單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法
【專利摘要】本發明提出一種單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，包括：對準直器進行測量以獲得準直器上針孔或槽縫的幾何參數；將準直器和PET探測器組裝成單光子發射斷層成像系統；控制準直器運動，以利用PET探測器測量準直器運動至多個目標位置時的多組本底符合事件；根據多組本底符合事件得到準直器在單光子發射斷層成像系統中的位置坐標。根據本發明實施例的方法可以對單光子發射斷層成像系統(即SPECT系統)的幾何參數進行精確刻度，為斷層成像的圖像重建提供精確的幾何參數，從而提高單光子發射斷層成像系統的成像質量。
【專利說明】單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及發射斷層成像【技術領域】，特別涉及一種單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法。
【背景技術】
[0002]發射斷層成像技術是一種非侵入式的核醫學成像方法，其原理是使用放射性核素標記的生物活性物質參與生物體的生理代謝，利用測量放射性核素的分布，間接觀察生物活性物質的代謝和三維分布情況。發射斷層成像包括SPECT(Single Photon Emiss1nComputed Tomography)和 PET (Positron Emiss1n Tomography),它們都是功能性顯像技術，目前已廣泛應用于預臨床的藥物研究和臨床疾病診斷。SPECT相比于PET具有高分辨率和較多種類的標記藥物的優點。
[0003]目前一種SPECT系統的搭建方法是在PET探測器中嵌入針孔準直器(如圖1)或者槽縫(Slit-Slat)準直器(如圖2)的方法。該方法的特點是利用已有PET環作為探測器，并結合準直器進行SPECT成像，系統的優點是降低了 SPECT系統的成本，和減小系統占據的物理空間，并且系統具有高度的靈活性，可以同時進行雙模式成像，有利于兩種圖像的融合。該系統設計具有廣泛的市場應用前景。
[0004]嵌入式PET/SPECT系統經常要在PET和SPECT不同工作狀態進行切換，需要將準直器移進移出，容易使準直器位置發生微小位移，造成系統幾何位置不精確，影響SPECT圖像質量，因此獲得高質量的SPECT圖像的一個關鍵步驟是對準直器在PET系統中的位置的精確刻度。目前常用的方法是利用位置控制平移臺將伽馬點源在成像視野內以一定的掃描軌道進行投影數據的采集，獲得點源在各個運動位置的投影重心，利用最小二乘擬合的方法對準直器的針孔進行位置標定。
[0005]傳統方法需要制備較小尺寸的點源，有一定的困難，同時需要較為復雜的掃描軌道和數據擬合方法，操作困難。
【發明內容】
[0006]本發明旨在至少解決上述技術問題之一。
[0007]為此，本發明的目的在于提出一種單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法。該方法可為斷層成像的圖像重建提供精確的幾何參數，從而提高單光子發射斷層成像系統的成像質量。
[0008]為了實現上述目的，本發明的實施例提供了一種單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，所述單光子發射斷層成像系統包括PET探測器和準直器，所述方法包括以下步驟:對所述準直器進行測量以獲得所述準直器上針孔或槽縫的幾何參數；將所述準直器和所述PET探測器組裝成所述單光子發射斷層成像系統；控制所述準直器運動，以利用所述PET探測器測量所述準直器運動至多個目標位置時的多組本底符合事件；根據所述多組本底符合事件得到所述準直器在所述單光子發射斷層成像系統中的位置坐標。
[0009]根據本發明實施例的方法可以對單光子發射斷層成像系統(即SPECT系統)的幾何參數進行精確刻度，為斷層成像的圖像重建提供精確的幾何參數，從而提高單光子發射斷層成像系統的成像質量。
[0010]另外，根據本發明上述實施例的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法還可以具有如下附加的技術特征:
[0011]在一些示例中，所述控制所述準直器運動，以利用所述PET探測器測量所述準直器運動至多個目標位置時的多組本底符合事件，具體包括:控制所述準直器移出所述PET探測器的環中，并通過所述PET探測器采集第一預設時間內的第一本底符合事件；控制所述準直器移入所述PET探測器的環中，并通過所述PET探測器采集第二預設時間內的第二本底符合事件；控制所述準直器移出至所述PET探測器的環中預設距離，并通過所述PET探測器采集第三預設時間內的第三本底符合事件。
