核医学成像设备的制作方法

专利名称：核医学成像设备的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及成像装置和成像方法，更具体而言，涉及医学成像。
背景技术：
医学成像设备有多种形式，包括诸如申请人的共同未决专利申请中所描述的核医学成像设备，该申请的全部内容在此通过援引的方式纳入。如本领域普通技术人员所知的，当使用诸如SPECT设备之类的核医学成像设备时，理想的是确定由对象的被成像区域周围的部分引起的辐射衰减量。
SPECT(单光子发射计算体层摄影)允许通过探测来自对象的γ发射来对对象成像。在医学成像中，给患者服用一种含有放射性同位素的化合物——该化合物到达诸如器官之类的所研究的对象，并从该对象探测γ发射。
诸如SPECT之类的γ成像技术是发射成像技术，其中所关注的是发射材料(如放射性核素)的分布。相反，诸如x射线CAT扫描之类的、对对象的x射线成像是使对象的衰减特性可被确定的透射成像方法。对象的发射图像也被对象的衰减特性修改。因此，非常有用的是，一起获取对象的透射和发射图像，以便可考虑到衰减因子而校正发射图像。
心脏或其它器官的SPECT成像经常因以非均匀方式吸收放射性发射或以其他方式使放射性发射衰减的周围组织而变得复杂化，妨碍了图像的精确重建。x射线或γ射线CAT扫描(经常被称为透射扫描)可以和SPECT(发射)成像一起进行，CAT扫描数据可用来确定由患者的身体引起的衰减。然而，当按常规执行时，该方法存在许多问题。首先，目前的测量组织衰减的方法要求在SPECT发射扫描之前或之后进行透射CAT扫描(采用x射线或γ射线)。为了使衰减测量和发射图像相关，对象在这两次扫描之间必须绝对保持不动。尽管对象尽最大努力，内部结构(如，结肠内容物)的运动还是常常仅仅几分钟就会发生。
此外，CAT扫描装置被设计成能快速、以高的光子通量运行，以便提供“快照”。另一方面，SPECT成像是低光子通量过程，该过程就其本性而言，为了获取足以形成图像的数据，需要长得多的时间。如此，患者的心脏、肺以及其它组织在SPECT成像期间会通过一运动距离。这显著降低了快速CAT扫描“快照”和“时间平均”SPECT图像间的相关性。
因此，有利的是，在并行(concurrent)时间间隔内收集x射线透射信号和SPECT发射信号，以便对象运动对透射和发射图像有相似的影响。然而，相比于SPECT成像，x射线成像通常是一个较快的过程，并且没有先前的装置可以使x射线成像和γ成像并行进行。通常，快速获取x射线图像，然后相对慢地获取γ图像，导致了数据相关方面的严重问题。
总之，对医学图像的解释可能是有问题的，并且拥有对象的、使用不同技术的多张图像将是有利的，只要这些图像可以被容易地和精确地相互关联。因此，改进的成像技术对例如实现对改进的成像数据的收集以及对患者问题的更精确诊断将是重要的。

发明内容
根据本发明的装置允许对对象的诸如x射线CAT扫描之类的x射线透射成像和诸如γ成像之类的发射成像一起进行。该x射线成像使对象的衰减特性可被确定，这些衰减特性可用来校正诸如SPECT之类的发射成像技术。可以并行获取对象的透射和发射图像，以便可以考虑到衰减因子而精确校正发射图像。x射线成像通常在高的x射线通量水平下进行，而γ成像通常在低得多的通量水平下进行。然而，使用具有低占空比(打开时间除以关闭时间)的脉冲x射线源，x射线透射和发射图像可以在相似的成像时间间隔内形成，该时间间隔如从开始图像数据收集到结束图像数据收集为止所测得的。所述占空比可以低至1％，或者更低，如0.1％。例如，可以根据在x射线源的较短“打开”时间的期间获取的扫描或断面(section)重建x射线图像，并在较长“关闭”时间的期间形成发射图像。如果在x射线源处于“打开”状态时没有进行发射成像，该方法通过一个与占空比相关的因子来增加发射成像时间。然而，当x射线源的占空比低时，该因子可能没有意义。
还描述了改进的x射线透射成像技术，其中，多个x射线源、源孔径(aperture)和探测器孔径协调地移动，使得x射线束在扫描过程中保持对齐穿过源孔径和探测器孔径。该方法提高了效率。此外，使用窄的、在装置的视场范围内基本不发散的x射线束，可以减少对被成像对象的x射线照射。不发散的光束的另一优点是，x射线成像的分辨率增加。能量低的x射线通常被较多地散射，并导致常规x射线CAT设备中的模糊和噪声问题。在使用常规x射线源时，难以为脉冲运行保持恒定的高电压，导致高能量x射线和低能量x射线的混合，此混合导致与散射相关的噪声问题。使用经过源和探测器孔径准直的x射线束显著减轻了这个问题。使用瞄准器可以进一步改善性能，如在我们的共同未决申请流水号为No.10/933,036的美国专利申请中更充分描述的。
然而，通过使用探测器孔径限定窄束，上述散射的x射线不能通过探测器孔径，从而减少了噪声并提高了分辨率。窄束，在本实施例中是指直径小于5mm的束，例如直径在约1mm和约1.5mm之间，该窄束还允许借助能够处理高光子通量的探测器使用高光子通量，同时使用计数速率能力(count rate capability)相对低的探测器并行地进行发射成像。该探测器孔径和源孔径在图像切片(slice)平面内的尺寸可以近似相同(如使用相似的缝(slot)宽度)，以便准直透射束以及避免通过视场的任何显著束发散。
而且，脉冲x射线源可用于改进的x射线CAT扫描器。使用源和探测器孔径准直提供窄束，如在1mm到1.5mm之间的束，并且在准直束扫描通过视场时利用孔径的协调移动跟踪该准直束，这样减轻了低能量x射线散射的问题，也减少了对对象的辐照。这样的成像时间可能比常规装置长，但是这种器械的费用可能只是常规装置的一小部分。
