專利名稱：單光子計算機斷層掃描儀以及其掃描方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單光子計算機斷層掃描儀以及其掃描方法，尤其涉及一種利用射束檔塊來吸收放射線的單光子計算機斷層掃描儀以及其掃描方法。
背景技術(shù)：
由于分子圖像(molecular imaging)中的單光子放射計算機斷層掃描(SPECT,single photon emission computed tomography)所使用的同位素具有半衰期較長,不需要加速器、即時生產(chǎn)的優(yōu)點，因此在使用上較為普及。近年來，由于動物實驗需要高解析度的圖像，單光子放射計算機斷層掃描儀已經(jīng)成為目前普遍使用的儀器。目前的高解析度單光子放射計算機斷層掃描使用針孔準(zhǔn)直器(pinhole collimator)，由于原子序與密度越高的物質(zhì)能吸收越多的放射線，一般來說，針孔準(zhǔn)直器都是利用高原子序及高密度的物質(zhì)所制成，因此不僅昂貴且制作費時。此外，由于單光子放射計算機斷層掃描時需要旋轉(zhuǎn)待測物或是將針孔準(zhǔn)直器與檢測器(detector)對著待測物旋轉(zhuǎn)，以擷取180度的投影數(shù)據(jù)(projection data),當(dāng)針孔準(zhǔn)直器對著待測物旋轉(zhuǎn)時，由于相當(dāng)笨重，很容易因機械制作不夠精準(zhǔn)而在圖像上產(chǎn)生假影。為了避免因為針孔準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)而造成的圖像誤差，目前市面上已有利用鎢制作的中空圓柱體，在中空圓柱體上嵌有75個由金子作成的針孔，這些針孔以多圈環(huán)狀排列的方式均勻分布在圓柱體上，并且每個針孔都對焦在一照野的(F0V，field of view)中心，使用時將待測物置放在此中心，放射線即從此中心放射出，通過每個針孔后成像于檢測器上，由在此針孔準(zhǔn)直器具有多個針孔環(huán)繞于待測物，掃描時單光子放射計算機斷層掃描儀維持固定，并不需旋轉(zhuǎn)待測體或針孔準(zhǔn)直器與檢測器，并且可同時得到75組不重疊(non-overlapping)的投影數(shù)據(jù)，藉此即可重建出高解析度的斷層圖像。但是上述的針孔準(zhǔn)直器由于針孔非常細(xì)小，寬度低于一毫米，故其制作難度較高并且成本相當(dāng)昂貴。綜合上述，因此亟需一種制造成本低廉、制作簡單且亦具有高解析度的單光子計算機斷層掃描儀以及其掃描方法來解決現(xiàn)有技術(shù)所產(chǎn)生的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為一種單光子計算機斷層掃描儀及其掃描方法，其利用由高原子序及高密度的物質(zhì)所制成的射束擋塊，在掃描過程中吸收放射線，通過在不同角度上掃描待測物時，分別加入或移除射束擋塊，再將有、無射束擋塊的投影數(shù)據(jù)結(jié)果相減，估計出放射線自焦點(FOV)射出的投影數(shù)據(jù)，而利用圖像重建原理得到高解析度的圖像。本發(fā)明提供一種單光子計算機斷層掃描儀，其包括一承載臺；至少一檢測器，其設(shè)置于該承載臺的周圍；至少一射束檔塊，其設(shè)置于該至少一檢測器與該承載臺之間；一信號處理裝置，其與該至少一檢測器的信號相連接；以及一計算機裝置，其電訊連接于該信號處理裝置。本發(fā)明還提供一種單光子計算機斷層掃描方法，其使用一單光子計算機斷層掃描儀來掃描一待測物的圖像，該單光子計算機斷層掃描儀活動設(shè)置有至少一射束檔塊，該單光子計算機斷層掃描方法包含下列步驟使用該單光子計算機斷層掃描儀來擷取不含該射束檔塊時，該待測物于至少一種角度的圖像；使用該單光子計算機斷層掃描儀來擷取包含該射束檔塊時，該待測物于該至少一種角度的圖像；將不含該射束檔塊時所擷取的圖像結(jié)果減去含有該射束檔塊時所掃描所擷取的圖像結(jié)果；以及重建該待測物的計算機斷層圖像。


