技术领域
[0001] 本
发明涉及一种医学成像领域的一种成像装置及方法，更具体地涉及一种
正电子发射断层成像装置及方法。
背景技术
[0002] 正电子发射断层成像仪(Positron Emission Tomography，以下简称PET)是一种尖端的分子医学成像设备，可实现无创、定量、动态地评估
生物体内各器官的代谢
水平、生化反应和功能活动。PET因其功能成像的特性，在
肿瘤、心血管系统
疾病和神经系统疾病等的早期诊断、
治疗规划、疗效评估以及新型
核医学示踪剂及分子探针研究、新药开发、靶向治疗技术等研究领域中具有独特的应用价值。
[0003] 传统的PET由探测器模
块、
数据采集(Data Acquisition，以下简称DAQ)模块和图像重建模块三部分组成。注射有
放射性核素的被检体组织在代谢过程中遇到电子发生湮灭，产生多对
能量相同、方向相反的γ
光子；探测器模块探测γ光子并将其转换成电
信号；数据采集模块通过电子学系统对探测到的
电信号进行处理、分析和校正，得到
符合事件信息；图像重建模块运用符合事件信息重建出被检体的代谢活度分布图像，从而帮助疾病的诊断。
[0004] 传统PET中的DAQ模块往往采用专用的模数(模拟
电路和数字电路)混合的前端电子学设计方式，几何结构封闭且系统固定，导致系统的适应性、可扩展性、可升级性大大受限，而针对性的应用调整或优化往往需要对系统
硬件进行较大程度的调整甚至重新开发，代价昂贵，导致其应用大大受限。
[0005] 目前，随着PET应用的不断深入，精确定量、个体诊疗、靶向治疗等应用对PET的性能和结构提出了更高的要求，可适应个体
化成像对象和拓展应用场景的PET系统成为趋势之一。
[0006] 因此，针对上述现状，有必要提供一种结构灵活、可即插即用的PET成像方法及装置，以克服
现有技术中PET系统结构封闭、不易灵活地对结构进行拓展调整的
缺陷。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种正电子发射断层成像装置及方法，从而解决现有技术中的PET系统结构封闭、适应性不高且不能灵活使用的问题。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种正电子发射断层成像装置及方法，该正电子发射断层成像装置包括相互可拆卸连接的探测器系统模块和
计算机系统模块，其中，探测器系统模块包括：时钟模块，所述时钟模块产生时钟
同步信号；探测器，所述探测器的输入端与所述时钟模块的输出端可拆卸的通信连接以接收所述时钟模块的时钟同步信号，所述探测器探测伽
马光子并将所述伽马光子转换为成像信息数据；交换机，所述交换机的输入端与所述探测器的输出端可拆卸的通信连接以汇总所述探测器探测的所述成像信息数据；电源，所述电源与所述时钟模块、所述探测器以及所述交换机的输入端可拆卸的电连接以进行供电；计算机系统模块包括：探测器配置模块，所述探测器配置模块与所述探测器的输入端可拆卸的通信连接以对所述探测器进行参数配置；成像信息获取模块，所述成像信息获取模块的输入端与所述交换机的输出端可拆卸的通信连接以接收所述成像信息数据；脉冲信息分析和处理模块，所述脉冲信息分析和处理模块的输入端与所述成像信息获取模块的输出端通信连接以将所述成像信息数据转换为脉冲时间、能量和
位置信息；符合事件甄别模块，所述符合事件甄别模块的输入端与所述脉冲信息分析和处理模块的输出端通信连接，所述符合事件甄别模块通过设置
时间窗、能量窗将所述脉冲时间、能量和位置信息转换为符合事件对信息；图像重建模块，所述图像重建模块与所述符合事件甄别模块通信连接以接收所述符合事件对信息并进行图像重建。
[0009] 根据本发明的一个
