技术摘要：
本发明公开了一种基于缝‑孔平板准直器的多伽马光子符合成像系统及方法，所述系统包括时间符合模块、计算机平台、至少一个由一个缝平板准直器和一个第一伽马光子探测器构成的第一探头，至少一个由一个孔平板准直器和一个第二伽马光子探测器构成的第二探头；该成像方法  全部
背景技术：
发射断层成像技术是当今探测物体内部信息的重要技术之一，在多种研究领域中 有着大量的应用。在被探测物体外通过探测从被探测物体发出的伽马光子，并通过图像重 建从而以非侵入式的手段观察得到被探测物体的内部信息。在发射断层成像领域，最为重 要的几种成像系统分别有正电子发射断层成像仪(Positron  Emission  Tomography，以下 简称PET)、单光子发射计算机断层成像仪(Single-Photon  Emission  Computed  Tomography，以下简称SPECT)和康普顿相机(Compton  Camera)等。目前PET和SPECT均已广 泛用于临床检查和诊断，包括癌症、神经系统疾病和心血管疾病等，而康普顿相机也应用于 核能工业、天文、医疗等方面。 PET的核心组件由很多个具备时间测量功能的伽马光子探测器模块以及相应的时 间符合模块构成。PET的基本原理涉及电子准直技术，所利用的放射性核素为正电子核素。 正电子核素放射出的正电子会在被探测物体内发生正负电子湮灭效应，产生一对能量为 511keV、方向几乎相反的伽马光子。采用时间符合测量手段，即如果两个伽马光子探测器模 块在一个很短的时间内(通常在几百个纳秒)分别探测到这两个能量为511keV的伽马光子， 就能确定一条正电子湮灭的发生位置(近似为正电子核素发生衰变的位置)所在的响应线 (Line  of  Response)。记录大量这样的响应线通过图像重建即可获得正电子湮灭发生位置 的分布，即近似为正电子核素在被探测物体内的分布。由于正电子湮灭产生的一对伽马光 子的发射方向是几乎相反的，因此只能确定正电子湮灭的发生位置在相应的响应线上，而 不能确定正电子湮灭发生在相应响应线上的具体位置。尽管可以通过飞行时间测量技术初 步确定正电子湮灭发生在相应响应线上的位置范围，但这需要伽马光子探测器模块具备极 高的时间分辨率。由于正电子湮灭在响应线上发生位置的不确定性，重建的正电子核素在 被探测物体内分布图像的信噪比往往较低，影响诊断的效果。为提高图像信噪比通常需要 累积大量的响应线，而这会使得被探测物体摄入较大剂量的正电子核素，增加被探测物体 的辐照风险。 SPECT的核心组件包括准直器及伽马光子探测器模块等。SPECT利用的是物理准直 技术，其所利用的核素为伽马光子核素。在伽马光子探测器模块的前端通常会放置准直器 来限制伽马光子核素放射出的伽马光子到达探测器的入射角度，使得仅沿特定方向发射的 伽马光子才能通过准直器被探测器探测到，伽马光子探测器每探测到一个伽马光子就能确 定一条伽马光子初始发射位置所在的投影线。积累大量这样的投影线通过图像重建就能确 定伽马光子初始发射位置的分布，即伽马光子核素在被探测物体内的分布。与PET存在类似 的缺陷，SPECT也不能确定伽马光子在投影线上的具体发射位置，因此重建图像的信噪比较 差。另外由于SPECT使用了准直器，限制了能被探测器探测到的伽马光子的发射角度，成像 4 CN 111596336 A 说　明　书 2/9 页 系统的探测效率较低，而这进一步使得重建图像的信噪比恶化。 康普顿相机模块的核心组件包括两块平行的探测器平面模块等。