專利名稱：單光子發(fā)射體層成像系統(tǒng)的制作方法
相關申請的相互引用本申請是2000年4月14日申請的美國專利申請No.09/549,435的部分繼續(xù)申請，前一申請要求1999年4月14日申請的No.60/129,239的美國臨時申請以及1999年8月30日申請的No.60/151,378的臨時申請的優(yōu)先權，所有這些申請本文收錄在此作為參考。
背景技術：
醫(yī)學放射性核素成像(核子機)是現代醫(yī)學實踐的基礎組成部分。該方法涉及管理(典型地通過注入)放射性示蹤物量，這些示蹤物隨后以取決于要研究的器官系統(tǒng)的生理功能的方式定位在體內。利用體外的檢測器對放射性示蹤物發(fā)射(最常見為伽馬光子)成像，以形成該放射性示蹤物在體內的分布圖。當由適當訓練的醫(yī)生解讀時，這些圖象對疾病的臨床診斷和治療提供重要的信息。該技術的典型應用包括冠狀動脈疾病檢查(鉈掃描)和涉及到骨癌檢查(骨掃描)，絕大多數的醫(yī)學放射性核素成像是利用伽馬發(fā)射放射性示蹤物以及稱為“伽馬相機”的檢測器進行的。
伽馬相機典型地包括一個具有當由伽馬光子撞擊時發(fā)射光的特性的大的閃爍晶體(例如鈉碘化物)。多個帶有關聯(lián)電路的光電倍增管固定在該晶體的尾部以檢測光的閃爍并且定位它們在該閃爍晶體中的位置。晶體的前部是一個準直儀，典型地由多個帶有穿過其的若干個孔的毫米鉛構成。該準直儀用于吸收通常沿適當方向接近該晶體的光子之外所有進入光子。晶體、光電倍增管以及關聯(lián)電路典型地封閉在一個用來對該檢測器屏蔽不希望的外部放射的大鉛盒中。整個設備安裝在一個臺架上，該臺架帶有用于把該檢測器定位成靠近患者的機動設備。
伽馬相機提供放射性示蹤物分布的二維圖象。但是，放射性示蹤物在體內的分布典型地是三維的。采用單光子發(fā)射體層成像(SPECT)技術，以便通過利用計算機處理從按相對于患者的多個角度得到的一系列二維伽馬相機圖象“重建”三維示蹤物分布，從而建立類似于“放射性核素CT掃描”的三維斷層分析圖象。這幾乎通用的是通過把一個或更多的伽馬相機安裝在機動臺架上并且使它們繞患者轉動來實現的。接著處理由此得到的數據以產生三維圖象。
已說明三維SPECT圖象已經提供更高的圖象對比度并且減少身體結構的視在重疊(apparent overlap)。SPECT成像現在被看成是心臟放射性核素成像的現有技術水平并且目前在美國一半以上的心臟核成像是通過它進行的。
盡管具有許多優(yōu)點，SPECT成像尚不能用于所有能從其獲益的患者。目前的SPECT設備具有一些阻礙它的更廣泛實現的缺點。
現有SPECT系統(tǒng)體積大，典型地需要大的專用房間容納它。準直系統(tǒng)是相對低效的，其阻擋掉大部分發(fā)出的放射。這樣，大多數新的臨床系統(tǒng)同時使用安裝在單個臺架上的二個或更多的伽馬相機檢測器。由于每個檢測器重量典型地為幾千磅，支承臺架必須大且重。大多數SPECT安裝需要地板附加強化的專門構造的房間。由于準確的圖象重建要求精確的檢測器放置，SPECT系統(tǒng)需要重的由馬達和傳動機構構成的定位系統(tǒng)，以便能把幾百磅重的設備移動并準確地定位到約一毫米的精度上。這些系統(tǒng)必然是大的、重的和昂貴的。
盡管醫(yī)療上非常需要在各種環(huán)境，包括醫(yī)生辦公室、急診室和人員密集的治療室，對患者成像，現有SPECT系統(tǒng)的大尺寸和大體積要求它們處于固定位置上，典型地在醫(yī)院的放射或核醫(yī)學部門。在心臟專家直接參與下進行心臟SPECT成像在醫(yī)療上以及患者方便上都具有明顯的好處。研究表明，門診病人辦公室環(huán)境治療成本低于住院環(huán)境的成本。盡管這些理由令人信服，現有系統(tǒng)的尺寸和價格大大限制它們滲透到一般場所，尤其限制在內科大夫辦公室中使用它們。此外，現有系統(tǒng)的大空間要求對提供SPECT服務的醫(yī)院施加高成本。
現有SPECT還具有其它限制。由于伽馬相機繞患者轉動，需要大的多股電纜以便對和從每個檢測器傳送電力和數據。這些電纜在系統(tǒng)操作期間被反復彎曲并且常常造成設備故障。
現有系統(tǒng)大而重的性質要求臺架的機械設計是高度穩(wěn)定的但成本上是高效的。這產生這樣的系統(tǒng)，其中患者必須以仰臥的姿勢(背部是平的)躺在沿垂直取向的臺架延伸的窄臺上。為了能使檢測器盡可能地靠近胸并且能使各個大的移動的檢測器安全地經過患者，現有系統(tǒng)要求患者以不舒服的姿勢單臂或雙臂夾住頭。對于大多數患者這是痛苦的，并且對于一些患者這是不可能的。另外，對于許多患者，尤其具有背部問題的患者，仰臥姿勢是不舒服的。當在設備里面時，許多患者感到幽閉恐怖。該允許相機繞患者轉動的窄臺對于大個子是不舒服的，并且常常使歷經掃描的人感覺不安全或危險。另外，成像期間患者部分地被設備封閉可能限制醫(yī)生或護理人員接近重癥患者。

發(fā)明內容
一種依據本發(fā)明的單光子發(fā)射體層成像(SPECT)系統(tǒng)，其設計成產生多個表示光子發(fā)射性同位素的三維分布的斷層分析圖象。該系統(tǒng)包括一個支承患者的基座，從而患者的一部分位于視場中。定義一個穿過該視場的縱軸。檢測器模塊設置成和該視場相鄰。該模塊包括一個光子響應檢測器，其能操作成檢測光子是否撞擊該檢測器。該檢測器組件可操作成掃描從患者位于該視場的軀干部分發(fā)射的光子。在視場和檢測器之間配置一個光子阻隔件。該阻隔件具有一個穿過其的孔隙(aperture)，用于使和該孔隙對準的光子通過。穿過該孔從該檢測器定義一條響應線。準直組件包括多個大致平行的由光子衰減材料做成的準直葉片。這些葉片彼此間隔從而限定多個間隙(gap)，每個間隙具有一個高度。每個葉片具有對著視場的前緣和對著檢測器的后緣。每個葉片的前后深度比每個間隙的高度大十倍。該多個葉片設置在檢測器和視場之間，從而只有通過所述間隙之一的光子才能從視場行進到檢測器。位移致動器能操作成相對于檢測器和光子阻隔件中的另一個移動檢測器和光阻隔件中的一個，從而該孔相對于檢測器移動并且響應線至少在視場的一部分上掃過。


圖1a是為心臟SPECT優(yōu)化的本發(fā)明一優(yōu)選實施例的透視圖，圖中示出該系統(tǒng)的總配置以及患者的定位；圖1b是圖1a實施例的補充透視圖；圖2是用于在SPECT成像期間檢測光子的每個檢測器模塊的一實施例的透視圖；圖3是本發(fā)明的一個為心臟SPECT優(yōu)化的實施例的孔弧的透視圖，其中單個放射檢測模塊示成在該弧的后面以展示相對定位；圖4是孔弧一小部分的詳細剖面圖，示出孔緣處理實施例的細節(jié)；圖5是類似圖4的詳細剖面圖，示出邊緣細節(jié)的替代實施例；圖6是類似圖4和5的詳細圖，示出邊緣細節(jié)的替代實施例；圖7是孔弧的一部分的詳細剖面圖，包括可調整的端件以提供帶有可調寬度的孔；圖8是孔弧和一個可調整端件的一部分的透視圖；圖9A是示意頂視圖，示出隙縫孔弧、檢測器弧以及患者視場的相對關系；圖9B是示意頂視圖，示出各個檢測器的響應線如何提供多個穿過身體的角投影；圖10A是單個檢測器模塊以及位于孔弧的第一轉動位置下的孔弧小段的頂示意圖；圖10B類似圖10A，但孔弧位于第二位置上；圖10C類似圖10A和10B，但孔弧位于第三位置上；圖11A-11F是本發(fā)明的一系列示意頂視圖；圖12是用于本發(fā)明的成像部分的一替代實施例的透明透視圖，包括多個成角度的孔弧和準直器葉片；