根据本发明的装置，具体地为x射线透射成像装置，可以和已有的SPECT探测器一起使用，所述SPECT探测器如在我的共同未决专利申请以及已经被授权的专利申请——例如Juni的流水号为10/933,036的美国专利申请“Single Photon Emission ComputedTomography System”——中所描述的那些。可以以弓形的排列布置x射线源、源孔径以及探测器(或相关的探测器孔径)，它们可以与已有的SPECT系统相结合，例如，如流水号为10/933,036的美国专利申请中所描述的。术语“弓形(的)”在此被使用时，用来宽泛地包括圆弧段、完整的圆形布置、卵形物、其它弯曲段和其它近似于弯曲段的几何形状。根据本发明的装置，具体地为x射线透射成像装置，还可以和更多常规的已有SPECT探测器一起使用，所述探测器包括那些具有大体平坦的探测器表面的SPECT探测器。
尽管实施例显示了探测器和源孔径的弯曲布置，但丝毫不是说设计要求探测器为弯曲的。可采用平坦的探测器实践相同的原理。在这样的实施例中，x射线源被布置在平直的线上，而源孔径被布置在平板(flat sheet)上。
关于x射线CAT扫描的现有技术总体上强调了尽可能快地完成扫描的价值。因此，没有使用脉冲x射线源的动机，特别是没有使用低占空比的脉冲x射线源的动机，因为这会减缓扫描的完成。然而，如在别处更详细讨论的，脉冲x射线CAT扫描和发射图像的结合提供了有价值的以及改进的数据，同时相对于收集发射图像所需的时间，时间损失可能并不显著。因此，一种从对象收集发射数据和辐射透射数据的改进的方法包括提供脉冲辐射源，在源打开的时候收集辐射透射数据，以及在源关闭的时候收集发射数据。
根据本发明的实施方案，一种用于对视场内的对象成像的装置包括接近视场设置的辐射源和位于辐射源和视场之间的源障板(mask)，源障板限定穿过该源障板的至少一个源孔径，来自辐射源的辐射穿过该至少一个源孔径。接近视场的发射探测器探测来自对象的、入射到该发射探测器上的发射，并且辐射探测器被设置，以便探测穿过视场的辐射。辐射衰减图像可以根据辐射探测器信号形成，发射图像可以根据发射探测器信号并行地形成。辐射探测器和发射探测器可以由单个探测器组件——例如，可提供带时间索引的信号的探测器组件——提供，当辐射源关闭时，该信号对应于发射，当辐射源打开时，该信号对应于辐射衰减。辐射源可以被脉冲地驱动。在其它实施例中，辐射探测器被设置，以便在辐射束穿过视场后接收该辐射束，并且发射探测器被设置，以便接收来自对象的发射。利用辐射屏蔽物和/或辐射探测器使辐射与发射探测器隔开，当辐射路径方向被在视场中扫过时，该屏蔽物随着移动。该屏蔽物可能阻挡来自发射探测器的一部分发射，这一影响可以被忽略，或者如果需要的话，可以对其进行补偿。如果需要的话，可以使用辐射衰减图像校正发射图像中的衰减效应。
在本发明的实施方案中，辐射源是x射线源，辐射是x射线，x射线透过躯体。发射包括γ发射，例如由对象内加放射性标记的材料发出的。探测器组件可以包括x射线透射探测器以及γ发射探测器。在其它配置中，发射探测器是用于γ辐射的γ探测器，并且x射线透射探测器位于γ探测器和视场之间，被设置用来接收来自x射线源的穿过源孔径的x射线。x射线遮护板被放置，以便基本或完全阻止x射线射到发射探测器上，同时允许来自视场的发射到达发射探测器。因此，并行的发射和x射线衰减(透射)图像可由单个装置提供。通过允许对对象内的衰减可变性进行补偿，x射线衰减数据可以用来增加γ发射图像的精确性。
在本发明的实施方案中，发射探测器是γ探测器，发射是γ辐射，并且该装置使得可针对对象确定x射线信息和γ信息。本发明的实施方案允许γ成像和x射线成像并行进行，其中x射线成像时间和γ成像时间是相似的，并且基本重叠。
执行机构可用来相对于x射线源移动源障板，以改变x射线穿过视场的路径方向，同时x射线探测器根据路径方向的改变而移动，以便x射线探测器继续接收x射线。还可以移动探测器遮护板，以将x射线挡在发射探测器之外。该x射线探测器可以安装在x射线遮护板上，该组合组件可以由与源障板相同或不同的执行机构移动。
来自发射探测器的第一信号可用来提供对象的发射图像(如γ图像)，来自x射线探测器的第二信号可用来提供x射线透射图像，如和发射图像并行获取的x射线衰减图像。对活对象并行地进行医学成像使得x射线图像和发射图像易于被一起解释，从而使得可以对对象状况进行更精确的诊断。所述图像可以被叠置或被并排呈现给开业医生。而且，x射线衰减图像可用来通过补偿密度变化和γ信号的可变衰减，提高γ图像的精确性。
可以以多种方式配置x射线遮护板。包括其外壳的x射线探测器可以提供x射线遮护板。该x射线探测器可以安装在金属板或类似的板上。该x射线遮护板可以只挡住发射探测器的一小部分视场，而x射线路径和x射线遮护板扫过发射探测器的前面(发射接收表面)。可替换地，x射线遮护板可以包括穿过该x射线遮护板的多个遮护板孔径，该遮护板孔径被设置，以便允许来自视场的发射到达发射探测器，同时防止x射线到达发射探测器。
x射线源被在打开状态和关闭状态之间脉冲地驱动，以便提供具有脉冲持续时间的x射线脉冲，脉冲被脉冲间隔隔开，在该脉冲间隔内x射线源处于关闭状态。脉冲持续时间可以在约0.01毫秒和约200毫秒之间，例如在约0.5-20毫秒之间。占空比(打开时间除以关闭时间)可以小点，例如小于0.01。例如，可以使x射线源在每秒内打开1毫秒，给出0.001的占空比。
和x射线成像相比，γ成像一般是一种低光子通量方法，因此脉冲x射线源使x射线图像可以在与γ成像时间并行的x射线成像时间内收集。该x射线成像时间被认为是形成x射线图像的时间，从成像开始到成像过程结束。对于用来形成x射线图像的相同总量的x射线光子，占空比越低，x射线成像时间越长。为了在收集发射图像的过程中，进一步减少x射线导致的噪声(会干扰发射图像的散射x射线)，可以只使用脉冲关闭间隔期间收集的信号来收集发射图像。于是，利用跟踪x射线源占空比的成像占空比(透射成像时间除以发射成像时间)，可以将用于发射成像和透射成像的时间段有效地交错开。可替换地，如果使发射探测器与x射线基本隔开，发射成像可以是连续的，而透射成像只有在源处于打开状态时才进行。