圖I為本發(fā)明單光子計算機斷層掃描儀的第一實施例示意圖。圖2為本發(fā)明單光子計算機斷層掃描儀的第二實施例示意圖。圖3為本發(fā)明單光子計算機斷層掃描儀的第三實施例俯視示意圖。圖4為本發(fā)明單光子計算機斷層掃描儀的第四實施例俯視示意圖。 圖5A為本發(fā)明的射束檔塊示意圖。圖5B為本發(fā)明的射束檔塊示意圖。圖5C為本發(fā)明的射束檔塊示意圖。圖6為單光子計算機斷層掃描方法的流程示意圖。主要元件符號說明O-待測物I-單光子計算機斷層掃描儀10-承載臺11-檢測器12-射束檔塊13-信號處理裝置130-信號轉(zhuǎn)換與放大裝置131-信號過濾裝置14-計算機裝置15-旋轉(zhuǎn)支架16-致動件17-屏蔽層2-單光子計算機斷層掃描方法20 23-步驟
具體實施例方式為使本領(lǐng)域技術(shù)人員能對本發(fā)明的特征、目的及功能有更進(jìn)一步的認(rèn)知與了解，下文特將本發(fā)明的系統(tǒng)的相關(guān)細(xì)部結(jié)構(gòu)以及設(shè)計的理念原由進(jìn)行說明，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解本發(fā)明的特點，詳細(xì)說明陳述如下請參閱圖1，圖I為本發(fā)明單光子計算機斷層掃描儀的第一實施例示意圖。本發(fā)明提供一種單光子計算機斷層掃描儀1，其包括一承載臺10，至少一檢測器11，至少一射束檔塊12，一信號處理裝置13以及一計算機裝置14。該至少一檢測器11設(shè)置于該承載臺10的周圍；該至少一射束檔塊12設(shè)置于該至少一檢測器11與該承載臺10之間；該信號處理裝置13與該至少一檢測器11的信號相連接；該計算機裝置14電訊連接于該信號處理裝置13。其中，該信號處理裝置13包含一信號轉(zhuǎn)換與放大裝置130以及一信號過濾裝置131，在本實施例中，該信號轉(zhuǎn)換與放大裝置130為光電倍增管，該信號過濾裝置131為能量鑒別與定位儀(Energy discrimination and positioning electronics)。光電倍增管用以將檢測器所發(fā)出的光線轉(zhuǎn)成電子信號，并放大約數(shù)十萬倍；而能量鑒別與定位儀可算出光子到達(dá)時的位置，且通過檢驗光子到達(dá)時的能量是否在特定范圍之內(nèi)，來判斷哪些為可使用的光子，如果光子的能量太低，則可能是散射的光子而被排除；該計算機裝置14用來處理該信號處理裝置13所輸出的信息,一般來說,使用濾器反投影法(filtered back-projection)或是ML-EM 法(maximum likelihood expectation maximization)來重建該待測物 0 的計算機斷層圖像。在本實施例中，該射束檔塊12活動設(shè)置于該檢測器11與該承載臺10之間，也就是說，該射束檔塊12可視操作者的需求來拆卸或放置，使掃描時可視需求包含該射束檔塊12或是不含該射束檔塊12，另外，放置的位置也可視操作者的需求而異，例如，可將該射束擋塊12的距離移動，使得該檢測器11到該射束擋塊12的距離大于該射束擋塊12到該待 測物O的距離時，而可以得到放大的圖像。這邊需要說明的是，圖I中雖設(shè)置有多個射束擋塊12，但也可僅設(shè)置單一個射束擋塊12，該射束擋塊12的數(shù)量不以圖面為限。操作者可利用本發(fā)明的單光子計算機斷層掃描儀1，來分別擷取在不同角度上掃描該待測物O時，有包含該射束擋塊12與未包含該射束檔塊12的圖像，將未包含該射束檔塊12的圖像減掉包含該射束擋塊12的圖像后，再利用一般圖像重建(reconstruction)方法，來得到高解析度的活度分布圖像，藉此重建出待測物O內(nèi)部的活度分布，為了方便擷取多個角度的圖像，本實施例中包含一旋轉(zhuǎn)支架15，該旋轉(zhuǎn)支架15連接于該檢測器11與該射束檔塊12，該旋轉(zhuǎn)支架15可使該檢測器11與該射束檔塊12繞著該承載臺10轉(zhuǎn)動，以便進(jìn)行多角度圖像擷取。