JP2023537997A - 検知コリメートユニット、検知装置及びｓｐｅｃｔ結像システム - Google Patents

検知コリメートユニット、検知装置及びｓｐｅｃｔ結像システム Download PDF

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Abstract

本開示は、検知コリメートユニット、検知装置及びＳＰＥＣＴ結像システムを提供し、検知コリメートユニットは、被検体内の放射源から放射されたガンマ光子を受信するためのシンチレーション結晶アレイと、ガンマ光子を受信してデジタル信号に変換する若干の光電デバイスと、を含み、シンチレーション結晶アレイは、若干のシンチレーション結晶を含み、若干のシンチレーション結晶は大体平行でありかつ間隔を隔てて配置され、各シンチレーション結晶は端面及び放射源から放射された放射線を受信可能な側面を有し、若干の光電デバイスは若干のシンチレーション結晶の端面にカップリングされる。本開示の検知コリメートユニットは、ＳＰＥＣＴ結像時に必要な重金属コリメートを取り替え、ガンマ光子の損失を減少させ、かつガンマ光子が検知コリメートユニット内で回路板及び光電デバイスに吸収されることを回避し、ＳＰＥＣＴ結像の空間解像度及び検知効率を顕著に向上させる。そして、重金属コリメートにおいて複数の小平行孔又はピンホールを加工する加工プロセスの難しさを回避し、加工プロセスを簡略化する。

Description

本開示は、核医学結像技術分野に関し、具体的には、特に検知コリメートユニット、検知コリメートユニットを含む検知装置及びＳＰＥＣＴ結像システムに関する。
核医学映像診断の単一光子放射断層結像のＳＰＥＣＴ装置において、ＳＰＥＣＴ結像機能を完了するために必要な少なくとも以下の二種類の部品を少なくとも含む必要がある:一種類はプローブ部品であり、それは、被検体内の異なる時刻に送信された複数のガンマ光子を一つずつ受信し、各光子の時間情報、エネルギー情報及びプローブに作用する位置情報を電気信号に変換しかつデジタル化してコンピュータに入力する；もう一つは、コリメート部品であり、それは一般的に被検体とプローブ部品との間に位置し、被検体内の特定の方向から放射された光子を吸収することにより、プローブ部品に到達した光子が上記方向からの時に検知できないか、又はプローブ部品に到達した光子がある特定の方向からの確率と他の方向からの確率に明らかな差があり、それによりプローブ部品が受信した光子はさらに入射方向情報を含む。プローブ部品上の全ての検知ユニットは一定の結像時間内に一定数のガンマ光子を一つずつ受信し、かつ各検知ユニット上のガンマ光子の数を積算して得て、各検知ユニット上のガンマ光子数情報をコンピュータ内の画像再構成アルゴリズム部品に入力する。画像再構成アルゴリズムにおいて、幾何モデル式により計算する又は事前に離散化測定を行うシステム伝送行列形式で、結像空間内の各点から放射されたガンマ光子がプローブ部品内の各検知ユニットにより受信された確率を記録した。画像再構成アルゴリズムは、上記確率情報と入力されたガンマ光子情報により、数学的演算により、被検体内の放射源強度分布情報を求め、かつデジタル化画像を形成して表示ユニットに表示した。
透過型ＣＴ結像システム（その線源が人体外に位置し、一般的にはＸ線球管などのＸ線発生装置などを線源として使用し、したがって人体を通過する放射線自体は方向性を有する）が異なり、ＳＰＥＣＴ結像システムの放射源は、注射、経口又は吸込方式により人体に導入された放射性トレーサーであり、トレーサーは等方的にガンマ光子を放射し、したがってＳＰＥＣＴシステムにより検知されたガンマ光子自体は方向性情報を有しない。したがって、従来のＳＰＥＣＴシステムは重金属で製造された吸収コリメートを使用する必要があり、特定の方向からのガンマ光子がプローブに入って他の方向からのガンマ光子を吸収し、それによりプローブが受信したガンマ光子に方向情報を付ける。しかしながら、ＳＰＥＣＴシステムにおいて、コリメート部品の設計は二つの難しい選択に直面する。一方では、コリメート部品が多くの方向からの光子を吸収すれば、少数の方向からの光子がプローブに入ることを許可すれば、プローブに到達する各光子がより効果的な方向情報を携帯させることができ、結像システムの空間識別能力を向上させることに有利であるが、放射源が単位時間内に放射された光子数はポアソン統計分布に従うことにより、検知ユニットに収集された光子数が相対的に変動し、かつ標準偏差の形式で表示された相対的な変動は収集された光子数の平方根値に反比例することを引き起こす。したがって、コリメートを設計する時により多くの光子を検知器に入らせることを考慮する必要があり、すなわち、結像システムの検知効率を向上させることにより、各検知ユニットで受信されたガンマ光子数を増加させ、それに対応してその相対的な統計変動を減少させる。しかし、これはコリメートがより多くの方向からの光子がプローブに入ることを許可する必要があることを意味し、したがってプローブが受信した各光子が携帯する方向情報の有効性を低下させ、すなわち、結像システムの空間識別能力を低下させる。
ＳＰＥＣＴシステムの空間識別能力を保証するために、従来の重金属コリメートはできるだけガンマ光子の入射方向に沿って開孔の大きさ及び間隔を減少させるが、このように大量のガンマ光子がコリメートで減衰吸収されて検知器に検知されないことを引き起こす。したがって大量の光子損失を引き起こし、ＳＰＥＣＴ装置の検知効率に深刻な影響を与える。
したがって、重金属コリメート部品の存在によりＳＰＥＣＴシステムの空間識別能力と検知効率を同時に向上させることができない。
一方、重金属コリメート部品において、ガンマ光子を通過させるために、それに互いに平行な複数のストレート孔、又は円錐形のピンホールを加工する必要がある。その孔の形状パラメータはＳＰＥＣＴシステムの性能への影響が大きいため、その加工寸法を精密に制御する必要があり、金属加工プロセスの難易度が高い。
上記問題の少なくとも一つを解決するために、本開示は、空間識別能力を向上させ、及び／又は検知効率を向上させ、及び／又は金属加工プロセス難度を減少させる検知コリメートユニット、検知装置及びＳＰＥＣＴ結像システムを提供することを目的としている。