圖13是橫切面(縱向)準直組件的透視圖，示出它和檢測器模塊的關系；圖14類似圖13但包括孔弧并且示出來自一個檢測器模塊的響應線；圖15示出和傳統(tǒng)“高分辨率”平行孔準直器相對比的利用本發(fā)明在不同深度下的面內空間分辨率；圖16是依據本發(fā)明的平行葉片準直器的一部分的剖面圖；圖17是依據本發(fā)明的用于成像弧的一實施例的支承結構的透視圖；圖18是類似圖17的支承結構的透視圖，其帶有附加的拉緊件；圖19是依據本發(fā)明的平行葉片準直器和傳感器組件的一部分的剖面圖，示出準直器葉片的相對深度；圖20A是可移動孔弧延伸葉片的剖面頂視圖；圖20B類似圖20A，但葉片示成位于不同位置上；圖21是依據本發(fā)明的一實施例的一部分下支承件以及一部分孔弧的透視圖；圖22是和本發(fā)明一起使用的傳感器組件的后透視圖；圖23是圖22的傳感器組件的前透視圖；圖24是圖22-23的傳感器組件的側視圖；圖25是部分傳感器模塊的一部分的詳細剖面圖；圖26是傳感器模塊的一實施例的前視圖；圖27是通過準直器組件觀看的傳感器陣列對；圖28是基于閃爍器的圓柱狀檢測器模塊的實施例的一部分的透視圖；圖29A是另一種采用矩形條狀閃爍材料件的檢測器實施例的透視圖；圖29B是在頂和底上帶有光檢測器的圖29A的模塊的側視圖；圖29C類似圖29B，但光檢測器定位在閃爍材料的背面上；圖30是帶有梯形橫截面的閃爍材料塊的檢測器模塊的透視圖；
圖31A是基于矩形閃爍材料件的掩蔽檢測器配置的透視圖；圖31B是基于圓柱狀閃爍材料件的掩蔽檢測器配置的透視圖；圖31C是基于帶有梯形橫截面閃爍材料件的掩蔽檢測器配置的透視圖；圖32是示出類似圖31A的但沿其背面設置各光檢測器的條狀掩蔽檢測器模塊的結構細節(jié)的透視圖；圖33示意表示用于本發(fā)明一實施例的檢測器和孔弧的并發(fā)運動的方向；圖34是依據本發(fā)明的帶有掩蔽條的基于二維閃爍器的檢測器的透視圖；圖35是帶有通過孔設置的校準模塊的孔弧的一部分的透視圖；以及圖36是本發(fā)明的又一實施例的頂示意圖，其使用二維檢測器和線阻隔件。
具體實施例方式
在整個說明中，應把示出的優(yōu)選實施例和示例看成是例子而不是對本發(fā)明的限制。
I.概述本發(fā)明包括一個用于進行單光子發(fā)射體層成像(SPECT)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個由多個最好沿一條弧(典型地在180°-360°上)定位的放射檢測器模塊組成的放射檢測器組件。通過一條沿角度范圍和放射檢測器組件類似的角度范圍(典型地180°-360°)延伸的可動弧或環(huán)提供共面(軸向)準直。通過多個保持在固定位置上的并且取向成和橫軸面(垂直于縱軸)平行的由光子衰減材料做成的葉片或板提供橫切面(縱向)準直。供選地，可以通過用射線可透過間隔材料例如Styrofoam或其它塑料做成的板隔開這些葉片。本發(fā)明的一些實施例還包括患者椅或支承結構。
II.對椅、弧配置以及患者定位的討論圖1a和1b示出本發(fā)明為心臟SPECT優(yōu)化的優(yōu)選實施例，圖中示出系統(tǒng)100的總配置以及患者102的定位。圖中示出用于患者出入的開口104。該系統(tǒng)的成像部分106按一條弧沿患者胸部右側延伸。該成像部分包括裝著下面將說明的內部構件的鉛防護外殼。該成像部分由固定在基座110上的支架108支承。該成像部分的后部以及該支架一起形成患者支承的“靠背”?；颊咦诳烧{整的座112上。可以調整該座的垂直高度，從而把患者的心臟定位在該成像部件的適當部分內?？梢酝ㄟ^電動機、液壓裝置或者其它裝置實現這種調整。該座可隨意調整，從而水平轉動以便于患者從坐上的位置出入。該支架和基座還可以包括或者支承處理掃描所需的電子部件以及控制或顯示所需的電子部件。
如圖所示，和現有技術系統(tǒng)不同，患者通常直坐著，從而患者的軀干通常是垂直的。本發(fā)明重量較輕、設計較簡單并且體積減小以相配合地達到這種定位。出于定義的目的，成像部分106環(huán)繞的區(qū)域稱為視場。還出于定義的目的，可以說通常和患者的軀干的縱軸對齊的縱軸延伸穿過該視場，可以說該縱軸大致是垂直的，以便把本發(fā)明的定位和其中把患者強制在水平位置的典型系統(tǒng)相區(qū)別。實際上，如圖所示，該大致垂直的縱軸可以略微傾斜以提高患者的舒適性。
如本領域技術人員清楚那樣，特別重要的是對病人的正確部位成像以獲取對病人的具體感興趣部位的數據。例如，本發(fā)明的優(yōu)選實施例設計成對患者的心臟成像。從而，重要的是要成像的部位或切片包含患者的心臟。但是，并不總是容易從外部檢查確定患者心臟在其胸內的位置。在現有技術系統(tǒng)中，患者定位在檢測器(組)的前方，同時操作員觀看稱為續(xù)鏡(P鏡)的低分辨率、二維顯示器。由于它必須隨患者的重新定位連續(xù)更新并且由于圖象的二維性質，續(xù)鏡的圖象必然是低品質的。操作員在患者定位上的出錯是常見的，并且當此發(fā)生時產生無用的掃描。依據本發(fā)明的另一個方面，可以在心臟掃描前先對患者胸部進行“快速掃描”以便正確找到心臟，接著調整椅子的位置從而正確定位心臟供由成像部分106成像。
利用本發(fā)明出于幾個原因該“快速掃描”是可能的，在閱讀本說明書全文后這些原因會變得清楚?，F有技術的系統(tǒng)必須部分地繞患者轉動以便獲取三維成像。若要獲得快速的三維定位圖象，必須在數秒鐘內啟動和停止大而重(典型地450-500磅)的檢測器的運動。這在機械上是困難的，并且大而重的檢測器快速移動可能對患者產生危險。本發(fā)明只要求孔弧移動以對患者在成像部分106的視場內的部位成像。該孔弧最好對患者隱藏在機架內并且可以比現有技術的伽馬相機快得多和安全得多地移動。另外，全掃描只要求該弧移動短距離，而不是象伽馬相機那樣必須大距離移動相機。此外，本發(fā)明比現有技術部件更快地獲得圖象數據。從而，通過在機架內快速移動孔弧可以獲得快速、低計數的三維圖象。可以利用先有計算機幾乎瞬時地重建該低計數圖象，并且立即按切片或者最好按繪制的轉動表面或最大密度投影圖象顯示。這種繪出的立體圖象清楚地揭示患者的基礎解剖并且可以在開始例行的高計數成像之前用來可靠地確定心臟的位置。
在本發(fā)明的其中能向上和向下調整座112的實施例中，可以隨意地在二次圖象獲取之間調整椅的位置，從而調整要成像的切片的位置。在一些實施例中，這種移動可以是非常小的，從而補償后面更詳細討論的準直器的作用。還可以在圖象獲取期間向上或向下地調整椅的位置。
如本領域技術人員周知那樣，成像期間患者的移動對于大多數成像系統(tǒng)是一個重要問題。大多數系統(tǒng)要求患者以相當不舒服的仰臥或俯臥姿勢躺在窄的水平面上。對于背部有問題的患者或者對于許多平躺時呼吸困難的心臟病患者這種姿勢通常是不舒服的。這常常導致在掃描期間患者的移動。為了適應現有技術系統(tǒng)的移動檢測器，在成像過程期間患者必須以臂抱住頭。對于許多患者尤其肩關節(jié)炎的患者這是相當不舒服的。當躺在現有設備的大的金屬檢測器下面時許多患者感到害怕或幽閉恐怖。不舒服的或者害怕的患者典型地調整他們的姿勢試圖變得更加舒服。當在圖象獲取期間出現這種移動時會造成圖象贗象，這可能造成錯誤的發(fā)現以及相應的錯誤治療。對于長的掃描時間這種問題惡化。如圖1a和1b中示出的本發(fā)明所允許的患者垂直定位明顯改進患者舒適和穩(wěn)定。對于背病和心臟病患者這會舒服得多。手臂不需要抱住頭。本發(fā)明的開放設計消除幽閉恐怖。相應地，患者舒適性和安全性提高，從而減少移動。另外，本發(fā)明的一些實施例能明顯縮短掃描時間，從而減小患者移動的后果。