采用时间符合测 量手段，即如果两个平行的探测器平面模块在一个很短的时间内(通常在几个纳秒)分别探 测到信号，则可以认为该两次信号来自于同一次伽马光子事件。伽马光子在第一块晶体平 面上发生康普顿散射产生康普顿散射光子，所产生的康普顿散射光子在第二块晶体平面发 生光电效应被吸收，康普顿相机从而得以探测到该次伽马光子事件。根据伽马光子在第一 块晶体平面上沉积能量与第二块晶体平面上沉积能量之和，可以得到伽马光子的总能量。 康普顿相机每探测到一个伽马光子事件，根据伽马光子事件在第一块晶体平面上的沉积能 量、沉积位置和第二块晶体平面上的沉积能量、沉积位置，就能根据康普顿散射原理确定一 个伽马光子初始发射位置所在的投影圆锥面。 本申请人已提出的一种多伽马光子同时发射药物时间符合核医学成像系统及方 法(申请号：201610798146.4)，该系统包括多个以非平行方式排列的探测器探头、时间符合 模块以及计算机平台构成，每个探测器探头均由准直器和具备时间测量功能的伽马光子探 测器构成，探测放射性核素在很短时间内放射的多个伽马光子构成多伽马光子符合事件； 所述方法计算到多伽马光子符合事件中的每一个伽马光子事件所确定若干投影线的距离 之和最短的点的位置即为放射性核素发生衰变的位置，积累一定数量的多伽马光子符合事 件即可实现放射性核素在生物体内分布的获取。该成像系统和方法简化了重建算法，提高 了重建图像的信噪比；降低了对伽马光子总计数的需求，降低了病人的辐照风险。但是，由 于该系统探测器探头包含限制伽马光子入射的平行孔准直器和针孔准直器，其单探测器探 头的探测效率非常低(如所采用的平行孔准直器只允许垂直于其准直器平面的单个方向的 伽马光子通过)，进而导致多光子符合事件探测效率极低。除此之外，由于投影线之间不一 定完美相交于一点，这不仅加大了判定交点位置的难度，也进一步导致了符合探测效率较 低。低符合探测效率导致使得探测数据的信噪比低，对图像的重建质量有一定影响。 为了解决上述系统符合探测效率低的问题，本申请人提出了一种多伽马光子符合 成像系统及方法(申请号：201810230414.1)，该系统包括时间符合模块、计算机平台、至少 一个由准直器和伽马光子探测器构成的第一探头，至少一个由前后两个康普顿相机探测器 构成的第二探头，各探头探测放射性核素放射的多个伽马光子构成多伽马光子符合事件； 该成像方法将放射性核素发生衰变的位置范围缩小为多伽马光子符合事件中第一探头探 测到的伽马光子事件所确定的投影线和第二探头探测到的伽马光子事件所确定的投影圆 锥面的若干个在成像范围内的交点，积累一定数量的多伽马光子符合事件即可获得放射性 核素在被测范围内分布的图像。通过使用至少一个康普顿相机探测器探头代替伽马探测器 探头，由于康普顿相机探测器不存在准直器设计，相比于SPECT伽马探测器探测效率将会大 大提高，从而提高了多光子符合事件的探测效率，提高了重建图像的信噪比。但是，此系统 不能保证将伽马光子的发射位置确定为在成像范围内的一个交点，因此不能确保直接得到 分布。除此之外，康普顿相机空间分辨率较差，对于康普顿效应较少发生的低能以及高能伽 马光子探测效率较低，所成重建图像质量较差。
技术实现要素：