例如，闪烁γ探测器可以以每秒100,000个光子的通量运行，而x射线探测可以以每秒数百万个光子的通量运行。通过利用源和探测器孔径准直x射线束使得x射线束不射在γ探测器上，可以进行同步x射线成像和γ成像。例如，可以为每个所需的角投影(angularprojection)提供脉冲长度为毫秒级的x射线脉冲，并且约每一秒获取一个新的角投影。利用分布在形成发射图像所需的较长时间内的毫秒数据累加形成x射线图像。用于从探测器信号生成图像的电子电路在成像技术领域已为人熟知，将不作进一步描述。
在其它实施方案中，可以使用一个或多个x射线源，源障板可以包括多个源孔径，该多个源孔径提供具有穿过视场的多个路径方向的x射线。相对于x射线源移动源障板，会改变穿过视场的多个路径方向。可以设置多个x射线探测器，以探测沿着多个路径方向中的所有或一些路径方向的x射线。
用于说明位于视场内的对象的特性的另一示例性装置包括x射线源、位于x射线源和视场之间的源障板、接近视场设置的探测器和位于视场和探测器之间的探测器遮护板，该源障板具有穿过该源障板的源孔径，使得穿过源孔径的x射线进入视场。该探测器遮护板具有穿过该探测器遮护板的一个或多个探测器孔径，使得射在探测器上的x射线具有由源孔径和探测器孔径限定的穿过视场的路径方向。该探测器优选地被设置用来接收穿过源孔径并穿过探测器孔径的x射线。执行机构相对于x射线源移动源障板，以便改变x射线穿过视场的路径方向。
该装置还可以包括多个x射线源、以及位于源障板内的多个源孔径，使得执行机构相对于x射线源移动源障板，结果是改变穿过视场的多个路径方向。可以将多个x射线源大体布置在第一弧上，并将多个源孔径大体布置在第二弧上，该第二弧位于第一弧里面，并和第一弧同心。探测器遮护板还可以具有穿过该探测器遮护板的多个探测器孔径。该探测器可以是弓形和/或圆形的探测器组件的一部分，该探测器组件可以包括沿第三弧布置并被设置以便接收穿过视场的x射线的多个探测器，或者可以包括具有弓形形状的一个或多个探测器。该x射线源可以被在打开状态和关闭状态之间脉冲地驱动，以便提供具有脉冲持续时间的x射线脉冲，脉冲被脉冲间隔隔开，在脉冲间隔内x射线源处于关闭状态。探测器组件可以对x射线和γ光子都敏感，例如被用来在x射线源处于打开状态时形成x射线图像，在x射线源处于关闭状态时形成γ图像，以便提供同时生成的视场的x射线图像和γ图像。
一种用于提供视场的γ发射图像和x射线透射图像的装置包括x射线源，该x射线源被在打开状态和关闭状态之间脉冲地驱动，以便提供具有脉冲持续时间的x射线脉冲，脉冲被脉冲间隔隔开，在该脉冲间隔内x射线源处于关闭状态；根据入射到发射探测器上的γ光子提供发射探测器信号的发射探测器，以及根据入射到x射线探测器上的透射x射线提供x射线探测器信号的x射线探测器。电子电路可操作来从x射线探测器信号形成视场的x射线透射图像，以及从发射探测器信号形成视场的γ发射图像。这些图像可以在相似的x射线和γ成像时间内并行形成。


图1是将多个x射线源布置在弧上的装置的示意图；图2图解了x射线穿过图1所示装置的视场的路径方向；图3-6示出了x射线源和源孔径的相对位置改变时变化的路径方向；图7示出了具有探测器组件、还具有在该探测器组件前面的x射线探测器的装置；图8示出了具有扫描x射线束和用来防止x射线束射在探测器上的遮护板的装置；图9A和9B示出了在一探测器的探测表面上横移的x射线遮护板和安装在该x射线遮护板上的x射线探测器；以及图10图解了探测器的平坦布置。
具体实施例方式
本发明的实施方案提供对对象的改进的成像。可以使用两个电磁波长区域来进行成像，如使用x射线成像和γ成像(诸如SPECT)。x射线衰减测量可用来通过提供对对象内γ光子的衰减可变性的校正，提供改进的SPECT图像。可以假设对于γ光子或x射线光子衰减系数是相同的，或假定用来在衰减系数之间进行转换的对象模型，以便进行衰减校正。
在本发明的代表性实施方案中，通过确定穿过对象的辐射束的衰减来进行衰减测量。辐射源位于接近视场的地方，来自辐射源的辐射在透过视场后被探测。通过改变辐射穿过视场的路径方向，可以获取视场中对象的辐射透射(衰减)图像。同时，可以利用来自视场中对象的发射(该发射可以和辐射源提供的辐射类型相同或不同)对视场成像。在本发明的实施例中，透射辐射可以是x射线，发射可以是γ发射。但是，在其它实施例中，用来成像的发射可以是荧光、热发射、其它IR(红外)发射、可见或其它可借以对对象成像的发射。用来确定对象的辐射衰减的辐射可以是x射线或其它辐射，如任何波长的激光辐射、IR、可见、UV(紫外)、THz(太赫兹)、微波或核辐射。然后通过对为其进行测量的对象或任何周围物质上的发射衰减的变化进行补偿，该辐射衰减测量可以用来校正发射成像。可替换地，可以分别确定辐射衰减图像和发射图像以进行对对象的改进的分析，而不校正发射图像。
图1示意性地图解了被配置用来也在进行SPECT成像的同时提供x射线衰减数据的装置10。该装置可以是如我们的共同未决申请中所描述的SPECT装置的修改型式。
该装置包括弓形探测器组件12，探测器组件12可以是沿弧布置的多个探测器，或一个或多个弓形探测器。该装置还包括弓形探测器遮护板14，该弓形探测器遮护板14具有穿过其的探测器孔径，该探测器孔径用小圆圈16A-16E示出，并被配置成探测器孔径弧。
图1中装置10的下半部分包括探测器组件12和探测器遮护板14，可以对应于SPECT装置的实施方案。图1实质上是示意性的，而不一定是按比例的。SPECT装置的一部分可以根据美国临时申请60/607,319和美国专利申请No.10/933,036中所讨论的任意实施例来构造。