实施例，所述计算机系统模块还包括数据校正模块，所述图像重建模块通过所述数据校正模块与所述符合事件甄别模块通信连接，所述数据校正模块的输入端与所述符合事件甄别模块的输出端通信连接以接收所述符合事件对信息，所述数据校正模块通过对所述符合事件对信息进行衰减校正或者散射校正获取精确的符合时间对信息，所述数据校正模块的输出端与所述图像重建模块的输入端连接以向所述图像重建模块发送精确的符合事件对信息。
[0010] 根据本发明的一个实施例，所述探测器为数字PET探测器，所述探测器形成的几何结构包括平板形、多边形、环形或者不规则的形状。
[0011] 根据本发明的一个实施例，所述脉冲信息分析和处理模块通过闪烁脉冲先验信息分析，选择模型对脉冲形状进行拟合，获取脉冲的到达时间、能量、位置等相关信息。
[0012] 根据本发明的一个实施例，所述交换机、所述探测器、所述时钟模块以及所述计算机系统模块之间通过串口、USB通讯线或者网线进行可拆卸的通信连接。
[0013] 该正电子发射断层成像方法包括以下步骤：
[0014] 步骤S1：根据成像物体需求，确定PET探测器系统参数；
[0015] 步骤S2：搭建所述PET探测器系统，所述PET探测器系统包括时钟模块、探测器、交换机以及电源，所述时钟模块与所述探测器之间可拆卸的通信连接，所述探测器与所述交换机之间可拆卸的通信连接，所述电源与所述时钟模块、所述探测器以及所述交换机之间可拆卸的电连接；
[0016] 步骤S3：在计算机系统模块中进行探测器参数配置；
[0017] 步骤S4：准备被检体，将所述被检体放入所述PET探测器系统中，扫描所述被检体，同时将成像信息数据送入所述计算机系统模块中；
[0018] 步骤S5：通过所述计算机系统模块对所述成像信息数据进行脉冲数据分析、符合事件甄别、数据校正和图像重建。
[0019] 根据本发明的一个实施例，在所述步骤S1中，所述成像物体需求包括用户所要成像的被检体类型和所需要观察的指标，所需要观察的指标包括空间
分辨率、能量分辨率、
时间分辨率、
信噪比、
对比度、灵敏度或用户自定义的衡量标准中的一个或多个；所要确定的所述PET探测器系统参数包括探测器参数、探测器类型、探测器数目和探测器系统几何结构。
[0020] 根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，探测器参数包括探测器源IP、目的IP、源端口号、目的端口号、多
电压阈值采样的阈值信息和探测器输出数据类型，探测器参数配置通过所述计算机系统模块中的探测器配置模块完成。
[0021] 根据本发明的一个实施例，在所述步骤S4中，所述被检体包括射源以及含放射性示踪剂的
假体、动
植物或人；准备被检体包括在所述假体、动植物或人中注射
放射性核素、使用特殊形状的假体或使用特殊形状的射源；所述被检体放在所述PET探测器系统中成像
视野中心位置；所述成像信息数据包括脉冲MVT电压阈值信息、采样点时间信息、位置信息及探测器系统几何结构信息。
[0022] 根据本发明的一个实施例，在步骤S5中，脉冲数据分析包括脉冲拟合、能量计算和到达时间计算。
[0023] 根据本发明的一个实施例，在步骤S5中，所述符合事件甄别包括符合事件分析，所述符合事件分析包括精确分析和快速分析，其中，所述精确分析方式为：送入的成像信息数据先经过闪烁脉冲信号分析获取闪烁脉冲的到达时间、能量和位置信息，经过精确的符合事件选择，获取精确的符合事件信息，经过数据校正之后进行图像重建获得受检体图像；所述快速分析方式为：送入的成像信息数据不经过闪烁脉冲信号分析，直接采用第一采样点时间信息进行粗略的符合事件选择，获取相对粗略的符合事件时间、位置信息。
[0024] 根据本发明的一个实施例，在步骤S5中，所述数据校正包括通过CT或图谱方式进行衰减校正、归一化校正或者散射校正。
[0025] 根据本发明的一个实施例，在步骤S5中，图像重建采用解析和
迭代的方法，包括三维解析、二维解析和三维迭代和二维迭代，还包括对解析和迭代加入飞行时间信息的方法。