[0012]在一些示例中，利用PET探測器中镥176衰變產生的負電子和級聯的伽馬粒子測量所述多組本底符合事件。
[0013]在一些示例中，所述根據所述多組本底符合事件得到所述準直器在所述單光子發射斷層成像系統中的位置坐標，具體包括:將所述多組本底符合事件轉化為正弦圖；根據所述正弦圖利用圖像重建算法建立所述準直器的三維衰減圖像；以及從所述準直器的三維衰減圖像中提取所述準直器在所述單光子發射斷層成像系統中的位置坐標；或直接將符合事件響應線反投影，獲得準直器的反投影圖像，以及從所述反投影圖像中提取所述準直器在所述單光子發射斷層成像系統中的位置坐標。
[0014]在一些示例中，利用反投影的方法將所述多組本底符合事件轉化為正弦圖；利用濾波反投影算法或迭代重建算法獲得所述準直器的三維衰減圖像。
[0015]在一些示例中，還包括:在所述準直器上進行進一步處理，包括粘貼標記物或切槽切縫，以利用所述標記物或所述切槽切縫獲得本底成像，以用于標定所述準直器的幾何參數。
[0016]在一些示例中，所述準直器上針孔或槽縫的幾何參數包括:所述針孔或槽縫在所述準直器上的位置和張角。
[0017]在一些示例中，通過如下方式對所述準直器進行測量以獲得所述準直器上針孔或槽縫的幾何參數:機械測量方法、光學測量方法、成像測量方法、電磁測量方法或氣動測量方法。
[0018]在一些示例中，所述準直器的形狀為環狀、平板狀或多邊形，所述準直器的針孔為圓錐、橢圓錐、圓臺、橢圓臺、多棱錐或多棱臺。
[0019]在一些示例中，所述PET探測器為與所述準直器適配的環狀探測器、平板探測器或多邊形探測器。
[0020]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0022]圖1是一種基于環形PET探測器和嵌入式縫-槽準直器的PET/SPECT系統；
[0023]圖2是一種基于環形PET探測器和嵌入式針孔準直器的PET/SPECT系統；
[0024]圖3是一種镥176的衰變綱圖；
[0025]圖4是根據本發明一個實施例的方法的步驟圖；
[0026]圖5是镥本底符合透射成像原理圖；
[0027]圖6是利用標記物測量各個針孔或細縫在PET探測器坐標系下的位置坐標的示意圖；
[0028]圖7圓筒形準直器的镥本底符合透射重建的衰減系數圖；
[0029]圖8圓筒形準直器的镥本底符合透射重建的直接反投影圖；
[0030]圖9圖8中的其中一層的最小值點得到的圓筒形準直器的邊界；
[0031]圖10是利用圖9獲得圓桶準直器各層的中心點坐標及擬合得到圓桶準直器的軸線。
[0032]圖11是圓桶準直器移出65mm得到的镥本底符合重建圖像；圖12是根據本發明另一個實施例的方法的流程圖，
[0033]上述圖1-12中標號I是指PET探測器環、11，12是準直器隔板，13是準直器細縫，2是指準直器、3是指準直器上的針孔、4是指待成像的小動物、標號5是放置小動物的掃描床、6是指镥本底的符合響應線，7是標記物。
【具體實施方式】
[0034]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0035]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0036]在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0037]參照下面的描述和附圖，將清楚本發明的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本發明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發明的實施例的原理的一些方式，但是應當理解，本發明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發明的實施例包括落入所附加權利要求書的精神和內涵范圍內的所有變化、修改和等同物。
[0038]以下結合附圖描述根據本發明實施例的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法。
[0039]圖12是根據本發明一個實施例的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法的流程圖。如圖12所示，并結合圖4，根據本發明一個實施例的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，其中，單光子發射斷層成像系統包括PET探測器和準直器，所述幾何刻度方法包括如下步驟:
[0040]步驟SlOl:對準直器進行測量以獲得準直器上針孔或槽縫的幾何參數。即:如圖4所示，對準直器進行出廠測量，獲得各個針孔或細縫在準直器上的精確位置和張角等幾何參數。其中，準直器上針孔或槽縫的幾何參數包括但不限于:針孔或槽縫在準直器上的位置和張角。
[0041]例如:對準直器進行出廠測量，獲得各個針孔或槽縫(即細縫)在準直器上的精確位置和張角等幾何參數。具體而言，對準直器按照設計進行加工后的出廠刻度，由于實際加工與設計值有略微差別，因此出廠前需要對準直器上的針孔或細縫的尺寸以及它們在準直器上的位置進行刻度，出廠幾何刻度方法可由傳統的幾何刻度方法實現，例如:通過如下方式對準直器進行測量以獲得所述準直器上針孔或槽縫的幾何參數:機械測量方法、光學測量方法、成像測量方法、電磁測量方法或氣動測量方法。即包括傳統的機械測量方法、光學測量方法、成像測量方法、電磁測量方法和氣動測量方法等。
[0042]步驟S102:將準直器和PET探測器組裝成PET/SPECT —體機系統。即:如圖4所示，將準直器和移動控制電機與PET探測器組裝成PET/SPECT —體機系統。
[0043]具體地，將準直器和移動控制平臺與PET探測器組裝成PET/SPECT系統，例如:將準直器與PET探測器按設計進行組裝，構成SPECT/PET —體機，通常還需要有可以控制準直器移動的移動控制平移臺。組裝后需要對準直器在PET探測器環中的位置進行刻度，如準直器中心在PET探測器中的幾何位置，準直器軸線與PET探測器軸線的夾角，針孔或細縫的初始角度等。而且PET/SPECT —體機需要在SPECT和PET的工作模式下進行切換，即需要經常的將準直器移出和移入，準直器在PET探測器環中的位置會發生微小偏移，因此需要不定期的對準直器和PET探測器環的位置進行刻度。
[0044]步驟S103:控制準直器運動，以利用PET探測器測量準直器運動至多個目標位置時的多組本底符合事件。即:如圖4所示的通過平移臺控制準直器移動到PET探測器環中，調整PET的符合能窗，利用PET探測器中镥176衰變產生的負電子和級聯伽馬粒子進行符合測量。例如利用PET探測器中镥176衰變產生的負電子和級聯的伽馬粒子測量所述多組本底符合事件。即移動控制平移臺(如電機)控制準直器移動到PET探測器環中，調整PET的符合能窗，利用PET探測器中镥176衰變產生的負電子和級聯的伽馬粒子進行符合測量。
[0045]具體地說，控制準直器運動，以利用PET探測器測量準直器運動至多個目標位置時的多組本底符合事件，具體包括:
[0046]1、控制所述準直器移出所述PET探測器的環中，并通過所述PET探測器采集第一預設時間內的第一本底符合事件；
[0047]2、控制所述準直器移入所述PET探測器的環中，并通過所述PET探測器采集第二預設時間內的第二本底符合事件；
[0048]3、控制所述準直器移出至所述PET探測器的環中預設距離，并通過所述PET探測器采集第三預設時間內的第三本底符合事件。
[0049]在上述示例中，第一預設時間為但不限于[15，25]小時，第二預設時間和第三預設時間為但不限于[5，15]小時，預設距離為但不限于65毫米。
[0050]更為具體地說，由于含镥晶體，如LS0\LYS0\LGS0等晶體對于伽馬射線具有強阻止本領，較大的發光量和較短的發光衰減時間，目前被廣泛應用于預臨床和臨床PET系統中，镥含有部分的镥176同位素，具有天然本底輻射，其主要衰變過程為負電子衰變(最大能量596keV)以及級聯發生伽馬衰變(主要能量為202keV和307keV)，镥176的衰變綱圖如圖3所示。由上可知，利用PET探測器的镥本底符合事件對針孔準直器在PET進行測量方法即在解決準直器與PET探測器環的相對位置問題。含镥晶體的PET探測器需要修改符合能窗下閾值，將下閾值調整到低于202keV，以便可以同時測量某個晶體中镥176衰變的產生的負電子以及逃逸且被探測器其他晶體探測到的級聯伽馬粒子，形成符合探測。準直器置于PET探測器視野中，會對逃逸的伽馬粒子阻擋吸收，因此利用PET的镥本底符合事件可以準直器測量可以獲得類似計算機斷層成像(CT)的透射成像圖。本發明是利用PET符合成像以及镥176產生伽馬射線對準直器的透射成像原理進行工作，镥本底符合透射成像原理如圖5所示。
[0051]步驟S104:根據多組本底符合事件得到準直器在單光子發射斷層成像系統中的位置坐標。如圖4所示的通過采集數據的重建圖像提取準直器在PET系統中的位置坐標。即:對采集的數據進行重建，從重建的圖像中提取準直器在PET系統中的位置坐標。
