CN101176016A - 用于核医疗的多罩体探测器 - Google Patents

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Abstract

一种成像系统(10)包括至少一个辐射探测器单元(16)，设置在视野(20)附近以探测和测量来自视野(20)的辐射。所述探测器单元(16)包括多个探测模块(18)，其中每个模块探测来自视野(20)预定区域的辐射，每个区域为视野的一部分。一个或多个针孔(52)与探测器单元(16)相关联。每个针孔(52)接收来自视野(20)预定区域的辐射且将辐射传送到一个或多个相关联的探测模块(18)。

Description

用于核医疗的多罩体探测器
本发明涉及诊断成像系统和方法。它具有结合单光子发射计算机断层摄影系统(SPECT)的特殊应用，且将特别参考SPECT来对其进行描述。可以理解，本发明也可以应用于其它成像系统，诸如正电子发射X射线层析照相术(PET)等。
核医疗成像利用辐射源来对患者进行成像。典型地，放射性药物被注入患者体内。放射性药物混合物包含有放射性同位素，其在预知速率和特征能量下进行伽马射线衰变。一个或多个辐射探测器被放置在患者附近以监视和记录发射出来的辐射。有时，探测器围绕患者旋转或指示以监视从多个方向发射出来的辐射。基于诸如探测到的位置和能量等信息，确定人体内的放射性药物的分布和重构分布的影像，以研究循环系统、选定器官或组织的放射性药物吸收，等等。
典型地，在SPECT成像中，准直器放置在探测器前面以控制辐射方向和角展度，其中探测器各元件可从所述交展度接收辐射展开。准直器典型地包括彼此平行设置的板或隔片。然而，这种准直器引入个别探测器元件或象素的盲区。在将诸如In-111、Ga-67或I-131等产生高能光子的放射性药物用于成像时，这个问题尤其突出。高能光子需要较厚的隔板以有效提供理论上的平行准直。
一种解决方案是使用针孔准直器。典型地，放置针孔准直器使之与待检查的对象和探测器之间都存在一定距离，例如非常靠近视野(field of view)。针孔功能，其类似于原始的针孔照相机，用起来象透镜一样，将整个视野“聚焦”在探测器上。靠近视野放置的这种针孔具有相对大的张角以覆盖整个视野。少量的针孔和大的张角，结合对于非垂直探测器几何结构来说探测器效率与COS3θ有关，其导致低的平均效率，可以解释为什么具有低的系统效率。在针孔数量较大的情况下，要将针孔圆柱体放置成更远离视野，且探测器面积变大了。如果针孔圆柱体与视野(FOV)中心之间的距离大于FOV自身的半径，可以实现多个针孔的圆柱形结构。随着针孔数量的增加，系统效率也得到增加，但是探测器的周长和整体面积也显著增加，这是费钱的。
本发明提供一种新的改进的成像装置和方法，其克服了前述的问题和其它方面。
根据本发明的一个方面，公开了一种成像系统。至少一个辐射探测器单元设置在视野附近以探测和测量来自视野的辐射。探测器单元包括多个探测模块。每个探测模块探测来自视野预定区域的辐射，其中每个区域为视野的一部分。一个或多个针孔与该探测器单元相关联。每个针孔接收来自视野预定区域的辐射，并将辐射传送给一个或多个相关的探测模块。
根据另一个方面，公开了一种成像方法。用多个探测模块来探测来自设置在视野内对象的穿过一个或多个针孔的辐射，每个探测模块探测来自视野预定区域的辐射，其中每个区域为视野的一部分。
根据又一个方面，公开了一种诊断成像装置。台架组件在围绕视野的多个坐标上支撑至少一个探测器单元。每个探测器单元包括多个二维探测器模块和限定出一个或多个孔的准直器板。孔的数量等于或小于探测器模块的数量。探测器模块相对于准直器板设置，以使每个探测器接收穿过单个孔且仅来自视野的一部分的辐射。重构处理器将来自探测器模块的信号重构成图象表示。
本发明的一个优点在于增加系统效率。
另一个优点在于对大视野进行近场成像。
又一个优点在于维持探测器面积。
基于阅读和理解下面优选实施例的详细说明，对本领域普通技术人员而言本发明的其它优点和好处将是显而易见的。
本发明可以以各种零件和零件排列，以及各种步骤和步骤排列来成形。附图仅用于说明优选实施例，且不被解释为对本发明的限制。
图1是成像系统的示意图；
图2A是探测头和针孔准直器的一种排列的示意图；
图2B是探测头和针孔准直器的另一种排列的示意图；
图3A示意性地示出了单针孔准直器的几何结构；以及