[0026] 本发明提供的正电子发射断层成像装置及方法，该成像装置能够针对不同应用需求随时随地实现个性化结构的快速搭建，并得到清晰的成像结果，做到即插即用。本发明基于数字PET探测器以及计算机
软件，可随时随地快速实现，其系统结构可根据需求任意调整，软件部分采用通用架构，适用所有系统。本发明的成像方法可以通过较低的成本实现适用于任意个体化需求的PET成像系统，做到随时随地针对特定应用快速成像，可适用于人体、动植物体疾病检测，特别是肿瘤、神经系统、心血管等方面疾病的早期诊断以及质子治疗等。
附图说明
[0027] 图1是根据本发明一个实施例的正电子发射断层成像装置的结构示意图；
[0028] 图2是根据本发明的一个实施例的正电子发射断层成像装置的探测环的布置示意图；
[0029] 图3是根据本发明的另一个实施例的正电子发射断层成像装置的探测环的布置示意图；
[0030] 图4是根据本发明的又一个实施例的正电子发射断层成像装置的探测环的布置示意图；
[0031] 图5是根据本发明的一个实施例的正电子发射断层成像方法的步骤示意图；
[0032] 图6是根据本发明的一个实施例的正电子发射断层成像装置及方法的受检体的布置示意图；
[0033] 图7是根据图6的正电子发射断层成像装置及方法的探测环的布置示意图；
[0034] 图8是根据图7的正电子发射断层成像装置及方法的成像结果示意图；
[0035] 图9是根据本发明另一个实施例的正电子发射断层成像装置及方法的探测环的布置示意图；
[0036] 图10是根据图9的正电子发射断层成像装置及方法的成像结果示意图。
具体实施方式
[0037] 以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
[0038] 图1为根据本发明的一个实施例的正电子发射断层成像装置的结构示意图，由图1可知，本发明提供的正电子发射断层成像装置，包括PET探测器系统模块10和计算机系统模块20，其中，PET探测器系统模块10包括电源11、交换机12、探测器13以及时钟模块14，计算机系统模块20包括探测器配置模块21、成像信息获取模块22、脉冲信息分析和处理模块23、符合事件甄别模块24、数据校正模块25以及图像重建模块26，PET探测器系统模块10中的交换机12的输出端与计算机系统模块20中的成像信息获取模块22的输入端相连，计算机系统模块20中的探测器配置模块21的输出端与PET探测器系统模块10中的探测器13的输入端相连。
[0039] 更具体地，PET探测器系统模块10中的电源11的输出端分别与交换机12、探测器13以及时钟模块14的输入端电连接以分别对交换机12、探测器13、时钟模块14进行供电；时钟模块14的输出端通过时钟线与探测器13的输入端通信连接以控制所有探测器13的时钟同步运行；探测器13的输出端通过千兆网线与交换机12的输入端通信连接，探测器13用于探测并沉积伽马光子，同时将伽马光子转换成电信号，这些电信号即成像信息数据，探测器13进一步将采集到的成像信息数据通过千兆网线传递至交换机12中；交换机12的输出端进一步与成像信息获取模块22的输入端通信连接以将上述成像信息数据传递至计算机系统模块20中。
[0040] 计算机系统模块20中的探测器配置模块21的输出端通过配置线与探测器13的输入端通信连接以用于探测器13的参数配置；成像信息获取模块22的输入端通过千兆网线或光纤与交换机12的输出端通信连接以接收成像信息数据，成像信息获取模块22可采用网卡接收成像信息数据；脉冲信息分析和处理模块23的输入端与成像信息获取模块22的输出端通信连接以接收成像信息数据并将成像信息数据转换为脉冲时间、能量和位置信息；脉冲信息分析和处理模块23的输出端与符合事件甄别模块24的输入端通信连接以向符合事件甄别模块24传递脉冲时间、能量和位置信息，脉冲信息分析和处理模块23通过闪烁脉冲先验信息分析，选择合适的模型对脉冲形状进行拟合，获取脉冲的到达时间、能量、位置等相关信息；符合事件甄别模块24通过设置时间窗、能量窗将上述脉冲到达时间、能量和位置信息转换为符合事件对信息并输出至数据校正模块25；数据校正模块25接收并校正上述符合事件对信息，通过针对各系统进行衰减校正、散射校正，获取精确的数据；图像重建模块26与数据校正模块25通信连接并根据上述符合事件对信息的精确数据以及探测器结构信息进行图像重建，获取受检体活度的分布图像。
