发明涉及核医学系统，更具体地涉及闪烁探测器的信号处理系统。

断层扫描成像是核医学系统中使用的图像重建的途径之一。断层扫描图像是一种三维物体落在所选平面或深度之内的结构的二维表示。计算机断层x射线扫描技术使用一些独立的面或“片”，它们本质上不同并且不重叠。通常，这些断层扫描平面是按垂直于人体的长轴取向；然而，也可以获得其它取向的平面。通过使用多个独立平面，和只对感兴趣组织部分采集及处理数据，以获得实际放射分布的精确表示，这对定量的核医学研究是非常重要的。

与使用传播的辐射的x射线计算机断层扫描不同，核医学使用发射辐射；因此，核医学技术通常称作发射型计算机断层扫描(ECT)。现有两种类型的ECT：一种是使用普通伽马射线辐射源的单光子发射计算机断层扫描(SPECT)；和另一种使用正电子辐射源的正电子发射断层扫描(PET)。

使用单光子发射计算机断层扫描(SPECT)的伽马照相机已经在核医学中使用一些时间。Anger在1950年提出并研制了这种系统，随着用于图象采集和图象重建的高速数字计算机系统的引入，这种系统已作了极大的改进。在SPECT成像中，伽马射线是经准直仪(Collimator)投影到晶体上，在晶体内产生闪烁的图案，该图案在准直仪前构成放射现象的分布轮廓。准直仪通过只允许那些沿某些方向传播的伽马射线到达探测器来把辐射的源分布图像投射到探测器。实际上只有某些窄入射角的伽马射线(几乎与晶体表面垂直)穿过晶体并到达探测器。没有沿适当方向传播的伽马射线在到达探测器之前就已被准直仪所吸收。对于使用辐射来说，准直仪的使用本身是无效的，因为向探测器传播的大多数可能有用的辐射实际上被准直仪所截住。尽管SPECT成像被广泛地应用在核医学中并提供了较好的图像质量，但准直仪降低了灵敏度(即，许多伽马射线实际上透入晶体)，因此降低了由SPECT所采集的图像的整体分辨率和质量。

随着用于图像采集和处理的相对高速的探测电子和计算机系统的推广，使用正电子发射断层扫描(PET)的照相机也已应用于核医学。PET和SPECT之间的主要区别在于：在PET成像中使用湮灭重合探测(ACD)。当两个带有511-KeV的光子按反方向发射时，随着一个正电子与一个普通的  电子的湮灭，就发生了ACD。因此，只有那些被同时或在很短时间间隔内所探测到的成对事件，才能被两个相互分开180°取向的探测器所记录到。PET系统的整个图像质量超过原来的SPECT系统的图像质量，主要是因为PET成像并不使用准直仪。由于删除了准直仪，因此在PET系统中提高了探测器的灵敏度，所以PET系统可以被用于执行那些SPECT所不能执行的医疗诊断，诸如肿瘤鉴定和脑扫描。

通常SPECT和PET被用于不同类型的医疗诊断。在现有技术中，由于已经为PET和SPECT设计并提供了不同类型的照相系统，因此要想完成SPECT和PET成像就需要以相对高的成本使用两套不同的照相系统才行。因此，提供一种核照相系统能够在一个设备系统中能够完成SPECT和PET两种成像技术将是有利的。

为了把SPECT和PET两种成像技术综合起来成为一种单一的核照相系统，该系统必须能够执行在SPECT成像中所使用的单光子探测，以及在PET成像中所使用的湮灭重合探测(ACD)。现在在市场上可买到的核照相系统，诸如由加利福尼亚的Milpitas的ADACLaboratories所制造的Vertex系统，具有能够在一个系统中完成SPECT和PET两种成像技术的能力。

把SPECT成像和PET成像合并成一种系统，对SPECT和PET成像使用相同的闪烁晶体。然而，在不同核照相系统中进行SPECT成像和PET成像需使用不同的晶体。一般来说，SPECT成像利用掺有铊的碘化钠结晶NaI(T1)制成的晶体，以便在SPECT成像中对单个光子提供足够的阻止能量。另一方面，可独立使用的已有技术的PET系统使用比SPECT成像中所用的探测器的阻止能量更大的探测器。用于PET成像所推荐的探测器材料是亚锗酸铋(BGO)，因为它的较高密度和原子数足以提供由正电子发射所产生的511KeV湮灭伽马射线的阻止能量。另外，晶体元件是按类似于栅形的矩阵排列。当一条入射的伽马射线贯穿BGO晶体时，探测器能够从栅形晶体结构中探测到伽马射线的实际交会点。尽管分别说明了用于SPECT和PET成像所推荐的晶体为NaI(T1)和BGO，但也可以用其它本领域所周知的其它晶体来代替。

然而，当诸如在SPECT和PET综合系统中用NaI(T1)晶体代替在PET成像中的BGO晶体并取消准直仪时，通过PET成像所重建的图像的分辨率和质量却都下降。如果没有准直仪，入射的伽马射线将会较宽的角度变化范围内与NaI(T1)晶体相交，而不是在SPECT中使用的较窄的角度范围(几乎与晶体表面垂直)。当在PET成像期间伽马射线与NaI(T1)晶体相互作用时，伽马射线转换成光子发生在晶体平面内的某个距离上，因此，如果伽马射线以倾斜的角度射到晶体表面上时，通过探测器定位就会有某个距离的位移。换句话说，入射的伽马射线的入射角越大，在晶体平面内的位移也越大，因此点源的分辨率的降低就越大。因此，希望能提供一种分辨率增强装置和方法以校正在PET成像中降低整个重建图像质量的这种类型的失真。