III.一維固態(tài)檢測器模塊(條)的概括討論圖2示出各個檢測器模塊150的一種實施例。在環(huán)繞患者的一條弧上設置多個(典型64個)分立模塊。該弧可以在大約180°-360°的范圍上延伸。對于心臟SPECT，一種優(yōu)選實施例約為180°。所示的實施例是對心臟成像定尺寸的固態(tài)檢測器模塊。后面討論其它檢測器模塊實施例。如圖所示，檢測器模塊150是一個伸長的條。檢測器表面上的矩形區(qū)表示一組分立的固態(tài)檢測器單元152，每個單元包括一個用于數據獲取的象素。在此實施例中，這組檢測器單元是一維的，即1×N，盡管也可以采用二維陣列。多導線橡膠電纜154把電信號從這些檢測器單元傳送到處理這些信號的電子部件上。替代地，這些檢測器單元可以集成或者封裝一些處理電路。
每個檢測器單元152可操作成檢測光子是否撞擊它，從而，整個檢測器150能操作成檢測光子是否撞擊它并且還能操作成確定光子在其長度上的何處撞擊。每個檢測器單元包括一些半導體材料例如鎘鋅碲化物并對材料的二面施加電極。在電極間施加電勢。如本領域技術人員清楚那樣，當光子穿過前電極并和半導體材料接觸時，小電流在電極間移動。測量該電流以感測光子的撞擊。
盡管初始利用上面說明的檢測器單元說明本發(fā)明，本發(fā)明的其它實施例采用其它檢測器設計，如本文后面更詳細說明那樣。
IV.孔弧-概括討論圖3示出用于本發(fā)明的一個為心臟SPECT優(yōu)化的實施例的孔弧170。在該弧的后面示出單個輻射檢測器模塊172以示出相對定位。如圖所示，該檢測器模塊大致平行于縱軸?；?70充當光子阻隔件并且可由鉛或類似的高衰減材料做成?；?70足夠高以覆蓋位于它后面的輻射檢測模塊172。該弧足夠厚(典型地約3mm)從而實現對患者發(fā)射的光子的基本上的完全吸收。一系列的垂直孔隙174穿過該弧，這些孔隙允許光子176對齊孔隙從患者經過該隙到達檢測器模塊。這些隙最好大致平行于患者的縱軸。
在圖3中，弧170示成是一個連續(xù)件，并且大致為矩形的隙(slot)切入它。在一些實施例中，這些隙是直線切入的從而側邊彼此平行。替代地，可以如圖4-6所示按成角度的邊切入這些隙。這些圖各示出大致垂直于隙所取得的隙的剖面圖。圖4示出其中弧170具有錐端171的實施例。該弧170可以稱為帶有一對相對的表面。這些錐點171從每個相對的表面逐漸變細到一個大致位于該弧的中心面上的點。為了簡單，圖4-6大致用直線示出該弧的一部分。但是，如前面討論那樣實際上它是弧狀的。
最好除了穿過隙174的光子之外弧170基本阻隔所有的光子。需要一定厚度的光子阻隔材料例如鉛以便充分地阻隔光子。錐點171比弧的其余部分細。從而，最好用光子阻隔能力更高的材料例如鎢或金形成它們，但是也可以用鉛。這些錐點171和典型地形成弧170的其余部分的材料結合。替代地，該弧(包括它的各個邊)可全部由一種材料例如鉛構成。圖5和6示出錐點173和175的替代實施例。在這些實施例中，隙的邊從前到后或者從后到前變細。和圖4的實施例一樣，這些點最好用光子阻隔能力比弧的其余部分更強的材料做成。由于它們?yōu)橄短峁└嗳莸谋碛^邊(apparent edge)，隙的這些成點的邊最好與從其觀察的角度無關。即，和從成角度地觀看相比，帶有方形邊的隙看起來明顯較窄。通過使隙的邊形成錐度，當從淺的或較深的角度觀看時隙具有更相容的有效寬度。在本發(fā)明的設計上這是特別重要的，因為輻射可以按大角度進入孔。替代地，這些“點”可以倒圓角°。
在本發(fā)明的一些實施例中，最好使隙具有可調的寬度。這允許調整成像系統(tǒng)的靈敏度和分辨率，它還能輔助校準。圖7和8說明一種提供寬度可調的隙的方法。圖7示出弧177的其上帶著可調整隙限定件179的部分的剖面圖。圖8示出弧177的帶著一個可調整件179的部分的透視圖。通過相對于弧177的其余部分調整該件179的位置，可以調整隙178的相對位置和寬度。和圖4-6的實施例一樣，端件179較細的部分最好用光子阻隔能力比弧177的其余部分更高的材料構成。端件179示成具有從前到后的錐，但可以具有圖4-6中示出的任何形狀，或者對隙提供更加方形或倒圓的邊。另外，端件179不需要是對稱的。此外，可以對每個隙設置單個可調件，而隙的另一側用不可動的邊限定。如本領域技術人員清楚那樣，除了示出的方法之外，可以以各種方式提供端件179和弧177之間的互連。如本領域技術人員清楚那樣，還可以以其它方式實現隙的寬度的調整。
V.視場圖9A(從上方)示出患者視場區(qū)180、孔弧182和檢測器模塊184的相對位置?？梢钥闯?，檢測器模塊組和孔弧同心地圍繞患者。用于心臟成象的一實施例大約包括64個輻射檢測器模塊184，每個模塊由一組分立的單元或象素構成。在此實施例中，孔弧182按約為30cm的半徑定位而各檢測器模塊184按約為40cm的半徑定位。在弧182內方便地安排直徑約為50cm的患者視場區(qū)?？谆?82和/或檢測器模塊組184可排列在一個公共弧心位于縱軸上的真正幾何弧內。替代地，其中之一或者二者可以是更橢圓的或者弧心不共享的圓弧。例如，弧心可以定位成偏離縱軸從而加大弧的半徑?；?82和/或模塊組184還可能是非弧形的。例如，二者之一可以排列成一串短的直線段，或者是部分弧形部分非弧形的。另一個例子可以是如果在不同的半徑位置處各具有不同的弧半徑，則曲率半徑沿著該“弧”變化。
設置移動裝置以便相對于各檢測器184移動孔弧182。如本領域技術人員清楚那樣，可以利用許多不同的方法移動孔弧。例如，可以通過蝸輪或者其它裝置使孔弧182和馬達連接從而它能繞患者縱軸轉動有限的角度。如本領域技術人員會清楚那樣，該弧可以保持不動而只有檢測器移動。但是，這種方法通常更復雜和更貴。出于處理來自掃描的信息的目的，還設置準確確定該弧的位置的裝置。如本領域技術人員清楚那樣，存在許多提供這種手段的方法，包括光編碼器和機械傳感器。傳感裝置還可以用于移動裝置的反饋控制。后面會更詳細地討論一種移動孔弧的方法。
VI.關于由孔弧移動造成的掃描的討論圖10a-10c示出單個檢測器190和一小段孔弧192的頂視圖。這些圖示出孔弧192的三個不同轉動位置處弧192和檢測器的相對位置。如圖所示，在每個位置上，孔隙194的位置把該檢測器的響應線限制在特定路徑196上?？梢钥闯觯斂紫?94在檢測器190的前方移動時，檢測器的視線在患者上散布，從而產生許多響應線或投影。
由于如圖9A中所示存在大量檢測器模塊184并且如圖3中所示存在大量孔隙174，所以在孔弧的每個轉動位置上形成大量檢測器響應線。圖9B示出當孔弧204轉動時從一些檢測器202得到的響應線200的小子集。為了簡明，在圖中未示出孔隙自身。圖中示出一個穿過患者的胸的示意“切片”206，以指示在此方式下得到的足以進行X線斷層重構的心臟的全投影集。
孔弧最好連續(xù)地移動，以使響應線“掃過”整個視場。替代地，孔弧可按離散步長移動，在弧在每次步長停下時成像。