图3B示意性地示出了三孔针孔准直器的几何结构。
参见图1，核成像系统10典型地包括支撑旋转台架14的固定台架12。各自包括多个探测头或摄像机18的一个或多个探测器单元16由旋转台架14承载，用以探测从感兴趣区域或检查区域或视野(FOV)20中发出的辐射事件。探测单元16通常围绕视野20沿圆周设置。
典型地，成像对象被注入一种或多种放射性药物或放射性同位素，且被放置于由躺椅28支撑的检查区域20中。这种同位素的一些实例包括Tc-99m，I-131，Ga-67和In-111。存在于对象内的放射性药物产生从对象发射的辐射。探测单元16探测辐射，这些探测单元可以围绕检查区域20被角度地指示或旋转，以在一个或多个选定投影方向上收集投影发射数据。投影发射数据，例如坐标(x，y)、能量(z)和围绕检查区域20的各探测单元16的角坐标(θ)(例如，可从角坐标解算器30中获得)，存储在数据存储器32中。重构处理器36处理来自数据存储器32的事件和探测器方位数据，将其转换为体积图像表示。该图像表示存储在图像存储器38中供视频处理器40处理并显示在诸如视频监视器、打印机等图像显示器42上。
继续参见图1，并进一步参见图2A和2B，各探测器单元16的探测头18设置在大致为半球形或圆柱形的表面上。这种探测头优选是较小的，例如有约为20×20cm的有效面积。每个探测头18包括探测元件或探测器44的二维阵列，探测元件或探测器44诸如闪烁体或光敏元件，如光电培增管、光电二极管等。也可预想到是诸如CZT元件这样的直接的光-电转换器。每个探测头18包括用于将各辐射响应转换成指示其在探测器表面上的坐标(x，y)和其能量(z)的数字信号的电路46。事件在探测器44上的坐标是在具有标称的X和Y坐标的二维(2D)笛卡尔坐标系中被解算和/或确定的。然而，可以预想到，还可以使用其它坐标系。在各探测器单元16中，准直器48控制探测器44各元件可接收辐射的方向和角展度，即，探测器44仅可沿着已知光线接收辐射。因此，探测器44上对辐射进行探测的确定坐标、探测单元16中探测器的位置以及探测单元的角坐标限定出标称(nominal)光线，其中各辐射事件沿着该光线发生。如下面所讨论的那样，在一个实施例中，准直器48采用针孔准直。在另一个实施例中，准直器48采用狭条状狭缝或扇状狭缝准直，其中轴向针孔宽度的狭缝具有横向于轴向方向Z的准直器狭条。狭条状狭缝和扇状狭缝准直技术是在本领域公知的。
各探测器单元16的准直器48包括一个或多个针孔52。在一个实施例中，针孔52为实际的针孔，且提供了真正的3D针孔准直。在另一个实施例中，针孔52为狭缝，且提供了在横向于轴向方向Z的方向上的针孔准直。在轴向方向Z上，准直为狭条状准直，例如针孔狭缝在Z方向上延伸且狭条沿圆周延伸。可以通过本领域公知的狭条或扇状光束准直来提供额外的准直。在一个实施例中，探测器单元16的单环在可旋转台架14上旋转。
在针孔的实施例中，探测器44沿着分段连续的弧放置，例如图2A中所示的三个探测器。在狭缝在轴向上长于探测器44的针孔狭缝的实施例中，相应的多个探测器沿着分段连续的圆柱体轴向设置。在真正的针孔准直器中，探测器可沿着分段连续的半球形部分放置，例如其在轴向和横向方向上都具有如图2A中所示的横截面。
可以选定针孔52的尺寸和视野与探测器之间的几何结构，以限定出较小的视角afan，例如小于40度。在一个实施例中，针孔与视野中心的距离d和摄像机与视野中心的距离d1之间的比例等于或大于2/3。具有探测器单元16的准直器48被移离视野20的中心54且更接近探测头18，以改善探测器单元16的效率。
继续参见图2A，所示的探测器单元16的摄相机18与单个针孔52相关联。视野20被分割成相等的横切部分201、202、203，从而使得各摄像机18观察到视野20的相等受限部分。在图2A所示出的示例性实施例中，三个摄像机18中的每一个观察视野的1/3。如果在半球形表面上的探测器单元16中装配有9个摄像机，那么每个摄像机观察到视野的1/9。这样避免了小的入射角，并得到如下面讨论那样的增强的系统效率。
再次参见图2B，探测器单元16的各个示出的摄像机18与单个针孔521、522、523相关联。选定针孔之间的距离，使得各针孔521、522、523观察到与图2A相同的视野，例如视野20的1/3。如下面结合图3A进行讨论的那样，限定有针孔的结构的有效厚度趋向于使由侧向的摄像机所看到的有效针孔要比由中间的摄像机所看到的有效针孔小。图2B中的各摄像机18具有相同的空间分辨率。优选地，屏蔽或散射板56安置于针孔521、522、523之间，以将辐射引入合适的针孔并防止由“正确的”针孔传送的辐射到达不相关联的探测头。当然，可以预想到，可以使用其它数量的针孔，诸如例如两个针孔。