本開示の第一態様によれば、
被検体内の放射源から放射されたガンマ光子を受信するためのシンチレーション結晶アレイと、
前記ガンマ光子を受信してデジタル信号に変換するための若干の光電デバイスと、を含み、
前記シンチレーション結晶アレイは、若干のシンチレーション結晶を含み、前記若干のシンチレーション結晶は大体平行でありかつ間隔を隔てて配置され、各前記シンチレーション結晶は端面及び放射源から放射された放射線を受信可能な側面を有し、
前記若干の光電デバイスは前記若干のシンチレーション結晶の端面にカップリングされる検知コリメートユニットを提供する。
好ましくは、前記シンチレーション結晶アレイは、二次元配列アレイであり、前記シンチレーション結晶アレイは、放射源から放射されたガンマ線の入射方向に沿って配列された若干のシンチレーション結晶、及び放射源から放射されたガンマ線の入射方向に垂直に配列された若干のシンチレーション結晶を含む。
好ましくは、前記シンチレーション結晶は、一つの独立したシンチレーション結晶バー及び／又はスティッチングされた複数のシンチレーション結晶バーを含む。
好ましくは、前記シンチレーション結晶バーの少なくとも一つの端面に光電デバイスがカップリングされる。
好ましくは、前記シンチレーション結晶アレイにおいて、間隔を隔てて設置されたシンチレーション結晶の間に充填物を有し、前記充填物は、樹脂、ポリエチレンプラスチック、有機ガラス及び重金属のうちの少なくとも一種材質を含む。
本開示の第二態様によれば、上記いずれかの技術案に記載の若干の検知コリメートユニットを含む検知装置を提供する。
好ましくは、若干の前記検知コリメートユニットが固定的に接続され、被検体の周りに取り囲まれる円形、多角形、弧状及び一部の多角形のうちのいずれかの形状の分布になる検知コリメートユニット層を形成する。
好ましくは、前記検知装置は、放射源から放射されたガンマ線の入射方向に沿って間隔を隔てて設置された若干の検知コリメートユニット層を含み、若干の検知コリメートユニット層が位置ずれして配置されることにより、最後の検知コリメートユニット層の検知コリメートユニットに少なくとも一つのシンチレーション結晶が存在し、結像視野から一点放射されたガンマ光子が入射して最後の検知コリメートユニット層の該シンチレーション結晶に到達した伝送経路に、任意の光電デバイス又は回路基板材料を通過させない。
本開示の第三態様によれば、ＳＰＥＣＴ結像システムを提供し、上記いずれかの技術案に記載の検知装置、データ処理ユニット、画像再構成ユニット及び画像表示ユニットを含み、
前記データ処理ユニットは、前記検知装置から出力されたデジタル信号を受信して処理し、各入射されたガンマ光子の入射情報を取得し、
前記画像再構成ユニットは、前記データ処理ユニットから出力された複数の入射されたガンマ光子の入射情報を受信して処理し、被検体内の放射源の分布情報を取得し、かつデジタル化画像を形成し、
前記画像表示ユニットは、デジタル化画像を表示して臨床診断に必要な情報を提供する。
好ましくは、前記検知装置の各検知コリメートユニット層は、前記被検体の周りに選択的に回転する。
好ましくは、前記ＳＰＥＣＴ結像システムは、放射源から放射されたガンマ線の入射方向に沿って間隔を隔てて設置された少なくとも二つの検知装置を含み、かつ放射源から放射されたガンマ線の入射方向に、被検体から離れた遠位検知装置は、被検体内の放射源から放射された、一つ又は複数の近位検知装置を通過したガンマ光子を受信してデジタル信号に変換する。
好ましくは、前記ＳＰＥＣＴ結像システムに要求される空間解像度及び画像信号対雑音比に基づいて、各検知装置の前記ＳＰＥＣＴ結像システムにおける相対位置、隣接する二つの検知装置の間隔、及び各検知コリメートユニットにおけるシンチレーション結晶バーの数、シンチレーション結晶バーのサイズ、シンチレーション結晶バーの配列方式パラメータを選択する。
好ましくは、被検体に近接する最初の検知装置と被検体との間に、及び／又は、放射源から放射されたガンマ線の入射方向に隣接する二つの検知装置の間に、及び／又は、各検知装置の検知コリメートユニット層との間に、開孔された重金属コリメートが設置される。
さらに、前記重金属コリメートの光子透過率は１％より大きい。
本開示は従来の技術に比べて以下の技術的効果を達成する。
本開示は、検知コリメートユニットを提供する。該検知コリメートユニットは、複数の光電デバイスと複数の略平行で間隔を隔てて設置されたシンチレーション結晶で構成されたシンチレーション結晶アレイとを含み、複数の光電デバイスは複数のシンチレーション結晶の端面にカップリングされ、被検体内の放射源から放射されたガンマ光子は、シンチレーション結晶の側面から入射する時に、光電デバイスを通過する必要がなく（すなわち、光電デバイスを被検体内の放射源から放射されたガンマ光子の入射方向にほぼ平行に設置し）、ガンマ線方向のコリメートの効果を実現するだけでなく、光子検知の目的を達成し、さらに画像品質に影響を与えない。同時に、従来の、放射線通過を許可しない重金属コリメートを採用する結像システムと比較して、本開示の検知コリメートユニットはガンマ光子の損失を回避することができるだけでなく、ガンマ光子の検知効率を大幅に向上させ、かつＳＰＥＣＴ結像システムを応用してイメージングする画像品質に影響を与えることがなく、同時に重金属コリメートにおいて複数の小平行孔又はピンホールを加工する加工プロセスの難しさを回避し、加工プロセスを簡略化する。
また、本開示はさらに上記検知コリメートユニットの検知装置及びＳＰＥＣＴ結像システムを提供し、検知装置及びＳＰＥＣＴ結像システムは上記検知コリメートユニットと同様の技術効果を有し、ここでは説明を省略する。
本開示の開示する図面は本開示の技術案及び利点をよりよく理解するためだけであるが、本開示の技術案を限定するものではない。