本发明的一个目的是提供一种核照相系统，它能够进行PET和SPECT两种成像，并在PET成像期间具有改进的分辨率。

本发明的另一个目的是通过修正由于伽马射线与晶体，例如，NaI(T1)，相交时在晶体平面内的位移所导致的失真以增强物体的分辨率。

另外，本发明的另一个目的是计算在晶体平面内的位移值。一旦晶体平面内的位移被确定，就能够修正表示所定位的位置的坐标值，以表示在晶体内该伽马射线的实际进入点。

下面将说明一种用于增强核照相系统中正电子发射断层扫描图像(PET)的分辨率的装置，该装置能够实现PET和SPECT两种成像，它包括：一个晶体，该晶体当伽马射线与之相互作用时，能在其表面内产生闪烁事件(scintillation event)。入射到晶体的伽马射线具有受该晶体的视场所限制的入射角。位于该晶体后面的是一个探测器，该探测器响应由闪烁事件所释放的光子并记录闪烁事件的坐标值。与该探测器相接的是一个分辨率增强器电路，它针对由探测器所定位的坐标值产生一个在晶体平面内的位移校正值。然后，在晶体内的平面位移校正值与该坐标值相结合以便计算伽马射线进入晶体的实际进入点。

下面说明本发明的另一种改善在PET成像中分辨率的装置。该装置包括一对探测器，用于对从一个源点产生的并分开180°发射的一对伽马射线进行探测。当每个伽马射线与位于该探测器前面的一个晶体相互作用时，就产生了一个闪烁事件。第一探测器产生表示一个事件在第一晶体内的位置的第一地址信号，第二探测器产生表示一个事件在第二晶体内的位置的第二地址信号；一个计算机系统与该探测器对相连接，用于接收第一和第二地址信号并产生第一和第二校正值，以便校正入射伽马射线的在晶体内的平面位移。然后，计算机系统校正第一和第二地址信号并把这些校正信号输出到用于图像处理和重建的图像处理器。

还介绍一种在能完成PET(重合)成像的核照相系统中增强分辨率的方法。晶体接收到一个伽马射线，该伽马射线具有由该晶体的视场所限制的一个角度范围内的一个入射角；位于该晶体的后侧的探测器检测当晶体与入射的伽马射线相互作用时产生的闪烁事件并记录该闪烁事件的坐标值；当该坐标值被记录之后，处理器产生一个校正值以校正所记录的坐标值的在晶体内的平面位移并把该校正值与所定位的坐标值相结合以便确定伽马射线进入晶体的实际进入点。

本发明提供一种用于在正电子发射断层扫描中提高图像分辨率的装置，包括：第一晶体，用于与第一伽马射线相互作用而产生第一闪烁事件；第二晶体，用于与第二伽马射线相互作用而产生第二闪烁事件；所述第一晶体与所述第二晶体相对放置；所述伽马射线分别具有由所述晶体的视场所限制的角度范围内的入射角；所述第一和第二伽马射线从源点产生并隔开180°发射；第一探测器，它与所述第一晶体相连接，所述第一探测器定位所述第一闪烁事件的第一地址坐标值；第二探测器，它与所述第二晶体相连接，所述第二探测器定位所述第二闪烁事件的第二地址坐标值；所述第一和第二探测器同时分别定位第一和第二地址坐标值；一个分辨率增强器，它与所述探测器相连接，所述分辨率增强器产生对所述第一和第二地址坐标值在晶体内的平面位移校正的校正值，所述分辨率增强器进一步把所述校正值与所述第一和第二地址坐标值相组合以计算所述伽马射线进入所述晶体的实际进入点。

本发明提供一种用于在重合成像时提高分辨率的装置，包括：第一探测器和第二探测器，用于同时检测一对从源点产生的并隔开180°发射的伽马射线，其中所述第一探测器产生一个第一地址信号，所述第二探测器产生一个第二地址信号；一个计算机系统，它与所述第一探测器和所述第二探测器相连接，所述计算机系统分别接收来自所述第一探测器的第一地址信号以及来自所述第二探测器的第二地址信号，所述计算机系统还分别计算第一校正值和第二校正值以分别校正所述第一地址信号和所述第二地址信号的晶体内的平面位移，所述计算机系统输出一个被校正的第一地址信号和一个被校正的第二地址信号用于图像处理和图像重建。

本发明提供一种核照相系统，包括：一对相对晶体，它被放置从而与由一个或多个源产生的一对或多对伽马射线相互作用，其中所述伽马射线对中的每一对中的射线隔开180°发射并且所述伽马射线并不穿过一个准直仪；一对探测器，被布置为同时探测所述一对或多对伽马射线中的每一对的所述伽马射线，所述探测器的每一个与所述晶体对的一个相连接，所述探测器响应在一个相互作用期间内从每个所述晶体发射的多个光子并记录所述相互作用的坐标值。一个处理器，它与所述探测器对相连接以接收来自每个所述探测器的所述坐标值，所述处理器被布置为计算来自每个所述探测器的所述坐标值的校正值，所述处理器被布置为校正由于晶体内的平面位移所引起的分辨率失真并输出用于图像处理和再现的新坐标值。

