骨扫描准直器及其设计方法和装置与流程

1.本公开涉及单光子发射断层成像技术领域，具体涉及一种骨扫描准直器及其设计方法和装置。


背景技术：

2.单光子发射断层成像(single photon emission computed tomography,spect)是核医学影像的主要技术手段之一，通过探测人体内放射性药物发射出来的γ光子进行无创的三维功能性成像，能够实现疾病的早期诊断、分期和预后评估。spect在癌症筛查方面可以实现早发现早治疗，对于减小癌症死亡率，提升人民健康水平有重大意义。全国核医学普查结果显示，2020年spect的年检查数有250多万例，主要的检查部位包括：骨骼系统(约158.6万例，占比63.1％)，内分泌系统(约40.07万例，占比15.9％)，泌尿系统(约29.47万例，占比11.7％)，循环系统(约10.45万例，占比4.2％)，消化系统(约4.75万例，占比1.9％)等。骨骼系统的检查在当今中国spect检查中占比最大，具有十分重要的地位。
3.骨骼系统检查一般指骨扫描检查，是针对全身性骨骼进行的一种核医学影像检查，可以有效地诊断各种原发性或继发性骨肿瘤。临床spect骨扫描的常规采集流程为：1)给患者的静脉注射15～25mci 99mtc-mdp显像剂(剂量依据体重调整)，并让患者在两小时内饮用500ml到1000ml水；2)让患者排空尿液减轻膀胱内的液体对显像的影响；3)待静脉注射2h～5h后，患者躺在扫描床上进行采集数据；4)对采集到的数据进行图像重建，得到影像。最后进行多床位的数据采集，实现全身视野的骨成像。
4.目前临床spect骨扫描采用低能通用型平行孔准直器，图像分辨率约15mm，探测灵敏度约为105cpm/uci(count per minute,cpm)。为了保证图像质量，需要探测到足够计数的γ光子，这使得通常spect骨扫描检查时间较长。一方面，病人的舒适度下降，期间不由自主的运动也会造成图像伪影；另一方面，临床spect的扫描效率下降。提高spect系统的探测灵敏度，能够在保证图像质量的同时，显著降低骨扫描采集时间，从而提升病人舒适度，降低潜在的运动伪影，提高临床扫描效率和经济效益，具有十分重要的临床应用价值。影响spect系统的探测灵敏度的重要部件是平行孔准直器，通过合理的设计准直器的尺寸参数，包括厚度、孔径和孔厚，获得不同的系统性能组合。
5.在已有的核相关准直器设计方法的技术中，都需要用到蒙卡模拟做反复尝试，即通过蒙卡模拟一种参数做性能评估，根据结果进行调整再评估。但是蒙卡模拟是一种非常耗时的模拟方法，且每次模拟之后，图像重建计算分辨率也非常耗时。如果将多种可能的参数设计依次进行线性模拟，将会耗费大量时间，设计效率低。


技术实现要素：

6.本公开旨在至少解决上述技术问题之一。
7.为此，本公开第一方面实施例提供的可有效缩短临床骨扫描成像时间的骨扫描准直器的设计方法，包括：
8.建立核医学影像系统模型和骨扫描准直器形状排布模型；
9.设定多种与核医学影像系统的成像性能相关的骨扫描准直器的参数组合，计算所述核医学影像系统模型的探测效率和有效粒子比例，所述有效粒子比例是通过蒙特卡洛方法对所述核医学影像系统模型进行单点源模拟，计算单点源投影和整个探测平面包含的粒子数量的比例；
10.挑选出所述有效粒子比例大于第一设定值的骨扫描准直器的参数组合；
11.对挑选出的参数组合对应的核医学影像系统模型再进行热圆柱模拟，根据热圆柱模拟结果，将探测效率最高的参数组合作为骨扫描准直器的最终参数。
12.本公开第一方面实施例提供的骨扫描准直器的设计方法，具有以下特点及有益效果：
13.本公开第一方面实施例提供的骨扫描准直器的设计方法通过两步筛选的方法，可以实现多种参数的并行优化，并通过定义的有效例子比例，作为分辨率的大致估计，节约计算分辨率时间。本公开既保证了骨扫描准直器的成像质量，又保证了骨扫描准直器的高探测效率，可促进spect进行全身骨显像的临床应用。
14.在一些实施例中，所述核医学影像系统选用spect系统。
15.在一些实施例中，与核医学影像系统的成像性能相关的骨扫描准直器的参数包括骨扫描准直器的排布、材料和几何尺寸。