図１は、本開示の一実施例の検知コリメートユニットの構造概略図である。 図２は、本開示の一実施例における人体内のガンマ光子が二つの検知コリメートユニットを通過する動作原理図である。 図３は、本開示の第一実施例における検知装置の構造概略図である。 図４は、本開示の第二実施例における検知装置の構造概略図である。 図５は、本開示の第三実施例における検知装置の構造概略図である。 図６は、本開示の第四実施例における検知装置の構造概略図である。 図７は、本開示の第五実施例における検知装置の構造概略図である。 図８は、本開示の第六実施例における検知装置の構造概略図である。 図９は、本開示の第七実施例における検知装置の構造概略図である。 図１０は、本開示の一実施例の弧状検知コリメートユニット層の構造概略図である。 図１１は、本開示の一実施例の円形検知コリメートユニット層の構造概略図である。 図１２は、本開示の一実施例の正八角形検知コリメートユニット層の構造概略図である。 図１３は、本開示の一実施例のＳＰＥＣＴ結像システムの構造構成図である。 図１４は、本開示の一実施例のＳＰＥＣＴ結像システムの構造概略図である。
以下は、具体的な実施例を参照して本開示をさらに詳細に、完全に説明する。以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、適用、又は用途を限定するものではない。
図１は、本開示の一実施例の検知コリメートユニットの構造概略図である。図２は、本開示の一実施例における人体内のガンマ光子が二つの検知コリメートユニットを通過する動作原理図である。図１及び図２に示すように、本開示の実施例の検知コリメートユニット１は、ＳＰＥＣＴ結像機器又はシステムに応用することができ、それは、シンチレーション結晶アレイ１０及び若干の光電デバイス２０を含み、シンチレーション結晶アレイ１０は、被検体３０内の放射源から放射されたガンマ光子を受信する。若干の光電デバイス２０は、ガンマ光子を受光してデジタル信号に変換するものである。前述の被検体３０は多くが人体内の目標器官又は人体であり、もちろん他の被検体であってもよい。
ここで、シンチレーション結晶アレイ１０は、二次元配列アレイであり、複数のシンチレーション結晶１０１を含み、各シンチレーション結晶１０１はいずれも独立した長方体シンチレーション結晶バー１０１１であり、複数のシンチレーション結晶バー１０１１は平行でかつ間隔を置いて配置される。各シンチレーション結晶バー１０１１は、二つの端面及び四つの側面を有し、シンチレーション結晶１０１の側面は、被検体３０内の放射源から放射されたガンマ線ｐが入射され、すなわち、シンチレーション結晶１０１の側面は、放射源がガンマ線ｐを放射する入射面とされる。全てのシンチレーション結晶バー１０１１の同一端に一つ又は複数の光電デバイス２０がカップリングされ、他端に一つ又は複数の光電デバイス２０がカップリングされる。
従来のＳＰＥＣＴ装置に使用された低エネルギー（数十ｋｅＶ～数百ｋｅＶ）核種検知ユニットは、一般的に光電デバイスをシンチレーション結晶のガンマ光子入射面（又は出射面）にカップリングし、このようにしてガンマ光子が通過する時に光電デバイス及び対応する電子デバイスと回路基板等により遮断されて減衰されやすくことを引き起こし、さらにガンマ光子の損失を引き起こして画像品質に影響を与える。
本開示の上記構造の検知コリメートユニットの設計に基づいて、被検体３０内の放射源から放射されたガンマ光子がシンチレーション結晶バー１０１１の側面から入射する時に、光電デバイス２０を通過する必要がなく（すなわち、光電デバイス２０を、被検体３０内の放射源から放射されたガンマ線ｐの入射方向に大体に平行して設置する）、ガンマ線方向のコリメートの効果を実現するとともに、光子検知の目的を達成し、さらに画像品質に影響を与えない。同時に、従来の射線通過を許可しない重金属コリメートを採用する結像システムと比較して、本開示の検知コリメートユニット１は、ガンマ光子の損失を回避することができるだけでなく、ガンマ光子の検知効率を大幅に向上させ、かつＳＰＥＣＴ結像システムを応用して結像する画像品質に影響を与えることがない。同時に重金属コリメートにおいて複数の小平行孔又はピンホールを加工する加工プロセスの難しさを回避し、加工プロセスを簡略化する。
図１及び図２に示すように、本開示のシンチレーション結晶アレイ１０の配列方式は限定されず、複数の放射源から放射されたガンマ線ｐの入射方向に沿って配列されたシンチレーション結晶１０１、及び放射源から放射された複数のガンマ線ｐの入射方向に垂直に配列された若干のシンチレーション結晶１０１で構成された二次元配列アレイ方式であってもよく、さらに他の二次元配列アレイ方式であってもよい。
図３に示すように、本開示の第一実施例は、検知装置を提供する。第一実施例における検知装置２は、間隔を隔てて配列された一列のプローブ結晶（各プローブ結晶はシンチレーション結晶バー１０１１とカップリング接続された光電デバイス２０を含む）が配列されて構成された検知コリメートユニット１’（被検体３０に近接するため、検知コリメートユニットの前層とすることができる）と一列のプローブ結晶が緊密に配列されて構成された一つの検知コリメートユニット２’（被検体３０から離れるため、検知コリメートユニットの後層とすることができる）とを含む。検知コリメートユニット１’の存在により、検知コリメートユニット２’の所在位置で検知可能な一つのガンマ光子は、人体内１’’－７’’の異なる位置からの確率が異なる。ここで、位置３’’と位置５’’からの確率は大きく、１’’、２’’、４’’、６’’、７’’からの確率は小さい。本実施例では、検知コリメートユニット１’の存在により、検知コリメートユニット２’は、ガンマ光子の入射方向に対する識別能力やコリメート効果を有する。
上記検知コリメートユニット前層の設計は、同時に検知コリメートユニット後層の検知効率とガンマ光子の入射方向の識別能力に影響を与える。検知コリメートユニット前層の結晶アレイの配列ギャップが小さいほど、検知コリメートユニット後層のガンマ光子の入射方向の識別能力がよくなるが、検知効率が低下する。検知コリメートユニット前層の結晶の、光子入射方向に沿った厚さが大きいほど、検知コリメートユニット後層のガンマ光子の入射方向の識別能力がよくなるが、検知効率が小さい。図３は、シンチレーション結晶１０１領域のある横断面を示し、シンチレーション結晶バー１０１は人体の軸方向に沿って配列される。検知コリメートユニット１’における結晶間隔距離を調整することにより、それが検知コリメートユニット２’における結晶に対するコリメート効果を改善し、ガンマ光子の入射方向に対する検知コリメートユニット２’における結晶の識別能力を調整することができる。
