TWI465757B - 單光子電腦斷層掃描儀以及其掃描方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種單光子電腦斷層掃描儀以及其掃描方法，尤其是指一種利用射束檔塊來吸收放射線之單光子電腦斷層掃描儀以及其掃描方法。
由於分子影像(molecular imaging)中的單光子放射電腦斷層掃描(SPECT,single photon emission computed tomography)所使用的同位素具有半衰期較長，不需要加速器、即時生產之優點，因此在使用上較為普及。近年來，由於動物實驗需要高解析度之影像，單光子放射電腦斷層掃描儀已經成為目前普遍使用之儀器。
目前的高解析度單光子放射電腦斷層掃描係使用針孔準直器(pinhole collimator)，由於原子序與密度越高之物質能吸收越多的放射線，一般來說，針孔準直器都是利用高原子序及高密度之物質所製成，因此不僅昂貴且製作費時。此外，由於單光子放射電腦斷層掃描時需要旋轉待測物或是將針孔準直器與偵檢器(detector)對著待測物旋轉，以擷取180度之投影數據(projection data)，當針孔準直器對著待測物旋轉時，由於相當笨重，很容易因機械製作不夠精準而在影像上產生假影。
為了避免因為針孔準直器旋轉而造成的影像誤差，目前市面上已有利用鎢製作的中空圓柱體，在中空圓柱體上嵌有75個由金子作成的針孔，這些針孔以多圈環狀排列的方式均勻分布在圓柱體上，並且每個針孔都對焦在一照野的(FOV,field of view)中心，使用時將待測物置放於此中心，放射線即從此中心放射出，通過每個針孔後成像於偵檢器上，由於此針孔準直器具有多個針孔環繞於待測物，掃描時單光子放射電腦斷層掃描儀係維持固定，並不需旋轉待測體或針孔準直器與偵檢器，並且可同時得到75組不重疊(non-overlapping)的投影數據，藉此即可重建出高解析度之斷層影像。但是上述之針孔準直器由於針孔非常細小，寬度低於一毫米，故其製作難度較高並且成本相當昂貴。
綜合上述，因此亟需一種製造成本低廉、製作簡單且亦具有高解析度之單光子電腦斷層掃描儀以及其掃描方法來解決習用技術所產生之問題。
本發明係為一種單光子電腦斷層掃描儀及其掃描方法，其係利用由高原子序及高密度之物質所製成之射束擋塊，於掃描過程中吸收放射線，藉由在不同角度上掃描待測物時，分別加入或移除射束擋塊，再將有、無射數擋塊的投影數據結果相減，估計出放射線自焦點(FOV)射出的投影數據，而利用影像重建原理得到高解析度的影像。
本發明提供一種單光子電腦斷層掃描儀，其係包括：一承載台；至少一偵檢器，其係設置於該承載台之周圍；至少一射束檔塊，其係設置於該至少一偵檢器與該承載台之間；一信號處理裝置，其係與該至少一偵檢器之訊號相連接；以及一電腦裝置，其係電訊連接於該信號處理裝置。
本發明更提供一種單光子電腦斷層掃描方法，其係使用一單光子電腦斷層掃描儀來掃描一待測物之影像，該單光子電腦斷層掃描儀活動設置有至少一射束檔塊，該單光子電腦斷層掃描方法包含下列步驟：使用該單光子電腦斷層掃描儀來擷取不含該射束檔塊時，該待測物於至少一種角度的影像；使用該單光子電腦斷層掃描儀來擷取包含該射束檔塊時，該待測物於該至少一種角度的影像；將不含該射束檔塊時所擷取之影像結果減去含有該射束檔塊時所掃描所擷取之影像結果；以及重建該待測物之電腦斷層影像。
為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之系統的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：
