一种平动的平板PET分子影像断层成像系统的制作方法

本实用新型涉及医疗技术领域，具体涉及一种平动的平板pet分子影像断层成像系统。

背景技术：

正电子发射断层扫描成像(positronemissiontomography，pet)是一种非侵入性的分子医学影像技术，可以无创、定量、动态地反映活体内的新陈代谢、生化反应、功能活度与灌注水平。由于恶性肿瘤细胞的葡萄糖代谢会远高于正常组织细胞，因此pet在临床上被广泛应用于恶性肿瘤的成像诊断。随着科技的发展，肿瘤越来越成为人类生命的最大威胁。外科手术是治疗肿瘤的最古老最有效的方法之一。肿瘤一般位于身体内，因此在手术前和手术中对肿瘤定位有很大的意义。

随着pet在应用中的不断深入，临床诊疗与基础研究对pet仪器的认识和接受度逐渐提高，同时也对pet仪器的性能和功能提出了新的需求，促使pet仪器的研究人员发展新的方法和技术，从系统设计、硬件装置和图像重建等多个环节推动仪器的广泛应用。从系统设计的角度出发，研究人员提出了各种结构的pet成像系统。其中，采用一对平板探测器的pet成像系统，由于其结构简洁，工程上易于高性价实现，兼有开放性和可调节性，一直受到研究人员的关注。特别是近来采用了硅光电倍增管(siliconphotomultiplier，sipm)代替传统的光电真空倍增管，平板pet的探测器尺寸重量大大减小，更加凸显其方便实用性。

区别于传统上采用环形探测器的pet，平板pet只采用了一对平板探测器即构成了整个系统。开放式的可调式的平板pet可用于实时引导立体定向活检，提高活检取样的准确性；在肿瘤的外科切除手术或实时引导放疗中，开放式的pet结构可使得治疗和成像可以同步进行，可实时检测与定位残余病灶，对治疗进行引导，提高手术的根治效果。特别在手术进行中，病人体位、组织脏器、肿瘤的存在与位置(残余肿瘤)都有大的改变，如何在手术中进行肿瘤(残余肿瘤)的快速的pet三维(3d)成像与定位，平板pet是一个很好的解决方案。

目前对于传统的平板pet的断层成像，其两个平板探测器需要借助精密的机械旋转支架围绕一个等中心进行转动，以采集到180°的完备数据进行图像重建。即使利用有限角重建技术，也需要两个平板做等中心转动，以获取允许连续角度采样的角度达到90°及以上的pet数据，以便后续的图像重建。这需要非常高精度的等中心旋转机构，因而造成平板pet支架结构庞大，需要操作空间较大，特别是高精度的等中心旋转机构需要高昂的造价。

另外，在先进的平板pet的深度效应(doi，depthofinteraction)校正中采用硬件解决方案，这也造成平板探测器造价高，尤其是探测面积增大时。而在临床成像中，需要一定大小的成像区域(fov,fieldofview)，对平板探测器的面积有一定的大小要求，但是平板探测器面积过大，也会造成平板探测器造价高，以及pet支架结构更加庞大。

技术实现要素：

为了解决现有术中pet采集成像过程中复杂昂贵等中心旋转机构的使用，以及平板探测器有限探测成像面积的问题，本实用新型提出了一种平动的平板pet分子影像断层成像系统，pet的平板探测器不需转动，只需要简单平动即可实现对90度及以上采样角度的覆盖，而后利用有限角度的断层重建算法，实现成像区域内的成像样本的分子影像成像与目标定位。

本实用新型的平动的平板pet分子影像断层成像系统包括：成像托架、成像支架、一对平板探测器、平移电机和计算机；其中，成像样本位于成像托架上；一对平板探测器连接至平移电机；平移电机连接至计算机；一对平板探测器还连接至计算机；一对平板探测器分别安装在成像托架的上方和下方，圆柱形三维的成像区域fov位于一对平板探测器之间，一对平板探测器距成像区域的中心轴的距离相等；成像样本的中心轴位于成像区域的中心轴上，成像区域的中心轴平行于成像托架的轴向方向；平板探测器的长度方向垂直于中心轴，宽度方向平行于中心轴；一对平板探测器能够分别做相反方向的水平错位直线平移运动，水平错位直线平移运动的方向为所在水平面内垂直于中心轴且沿平板探测器的长度方向；一对平板探测器的允许采样角度由平板探测器的长度l、一对平板探测器之间的垂直距离d、fov的半径r和平板探测器的平移距离确定。

在初始位置即第一平移位置，一对平板探测器相对放置，即第一平移距离δ1为0，最大允许采样角度为α1，一对平板探测器在最大允许采样角度±α1内对成像区域进行第一次连续角度采样，pet数据传输至计算机。