本发明的目的旨在从原理上解决上述PET系统、SPECT系统和已提出的一种多伽马 5 CN 111596336 A 说　明　书 3/9 页 光子同时发射药物时间符合核医学成像系统及多伽马光子符合成像系统及方法的问题，本 发明公开了一种基于缝-孔平板准直器的多伽马光子符合成像系统。与现有的多伽马光子 同时发射药物时间符合核医学成像技术的不同之处在于，本发明使用了缝平板准直器和孔 平板准直器的组合，两者均可以允许任意方向的通过其准直缝或准直孔的伽马光子通过， 一方面相较于单针孔准直器和平行孔准直器使得系统的单探测器探头的探测效率得到了 提升，并且由于投影平面和投影线在非平行的条件下一定存在交点，不需要进行交点位置 的判断，降低了符合事件判定的复杂度，进而提高了多光子符合事件的探测效率，提升了重 建图像的信噪比；另一方面也避免了使用空间分辨率较差且对于低能以及高能伽马光子探 测效率较低的康普顿相机，使得图像质量可以进一步提升；除此之外，可以通过适当的系统 几何设计将直接得到每一个多伽马光子符合事件中的一个放射性核素衰变位置，为直接成 像提供可能，并可以根据图像重建算法对结果进行进一步估计。 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 本发明提出的一种基于缝-孔平板准直器的多伽马光子符合成像系统，其特征在 于，包括时间符合模块、计算机平台和多个不同种类的探头；多个同种类的探头包括至少一 个第一探头和至少一个第二探头，所述第一探头由相互平行的一个缝平板准直器和一个具 备时间测量功能的第一伽马光子探测器构成，所述第二探头由相互平行的一个孔平板准直 器和一个具备时间测量功能的第二伽马光子探测器构成，所述缝平板准直器和孔平板准直 器是通过在各自合金平板上分别开设若干条准直缝和若干个准直孔所形成，各缝平板准直 器和孔平板准直器分别放置在与其对应的伽马光子探测器前端与成像对象之间并与两者 保持一定距离，使得以任意方向通过缝平板准直器和孔平板准直器的由成像对象内放射性 核素发生衰变产生的伽马光子事件均能被相应的伽马光子探测器探测到；所有伽马光子探 测器的时间信号线均与所述时间符合模块连接，时间符合模块设定的时间窗用于判断分别 被多个探头探测到的多个伽马光子事件是否构成多伽马光子符合事件，并将判断结果输入 到计算机平台中；所有伽马光子探测器的能量和位置信号线还同时与计算机平台连接，用 于多伽马光子符合事件的有效性判断以及多伽马光子符合事件发生位置可能所在的若干 投影线和若干投影线在成像范围内的若干个交点的计算，从而获得放射性核素发生衰变时 的可能位置；根据所有放射性核素的可能衰变位置，得到放射性核素在成像对象体内的可 能分布，并可以通过图像重建算法对此分布做更为精确的估计。 进一步地，所述缝平板准直器内相邻准直缝和孔平板准直器内相邻准直孔之间的 间距d均分别满足：d≥D*a/(a b)，式中，D是成像对象的大小，a是缝平板准直器或孔平板准 直器表面到对应的伽马光子探测器表面的距离，b是成像对象中心到缝平板准直器或孔平 板准直器表面的距离。 本发明还提出一种采用上述成像系统的成像方法，其特征在于，该方法包括以下 步骤： (1)启动所述多伽马光子符合成像系统，设定时间符合模块的时间窗宽度；依据所 用放射核素所放射的伽马光子能量设定各伽马光子探测器的能窗； (2)计算机平台根据所设定条件判断成像过程是否结束；若结束，则执行步骤(5)； 若未结束，则执行步骤(3)； (3)时间符合模块判断各伽马光子探测器是否探测到多伽马光子符合事件，若探 6 CN 111596336 A 说　明　书 4/9 页 测到，则执行步骤(4)；若未探测到，则执行步骤(2)； (4)计算机平台根据各伽马光子探测器所输入的多个伽马光子能量信息判断所输 入的多个伽马光子能量是否分别在所设定的能窗内；如果不在所设定的能窗内，则舍弃该 多伽马光子符合事件；如在所设定的能窗内，则根据每一个多伽马光子符合事件在第一伽 马光子探测器所输入的一个伽马光子的位置信息计算多伽马光子符合事件发生位置所在 