视场在18处示出，对象被放置在其中。为描述方便，图1的示意图可以被看成是顶视图，其中探测器孔径16A-16E是探测器遮护板14中的大体竖直的缝。尽管没有图解，但装置10还优选地包括在视场和探测器组件12之间的“水平”准直瞄准器。这些准直瞄准器通常位于探测器遮护板14和探测器组件12之间。例如，美国专利申请No.10/933,036中描述了准直瞄准器。探测器遮护板14和/或探测器组件12可以相对于彼此和/或相对于视场18转动，以便使所探测的x射线路径(相当于探测器组件的响应线)扫过视场18。
装置10还包括x射线源弧20，多个x射线源22A-22E沿该弧布置。该装置还包括源障板弧24，该源障板弧24具有被设置穿过该源障板24的多个源孔径26A-26E。源孔径用圆圈示意性地表示，可以是缝或其它孔径，x射线穿过它们进入视场18。
虽然源障板20被显示和探测器组件12是大体连续的，并且源障板24被显示和探测器遮护板14是连续的，但它们都优选地是单独的部件，并且可以在某种程度上重叠。考虑患者进入的目的，该装置的各个部件可以套叠或缩回，以便提供通向视场18的通道口。可替换地，在一些实施方案中，探测器组件12和x射线源弧20可以互连，以及/或探测器遮护板14和源障板24可以互连。
而且，虽然没有图解，但是可以在视场18和x射线源22A-22E之间设置水平准直瞄准器。水平瞄准器将x射线源准直到平行于图示平面的平面中，而源孔径将穿过视场的x射线路径限制成x射线窄束，该x射线窄束也可称为源线(source line)。x射线障板弧24阻挡来自x射线源的、和源孔径不对准的x射线。
通过将x射线源和/或源孔径相对于彼此和/或相对于视场旋转，可以使来自x射线源的x射线的路径方向扫过视场。
根据本发明的另一方面，可以协调弧12、14、20和24的移动，以使x射线窄束延伸穿过源孔径进入探测器孔径中的一个，以致被探测器组件12接收。这样使用x射线窄束有几个优点。首先，它限制了对患者的x射线照射。第二，通过在源端和接收端都对x射线进行准直，患者体内的x射线散射对在该过程中收集的衰减数据具有明显小的影响。
图中示出了5个x射线源、5个源孔径以及5个探测器孔径。每一种的数目是可以变化的。例如，单个x射线源可以和多个源孔径一起使用。源孔径的数目不必和探测器孔径的数目匹配。
图2示出了三个x射线源，该x射线源发射出穿过相应源孔径的x射线窄束，使得这些束和相应的探测器孔径对准，以便射在探测器组件12上。为了图解清楚，只示出了三个x射线源。作为示范性实施例，x射线源22A发射出沿路径方向30穿过源孔径26A和探测器孔径16C到达探测器组件12的x射线。实际上，每个x射线源22可以发射出多个方向上的x射线，水平准直器将该x射线准直到一个平面，探测器孔径进一步将它们准直成窄束。然而，图解通过准直产生的窄束是为了简便。本领域普通技术人员清楚的是，来自一个源的x射线可以穿过一个以上的源孔径，以便形成一个以上穿过视场的路径方向。x射线源、源孔径和探测器孔径相对位置的变化，例如通过它们的相对旋转(或角扫描)而引起的变化，可以用来收集用于重建x射线衰减图像的数据。
使用垂直于图示平面延伸的探测器部件，可以形成三维图像。孔径可以是垂直于图示平面的缝，或者是如我们的共同未决美国专利申请No.10/933,036中所描述的弯曲缝。本实施例中示出x射线源的数量是5个。在其它实施例中，可以使用单个源，并使该单个源在更大的范围内扫描，或者使用任意多个x射线源。
图3-6图解了扫过视场18、处于多个位置的束。在一个优选实施方案中，各个弧以不同速度移动，以便使x射线束转换角度，使得它们各遇到探测器孔径中的一个。在一个实施例中，布置在源弧上的x射线源以相对高的速度一起移动，而x射线障板弧和相应的源孔径以中等速度移动，探测器孔径以较低的速度移动。这使得每个投影角度都可以被获取以用于x射线图像的完整重建。可以选择旋转速度，使得x射线源、源孔径和探测器孔径在整个扫描过程中成直线排列，从而提高效率。由于透射束不和x射线探测器对准，因而无须关闭任何x射线源。本领域普通技术人员也将清楚其它组合。
图3示出了来自x射线源22A的x射线，该x射线穿过源孔径26A和探测器孔径16D到达探测器组件12。图4示出了来自x射线源22A的x射线，该x射线穿过源孔径26A和探测器孔径16E到达探测器组件。图5中，没有来自x射线源22A的x射线到达探测器组件。来自源22B的x射线穿过源孔径26B以及探测器孔径16E到达探测器组件12。图6中，来自源22C的x射线穿过源孔径26C和探测器孔径16E到达探测器组件12。每个图中讨论的路径方向在每个图中用30加以标记，该路径方向随着源、源孔径和探测器孔径相对配置的改变而变化。
本发明实施方案的x射线衰减测量可以使用多种方法进行。在一种方法中，可以使用类似于CAT扫描方法的方法，其中x射线源全部被连续地打开，并且旋转各个弧使得x射线束穿过患者的所有角度的组合，以便获取一组完整的衰减数据。然后，可以关闭x射线源，并使用探测器组件12中的探测器获取SPECT图像。在该方法中，探测器组件12用来探测来自视场的透射x射线和γ发射两者。x射线源一般提供水平比来自患者的γ发射的水平高得多的x射线，因此可以假设，当x射线源打开时，被弧12上的探测器探测到的基本上所有计数都是x射线计数。因此，可以假设，当x射线源关闭时，来自探测器组件12的探测器信号是由γ发射引起的，当x射线源打开时，探测器信号源自x射线。可以对由于基线γ发射(baseline gamma emission)而引起的x射线数据进行校正，本领域普通技术人员清楚这一点。
可替换地，由于x射线和γ发射可具有不同的光子能量，所以由探测器组件提供的探测器信号可同时包含与x射线信号和γ信号有关的信息。可以从来自探测器组件的信号提取γ和x射线信息，例如，通过使用脉冲强度分析、脉冲形状识别或其它方法，例如使用具有可供对所探测的光子进行能量识别的一种以上探测器材料(如多种闪烁体材料)的分层探测器。
