单光子发射断层成像系统的几何刻度方法
【专利摘要】本发明提出一种单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，包括：对准直器进行测量以获得准直器上针孔或槽缝的几何参数；将准直器和PET探测器组装成单光子发射断层成像系统；控制准直器运动，以利用PET探测器测量准直器运动至多个目标位置时的多组本底符合事件；根据多组本底符合事件得到准直器在单光子发射断层成像系统中的位置坐标。根据本发明实施例的方法可以对单光子发射断层成像系统(即SPECT系统)的几何参数进行精确刻度，为断层成像的图像重建提供精确的几何参数，从而提高单光子发射断层成像系统的成像质量。
【专利说明】单光子发射断层成像系统的几何刻度方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发射断层成像【技术领域】，特别涉及一种单光子发射断层成像系统的几何刻度方法。
【背景技术】
[0002]发射断层成像技术是一种非侵入式的核医学成像方法，其原理是使用放射性核素标记的生物活性物质参与生物体的生理代谢，利用测量放射性核素的分布，间接观察生物活性物质的代谢和三维分布情况。发射断层成像包括SPECT(Single Photon Emiss1nComputed Tomography)和 PET (Positron Emiss1n Tomography),它们都是功能性显像技术，目前已广泛应用于预临床的药物研究和临床疾病诊断。SPECT相比于PET具有高分辨率和较多种类的标记药物的优点。
[0003]目前一种SPECT系统的搭建方法是在PET探测器中嵌入针孔准直器(如图1)或者槽缝(Slit-Slat)准直器(如图2)的方法。该方法的特点是利用已有PET环作为探测器，并结合准直器进行SPECT成像，系统的优点是降低了 SPECT系统的成本，和减小系统占据的物理空间，并且系统具有高度的灵活性，可以同时进行双模式成像，有利于两种图像的融合。该系统设计具有广泛的市场应用前景。
[0004]嵌入式PET/SPECT系统经常要在PET和SPECT不同工作状态进行切换，需要将准直器移进移出，容易使准直器位置发生微小位移，造成系统几何位置不精确，影响SPECT图像质量，因此获得高质量的SPECT图像的一个关键步骤是对准直器在PET系统中的位置的精确刻度。目前常用的方法是利用位置控制平移台将伽马点源在成像视野内以一定的扫描轨道进行投影数据的采集，获得点源在各个运动位置的投影重心，利用最小二乘拟合的方法对准直器的针孔进行位置标定。
[0005]传统方法需要制备较小尺寸的点源，有一定的困难，同时需要较为复杂的扫描轨道和数据拟合方法，操作困难。
【发明内容】
[0006]本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
[0007]为此，本发明的目的在于提出一种单光子发射断层成像系统的几何刻度方法。该方法可为断层成像的图像重建提供精确的几何参数，从而提高单光子发射断层成像系统的成像质量。
[0008]为了实现上述目的，本发明的实施例提供了一种单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，所述单光子发射断层成像系统包括PET探测器和准直器，所述方法包括以下步骤:对所述准直器进行测量以获得所述准直器上针孔或槽缝的几何参数；将所述准直器和所述PET探测器组装成所述单光子发射断层成像系统；控制所述准直器运动，以利用所述PET探测器测量所述准直器运动至多个目标位置时的多组本底符合事件；根据所述多组本底符合事件得到所述准直器在所述单光子发射断层成像系统中的位置坐标。
[0009]根据本发明实施例的方法可以对单光子发射断层成像系统(即SPECT系统)的几何参数进行精确刻度，为断层成像的图像重建提供精确的几何参数，从而提高单光子发射断层成像系统的成像质量。
[0010]另外，根据本发明上述实施例的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法还可以具有如下附加的技术特征:
[0011]在一些示例中，所述控制所述准直器运动，以利用所述PET探测器测量所述准直器运动至多个目标位置时的多组本底符合事件，具体包括:控制所述准直器移出所述PET探测器的环中，并通过所述PET探测器采集第一预设时间内的第一本底符合事件；控制所述准直器移入所述PET探测器的环中，并通过所述PET探测器采集第二预设时间内的第二本底符合事件；控制所述准直器移出至所述PET探测器的环中预设距离，并通过所述PET探测器采集第三预设时间内的第三本底符合事件。
