技术领域
[0001] 本
发明属于医学粒子物理应用技术领域，具体涉及一种全息正电子浓度成像方法及系统。
背景技术
[0002] 在过去十年中，对伽玛模式PET的研究主要集中空间
分辨率和灵敏度的提高。意大利研制的YAP-PET使用PET/SPECT双模结构，单个YAP闪烁晶体的尺寸为2×2×30mm3，能提供1.8mm FWHM的重建
图像空间分辨率。Washington University的MicroPET Focus 120在正
硅酸镥(Lu2SiO5，简称LSO)闪烁晶体与
位置灵敏
光电倍增管(Position-Sensitive Photomultiplier，简称PSPMT)之间采用光纤进行耦合。在视场范围(Field of View,简称FOV)中心点，该系统能提供1.69mm FWHM的空间分辨率，其峰值绝对灵敏度达7.1％(
能量窗口为250-650keV)。GE公司将EXPLORE VISTA DR商用化，采用两环LGSO/GSO双层晶体，晶体尺寸为1.5×1.5×15mm3。空间分辨率在FOV的中心为1.6mm FWHM，灵敏度为4％(能量窗口3
为250-700keV)。UC Davis分校S.R.Cherry教授所领导的研究组使用1×1×10mm 的LSO晶体实现了逼近1mm的分辨率。英国开发出QUAD-HIDAC 32伽玛模式PET采用大范围气体探测器，也能得到约为1mm的最高空间分辨率，而且在整个FOV内均匀分布。在国内，中科院高能物理研究所研制的Eplus采用正
硅酸钇镥(Lu2-nYinSiO5，简称LYSO)为闪烁晶体，从报刊新闻中获知其主要性能指标为能量分辨率23％，
时间分辨率4.3ns，空间分辨率2.3mm，最大计数率1250cps/uCi。
[0003] 如上所述，目前对伽玛模式PET系统性能的优化，更多的是通过改变
硬件，特别是探测器的优化设计来提高空间分辨率。这个途径面临两个主要问题。首先，随着分辨率的进一步提高，硬件手段遇到的困难和系统成本急剧增加。比如，减小晶体切割尺寸是重要的硬件手段之一。受切割过程中的材料损耗、制作安装及其他工程困难的影响，闪烁晶体尺寸的继续减小已经遇到实质性障碍。更重要的是，空间分辨率的提高对相应的图像重建
算法提出了新的挑战。
[0004] 当前，伽玛模式PET系统普遍使用的是同样应用于临床系统的通用PET图像重建算法，以基于统计原理的
迭代法为主。其中，以最大似然度作为优化目标和迭代准则的极大似然估计法(Maximum Likelihood Expectation Maximization，简称MLEM)最为经典，也是很多流行算法的
基础。在MLEM的基础上，有序子集最大期望法(Ordered-subset expectation-maximization，简称OSEM)法将数据依据投影
角度分为多个子集进行处理，有效地
加速了迭代过程，成为目前应用最为广泛的重建方法。
[0005] 以上迭代算法的原理，均以PET探测数据和噪声的统计特性为前提。PET是一种基于核素衰减的成像技术，它依赖于
光子计数来完成
信号的检测。光子计数是服从泊松分布(Poisson Distribution)的统计过程。从泊松分布可以知道，光子计数测量过程的
信噪比(Signal-to-Noise Ratio，简称SNR)正比于探测到的计数的平方根。当PET系统的空间分辨率提高的时候，每个
像素容量相应地减少。在
放射性示踪剂浓度保持和系统灵敏度保持不变的情况下，从每个像素射出的
符合事件总数也相应减少，导致SNR下降，重建得到的图像噪声增大，精确度降低。另外，从其他方面综合考虑，普遍希望放射核素的注入量越小越好，扫描时间越短越好，检测
传感器数目越少越好，这都将对SNR产生负面的影响。如果在重建中采取降噪措施，又必然导致图像细节的损失，意味着空间分辨率的降低。随着伽玛模式PET空间分辨率的不断提高，图像噪声的问题愈发明显。尽管也有研究人员提出了针对高分辨率PET系统图像重建算法，但是工作主要是针对List-mode数据的有效利用以及算法效率的提高，例如Reader A.J.等人提出的一段式列表模式最大期望(One-pass list-mode expectation maximization，简称OPL-EM)算法。对高分辨率下统计噪声影响加剧的问题，尚未见到有效的解决办法。