本发明提供一种在能够重合成像的核照相系统中增强分辨率的方法，包括以下步骤：(a)接收一对伽马射线，该射线具有由一对相对晶体的视场所限制的角度范围之内的入射角；所述伽马射线从源点产生并隔开180°发射；(b)耦合到所述晶体对的第一晶体的第一探测器探测第一闪烁事件，所述第一探测器定位所述第一闪烁事件的第一地址坐标值；(c)用耦合到所述第二晶体的第二探测器探测第二闪烁事件，所述第二探测器定位所述第二闪烁事件的第二地址坐标；(d)用所述第一和第二探测器同时定位所述第一和第二地址坐标值；(e)从所述第一和第二地址坐标值计算校正值以校正所述第一和第二地址坐标值的晶体内的平面位移；以及(f)把所述校正值与所述第一和第二地址坐标值进行合并以确定所述伽马射线进入所述晶体的实际进入点。

本发明提供一种核照相系统，包括：用于与一对伽马射线相互作用的晶体装置，所述的伽马射线从源点产生并隔开180°发射并且具有由所述晶体装置的视场所限制的角度范围之内的入射角；探检器装置，布置用于同时探测表示在所述晶体装置内的闪烁事件的所述伽马射线对中的每一射线并定位所述闪烁事件的坐标值；和校正装置，用于计算一个校正值以校正所述坐标值的在晶体内的平面位移，并把所述校正值与所述坐标值进行组合，以确定所述伽马射线中的每一射线进入所述晶体装置的实际进入点。

图1示出本发明的一个双头伽马照相系统的高等级框图，该系统能够进行SPECT和PET两种成像；

图2示出在双头伽马照相系统中的采集计算机的方框图。

图3说明本发明中晶体表面的横向轴视场和轴向视场。

图4是示出伽马射线与每一个晶体相互作用的一对晶体的剖面图。

图5示出点源所投射的放射线分布(即，分辨率)；

图6示出本发明中的图像增强器的方框图；

图7示出当伽马射线与晶体相交时晶体内面位移值。

在本发明的下面详细描述中，为了对本发明的充分理解而描述了许多特殊细节。然而，对于一个本领域的技术人员来说即使没有这些特殊的细节照样也可以实现本发明。在另一方面针对那些众所周知的方法、过程、元件以及电路并没有做详细地介绍，这是因为这些并非本发明难以理解的地方。

下面详细地描写的一些部分是计算机存储器中关于表示数据比特操作的算法和符号的术语。这些算法描述和表示是那些数据处理领域的技术人员所用的能够最有效地传递他们工作实质给其它该领域技术人员的表示形式。除非从下面的讨论中表明与之相反的特殊说明外，应该理解：贯穿本发明的讨论中使用了涉及计算机系统或者相似的电子计算机装置的作用和处理过程的术语，诸如：“处理”或“计算”或“运算”或“确定”或“显示”等诸如此类的术语，所述的计算机系统或类似的计算装置控制并把计算机系统的寄存器和存储器中代表物理(电子)量的数据转换成计算机系统存储器或寄存器或者其它类似信息存储器、传输或显示装置中同样代表物理量的其它数据。

本发明提供了一种能够按PET和SPECT两种模式进行操作的，而且在PET模式能改进放射性核素分布成像的核照相系统。尽管本发明是与一种结构(SPECT or PET)照像系统相结合描述的，但是本发明并不局限于一种结构照像系统并且也可以用于独立的PET成像系统。可以理解，本发明能够有效地操作在具有两个以上探测器头的照相系统中。参照图1，图中示出了本发明的双头核照像系统的高等级图。虽然本发明的一个实施例是针对双探测器系统描述的，可以理解：本发明的教导也可以推广至具有两个以上探测器的系统(即，可以推广到三元和四元的照相系统)。探测器对是以180°构形示出的并且它们之间可以相对旋转因而也可以成为90°构形。通常，本发明的系统包括一对伽马射线探测器80和80’(“双头”)，该探测器是由按二维矩阵排列的并与晶体80和80’相连接用以接收光(即，可见光子)的多个光电倍增管PMT构成的。PMT阵列构成一个光电探测器。可以理解，每个探测器，或者80或者80’，是相同构造的，且就一个探测器的讨论也适用于另外探测器。

晶体层81和81’可以是由掺入铊(T1)的碘化钠(NaI)组成的，并且它一般在SPECT成像时位于准直仪(未示出)与PMT阵列之间。然而，在PET成像时并不使用准直仪。一般来说，准直仪包括具有按蜂窝状规格排列的铅隔板的一些孔。准直仪只允许沿某些方向传播的那些伽马射线能到达探测器的源分布的图像投射到探测器80和80’。在本发明的一个实施例中，只有那些以接近90°角入射到晶体81和81’的伽马射线才能被探测器80和80’所测到。那些不是以接近90°角入射的伽马射线在它们到达探测器80和80’之前就会被准直仪所吸收掉。

碰撞到NaI(T1)晶体81的伽马射线会导致众所周知的闪烁事件，它释放一些可被PMT所测到的可见发光光子。在本发明中PMT是按六角型排列的。不过，PMT的数目，大小及它们的构形可以在本发明的范围内变化。在SPECT模式中，使用19个PMT来探测闪烁事件。19PMT管是这样构成：一个最靠近事件的PMT、与之相邻的紧靠着围成第一个圈的六个PMT以及围成下一个圈的12PMT。在PET模式中使用7个PMT来探测闪烁事件。7个PMT包括最靠近事件的PMT以及与它最相邻的6个。

用来探测事件的PMT管提供表示被测光能量的模拟信号。因此，如果在晶体内的点A处发生了闪烁事件，则距该事件最近的PMT将会收到最大的光量并且将提供最大振辐的输出信号。这些由PMT所记录的模拟信号被用于事件定位。在本发明中，这些模拟信号是由位于探测器80和80’内的电路进行数字化。在本发明范围之内所使用的伽马照相探测器80和80’是那些在数字伽马照相机中使用的类型并且可以是一些众所周知的并且可购买到的设计产品，因此针对这种伽马探测器的一些细节将不做深层次地讨论。1995.9.12发表的ADACLaboratories的美国专利No.5449897中介绍了一种数字伽马照相机。