請參閱圖一，圖一係為本發明單光子電腦斷層掃描儀之第一實施例示意圖。本發明提供一種單光子電腦斷層掃描儀1，其係包括：一承載台10，至少一偵檢器11，至少一射束檔塊12，一信號處理裝置13以及一電腦裝置14。該至少一偵檢器11設置於該承載台10之周圍；該至少一射束檔塊12設置於該至少一偵檢器11與該承載台10之間；該信號處理裝置13與該至少一偵檢器11之訊號相連接；該電腦裝置14電訊連接於該信號處理裝置13。其中，該信號處理裝置13包含一信號轉換與放大裝置130以及一信號過濾裝置131，於本實施例中，該信號轉換與放大裝置130為光電倍增管，該信號過濾裝置131為能量鑑別與定位儀(Energy discrimination and positioning electronics)。光電倍增管用以將偵檢器所發出的光線轉成電子信號，並放大約數十萬倍；而能量鑑別與定位儀可算出光子到達時的位置，且藉由檢驗光子到達時的能量是否在特定範圍之內，來判斷哪些為可使用之光子，若光子之能量太低，則可能是散射的光子而被排除；該電腦裝置14用來處理該信號處理裝置13所輸出之資訊，一般來說，係使用濾器反投影法(filtered back-projection)或是ML-EM法(maximum likelihood expectation maximization)來重建該待測物0之電腦斷層影像。
於本實施例中，該射束檔塊12係活動設置於該偵檢器11與該承載台10之間，也就是說，該射束檔塊12可視操作者之需求來拆卸或放置，使掃描時可視需求包含該射束檔塊12或是不含該射束檔塊12，另外，放置的位置也可視操作者之需求而異，例如，可將該射束擋塊12之距離移動，使得該偵檢器11到該射束擋塊12之距離大於該射束擋塊12到該待測物0之距離時，而可以得到放大之影像。這邊需要說明的是，圖一中雖設置有多個射束擋塊12，但亦可僅設置單一個射束擋塊12，該射束擋塊12之數量不以圖面為限。
操作者可利用本發明之單光子電腦斷層掃描儀1，來分別擷取在不同角度上掃描該待測物0時，有包含該射束擋塊12與未包含該射束檔塊12之影像，將未包含該射束檔塊12之影像減掉包含該射束擋塊12之影像後，再利用一般影像重建(reconstruction)方法，來得到高解析度之活度分佈影像，藉此重建出待測物0內部的活度分佈，為了方便擷取多個角度之影像，本實施例中包含一旋轉支架15，該旋轉支架15連接於該偵檢器11與該射束檔塊12，該旋轉支架15可使該偵檢器11與該射束檔塊12繞著該承載台10轉動，以便進行多角度影像擷取。由於該射束檔塊12之功能在於在掃描過程中吸收放射線，故該射束檔塊12之材料係為高原子序及高密度之物質所製成，本實施例中該射束檔塊12之材料係為鎢，但該射束檔塊12之材料不以此為限。
圖二係為本發明單光子電腦斷層掃描儀之第二實施例示意圖。本實施例當中，係包含一致動件16，該致動件16連接於該承載台10，使該承載台10可旋轉。本實施例與上一實施例之差異在於，上一實施例係透過該旋轉支架15來使該偵檢器11與該射束檔塊12旋轉，而本實施例中，係由旋轉該承載台10來取得待測物0之多個角度的影像。
圖三係為本發明單光子電腦斷層掃描儀之第三實施例俯視示意圖。為了提高偵測效率，於本發明之第三實施例中，說明了多組系統，每組均包含至少一射束擋塊12、至少一偵檢器11以及一信號處理裝置13，將多組系統置放於該待測物0之周圍，即可直接擷取該待測物0之特定角度的影像，每一信號處理裝置13均連接於一電腦裝置14，將掃描結果傳輸置該電腦裝置14進行影像處理，圖三中設有四組系統，但系統的組數、設置的間距以及與待測物0間的位置不以此為限制。故使用此儀器時可將射束擋塊12移至適合位置，藉由改變模組的視野，來增加投影數據的採樣空間，使得系統不必旋轉即可重建出清晰的影像。
圖四係為本發明單光子電腦斷層掃描儀之第四實施例俯視示意圖。於本實施例中，將該待測物0置於中心位置，該複數個射束檔塊12環狀設置於該待測物0之外側，本實施例中將複數個射束檔塊12均勻地嵌在一空心柱體之壁面上，來使該複數個射束檔塊12環狀設置於該待測物0之外側，由於欲使放射線僅被該射束擋塊12吸收，故該空心柱體便設計為低原子序、密度物質所製成，本實施例中，該空心柱體之材質為碳纖，但不以此為限，並且將該複數個射束檔塊12環狀設置於該待測物0之外側之方式也不以此為限。此外，為使通過各射束檔塊12之放射線在偵檢器11上之投影不致重疊，每一射束檔塊12之間維持一定距離；再將一屏蔽層17設置於該複數個射束檔塊12之外圍，該屏蔽層17之形狀為一空心柱體，該屏蔽層17之壁面上具有複數個開口170，由於該屏蔽層17的作用是阻止焦點以外，也就是待側物0位置之外的射線進入該偵檢器11，故該屏蔽層17是由重金屬製成，本實施例中，該屏蔽層17之材質為鎢，但該屏蔽層7之材質不以為限，而該屏蔽層17上每一開口170的位置均對應於放射線通過每一射束擋塊12後之投影位置，因此，自焦點發出之放射線，通過該射束檔塊12所設置之位置後便會穿過該開口170而打到該偵檢器11；而該偵檢器11設置於該屏蔽層17之外圍，本實施例中，該偵檢器11為空心圓柱體的形狀，但該偵檢器11之形狀亦可為由多個平面之偵檢器11組成的多角形，由於此系統中，自焦點以放射狀發出之放射線，以多個方向地通過該射束擋塊12、該屏蔽層17之該開口170而到達該偵檢器11，因此，此系統不必旋轉便可同時偵測到多個角度之投影數據，再經過重建後即可得到高解析度影像。