x射线源可以被脉冲地驱动，使得它们在SPECT扫描期间间歇地以相对高的水平打开一很短的时间段，诸如0.5-20毫秒，例如1毫秒。短暂的“打开”时间段可以更长些或更短些，如在0.01到200毫秒的范围内。优选地，x射线源在“打开”时间段之间关闭一“关闭”时间段。该“关闭”时间段优选地基本比“打开”时间段长。当x射线源打开时，可以假设被探测器组件12探测到的基本上所有“计数”都是x射线计数。x射线打开的时间可占总成像时间的很小一部分，但分布在整个成像过程中，以便它们在基本不延长总成像时间或降低SPECT成像精确性的情况下提供时间平均衰减图像。以高能量和短持续时间(低占空比)脉冲地驱动x射线源还具有以下好处可以使用具有较低额定值的x射线源，和/或该x射线源可以维持更长时间。
图7示出了本发明的替代实施方案。在该实施方案中，在探测器遮护板14内部于探测器孔径之间设置x射线传感器40A-40D。例如，x射线探测器40A位于探测器孔径16A和16B之间。在该实施方案中，来自x射线源的x射线束被转换方向，以便射在x射线探测器40A-4D上，而不穿过探测器孔径到达探测器组件12。该探测器组件用来探测从对象发射的γ光子。
在其它实施方案中，在x射线探测器和视场之间设置水平准直器。例如，如关于在美国专利申请No.10/933,036中描述的多个实施方案所讨论的，探测器遮护板——在其中称为孔径弧——可放置在离视场更远的地方，并在孔径弧和视场之间放置准直瞄准器来代替孔径弧和探测器组件之间的准直瞄准器，或者除孔径弧和探测器组件之间的准直瞄准器以外另外在孔径弧和视场之间放置准直瞄准器。
在图7的装置中，由于使用了不同的感测系统，所以x射线可以在SPECT成像进行的同时透射。探测器组件12用来探测γ发射，并通过探测器遮护板14与x射线隔开。探测器孔径可以被扩大，以例如占据x射线探测器之间的大部分角范围，以便将更多的γ发射传到探测器组件。
作为进一步可供选择的方案，x射线传感器可以被布置得不同，或者可以覆盖孔径弧的更大一部分，以便更多角度下的x射线可以被同时探测到。
图8示出了包括x射线源60的装置，x射线源60提供x射线束，该x射线束穿过源障板62中的源孔径64(缝)，穿过对象66(该对象可能是患者，如人或宠物——诸如狗、猫或其它哺乳动物；或它们的器官或其它部分；或没有生命的物体，如包裹、衣箱、食品等)而入射到x射线探测器组件上。x射线探测器组件包括x射线探测器70(如半导体探测器)以及探测器遮护板68(例如，铅遮板)。源障板62通过使x射线穿过源孔径64，作为准直器或者聚焦设备。本领域普通技术人员已知的是，遮护板62优选地放置在离x射线源60足够远的地方，以获取所需的x射线的准直或聚焦。该距离可以大于图8所示的距离，后者不一定按比例。
移动源障板而不是源是有利的，因为移动源障板更为容易。当x射线束进行对对象的角扫描时，探测器遮护板68使包括γ探测器74的γ照相机72与x射线束隔开。x射线束被阻止穿过γ照相机中的孔径到达γ探测器材料。
在示例装置中，x射线探测器70属于x射线束的直接入射不会使其饱和(或失去功能)的类型。示例x射线探测器材料包括CZT(碲化锌镉)、碲化锌、其它硫族化物、其它半导体或其它高速x射线探测器材料。x射线探测器可替换地由气体正比探测器设备组成。x射线束可以被脉冲地驱动，脉冲频率可以和x射线探测器材料的恢复时间负相关。其他可以用在x射线探测器中的手段包括微热量计(包括通常需要冷却的单光子热量计)、微通道板设备、正比计数器、半导体探测器(包括CMOS)、闪烁体和荧光体。
图8的配置使得x射线束的脉冲频率可独立于γ探测器被直接暴露于x射线束之下时的恢复时间，γ探测器被直接暴露于x射线束之下的情形是该配置所避免的。因此，慢的γ探测器材料(相对于x射线探测器材料)可以和被快速脉冲驱动的x射线束一起使用。γ探测器的屏蔽物使原本会因x射线束的直接入射而饱和的γ探测器材料可被使用。例如，碘化钠、碘化铯、锗酸铋或其它诸如塑料闪烁体之类的闪烁材料可以用作γ探测器材料。图7的配置还允许使用高功率、被快速脉冲驱动的x射线源，而用来检测SPECT信息的材料不会饱和，因为x射线不射到用来检测SPECT信息的材料上。相反，x射线优选地射到缝16之间的接收器40上。可替换地，当使用包括不失去功能的(non-paralyzing)材料的γ探测器获取SPECT信息时，可以不要求有x射线屏蔽物。
由于缝64对x射线束的准直和遮护板68的遮挡，γ探测器74不直接接收x射线束。可以提供附加准直，例如使用其它缝、缝阵列、孔径、金属毛细管、遮挡板、定向x射线源等。x射线探测器组件还可以包括一个或多个位于x射线探测器70前面的x射线准直器。
如果需要的话，还可以提供γ照相机的附加屏蔽物，以例如减少杂散的散射x射线入射到γ探测器上。
图9A示出了位于发射探测器84前面的x射线探测器组件(包括探测器遮护板82和x射线探测器80)的视图。在该实施例中，发射探测器是γ照相机。图9B示出了探测器遮护板82和x射线探测器80移动到γ照相机84的一侧，相对于图9A，该移动对应于x射线束在视场中的角扫描。
在该实施例中，x射线束扫过一扫描角。在该实施例中，x射线探测器可以包括对高光子通量响应的材料，如半导体材料条，其具有如图所示的竖直取向。x射线探测器组件随着与x射线束的角扫描相关的角移动扫描，使得在角扫描过程中(至少对于所关注的角度，或不然x射线束就会落在γ照相机上的角度)，x射线束保持入射在x射线探测器上。探测器遮护板可以是铅遮板，或包括其它x射线吸收材料。
当x射线探测器组件在γ照相机的孔径前面通过时，孔径将被暂时挡住(如，被挡住2-3秒)。然而，这并不严重损害γ照相机的运行，可以针对γ照相机中的孔径暂时被挡住这一点对来自γ照相机的信号在数值上进行校正。该装置可以被配置成使得来自视场的大部分光子到达γ照相机，而不被探测器遮护板挡住。