探测器80和80’是装在门型架(gantry)85上的，它可以围绕一个放在台87的目标(患者)1020在不同的轨道(ECT投影)上转动该探测器80和80’(例如，用于ECT操作)。在任一构形(180°或90°)中，探测器对可以通过多个投影角度围绕转动中心转动，这与伽马照相机技术中所周知的一样。门型架85和台87装在基座89上。探测器对80和80’也可以横向穿过台87(例如，用于全身扫描操作)或放在患者1020之上用于静止成像。

在以探测器80或80’一个事件探测时，信号1210和1212分别把初始事件探测触发脉冲传输给可编程的重合定时电路(CTC)1050。然后该CTC电路1050根据操作模式(或者SPECT或PET)分别经线1240和1242把产生的有效事件触发信号返回给探测器80和80’。经线1252传输的信号把操作的适当模式(或者SPECT或PET)指示给CTC单元1050。有效事件触发信号1240和1242被探测器用作启动(或重置)它们的累加(积分)所测闪烁的能量的累加器(积分器)，并因此被称为“有效事件”触发信号。在PET模式中，直到在探测器80和80’之间探测到符合时才启动积分操作。在SPECT模式中，每个探测器在触发事件时开始积分，而不考虑重合与否。积分和形心(centroiding)之后，探测器80和80’分别经线1220和1222输出X、Y和Z值。这些信号指示坐标值X和Y和Z，X和Y表示所测事件的“位置”，Z表示所测的能量值。

在使用两个以上探测头的实施例中，来自每个探测器的事件探测信号被传给CTC单元1050，然后探测任意两个探测器反馈的CTC事件探测信息之间的重合(当以PET成像模式时)。在SPECT模式，每个探测器按与双探测头系统相似的方式来记录非重合的事件信息。

尽管这样的硬件配置并不是本发明的实质，硬件包括在每个探测器内用于把PMT模拟信号数字化并输出X、Y和Z坐标值。因此，每个探测器80和80’包括预放和数字化硬件以及数字事件处理器。该硬件可以是置于闪烁探测器80和80’之内或者之外。

经总线1220和1222传输的值提供输入给通用数字计算机系统即采集计算机1055。采集计算机1055存储并修正有关每个投影角的每个所测的值并随后把该信息送给具有标准用户接口的图像处理器1060。用户接口配置有一个用于指示所要求的操作模式(例如SPECT或PET)的用户输入装置。该用户输入装置也可以设置在计算机1055之内。

在图像处理器1060中，与不同的ECT投影角相关的事件定位数据存储在一个存储器装置内。该数据用来产生图像信息以及计数密度信息并且对于不同的ECT投影角按矩阵的形式收集。图像矩阵通常以不同ECT角度采集并然后进行图像重建的，以便用断层扫描重建产生一个器官的三维图像(“重建”)。图像处理器1060也与显示单元1065相连(它可以包括一个硬拷贝装置)以便用照相系统获取可视图像。

本发明提供一种用于在PET成像，也称作重合成像期间提高放射核素分布的分辨率的装置和方法。本发明校正以倾斜的角度入射晶体的伽马射线的晶体内的平面位移，一般来说，在SPECT成像中晶体内平面位移是相对地较小，这是因为准直仪只允许具有窄范围入射角的伽马射线入射NaI(T1)晶体。另外，使用离散晶体，诸如亚错酸铋(BGO)的单独PET成像系统中也没有入射伽马射线的晶体内面位移，其原因是离散晶体的本质所致。然而，在一个构成SPECT/PET核照系统中进行PET成像时，可以用NaI(T1)晶体代替BGO晶体，这样晶体内平面位移将引起分辨率下降。因此，当一种晶体，如NaI(T1)，用于PET成像时，校正入射伽马射线的晶体内的平面位移的方法是最有用的。

图2是与探测器1112a和1112b相连接的采集计算机1050的框图。采集计算机1050负责校正由于伽马射线以倾斜角度入射到晶体而引起的失真。采集计算机1050包括：用于在采集计算机1050内互通信息的地址/数据总线1100，与总线1100相连接的校正处理器1101用于对以接近90°角度入射到晶体的伽马射线的线性校正；与总线1100相连接的分辨率增强器1111用于校正以倾斜角度入射到晶体的伽马射线的晶体内的平面位移；连接到总线1100上的如磁盘或光盘驱动器的数据存储装置1104用于存储图像信号以及来自处理器的指令；连接到总线1100上的显示装置1105(它也可以在外部，例如图1的装置1065)用于显示信息给计算机用户；连接到总线1100上的包含有字母数字和功能按键的字母数字输入装置1106，用于传输信息和命令选择给处理器；连接到总线的光标控制装置1107用于传输用户输入信息以及命令选择给处理器；以及连接到总线1100的高速通信链路1108用于与图像处理器通信。一个硬拷贝装置1109(例如，印相机)也可以与总线1100相连接。

与本发明的采集计算机1050使用的图2的显示装置1105(或者图1的显示单元1065)可以是液晶装置。阴极射线管或者其它适合产生图形图像以及为用户能识别的字母数字字符的显示装置。光标控制装置1107使计算机用户能使信号在显示装置1105的显示屏上的可视符号(指标)二维移动。光标控制装置的许多工具是本领域中众所周知的，它包括跟踪球、手指垫、鼠标、控制杆或者在字母数字输入装置1105上的能够对位移的方式或者设定方向的移动进行调整的一些特别按键。键盘1106、光标控制装置1107、显示装置1105以硬拷贝装置1109构成了图像处理器1060有关的用户接口。