的若干投影平面，并根据每一个多伽马光子符合事件在第二伽马光子探测器所输入的一个 伽马光子的位置信息和能量信息计算多伽马光子符合事件发生位置所在的若干投影线；记 录每一个多伽马光子符合事件中的多个伽马光子所分别确定的若干投影平面和若干投影 线的在成像对象内的若干相应交点，作为放射性核素发生衰变的若干个可能位置；执行步 骤(2)； (5)根据所有多伽马光子符合事件计算的放射性核素的多个可能衰变位置得到放 射性核素在成像对象体内的可能分布，并可以通过图像重建算法对此分布做更为精确的估 计。 本发明的特点及有益效果： 本发明提出的一种基于缝-孔平板准直器的多伽马光子符合成像系统，有效地克 服了传统PET系统或SPECT系统只能确定放射性核素衰变位置所在响应线或投影线而不能 确定放射性核素衰变发生在响应线或投影线上具体位置的缺陷和已提出的一种多伽马光 子同时发射药物时间符合核医学成像系统探测效率过低、信噪比过低的缺陷。本发明通过 缝-孔平板准直器和伽马光子探测器计算并获得多个伽马光子事件所确定的若干投影平面 和若干投影线的在成像范围内的若干个交点实现对放射性核素的衰变位置的定位，从而获 得放射性核素在被探测物体内的可能分布。由于能够基于投影平面和投影线的在成像范围 内的若干个交点计算放射性核素的可能衰变位置，简化了图像重建算法，提高了重建图像 的信噪比。由于采用了探测效率更高的缝平板准直器以及孔平板准直器来替代单针孔准直 器和平行孔准直器，从而提高了单探测器探头的探测效率，同时避免了投影交点的位置判 断简化了算法，进一步提高了多光子符合事件的探测效率，降低了对伽马光子事件总计数 的需求，减少了所需要的放射性核素剂量。 附图说明 图1是本发明实施例采用1个包含1个缝平板准直器和第一伽马光子探测器的第一 探头和1个包含1个孔平板准直器和1个第二伽马光子探测器的第二探头的双探头成像系统 整体结构示意图； 图2是本发明实施例采用的一种缝平板准直器的结构示意图； 图3是本发明实施例采用的一种孔平板准直器的结构示意图； 图4是本发明实施例采用1个缝平板准直器的准直缝与另一侧的孔平板准直器平 面和第二伽马光子探测器平面平行排布的第一探头和1个第二探头的成像系统的探测及定 位几何示意图； 图5是本发明实施例采用1个缝平板准直器的准直缝与另一侧的孔平板准直器平 面和第二伽马光子探测器平面垂直排布的第一探头和1个第二探头的成像系统的探测及定 位几何示意图； 7 CN 111596336 A 说　明　书 5/9 页 图6是本发明实施例采用2个包含1个缝平板准直器和第一伽马光子探测器的第一 探头和2个包含1个针孔平板准直器和1个第二伽马光子探测器的第二探头的四探头成像系 统整体结构示意图； 图7是图6所示成像系统的一种四个探头的三维排布示意图； 图8是本发明实施例采用3个包含1个缝平板准直器和第一伽马光子探测器的第一 探头和2个包含1个孔平板准直器和1个第二伽马光子探测器的第二探头的五探头成像系统 中各探头的三维排布示意图； 图9是本发明实施例采用4个包含1个缝平板准直器和第一伽马光子探测器的第一 探头和2个包含1个孔平板准直器和1个第二伽马光子探测器的第二探头的六探头成像系统 中各探头的三维排布示意图； 图10是本发明成像方法的流程框图。 图中：1—缝平板准直器、11—缝平板准直器的合金平板、12—缝平板准直器的准 直缝、2—孔平板准直器、21—孔平板准直器的合金平板、22—孔平板准直器的准直孔、3— 第一伽马光子探测器、4—第二伽马光子探测器、5—时间符合模块、6—计算机平台、7—成 像对象、8—衰变可能位置、9—投影平面、10—投影线。