[0012]在一些示例中，利用PET探测器中镥176衰变产生的负电子和级联的伽马粒子测量所述多组本底符合事件。
[0013]在一些示例中，所述根据所述多组本底符合事件得到所述准直器在所述单光子发射断层成像系统中的位置坐标，具体包括:将所述多组本底符合事件转化为正弦图；根据所述正弦图利用图像重建算法建立所述准直器的三维衰减图像；以及从所述准直器的三维衰减图像中提取所述准直器在所述单光子发射断层成像系统中的位置坐标；或直接将符合事件响应线反投影，获得准直器的反投影图像，以及从所述反投影图像中提取所述准直器在所述单光子发射断层成像系统中的位置坐标。
[0014]在一些示例中，利用反投影的方法将所述多组本底符合事件转化为正弦图；利用滤波反投影算法或迭代重建算法获得所述准直器的三维衰减图像。
[0015]在一些示例中，还包括:在所述准直器上进行进一步处理，包括粘贴标记物或切槽切缝，以利用所述标记物或所述切槽切缝获得本底成像，以用于标定所述准直器的几何参数。
[0016]在一些示例中，所述准直器上针孔或槽缝的几何参数包括:所述针孔或槽缝在所述准直器上的位置和张角。
[0017]在一些示例中，通过如下方式对所述准直器进行测量以获得所述准直器上针孔或槽缝的几何参数:机械测量方法、光学测量方法、成像测量方法、电磁测量方法或气动测量方法。
[0018]在一些示例中，所述准直器的形状为环状、平板状或多边形，所述准直器的针孔为圆锥、椭圆锥、圆台、椭圆台、多棱锥或多棱台。
[0019]在一些示例中，所述PET探测器为与所述准直器适配的环状探测器、平板探测器或多边形探测器。
[0020]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0022]图1是一种基于环形PET探测器和嵌入式缝-槽准直器的PET/SPECT系统；
[0023]图2是一种基于环形PET探测器和嵌入式针孔准直器的PET/SPECT系统；
[0024]图3是一种镥176的衰变纲图；
[0025]图4是根据本发明一个实施例的方法的步骤图；
[0026]图5是镥本底符合透射成像原理图；
[0027]图6是利用标记物测量各个针孔或细缝在PET探测器坐标系下的位置坐标的示意图；
[0028]图7圆筒形准直器的镥本底符合透射重建的衰减系数图；
[0029]图8圆筒形准直器的镥本底符合透射重建的直接反投影图；
[0030]图9图8中的其中一层的最小值点得到的圆筒形准直器的边界；
[0031]图10是利用图9获得圆桶准直器各层的中心点坐标及拟合得到圆桶准直器的轴线。
[0032]图11是圆桶准直器移出65mm得到的镥本底符合重建图像；图12是根据本发明另一个实施例的方法的流程图，
[0033]上述图1-12中标号I是指PET探测器环、11，12是准直器隔板，13是准直器细缝，2是指准直器、3是指准直器上的针孔、4是指待成像的小动物、标号5是放置小动物的扫描床、6是指镥本底的符合响应线，7是标记物。
【具体实施方式】
[0034]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0035]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0036]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0037]参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0038]以下结合附图描述根据本发明实施例的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法。
[0039]图12是根据本发明一个实施例的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法的流程图。如图12所示，并结合图4，根据本发明一个实施例的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，其中，单光子发射断层成像系统包括PET探测器和准直器，所述几何刻度方法包括如下步骤:
[0040]步骤SlOl:对准直器进行测量以获得准直器上针孔或槽缝的几何参数。即:如图4所示，对准直器进行出厂测量，获得各个针孔或细缝在准直器上的精确位置和张角等几何参数。其中，准直器上针孔或槽缝的几何参数包括但不限于:针孔或槽缝在准直器上的位置和张角。
