CN1922476B - 用于映射x-射线荧光标记物分布的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定身体体积(14)中X-射线荧光(XRF)标记物(16)的分布的方法和装置。用来自X-射线源(10)的射线束(12)照射身体体积(14)，该X-射线源(10)具有量子能刚好高于XRF标记物(16)的K-边界的第一射线成分，和量子能刚好低于XRF标记物(16)的K-边界的第二射线成分。来自身体体积(14)的第二射线成分以位置分辨的方式由检测器(30)检测。为了将X-射线荧光成分从背景辐射中分离出来，用射线束对身体体积进行第二次照射，其中通过由X-射线标记物材料制成的滤波器(22)将第一射线成分从射线束中完全除去。

Description

用于映射X-射线荧光标记物分布的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于映射身体体积中X-射线荧光标记物的分布的方法和装置，其中标记物的荧光由X-射线源激发。
背景技术
在文献中已经描述了用于分子成像的方法，其中表明了与药物复合的具有较高原子序数的原子的X-射线荧光辐射(Takeda等人的名为“Fluorescent scanning X-ray tomography with synchrotronradiation”，1995，Rev.Sci.Instrum.Vol.66，1471-1473页)。当来自能量更高的量子能级的电子落到较低的量子能级位置时，产生X-射线荧光(XRF)，该较低的量子能级由具有足够高量子能的初级X-射线事先释放。由于发射的XRF光子的光谱特征在于发射元件，并且光谱线的强度与XRF标记物的质量成比例，因此甚至是低浓度标记物的空间分布也可用这种类型的技术高灵敏度的检测。
然而，上述技术遭遇了如下问题，即：X-射线荧光的测量受到来自单个或多个非弹性散射的X射线量子的背景辐射的影响。在该相关技术中，一种方法得自US5497407，借助该方法，可确定样品中X射线荧光材料的成分和量。在该方法中，来自受激发样品的次级辐射的X射线荧光成分通过照射多个不含待识别材料的参考样品，并根据所产生的次级辐射计算平均值来近似确定。然后从待检样品的测量值中减去该平均值作为由于其它散射作用产生的背景值。然而当检查患者时，不能使用这种方法，因为在这种情况下无法得到不含XRF标记物的参考体积(volume)。
发明内容
考虑到这种背景，本发明的一个目的在于提供一种更准确地确定X射线荧光辐射的装置，更具体地，当映射XRF标记物在身体体积中的分布时，能够使用该装置。
通过具有权利要求1的特征的装置以及具有权利要求9的特征的方法来解决该问题。有利设计在从属权利要求中描述。
根据本发明的用于映射XRF标记物在身体体积，诸如患者的器官中的分布的装置，包括下列元件：
用于将射线束直接发射到身体体积上的X射线源，所述射线束包括量子能高于XRF标记物的K-边界的第一射线成分，和量子能低于XRF标记物的K-边界的第二射线成分。详细而言，这意味着第一射线成分(实质上)中量子能的光谱仅含有高于K-边界的量子能，而第二射线成分的相应光谱完全低于K-边界。
一个用于检测来自身体体积的次级辐射的检测器，所述检测器设置在X射线源的射线束外部。在本文中，术语“次级射线”包括由来自X射线源的射线束的(初级)量子与身体体积之间的相互作用产生的任何辐射。因此，特别地，次级辐射包括单个或多个弹性或非弹性的散射辐射，和目前由初级量子的吸收和后来XRF量子的再次发射引起的相关的X射线荧光辐射。
用于调节X-射线源的射线束中第一和第二束成分之间的强度比的装置。在极端的情况下，如果需要，束成分的强度比可显著降低。