参见下面的表1，计算了三种不同的多针孔几何结构的参数。为了计算的简化，针孔概念几何结构仅在Z方向上得到计算，类似于应用在如上讨论的狭条状狭缝和扇状狭缝准直概念中的几何结构。这些实例中的视野具有100mm的直径，且由8、12或16个针孔进行成像。针孔与FOV中心的距离d分别等于60、70或80mm。如上所述，在传统概念中，在使用大探测器的系统里，针孔被放置在FOV附近(d＝60mm)，因此针孔的张角afan必须较大(113度)以覆盖整个FOV。仅可沿圆周围绕视野设置大约8个针孔或可替换成狭缝。圆柱体上的探测器数量较少和大的针孔张角导致低的平均效率，从而说明了关于非垂直的探测器结构的Cos3θ相关性。因此，系统效率受到限制。假设在狭条(slat)状狭缝(slit)几何结构中，狭条(slat)的板厚为0.15mm，则该系统效率等于20.6cps/MBq。
如表1所示，在针孔与FOV中心的距离d分别增加为70mm或80mm时，可以围绕圆周设置12或16个针孔。系统效率分别增加到28.8cps/MBq和32.8cps/MBq。然而，为增加系统效率而付出的牺牲是探测器周长和探测器面积的显著增加。
表1的最后一行给出了关于采用12个三元组探测器单元16的系统的数据，其中每个探测器单元包括三个探测头18。针孔52到视野中心54的距离d等于60mm，针孔的张角afan较小，例如等于37.6度，且探测器周长保持较小，例如等于490mm。然而，系统效率增加到53.0cps/MBq。
表1
针孔与FOV中心的距离d  探测器周长  张角afan   模块效率  系统效率
 8个针孔 60mm  482mm  113°/0.55   2.58  20.6
 12个针孔 70mm  572mm  91.2°/0.70   2.40  28.8
 16个针孔 80mm  683mm  77.4°/0.78   2.05  32.8
 12个三元组单元 60mm  490mm  37.6°/0.95   4.41  53.0
参见图3A和3B，准直器48包括沿轴向方向Z延伸的板60。板60由钨或其它合适的材料制成。针孔52被加工成金或其它合适的材料的块或圆盘62，以形成限定出针孔开口d2的相对针孔边缘64。具有针孔52的块62安置在设于板60中的凹部(未示出)内。在一个实施例中，针孔圆盘62由定位环紧固，且在要求可变换孔径尺寸时可以被调换。针孔52的开口或孔的物理尺寸d2优选地较小且取决于对对象进行成像所要获得的空间分辨率。在一个实施例中，针孔52的物理尺寸d2为大约1mm至大约7mm。当然，还可以预想到，针孔52的尺寸可以非常小，为0.2mm，从而以高分辨率对非常小的对象进行成像。
继续参见图3A和再次参见图2A，单个针孔52具有这样的几何结构，其中针孔52的边缘64在从靠近视野20的第一或光子进入侧70和更靠近探测头的第二或光子离开侧72被成形为漏斗形状或“V”形形状，这限定了在狭缝准直几何结构中沿轴向方向Z延伸的第一和第二漏斗。相对于图3A中所示的中间摄像机，边缘的逐渐缩减扩大了侧向摄像机所观察到的针孔有效尺寸。此外，与侧向摄像机最靠近准直器的部分相比，侧向摄像机最接近中心的区域看到了更大的有效针孔。
再参见图2B和3B，针孔结构74包括三个针孔521、522、523，其中各针孔521、522、523与探测头18相关联。对金或其它材料的块62进行加工以形成边缘64和限定出每个针孔521、522、523的相等孔d2。边缘64可以环形地、三角形地或以任何其它合适形状成形，以形成具有预定尺寸和几何结构的孔d2。各板60包括成对的第一和第二部分80、82。将各对第一和第二部分80、82定位成彼此相互平行且正交于相关联的针孔521、522、523。以这种方式，各相邻对的第一和第二部分80、82彼此成角度地定位。各摄像机以与其相关联的针孔的中心线为中心并垂直于该中心线设置。以这种方式，各摄像机通过具有同样有效尺寸的孔观察它那部分视野。此外，对于所有的摄像机而言，视野中心与摄像机之间的尺寸d1，和视野中心与针孔之间的距离d都是一样的。因此，各摄像机具有同样的分辨率。