図４に示すように、本開示の第二実施例は、検知装置を提供する。第二実施例における検知装置２は、二つの検知コリメートユニット層（交差配列された二列のプローブ結晶で構成された検知コリメートユニット前層と緊密に接続された一列のプローブ結晶で構成された検知コリメートユニット後層とを含むことに相当）で構成され、この実施例において、検知コリメートユニット１’と検知コリメートユニット２’の複数列の結晶効果により、光子が位置３’’からの確率が大きく、他の位置からの確率が小さい。すなわち、第一実施例に比べて、検知コリメートユニット後層のガンマ光子の入射方向の識別能力がより高いが、検知効率が相対的に小さくなる。しかし、検知コリメートユニット前層の検知効率が大きくなるため、検知装置の総検知効率が小さくならない。かつ、検知コリメートユニット前層における検知コリメートユニット１’の近位の一列のプローブ結晶は、遠位の一列のプローブ結晶に対しても、光子検知コリメートの役割も果たす。
本開示の一実施例において、シンチレーション結晶アレイ１０の複数のシンチレーション結晶１０１を配置する時に、複数のシンチレーション結晶１０１を完全に平行に配列することができない場合があり、ほぼ平行を満たすでもよく、すなわち、一部のシンチレーション結晶１０１は傾斜して設置されてもよく、他のシンチレーション結晶１０１との間に僅かに小さい傾斜角を形成することができ、例えば、傾斜角は０－１５°の範囲内のいずれか数を選択することができる。
図５に示すように、本開示の第三実施例は、検知装置を提供する。第三実施例の検知装置を構成するシンチレーション結晶アレイ１０において、間隔を隔てて設置されたシンチレーション結晶１０１の間に空気を充填する以外に、さらに低密度の軽量材質の充填物を有することによって、シンチレーション結晶１０１を安定させる。好ましくは、充填物は、樹脂、ポリエチレンプラスチック及び有機ガラスのうちの少なくとも一種の材質を含む。さらに、シンチレーション結晶アレイ１０の構造の安定性能を保証する前提で、中空設計を採用するか、又は充填物のサイズを変更して、ガンマ光子に対する減衰を減少させることができる。
本開示の別の実施例において、シンチレーション結晶アレイ１０において、間隔を隔てて設置されたシンチレーション結晶１０１の間に高密度の重金属材質を充填することができ、それとシンチレーション結晶１０１材料のガンマ光子に対する減衰係数に明らかな差異があり、すなわち、ＳＰＥＣＴ結像デバイスが放射源から放射されたガンマ線ｐの入射方向に沿って複数の検知コリメートユニットを間隔を隔てて配置する場合、ガンマ光子が近位検知コリメートユニットのシンチレーション結晶バー１０１１の領域を透過して遠位検知コリメートユニットに到達する確率とガンマ光子が近位検知コリメートの充填物領域を透過して遠位検知コリメートユニットに到達する確率が明らかに異なり、さらに、遠位検知コリメートユニットで検知されたガンマ光子に対して、異なる方向からの確率に明らかな差があり、それにより、遠位検知コリメートユニットに対する近位検知コリメートユニットのコリメート効果を強化することができる。ここでの近位検知コリメートユニット及び遠位検知コリメートユニットはいずれも相対的な概念に属し、具体的には、被検体３０を基準とし、被検体３０に近接する検知コリメートユニットは近位検知コリメートユニットと呼ばれ、被検体３０から離れた検知コリメートユニットは遠位検知コリメートユニットと呼ばれる。
図６に示すように、本開示の第四実施例は、検知装置を提供する。コリメート効果を強化するために、被検体３０に近接する最初の検知装置２（すなわち図６における検知コリメートユニット１’）と被検体３０との間に開孔された重金属コリメート３’を増設し、及び／又は、放射源から放射されたガンマ線ｐの入射方向に沿って隣接する二つの検知装置２の間（すなわち図６における検知コリメートユニット１’と検知コリメートユニット２’との間に）に開孔された重金属コリメート３’を増設し、及び／又は、各検知装置２の検知コリメートユニット層の間（複数の検知コリメートユニット層を含む検知装置の内部で、かつ任意の二つの検知コリメートユニット層の間に位置する）に開孔された重金属コリメート３’を増設することができる。また、増設された重金属コリメート３’はさらに後端検知コリメートユニットの空間識別効果を強化することができる。
さらに、一定の検知効率を保証するために、重金属コリメート３’の光子透過率は１％より大きい必要があり、すなわち、重金属コリメート３’の前面に入射した光子において、コリメートを透過して重金属コリメート３’の後面から出射された光子の割合は１％より大きい必要がある。重金属コリメート３’上の開孔は、スリット孔、角孔、丸孔、テーパ孔等のいずれであってもよい。
図７－図９に示すように、本開示の第五、第六及び第七実施例は、それぞれ、検知装置を提供する。以上の実施例のシンチレーション結晶アレイ１０の構造（各シンチレーション結晶１０１は独立したシンチレーション結晶バー１０１１である）とは異なり、この三つの実施例のシンチレーション結晶アレイ１０において、各シンチレーション結晶１０１は、接着剤によりスティッチングされた複数のシンチレーション結晶バー１０１１を含む。当然のことながら、それ以外に、本開示の他の実施例において、各シンチレーション結晶１０１は、一つの独立したシンチレーション結晶バー１０１１とスティッチングされた複数のシンチレーション結晶バー１０１１で共に構成されてもよい。
図９に示すように、本開示の第七実施例が提供する検知装置２は、一つの５０％の開孔率の重金属検知コリメートユニット３’、検知コリメートユニット１’が配列して検知コリメートユニット前層とし、及び、検知コリメートユニット２’を検知コリメートユニット後層とする。