通过上述装置，待检查的身体体积可用两种光谱不同的射线成分照射，第一射线成分引起XRF标记物的X射线荧光的激发，而第二束成分不能诱导这种X射线荧光。因此，该第二束成分将专门地引起不含任何X射线荧光成分的次级辐射。由于第一和第二成分之间的强度比是可调节的，没有任何荧光成分的次级辐射(此后作为“背景辐射”)和X射线荧光辐射之间的关系同样是可以调节的。这转而可用于确定总的次级辐射中的X射线荧光辐射成分，所述总的次级辐射将在下面参照本发明的几个优选实施例进行更为详细的解释。该装置给出了特别的优点，即不需要身体体积的变化，而只需要改变装置的操作模式。因此，该装置特别适于在涉及分子成像的医学过程中使用。
用于调节第一和第二射线成分之间的强度比的装置可以各种方式来实施。例如，X射线源中的射线束可通过激发分别含有不同的第一和第二光谱的数量比例的源的各种靶标产生。因此由这种源发出的辐射总和将取决于源的数量比例。在一个特别优选的设计中，用于调节强度比例的装置包括可移动定位在身体体积前面的光束中的滤波器(filter)。因而进入身体体积的射线束具有不同的光谱成分，这取决于其是否事先通过滤波器。虽然实际上可完全通过任何其它辐射，优选地，滤波器调节高于待检XRF标记物的K边界的任何辐射的强吸收。
根据优选设计，上面提到的滤波器由待检XRF标记物的材料制成，或者含有所述材料。在这种情况下，滤波器必须精确吸收来自XRF标记物K边界的辐射，结果是滤波器的使用相应地减弱了第一辐射成分，因而降低了X射线荧光的诱导。
根据X射线源的优选设计，第一射线成分和/或第二射线成分为单色的或者准单色的，所述射线成分的(平均)量子能从XRF标记物的K边界的偏移低于10％，优选低于3％。特别优选的是，如果第一和第二射线成分都是(准)单色的，第一射线成分的光谱最大值略高于XRF标记物的K边界，第二射线成分的光谱最大值略低于XRF标记物的K边界。第一和第二射线成分的邻近光谱近似提供了如下优点，即除X射线荧光之外的所有散射过程对于两种射线成分来说几乎都是相同的，使射线成分产生了相同百分比的背景辐射和相同的光谱路径。考虑到X射线荧光的激发，然而，射线成分之间存在着主要差别，因为荧光可仅仅由第一射线成分诱导。通过极大地抑制第一射线成分，背景辐射的比例可由此被测量。
根据另一种优选设计，X射线源包括作为靶标的具有代表第一射线成分的Kα1-线和代表第二射线成分的Kα2-线的元件。由Kα1-线和Kα2-线同时发射所产生的射线成分因此是单色的或者准单色的。所述元件优选以其Kα1-线刚好位于待检标记物的K边界之上，其Kα2-线刚好位于待检标记物的K边界之下的方式来选择。
装置的检测器优选设计为以位置和/或能量分辨(resolved)的方式来测量次级辐射。能量分辨(即光谱)测量提供了可在特定XRF发射线处确定次级辐射，而由于背景辐射光谱的其它成分可被排除的优点。有利地，检测器的能量分辨率不需要满足最高的精确标准，因为次级辐射中的X射线荧光辐射的成分可采用该装置以另一种方式确定。由于这种原因，可用具有闪烁晶体(例如NaI)或者伽玛相机的检测器来代替相对昂贵的半导体检测器。
位置分辨测量提供了测量的次级辐射的原点的几何点可被更精确地确定的优点，其是成像方法的前提。例如，检测器可以包括限定进入身体体积的视觉平行线的瞄准仪。当在瞄准仪的特定室中检测辐射时，其方向可由此而确定。
根据又一方面，所述装置包括在X射线源的射线束中相对于第一检测器定位并且能够对通过身体体积的透射辐射进行位置分辨测量的第二检测器。通过第二检测器，可产生用于成像形态学结构的常规X射线投影图像。这意味着，由于初级辐射，装置可同时产生XRF标记物的分子分布图像和常规的形态学X射线图像。
如果需要，有利地，装置的元件—这些作为X射线源和次级辐射检测器，以及上面提到的第二检测器—通过机械装置彼此永久连接并围绕旋转轴枢转。因此，装置的整个成像机构可围绕待检身体体积旋转，而其元件的相对集合位置保持不变。在这种方式中，通过身体体积的(二维或者三维)剖面可采用现有技术中已知的计算机断层摄影的重建算法来产生。