可选择地，摄像机具有不同的分辨率或效率可能是有利地。例如，因为首要感兴趣的区域经常是在视野中心的附近，因此对于某些应用来说，让中间具有较高的分辨率和/或效率可能是有利的。作为另一种替换方式，各摄像机可以观察视野的不同且不等的部分。这些摄像机也可以以不同的冗余度(degree ofredundancy)观察FOV。例如，双摄像机探测器单元中的各摄像机可以覆盖FOV的2/3，其中FOV中心的那1/3部分被重复覆盖。当然，也可以预想到每探测器单元含有其它数量的摄像机的情况。
本发明已经参考优选实施例进行了描述。那些阅读和理解了上述详细描述的人员显然可以进行修改和改变。期望本发明被解释成包括落在提交的权利要求书或其等同物的范围内的所有那些修改或改变。

Claims (20)

1.一种成像系统(10)，包括：
至少一个辐射探测器单元(16)，设置在视野(20)附近以探测来自视野(20)的辐射，所述探测器单元(16)包括：
多个探测模块(18)，每个探测模块(18)探测来自视野(20)预定区域的辐射，每个区域为视野(20)的一部分，以及
一个或多个针孔(52)，与探测器单元(16)相关联，其中每个针孔(52)接收来自视野(20)预定区域的辐射，并将辐射导入一个或多个相关联的探测模块(18)。
2.如权利要求1所述的系统，其中针孔与视野中心的距离(d)和探测头与视野中心的距离(d1)之间的比例等于或大于2/3。
3.如权利要求2所述的系统，其中针孔(52)的张角(afan)等于或小于约40度。
4.如权利要求1所述的系统，其中视野(20)被分割成多个区域(201，202，203)，且每个探测模块(18)探测来自所述相等区域中不同一个的辐射。
5.如权利要求4所述的系统，其中每个探测模块(18)通过相同针孔(52)探测来自与其相关联区域的辐射。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述区域基本上相等。
7.如权利要求6所述的系统，其中每个针孔(52)限定在形成两个相对漏斗的边缘之间，该两个相对的漏斗收敛成孔(d2)。
8.如权利要求4所述的系统，其中每个探测模块(18)通过不同针孔(521，522，523)探测来自其视野的辐射。
9.如权利要求8所述的系统，其中每个探测模块(18)具有相等的空间分辨率。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述区域部分地重叠。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述针孔(52)为沿轴向方向延伸的狭缝。
12.如权利要求1所述的系统，其中每个探测模块(18)是二维的平板探测器，所述探测模块设置在分段连续的圆柱形和半球形表面部分中的其中之一上。
13.一种成像方法，包括：
用多个探测模块(18)探测来自设置在视野(20)内对象的穿过一个或多个针孔(52)的辐射，每个探测模块(18)探测来自视野(20)预定区域的辐射，每个区域为视野的一部分。
14.如权利要求13所述的方法，其中针孔与视野中心的距离和探测头与视野中心的距离之间的比例等于或大于2/3。
15.如权利要求14所述的方法，其中针孔(52)的张角(afan)等于或小于约40度。
16.如权利要求13所述的方法，其中每个探测模块接收穿过单一针孔(52)的辐射。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述区域基本上相等。
18.如权利要求16所述的方法，其中所有的探测模块接收穿过相同针孔的辐射。
19.一种诊断成像装置，包括用于执行权利要求13的各个步骤的设备。
20.一种诊断成像装置，包括：
台架组件(12，14)，其在围绕视野(20)的多个坐标上支撑至少一个探测器单元(16)，每个探测器单元包括：
多个探测器阵列(18)，和
限定出多个孔(52)的准直器板(26)，孔的数量等于或小于探测器阵列的数量，
所述探测器阵列相对于准直器板设置，以使每个探测器接收仅穿过所述孔之一且仅来自视野的一部分(201，202，203)的辐射；以及
将来自探测器阵列的信号重构成影像的重构处理器(40)。
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