当按PET模式进行操作时，坐标值X和Y以及能量信息Z是在重合窗内由每个检测器1112a和1112b产生。由闪烁探测器1112a和1112b所测出的X和Y坐标是与晶体内发生闪烁事件的点相对应的。X坐标对应于闪烁事件沿晶体的视场横向轴的位置，Y坐标对应于闪烁事件沿晶体的视场轴的位置。图3给出了相对于已经注入放射核素的病人310并正从他的一个器官辐射出伽马射线的探测器1112a和1112b的横向轴以及轴向视场的示意图。矩形310表示一个探测器1112a或1112b的视场。按照图3，晶体的轴向视场是用箭头320表示并且是从上至下贯穿病人取向的，并且横向轴视图是用箭头330表示的而且是从左至右贯穿病人取向的。尽管图3中探测器1112a和1112b具有一个矩形视场，但本发明并不局限于具有矩形表面区的探测器。

两个被检测点的坐标值X和Y是由探测器1112a及1112b测位的并经线1000a和1000b分别输出给采集计算机1055。校正处理器1101，分辨率增强器1111以及Com装置1108都包括在采集计算机1055之内。根据这对坐标值X和Y，采集计算机1055计算出入射的伽马射线的轴向以及横向轴入射角。正电子相互作用(或闪烁事件)的位置是位于沿着连接两个被检测点的连线上的。在事件中由于存在晶体内的平面位移，由闪烁探测器1112a和1112b所测定的X和Y坐标并不准确表示伽马射线射到晶体的实际交点。此外，如果源点(即，器官之内的发射放射线位置)不是在沿着相隔180°取向的探测器1112a和1112b之间的中心线上，则当重新构图像时，晶体内的平面位移会引起源点的失真或模糊。

在本发明的实施例中，由探测器1112a和1112b所测定的坐标值X和Y是经线1000a和1000b输出给校正处理器1101。校正处理器1101修正坐标值X和Y以提高准直仪分辨率和固有分辨率。当使用准直仪，例如在SPECT成象时，由于存在伽马射线穿过准直仪孔所引起的一定程度的失真(或模糊)。因此准直仪孔的直径必须相对大(以获得较好的准直仪效率)，存在着至少与孔直径一样大的数值的图像模糊。另外，固有分辨率，即在多个光电倍增器管中间发光光子的分布中的统计变化，产生射到晶体上的伽马射线的一定程度的失真。因此，校正处理器1101修正坐标值X和Y并通过总线1100输出新的坐标值X’和Y’。然后坐标值X’和Y’被分辨率增强器1111修正以对入射伽马射线的晶体内的平面位移进行校正。如上所述，当多个伽马射线的入射角以一个倾斜的角度交会晶体，例如NaI(T1)时，就发生晶体内的平面位移。因此，本发明尤其适合完成PET和SPECT两种成像的核照相系统中的PET成像。

分辨率增强器1111是一种用于PET成像的计算晶体内的平面位移的处理器。按照图6，分辨率增强器可以是由中央处理单元(CPU)61和随机存取存储器(RAM)62构成的一种计算机系统60。在本发明的一个实施例中，CPU60工作在100MHz的一个Pentium^TM处理器。CPU60是与总线63相连接，用于执行指令和处理信息的，而且RAM62是与总线63相连接用于为CPU60存储信息和指令的。

RAM62存储由每个探测器1112a和1112b所测定的每个闪烁事件的坐标值X’和Y’。则坐标值X’和Y’可以是与由一个探测器1112a或1112b所记录的坐标值X和Y相同的值，或者坐标值X’和Y’也可以是坐标值X和Y的修正值。CPU60产生对于X’和Y’坐标值的晶体内的平面位移值ΔX和ΔY。对于在重合成像中所包含的每个正电子-电子相互作用产生一对晶体内的平面位移值ΔX和ΔY。因此，ΔX是相应于晶体的向轴视场的入射伽马射线的位移值，ΔY是相应于晶体的横轴向视场的入射伽马射线的位移值。一旦位移值ΔX和ΔY被计算出，这些值5坐标值X’和Y’结合在一起。在本发明的一个实施例中，由于把位移值ΔX和ΔY与坐标值X’和Y’相加，所以输出校正了的坐标值(X’+ΔX)和(Y’+ΔY)给图像处理器。

当伽马射线的入射角增加，这种类型的校正就变得非常重要，这是因为晶体内的平面位移是随着入射角增加而增加。在本发明的一个实施例中，横向轴视场比轴向视场大，因此，大多数可察觉的晶体内面位移是沿着横向轴视场发生的。本发明可应用于两种视场。

图4给出晶体410和412隔开180°取向的纵剖图并用来图示地说明相对于点401处由正电子和电子的湮灭所产生的一对伽马射线的晶体内的平面位移。线420表示晶体410和412的轴向视场或横向轴视场的任一个。线430表示晶体410以及412的深度或厚度T，并且线440表示晶体410和412之间的距离D。正电子-电子相互作用点(即称为源点)是位于沿中线上的点401。由正电子-电子相互作用发射的两条伽马射线是沿作用线402的近似相反的两个方向产生的。一个射出的伽马射线与晶体410相交于点403并在点404a处产生闪烁事件。发射出的第二伽马射线与晶体412相交于点403b并在点404b处产生闪烁事件。点403a、403b、404a以及404b都位于沿点401处发生的正电子-电子相互作用的作用线402上。α是分别与晶体410和412相交于点403a、403b处的一对伽马射线的入射角。