本发明还涉及确定XRF在身体体积中的分布的方法，所述方法包括如下步骤：
a)用具有量子能高于XRF标记物的K边界的第一射线成分和量子能低于XRF标记物的K边界的第二射线成分的射线束照射身体体积。
b)测量来自身体体积的由所述射线束照射所产生的第一次级辐射，优选在射线束外的一点进行。
c)进一步用具有不同强度比的第一和第二射线成分的射线束照射身体体积。
d)测量来自身体体积的由所述改变的射线束所产生的第二次级辐射(优选在射线束外的一点进行，特别是与步骤b中相同的点)。
e)通过将测量的第一和第二次级辐射进行比较，确定次级辐射的实质上专门由于XRF标记物的荧光产生的那些成分。
特别地，该方法采用上面提到的类型的装置来完成，因此上面的描述也适用于关于细节、优点和其它方面的解释。通过以两种不同的方式照射身体体积，对于激发X射线荧光的第一射线成分，每次具有不同的值，可分离出背景辐射成分。因此，X射线荧光辐射可高准确度地确定。
根据本发明的优选实施例，(第一和第二)次级辐射仅仅在在其处检测到多散射的点进行确定。不含单散射成分的多散射主要在反向散射(backscatter)方向上在高于初级辐射的单散射康普顿峰的散射光谱中观察。术语“反向散射”以相对于入射的初级辐射大于90°的角度覆盖辐射。在这种情况下，至少一种次级辐射光谱通过数学近似函数(approximation function)确定。由于多散射已知是初级量子的多散射过程的结果，因此其实质上独立于受检身体体积的几何形状。考虑到这一点，借助函数对次级辐射光谱的近似同样独立于身体体积。无噪声函数的使用保证了当计算荧光信号时信号中的统计噪声不进一步增加。
本发明的这些和其它方面从参照下述实施例的描述是显而易见的，并将参照此后描述的实施例来阐明。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明的具有用于显示X射线投影的透射检测器的装置的图示。
图2和3显示了射线路径中不含滤波器(图2)和含有滤波器(图3)的初级和次级辐射的强度流。
具体实施方式
采用图1中显示的装置，可同时产生身体体积14的形态学图像和XRF标记物16在所述体积14中的分布的分子图像。由于这种原因，该装置包括X射线源10，例如购自Panalytical的Flour’X装置，其中靶标由电子束撞击。然后靶标发射出X射线辐射，而将源10作为扇形射线束12。在透过身体14后，束12遇到用于到达那里的射线强度的位置分辨测量的线状透射检测器20。在该方式中，可产生X射线投影，其中透射检测器20上的每个图像点呈现了在身体14中沿着从图像点到射线源10的连线的整体的X射线吸收。
身体体积14还包括由射线束12的初级辐射激发的发射X射线荧光的XRF标记物16的分布。为了检测这种X射线荧光辐射，在射线束12外提供另一检测器30，在图示的实施例中其可以设计为伽玛相机。在照相机30的感光表面的前方，有一个具有平行叶片(blade)的瞄准仪32。叶片的高度通常为100mm，间隔5mm。瞄准仪保证撞击到两个叶片之间的检测器表面上的(次级)辐射被限制为限定的窄的立体角(solid angle)，允许这种辐射的位置分辨测量。
然而，不仅待检测X射线荧光辐射到达检测器30，而且一些由初级量子的单散射或多散射过程所引起的其它背景辐射也到达检测器30。背景辐射和X射线荧光一起代表了来自由检测器30检测的身体体积14的次级辐射。为了准确地确定XRF标记物16在身体体积中的分布，需要对来自身体体积的X射线荧光辐射有非常准确的认识。然而，当通过共同检测的背景辐射使用检测器30时这变得很困难。
为了解决这个问题，下面显示了一种方法，通过该方法可确定次级辐射的背景辐射成分。作为例子，假定XRF标记物16基于重金属钆Gd，其结合在药理活性物质中。然后这种物质在体内的分布可用作指示，例如用于新陈代谢过程的指示。与任何XRF标记物相同，如果诱导X射线荧光，Gd需要最小的冲击辐射能。这种能量由所谓的元件的K边界限定，并与从原子的最低能级释放一个电子所需的能量相对应。Gd的K边界为50.239keV。