重金属検知コリメートユニット３’と検知コリメートユニット１’の存在により、検知コリメートユニット２’上に検知された一つのガンマ光子は、人体内１’’－７’’の異なる位置からの確率が異なる。この実施例では、光子が位置３’’からの確率が大きく、他の位置からの確率が小さい。すなわち、第一実施例に比べて、検知コリメートユニット後層のガンマ光子の入射方向の識別能力がより高いが、検知効率が相対的に小さくなる。第五実施例に比べて、重金属検知コリメートユニット３’の存在により、検知装置２の総検知効率が小さくなる。しかし、重金属検知コリメートユニット３’は、検知コリメートユニット１’の一列のプローブ結晶に対してもコリメート作用を果たし、したがって、検知装置２のガンマ光子の入射方向に対する識別能力がより高い。
本開示の一実施例において、シンチレーション結晶バー１０１１の形状は、長方体に限定されず、円柱体又は他の形式の条状体であってもよく、本開示は、長方体、円柱体及び他の形式の帯状体のうちのいずれか一種又は複数種の形状のシンチレーション結晶バー１０１１を採用してシンチレーション結晶マトリックス１０を組み立てることができる。
本開示の一実施例において、複数の光電デバイス２０と複数のシンチレーション結晶バー１０１１の端面とをカップリングする方式は、限定されず、シンチレーション結晶バー１０１１の少なくとも一つの端面に光電デバイス２０がカップリングされればよい。全ての光電デバイス２０はいずれも全てのシンチレーション結晶バー１０１１の同一端の端面にカップリングされ、全てのシンチレーション結晶バー１０１１の他端は自由端であってもよい。上記第一実施例に示すカップリング方式、すなわち、一部の光電デバイス２０が全てのシンチレーション結晶１０１の同一端の端面にカップリングされ、残りの光電デバイス２０が全てのシンチレーション結晶１０１の他端の端面にカップリングされてもよい。さらに、一部の光電デバイス２０が一部のシンチレーション結晶１０１の同一端の端面にカップリングされ、残りの光電デバイス２０が該部分のシンチレーション結晶１０１の少なくとも一つのシンチレーション結晶１０１の他端の端面及び該部分のシンチレーション結晶１０１以外の残りのシンチレーション結晶１０１の他端の端面などにカップリングされてもよい。
第一実施例において、全てのシンチレーション結晶１０１の両端にカップリングされた二つの光電デバイス２０の出力信号は、共同で該検知コリメートユニット１においてガンマ光子イベントが作用する三次元空間位置を計算することに用いられ、これにより、ＳＰＥＣＴ結像機器又はシステムは三次元結像を実現する。具体的な計算式は以下のとおりである。
Figure 2023537997000002
式において、ＤＯＩは、ガンマ光子イベントが作用する三次元空間位置を示し、Ｅ１及びＥ２は、両端がカップリングされた光電デバイス上の信号幅値又は面積を示し、ｋ及びｂは適合係数であり、キャリブレーション測定実験によりフィッティングして得られ、その具体的なキャリブレーションフローは以下のとおりである。
１)コリメートされた放射源を検知コリメートユニット側に配置し、かつそれが検知コリメートユニットに入射したＤＯＩ位置を決定し、
２)複数のイベントを収集し、各イベントにＥ１、Ｅ２値を得ており、
３)各イベントの［数２］の値を計算する；
４)ＤＯＩ値と［数２］の値に基づいて一次多項式線形フィッティングを行い、フィッティング係数ｋ及びｂを求める。
Figure 2023537997000003
本開示の一実施例において、シンチレーション結晶バー１０１１の材質は、ＮａＩ、ＣｓＩ、ＬａＢｒ３、ＣＬＹＣ、ＢＧＯ、ＬＳＯ、ＬＹＳＯ、ＧＳＯ、ＹＳＯ、ＹＡＰ、ＧＡＧＧのうちのいずれか一種を選択することができ、当然のことながら、シンチレーション結晶アレイ１０における複数のシンチレーション結晶バー１０１１は同じ材質を選択して製造されてもよく、異なる材質を選択して製造されてもよい。異なる材質のシンチレーション結晶バー１０１１を選択する場合、そのガンマ光子に対する減衰比率が異なる。シンチレーション結晶バー１０１１の長さは限定されず、実際の応用状況に応じて合理的に選択することができる。
本開示の一実施例において、光電デバイス２０は、アバランシェ型フォトダイオードＡＰＤ、シリコンフォトマルチサイザーＳｉＰＭ、光電子増倍管ＰＭＴ、ガイガーモードアバランシェ型フォトダイオードＧＡＰＤ、固体光電子増倍体ＳＳＰＭのうちの少なくとも一種を選択することができる。検知装置において放射源から放射されたガンマ線ｐの入射方向に沿って複数の検知コリメートユニットを間隔的に設置する場合、ＰＭＴ装置を採用することに比べて、ＳｉＰＭ、ＡＰＤ、ＧＡＰＤ、ＳＳＰＭのうちのいずれか一つのデバイスを採用すれば、検知コリメートユニットの間の距離を減少させることができ、さらに検知装置又は全てのＳＰＥＣＴ結像機器のサイズ及び占有空間を減少させることができる。
図１０は、本開示の一実施例の弧状検知コリメートユニット層の構造概略図である。図１０に示すように、本開示の実施例の検知装置２は、複数の前記したいずれか一つの検知コリメートユニット１を含み、複数の検知コリメートユニット１は固定的に接続され、被検体２０の周りに取り囲まれる円弧状の分布になる検知コリメートユニット層を形成する。
本開示の他の実施例において、一つの検知装置２は、放射源から放射されたガンマ線ｐの入射方向に沿って間隔を隔てて設置された複数の検知コリメートユニット層を含み、複数の検知コリメートユニット層が位置ずれして配置されることにより、最後の検知コリメートユニット層の検知コリメートユニット１に少なくとも一つのシンチレーション結晶１０１が存在し、これにより、結像視野から一点放射されたガンマ光子が入射して最後の検知コリメートユニット層の該シンチレーション結晶に到達した伝送経路に、任意の光電デバイス又は回路基板材料を通過せず、このように、ガンマ光子はシンチレーション結晶アレイのシンチレーション結晶バー１０１１の側面に入射する時に、ガンマ光子損失を回避することができ、画像品質に影響を与えない。