由于該射束檔塊12的功能在于在掃描過程中吸收放射線，故該射束檔塊12的材料為高原子序及高密度的物質(zhì)所制成，本實施例中該射束檔塊12的材料為鎢，但該射束檔塊12的材料不以此為限。圖2為本發(fā)明單光子計算機斷層掃描儀的第二實施例示意圖。本實施例當(dāng)中，包含一致動件16,該致動件16連接于該承載臺10,使該承載臺10可旋轉(zhuǎn)。本實施例與上一實施例的差異在于，上一實施例通過該旋轉(zhuǎn)支架15來使該檢測器11與該射束檔塊12旋轉(zhuǎn)，而本實施例中，由旋轉(zhuǎn)該承載臺10來取得待測物O的多個角度的圖像。圖3為本發(fā)明單光子計算機斷層掃描儀的第三實施例俯視示意圖。為了提高檢測效率，在本發(fā)明的第三實施例中，說明了多組系統(tǒng)，每組均包含至少一射束擋塊12、至少一檢測器11以及一信號處理裝置13，將多組系統(tǒng)置放于該待測物O的周圍，即可直接擷取該待測物O的特定角度的圖像，每一信號處理裝置13均連接于一計算機裝置14，將掃描結(jié)果傳輸置該計算機裝置14進(jìn)行圖像處理，圖3中設(shè)有四組系統(tǒng)，但系統(tǒng)的組數(shù)、設(shè)置的間距以及與待測物O間的位置不以此為限制。故使用此儀器時可將射束擋塊12移至適合位置，通過改變模塊的視野，來增加投影數(shù)據(jù)的采樣空間，使得系統(tǒng)不必旋轉(zhuǎn)即可重建出清晰的圖像。圖4為本發(fā)明單光子計算機斷層掃描儀的第四實施例俯視示意圖。在本實施例中，將該待測物O置于中心位置，該多個射束檔塊12環(huán)狀設(shè)置于該待測物O的外側(cè)，本實施例中將多個射束檔塊12均勻地嵌在一空心柱體的壁面上，來使該多個射束檔塊12環(huán)狀設(shè)置于該待測物O的外側(cè)，由于欲使放射線僅被該射束擋塊12吸收，故該空心柱體便設(shè)計為低原子序、密度物質(zhì)所制成，本實施例中，該空心柱體的材質(zhì)為碳纖，但不以此為限，并且將該多個射束檔塊12環(huán)狀設(shè)置于該待測物O的外側(cè)的方式也不以此為限。此外，為使通過各射束檔塊12的放射線在檢測器11上的投影不致重疊，每一射束檔塊12之間維持一定距離；再將一屏蔽層17設(shè)置于該多個射束檔塊12的外圍，該屏蔽層17的形狀為一空心柱體，該屏蔽層17的壁面上具有多個開口 170，由于該屏蔽層17的作用是阻止焦點以外，也就是待側(cè)物O位置之外的射線進(jìn)入該檢測器11，故該屏蔽層17是由重金屬制成，本實施例中，該屏蔽層17的材質(zhì)為鎢，但該屏蔽層7的材質(zhì)不以為限，而該屏蔽層17上每一開口 170的位置均對應(yīng)于放射線通過每一射束擋塊12后的投影位置，因此，自焦點發(fā)出的放射線，通過該射束檔塊12所設(shè)置的位置后便會穿過該開口 170而打到該檢測器11 ;而該檢測器11設(shè)置于該屏蔽層17的外圍，本實施例中，該檢測器11為空心圓柱體的形狀，但該檢測器11的形狀也可為由多個平面的檢測器11組成的多角形，由在此系統(tǒng)中，自焦點以放射狀發(fā)出的放射線，以多個方向地通過該射束擋塊12、該屏蔽層17的該開口 170而到達(dá)該檢測器11， 因此，此系統(tǒng)不必旋轉(zhuǎn)便可同時檢測到多個角度的投影數(shù)據(jù)，再經(jīng)過重建后即可得到高解析度圖像。由于該射束擋塊12的形狀會影響掃描結(jié)果的解析度，較佳的射束擋塊12形狀可參考圖5A、圖5B與圖5C所示，其為本發(fā)明的射束檔塊示意圖。