[0041]例如:对准直器进行出厂测量，获得各个针孔或槽缝(即细缝)在准直器上的精确位置和张角等几何参数。具体而言，对准直器按照设计进行加工后的出厂刻度，由于实际加工与设计值有略微差别，因此出厂前需要对准直器上的针孔或细缝的尺寸以及它们在准直器上的位置进行刻度，出厂几何刻度方法可由传统的几何刻度方法实现，例如:通过如下方式对准直器进行测量以获得所述准直器上针孔或槽缝的几何参数:机械测量方法、光学测量方法、成像测量方法、电磁测量方法或气动测量方法。即包括传统的机械测量方法、光学测量方法、成像测量方法、电磁测量方法和气动测量方法等。
[0042]步骤S102:将准直器和PET探测器组装成PET/SPECT —体机系统。即:如图4所示，将准直器和移动控制电机与PET探测器组装成PET/SPECT —体机系统。
[0043]具体地，将准直器和移动控制平台与PET探测器组装成PET/SPECT系统，例如:将准直器与PET探测器按设计进行组装，构成SPECT/PET —体机，通常还需要有可以控制准直器移动的移动控制平移台。组装后需要对准直器在PET探测器环中的位置进行刻度，如准直器中心在PET探测器中的几何位置，准直器轴线与PET探测器轴线的夹角，针孔或细缝的初始角度等。而且PET/SPECT —体机需要在SPECT和PET的工作模式下进行切换，即需要经常的将准直器移出和移入，准直器在PET探测器环中的位置会发生微小偏移，因此需要不定期的对准直器和PET探测器环的位置进行刻度。
[0044]步骤S103:控制准直器运动，以利用PET探测器测量准直器运动至多个目标位置时的多组本底符合事件。即:如图4所示的通过平移台控制准直器移动到PET探测器环中，调整PET的符合能窗，利用PET探测器中镥176衰变产生的负电子和级联伽马粒子进行符合测量。例如利用PET探测器中镥176衰变产生的负电子和级联的伽马粒子测量所述多组本底符合事件。即移动控制平移台(如电机)控制准直器移动到PET探测器环中，调整PET的符合能窗，利用PET探测器中镥176衰变产生的负电子和级联的伽马粒子进行符合测量。
[0045]具体地说，控制准直器运动，以利用PET探测器测量准直器运动至多个目标位置时的多组本底符合事件，具体包括:
[0046]1、控制所述准直器移出所述PET探测器的环中，并通过所述PET探测器采集第一预设时间内的第一本底符合事件；
[0047]2、控制所述准直器移入所述PET探测器的环中，并通过所述PET探测器采集第二预设时间内的第二本底符合事件；
[0048]3、控制所述准直器移出至所述PET探测器的环中预设距离，并通过所述PET探测器采集第三预设时间内的第三本底符合事件。
[0049]在上述示例中，第一预设时间为但不限于[15，25]小时，第二预设时间和第三预设时间为但不限于[5，15]小时，预设距离为但不限于65毫米。
[0050]更为具体地说，由于含镥晶体，如LS0\LYS0\LGS0等晶体对于伽马射线具有强阻止本领，较大的发光量和较短的发光衰减时间，目前被广泛应用于预临床和临床PET系统中，镥含有部分的镥176同位素，具有天然本底辐射，其主要衰变过程为负电子衰变(最大能量596keV)以及级联发生伽马衰变(主要能量为202keV和307keV)，镥176的衰变纲图如图3所示。由上可知，利用PET探测器的镥本底符合事件对针孔准直器在PET进行测量方法即在解决准直器与PET探测器环的相对位置问题。含镥晶体的PET探测器需要修改符合能窗下阈值，将下阈值调整到低于202keV，以便可以同时测量某个晶体中镥176衰变的产生的负电子以及逃逸且被探测器其他晶体探测到的级联伽马粒子，形成符合探测。准直器置于PET探测器视野中，会对逃逸的伽马粒子阻挡吸收，因此利用PET的镥本底符合事件可以准直器测量可以获得类似计算机断层成像(CT)的透射成像图。本发明是利用PET符合成像以及镥176产生伽马射线对准直器的透射成像原理进行工作，镥本底符合透射成像原理如图5所示。
[0051]步骤S104:根据多组本底符合事件得到准直器在单光子发射断层成像系统中的位置坐标。如图4所示的通过采集数据的重建图像提取准直器在PET系统中的位置坐标。即:对采集的数据进行重建，从重建的图像中提取准直器在PET系统中的位置坐标。
[0052]作为一个具体的示例，根据多组本底符合事件得到准直器在单光子发射断层成像系统中的位置坐标，具体包括:
[0053]1、将多组本底符合事件转化为正弦图；
[0054]2、根据正弦图利用图像重建算法建立准直器的三维衰减图像；
[0055]3、从准直器的三维衰减图像中提取准直器在单光子发射断层成像系统中的位置坐标。
[0056]在上述示例中，可利用反投影的方法将多组本底符合事件转化为正弦图，利用滤波反投影算法或迭代重建算法获得准直器的三维衰减图像。
[0057]本发明实施例的方法的关键是本底射线的放射性强度较弱，同时PET探测器的空间分辨率有限，因此在短时间内，仅从镥本底的符合透射成像图上很难直接获得准直器的精确位置坐标。因此本发明的实施例进一步提出了利用准直器系统几何对称性的方法获得准直器的对称中心的方法进行准直器几何位置刻度，上述方法可以直接应用于符合线数据、重组后的正弦图数据、解析或迭代重建后的透射图像或发射图像。
[0058]另外，上述利用镥本底对准直器进行符合成像的方法，还包括进一步的利用控制平移台移动准直器在不同的位置进行测量，获得准直器在PET探测器中的不同的几何参数。
[0059]在本发明的一个实施例中，还包括:在准直器上进行进一步处理，包括粘贴标记物或切槽切缝，以利用标记物或所述切槽切缝获得本底成像，以用于标定所述准直器的几何参数。具体地说，在不影响成像的前提下，在准直器上切割、或粘接其他物体形成标记位置。通过传统几何测量方法测量准直器上各针孔或细缝与标记物的相对位置，并利用上述镥本底符合透射成像对标记物进行成像和提取几何位置参数，从而间接测量各个针孔或细缝在PET探测器坐标系下的位置坐标，如图6所示。
[0060]其中，准直器的形状为但不限于:环状、平板状或多边形，所述准直器的针孔为圆锥、椭圆锥、圆台、椭圆台、多棱锥或多棱台。
[0061]【实施例】
[0062]采用Nucmed的小动物PET/SPECT系统，如图2所示，其中PET使用LYSO晶体的环形探测系统，环直径152.6mm,轴向视野100mm,嵌入式准直器桶内径31.85mm,外径35.35mm的环，材料为钨。具有五排针孔，每排10个，如图6所示。
[0063]该方法如下:
[0064]I)准直器上针孔的相对位置在加工完成之后已固定，采用光学测试，精确获得各个针孔在准直器桶上的相对位置。
[0065]2)将准直器固定在电动平移旋转台上，与PET探测器环组装成SPECT/PET —体机。
[0066]3)使用PET探测器镥本底进行符合事件测量。具体测量步骤如下，首先将准直器移出PET探测器，利用PET探测器采集20小时的本底符合事件(数据I)，作为矫正数据；其次将准直器移到SPECT工作模式，采集10个小时本底符合事件(数据2);最后将准直器从SPECT工作模式移出65mm，采集10小时本底符合事件(数据3)。
[0067]4)将三组采集数据转化为正线图，利用图像重建算法得到准直器的图像。对每个断层的准直器圆环，如图7-11所示，进行拟合获得圆中心，再对获得的一系列圆中心(如图7-11所示)进行线性拟合即获得准直器桶的轴线位置的估计；对数据三进行重建，对重建图像进行边缘识别，可以获得准直器边缘在PET探测器环中的位置，通过已知的位移65mm和光学测量过各个针孔在准直器桶上的位置坐标，即可推算出准直器桶在SPECT采集状态下的各个针孔在PET探测器坐标系下的轴向位置，如图9为准直桶在位移65mm状态下的镥本底符合透射成像直接滤波反投影的结果。
[0068]通过上述第4步，可以标定准直器桶轴线在PET探测器坐标系下的坐标，如准直器桶轴线与PET探测器环轴线的两个夹角；以及通过准直器桶在轴向的边缘可以间接获得针孔在轴向的坐标。
[0069]进一步的实验可以采用标记物进行针孔在准直器桶的横断面角度的标定。
[0070]本发明实施的方法可在PET采集模式下，不需要额外放射源，仅利用镥本底辐射对准直器符合成像，从中提取参数，用于系统的几何刻度的方法。该方法可以对SPECT系统的几何参数进行精确刻度，为SPECT图像重建提供精确的几何参数，从而提高SPECT图像质量。另外，该方法只需要对准直器进行一次出厂标定，之后只需要再利用PET探测器的镥本底符合事件进行准直器和PET探测器的相对位置的刻度，而不需要额外的放射源进行复杂轨道的采集，该方法简单有效，易于实施，有助于PET/SPECT系统的准直器进行不定期的几何位置标定，从而提闻SPECT系统的图像质量。
[0071]根据本发明实施例的方法，具有以下特点和优点:
[0072]1、简单、易于实施，针孔或细缝在准直器上的位置只需标定一次，准直器与PET探测器的相对位置的标定步骤易于实施，只需要调整PET采集的符合能窗设置。