[0041] 本发明提供的正电子发射断层成像装置中，探测器13采集到的成像信息数据包括脉冲MVT(Multi-Voltage Threshold)电压阈值信息、采样点时间信息、位置信息及探测器系统几何结构信息，其中，更具体地，对于包含快速的上升沿和缓慢的下降沿的闪烁脉冲，一个电压阈值对应两个时间点信息，采样点时间信息可为采用4个电压阈值采样时所采下的8个时间点信息；闪烁脉冲被探测器探测到以后，探测器会采集该闪烁脉冲在探测环中的位置信息和探测到该脉冲的对应晶体条在探测器中的位置信息；闪烁脉冲先验信息包括用相同的探测器和成像核素对高采样率示波器采集到的大量的闪烁脉冲进行统计分析后获取闪烁脉冲的形状或噪声模型信息；符合事件是指两个伽马光子被探测到的时间差在设定的时间窗内且能量也在设定的能量窗内，即认为是来自于一次湮灭产生的一对伽马光子，符合事件甄别即找到每一次湮灭所产生的伽马光子对；校正后的符合事件对信息包括符合事件的位置信息、能量信息和到达时间差信息；探测器结构信息包括探测环的系统几何信息，表征探测器的摆放形状和位置。
[0042] 本发明提供的正电子发射断层成像装置中，电源11、交换机12、探测器13、时钟模块14以及计算机系统模块20之间的连接通过串口、USB通讯线、千兆网线等实现相互的可拆卸通信连接，PET探测器系统的结构可以根据用户成像需求任意调整，可随时随地实现快速的结构变换，从而针对特定应用快速成像，还可以较低的成本实现任意个性化PET成像需求。
[0043] 还需要注意的是，图1中探测器13的数目可以根据实际使用需求进行选择，交换机12的数目与探测器13的数目相匹配，本领域技术人员应当理解，交换机12根据探测器13的数量进行选择，需确保交换机12的输入端口数大于等于探测器13的数目以接收所有探测器的信息，比如，当探测器13的数目为1时交换机12数目为0，从而探测器13直接通过千兆网线将探测到的成像信息数据传递至成像信息获取模块22中。探测器13组成的环也可以包括多种形状结构，具体形状根据成像需求确定，比如，当对成像
精度要求很高，不计成本的时候，可以采用传统的环形结构；当用于放疗导航时，采用更方便的平板结构。计算机系统模块20中各个部分的组合方式和运行流程也可根据成像需要确定，并不局限于上述情况。
[0044] 图2为根据本发明的一个实施例的正电子发射断层成像装置的探测环结构，其中，探测环30布置为上下平行的平板结构，每个平板探测环30中包含若干个探测器13，上下两个平板探测环30中的各个探测器13正对布置。
[0045] 图3为根据本发明的另一个实施例的正电子发射断层成像装置的探测环结构，其中，单个的探测环40为平板结构，四个探测环40首尾连接形成四边形结构，每个平板探测环40中包含若干个探测器13，上下两个平板探测环40以及左右两个平板探测环40中的各个探测器13正对布置。
[0046] 图4为根据本发明的又一个实施例的正电子发射断层成像装置的探测环结构，其中，若干个探测器模块50形成为圆环形结构的探测环，每个探测器模块50可包括多个探测器13。
[0047] 图5为根据本发明的正电子发射断层成像方法的流程示意图，由图5可知，本发明提供的正电子发射断层成像方法，包括以下步骤：
[0048] 步骤S1：根据成像物体需求，确定PET探测器系统参数；