[0006] 如上所述，目前要优化伽玛模式PET系统的性能，分辨率和SNR之间的矛盾是不可回避的问题。而大量研究还是着眼于硬件设计，特别是探测器的优化。即便是伽玛模式PET重建方法方面的研究和开发，也主要集中在面向广泛应用的通用重建技术上，并未根据小动物模型的具体特性以及伽玛模式PET的系统特点作优化。完全固定的通用重建方法，以及过于侧重空间分辨率的思路，使得伽玛模式PET重建方法在实际应用中总是面临对成像关键性能提升不足的尴尬。
[0007] 因此，针对以上问题，本发明提出通过研究切伦科夫
辐射的物理实质与发光传输特点，建立先验信息库，以优化图像重建方法，提高成像
质量。从广义的角度而言，先验信息与扫描数据的结合，将有效提高图像重建数据的SNR，避免采用昂贵的闪烁晶体，成为解决上述矛盾的手段。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于提供一种全息正电子浓度成像方法及系统，该方法与系统能有效降低成本，提高正电子浓度成像的
对比度，提升成像信噪比，提升系统空间分辨率和时间分辨率。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种全息正电子浓度成像方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1：为成像物质标记正电子同位素；
[0011] 步骤2：将标记有正电子同位素的药物注入动物或者人体内，使其分布在动物或人体内；
[0012] 步骤3：使用切伦科夫事件分辨探测器探测动物或人体内的正电子事件；
[0013] 步骤4：切伦科夫事件分辨探测器输出时间和空间信息；
[0014] 步骤5：将切伦科夫事件分辨探测器的时间和空间信息进行计数，重建动物或人体内的3维核素浓度分布。
[0015] 优选的，所述步骤1的正电子同位素是指由医用回旋加速器产生的富质子同位素。
[0016] 优选的，所述步骤2通过静脉注射标记有正电子同位素的药物，其参与
生物活体内的生理与生化改变后，同位素的分布情况依照生物活体内的新陈代谢强度。。
[0017] 优选的，所述步骤3的切伦科夫事件分辨探测器采用的光电器件具有光子事例分辨能
力；
[0018] 所述切伦科夫事件分辨探测器由SiPM传感器组成。
[0019] 优选的，所述步骤4的切伦科夫事件分辨探测器探测采用光子计数的方法，读出每一个光子的时间和空间信息。
[0020] 优选的，从所述步骤4的切伦科夫事件分辨探测器输出的脉冲信号中，重建切伦科夫事件的时间和空间信息。
[0021] 优选的，所述步骤5的重建可采用解析或迭代的核素分布重建方法。
[0022] 一种全息正电子浓度成像系统，包括有标记正电子同位素模
块、注射模块、机械
支撑模块、探测模块和图像重建模块。
[0023] 所述标记正电子同位素模块对生物体中参与生理与生化过程的物质用正电子同位素进行标记，使生物体带有可以发射多辐照事件的标记物；
[0024] 所述注射模块可将标记有正电子同位素的药物注入动物或者人体内，并实时控制注入生物体内的
放射性药物剂量；
[0025] 所述机械支撑模块用于支撑需要进行检测的生物体，并将生物体平稳传送到
检测区域；
[0026] 所述探测模块对切伦科夫光子进行探测；
[0027] 所述图像重建模块将切伦科夫事件集合重建成某一时刻的放射性活度分布。
[0028] 优选的，所述探测器模块的设计采用
闪烁体加光电器件的闪烁探测器设计，用以获取切伦科夫事件的时间和位置信息。
[0029] 优选的，所述光电器件为SiPM传感器。
[0030] 有益效果：
[0031] (1)本发明的一种全息正电子浓度成像方法及系统，能有效提高伽玛模式PET的空间分辨率和灵敏度，特别适合于对准确度和精确度要求很高的临床用PET，在癌症和心
血管疾病中有广泛的应用。高空间分辨率与时间分辨率，有利于提高成像质量；高灵敏度，有利于降低成像的背景噪声，解决高分辨率下统计噪声影响加剧的问题。
[0032] (2)本发明的一种全息正电子浓度成像方法及系统，高探测效率，造价成本低，有效提高图像重建数据的信噪比，避免采用昂贵的闪烁晶体，有效降低了制造PET的成本。
附图说明
[0033] 图1为本发明方法流程示意图。
[0034] 图2为本发明系统构成结构图。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图进一步说明本发明的
实施例。
[0036] 如图1-2所示，一种全息正电子浓度成像方法，包括以下步骤：