本開示の実施例において、同一の検知コリメートユニット層を構成する複数の検知コリメートユニット１の間の固定接続方式は限定されず、例えば、接着剤又は固定接続部品により接続を実現すればよい。
本開示の実施例において、複数の検知コリメートユニット１を固定接続した後に被検体３０の周りに分布する形状（すなわち検知コリメートユニット層を形成形状）は円弧状に限定されず、円形（図１１参照）、多角形（例えば、正六角形又は正八角形等、図１２を参照）及び一部の多角形（即ち多角形の局所形状、例えば、正六角形又は正八角形の半分の形状）のうちのいずれか一種の形状であってもよい。
図１３は、本開示の一実施例のＳＰＥＣＴ結像システムの構造構成図である。図１４は、本開示の一実施例において二つの検知コリメートユニット層を含むＳＰＥＣＴ結像システムの構造概略図である。図１３、図１４に示すように、本開示の実施例のＳＰＥＣＴ結像システム３は、二つの検知コリメートユニット層を有する検知装置２、データ処理ユニット３０１、画像再構成ユニット３０２及び表示ユニット３０３を含む。当然のことながら、本開示の実施例の検知装置２を構成する検知コリメートユニット層の具体的な数及び構造は実際の応用状況に応じて設計することができる。
本開示の一実施例において、検知装置２の各検知コリメートユニット層は被検体３０の周りに選択的に回転することができ、例えば、被検体３０の周方向に沿って回転し、もちろんこれに限定されるものではなく、このようにシステムの柔軟性を向上させるだけでなく、異なるサイズの異なる構造の被検体３０の検出を容易にする。さらに、システム使用の柔軟性をさらに向上させるために、複数の検知コリメートユニット層の間の被検体３０の周りに回転する速度及び方向は同じであってもよく、異なってもよい。
本開示の別の実施例において、ＳＰＥＣＴ結像システム３は少なくとも二つの検知装置２を含み、隣接する二つの検知装置２は、放射源から放射されたガンマ線ｐの入射方向に沿って間隔を隔てて配置され、かつ放射源から放射されたガンマ線ｐの入射方向に沿って、被検体３０から離れた遠位検知装置は、被検体３０内の放射源から放射された、一つ又は複数の近位検知装置を通過したガンマ光子を受信しかつデジタル信号に変換するために用いられる。
本開示の一実施例において、ＳＰＥＣＴ結像システム３に要求される空間解像度及び画像信号対雑音比に基づいて各検知装置のＳＰＥＣＴ結像システム３における相対位置、隣接する二つの検知装置２の間隔、及び各検知コリメートユニット１におけるシンチレーション結晶バー１０１１の数、シンチレーション結晶バー１０１１のサイズ、シンチレーション結晶バー１０１１の配列方式パラメータを選択する。
以上のパラメータの選択は、結像システムの空間解像度と画像信号対雑音比特性との両方の間にトレードオフに選択する必要がある。以下のステップにより最適化して計算したことにより、ＳＰＥＣＴ結像システムの最終的な物理的構造を決定することができる。
１)結像視野領域を離散的な画像画素ユニットに分割し、ある一組のシステムによりパラメータ値を設計し、システム伝送行列Ａ={ａｉｊ}を計算し、ここで、ａｉｊは、結像システムにおいて画像画素ユニットｊから放射された光子がシンチレーション結晶バーｉにより検知された確率を表す。
２)一つの視野に満たす均一画像ベクトルｆを定義し、すなわち、ベクトルｆ中のｉ番目の要素が視野内にあれば、その値が１であり、そうでなければ、その値がゼロであり、結像システムがｆを測定して得られた投影データの期待値を計算する。
Figure 2023537997000004
ここで、〔・〕は行列にベクトルを乗算する操作である。システムがＩ個の検知ユニット、Ｊ個の画像ユニットを有すると仮定すると、ＡはＩ行×Ｊ列の行列であり、ｆは１行×Ｊ列の列ベクトルであり、ｙは１行×Ｉ列の列ベクトルである。
かつフィッシャー（Fisher）情報行列Ｆを計算する。
Figure 2023537997000005
ここで、Ａ’はＡの転置であり、［数５］はＩ行×Ｉ列の対角行列であり、その非対角線における元素は０であり、その第ｉ行第ｉ列における元素値はｙの第ｉ列における元素値の逆数である。
Figure 2023537997000006
３)システムローカル衝撃応答行列を計算する。
Figure 2023537997000007
ここで、Ｆ＋はＦのモル－ペデス（Moore-Penrose）の一般化の逆行列であり、ＬＩＲはＪ行×Ｊ列の行列である。ここで第ｊ（ｊ=１、…、Ｊ）列におけるＪ個の値は、視野空間のｊ番目の画像画素ユニットに一つの衝撃入力を与える時、結像システムが応答して出力された画像ベクトル値を示す。理想的には、第ｊ列におけるＪ個の値において、第ｊ行の値のみが１であり、残りの値が０であり、この時に結像システムの空間識別能力が最適である。結像システムの空間識別能力が有限である場合、第ｊ列の第ｊ行の値は０から１までの間の正の整数であり、かつその値が小さいほど、結像システムの衝撃応答の分布が広く、結像システムの空間識別能力が低くなることを示す。
４)ＬＩＲの対角線におけるｊ番目の元素の値を取り、Ｒｊと記し、結像システムのｊ番目の画素ユニットでの空間識別能力特性を示す。
５)ＬＩＲの各画像画素ユニットでの値をトラバースし、かつ平均を求める:
Figure 2023537997000008
［数７］，Ｒを結像システムの空間識別能力の評価指標とする。
６)共分散行列を計算する。
Figure 2023537997000009
ここで、ＣＯＶはＪ行×Ｊ列の行列である。ここで、その対角線におけるｊ番目の要素、即ちＣＯＶの第ｊ（ｊ=１、…、Ｊ）行、第ｊ（ｊ=１、…、Ｊ）列における値は、ｊ番目の画像画素ユニットの統計変動分散を示し、結像システムのノイズ感度程度を示す。その値が小さいほど、結像システムの測定データにおけるノイズに対する感受性が低くなり、画質が高くなることを示す。
６)ＣＯＶの対角線におけるｊ番目の元素の値を取り、Ｖｊと記し、ｊ番目の画素ユニットでの分散を代表する。
７)ＣＯＶの各画像画素ユニットでの値をトラバースし、かつ平均を求める:
Figure 2023537997000010