在初始位置即第一平移位置，最大允许采样角度为α1：

通过电机控制一对平板探测器执行第一平移模式，分别沿相反方向水平错位直线平移，即上平板探测器沿第一方向，下平板探测器沿第二方向，得到第二平移位置的最大允许采样角度为α2，最小允许采样角度为β2，控制第二平移距离δ2使得β2满足|β2|≤|α1|，一对平板探测器在最大允许采样角度与最小允许采样角度内对成像区域进行第二次连续角度采样，pet数据传输至计算机。

进一步，通过电机控制一对平板探测器在以上平移基础上继续以第一平移模式做水平错位直线平移运动，上平板探测器和下平板探测器的平移方向不变，重复上面的操作，在第i平移位置，即经过(i-1)次平移后平板探测器的平移距离为δi，第i平移位置的最大允许采样角度为αi，最小允许采样角度为βi，控制第i平移距离δi使得βi满足|βi|≤|αi-1|，以保证角度采样连续性，平移距离δi为相对于初始位置的第i平移位置的距离，一对平板探测器在最大与最小允许采样角度内对成像区域进行第i次连续角度采样，pet数据传输至计算机；直至经过(n-1)次平移后得到第n平移位置的最大允许采样角度为|αn|≥45°。

第i平移位置即经过(i-1)次平移后的最大允许采样角度为αi：

其中，l′＝l+2δi。

第i平移位置的最小允许采样角度为βi：

然后，执行第二平移模式，以初始位置即第一平移位置为起点，执行第二平移模式，即上平板探测器沿第二方向，下平板探测器沿第一方向，通过电机控制一对平板探测器再次分别沿相反方向水平错位直线平移，平移(n-1)次，一对平板探测器在每一次平移位置的最大与最小允许采样角度内对成像区域进行连续角度采样，pet数据传输至计算机，这样得到总的采样角度范围为≥90°；计算机对(2n-1)次pet数据进行预处理后，采用有限角重建的方法得到pet重建图像；n为≥2的自然数，i＝2,……,n。

第一方向和第二方向为平板探测器所在水平面内垂直于中心轴的直线方向，二者的方向相反，即第一方向为向左则第二方向为向右；反之，第一方向为向右则第二方向为向左。第一平移模式为上平板探测器沿第一方向，下平板探测器沿第二方向；第二平移模式为上平板探测器沿第二方向，下平板探测器沿第一方向。

本实用新型采用平移电机，平移电机能够带动一对平板探测器分别沿所在水平面内垂直于中心轴的方向做相反方向的水平错位直线平移，不需要有传统c型臂那样的旋转功能，成像样本位于一对平板探测器的中间，即等效旋转中心附近，通过水平平动错位采样，可使平板探测器的采集角度覆盖≥90°。平板探测器的平移运动定位精度可达到<0.5mm，而旋转机构达到0.5mm等中心精度，则需要昂贵复杂的转动机构；对应地，其角度精度可达到0.1°。

由于平板探测器造价昂贵，其长度和宽度有限，于是α1角度大小有限，2α1通常在50°以内；为保证图像较好地重建，连续角度采样角度覆盖应≥90°，即第n平移位置的最大允许采样角度为|αn|≥45°，第(2n-1)平移位置的最大允许采样角度为|α2n-1|≥45°，从而总的采样角度覆盖90°。

平板探测器的长度l大于fov的直径2r。

本实用新型的优点：

本实用新型采用一对平板探测器连接至平移电机，平移电机能够带动一对平板探测器分别沿相反方向做水平错位直线平移运动；使用有限面积的平板探测器获取到更多的连续的允许采样角度的投影数据，此采样覆盖角度宜大于90°，从而通过有限角重建，得到pet重建图像；本实用新型不需要有传统c型臂那样的旋转功能，摒弃了复杂价格昂贵且精度难以保证的旋转运动机构，而采用价格便宜且精度更高的平移电机，通过水平平动错位采样，使得平板探测器的连续采集角度覆盖≥90°，经过有限角重建得到高图像质量的成像样本的3d分子影像信息；平移精度高，平移运动定位精度达到<0.5mm，角度精度可达到0.1度。