16.在一些实施例中，所述骨扫描准直器以六边形蜂巢状排布；所述骨扫描准直器的几何尺寸包括骨扫描准直器的厚度、孔径和孔壁厚，以等差数列的方式设定若干组骨扫描准直器的厚度、若干组骨扫描准直器的孔径和若干组骨扫描准直器的孔壁厚，并结合骨扫描准直器的排布和材料以排列组合的方式得到多种不同的所述参数组合。
17.在一些实施例中，按照下式计算所述探测效率：
[0018][0019]
式中，η为所述核医学影像系统模型的探测效率，n为被整个探测器平面探测到的粒子数量，n为所述核医学影像系统模型中含有的探测器数量，t为所述核医学影像系统模型的模拟运行时间，ac为放射源的活度。
[0020]
在一些实施例中，按照下式计算所述有效粒子比例：
[0021][0022]
式中，r
eff
为所述核医学影像系统模型的有效粒子比例；voxels
点
表示以投影点为中心的第一体块的体积；voxels
总
表示以整个探测器平面作为底、并与所述第一体块等高的第二体块的体积；var
点
和var
总
分别表示所述第一体块和所述第二体块内粒子数量的均值。
[0023]
在一些实施例中，设所述第一体块的长、宽、高分别为x,y,z，x*y取1
×
1，2
×
2或3
×
3的大小，1,2,3均指像素值，z的取值根据投影维度设定，当z取1时，表示对二维投影进行计算，当z取其他整数时，表示投影图像数。
[0024]
在一些实施例中，所述第一设定值为25％～35％。
[0025]
本公开第二方面实施例提供的骨扫描准直器的设计装置，包括：
[0026]
第一模块，用于建立核医学影像系统模型和骨扫描准直器形状排布模型；
[0027]
第二模块，用于设定多种与核医学影像系统的成像性能相关的骨扫描准直器的参数组合，计算所述核医学影像系统模型的探测效率和有效粒子比例，所述有效粒子比例是通过蒙特卡洛方法对所述核医学影像系统模型进行单点源模拟，计算单点源投影和整个探测平面包含的粒子数量的比例；
[0028]
第三模块，用于挑选出所述有效粒子比例大于第一设定值的骨扫描准直器的参数组合；
[0029]
第四模块，用于对挑选出的参数组合对应的核医学影像系统模型再进行热圆柱模拟，根据热圆柱模拟结果，将探测效率最高的参数组合作为骨扫描准直器的最终参数。
[0030]
本公开第三方面实施例提供的骨扫描准直器，所述骨扫描准直器的参数是利用本公开第一方面中任一实施例提供的设计方法得到。
[0031]
在一些实施例中，所述骨扫描准直器的孔径为1.22mm，厚度为25mm，孔壁厚为0.16mm。
附图说明
[0032]
本技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0033]
图1是本公开实施例提供的骨扫描准直器的设计方法的流程图。
[0034]
图2是根据本公开实施例提供的设计方法设计得到的准直器孔的排布图。
具体实施方式
[0035]
下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
[0036]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0037]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0038]
参照下面的描述和附图，将清楚本技术的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本技术的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本技术的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本技术的实施例的范围不受此限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0039]
参见图1，本公开第一方面实施例提供的骨扫描准直器的设计方法，包括：
[0040]
1)建立核医学影像系统模型和骨扫描准直器形状排布模型；
[0041]
2)设定多种与核医学影像系统的成像性能相关的骨扫描准直器的参数组合，利用蒙特卡洛方法模拟单点源，计算核医学影像系统模型的探测效率和有效粒子比例，所述有效粒子比例是通过蒙特卡洛方法对核医学影像系统模型进行单点源模拟，计算单点源投影和整个探测平面包含的粒子数量的比例；
