專利名稱：一種正電子發(fā)射層析成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，具體指正電子發(fā)射層析成像方法，屬于醫(yī)學(xué)影像 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
正電子發(fā)射層析(Positron Emission Tomography，即PET)是一種重要的現(xiàn)代醫(yī) 學(xué)影像技術(shù)，主要用于腫瘤等各種疾病的診斷。在成像方法上，PET是一種發(fā)射層析技術(shù)。 采集圖像前，醫(yī)生將含有β +衰變的放射性同位素(如F-18)的藥物注入病人體內(nèi)。藥物所 發(fā)射的β +粒子，即正電子，在病人體內(nèi)和電子碰撞后發(fā)生湮滅，生成一對(duì)能量為511 KeV 的、光子。根據(jù)物理學(xué)規(guī)律，這對(duì)Y光子將沿一條直線的大致相反方向(相差180° )運(yùn) 動(dòng)。目前的PET圖像重建技術(shù)正是建立在這一物理學(xué)規(guī)律基礎(chǔ)之上。醫(yī)用PET機(jī)裝備 有一組或多組(組與組之間互相平行)環(huán)狀分布的探測(cè)器，可以探測(cè)湮滅所生成的Y光子。 如圖1所示，湮滅事件1所生成的一對(duì)511 KeV的γ光子被位于A和B的探測(cè)器同時(shí)測(cè) 到，則可以判定事件1位于直線AB上。直線AB就是事件1的投影線。同理，如果湮滅事件 2所生成的一對(duì)511 KeV的、光子被位于C和D的探測(cè)器同時(shí)測(cè)到，則可以判定事件2位 于直線⑶上。上述描述中的“同時(shí)”是通過(guò)時(shí)間耦合技術(shù)來(lái)判定的。當(dāng)探測(cè)器A探測(cè)到一個(gè)能量 為511 KeV的γ光子計(jì)數(shù)時(shí)，如果在一個(gè)很短的時(shí)間窗口內(nèi)(前或后)，探測(cè)器B也探測(cè)到 一個(gè)能量為511 KeV的、光子計(jì)數(shù)，則系統(tǒng)認(rèn)為有一對(duì)、光子被位于A和B的探測(cè)器同 時(shí)測(cè)到，而相應(yīng)的湮滅事件發(fā)生在連接探測(cè)器AB的直線上。這一技術(shù)也被稱為電子準(zhǔn)直。這一方法利用了上述物理學(xué)規(guī)律，通過(guò)時(shí)間耦合獲得光子計(jì)數(shù)的投影線用于圖像 重建，而無(wú)需使用準(zhǔn)直器，單個(gè)光子計(jì)數(shù)效率高。但是時(shí)間耦合也帶來(lái)了相應(yīng)的局限性。首先是隨機(jī)耦合。例如，如果事件1和2發(fā)生在很短的時(shí)間間隔內(nèi)，而由于探測(cè) 器的效率問(wèn)題，只有探測(cè)器A和C探測(cè)到了 511 KeV的、光子計(jì)數(shù)，則系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為事件發(fā) 生在直線AC上，產(chǎn)生錯(cuò)誤；或者Α，B, C同時(shí)探測(cè)到，則系統(tǒng)無(wú)法判定事件究竟發(fā)生在那條線 上。其次是無(wú)法耦合。同樣由于探測(cè)器的效率和探測(cè)器幾何尺寸等原因，當(dāng)事件1發(fā) 生后，如果只有探測(cè)器A探測(cè)到了 511 KeV的γ光子計(jì)數(shù)，則系統(tǒng)無(wú)法利用這一計(jì)數(shù)，因?yàn)?無(wú)法確定投影線。由于時(shí)間耦合對(duì)PET成像的重要性，PET機(jī)通常需要使用環(huán)狀的多層探測(cè)器以提 高探測(cè)效率，使用發(fā)光衰減時(shí)間短的閃爍體，如LS0(硅酸镥)，以及反應(yīng)時(shí)間快的電子線路 和光電倍增管以減小隨機(jī)耦合的概率。這些要求使得PET機(jī)的成本非常昂貴。同時(shí)由于隨
3機(jī)耦合發(fā)生的概率隨著藥物劑量加大而增加，為控制隨機(jī)耦合率，PET成像的藥物劑量受到 限制，PET成像用時(shí)較長(zhǎng)，因而設(shè)備的使用率低和成像的成本較高。同時(shí)，由于PET機(jī)中的探測(cè)器覆蓋的空間角度仍然很小，而湮滅所生成的Y光子 對(duì)可以沿任意空間角度發(fā)射，其結(jié)果是有效耦合比例，即當(dāng)一個(gè)探測(cè)器測(cè)到一個(gè)511KeV的 Y光子計(jì)數(shù)時(shí)，有且只有一個(gè)別的探測(cè)器在時(shí)間窗口內(nèi)測(cè)到一個(gè)511 KeV的γ光子計(jì)數(shù)的 概率非常低，因?yàn)榱硪粋€(gè)光子有極大的可能性飛出了探測(cè)器的覆蓋面，或者飛向了某個(gè)探 測(cè)器，但由于探測(cè)效率有限，而沒(méi)有被探測(cè)到。