附图说明

图1为本实用新型的平动的平板pet分子影像断层成像系统的一个实施例的初始位置的示意图；

图2为本实用新型的平动的平板pet分子影像断层成像系统的一个实施例的第二平移位置的示意图；

图3为本实用新型的平动的平板pet分子影像断层成像系统的一个实施例的第三平移位置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，本实施例的平板pet分子影像断层成像系统包括：成像托架、成像支架、一对平板探测器、平移电机和计算机；其中，成像样本位于成像托架上；一对平板探测器连接至平移电机；平移电机连接至计算机；一对平板探测器还连接至计算机；一对平板探测器分别安装在成像托架的上方和下方，圆柱形三维的成像区域fov位于一对平板探测器之间，一对平板探测器距成像区域的中心轴的距离相等；成像样本的中心轴位于成像区域的中心轴上，成像区域的中心轴平行于成像托架的轴向方向；平板探测器的长度方向垂直于中心轴，宽度方向平行于中心轴；平移电机能够带动一对平板探测器沿所在水平面内垂直于中心轴且沿平板探测器的长度方向分别做相反方向的水平错位直线平移运动。

如图1所示，一对平板探测器的允许采样角度由平板探测器的长度l、一对平板探测器之间的垂直距离d、fov的半径r和平板探测器的平移距离确定；在初始位置即第一平移位置，一对平板探测器相对放置，即第一平移距离δ1为0，最大允许采样角度为α1，一对平板探测器在最大允许采样角度内对成像区域进行第一次连续角度采样，pet数据传输至计算机。在本实施例中，l＝37.5cm，d＝40cm，r＝10cm；α1＝21.7°；平板探测器的宽度30cm，探测器像素个数为100×80，保证了直径20cm、厚度30cm的圆柱形三维的fov。

如图2所示，通过平移电机控制一对平板探测器分别沿相反方向水平错位直线平移，即上平板探测器向左平移15.63cm，下平板探测器向右平移15.63cm，即δ2＝15.63cm，得到第二平移位置的最大允许采样角度为α2，最小允许采样角度为β2，控制第二平移距离δ2使得β2满足角度连续性条件：β2≤α1＝21.7°，一对平板探测器在最大允许采样角度与最小允许采样角度内对成像区域进行第二次连续角度采样，pet数据传输至计算机。在本实施例中，α2＝45°，β2＝20.7°。

如图3所示，与前一次采样平移的相反方向对称平移，即在图1位置基础上，上平板探测器向右平移15.63cm，下平板探测器向左平移15.63cm，即δ3＝15.63cm，在本实施例中，α3＝-45°，β3＝-20.7°。

通过电机控制一对平板探测器再次分别沿相反方向水平错位直线平移，一对平板探测器在每一次平移位置的最大允许采样角度内对成像区域进行连续角度采样，pet数据传输至计算机，这样得到总的采样角度为90°。

本实施例中，通过两次平移，三个平移位置，连续采集角度增加到90°，本实用新型也可通过更多次的平移，可进一步扩大fov，获取更多的允许采样角度。

本实施例的平动的平板pet分子影像断层成像方法，包括以下步骤：

1)在初始位置即第一平移位置，一对平板探测器相对放置，即第一平移距离δ1为0，最大允许采样角度为α1＝21.7°，一对平板探测器在最大允许采样角度±α1内对成像区域进行第一次连续角度采样，pet数据传输至计算机，如图1所示；

2)通过电机控制一对平板探测器分别沿相反方向水平错位直线平移，即上平板探测器向左平移15.63cm，下平板探测器向右平移15.63cm，即δ2＝15.63cm，得到第二平移位置的最小允许采样角度为β2，控制第二平移距离δ2使得β2满足β2＝20.7°≤α1，最大允许采样角度为α2＝45°，一对平板探测器在最大允许采样角度与最小允许采样角度内对成像区域进行第二次连续角度采样，pet数据传输至计算机，如图2所示；

3)与前一次采样平移的相反方向对称平移，即上平板探测器向右平移15.63cm，下平板探测器向左平移15.63cm，即δ3＝15.63cm，β3＝-20.7°，满足|β3|＜|α1|，α3＝-45°，一对平板探测器最大允许采样角度与最小允许采样角度内对成像区域进行第三次连续角度采样，pet数据传输至计算机，这样得到总的采样角度为≥90°；

4)计算机对三次pet数据进行预处理包含必要的校正后，采用有限角重建的方法，经过基于表模数据(listmodedata)的期望最大化算法(expectationmaximum，em)、重建算法tof(timeofflight)和全变分最小化算法(totalvariation，tv)组合算法，得到pet重建图像；从而可显示成像样本内的目标点并直观三维定位目标点。

基于表模数据的em能更好适用于非完备数据的重建，tof重建可更好地利用pet-tof信息对缺失角度进行信息补偿，而tv算法有利于图像的去噪，特别是去除随迭代次数增多而出现的高频重建伪影，去噪的同时能很好的保留边缘信息。

针对本实用新型中涉及的缺角度数据的重建，也可用其他的缺角度数据的重建计算方法。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。