当在点401处发生正电于-电于相互作用时，进入晶体410的实际点是在403a处，然而位于晶体410后面的探测器确定的进入点作为相对于视场420是点404a处发生。因此，在进入晶体410的实际进入点403a与通过探测器所定位的入射伽马射线的点之间存在着沿视场420方向的位移(Δ1)。此外，进入晶体412的实际进入点是在403b处，但探测器测定的进入点为发生在沿视野420方向上的404b处。因此，Δ2是在进入晶体412的实际进入点403b与通过探测器所测定的点404b之间的位移。换句话说，Δ1是点403a与405a之间的距离而Δ2是点403b与405b之间的位移。由于所测定的位置(404a和404b)表示位移了某一距离Δ1和Δ2的实际进入点，因此Δ1和Δ2也就称作晶体内的平面位移值。

计算晶体内的平面位移并校正所测定的坐标值X和Y，以便考虑到位移，以便增强放射核素分布的图像的分辨率。源点401是沿中心线定位因此晶体内的平面位移Δ1和Δ2是近似地相等并且探测器定位由在点405a和405b的晶体发出的伽马射线的交会点。如果一条线是从点405a向下至点405b，则该线将会穿过源点401，这就是说点源的位置可以是沿视场420方向从源点的已定位的值来确定。然而，这种类型的校正是最适合于当源点是沿作用线402上定位而不是在晶体410和412的中间(即，中心线)情况定位。当源点406是沿作用线402上的某个距离r离开中心线定位时，因此，探测器沿视场420方向也将能察觉伽马射线是在点405a和405b处射到晶体的。当线是从405a向下至405b时，该线407并不相交于源点406，因此，不能准确地测定出源点406的位置并且降低了源点的分辨率。因为降低了源点的分辨率，源点的重现图像也变得模糊了。

对于按重合检测的每个闪烁事件所产生晶体内的平面位移，可以提高每个源点的分辨率从而提高重现图像的整体质量。图5图示地说明源点的分辨率，频率分布曲线50表示在点51处具有一个平均值的源点的投影放射曲线。在一半最大值处的整个宽度FWHM是在两个点52a和52b间测量，它表示在该位置的密度是平均值的一半。分辨率源点定义成从发射的源点投影到探测器上的放射曲线的FWHM。因此，当FWHM增加时，分辨率出现下降导致源点的更大失真。通过对晶体内的平面位移的校正，FWHM下降，分辨率将提高。

在本发明的一个实施例中，CPU60在PET成像期间以下面的方式产生位移值Δ。位移值Δ表示为沿探测器410或412的横向轴视场或轴向视场方向上的晶体内的平面位移。为便于说明，位移值Δ是沿晶体412的横向轴视场方向测量，并因此把它称作位移值ΔX。

返回来参考图4，ΔX是相对于源点406计算的。正电子与正常的电子在源点406处生发湮灭，它沿线402以相反的方向发射两个510-KeV光子。只有那些同时地，或在很短时间间隔内被测到的成对事件，才能由相互以180°取向的探测器410和412所记录。伽马射线进入晶体412的实际进入点是在403b，然而，探测器是以定位点404b作为进入的实际点。另外，伽马射线进入晶体410的实际进入点是在403a。然而，探测器是以定位点404a作为进入的实际点。因此，在探测器看来源点406必须是在沿从405b至405a所画出的作用线407上定位。晶体410和412间的距离D是由线440表示，点405a和405b间的距离C是由线450表示。以作用线407为基础，距离D和距离C，角度φ是相对晶体平面410和412计算。入射角φ可以从下式计算， $\mathrm{\φ}\left(C\right)=\mathrm{ATAN}\left(\frac{D}{C}\right).$ 然而，沿作用线402辐射的伽马射线的入射角等于α，入射角φ与入射角α的估算足够接近因而可以被使用在位移值ΔX的计算中。

一旦计算出了角φ，图7中的多数L和DOI也可以被计算出。图7表示晶体412的剖面，该剖面包含与伽马射线相交的前表面70a和位于PMT的前面的后表面70b。L表示伽马射线沿作用线402进入晶体412的晶面的距离并且它是403b和415间的距离。L可以通过下式计算出 $L\left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{T^2+{\left[\frac{T}{\mathrm{TAN}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right]}^2},$ 其中T是晶体412的厚度。在本发明的一个实施例中，T是3/8英寸。DOI是相互作用的平均深度并表示在晶体内的位置409，该位置是伽马射线与晶体412最有可能发生作用(或者产生闪烁事件)的位置。线是从点409垂直于晶面70a投影的，这就是说，DOI是点408与点409间的距离。5尽管在晶体412内的闪烁事件最有可能发生在点409，但闪烁事件也可能不是真正地在点409处发生。DOI是有关511KeV伽马射线穿过NaI(TI)晶体的衰减A(X)、晶体NaI(TI)的密度ρ以及在晶体NaI(TI)的511KeV的质量衰减系数。在本发明的一个实施例中，μ_m＝0.0921cm²/gm，ρ＝3.67gm/cm³和A(X)＝e^-μmρx。DOI可以从下式计算 $\mathrm{DOI}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{{\∫}_O^{L\left(\mathrm{\θ}\right)}\mathrm{\χA}\left(\mathrm{\χ}\right)\mathrm{d\χ}}{{\∫}_O^{L\left(\mathrm{\θ}\right)}A\left(\mathrm{\χ}\right)\mathrm{d\χ}}*\mathrm{SIN}\left(\mathrm{\θ}\right).$ 旦DOI和L被计算出来，晶体内平面位移ΔX可以从下式确定，ΔX＝DOI(θ)*COT(θ)。