有數(shù)據(jù)表明，有效耦合計(jì)數(shù)只占單個(gè)光子計(jì) 數(shù)的1_2%。而且這些有效耦合中還包括相當(dāng)一部分隨機(jī)耦合。單光子發(fā)射層析(SPECT)是另一類發(fā)射層析的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，通常用于心血管疾 病等的診斷。不同于PET的是，SPECT中用到的藥物含有發(fā)射γ光子(而不是正電子)的同 位素(如99mTc),而且不同藥物和同位素所發(fā)射的光子能量也不同。由于沒(méi)有上述光子對(duì) 關(guān)聯(lián)，必須紀(jì)錄單個(gè)的光子計(jì)數(shù)，同時(shí)要使用某種準(zhǔn)直技術(shù)，如單孔或平行孔準(zhǔn)直器，來(lái)建 立投影關(guān)系，以便進(jìn)行圖像重建。圖2顯示了通過(guò)單孔準(zhǔn)直器可以確定單個(gè)光子探測(cè)事件 的投影線。和PET中的時(shí)間耦合計(jì)數(shù)相比，單光子計(jì)數(shù)的好處非常明顯沒(méi)有隨機(jī)耦合；也 不存在因?yàn)闆](méi)有耦合或多重耦合而無(wú)法利用的計(jì)數(shù)；探測(cè)器也無(wú)須布成環(huán)狀(成本低)。雖 然SPECT和PET對(duì)γ光子的探測(cè)在原理上有相似之處，但從PET機(jī)至80年代誕生以來(lái)一 直沒(méi)有使用SPECT中的準(zhǔn)直器而用電子準(zhǔn)直(時(shí)間耦合)，同時(shí)SPECT中的常用準(zhǔn)直器要么 通過(guò)效率很低(<<1%)，如單孔準(zhǔn)直器，或者空間分辨率差，如平行孔準(zhǔn)直器，整體性能也不 如電子準(zhǔn)直。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種成像質(zhì)量高、降低設(shè) 備成本的正電子發(fā)射層析成像方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種正電子發(fā)射層析成像方法，本方法直接利 用單個(gè)光子計(jì)數(shù)(無(wú)需電子準(zhǔn)直)，采用多孔準(zhǔn)直技術(shù)以及相應(yīng)的圖像采集和重建方法來(lái)成像。所述多孔準(zhǔn)直技術(shù)為編碼孔準(zhǔn)直技術(shù)。相比現(xiàn)有電子準(zhǔn)直技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果
1.由于編碼孔準(zhǔn)直技術(shù)采用單個(gè)光子計(jì)數(shù)方法，無(wú)需時(shí)間耦合，從而降低了探測(cè)器系 統(tǒng)(環(huán)狀分布的探測(cè)器，快反應(yīng)的復(fù)雜電子線路)的復(fù)雜度和成本。2.避免了由隨機(jī)耦合所帶來(lái)的圖像質(zhì)量的下降。3.每一個(gè)光子計(jì)數(shù)都被用于圖像重建，提高了有效計(jì)數(shù)率，從而提高了圖像質(zhì)量。4.由于不受隨機(jī)耦合限制，可以使用更高劑量的藥物，縮短圖像采集時(shí)間，提高 PET設(shè)備的病人流量。


圖1- PET成像中的時(shí)間耦合(窗口)技術(shù)示意圖。
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圖2-單孔準(zhǔn)直器示意圖。圖3-編碼孔準(zhǔn)直器示意圖。(圖中黑點(diǎn)代表準(zhǔn)直孔)
具體實(shí)施例方式針對(duì)現(xiàn)有PET圖像重建中電子準(zhǔn)直存在的諸多不足，本發(fā)明直接利用單個(gè)光子計(jì) 數(shù)(即無(wú)需電子準(zhǔn)直)，并采用一種通過(guò)效率很高的準(zhǔn)直技術(shù)，稱為多孔(multipinhole)準(zhǔn) 直技術(shù)和其相應(yīng)的圖像重建方法，來(lái)取代當(dāng)前PET圖像重建中的電子準(zhǔn)直或時(shí)間耦合技 術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)PET成像。所述多孔準(zhǔn)直技術(shù)為編碼孔準(zhǔn)直技術(shù)。編碼孔技術(shù)過(guò)去是為天文影像技術(shù)提出來(lái)的。在將其應(yīng)用到醫(yī)學(xué)影像的過(guò)程 中出現(xiàn)了很多困難，主要是受到近場(chǎng)成像中隨距離遠(yuǎn)近變化的放大倍數(shù)造成的復(fù)雜情 況的干擾。這些困難直到最近才獲得了突破。