[0037] 步骤1：为成像物质标记正电子同位素；
[0038] 步骤2：将标记有正电子同位素的药物注入动物或者人体内，使其分布在动物或人体内；
[0039] 步骤3：使用切伦科夫事件分辨探测器探测动物或人体内的正电子事件；
[0040] 步骤4：切伦科夫事件分辨探测器输出时间和空间信息；
[0041] 步骤5：将切伦科夫事件分辨探测器的时间和空间信息进行计数，重建动物或人体内的3维核素浓度分布。
[0042] 所述步骤1的正电子同位素是指由医用回旋加速器产生的富质子同位素，如常用的放射性同位素包括18F，11C，13N，15O等。对生物活体注入正电子同位素，并尽可能地降低背景光子，使成像环境尽可能的处于静息和非曝光的状态下。
[0043] 所述步骤2通过静脉注射标记有正电子同位素的药物，其参与生物活体内的生理与生化改变后，同位素的分布情况依照生物活体内的新陈代谢强度。。
[0044] 所述步骤3的切伦科夫事件分辨探测器采用的光电器件具有光子事例分辨能力；
[0045] 所述切伦科夫事件分辨探测器由SiPM传感器组成。探测器采用多视角全3D设计，一次扫描即可同时获取无数视角的切伦科夫光子信息，探测效率高。
[0046] 所述步骤4的切伦科夫事件分辨探测器探测采用光子计数的方法，读出每一个光子的时间和空间信息。
[0047] 从所述步骤4的切伦科夫事件分辨探测器输出的脉冲信号中，重建切伦科夫事件的时间和空间信息。
[0048] 所述步骤5的重建可采用解析或迭代的核素分布重建方法。
[0049] 一种全息正电子浓度成像系统，包括有标记正电子同位素模块、注射模块、机械支撑模块、探测模块和图像重建模块。
[0050] 所述标记正电子同位素模块对生物体中参与生理与生化过程的物质用正电子同位素进行标记，使生物体带有可以发射多辐照事件的标记物；
[0051] 所述注射模块可将标记有正电子同位素的药物注入动物或者人体内，并实时控制注入生物体内的放射性药物剂量；
[0052] 所述机械支撑模块用于支撑需要进行检测的生物体，并将生物体平稳传送到检测区域；
[0053] 所述探测模块对切伦科夫光子进行探测；
[0054] 所述图像重建模块将切伦科夫事件集合重建成某一时刻的放射性活度分布。
[0055] 所述探测器模块的设计采用闪烁体加光电器件的闪烁探测器设计，用以获取切伦科夫事件的时间和位置信息。
[0056] 所述光电器件为SiPM传感器。
[0057] 所述成像物质是指用正电子同位素标记的能够参与生物体代谢活动的化合物，如
水，
葡萄糖，
氨基酸等。
[0058] 所述切伦科夫事件是指放射性同位素
原子核发射带电粒子在介质中发生切伦科夫效应。
[0059] 所述正电子事件是指正电子在组织中发生衰变，产生一对能量值约为511keV的动量相反的伽
马光子。
[0060] 所述切伦科夫事件分辨探测器是采用符合探测的方式对切伦科夫事件进行探测。
[0061] 以下列出本实施例处理数据的参数：
[0062] 步骤1所用的射源为511keV的正电子湮灭伽马光子18F-FDG，所用的正电子同位素18
为 F；
[0063] 步骤2采用静脉注射方式把药物注入动物或者人体；
[0064] 步骤3探测器采用的红光增强的硅光电倍增管，结构为环状；
[0065] 步骤4输出的时间和空间信息存储采用Tektronics DPO 71604数字存储示波器，示波器的工作带宽为16GHz，每通道
采样率为50GSps；
[0066] 步骤5计数方式采用符合计数，重建方法采用统计迭代MLEM法，逼近式绘出生物体内3维核素浓度分布。
[0067] 本发明的一种全息正电子浓度成像方法及系统，能有效提高伽玛模式PET的空间分辨率和灵敏度，特别适合于对准确度和精确度要求很高的临床用PET，在癌症和心
血管疾病中有广泛的应用。高空间分辨率与时间分辨率，有利于提高成像质量；高灵敏度，有利于降低成像的背景噪声，解决高分辨率下统计噪声影响加剧的问题。
[0068] 本发明的一种全息正电子浓度成像方法及系统，高探测效率，造价成本低，有效提高图像重建数据的信噪比，避免采用昂贵的闪烁晶体，有效降低了制造PET的成本。
[0069] 以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同
修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。