[0052]作為一個具體的示例，根據多組本底符合事件得到準直器在單光子發射斷層成像系統中的位置坐標，具體包括:
[0053]1、將多組本底符合事件轉化為正弦圖；
[0054]2、根據正弦圖利用圖像重建算法建立準直器的三維衰減圖像；
[0055]3、從準直器的三維衰減圖像中提取準直器在單光子發射斷層成像系統中的位置坐標。
[0056]在上述示例中，可利用反投影的方法將多組本底符合事件轉化為正弦圖，利用濾波反投影算法或迭代重建算法獲得準直器的三維衰減圖像。
[0057]本發明實施例的方法的關鍵是本底射線的放射性強度較弱，同時PET探測器的空間分辨率有限，因此在短時間內，僅從镥本底的符合透射成像圖上很難直接獲得準直器的精確位置坐標。因此本發明的實施例進一步提出了利用準直器系統幾何對稱性的方法獲得準直器的對稱中心的方法進行準直器幾何位置刻度，上述方法可以直接應用于符合線數據、重組后的正弦圖數據、解析或迭代重建后的透射圖像或發射圖像。
[0058]另外，上述利用镥本底對準直器進行符合成像的方法，還包括進一步的利用控制平移臺移動準直器在不同的位置進行測量，獲得準直器在PET探測器中的不同的幾何參數。
[0059]在本發明的一個實施例中，還包括:在準直器上進行進一步處理，包括粘貼標記物或切槽切縫，以利用標記物或所述切槽切縫獲得本底成像，以用于標定所述準直器的幾何參數。具體地說，在不影響成像的前提下，在準直器上切割、或粘接其他物體形成標記位置。通過傳統幾何測量方法測量準直器上各針孔或細縫與標記物的相對位置，并利用上述镥本底符合透射成像對標記物進行成像和提取幾何位置參數，從而間接測量各個針孔或細縫在PET探測器坐標系下的位置坐標，如圖6所示。
[0060]其中，準直器的形狀為但不限于:環狀、平板狀或多邊形，所述準直器的針孔為圓錐、橢圓錐、圓臺、橢圓臺、多棱錐或多棱臺。
[0061]【實施例】
[0062]采用Nucmed的小動物PET/SPECT系統，如圖2所示，其中PET使用LYSO晶體的環形探測系統，環直徑152.6mm,軸向視野100mm,嵌入式準直器桶內徑31.85mm,外徑35.35mm的環，材料為鎢。具有五排針孔，每排10個，如圖6所示。
[0063]該方法如下:
[0064]I)準直器上針孔的相對位置在加工完成之后已固定，采用光學測試，精確獲得各個針孔在準直器桶上的相對位置。
[0065]2)將準直器固定在電動平移旋轉臺上，與PET探測器環組裝成SPECT/PET —體機。
[0066]3)使用PET探測器镥本底進行符合事件測量。具體測量步驟如下，首先將準直器移出PET探測器，利用PET探測器采集20小時的本底符合事件(數據I)，作為矯正數據；其次將準直器移到SPECT工作模式，采集10個小時本底符合事件(數據2);最后將準直器從SPECT工作模式移出65mm，采集10小時本底符合事件(數據3)。
[0067]4)將三組采集數據轉化為正線圖，利用圖像重建算法得到準直器的圖像。對每個斷層的準直器圓環，如圖7-11所示，進行擬合獲得圓中心，再對獲得的一系列圓中心(如圖7-11所示)進行線性擬合即獲得準直器桶的軸線位置的估計；對數據三進行重建，對重建圖像進行邊緣識別，可以獲得準直器邊緣在PET探測器環中的位置，通過已知的位移65mm和光學測量過各個針孔在準直器桶上的位置坐標，即可推算出準直器桶在SPECT采集狀態下的各個針孔在PET探測器坐標系下的軸向位置，如圖9為準直桶在位移65mm狀態下的镥本底符合透射成像直接濾波反投影的結果。
[0068]通過上述第4步，可以標定準直器桶軸線在PET探測器坐標系下的坐標，如準直器桶軸線與PET探測器環軸線的兩個夾角；以及通過準直器桶在軸向的邊緣可以間接獲得針孔在軸向的坐標。
[0069]進一步的實驗可以采用標記物進行針孔在準直器桶的橫斷面角度的標定。
[0070]本發明實施的方法可在PET采集模式下，不需要額外放射源，僅利用镥本底輻射對準直器符合成像，從中提取參數，用于系統的幾何刻度的方法。該方法可以對SPECT系統的幾何參數進行精確刻度，為SPECT圖像重建提供精確的幾何參數，從而提高SPECT圖像質量。另外，該方法只需要對準直器進行一次出廠標定，之后只需要再利用PET探測器的镥本底符合事件進行準直器和PET探測器的相對位置的刻度，而不需要額外的放射源進行復雜軌道的采集，該方法簡單有效，易于實施，有助于PET/SPECT系統的準直器進行不定期的幾何位置標定，從而提聞SPECT系統的圖像質量。
[0071]根據本發明實施例的方法，具有以下特點和優點:
[0072]1、簡單、易于實施，針孔或細縫在準直器上的位置只需標定一次，準直器與PET探測器的相對位置的標定步驟易于實施，只需要調整PET采集的符合能窗設置。