在圖5A中可見，該射束檔塊12為一錐體，該錐體的底面為圓弧面，其中，如果將該錐體作一通過該錐體尖端的截面，此截面會呈現(xiàn)一扇形，如果欲得到較高的解析度，可縮小該扇形的夾角，以提高圖像解析度；另外，本發(fā)明的射束檔塊12形狀，也可如同圖5B，為兩個頂點相對的圓錐體，圖5A與圖5B中該射束擋塊12的形狀，與目前的針孔準(zhǔn)直器的形狀相反，也就是與針孔準(zhǔn)直器的針孔形狀相同，由于針孔準(zhǔn)直器是讓放射線僅得以通過針孔位置，而該射束擋塊12是將所通過的放射線吸收，因此，如果使用此兩種形狀的射束擋塊12，搭配在不同角度上分別對有、無設(shè)置射束擋塊12的待側(cè)物O來進(jìn)行掃描，將有、無射束擋塊12的投影數(shù)據(jù)相減，便可以在低成本的條件下得到與針孔準(zhǔn)直器相近的檢測結(jié)果。圖5C中的射束擋塊12為兩個互相垂直并且不相交的長條形射束檔塊12，此兩個長條形的射束擋塊12分別與該待側(cè)物O存在不同的距離，此種類型的射束擋塊12可視操作者的需求，通過變換兩個射束擋塊12的距離來調(diào)控，來調(diào)整該待側(cè)物O在該檢測器11上橫軸與縱軸的放大倍率，其中該射束檔塊12的截面為扇形或是三角形。圖6為單光子計算機斷層掃描方法的流程示意圖。本發(fā)明還提供一種單光子計算機斷層掃描方法2，其使用一單光子計算機斷層掃描儀I來掃描一待測物O的圖像，該單光子計算機斷層掃描儀I活動設(shè)置有至少一射束檔塊12，該單光子計算機斷層掃描方法2包含下列步驟步驟20為使用該單光子計算機斷層掃描儀來擷取不含該射束檔塊時，該待測物于至少一種角度的圖像；步驟21為使用該單光子計算機斷層掃描儀來擷取包含該射束檔塊時，該待測物于該至少一種角度的圖像；步驟22為將不含該射束檔塊時所擷取的圖像結(jié)果減去含有該射束檔塊時所掃描所擷取的圖像結(jié)果；步驟23為以及重建該待測物的計算機斷層圖像。
—般來說利用濾器反投影法(filtered back-pro jection)或是ML-EM法(maximum likelihood expectation maximization)來重建該待測物的計算機斷層圖像。本發(fā)明的單光子計算機斷層掃描儀搭配其掃描方法即可得到高解析度的圖像，相較于已知利用針孔準(zhǔn)直器的單光子計算機斷層掃描儀，由于所需的高原子序與高密度的物質(zhì)較少，因此具有體積與重量較輕、制作容易、成本低廉的優(yōu)點。此外，由于射束擋塊輕巧，掃描時可以隨著待測物的形狀或是使用者所需放大的圖像的程度來調(diào)整擺放位置，故有應(yīng)用上較靈活的優(yōu)勢。然而以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，當(dāng)不能以之限制本發(fā)明范圍。即大凡依本發(fā)明權(quán)利要求書所做的均等變化及修飾，仍 將不失本發(fā)明的要義所在，故都應(yīng)視為本發(fā)明的進(jìn)一步實施狀況。
權(quán)利要求
1.一種單光子計算機斷層掃描儀，其包括 一承載臺； 至少一檢測器，其設(shè)置于該承載臺的周圍； 至少一射束檔塊，其設(shè)置于該至少一檢測器與該承載臺之間； 一信號處理裝置，其與該至少一檢測器的信號相連接；以及 一計算機裝置，其電訊連接于該信號處理裝置。
2.如權(quán)利要求I所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中還包含一旋轉(zhuǎn)支架，該旋轉(zhuǎn)支架連接于該檢測器與該射束檔塊，該旋轉(zhuǎn)支架可使該檢測器與該射束檔塊繞著該承載臺轉(zhuǎn)動。
3.如權(quán)利要求I所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中還包含一致動件，該致動件連接于該承載臺，使該承載臺可旋轉(zhuǎn)。
4.如權(quán)利要求I所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中該至少一檢測器為環(huán)狀設(shè)置于該承載臺的外圍，且該單光子計算機斷層掃描儀包含多個射束檔塊，該多個射束檔塊環(huán)狀設(shè)置于該至少一檢測器與該承載臺之間。