[0049] 步骤S2：搭建PET探测器系统；
[0050] 步骤S3：在计算机系统模块中进行探测器参数配置；
[0051] 步骤S4：准备被检体，将被检体放入PET探测器系统中，扫描被检体，同时将成像信息数据送入计算机系统模块中；
[0052] 步骤S5：通过计算机系统模块对成像信息数据进行脉冲数据分析、符合事件甄别、数据校正和图像重建；
[0053] 其中，在步骤S1中，成像物体需求包括用户所要成像的被检体类型和所需要观察的指标，所需要观察的指标包括空间分辨率、能量分辨率、时间分辨率、信噪比、对比度、灵敏度或用户自定义的衡量标准中的一个或多个；所要确定的PET探测器系统参数包括探测器参数、探测器类型、探测器数目和探测器系统几何结构，PET探测器系统参数既可自动、半自动确定，也可根据人工经验和实践确定。
[0054] 在步骤S2中，搭建PET探测器系统的步骤具体包括：按照搭建PET探测器系统的成像物体需求以及PET系统参数要求通过配置线、网线、光纤等分别连接探测器、时钟模块、电源、交换机以及计算机，具体连接方式参考图1所示的实施例；其中，探测器优选采用数字PET探测器，用于输出数字脉冲采样信息等成像信息数据；探测器所采用的闪烁晶体可为PET系统常见的闪烁晶体，比如
硅酸钇镥晶体(LYSO)、溴化镧晶体(LaBr3)、锗酸铋晶体(BGO)或者
硅酸钇晶体(YSO)等；探测器所采用的闪烁晶体的规格可以根据PET系统参数要求切割为多样化的，比如截面积为2mm*2mm、6mm*6mm或者8mm*8mm；与探测器所匹配的光电器件也可采用常见的光电器件，比如
光电倍增管(PMT)或者硅光电倍增管(SiPM)。本发明中PET系统所采用的探测器几何结构根据步骤S1中成像物体需求确定，比如，可采用传统的环状结构，也可采用平板结构，还可采用多边形，比如四边形、六边形、八边形、十二边形或者其他不规则的形状。
[0055] 在步骤S3中，探测器参数包括探测器源IP、目的IP、源端口号、目的端口号、多电压阈值采样(MVT)的阈值信息和探测器输出数据类型，探测器参数的配置通过计算机系统模块中的探测器配置模块完成。
[0056] 在步骤S4中，被检体可选择射源、假体、动植物或人，其中假体、动植物或人需要注射放射性示踪剂；准备被检体包括在生物体中注射放射性核素、使用特殊形状的假体或使用特殊形状的射源，如点源、棒源等；将被检体放入PET探测器系统中是指将被检体放在PET探测器系统中适合成像的区域，该区域通常为成像视野(Field of View，简称FOV)中心位置；成像信息数据包括脉冲MVT(Multi-Voltage Threshold)电压阈值信息、采样点时间信息、位置信息及探测器系统几何结构信息，其中，更具体地，对于包含快速的上升沿和缓慢的下降沿的闪烁脉冲，一个电压阈值对应两个时间点信息，采样点时间信息可为采用4个电压阈值采样时所采下的8个时间点信息。
[0057] 在步骤S5中，在计算机系统模块中基于探测器扫描送入的成像信息数据进行脉冲数据分析、符合事件甄别、数据校正和图像重建操作，获取受检体的活度分布图像、能谱、时间谱等信息，其中，脉冲数据分析包括脉冲拟合、能量计算和到达时间计算，其中，此处所用的脉冲拟合方法可根据探测器输入的脉冲信息在
数据库中进行选择，如基于PMT的探测器可采用直线指数模型进行拟合计算，基于SiPM的探测器可采用双指数模型进行拟合计算；符合事件甄别包括符合事件分析，符合事件分析包括精确分析和快速分析，其中，精确分析方式为：送入的成像信息数据先经过闪烁脉冲信号分析获取闪烁脉冲的到达时间、能量和位置信息，经过精确的符合事件选择，获取精确的符合事件信息，经过数据校正之后进行图像重建获得受检体图像，到达时间指拟合计算之后闪烁脉冲电压为0时对应的时间；快速分析方式为：送入的成像信息数据不经过闪烁脉冲信号分析，直接采用第一采样点时间信息进行粗略的符合事件选择，获取粗略的符合事件时间、位置信息，通过数据校正之后直接进行图像重建。在成像精度要求非常低且成像时间要求非常高的情况下，可选用快速分析方式。另外，本发明中闪烁脉冲的采样方法为多电压阈值采样(MVT)方法，也可采用ADC采样。