一旦位移值ΔX和ΔY被计算出来，这些值就与坐标X’和Y’结合在一起。在本发明的一个实施例中，位移值ΔX和ΔY加到坐标值X’和Y’，再把已较正了的坐标值(X’+ΔX)和(Y’+ΔY)输出给图像处理器。

在PET成像时，应检测所辐射的成对伽马射线的入射角，如果它们相交于晶体，则它们在轴向或横轴视场内的任何地方都是重合的。换句话说，在PET成像中的伽马射线的入射角是由晶体410和412的视场限制。另外，晶体内的平面位移越大，分辨率上的降低也就越多。在SPECT成像中，入射角由于准直仪的缘故所以被限制在非常窄的范围(几乎90°)内，发生在晶体内的平面位移很小。因此，使用离散晶体诸如锗酸铋(BGO)的独立PET成像系统，由于离散晶体的特性而不会有晶体内的平面位移。因此，本发明的这种分辨率增强装置和方法最适合于SPECT和PET综合系统中的PET成像，此综合系统可以使用诸如掺入铊的碘化钠晶体NaI(T1)。

Claims (23)

1.一种用于在正电子发射断层扫描中提高图像分辨率的装置，包括：第一晶体，用于与第一伽马射线相互作用而产生第一闪烁事件；

第二晶体，用于与第二伽马射线相互作用而产生第二闪烁事件；

所述第一晶体与所述第二晶体相对放置；

所述伽马射线分别具有由所述晶体的视场所限制的角度范围内的入射角；

所述第一和第二伽马射线从源点产生并隔开180°发射；

第一探测器，它与所述第一晶体相连接，所述第一探测器定位所述第一闪烁事件的第一地址坐标值；

第二探测器，它与所述第二晶体相连接，所述第二探测器定位所述第二闪烁事件的第二地址坐标值；

所述第一和第二探测器同时分别定位所述第一和第二地址坐标值；

一个分辨率增强器，它与所述探测器相连接，所述分辨率增强器产生对所述第一和第二地址坐标值在晶体内的平面位移校正的校正值，所述分辨率增强器进一步把所述校正值与所述第一和第二地址坐标值相组合以计算所述伽马射线进入所述晶体的实际进入点。

2.根据权利要求1的装置，其中所述闪烁事件的所述坐标值具有一个X坐标值和一个Y坐标值，所述X坐标是沿所述晶体的横向轴视场定位，所述Y坐标是沿所述晶体的轴向视场定位。

3.根据权利要求2的装置，其中所述校正值包括一个ΔX值和一个ΔY值，其中所述ΔX是沿所述晶体的横向轴视场上所述伽马射线进入所述晶体的所述实际进入点与一个转变点间的距离，其中所述ΔY沿所述晶体的轴向视场上所述伽马射线进入所述晶体的所述实际进入点与所述转变点间的距离，其中所述转变点是在所述晶体内所述伽马射线最有可能转变成光脉冲的点。

4.根据权利要求3的装置，其中所述校正值的所述ΔX和所述ΔY取决于所述伽马射线的所述入射角和所述伽马射线的能量等级。

5.根据权利要求1的装置，其中所述晶体包括掺入铊的碘化钠结晶NaI(T1)。

6.一种用于在重合成像时提高分辨率的装置，包括：

第一探测器和第二探测器，用于同时检测一对从源点产生的并隔开180°发射的伽马射线，其中所述第一探测器产生一个第一地址信号，所述第二探测器产生一个第二地址信号；

一个计算机系统，它与所述第一探测器和所述第二探测器相连接，所述计算机系统分别接收来自所述第一探测器的所述第一地址信号以及来自所述第二探测器的所述第二地址信号，所述计算机系统还分别计算第一校正值和第二校正值以分别校正所述第一地址信号和所述第二地址信号的晶体内的平面位移，所述计算机系统输出一个被校正的第一地址信号和一个被校正的第二地址信号用于图像处理和图像重建。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一地址信号包括第一X值和第一Y值，所述第二地址信号包括第二X值和第二Y值，所述第一X值沿所述第一探测器的横向轴视场上定位，所述第二X值沿所述第二探测器的横向轴视场上定位，所述第一Y值是沿所述第一探测器的轴向视场上定位，所述第二Y值沿所述第二探测器的轴向视场上定位。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一校正值包括一个X分量和一个Y分量，以便使所述X分量加到所述第一信号的所述第一X值上，所述Y分量加到所述第一信号的所述第一Y值上，所述第二校正值包括一个X分量和一个Y分量，以便使所述X分量加到所述第二信号的所述第二X值上，所述Y分量加到所述第二信号的所述第二Y值上。

9.根据权利要求8所述的装置，所述第一校正值的所述X分量和所述第二校正值的所述X分量取决于所述伽马射线对的能量等级以及所述伽马射线对分别沿所述第一探测器和所述第二探测器的所述横向轴视场的所述入射角，所述第一校正值的所述Y分量和所述第二校正值的所述Y分量取决于所述伽马射线对的能量等级以及所述伽马射线对分别沿所述第一探测器和所述第二探测器的所述轴向视场的所述入射角。

10.根据权利要求6所述的装置，其中所述晶体包括掺入铊的碘化钠结晶NaI(T1)。

11.一种核照相系统，包括：

一对相对晶体，它被放置从而与由一个或多个源点产生的一对或多对伽马射线相互作用，其中所述伽马射线对中的每一对中的射线隔开180°发射并且所述伽马射线并不穿过一个准直仪；