由於該射束擋塊12的形狀會影響掃描結果之解析度，較佳之射束擋塊12形狀可參考圖五A、圖五B與圖五C所示，其係為本發明之射束檔塊示意圖。在圖五A中可見，該射束檔塊12為一錐體，該錐體之底面為圓弧面，其中，若將該錐體作一通過該錐體尖端之截面，此截面會呈現一扇形，若欲得到較高之解析度，可縮小該扇形之夾角，以提高影像解析度；另外，本發明之射束檔塊12形狀，亦可如同圖五B，為兩個頂點相對之圓錐體，圖五A與圖五B中該射束擋塊12之形狀，與目前的針孔準直器之形狀相反，也就是與針孔準直器之針孔形狀相同，由於針孔準直器係讓放射線僅得以通過針孔位置，而該射束擋塊12係將所通過之放射線吸收，因此，若使用此兩種形狀之射束擋塊12，搭配在不同角度上分別對有、無設置射束擋塊12的待側物0來進行掃描，將有、無射束擋塊12的投影數據相減，便可以在低成本的條件下得到與針孔準直器相近的偵測結果。
圖五C中之射束擋塊12為兩個互相垂直並且不相交之長條形射束檔塊12，此兩個長條形之射束擋塊12分別與該待側物0存在不同的距離，此種類型之射束擋塊12可視操作者之需求，藉由變換兩個射束擋塊12的距離來調控，來調整該待側物0在該偵檢器11上橫軸與縱軸的放大倍率，其中該射束檔塊12之截面為扇形或是三角形。
圖六係為單光子電腦斷層掃描方法之流程示意圖。本發明更提供一種單光子電腦斷層掃描方法2，其係使用一單光子電腦斷層掃描儀1來掃描一待測物0之影像，該單光子電腦斷層掃描儀1活動設置有至少一射束檔塊12，該單光子電腦斷層掃描方法2包含下列步驟：步驟20係為使用該單光子電腦斷層掃描儀來擷取不含該射束檔塊時，該待測物於至少一種角度的影像；步驟21係為使用該單光子電腦斷層掃描儀來擷取包含該射束檔塊時，該待測物於該至少一種角度的影像；步驟22係為將不含該射束檔塊時所擷取之影像結果減去含有該射束檔塊時所掃描所擷取之影像結果；步驟23係為以及重建該待測物之電腦斷層影像。
一般來說係利用濾器反投影法(filtered back-projection)或是ML-EM法(maximum likelihood expectation maximization)來重建該待測物之電腦斷層影像。
本發明之單光子電腦斷層掃描儀搭配其掃描方法即可得到高解析度之影像，相較於習知利用針孔準直器之單光子電腦斷層掃描儀，由於所需之高原子序與高密度的物質較少，因此具有體積與重量較輕、製作容易、成本低廉之優點。此外，由於射束擋塊輕巧，掃描時可以隨著待測物的形狀或是使用者所需放大之影像的程度來調整擺放位置，故有應用上較靈活之優勢。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
0．．．待測物
1．．．單光子電腦斷層掃描儀
10．．．承載台
11．．．偵檢器
12．．．射束檔塊
13．．．信號處理裝置
130．．．信號轉換與放大裝置
131．．．信號過濾裝置
14．．．電腦裝置
15．．．旋轉支架
16．．．致動件
17．．．屏蔽層
2．．．單光子電腦斷層掃描方法
20~23．．．步驟
圖一係為本發明單光子電腦斷層掃描儀之第一實施例示意圖。
圖二係為本發明單光子電腦斷層掃描儀之第二實施例示意圖。
圖三係為本發明單光子電腦斷層掃描儀之第三實施例俯視示意圖。
圖四係為本發明單光子電腦斷層掃描儀之第四實施例俯視示意圖。
圖五A係為本發明之射束檔塊示意圖。
圖五B係為本發明之射束檔塊示意圖。
圖五C係為本發明之射束檔塊示意圖。
圖六係為單光子電腦斷層掃描方法之流程示意圖。
0．．．待測物
1．．．單光子電腦斷層掃描儀
10．．．承載台
11．．．偵檢器
12．．．射束檔塊
13．．．信號處理裝置