数据校正包括通过CT或图谱方式进行衰减校正、归一化校正或者散射校正；图像重建可采用解析和迭代的方法，包括三维解析、二维解析和三维迭代和二维迭代，还包括对解析和迭代加入飞行时间(Time of Flight，简称TOF)信息的方法。
[0058] 图6为根据本发明的一个实施例的正电子发射断层成像装置及方法所采用的受检体假体示意图，其中，假体70采用圆盘形状，假体70上依次排列分布的圆孔为感兴趣区域，依次为：圆孔71的直径为4mm，圆孔72的直径为3.5mm，圆孔73的直径为3mm，圆孔74的直径为2.5mm，圆孔75的直径为2mm，圆孔76的直径为1.6mm。
[0059] 图7为根据图6的正电子发射断层成像装置及方法的探测环的布置示意图，在图7的具体实施例中，采用两块材质和大小相同的平行
平板探测器模块60组成的系统结构来进行成像，其中每块平板探测器模块60包括2×4个
探头61。PET探测器系统各个部件的连接方式参考图1，成像方法参考图5。
[0060] 具体地，针对图6所示的受检体假体70，对探测器参数进行如下设置：将计算机本地IP设为与探测器源IP在同一网段但不相同，并将计算机本地IP设为所有探测器的目的IP，且所有探测器的源IP均不相同，所有探测器的目的端口设置为不等。采用基于SiPM和LYSO的数字PET探测器BDM2550，其晶体条数目为6*6，单个晶体条截面积大小为3.95mm*3.95mm。计算机系统模块采用“脉冲信息分析和处理－符合事件甄别－数据校正－图像重建”的流程进行处理，在脉冲信息分析时采用双指数模型进行闪烁脉冲的重建和分析，图像重建采用3维的迭代方法；得到受检体重建图像如图8所示，可见重建图像比较清晰。
[0061] 同样地，针对另外的不同的实际成像需求，可以快速的将图7所示的探测环拆卸重新组装为图9所示的环形探测环，在图9所示的实施例中，探测环共4个，一共采用88个探测器，同时将另外一种假体(图中未示)放置于探测环中。数字PET探测器及光电转换器件与图7中相同。计算机系统模块同样采用“脉冲信息分析和处理－符合事件甄别－数据校正－图像重建”的流程进行处理，在脉冲信息分析时采用双指数模型进行闪烁脉冲的重建和分析，图像重建采用3维的迭代方法；得到受检体重建图像如图10所示，可见重建图像相当清晰，从而满足不同的成像需求。
[0062] 本发明提供的即插即用的正电子发射断层成像装置及方法，该成像装置能够针对不同应用需求随时随地实现个性化结构的快速搭建，并得到清晰的成像结果，做到即插即用。本发明基于数字PET探测器以及计算机软件，可随时随地快速实现，其系统结构可根据需求任意调整，软件部分采用通用架构，适用所有系统。本发明的成像方法可以通过较低的成本实现适用于任意个体化需求的PET成像系统，做到随时随地针对特定应用快速成像，可适用于人体、动植物体疾病检测，特别是肿瘤、神经系统、心血管等方面疾病的早期诊断以及质子治疗等。
[0063] 以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化，比如探测器系统几何结构除了可以采用实施例中所描述的圆形和规则多边形外，还可以采用非规则的几何形状，实际情况中，探测器系统几何结构并不局限于本发明实施例所提出的形状。即凡是依据本发明
申请的
权利要求书及
说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明
专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