VII.只通過單個孔隙照明的每個檢測器所有檢測器最好所有時間只透過一個隙“觀察”。隙間距確定成每次只通過一個隙照明每個檢測器。光子檢測總效率和孔弧上的隙數量成比例。隙的最大允許數量nslots是代表在一孔隙上可用射線的最大入射角φarc、檢測器弧的半徑以及孔弧的最小長度即孔弧上的給定弧長θA的函數，從而在時刻(θA)給定檢測器只通過一個隙看到患者的視場nslots=π·φarc2πθA/2=π·φarc2πsin-1(RORA)-sin-1(RORD)]]>其中，RO是患者的半徑，RA是孔弧的半徑而RD是檢測器弧的半徑。為提供完整的角投影集，孔弧只需要按各隙之間的間隔φarc/nslots轉動。
對于本發(fā)明的一實施例，假定患者半徑RO最大約為22cm，孔弧半徑RA為30cm以及檢測器弧半徑RD為45cm。檢測器弧和孔弧跨越的角度φarc為180度，并且弧的最小長度θA為36度。對于這些值，根據該方程，五個隙是隙的最大數量，以避免任何檢測器同時透過多于一個的隙觀察。相應地，為提供完整的角投影集，孔弧只需要轉動36度的角度。
上面的方程和解答假定沿著該弧各隙等距相隔并且按36度的角度隔開。如本領域技術人員清楚那樣，關鍵問題是決定隙數量的各隙間的準確角距離。再次參照圖3，該弧示出帶有五個隙，由于圖中的視角，其中一個隙藏在彎曲中。
盡管上面的方程和討論在各隙按36度隔開情況下得出需要5個隙的結論，但添加第6個隙是有好處的。圖11A示意示出本發(fā)明帶有多個設置在一條弧上的檢測器195、帶有五個孔197的孔弧196以及視場198?；?96示成位于極限順時鐘位置。假定可以從視場內任何處發(fā)出感興趣的光子，畫出的投影射線示出視場如何“投影”到檢測器196的弧上。如圖所示，一些光子投影到對最后一個檢測器順時針的位置上，從而不對圖象做出貢獻。類似地，一些位于逆時針端的檢測器在孔弧196的逆時針端處的孔的“視場之外”，從而在此位置上不對該弧暴露。不暴露的檢測器表示比最優(yōu)系統(tǒng)效率差。
圖11B示出位于行程中點處的孔弧。如圖所示，在該位置上，穿過所有孔197的投影和檢測器195的位置相符，從而不浪費光子并且檢測器都是暴露的。
圖11C示出孔弧196位于極限逆時針位置。在此位置上，位于檢測器組件順時針端的檢測器是不暴露的，從而穿過逆時針端處的孔的一些光子不被檢測。
該問題的一種解決辦法是設置數量更多的檢測器。但是，這增加成像部分的尺寸從而明顯提高部件的成本。在圖11D中示出一種優(yōu)選解決辦法。現在孔弧212具有6個隙214把來自視場218的光子投到檢測器216上。而這些隙之間的間隔按上面的方程確定不加以改變(本例中為36°)。圖11D示出弧212處于極限順時針位置上。如圖所示，由于增加第六個隙，所以照明所有的檢測器。圖11E示出弧212處于行程的中間段，而圖11F示出該弧位于極限逆時針位置。同樣，在所有位置上照明所有的檢測器216，從而提高光子采集效率。添加一個“額外”隙的結果是使進入的光子和檢測器弧的長度完美地匹配。在此方案下，所有時候通過孔隙照明所有的檢測器，從而優(yōu)化光子檢測效率。
VIII.斜孔再次參照圖3，各隙174是按大致垂直的隙示出的。即，它們平行于視場的縱軸。依據本發(fā)明的另一個方面，如圖12中所示，各隙可以是斜的。圖12示出包括一孔弧207的組件，該孔弧帶有定義在其上的斜孔208。這些斜孔示成是通過可調側件209規(guī)定的，但是可替代地通過切入弧207中的隙提供。另外，如前面實施例中的隙那樣，可以以任何方式使隙的緣成錐狀，包括任何前面公開的形狀。如本領域技術人員清楚那樣，最好沿著弧207按間隔設置多個孔。出于簡明只在圖12中示出二個孔208。但是，更多的孔是優(yōu)選的。圖12示出本發(fā)明的另一個下面將參照準直器設計說明的方面。斜角隙或孔208可以按從“垂直”略微偏斜到幾乎水平的范圍中的各種角度設置。作為另一種替代，相對于患者的軸，各隙可以是完全“水平”的?？椎慕嵌冗€可以和圖12示出的角度方向相反。
在本發(fā)明的其中孔是“垂直的”并且準直器是水平的或者恰好相反的實施例中，垂直方向和水平方向上的分辨率是不同的。依據本發(fā)明的一實施例，孔在一個方向上按約45度傾斜而準直器在另一方向上按約45度傾斜，通過使孔和準直器相對于橫軸成像平面成角度，可以使成像平面上感受的總分辨率基本上是各向同性的，即，所有方向上是類似的。在一些應用中這是期望的，尤其如果沿著各個斜角平面重新格式化重構數據時。
IX.準直器重新參照圖3和11，孔弧以及檢測器組提供在橫軸平面內準直的但縱向不準直的投影數據。為此，本發(fā)明最好如圖13中所示設置一組縱向或橫截面準直器，如本領域技術人員清楚的那樣，圖13中示出的準直器設計是為和例如圖3中示出的“垂直”孔弧一起使用而設計的。縱向準直器包括一組堆垛狀的按所示排列的弧狀葉片220，并且這些葉片定位成與所示的檢測器222的弧排列同心。該圖中省略孔弧，但它和縱向準直器葉片同心。這些葉片最好彼此平行并且大致和患者的縱軸垂直。這些葉片是鉛或者類似衰減材料的片或板，并且可以用射線可透過塑料泡沫或類似材料的隔片(未示出)隔開。葉片的數量、尺寸和厚度可根據應用變化。
除了加上孔弧230外圖14和圖13類似?？梢钥闯?，通過孔弧隙236和縱向準直葉片238的組合準直作用，每個檢測器232的各個分立的檢測器單元(象素)具有唯一的指向患者視場的響應線234。
如本領域技術人員會理解那樣，最好在大致和孔弧中的孔垂直的平面中設置葉片220。在圖13和14的實施例中，可以把準直器葉片看成是“水平的”，因為它們和“垂直”的患者軸相垂直。再次參照圖12，可以看出準直器210是成角度的從而大致和成角度的孔垂直。為了避免造成圖的混亂，在圖12中只示出五個準直葉片210。但是，應理解如箭頭所示，沿著整個組件設置葉片。如果孔按其它角度是斜的，葉片210也可以是斜的從而保持二者垂直。替代地，準直器葉片210和孔208可以彼此不垂直而是成角度。
X.分辨率和效率依據本發(fā)明的系統(tǒng)的面內分辨率是通過檢測器半徑RD、孔弧半徑RA、對象離孔弧的距離Dist、隙寬Wslot以及檢測器單元的寬度Wdet決定的 圖15畫出本發(fā)明的不同深度處(從準直器到患者身上感興趣點的距離)的分辨率和傳統(tǒng)平行孔準直器的比較。開隙的弧系統(tǒng)假定隙寬為2.4mm、檢測器寬度為4mm并且具有其它參照圖4討論的參數。對其繪出數據的平行孔準直器的孔直徑為2.2mm，并且準直器厚度為3cm。
開隙的孔系統(tǒng)的檢測效率與用于一位于視場中心處的點源的檢測器立體角Ω成比例，并可根據Rogers算出(IEEE TIMI，vol.MI-1，pp.63-68，1982)，其中，Pdet是檢測器斂集率而f是由縱向準直葉片封閉的正面的分數。在本發(fā)明的配置下，f＝葉片厚度/葉片間隔。
當孔弧相對于檢測器移動到不同位置上時，孔隙的視在寬度按隙和檢測器之間的夾角的正弦函數變化。由于從隙觀察的檢測器的視在寬度也按類似的函數改變，總檢測效率會按檢測器-隙夾角的正弦的平方函數變化。確切的函數取決于檢測器單元的光子橫截面(檢測器厚度的函數)以及隙孔的光子橫戴面。這種檢測器靈敏度隨隙位置的變化容易對給定的檢測器設計，并且可以用軟件按與傳統(tǒng)伽馬相機例行執(zhí)行的檢測器均勻性校正類似的方式加以校正。