[0042]
3)挑选出有效粒子比例大于第一设定值的骨扫描准直器的参数组合；
[0043]
4)对挑选出的参数组合对应的核医学影像系统模型再进行热圆柱模拟，根据热圆柱模拟结果，将探测效率最高的参数组合作为骨扫描准直器的最终参数。
[0044]
在一些实施例中，步骤1)的具体实现过程如下：
[0045]
选用临床上常用的双探头spect系统(在一个实施例中，选用北京永新医疗有限公司开发的型号为imagine net632的双探头spect系统)作为模拟对象，使用模拟软件gate(geant4 application for tomographic emission)构建该spect系统模型，具体包括设定spect系统中探测器的尺寸、材料、摆放位置和物理效应(如康普顿散射，衰减等)等参数。
[0046]
骨扫描准直器形状排布模型同样也是通过模拟软件gate进行设定，其中，准直器孔的排布为六边形蜂巢排布，参见图2。
[0047]
在一些实施例中，步骤2)的具体实现过程如下：
[0048]
由于本公开实施例主要针对市面上已有spect系统的准直器部分进行改进，因此，选择参数的方法是以市面上普通准直器的参数(包括骨扫描准直器的排布、材料和几何尺寸，几何尺寸包括骨扫描准直器的厚度、孔径和孔壁厚)为基础，以等差数列的方式设定若干组厚度、若干组孔径和若干组孔壁厚，并结合骨扫描准直器的排布和材料以排列组合的方式得到多种不同的参数组合。
[0049]
使用上述gate软件对spect系统模型进行理想点源模拟，计算spect系统模型的探测效率和有效粒子比例。
[0050]
进一步地，步骤2)中，按照下式计算spect系统模型的探测效率：
[0051][0052]
式中，η为spect系统模型的探测效率，n为被整个探测器平面探测到的粒子数量，n为spect系统模型中含有的探测器数量，t为spect系统模型的模拟运行时间，ac为放射源的活度(单位为bq)。
[0053]
进一步地，步骤2)中，通过有效粒子比例来估计骨扫描准直器的空间分辨率，有效粒子比例越高，则说明骨扫描准直器的空间分辨率越高。具体地，按照下式计算有效粒子比例：
[0054][0055]
式中，r
eff
为有效粒子比例，是对单点源进行模拟，计算单点源投影和整个探测平面包含的粒子数量的比例；voxels
点
表示以投影点为中心的第一体块的体积，设该第一体块的长、宽、高分别为x,y,z，x*y一般取1
×
1，2
×
2，3
×
3的大小，1,2,3均指像素值，本实施例中选取x*y为3
×
3，z的取值根据投影维度设定，当z取1时，表示对二维投影进行计算，当z取其他整数时，表示投影图像数；voxels
总
表示以整个探测器平面作为底、与第一体块等高的
第二体块的体积，即voxels
总
＝整个探测器平面的面积*z，本实施例中，整个探测器平面的面积为128
×
128；var
点
和var
总
分别表示第一体块和第二体块内粒子数量的均值，可利用amide(本领域通用软件)软件直接得到，无需手动计算，因此操作复杂性很低；voxels
点
×
var
点
表示第一体块内的粒子总数，voxels
总
×
var
总
表示第二体块内的粒子总数。
[0056]
在理想情况下，一个点源在探测器上的投影应该依然是一个点，且位置在过该点且垂直于探测器平面的直线与探测器的交点处(以下称为投影点)，且探测器上其他部分没有投影点计数。但在实际情况下，一个点源在探测器上的投影是以投影点为中心，往周围扩散一定范围的图像，且整个探测器上其他部分均有少量投影点计数。但是其他部分投影点计数的多少可以反应图像分辨率的大小：在其他部分投影点计数越少，则说明越接近理想情况，骨扫描准直器的空间分辨率越高。本公开实施例通过集中程度来描述上述现象，集中程度越高，则说明骨扫描准直器的空间分辨率越高，而有效粒子比例则是计算集中程度的量。
[0057]
在一些实施例中，步骤3)中，根据骨扫描准直器所需达到的空间分辨率设定第一设定值为25％～35％，在本实施例中设为30％。
[0058]
在一些实施例中，步骤4)的具体实现过程如下：
[0059]