[0073]2、不需要额外放射源，可以避免复杂的操作流程以及放射源对人体造成额外的辐射。
[0074]3、该方法快速和准确，方法利用准直器的对称性，可以在短时间内获得高精度的刻度，不影响正常实验，易于不定期的进行系统几何位置自检验。
[0075]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0076]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
【权利要求】
1.一种单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，其特征在于，所述单光子发射断层成像系统包括PET探测器和准直器，所述方法包括以下步骤: 对所述准直器进行测量以获得所述准直器上针孔或槽缝的几何参数； 将所述准直器和所述PET探测器组装成所述单光子发射断层成像系统； 控制所述准直器运动，以利用所述PET探测器测量所述准直器运动至多个目标位置时的多组本底符合事件； 根据所述多组本底符合事件得到所述准直器在所述单光子发射断层成像系统中的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，其特征在于，控制所述准直器运动，以利用所述PET探测器测量所述准直器运动至多个目标位置时的多组本底符合事件，具体包括: 控制所述准直器移出所述PET探测器的环中，并通过所述PET探测器采集第一预设时间内的第一本底符合事件； 控制所述准直器移入所述PET探测器的环中，并通过所述PET探测器采集第二预设时间内的第二本底符合事件； 控制所述准直器移出至所述PET探测器的环中预设距离，并通过所述PET探测器采集第三预设时间内的第三本底符合事件。
3.根据权利要求1或2所述的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，其特征在于，利用PET探测器中镥176衰变产生的负电子和级联的伽马粒子测量所述多组本底符合事件。
4.根据权利要求1所述的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，其特征在于，所述根据所述多组本底符合事件得到所述准直器在所述单光子发射断层成像系统中的位置坐标，具体包括: 将所述多组本底符合事件转化为正弦图； 根据所述正弦图利用滤波反投影算法或迭代重建算法获得所述准直器的三维衰减图像；以及 从所述准直器的三维衰减图像中提取所述准直器在所述单光子发射断层成像系统中的位置坐标。 或直接将符合事件反投影，获得反投影图像；以及从所述准直器的反投影图像中提取所述准直器在所述单光子发射断层成像系统中的位置坐标。
5.根据权力要求4所述的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，其特征在于，还包括:在所述准直器上进行进一步处理，包括粘贴标记物或切槽切缝，以利用所述标记物或所述切槽切缝获得本底成像，以用于标定所述准直器的几何参数。
6.根据权利要求1所述的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，其特征在于，所述准直器上针孔或槽缝的几何参数包括:所述针孔或槽缝在所述准直器上的位置和张角。
7.根据权利要求1所述的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，其特征在于，通过如下方式对所述准直器进行测量以获得所述准直器上针孔或槽缝的几何参数:机械测量方法、光学测量方法、成像测量方法、电磁测量方法或气动测量方法。
8.根据权利要求1所述的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，其特征在于，所述准直器的形状为环状、平板状或多边形，所述准直器的针孔为圆锥、椭圆锥、圆台、椭圆台、多棱锥或多棱台。
9.根据权利要求8所述的单光子发射断层成像系统的几何刻度方法，其特征在于，所述PET探测器为与所述准直器适配的环状探测器、平板探测器或多边形探测器。
【文档编号】A61B6/03GK104173074SQ201410348073
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】魏清阳, 刘亚强, 王石, 马天予, 江年铭, 刘迈 申请人:北京辛耕普华医疗科技有限公司