γ照相机是发射探测器的一个例子，它探测γ发射并提供所探测的γ光子的一些空间分布信息。γ照相机可以包括闪烁晶体——例如掺铊碘化钠或碘化铯、位于闪烁晶体和视场之间的一系列探测器准直器以及探测由闪烁晶体中的γ辐射产生的闪烁光子的一系列光电倍增管。闪烁光子可以是可见的，并且可以被包括光电二极管和其他对光子响应的半导体器件在内的任何光学探测器探测到。γ照相机提供与所探测的闪烁光子的空间分布相关的探测器信号，这些探测器信号可以用来形成二维或三维图像。然后使用在本领域已知的方法，可使用电子电路从探测器信号获取对象的γ图像。本发明的实施方案可以用于对对象进行二维和三维γ和/或x射线成像。
探测器组件可以包括一个或多个二维探测器阵列。该探测器阵列可以包括发射探测器，该发射探测器根据所探测的辐射的波长选择。对于γ发射探测器，可以使用包括CZT(碲化锌镉)或碲化镉或其它硫族化物的固态探测器。探测器还可以包括诸如碘化钠或碘化铯之类的闪烁材料以及相关的闪烁发射探测器，诸如光电倍增管或其它诸如光电二极管之类的光电探测器。探测器组件可以包括并排组装的多片闪烁材料或单个大的弯曲的闪烁材料晶体。闪烁探测器还可以包括位置灵敏闪烁发射探测器和/或将闪烁光子导至适当的探测器的光纤阵列。
因此，改进的CAT和SPECT组合设备包括提供x射线束的x射线源、提供穿过对象的x射线束的角扫描的机构、γ照相机以及x射线探测器组件，该x射线探测器组件进行与x射线束的角扫描相关的角移动，x射线探测器包括高速x射线探测器和x射线遮护板，该x射线遮护板使x射线束不直接入射到γ照相机上。在其它实施例中，γ照相机可以被省略，和/或可以使用其他探测器系统，例如，PET成像器、热成像器、视频或其他成像系统。
优选地，该途径还可以用来提供CT和PET组合装置。在任一组合中，CT/x射线部分允许进行衰减校正，而且也允许对所研究区域中的身体结构进行定位。例如，如果SPECT扫描确定有关系的区域的位置，具有同一区域的CT扫描以确定身体器官和骨头结构的相对位置是有利的。本发明提供了这种能力。作为进一步可供选择的方案，在此给出的任何设计都可以用作CT/x射线装置，而没有SPECT或PET方面。任一设计可以用于CT/x射线模式下，而不用操作SPECT或PET部分，或者可以只为设备提供CT/x射线能力。即，在此给出的设计提供了新的且特别有用的CT装置，不依赖于在此讨论的其他方面。
提供x射线束的角扫描的机构可以包括旋转结构，该旋转结构包括孔径、孔径阵列、x射线反射器、定向x射线源或其他结构。
在其它实施例中，可以有两个或多个x射线束扫描通过对象，并且相关的x射线探测器组件阻止x射线直接入射到γ照相机上。
在其它实施例中，x射线束可以是光锥状的束(pencil-likebeam)，具有适当的准直，例如通过圆形孔径，并且x射线束可以扫描通过一个或多个平面，如两个正交平面。在另一实施例中，x射线源可以左右直线地移动(对于图8)，并且可以和它朝着的接收器或计数器一起移动。作为一个实施例，该源可以移到多个位置，而接收器针对每个位置进行扫描。尽管所图解的实施方案是目前优选的，但作为又一个可供选择的方案，一个或多个接收器可以是固定的，而源移动。
在示例应用中，被成像的对象可以是患者的器官，如心脏。例如，如美国专利申请No.10/933,036中所描述的，给患者注射放射性物质，该放射性物质在心肌用氧时被心肌吸收。然后γ发射从该心脏组织中产生，并可以被γ探测器探测到。然后利用该探测到的γ发射重建心肌图像。然而，患者的心脏由不同类型的具有不同密度的组织包围。该周围组织以一种非均匀的方式，吸收放射性发射或者以另外的方式使放射性发射衰减，使图像的精确重建复杂化。这在医学成像中是严重的问题。然而，根据本发明实施方案的装置使对患者的x射线衰减成像和γ成像能并行进行，使得可以针对诸如组织之类的周围物质中的密度变化对γ图像进行校正。
根据本发明实施方案的装置使诸如x射线衰减图像之类的x射线图像可以和γ成像被并行地获取。脉冲地驱动x射线源使x射线图像可以在与获取γ图像所需的时间范围相似的时间范围(time-scale)内获取。
在其它实施例中，x射线图像可以和动态SPECT成像相结合，例如，以提供x射线和γ图像数据导出的、共同时间范围内的器官机能的电影。
在其它实施例中，门控SPECT成像可以和脉冲x射线图像数据相结合，以获取重复过程的相同阶段——例如，心跳的特定阶段——的并行图像。该x射线源在所不关心的时段内可以具有长的关闭时间段。
上面讨论的实施例说明了用于例如CT成像或其他扫描的x射线探测器和用于例如SPECT医学成像的γ照相机的结合。然而，本发明的实施例也包括独立的CT扫描器。在此公开的任何装置的SPECT成像或其他γ成像功能是可任选的。应用包括对心脏、脑、肾或其他身体器官或它们的机能成像。
本发明的其他实施例可以采用不同类型的辐射。例如，可以通过使激光辐射扫描通过对象来进行激光衰减测量，其中激光辐射探测器和任选的相关辐射遮护板随激光束移动。通过使用从对象发出的辐射，例如热辐射、激光诱导荧光、IR、微波、太赫兹(THz)或其他辐射，发射探测器或其他探测器可以同时用来获取图像数据。根据本发明的装置使激光衰减和辐射成像能同时进行。在本发明的其他实施例中，x射线成像可以和PET(正电子发射体层摄影)成像相结合。
医学成像的更多细节可用于本发明实施方案中的医学成像设备的其他方面，在我的共同未决专利申请以及美国专利No.6,525,321和6,525,320(两者的名称都为“Single photon emission computed tomography system”)中作了描述，所述共同未决专利申请包括美国专利申请No.10/933,036和No.10/872,253(两者的名称都为“Single photonemission computed tomography system”)；No.10/993,012(“Edgeeffects treatment for crystals”)；No.10/358,961，上述专利申请和专利的内容在此通过援引的方式全部纳入。