在步骤3)挑选出一定数量的参数组合后，对这些参数组合对应的核医学影像系统模型进行热圆柱模拟。以能分辨目标大小的热圆柱(本实施例中，为保证一定的分辨率，以能分辨大小为5.5mm的热圆柱为目标)，且探测效率最高(探测效率得到优化)的参数组合作为骨扫描准直器的最终参数。
[0060]
本公开第二方面实施例提供的骨扫描准直器的设计装置，包括：
[0061]
第一模块，用于建立核医学影像系统模型和骨扫描准直器形状排布模型；
[0062]
第二模块，用于设定多种与核医学影像系统的成像性能相关的骨扫描准直器的参数组合，计算所述核医学影像系统模型的探测效率和有效粒子比例，所述有效粒子比例是通过蒙特卡洛方法对所述核医学影像系统模型进行单点源模拟，计算单点源投影和整个探测平面包含的粒子数量的比例；
[0063]
第三模块，用于挑选出所述有效粒子比例大于第一设定值的骨扫描准直器的参数组合；
[0064]
第四模块，用于对挑选出的参数组合对应的核医学影像系统模型再进行热圆柱模拟，根据热圆柱模拟结果，将探测效率最高的参数组合作为骨扫描准直器的最终参数。
[0065]
图2是根据本公开一个实施例的一种骨扫描准直器的设计方法设计得到的骨扫描准直器的孔的排布图。如图2所示，排布方式为六边形蜂巢状排布，具体参数如下：
[0066]
排布方式为六边形蜂巢状排布；
[0067]
选用材料为铅；
[0068]
几何参数的孔径为1.22mm，厚度为25mm，孔壁厚为0.16mm。
[0069]
上述参数按照以下步骤设计得到：
[0070]
1)以北京永新医疗有限公司开发的型号为imaginenet632的双探头spect系统为基础，使用模拟软件gate建立核医学影像系统模型和骨扫描准直器形状排布模型，其中，骨扫描准直器的材料选定为铅、排布形状选定为六边形蜂巢状；
[0071]
2)以孔径1.5mm、孔壁厚0.2mm、厚度35mm为基础，利用等差数列的方式设定若干组
厚度、若干组孔径和若干组孔厚，设定75组不同的骨扫描准直器的参数组合；
[0072]
3)计算探测效率和挑选出有效粒子比例大于30％的骨扫描准直器的参数组合，共挑选出34组参数。
[0073]
4)对挑选出的参数组合对应的核医学影像系统模型再进行热圆柱模拟，根据热圆柱模拟结果挑选最终设计参数，得到骨扫描准直器的几何参数为孔径1.22mm，厚度25mm，孔壁厚0.16mm，探测效率可达到177cpm/μci，优于市场上已有平行孔准直器的探测效率(105cpm/μci)。
[0074]
根据本公开实施例的设计可以有效缩短临床骨扫描成像时间。具体地，本实施例经过两步筛选法，第一步筛选：对骨扫描准直器的多种参数组合同时进行蒙特卡洛模拟，并计算探测效率和有效粒子比例。筛选出探测效率和有效粒子比例符合要求的参数组合。第二步筛选：对挑选出的参数组合再进行热圆柱模拟，根据热圆柱模拟结果挑选最终设计参数。由于蒙特卡洛模拟是一件耗时较长的工作(按天数计算时间)，若一次仅模拟一种参数组合，则会延长设计时间(按月计算)，使得图像重建和计算较准确的分辨率有一定的操作复杂性。本公开实施例将多种参数组合同时进行蒙特卡洛模拟，定义为并行优化。这种并行优化的方法可以大幅度减少蒙特卡洛模拟的耗时，因为对于多核的超级计算机，模拟一组和模拟多组数据主要体现在使用的核数不同，不会影响单个数据模拟速度。其次，探测效率和有效粒子比例都是无需图像重建即可计算出的性能指标，其中有效粒子比例可以作为分辨率的大致估计，因此可以有效减少操作的复杂性。本公开实施例提供的设计方法可以快速(耗时上)、方便(操作复杂性上)地设计出适合的骨扫描准直器，设计得到的骨扫描准直器可以在保证成像质量的前提下，具有高探测效率的特点，可促进spect进行全身骨显像的临床应用。
[0075]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0076]
尽管已经示出和描述了本技术的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本技术的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本技术的范围由权利要求及其等同限定。