一对探测器，被布置为同时探测所述一对或多对伽马射线中的每一对中的所述伽马射线，所述探测器的每一个与所述晶体对中的一个相连接，所述探测器响应在一个相互作用期间内从每个所述晶体发射的多个光子并记录所述相互作用的坐标值。

一个处理器，它与所述探测器对相连接以接收来自每个所述探测器的所述坐标值，所述处理器被布置为计算来自每个所述探测器的所述坐标值的校正值，以及所述处理器被布置为校正由于晶体内的平面位移所引起的分辨率失真并输出用于图像处理和再现的新坐标值。

12.按照权利要求11所述的核照相系统，其中所述晶体对的每一个是一层掺有铊的碘化钠NaI(T1)。

13.按照权利要求12所述的核照相系统，其中所述处理器通过产生对每个坐标值的校正值，然后把所述校正值组合到所述坐标值上来校正分辨率失真。

14.按照权利要求13所述的核照相系统，其中由所述处理器所计算的所述校正值是随入射角和所述多个伽马射线之一的能量等级、每个所述晶体的密度、每个所述晶体的质量衰减系数、穿过每个所述晶体传播的一个或多个所述伽马射线的衰减、每个所述晶体的轴向视场和横向轴视场以及所述晶体对之间距离中任一个或多个而变化的。

15.一种在能够重合成像的核照相系统中增强分辨率的方法，包括以下步骤：

(a)接收一对伽马射线，该射线具有由一对相对晶体的视场所限制的角度范围之内的入射角；所述伽马射线从源点产生并隔开180°发射；

(b)用耦合到所述晶体对的第一晶体的第一探测器探测第一闪烁事件，所述第一探测器定位所述第一闪烁事件的第一地址坐标值；

(c)用耦合到所述第二晶体的第二探测器探测第二闪烁事件，所述第二探测器定位所述第二闪烁事件的第二地址坐标值；

(d)用所述第一和第二探测器同时定位所述第一和第二地址坐标值；

(e)从所述第一和第二地址坐标值计算校正值以校正所述第一和第二地址坐标值的晶体内的平面位移；以及

(f)把所述校正值与所述第一和第二地址坐标值进行合并以确定所述伽马射线进入所述晶体的实际进入点。

16.按照权利要求15所述的方法，其中定位步骤(d)包括如下步骤：

(i)沿所述晶体的一个横向轴视场定位一个X坐标值；

(ii)沿所述晶体的一个轴向视场定位一个Y坐标值。

17.按照权利要求15所述的方法，其中计算步骤(e)包括如下步骤：

(i)产生一个ΔX值，它是沿所述晶体的横向轴视场在所述伽马射线进入所述晶体的所述实际进入点与一个转变点之间的距离，所述转变点是在所述晶体内所述伽马射线最有可能转变成光脉冲的点；

(ii)产生一个ΔY值，它是沿所述晶体的轴向视场在所述伽马射线进入所述晶体的所述实际进入点与所述转变点之间的距离。

18.按照权利要求17所述的方法，其中产生一个ΔX的步骤(i)进一步包括以下步骤：

(i)沿所述晶体的所述横向轴视场测量所述伽马射线的所述入射角；

(ii)确定所述伽马射线和所述晶体投射到垂直于所述晶体的平面相互作用的一个平均深度；

(iii)产生取决于相互作用的所述平均深度以及所述伽马射线的所述入射角的所述ΔX值。

19.按照权利要求17所述的方法，其中产生一个ΔY的步骤(i)进一步包括如下步骤：

(i)沿所述晶体的所述轴向视场测量所述伽马射线的所述入

射角；

(ii)确定所述伽马射线和所述晶体投射到垂直于所述晶体的平面相互作用一个平均深度；

(iii)产生由相互作用的所述平均深度以及所述伽马射线的所述入射角所决定的所述ΔY值。

20.一种核照相系统，包括：

用于与一对伽马射线相互作用的晶体装置，所述的伽马射线从源点产生并隔开180°发射并且具有由所述晶体装置的视场所限制的角度范围之内的入射角；

探检器装置，布置用于同时探测表示在所述晶体装置内的闪烁事件的所述伽马射线对中的每一射线并定位所述闪烁事件的坐标值；和

校正装置，用于计算一个校正值以校正所述坐标值的在晶体内的平面位移，并把所述校正值与所述坐标值进行组合，以确定所述伽马射线中的每一射线进入所述晶体装置的实际进入点。

21.按照权利要求20所述的核照相系统，其中所述探测器装置定位一个坐标值，它具有沿所述晶体装置的一个横向轴视场的X坐标值和沿所述晶体装置的一个轴向视场的Y坐标值。

22.按照权利要求20所述的核照相系统，其中所述校正装置产生一个ΔX值，它是沿所述晶体装置的一个横向轴视场在所述伽马射线进入所述晶体装置的所述实际进入点与一个转变点之间的距离，所述转变点是在所述晶体装置中所述伽马射线最有可能转变成光脉冲的点，其中所述校正装置产生一个ΔY值，它是沿所述晶体装置的一个轴向视场在所述伽马射线进入所述晶体装置的所述实际进入点与所述转变点之间的距离。

23.按照权利要求22所述的核照相系统，其中所述产生装置通过测量沿所述晶体装置的所述横向轴视场的所述伽马射线的所述入射角并通过确定所述伽马射线和所述的晶体装置投影到一个垂直于所述晶体装置的平面之间相互作用的一个平均深度来产生一个ΔX值，其中所述产生装置通过对沿所述晶体装置的所述轴向视场的所述伽马射线的所述入射角进行测量并通过确定所述伽马射线和所述晶体装置投影到垂直于所述晶体装置的平面之间相互作用的一个平均深度来产生一个ΔY值。

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