视场可以被配置成包含病人的躯干，以便进行心脏成像。该躯干可以是水平或竖直的以供成像。在一个实施方案中，探测器组件和探测器遮护板围绕患者同心地布置。用于心脏成像的一个实施方案在美国专利申请No.10/933,036中有描述，包括约64个发射探测器模块，每一个发射探测器模块由一系列独立的单元或像素组成。在该实施方案中，探测器遮护板提供半径约为30cm的探测器孔径弧，探测器组件形成内半径为40cm的弧。在该实施例中，直径约50cm的患者视场区域在视场范围内。该视场可以由源障板和探测器遮护板或者其他成像部件所围起的区域限定。该探测器孔径弧和探测器组件可以布置在真正的几何弧上，使共同的弧心位于穿过视场的中心的纵轴线上。可替换地，它们中的任何一个或两者可以是卵形的，或者呈具有非共同弧心的弓形。例如，弧心可以位于不在上述纵轴线上的位置，以便增加弧半径。源、源孔径、探测器孔径或探测器配置中的任何一个还可以是非弓形的。例如，任何一个都可以被布置成一个或多个直的段，或者被布置成部分是弓形的部分是非弓形的。
根据本发明实施例的装置还可以包括用于患者身体活动的测力计，例如以在成像前给心脏加压。装置还可以包括心电图、心除颤器和/或用于施用放射性标记的药物或其他化合物的静脉输液泵。
在另一个实施方案中，用于产生代表光子发射放射性同位素的三维分布的类型的多个断层图像的单光子发射计算体层摄影(SPECT)装置包括基底，该基底包括用来支撑患者使患者的一部分位于视场内的患者支撑物，一纵轴线被限定穿过视场；接近视场的探测器组件，该探测器组件至少部分地在第一端和第二端之间绕视场延伸，该第一端和第二端被间隔开，以便限定到视场的入口，该探测器组件可操作来探测是否有光子打在该探测器组件上；准直组件，该准直组件包括光子衰减材料构成的至少两个间隔开的准直瞄准器，每个瞄准器被布置在探测器组件和视场之间；大体弓形的探测器遮护板，该探测器遮护板包括布置在视场和探测器组件之间的光子阻挡构件，该阻挡构件具有被限定沿着该构件隔一段距离穿过该构件的多个探测器孔径(如缝)，供与孔径缝对准的光子通过，探测器组件的响应线被限定为从探测器组件穿过探测器孔径；以及位移执行机构，该位移执行机构可操作来相对于探测器组件移动光子阻挡构件，使得孔径缝相对于探测器组件移动，并且使响应线扫过视场的至少一部分。该装置还包括接近视场布置的多个x射线源。探测器组件可以用于x射线成像和γ发射成像两者，例如在x射线源不活动时形成γ发射图像。可替换地，可以使探测器组件与来自x射线源的x射线隔开，该x射线具有与探测器视场不一致的路径方向，并使其与所提供的独立x射线探测器隔开。该x射线探测器和任选的相关x射线遮护板，可以起阻止x射线到达探测器组件的作用。该探测器组件可以包括γ照相机或其他发射探测器。
源和/或探测器孔径可以具有可调节的尺寸，例如，包括具有可调宽度的缝。这使得可以调节成像的灵敏度和分辨率。
尽管实施例示出了探测器和源孔径的弯曲布置，但丝毫不是说该设计要求探测器为弯曲的。可采用平坦的探测器来实践相同原理。在这样的实施例中，x射线源被布置在平直的线上，而源孔径位于平板上(即，采用线性或准线性布置)。图10图解了一种装置，该装置包括探测器组件114、探测器遮护板104中的探测器孔径106、x射线源112和源障板108中的源孔径110，在该实施例中，探测器组件114包括闪烁体102和光电探测器100。x射线束116在探测器孔径和源孔径处被准直，并落在探测器组件上。该x射线束可以是窄的，例如其宽度小于约5mm，例如在约1mm到约1.5mm的范围内，并且该x射线束基本是不发散的。可以协调源孔径、探测器孔径和(任选地)x射线源的平移，使得探测器能够连续地探测x射线束。可以使用一个以上的x射线源，并且该一个或多个x射线源可被脉冲地驱动。如果x射线束不是被脉冲地驱动的，在平移孔径期间连续探测x射线束是可能的。箭头(D)指示源和探测器孔径移动的典型可能方向，不过其他移动是可能的。诸如执行机构之类的平移机构和其他特征在Juni的美国专利No.6,525,320中有描述，该专利在此通过援引的方式纳入。
在此描述的各个实施例将透射辐射描述为x射线，将发射描述为γ射线。然而，在本发明的其他实施例中，透射辐射和/或发射可以是其他类型的。
在此通过援引的方式将本说明书中提到的专利、专利申请或出版物纳入，程度一如具体和单独地指出每一个单独文献被通过援引的方式纳入。具体地，在此通过援引的方式将2004年9月3日提交的流水号为No.60/607,319的美国临时专利申请、2005年2月11日提交的流水号为No.60/652,424的美国临时专利申请以及流水号为No.10/933,036的美国专利申请完整纳入。
本发明不限于上文描述的说明性实施例。实施例并不拟用来限制本发明的范围。在此描述的方法、装置、结合等是示例性的，并不拟用来限制本发明的范围。本领域普通技术人员将会想到实施例中的变化和其他使用。本发明的范围由权利要求的范围限定。
权利要求
1.一种用于说明来自视场的发射和该视场的x射线透射率的装置，该装置包括接近该视场设置的x射线源，该x射线源提供x射线；位于该x射线源和该视场之间的源障板，该源障板具有源孔径，x射线穿过该源孔径，x射线具有穿过该视场的路径方向；接近该视场设置的发射探测器，该发射探测器探测来自该视场的发射；以及x射线探测器，该x射线探测器位于该发射探测器和该视场之间，以便在x射线束穿过该视场后接收该x射线束，其中使该发射探测器与x射线隔开，该发射探测器提供与来自该视场的发射相关的发射信号，该x射线探测器提供与该路径方向的该视场的x射线透射率相关的x射线探测器信号。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，还包括执行机构，该执行机构可操作来相对于该x射线源移动该源孔径，以便提供穿过该视场的路径方向的改变，该x射线探测器根据该路径方向的改变而移动，使得该x射线探测器继续接收x射线，当该路径方向改变时，保持使该发射探测器与x射线隔开。