5.如權(quán)利要求4所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中還包含一屏蔽層，其為一空心柱體，該空心柱體的壁面上具有多個開口，該屏蔽層設(shè)置于該多個射束檔塊與該至少一檢測器之間。
6.如權(quán)利要求I所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中該射束檔塊活動設(shè)置于該檢測器與該承載臺之間。
7.如權(quán)利要求I所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中該射束檔塊由高原子序的材料所制成。
8.如權(quán)利要求7所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中高原子序的材料為鎢。
9.如權(quán)利要求I所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中該射束檔塊為一錐體，該錐體的底面為圓弧面。
10.如權(quán)利要求I所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中該射束檔塊為兩個頂點相對的圓錐體。
11.如權(quán)利要求I所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中該信號處理裝置包含一信號轉(zhuǎn)換與放大裝置以及一信號過濾裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中該信號轉(zhuǎn)換與放大裝置為光電倍增管，該信號過濾裝置為能量鑒別與定位儀(Energy discrimination andpositioning electronics)。
13.如權(quán)利要求I所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中具有兩個射束檔塊，每一射束檔塊為長條形，彼此互相垂直并且不相交。
14.如權(quán)利要求13所述的單光子計算機斷層掃描儀，其中該射束檔塊的截面為扇形或是二角形。
15.一種單光子計算機斷層掃描方法，其使用一單光子計算機斷層掃描儀來掃描一待測物的圖像，該單光子計算機斷層掃描儀活動設(shè)置有至少一射束檔塊，該單光子計算機斷層掃描方法包含下列步驟 使用該單光子計算機斷層掃描儀來擷取不含該射束檔塊時，該待測物于至少一種角度的圖像； 使用該單光子計算機斷層掃描儀來擷取包含該射束檔塊時，該待測物于該至少一種角度的圖像； 將不含該射束檔塊時所擷取的圖像結(jié)果減去含有該射束檔塊時所掃描所擷取的圖像結(jié)果；以及 重建該待測物的計算機斷層圖像。
16.如權(quán)利要求15所述的單光子計算機斷層掃描方法，其中利用濾器反投影法(filtered back-projection)或是 ML-EM 法(maximum likelihood expectationmaximization)來重建該待測物的計算機斷層圖像。
全文摘要
一種單光子計算機斷層掃描儀以及其掃描方法，該單光子計算機斷層掃描儀，包括一承載臺，至少一檢測器，至少一射束檔塊，一信號處理裝置以及一計算機裝置。該至少一檢測器設(shè)置于該承載臺的周圍；該至少一射束檔塊設(shè)置于該至少一檢測器與該承載臺之間；該信號處理裝置與該至少一檢測器的信號相連接；該計算機裝置電訊連接于該信號處理裝置。本發(fā)明亦提供一種單光子計算機斷層掃描方法，通過在不同角度上掃描待測物時，分別加入或移除射束擋塊，再將有、無射束擋塊的投影數(shù)據(jù)結(jié)果相減，即可估計出自焦點射出的放射線投影數(shù)據(jù)，利用圖像重建原理即得到高解析度的圖像。
文檔編號A61B6/03GK102871680SQ20111031555
公開日2013年1月16日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者莊克士 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院