［数９］，Ｖを結像システムの測定データノイズに対する感度の評価指標とする。
８)異なる設計パラメータ値を取り、ステップ１）－７）を繰り返し、Ｒ値とＶ値を総合的に比較し、Ｒ値が相対的に大きくかつＶ値が相対的に小さいシステム設計パラメータの組み合わせをシステム構造の最適化設計結果として出力する。
本実施例のデータ処理ユニット３０１は、複数の検知装置２から出力されたデジタル信号を受信して処理し、各入射されたガンマ光子の入射情報を取得する。ここで、データ処理ユニット３０１は、各入射されたガンマ光子の情報データを取得し、各入射されたガンマ光子の位置、エネルギー及び時間等のデータを含む。
本実施例の画像再構成ユニット３０２は、データ処理ユニット３０１から出力された複数の入射されたガンマ光子の入射情報を受信して処理し、被検体３０内の放射源の分布情報を取得し、かつデジタル化画像を形成する。
さらに、画像再構成ユニット３０２は、解析再構成アルゴリズム、代数反復アルゴリズム又は統計反復再構成アルゴリズムを利用して、被検体内の放射源の分布情報を取得することができる。
ここで、解析再構成アルゴリズム、例えばフィルタ逆投影式は以下のとおりである。
Figure 2023537997000011
式において、ｆ（ｘ，ｙ）は再構成された画像であり、Ｐ（ω，θ）は画像投影の一次元フーリエ変換であり、|ω|はハイパスフィルタである。
代数反復アルゴリズム式は、以下のとおりである。
Figure 2023537997000012
式において、ｆｋはｋ回目の反復の画像であり、ｆｋ＋１はｋ＋１回目の反復の画像であり、Ｃは反復のシステム伝送行列であり、画像上の画素の投影への寄与を表し、λｋはｋ回目の反復時の緩和係数である。
統計反復再構成アルゴリズム式は、以下のとおりである。
Figure 2023537997000013
式において、［数１３］は画像上のｊ番目の画素がｋ回目の反復時の画素値を示し、ｃｉｊはシステム伝送行列において、第i行第ｊ列の値は、画像上のｊ番目の点がi番目の検知ユニットへの寄与を示し、［数１４］は画像上のｊ番目の画素がｋ＋１回目の反復時の画素値を示し、ｃｉｊはシステム伝送行列において、第i行第ｊ列の値であり、画像上のｊ番目の点がi番目の検知ユニットへの寄与を示す。
Figure 2023537997000014
Figure 2023537997000015
本実施例の表示ユニット３０３は、画像再構成ユニット３０２により形成されたデジタル化画像を受信して表示する。
また、本開示の実施例は、さらに、前述のいずれかのＳＰＥＣＴ結像システムを応用する結像方法を提供する。結像方法は、
被検体内の放射源から放射されたガンマ光子を受信してデジタル信号に変換するステップと、
前記デジタル信号を受信して処理し、各入射されたガンマ光子の入射情報を取得するステップと、
複数の入射されたガンマ光子の入射情報を受信して処理し、被検体内の放射源の分布情報を取得し、デジタル化画像を形成するステップと、
画像再構成ユニット３０２により形成されたデジタル化画像を受信して表示するステップと、を含む。
本開示の一実施例において、一つ以上の検知コリメートユニット層を含む複数の検知装置２は、被検体３０内の放射源から放射されたガンマ光子を受信してデジタル信号に変換することができる。デジタル処理ユニット３０１は、複数の検知装置２から出力されたデジタル信号を受信して信号を一つずつ処理し、各入射されたガンマ光子の位置、エネルギー、時間などの情報を取得することができる。画像再構成ユニット３０２は、単位時間内のデータ処理ユニット３０１から出力された複数のガンマ光子の位置、エネルギー、時間等の情報を受信することができ、画像再構成アルゴリズム（例えば、解析再構成アルゴリズム、代数反復アルゴリズム又は統計反復再構成アルゴリズム）により求め、被検体３０内の放射源の分布情報を取得し、同時にデジタル化画像を形成する。表示ユニット３０３は、画像再構成ユニット３０２で形成されたデジタル化画像を最終的に表示する。
本開示の実施例は、さらに、コンピュータ可読記憶媒体を提供し、コンピュータ命令が記憶され、コンピュータ命令が実行される時に以上の結像方法の各ステップを実行する。
本開示の実施例は、さらに、端末を提供し、メモリ及びプロセッサを含み、メモリにプロセッサで実行可能なコンピュータ命令が記憶され、プロセッサがコンピュータ命令を実行する時に以上の結像方法の各ステップを実行する。
以上説明したように、本開示の提供する検知コリメートユニット、検知装置及びＳＰＥＣＴ結像システムは、ガンマ線方向コリメートの効果を実現するだけでなく、光子検知の目的を達成し、画像品質に影響を与えない。そして、従来の放射線の通過を許可しない重金属コリメートを採用する結像システムと比較して、ガンマ光子の損失を回避することができるだけでなく、ガンマ光子の検知効率を大幅に向上させ、かつＳＰＥＣＴ結像システムを応用して結像する画像品質に影響を与えることがなく、同時に重金属コリメートにおいて複数の小平行孔又はピンホールを加工する加工プロセスの難しさを回避し、加工プロセスを簡略化する。
また、従来の結像におけるプローブ部分が本開示の検知装置であるように最適化することにより、システム感度及び識別度を実現すると同時に顕著に向上する。
Figure 2023537997000016
視野範囲及びシンチレーション結晶サイズなどのパラメータを合理的に設計することにより、本開示のＳＰＥＣＴ結像システムは、従来の重金属コリメートを設置する結像システム（ガンマ光子の検知効率が約０.０１％であり、システムの結像解像度が約１２ｍｍである）に比べて、ガンマ光子の検知効率（０.１％～１％以上に達することができる）及び解像度（０.１ｍｍ～１ｍｍよりも小さい）を大幅に向上させる。
上記具体的な実施形態は、本開示の保護範囲を限定するものではない。当業者であれば理解すべきこととして、設計要件及び他の要因に依存し、様々な修正、組み合わせ、サブコンビネーション及び代替を行うことができる。本開示の精神と原則内で行われた任意の修正、均等置換及び改善などは、いずれも本開示の保護範囲内に含まれるべきである。

Claims (14)