應注意，當存在不均勻的檢測器靈敏度時，依據本公開的方法構建的成像系統(tǒng)對轉動式伽馬相機SPECT系統(tǒng)中見到的結構性圖象贗象相對不靈敏。在本文所說明的系統(tǒng)中，由具體的相對不靈敏的檢測器單元造成的計數靈敏度減小分布在整個圖象平面上，而不是象傳統(tǒng)系統(tǒng)中看到那樣按結構化“環(huán)”或“弧”贗象出現。
XI.準直器結構Ω=nslots1RD2[robj2-rD2·1RA[robj(RD-RA)]2-[RArD]2]fpdet]]>如本領域技術人員會理解那樣，構建鉛準直器存在一些重大挑戰(zhàn)。鉛密度特別高但是不特別強硬。從而，鉛制葉片重而易損壞。在傳統(tǒng)的平行孔準直器中，葉片做得非常薄并且定義多個小的平行孔。準直器中的孔深一定程度上受鉛材料的強度和硬度的限制。即，如果把準直器構建成比特定深度深，則薄的鉛葉片實際上隨時間彎曲，從而損壞準直器的有用性。本發(fā)明要考慮到類似的問題。準直葉片例如圖13中的220和圖12中的210大而重，從而提出如何充分支承各個葉片的挑戰(zhàn)。此外，重要的是要準確地定位和對齊各個葉片。
本發(fā)明的另一個發(fā)明方面是一種提供帶有平行鉛葉片的準直器的設計，其中這些鉛葉片由設置在各個鉛葉片之間的射線可透過材料形成的堆垛板支承。圖16示出依據本發(fā)明的這個方面構建的平行葉片準直器的一部分。圖16還示出支承結構的一部分，其中包括下支承240和上支承242。
圖17整體地示出依據本發(fā)明一實施例的下支承240和上支承242。不過，圖17未示出支承框內的準直器組件。參照圖17，下支承240和上支承242形成支承組件244的一部分。支承組件244形成圖1A和1B所示的成像弧106的一部分。它環(huán)繞圖17中在245處示出的患者視場。當組裝時，成像弧包含支承結構244、在其中支承的平行葉片準直器、單個或多個檢測器以及孔弧。它最好還包覆在機架內以保護內部運轉并且提供悅目的美學外觀。支承結構244的一端和用來支承成像弧的椅基座108互連。這可以通過各種方式實現。備選地，可以在弧的中部提供輔助支承。
再次參照圖16，在246處示出平行葉片準直組件的一部分。該準直組件包括帶有把各鉛片248隔開的射線可透過材料片或板250的鉛片或鉛板248?？梢酝ㄟ^堆上一塊鉛片接著堆上一塊射線可透過板并且重復該過程以形成足夠高的堆垛來形成準直器組件，如圖中示出那樣。這些射線可透過材料保持鉛片的相對定位并且防止鉛片的任何彎曲或移動。最好在鉛片和射線可透過材料堆垛的頂上以及上支承板242的下面設置一塊受壓板252。然后偏壓部件例如螺紋件254在受壓板252上提供向下的壓力。這壓縮并且穩(wěn)定垛堆246。最好在該堆垛的頂和底部設置較厚的鉛片或者其它光子阻隔材料253，以阻擋光子進入準直器的頂或底部。
如本領域技術人員清楚那樣，可以利用該組裝過程的修改版本構建諸如圖12中示出的準直器組件。依據本發(fā)明的另一個方面，可以利用一種相關方法形成平行孔準直器。即，可以利用在平行孔準直器中對孔填充射線可透過材料從而支承準直器葉片來形成平行孔準直器。由于孔間的鉛隔板的易碎性，平行孔準直器常常損壞。依據本發(fā)明，在構建準直器時可以對它的孔填充射線可透過材料。這把平行孔準直器變成大致實心的塊，從而更抗損壞。另外，這允許形成和支承實際中更深和/或更薄的葉片。
再次參照圖17，通過允許上、下支承件240和242彼此拉緊(例如借助拉緊件256)可以提供依據本發(fā)明的一種形成平行葉片準直器的替代方法。即，可以把鉛板和射線可透過板的交錯堆垛放在下支承件240上、蓋上上支承板242并且利用加壓或拉緊件256加壓。本領域技術人員會理解，依據本發(fā)明的平行葉片準直器非常重，從而懸臂弧承載相當大的負載。圖18示出該支承結構可以包括多個成角度的拉緊件，或者如所示向左成角度或向右成角度或向左、右成角度，這些拉緊件作用類似于提供結構和支承的自行車輻條。它們實際上還允許弧的背面開放以便可接近電子電路并且用于冷卻。
圖19是本發(fā)明的部分成像部分的剖視圖。圖中示出下支承件240、上支承件242以及二者之間的鉛片248。該圖中未示出射線可透過材料。但是，在260處概括地示出電子電路組件或用來檢測進入的光子的檢測器陣列。后面會更詳細討論該檢測器陣列。
本發(fā)明的設計對準直器設計提供以前不能得到的好處。傳統(tǒng)上，準直器設計者限制準直器孔的深度寬度比。即，由準直器限定的孔可以看成具有從前到后的深度以及二側間的或從上到下的寬度。(在平行孔準直器中，二側間的以及從上到下的寬度典型地是相同的。在本發(fā)明中，“二側間的寬度”是孔弧中的孔的尺寸的函數，而從上到下的寬度是平行葉片之間的間距的函數)。在現有技術中，小于10∶1的深度寬度比看成是最佳的。事實上，文獻把10∶1的比率描述為幾乎等同于無限大的比率。換言之，超過10∶1的深度寬度比是異常理論。另外，準直器的現有技術設計要產生很大的深度寬度比特別困難。深的準直器承受結構整體性問題?，F有技術中為得到大的深度寬度比要求葉片過薄和過高難以自身支承。從而，實用性也指示遠離高的深度寬度比。
本發(fā)明明顯地背離現有技術方法。在本發(fā)明的一實施例中，鉛片具有約為2mm的厚度，如圖16中A處所示，射線可透過片具有約為4.5mm的厚度。這樣，相鄰鉛片之間的“間隙”約為4.5mm。在同一個實施例中，如圖19中C處所示，鉛葉片248的前后深度約為150mm。在此實施例中，深度寬度比大于33∶1。在本發(fā)明的一個更優(yōu)選的實施例中，鉛葉片具有約為1.25mm的厚度。但是，該間隙保持相同約為4.5mm。從而，深度寬度比保持相同。依據本發(fā)明，深度寬度比最好大于現有技術的最大比10∶1。深度寬度比大于20∶1更好。深度寬度比大于30∶1甚至更好。
依據本發(fā)明，鉛葉片的厚度最好還大于.5mm。厚度大于.75mm更好。1mm或更大的厚度更好，并且至少為1.25mm的厚度最佳。這些厚度同樣明顯背離現有技術。現有技術的高分辨率平行孔準直器典型地具有厚度為.2mm或更小的鉛葉片，并且期望通過努力得到越來越薄的鉛葉片。
采用比現有技術要大得多的深度寬度比并且采用厚得多的鉛葉片，可以得到現有技術尚未認識或了解的好處。
在SPECT成像中，重要的是準確確定光子行進的方向、光子的能級以及來自該方向的光子的數量。如果鉛不足夠厚，這些光子具有穿過鉛的足夠能量。在現有技術的平行孔準直器中，薄的鉛葉片典型地太薄而不能阻止許多光子穿過它。這樣，不能假定撞擊某特定區(qū)域的光子是從和該區(qū)域相鄰的孔直線向下行進。替代地，光子可能源于不同的孔并且穿過相鄰孔和檢測到該光子的孔之間的鉛葉片。因此損失精度。這在得到的圖象中造成模糊。準直器中的孔的深度寬度比還影響成像部件的分辨率。如果準直器孔短而寬，光子可以在偏離孔軸相當大的角度下進入該孔。如果孔較深并且較窄，剛好穿過該孔的進入光子的角度范圍要窄得多。
在本發(fā)明中采用厚得多的葉片并且采用深度寬度比很高的準直器，二者導致明顯提高精度或分辨率。由于葉片厚并且很深，任何到達準直器后部的傳感器的光子可以看成是穿過孔弧中的并在相鄰鉛葉片之間的孔。換言之，每個光子“計數”是正確計數。
現有技術還趨于采用比本發(fā)明小得多的間隙。本發(fā)明的試驗表明，量級為4或4.5mm的較大間隙以及較厚的鉛葉片導致更高的效率和分辨率。作為本發(fā)明的再一個方面，最好采用大于2mm的間隙，間隙大于3mm更好，4mm或更大的間隙最佳。