130．．．信號轉換與放大裝置
131．．．信號過濾裝置
14．．．電腦裝置
15．．．旋轉支架
Claims (15)
- 一種單光子電腦斷層掃描儀，其係包括：一承載台；至少一偵檢器，其係設置於該承載台之周圍；至少一射束檔塊，其係設置於該至少一偵檢器與該承載台之間，該射束檔塊為兩個頂點相對之圓錐體；一信號處理裝置，其係與該至少一偵檢器之訊號相連接；以及一電腦裝置，其係電訊連接於該信號處理裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中更包含一旋轉支架，該旋轉支架連接於該偵檢器與該射束檔塊，該旋轉支架可使該偵檢器與該射束檔塊繞著該承載台轉動。
- 如申請專利範圍第1項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中更包含一致動件，該致動件連接於該承載台，使該承載台可旋轉。
- 如申請專利範圍第1項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中該至少一偵檢器為環狀設置於該承載台之外圍，且該單光子電腦斷層掃描儀包含複數個射束檔塊，該複數個射束檔塊環狀設置於該至少一偵檢器與該承載台之間。
- 如申請專利範圍第4項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中更包含一屏蔽層，其係為一空心柱體，該空心柱體之壁面上具有複數個開口，該屏蔽層設置於該複數個射束檔塊與該至少一偵檢器之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中該射束檔塊係活動設置於該偵檢器與該承載台之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中該射束檔塊係由高原子序之材料所製成。
- 如申請專利範圍第7項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中高原子序之材料係為鎢。
- 如申請專利範圍第1項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中該射束檔塊為一錐體，該錐體之底面為圓弧面。
- 如申請專利範圍第1項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中該信號處理裝置包含一信號轉換與放大裝置以及一信號過濾裝置。
- 如申請專利範圍第10項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中該信號轉換與放大裝置為光電倍增管，該信號過濾裝置為能量鑑別與定位儀(Energy discrimination and positioning electronics)。
- 如申請專利範圍第1項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中具有兩個射束檔塊，每一射束檔塊為長條形，彼此互相垂直並且不相交。
- 如申請專利範圍第12項所述之單光子電腦斷層掃描儀，其中該射束檔塊之截面為扇形或是三角形。
- 一種單光子電腦斷層掃描方法，其係使用一單光子電腦斷層掃描儀來掃描一待測物之影像，該單光子電腦斷層掃描儀活動設置有至少一射束檔塊，該射束檔塊為兩個頂點相對之圓錐體，該單光子電腦斷層掃描方法包含下列步 驟：使用該單光子電腦斷層掃描儀來擷取不含該射束檔塊時，該待測物於至少一種角度的影像；使用該單光子電腦斷層掃描儀來擷取包含該射束檔塊時，該待測物於該至少一種角度的影像；將不含該射束檔塊時所擷取之影像結果減去含有該射束檔塊時所掃描所擷取之影像結果；以及重建該待測物之電腦斷層影像。
- 如申請專利範圍第14項所述之單光子電腦斷層掃描方法，其中係利用濾器反投影法(filtered back-projection)或是ML-EM法(maximum likelihood expectation maximization)來重建該待測物之電腦斷層影像。
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