  1. 検知コリメートユニットであって、
    被検体（３０）内の放射源から放射されたガンマ光子を受信するためのシンチレーション結晶アレイ（１０）と、
    前記ガンマ光子を受信してデジタル信号に変換するための若干の光電デバイス（２０）と、を含み、
    前記シンチレーション結晶アレイ（１０）は、若干のシンチレーション結晶（１０１）を含み、前記若干のシンチレーション結晶（１０１）は大体平行でありかつ間隔を隔てて配置され、各前記シンチレーション結晶（１０１）は端面及び放射源から放射された放射線を受信可能な側面を有し、
    前記若干の光電デバイス（２０）は前記若干のシンチレーション結晶（１０１）の端面にカップリングされる
    ことを特徴とする検知コリメートユニット。
  2. 前記シンチレーション結晶アレイ（１０）は、二次元配列アレイであり、前記シンチレーション結晶アレイ（１０）は、放射源から放射されたガンマ線の入射方向に沿って配列された若干のシンチレーション結晶（１０１）、及び放射源から放射されたガンマ線の入射方向に垂直に配列された若干のシンチレーション結晶（１０１）を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の検知コリメートユニット。
  3. 前記シンチレーション結晶（１０１）は、少なくとも一つの独立したシンチレーション結晶バー（１０１１）及び／又はスティッチングされた複数のシンチレーション結晶バー（１０１１）を含む
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の検知コリメートユニット。
  4. 前記シンチレーション結晶バー（１０１１）の少なくとも一つの端面に光電デバイス（２０）がカップリングされる
    ことを特徴とする請求項３に記載の検知コリメートユニット。
  5. 前記シンチレーション結晶アレイ（１０）において、間隔を隔てて設置されたシンチレーション結晶（１０１）の間に充填物を有し、前記充填物は、樹脂、ポリエチレンプラスチック、有機ガラス及び重金属のうちの少なくとも一種材質を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の検知コリメートユニット。
  6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の若干の検知コリメートユニットを含む
    ことを特徴とする検知装置。
  7. 若干の前記検知コリメートユニットが固定的に接続され、被検体（３０）の周りに取り囲まれる円形、多角形、弧状及び一部の多角形のうちのいずれかの形状の分布になる検知コリメートユニット層を形成する
    ことを特徴とする請求項６に記載の検知装置。
  8. 前記検知装置は、放射源から放射されたガンマ線の入射方向に沿って間隔を隔てて設置された若干の検知コリメートユニット層を含み、若干の検知コリメートユニット層が位置ずれして配置されることにより、最後の検知コリメートユニット層の検知コリメートユニットに少なくとも一つのシンチレーション結晶（１０１）が存在し、結像視野から一点放射されたガンマ光子が入射して最後の検知コリメートユニット層の該シンチレーション結晶（１０１）に到達した伝送経路に、任意の光電デバイス（２０）又は回路基板材料を通過させない
    ことを特徴とする請求項７に記載の検知装置。
  9. 請求項６～８のいずれか一項に記載の検知装置（２）、データ処理ユニット（３０１）及び画像再構成ユニット（３０２）を含むＳＰＥＣＴ結像システムであって、
    前記データ処理ユニット（３０１）は、前記検知装置（２）から出力されたデジタル信号を受信して処理し、各入射されたガンマ光子の入射情報を取得し、
    前記画像再構成ユニット（３０２）は、前記データ処理ユニット（３０１）から出力された複数の入射されたガンマ光子の入射情報を受信して処理し、被検体（３０）内の放射源の分布情報を取得し、かつデジタル化画像を形成する
    ことを特徴とするＳＰＥＣＴ結像システム。
  10. 前記検知装置（２）の各検知コリメートユニット層は、前記被検体（３０）の周りに選択的に回転する
    ことを特徴とする請求項９に記載のＳＰＥＣＴ結像システム。
  11. 前記ＳＰＥＣＴ結像システムは、放射源から放射されたガンマ線の入射方向に沿って間隔を隔てて設置された少なくとも二つの検知装置（２）を含み、かつ放射源から放射されたガンマ線の入射方向に、被検体（３０）から離れた遠位検知装置は、被検体内の放射源から放射された、一つ又は複数の近位検知装置を通過したガンマ光子を受信してデジタル信号に変換する
    ことを特徴とする請求項９に記載のＳＰＥＣＴ結像システム。
  12. 前記ＳＰＥＣＴ結像システムに要求される空間解像度及び画像信号対雑音比に基づいて、各検知装置の前記ＳＰＥＣＴ結像システムにおける相対位置、隣接する二つの検知装置（２）の間隔、及び各検知コリメートユニットにおけるシンチレーション結晶バー（１０１１）の数、シンチレーション結晶バー（１０１１）のサイズ、シンチレーション結晶バー（１０１１）の配列方式パラメータを選択する
    ことを特徴とする請求項９に記載のＳＰＥＣＴ結像システム。
  13. 被検体に近接する最初の検知装置（２）と被検体（３０）との間に、及び／又は、放射源から放射されたガンマ線の入射方向に隣接する二つの検知装置（２）の間に、及び／又は、各検知装置（２）の検知コリメートユニット層との間に、開孔された重金属コリメート（３’）が設置される
    ことを特徴とする請求項９に記載のＳＰＥＣＴ結像システム。
  14. 前記重金属コリメート（３’）の光子透過率が１％より大きい
    ことを特徴とする請求項１３に記載のＳＰＥＣＴ結像システム。
JP2023509847A 2020-08-19 2021-08-12 検知コリメートユニット、検知装置及びｓｐｅｃｔ結像システム Pending JP2023537997A (ja)

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