再次參照圖19，傳感器陣列260定位成和準直組件的后部相鄰。在一些實施例中，各個傳感器定位成直接靠著葉片的最尾端，而在其它實施例中傳感器小距離地離開葉片的后部。加大葉片248的后部與傳感器之間的間隙減小了由葉片阻隔的光子造成的有效黑區(qū)(darkarea)。在一優(yōu)選實施例中，傳感器對葉片的后部間隔2到3mm。
XII.延伸擋板如圖1和4中所示，對于一個為心臟成像優(yōu)化的實施例，弧狀成像設備的使用允許患者方便地進入和離開成像系統(tǒng)。但是當孔弧轉動時它會輕微延伸到弧的開放區(qū)中。從而本發(fā)明優(yōu)選地提供位于孔弧一端或二端處的回轉延伸擋板，如圖20A和20B所示。該圖示出孔弧300的一端包括一個沿它的長度方向延伸的延伸葉片302。圖20A示出孔弧300和葉片302位于弧的移動的一個極端，而圖20B示出它們位于另一個極端。延伸葉片302通過鉸鏈304可動地附著到孔弧。樞軸棒306位于該葉片的路徑上，從而當孔弧的移動推該延伸葉片時使該延伸葉片回轉離開患者，如圖20B中所示。這使弧或葉片在開口中的延伸最小并且同時保持檢測器對不希望的外部輻射的屏蔽。
現參照圖21，圖中示出孔弧的一種優(yōu)選結構。在310處示出孔弧，它由支承件240支承，該件形成成像弧的支承結構的底部。在此實施例中，由定位成彼此相鄰的分立弧狀板312形成孔弧310，從而在板312之間提供孔314?？梢酝ㄟ^各板312的相對定位確定孔314的寬度?？谆?10支承在支承件240的軌道中并且可以通過驅動一連串的皮帶和滑輪的驅動馬達316移動。
XIII.檢測器變型現轉到檢測器設計，本發(fā)明可以采用各種方法。圖2和3示出可以看成是一維線性陣列的帶式檢測器。也可以在本發(fā)明中設置二維陣列?？梢酝ㄟ^集成單元或者可以近似地通過在近距離內設置二個或更多的一組陣列來提供這樣的陣列。該成像系統(tǒng)的總靈敏性和可使用的檢測器表面面積成線性比例。
參照圖22-24，與本發(fā)明一起使用的傳感器組件的一優(yōu)選實施例的三份視圖概括地在320處示出。如圖23中最佳示出那樣，組件320包括三個二維傳感器陣列322、324和326。每個傳感器陣列進而由一系列傳感器模塊例如圖24中的328形成。這些傳感器模塊是固態(tài)CZT(鎘鋅碲化物)，或者也可替代地使用碲化鎘。圖25示出一個傳感器模塊328的剖面圖。該模塊具有在其前表面上帶有多個小、薄、方形電極332的中央CZT本體330。在背面上設置一個較大的電極，并且在背面上于336處設置一塊用來處理來自該傳感器的數據信號的芯片。光子撞擊傳感器模塊328的前表面并由該模塊感測。圖26示出一種替代實施例，其中感測材料340只覆蓋芯片328的一半。圖26還示出模塊該面上的電極342的配置。
圖22和24示出用于該感測組件的冷卻歧管346。
如本領域技術人員周知那樣，難以在不帶有內部瑕疵情況下生產固態(tài)光子傳感器。參照圖25，CZT材料本體330是一塊晶體，在形成或制造期間它可能形成瑕疵。如果本體330不帶有瑕疵，能利用電極332和334感測到通過前表面并且進入C2T本體330內的光子的存在。如圖26中所示，電極342限定一個二維網格。由此，通過判定哪個電極感測光子的存在可以確定光子撞擊的位置。如果CZT有瑕疵，它可能具有不感測光子撞擊的死點。典型地，CZT本體的正面上的電極的尺寸以及間隔設定成使一個電極負責感測一個“象素”信息。典型地，象素尺寸選擇成等于感測系統(tǒng)的期望分辨率。在心臟感測中，最好具有約為4到4.5mm的分辨率。從而，電極典型地布置在4-5mm的中心上以使一個電極負責一個“象素”。如果CZT具有瑕疵，該瑕疵會造成啞象素(dead pixel)，這可能嚴重影響圖象品質。
依據本發(fā)明的另一個方面，把期望的分辨率(本情況下為4到4.5mm)劃分成更小的段并且采用更小的電極。在圖26中，框350代表一個寬和高約為4到5mm的區(qū)域。但是，不是使該區(qū)域中具有單個電極，而是把該“宏象素”劃分成四個各帶有自己的電極352的象素。如果該宏象素350下面的CZT具有瑕疵，該瑕疵典型地會導致和一個電極352關聯(lián)的單個壞象素。例如，四個電極中的一個電極可能和CZT的一個無靈敏性的、靈敏性減小的或者在少見情況下靈敏性提高的部分關聯(lián)。接著可以校準傳感器模塊并把來自四個電極352的數據處理成從該宏象素350提供有意義的數據。例如，如果一個電極和一個啞象素關聯(lián)，可以組合來自其余三個象素的輸出并乘以3/4以得到來自該宏象素350的輸出。在此方式下，帶有包含著一些瑕疵的CZT本體的傳感器模塊仍是可用的。在圖26的模塊中，電極352最好具有從上到下、從側面到側面各約為2.46mm的尺寸，并且相鄰電極之間的間隔約為0.04mm。在另一優(yōu)選實施例中，尤其對心臟應用優(yōu)化時，電極到電極的間距約為2.25mm。再次參照圖19，傳感器組件260示成和鉛葉片248的后部相鄰。圖27示出從葉片362看過去的傳感器陣列360的視圖。在一些實施例中，電極364之間的間距不均勻地劃分葉片362之間的間距。例如，在一實施例中，葉片362之間的間距約為6.5mm，而電極364之間的間距約為2.5mm。為了避免由于葉片和象素對齊造成的波紋圖案，希望葉片之間的每個間隔中的象素數量大約相同。由于葉片間距在本實施例中不是象素或電極間距的倍數，傳感器陣列360排列成以中間葉片366為中心。如圖27所示，這種布局防止某電極(并且進而某象素)正好位于某葉片362的下面。
本發(fā)明還提供從閃爍材料構建的放射檢測器例如帶有關聯(lián)的光電倍增器管的碘化鈉或碘化銫，或者其它光檢測器例如固態(tài)光電二極管。圖28示出基于閃爍的檢測器模塊400的一實施例。該實施例包括一個包在諸如鋁的射線可透過的光反射殼404中的閃爍材料的圓柱狀晶體402。在該圓柱的二端殼404是打開的。在每一端上通過光耦合材料附著一個光檢測器例如光電倍增器管、光電二極管或者其它光檢測器(未示出)。通過二個光檢測器的輸出的比確定閃爍材料內出現的閃爍事件的位置，從而提供該檢測器內的縱向位置感測。生產該實施例特別便宜，但是具有由于圓形橫截面上閃爍器厚度的變化造成的水平方向上光子檢測效率可變的缺點。這造成檢測器響應函數對純矩形函數(rectfunction)的偏離，從而輕微降低空間分辨率。
圖29A-29C示出基于閃爍器的檢測器的更有效實施例，它們包括包在射線可透過光反射材料422例如鋁中的閃爍材料矩形棒420。在圖29B中，包殼的頂和底是打開的，從而允許放置光檢測器424。在圖29C中示出的替代實施例中，在該模塊的后面打開包殼從而可以附著二個或更多的光檢測器426。在這二種情況下，認為光檢測器和閃爍材料的端部相鄰，從而它們可以定位閃爍事件的位置。
圖30示出包在反射材料432中的帶有梯形橫截面的閃爍器材料430，和前面的圖類似。如圖29A-29C的實施例那樣，光檢測器可附著在模塊的頂或底上或者附著在背面上。帶有梯形橫截面的該實施例具有對進入的放射展現更均勻的橫截面的優(yōu)點，但是制造成本較高。即，對前表面成角度進入的放射仍會碰撞該閃爍器材料的整個深度。