在文獻(xiàn)Zhiping Mu, et al. , "A Novel Three-dimensional Image Reconstruction Method for Near-field Coded Aperture Single Photon Emission Computerized Tomography", Medical Physics, Vol. 36, No. 5，pg. 1533-1542，2009 (母治平等，一種用于近場(chǎng)編碼孔單光子發(fā)射層析的三維圖像重 建的新方法，醫(yī)學(xué)物理，第36卷，第5期，第1533-1542頁(yè)，2009年)中，作者(也是本申請(qǐng)的 申請(qǐng)人:)提出了一種適用于以編碼孔準(zhǔn)直技術(shù)的圖像重建方法為基礎(chǔ)的高靈敏度和高分辨 率的SPECT成像技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功地重建了一個(gè)復(fù)雜模型的三維斷層圖像，驗(yàn)證了這一 方法的可行性。由于編碼孔準(zhǔn)直技術(shù)和相應(yīng)的圖像重建方法已經(jīng)成為現(xiàn)有技術(shù)，故在此不贅述。 而本發(fā)明使用單個(gè)光子計(jì)數(shù)方法，無(wú)需時(shí)間耦合，因而每一個(gè)符合能量窗口的Y光子計(jì)數(shù) 都可以被用于圖像重建。由于這一技術(shù)不依賴時(shí)間耦合來(lái)建立投影線，因此不存在隨機(jī)耦 合，也就不受隨機(jī)耦合對(duì)圖像質(zhì)量的影響。由于有多個(gè)準(zhǔn)直孔，編碼孔準(zhǔn)直器的通過(guò)率遠(yuǎn) 高于常規(guī)準(zhǔn)直器，可以達(dá)到25%以上，甚至接近50%。和電子準(zhǔn)直(時(shí)間耦合)相比，這種準(zhǔn) 直技術(shù)的單個(gè)光子計(jì)數(shù)率受通過(guò)率影響，會(huì)低于電子準(zhǔn)直(由于沒(méi)有物理準(zhǔn)直器，電子準(zhǔn)直 通過(guò)率接近100%)。但由于不用時(shí)間耦合，其單個(gè)光子計(jì)數(shù)率就是有效計(jì)數(shù)率，而電子準(zhǔn)直 的有效耦合計(jì)數(shù)比例很低，只有1_2%，因而這種準(zhǔn)直技術(shù)的有效計(jì)數(shù)率仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前 PET中電子準(zhǔn)直的有效計(jì)數(shù)率。適用于這一準(zhǔn)直技術(shù)的圖像重建方法過(guò)去是為SPECT成像而開(kāi)發(fā)的。本發(fā)明的創(chuàng) 新點(diǎn)就是將這一技術(shù)應(yīng)用到PET成像中，即將PET成像方法中原來(lái)采用的準(zhǔn)直技術(shù)由電子 準(zhǔn)直改為編碼孔準(zhǔn)直，這樣就擴(kuò)大了 PET成像技術(shù)的應(yīng)用。因?yàn)槌?Y光子能量不同外， SPECT和PET成像對(duì)γ光子的探測(cè)在原理上并無(wú)不同。
權(quán)利要求
一種正電子發(fā)射層析成像方法，其特征在于本方法直接利用單個(gè)光子計(jì)數(shù)，采用多孔準(zhǔn)直技術(shù)以及相應(yīng)的圖像采集和重建方法來(lái)成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正電子發(fā)射層析成像方法，其特征在于所述多孔準(zhǔn)直技術(shù) 為編碼孔準(zhǔn)直技術(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種正電子發(fā)射層析成像方法，本方法直接利用單個(gè)光子計(jì)數(shù)(無(wú)需電子準(zhǔn)直)，采用多孔準(zhǔn)直技術(shù)以及相應(yīng)的圖像采集和重建方法來(lái)成像。所述多孔準(zhǔn)直技術(shù)為編碼孔準(zhǔn)直技術(shù)。本發(fā)明具有如下有益效果1.由于編碼孔準(zhǔn)直技術(shù)采用單個(gè)光子計(jì)數(shù)方法，無(wú)需時(shí)間耦合，從而降低了探測(cè)器系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。2.避免了由隨機(jī)耦合所帶來(lái)的圖像質(zhì)量的下降。3.每一個(gè)光子計(jì)數(shù)都被用于圖像重建，提高了有效計(jì)數(shù)率，從而提高了圖像質(zhì)量。4.由于不受隨機(jī)耦合限制，可以使用更高劑量的藥物，縮短圖像采集時(shí)間，提高PET設(shè)備的病人流量。
文檔編號(hào)G06T11/00GK101964115SQ201010514670
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者母治平 申請(qǐng)人:母治平