X射线源设计为发射具有两种成分的射线束12。第一射线成分具有高于所述K边界的量子能，而第二射线成分具有低于K边界的量子能。这两种射线成分优选为单色的，波长在K边界附近。具体地，第一射线成分可由铥Tm的Kα1-线产生，并且第二射线成分可由其Kα2-线产生。这些线靠近Gd的K边界(Tm Kα1＝50.73keV，TmKα2＝49.76keV)。由于两线之间的能量差仅仅大约为2％，相同的散射过程产生基本相同的背景辐射光谱(附加条件是如在本发明的上下文中限定的“背景辐射”不包括任何X射线荧光成分)。
图2是来自源10的两种射线成分的强度流的图示。与Kα1-线相关的第一成分具有强度I1，根据该强度，通过散射过程提取身体体积14中的背景辐射成分B1，并且X射线荧光成分F通过与XRF标记物16的相互作用提取。与Kα2-线相关的第二成分具有强度I2，根据该强度，提取身体体积14中的背景辐射成分B2。第二射线成分不产生任何X射线荧光辐射，因为包含的初级量子能太低。
采用图2中显示的变量，由检测器30测量的总的次级辐射ST可表示如下：
ST＝F+B1+B2                             (1)
如上所述，由于第一和第二射线成分的量子能值彼此接近，在较好的近似中相关强度的相同百分比被转换成背景辐射。结果，通过近似应用如下方程：
B1/B2＝I1/I2                            (2)
在该上下文中，假定离开源10的射线成分的两种强度I1和I2的比值I1/I2是已知的或者可被确定。
为了计算所需的X射线荧光成分F，建议的方法包括采用照射到身体体积14中的不同比值的强度的第二测量，由此改变X射线荧光和背景辐射的相对成分。所述强度比值的变化可通过将合适的滤波器22引入到X射线源10的射线路径中来实现，滤波器22吸收高于K边界的辐射比吸收低于这种能量阈值的辐射更强。所述滤波器的特征在于最容易通过采用与XRF标记物相同的材料制成滤波器22，在本例子中为Gd。
如图3所示，滤波器22仅仅允许第一射线成分(Kα1-线)的强度I1的极大减小的成分a1I1通过身体体积14。在第二射线成分的强度I2中，成分a2I2离开滤波器22，其中a1必须＜＜a2。因子a1、a2可根据下列方程计算：
a1＝exp(-μ1 Gd·W)                      (4)
a2＝exp(-μ2 Gd·W)                      (5)
其中μ1 Gd是Gd滤波器在Tm的Kα1-线处的吸收系数，μ2 Gd是Gd滤波器在Tm的Kα2-线处的吸收系数，W是滤波器22的厚度，所有的变量都应当是已知的。
图3还表明过滤的射线成分产生在检测器30中检测到并具有下列附加组成的次级辐射SB：
SB＝a1F+a1B1+a2B2                       (6)
因此，三个方程(1)、(2)、(6)共同用来计算未知变量B1、B2和F；在本上下文中，这些中最相关的是X射线荧光信号F。
虽然这里已经采用Gd作为XRF标记物的例子对本发明进行了解释，但是具有相同特征的其它系统也是可行的。例如K边界为57.48keV的铒Er也是适合的XRF标记物，其具有由钽Ta的Kα1-线(57.52keV)和Kα2-线(56.27keV)产生的二色性X射线辐射。
上述背景辐射补偿的应用增大了计算的荧光光谱F中的统计燥声。为了降低这种影响，如图1中所示，检测器30优选地测量反向散射，该反向散射被定义为具有相对于初级辐射的＞90°的散射角。在反向散射中只有多散射对初级辐射的量子能范围产生贡献的事实是已知的。由于这种原因，背景的形状不依赖于散射对象的精确的几何形状。因此，背景光谱SB可通过使用标准算法进行曲线拟合以数学的方式近似地确定，例如借助三次多项式。适应的曲线不含统计噪声(除了多项式系数的估计精确度以外)，使背景辐射的减少不增加F中的统计噪声。还能缩短背景光谱的测量时间，使总的测量时间可通过测量X射线荧光光谱ST初步确定，从而初步确定患者的剂量。