如前面說明那樣，斷層分析系統(tǒng)的軸向分辨率直接取決于檢測器寬度。具體地，較窄的檢測器提高系統(tǒng)的軸向分辨率。但是，當檢測器寬度變窄時，由于撞擊窄檢測器的前表面的光子可能在放出所有能量之前散布到檢測器材料的外面，光子檢測效率下降。依據本發(fā)明，通過掩蔽閃爍材料前表面的一部分可以改進高分辨率長條閃爍材料的效率。圖31A示出基于一塊矩形閃爍材料的檢測器配置440。圖31B示出基于一塊圓柱形閃爍材料的檢測器配置442。圖31C示出基于一塊梯形橫截面閃爍材料的檢測器配置444。在這些實施例的每個中，除了反射包殼446外，閃爍器還包在附加的鉛、鎢或類似高衰減材料的掩蔽層448中。該外掩蔽或屏蔽層配置成使檢測器的橫截面帶有期望尺寸的窄垂直開口450。一旦光子通過該開口并且撞擊閃爍器，隨后的散布更可能發(fā)生在該掩蔽448中的開口450后面的體積較大的閃爍器內而不是散布到閃爍器材料的外面。若需要，可以在包殼和屏蔽層之間插入一層低Z材料(未示出)以吸收掩蔽448發(fā)射的二次鉛X射線。如本領域技術人員清楚那樣，圖31中示出的檢測器利用較窄檢測器的較高分辨率實現較寬檢測器的改進效率?？梢詫鐖D2中示出的固態(tài)檢測器施加類似的掩蔽以得到類似的好處。
參照圖34，可以對二維閃爍材料件應用類似的掩蔽方法以形成帶有上面說明的優(yōu)點的檢測器452。具體地，閃爍材料件454具有施加在它的表面上的條456上的鉛掩蔽。留下窄的垂直開口458以允許光子對齊著這些開口進入。類似于圖14a-14c的實施例，這提高精度。光檢測器459定位在閃爍材料454的后面并且能借助例如“Anger邏輯”檢測何處出現光脈沖。由于部分表面被掩蔽，電子電路“知道”光子不在掩蔽區(qū)中撞擊，從而可以更準確地定出撞擊位置。實際上掩蔽檢測器表面的某些部分降低給定光脈沖的位置不確定性，從而能更精準地確定它的位置。
圖32示出如前面的圖描述的棒狀掩蔽檢測器460但其利用光耦合材料464使光檢測器462附著在背面的結構的細節(jié)。類似的掩蔽配置可以用于固態(tài)檢測器模塊。
如本領域技術人員清楚那樣，各種類型的光檢測器成本稍高。因此，希望減小所需的數量。依據本發(fā)明的另一實施例，可以使一對或更多的光纖附著到每個基于閃爍的檢測器上，并且檢測器的每一端連接一條光纖。光纖可連到頂和底上和/或連接到與頂和底相鄰的背面。接著可把這些光纖路由到具有位置靈敏性的光電倍增器上。這些容易買到的多通道光電倍增器能對各個管的橫截面上的多個位置提供不同的輸出。這樣光電倍增器從而能感測來自大量運行于各個檢測器上的光纖的光脈沖。在此方式下光檢測器的總數量減少。可以對基于閃爍的二維檢測器應用類似的方法。除了采用安裝在材料后部的光檢測器外，還可以利用多條光纖把光路由到多通道檢測器上。
如前面討論那樣，構成基于閃爍的檢測器的核心的閃爍材料件包在諸如鋁的射線可透過、光反射材料中。這提高光檢測器所覺察的光脈沖的亮度。但是，在某些情況下，這種反射性可能干擾光檢測器確定光子撞擊閃爍材料的縱向位置的能力。從而，降低閃爍材料的一個或多個表面的反射性可能是有益的。為此，可在包殼之前使表面變粗糙，可使包殼在某些區(qū)域中變粗糙或者可以對閃爍材料或包殼涂上低反射涂層。替代地，可能希望沿著反射器的長度方向改變反射性。例如，可以沿著檢測器的長度方向改變閃爍材料的一個表面上的粗糙條的寬度。該條可在中央部位變窄從而保持高反射性，并在二端處較寬以減小反射性。這提高中央附近的事件在二端檢測到的似然性。
XIV.檢測器和弧二者都可移動如果檢測器模塊的間隔是稀疏的，可以在系統(tǒng)提供的角度采樣圖案中看到間隙。這種間隙的重要性取決于孔弧移動時得到的數據的角度“箱(bin)”的數量。另外，由不完整角度采樣造成的任何贗象的重要程度取決于臨床設定。如果這種贗象是令人討厭的，本發(fā)明供選用地提供一種在有限角度范圍502內轉動檢測器模塊弧500的裝置(圖33)，這種運動連續(xù)地或者以有限數量離散步長進行。檢測器弧的移動范圍等于檢測器間的間距。檢測器每移動一步時，孔弧504按它的移動范圍506移動。在此方式下，可以得到檢測器分布稀疏的完整角度投影集。
在另一種替代下，依據本發(fā)明的斷層分析系統(tǒng)可設置數量減少的檢測器以降低系統(tǒng)的成本。這種系統(tǒng)會降低分辨率或者需要增加掃描時間。之后，可以在已有檢測器之間的位置添加補充的檢測器使系統(tǒng)升級。
XV.校準如本領域技術人員周知那樣，核醫(yī)學成像設備需要定期校準。對于典型的平行孔伽馬相機，一塊其一面上帶有放射性物質的材料定位成對著準直器面以進行校準。本發(fā)明創(chuàng)造不同的挑戰(zhàn)?？砂压軤罘派湓炊ㄎ辉诨颊咻S上。但是，校準將會非常耗時，因為這需要在若干位置中的每個弧位置上的長曝光時間。這還會在校準過程期間導致室內的放射水平是不能接受的。圖35給出一種優(yōu)選校準方法。圖中示出帶有一個位于512處的孔的于510示出的孔弧的一部分。校準件514示成定位成和孔512相鄰。它是弧狀的并且可以具有比所示要小的半徑和曲率。內表面516上帶有放射性材料并且定位成該放射性材料造成光子穿過孔512。這造成放射性材料覆蓋那些可以“看到”該孔的傳感器的整個視場。很明顯，可以使用多個校準件514，每個孔處放一個。這允許快速校準設備、允許校準設備的緊湊存儲并使對放射的暴露最小。
XUI.替代配置上面描述的本發(fā)明的實施例規(guī)定檢測器陣列、準直器以及阻隔件各為弧狀。如本領域技術人員會清楚那樣，其它形狀也是可能的。例如，檢測器可布成矩形或方形布局。阻隔件和準直器形狀可以相類似。作為另一個例子，可以在視場的不同位置按直行排列帶狀或二維的檢測器組。在圖36中利用二維檢測器520示出該方法。每行檢測器520具有一個以位于它前面的直板為形式的阻隔件522。阻隔件522具有穿過它限定的孔例如隙524并且按箭頭D所示移動，從而響應線掃描視場。還可設置本文其它實施例所說明的準直器。作為進一步替代，可以如圖36中所示那樣排列帶狀或二維的檢測器并且使用弧狀或環(huán)狀的阻隔件。這種布局或者圖36的布局可以覆蓋180到360度之間的弧。在這些實施例中，如果使用二維檢測器，可把常規(guī)的大的二維檢測器(例如用于伽馬相機中的)切成數段最好四段，以提供用于這些實施例的較小的所需二維檢測器。這會降低構件的總成本。
取決于應用，本發(fā)明的系統(tǒng)可包括其它附件。例如，在心臟作業(yè)中，可能希望患者進行運動以對心臟加壓。為此，該系統(tǒng)可包括一個固定的或可拆的自行車測功計。此外，該系統(tǒng)可包括心電圖機和/或內置心臟除纖顫器。另外，可包括或者可連接靜脈內輸液泵。
本領域技術人員會清楚所公開的各優(yōu)選實施例的其它變型。本發(fā)明的范圍是由下面的包含所有等同物的權利要求書定義的。
權利要求
1.一種用于產生多個表示光子放射性同位素的三維分布的斷層分析圖象的單光子發(fā)射體層成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括基座，其包括用來支承病人的患者支承從而患者的一部分軀干位于視場中，定義一個穿過該視場的縱軸；和該視場相鄰的檢測器組件，所述檢測器組件包括一個能操作成檢測光子是否撞擊檢測器的光子響應檢測器，所述檢測器組件能操作成掃描從患者位于該視場中的軀干部分發(fā)射的光子；設置在該視場和所述檢測器之間的光子阻隔件，所述阻隔件具有一個穿過其限定的孔隙，用于使和所述孔隙對準的光子通過，從所述檢測器穿過所述孔限定一條響應線；包括多個大致平行的、用光子衰減材料做成的準直葉片的準直組件，所述葉片彼此隔開從而限定多個間隙，所述間隙各具有一個高度，每個所述葉片具有對著該視場的前緣和對著所述檢測器的后緣，每個所述葉片的前后深度比每個間隙的高度大十倍，所述多個葉片設置在所述檢測器和該視場之間，從而只有通過所述間隙之一的光子才能從該視場行進到所述檢測器；以及位移致動器，其能操作成相對于所述檢測器和所述光子阻隔件中的一個移動所述檢測器和所述阻隔件中的另一個，從而所述孔相對于所述檢測器移動，并且響應線掃過至少該視場的一部分。