[0073]2、不需要額外放射源，可以避免復雜的操作流程以及放射源對人體造成額外的輻射。
[0074]3、該方法快速和準確，方法利用準直器的對稱性，可以在短時間內獲得高精度的刻度，不影響正常實驗，易于不定期的進行系統幾何位置自檢驗。
[0075]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0076]盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同限定。
【權利要求】
1.一種單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，其特征在于，所述單光子發射斷層成像系統包括PET探測器和準直器，所述方法包括以下步驟: 對所述準直器進行測量以獲得所述準直器上針孔或槽縫的幾何參數； 將所述準直器和所述PET探測器組裝成所述單光子發射斷層成像系統； 控制所述準直器運動，以利用所述PET探測器測量所述準直器運動至多個目標位置時的多組本底符合事件； 根據所述多組本底符合事件得到所述準直器在所述單光子發射斷層成像系統中的位置坐標。
2.根據權利要求1所述的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，其特征在于，控制所述準直器運動，以利用所述PET探測器測量所述準直器運動至多個目標位置時的多組本底符合事件，具體包括: 控制所述準直器移出所述PET探測器的環中，并通過所述PET探測器采集第一預設時間內的第一本底符合事件； 控制所述準直器移入所述PET探測器的環中，并通過所述PET探測器采集第二預設時間內的第二本底符合事件； 控制所述準直器移出至所述PET探測器的環中預設距離，并通過所述PET探測器采集第三預設時間內的第三本底符合事件。
3.根據權利要求1或2所述的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，其特征在于，利用PET探測器中镥176衰變產生的負電子和級聯的伽馬粒子測量所述多組本底符合事件。
4.根據權利要求1所述的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，其特征在于，所述根據所述多組本底符合事件得到所述準直器在所述單光子發射斷層成像系統中的位置坐標，具體包括: 將所述多組本底符合事件轉化為正弦圖； 根據所述正弦圖利用濾波反投影算法或迭代重建算法獲得所述準直器的三維衰減圖像；以及 從所述準直器的三維衰減圖像中提取所述準直器在所述單光子發射斷層成像系統中的位置坐標。 或直接將符合事件反投影，獲得反投影圖像；以及從所述準直器的反投影圖像中提取所述準直器在所述單光子發射斷層成像系統中的位置坐標。
5.根據權力要求4所述的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，其特征在于，還包括:在所述準直器上進行進一步處理，包括粘貼標記物或切槽切縫，以利用所述標記物或所述切槽切縫獲得本底成像，以用于標定所述準直器的幾何參數。
6.根據權利要求1所述的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，其特征在于，所述準直器上針孔或槽縫的幾何參數包括:所述針孔或槽縫在所述準直器上的位置和張角。
7.根據權利要求1所述的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，其特征在于，通過如下方式對所述準直器進行測量以獲得所述準直器上針孔或槽縫的幾何參數:機械測量方法、光學測量方法、成像測量方法、電磁測量方法或氣動測量方法。
8.根據權利要求1所述的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，其特征在于，所述準直器的形狀為環狀、平板狀或多邊形，所述準直器的針孔為圓錐、橢圓錐、圓臺、橢圓臺、多棱錐或多棱臺。
9.根據權利要求8所述的單光子發射斷層成像系統的幾何刻度方法，其特征在于，所述PET探測器為與所述準直器適配的環狀探測器、平板探測器或多邊形探測器。
【文檔編號】A61B6/03GK104173074SQ201410348073
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月21日 優先權日:2014年7月21日
【發明者】魏清陽, 劉亞強, 王石, 馬天予, 江年銘, 劉邁 申請人:北京辛耕普華醫療科技有限公司