采用描述的方法，还不需要使用用于对次级辐射成像的具有高能量分辨率的半导体检测器(例如Ge)。相反，可使用具有低能量分辨率的检测器，诸如闪烁检测器(NaI)。这极大地降低了检测器的成本，或者作为替代地，允许使用具有更好信噪比的更大检测器。常用的具有量子能量分辨率≤10％和位置分辨率在微米范围内的Anger型伽玛相机30(见图1)特别适用于本发明。
在图1中显示的全部装置，包括X射线源10、滤波器22、透射检测器20和具有瞄准仪32的检测器30进一步优选为可围绕通过身体体积14的旋转轴枢转。因此，扫描平面18可以变化的角度在两个检测器20、30上成像，可通过已知的计算机断层摄影方法对其进行二维重建。特别地，可以首先通过透射检测器20提供身体体积的形态学重建，然后使用该重建的结果确定X射线标记物16的分布。

Claims (10)

1.一种用于映射XRF标记物(16)在身体体积(14)中的分布的装置，包括：
-用于发射射线束(12)的X射线源(10)，所述射线束包括量子能高于XRF标记物的K-边界的第一射线成分(I1)和量子能低于标记物的K-边界的第二射线成分(I2)；
-用于检测来自身体体积(14)的次级辐射的检测器(30)，所述检测器位于X射线源(10)的射线束(12)外部；
-用于调节射线束(12)中第一和第二射线成分之间的强度比的装置(22)，
其特征在于：第一射线成分(I1)和/或第二射线成分(I2)为单色的或者准单色的，所述射线成分的量子能从XRF标记物的K边界偏移低于10％。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于：用于调节强度比的装置包括可移动地位于射线束(12)中的滤波器(22)。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于：滤波器(22)含有XRF标记物的材料或者由其制成。
4.根据权利要求1的装置，其特征在于：所述射线成分的量子能从XRF标记物的K边界偏移低于3％。
5.根据权利要求1的装置，其特征在于：第一射线成分由元件的Kα1-线代表，并且第二射线成分由元件的Kα2-线代表。
6.根据权利要求1的装置，其特征在于：检测器(30)能够对次级辐射进行位置分辨的和/或能量分辨的测量。
7.根据权利要求1的装置，其特征在于：所述装置包括位于射线束(12)中并且能够对通过身体体积(14)的透射辐射进行位置分辨的测量的另一检测器(20)。
8.根据权利要求1的装置，其特征在于：所述装置的元件彼此耦合在一起，并共同能够围绕旋转轴枢转。
9.一种用于确定XRF标记物(16)在身体体积(14)中的分布的方法，包括如下步骤：
a)用具有量子能高于XRF标记物的K边界的第一射线成分(I1)和量子能低于XRF标记物的K边界的第二射线成分(I2)的射线束(12)照射身体体积(14)；
b)测量来自身体体积(14)的产生的第一次级辐射；
c)用具有第一和第二射线成分之间不同强度比的射线束照射身体体积(14)；
d)测量来自身体体积(14)的产生的第二次级辐射；
e)通过将第一和第二次级辐射进行比较，确定由于XRF标记物的荧光引起的次级辐射的那些成分。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于：在仅仅检测反向散射的点测量次级辐射，并且次级辐射的至少一个光谱通过借助函数的近似来确定。
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