2.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，每個所述葉片的深度比每個間隙的高度大20倍。
3.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，每個所述葉片的深度比每個間隙的高度大30倍。
4.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，每個所述葉片的深度大于或等于每個間隙的高度的33倍。
5.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，每個所述葉片的厚度大于或等于1mm。
6.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，每個所述葉片的深度大于或等于100mm。
7.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，每個所述葉片的深度大于或等于150mm。
8.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，該縱軸大致是垂直的，從而在患者的頭實質高于患者的髖部的情況下患者的軀干基本上垂直地延伸。
9.依據權利要求8的系統(tǒng)，其中，所述基座包括一個椅狀結構，該椅狀結構帶有大致水平的用于支承患者的髖部的底部以及大致垂直的用于支承患者的背的背部。
10.依據權利要求9的系統(tǒng)，其中，所述檢測器組件包括一個至少部分地環(huán)繞該視場的大致弧形的機架。
11.依據權利要求10的系統(tǒng)，其中，所述弧形機架和所述基座的所述背部互連，從而當患者坐在所述底部上時所述機架部分地環(huán)繞患者的軀干，所述機架在一對隔開的端部之間大致弧形地延伸，從而對該視場限定一個入口。
12.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，所述準直葉片設置在所述光子阻隔件和所述檢測器之間。
13.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，射線可透過材料設置在所述葉片之間的間隙中。
14.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，所述準直葉片大致垂直于該縱軸。
15.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，所述準直葉片相對于該縱軸是成角度的。
16.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，孔隙大致平行于該縱軸。
17.依據權利要求1的系統(tǒng)，其中，孔隙大致垂直于至少一部分所述葉片。
18.一種用于產生多個表示光子放射性同位素的三維分布的斷層分析圖象的單光子發(fā)射體層成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括基座，其包括用來支承病人的患者支承，從而患者的一部分軀干位于視場中，限定一個穿過該視場的縱軸；和該視場相鄰的檢測器組件，所述檢測器組件包括一個能操作成檢測光子是否撞擊檢測器的光子響應檢測器，所述檢測器組件能操作成掃描從患者位于該視場中的軀干部分發(fā)射的光子；設置在該視場和所述檢測器之間的光子阻隔件，所述阻隔件具有一個穿過其限定的孔隙，用于使和所述孔隙對準的光子通過，從所述檢測器穿過所述孔限定一條響應線；包括多個大致平行的、用光子衰減材料做成的準直葉片的準直組件，所述葉片彼此間隔從而限定多個間隙，每個所述葉片具有對著該視場的前緣和對著所述檢測器的后緣，每個所述葉片的前后深度大于或等于100mm，所述多個葉片設置在所述檢測器和該視場之間，從而只有通過所述間隙之一的光子才能從該視場行進到該檢測器；以及位移致動器，其能操作成相對于所述檢測器和所述光子阻隔件中的一個移動所述檢測器和所述阻隔件中的另一個，從而所述孔相對于所述檢測器移動，并且響應線掃過至少該視場的一部分。
19.一種用于產生多個表示光子放射性同位素的三維分布的斷層分析圖象的單光子發(fā)射體層成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括基座，其包括用來支承病人的患者支承，從而患者的一部分軀干位于視場中，限定一個穿過該視場的縱軸；和該視場相鄰的檢測器組件，所述檢測器組件包括一個能操作成檢測光子是否撞擊檢測器的光子響應檢測器，所述檢測器組件能操作成掃描從患者位于該視場中的軀干部分發(fā)射的光子；以及包括多個用光子衰減材料做成的準直葉片的準直組件，所述葉片彼此間隔從而限定多個間隙，所述間隙各具有一個高度，每個所述葉片具有對著該視場的前緣和對著所述檢測器的后緣，每個所述葉片的前后深度比每個間隙的高度大十倍，所述多個葉片設置在所述檢測器和該視場之間，以便從該視場行進到所述檢測器的光子可穿過所述間隙中之一。
20.一種用于產生多個表示光子放射性同位素的三維分布的斷層分析圖象的單光子發(fā)射體層成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括基座，其包括用來支承病人的患者支承，從而患者的一部分軀干位于視場中，限定一個穿過該視場的縱軸；和該視場相鄰的檢測器組件，所述檢測器組件包括一個能操作成檢測光子是否撞擊檢測器的光子響應檢測器，所述檢測器組件能操作成掃描從患者位于該視場中的軀干部分發(fā)射的光子；以及包括多個用光子衰減材料做成的準直葉片的準直組件，所述葉片彼此間隔從而限定多個間隙，每個間隙具有一個高度，每個所述葉片具有對著該視場的前緣和對著所述檢測器的后緣，每個所述葉片的前后深度大于或等于100mm，所述多個葉片設置在所述檢測器和該視場之間，以便從該視場行進到所述檢測器的光子可穿過所述間隙之一。
全文摘要
產生多個表示光子放射性同位素的三維分布的X線斷層圖象的單光子發(fā)射體層成像系統(tǒng)，包括支承患者的基座從而患者的一部分位于視場中。限定穿過該視場的縱軸。檢測器模塊和該視場相鄰并包括光子響應檢測器，其可檢測光子是否撞擊它。定位在該視場和該檢測器之間的光子阻隔件，其具有孔隙，使對準該孔隙的光子通過。從檢測器穿過該孔限定一條響應線。準直組件包括多個大致平行的用光子衰減材料做成的準直葉片。葉片彼此間隔從而限定多個間隙，每個間隙具有一個高度。每個葉片具有對著該視場的前緣和對著檢測器的后緣。每個葉片的前后深度比間隙的高度大十倍。該多個葉片設置在檢測器和視場之間，從而只有通過間隙之一的光子才能從視場行進到檢測器。
文檔編號G01T1/20GK1759328SQ200480006811
公開日2006年4月12日 申請日期2004年2月5日 優(yōu)先權日2003年2月5日
發(fā)明者杰克·E·朱尼 申請人:杰克·E·朱尼