3.根据权利要求2的装置，其中该x射线探测器安装在x射线遮护板上，该x射线探测器和x射线遮护板根据该路径方向的改变一起移动。
4.根据权利要求1的装置，其中该发射探测器是γ探测器，发射是来自该视场的γ发射。
5.根据权利要求4的装置，其中该装置利用来自该发射探测器的第一信号提供该视场的γ发射图像，该装置还利用来自该x射线探测器的第二信号提供该视场的x射线透射图像。
6.根据权利要求1的装置，其特征在于，还包括x射线遮护板，该x射线遮护板具有穿过其的多个遮护板孔径，该遮护板孔径被设置以便使来自该视场的发射能到达该发射探测器，该x射线遮护板阻止x射线到达该发射探测器。
7.根据权利要求1的装置，其中该x射线源被在打开状态和关闭状态之间脉冲地驱动，以便提供具有脉冲持续时间的x射线脉冲，该脉冲被脉冲间隔隔开，在该脉冲间隔内该x射线源处于关闭状态，该x射线源具有占空比，该占空比等于该脉冲持续时间除以该脉冲间隔。
8.根据权利要求7的装置，其中该脉冲持续时间在约0.01毫秒和约200毫秒之间。
9.根据权利要求1的装置，其中该源障板包括多个源孔径，提供具有穿过该视场的多个路径方向的x射线，该装置还包括执行机构，该执行机构可操作来相对于该x射线源移动该源障板，以便修改穿过该视场的多个路径方向。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于，该装置还包括多个x射线探测器，该多个x射线探测器被设置来探测具有多个路径方向的x射线的至少一部分。
11.根据权利要求9的装置，其特征在于，还包括大体布置在第一弧上的多个x射线源，并且其中多个源孔径大体布置在第二弧上。
12.一种用于说明视场的装置，该装置包括x射线源；位于该x射线源和该视场之间的源障板，该源障板具有源孔径，使得穿过该源孔径的x射线束进入该视场；接近该视场设置的探测器，该探测器具有探测器孔径，该探测器在x射线束穿过该探测器孔径后接收该x射线束；以及执行机构，该执行机构可操作来相对于该x射线源移动该源障板，以便扫描x射线束穿过该视场的路径方向，其中该源孔径和探测器孔径以一定尺寸制造，使得x射线束基本不发散地穿过该视场。
13.根据权利要求12的装置，其中该装置包括多个x射线源；源障板内的多个源孔径；以及多个探测器孔径，所述执行机构可操作来相对于所述多个x射线源移动该源障板，以便扫描穿过该视场的多个x射线束。
14.根据权利要求13的装置，其中所述多个x射线源大体布置在第一弧上，所述多个源孔径大体布置在第二弧上，并且所述多个探测器孔径布置在第三弧上。
15.根据权利要求13的装置，其中在穿过该视场的x射线束的扫描过程中，协调该x射线源、该源孔径和探测器孔径的移动，使得x射线束能够被该探测器连续地接收。
16.根据权利要求12的装置，其中该探测器是弓形探测器组件的一部分。
17.根据权利要求12的装置，其中x射线源被在打开状态和关闭状态之间脉冲地驱动，以便提供具有脉冲持续时间的x射线脉冲，该脉冲被脉冲间隔隔开，在该脉冲间隔内该x射线源处于关闭状态。
18.根据权利要求17的装置，其中该装置利用在该x射线源处于打开状态时获取的探测器信号提供该视场的x射线图像，该装置还利用在该x射线源处于关闭状态时获取的探测器信号提供该视场的发射图像。
19.根据权利要求18的装置，其中该发射图像是来自该视场的γ发射的图像。
20.根据权利要求17的装置，其中该脉冲持续时间在约0.01秒和约200毫秒之间。
21.根据权利要求17的装置，其中该脉冲持续时间在约0.5毫秒和约20毫秒之间。
22.根据权利要求17的装置，其中该脉冲间隔至少是该脉冲长度的10倍长。
23.一种用于提供视场的发射图像和x射线图像的装置，该装置包括x射线源，该x射线源被在打开状态和关闭状态之间脉冲地驱动，以便提供具有脉冲持续时间的x射线脉冲，该脉冲被脉冲间隔隔开，在该脉冲间隔内该x射线源处于关闭状态；发射探测器，该发射探测器根据来自该视场的发射提供发射探测器信号；x射线探测器，该x射线探测器根据穿过该视场并入射到该x射线探测器上的x射线提供x射线探测器信号；以及电子电路，该电子电路可操作来从该x射线探测器信号形成该视场的x射线图像，以及从该发射探测器信号形成该视场的发射图像，该发射图像是来自该视场的发射的图像。
24.根据权利要求23的装置，其中该发射探测器和x射线探测器由同一探测器组件提供，该探测器组件提供探测器信号，该x射线探测器信号是该x射线源处于打开状态时的探测器信号，该发射探测器信号是该x射线源处于关闭状态时的探测器信号。
25.根据权利要求23的装置，其中该脉冲间隔比该脉冲长度大100倍以上。
26.根据权利要求23的装置，其中该x射线图像和该发射图像在基本并行的时间段内形成。
27.根据权利要求23的装置，其中该发射是γ发射。
全文摘要
根据本发明实施方案的用于对视场成像的装置包括接近视场放置的x射线源；位于x射线源和视场之间、具有被限定穿过其的至少一个源孔径的源障板；以及接近视场的发射探测器，如γ照相机。该装置可以使对视场的x射线成像和γ成像基本并行进行。
文档编号G01F1/66GK101069090SQ200580037884
公开日2007年11月7日 申请日期2005年9月6日 优先权日2004年9月3日
发明者杰克·E·朱尼 申请人:杰克·E·朱尼