阅读说明：本技术 一种多核素的伽马成像系统与方法 (Multi-pixel gamma imaging system and method ) 是由 邓贞宙 陈冠东 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多核素伽马成像系统与方法,属于医学影像领域,包括多核素示踪剂注入模块、多核素闪烁晶体探测器模块、可配置电路模块、图像重建及成像模块。步骤上包括,S1：启动所述成像系统,设定该成像系统的采集时间,对成像对象注射<Sup>11</Sup>C、<Sup>13</Sup>N、<Sup>15</Sup>O、<Sup>18</Sup>F标记的化合物；S2：通过安置伽马探测器获得衰变事件发射伽马脉冲数据集；S3:硅光电倍增管输出电信号(闪烁脉冲)；S4:探测器进行时间甄别、能量甄别、数据采集和符合处理；S5:计算机以断层的方式显示出来图像。本发明公开的多核素伽马成像系统与方法能获得比现有技术更全面的数据,综合解析多分子事件及相关影响,降低对伽马光子总计数的需求,降低对生物体的辐照风险、提高了重建图像的信噪比。(The invention discloses a multi-nuclear element gamma imaging system and a method, which belong to the field of medical images. The method comprises the following steps of S1: starting the imaging system, setting the acquisition time of the imaging system, and injecting the imaging object 11 C、 13 N、 15 O、 18 A compound labeled with F; s2: obtaining a decay event emission gamma pulse data set by positioning a gamma detector; s3, outputting an electric signal (scintillation pulse) by a silicon photomultiplier; s4, carrying out time discrimination, energy discrimination, data acquisition and coincidence processing by the detector; s5, the computer displays the image in a fault mode. Compared with the prior art, the multi-core gamma imaging system and the method can obtain more comprehensive data, comprehensively analyze multi-molecular events and related influences, reduce the requirement on the total gamma photon counting, reduce the irradiation risk to organisms and improve the signal-to-noise ratio of reconstructed images.)

一种多核素的伽马成像系统与方法

技术领域

本发明涉及医学影像领域，尤其涉及一种多核素的伽马成像系统与方法。

背景技术

伽马或伽马射线(γ射线)成像技术及系统在生命科学或生物医学领域的众多方面(如基因学、遗传学等)研究中发挥着重要作用，尤其在精准医疗和靶向诊疗中，它是认识、诊断、治疗疾病以及新药物研发的重要手段或途径，不仅推动了分子生物学和分子医学的发展，而且促进了分子成像技术的进步。它利用放射性核素标记示踪分子参与生物体的生理代谢过程，在生物体外探测放射性核素发出的X射线或伽马光子并通过图像重建即可得到放射性核素的分布，从而以利用放射性元素示踪方法及非侵入式的手段观察生物体的器官代谢情况，获取疾病的诊断信息。伽马成像系统作为核医学影像技术重要的应用设备，在核医学影像领域，最为重要的伽马成像系统便是正电子发射断层成像仪 (PositronEmission Tomography,以下简称PET)。目前PET在临床上广泛应用于肿瘤、心脑血管疾病和神经退行性疾病的早期诊断、治疗方案制定、预后效果预测和药物疗效评估等方面。

PET的核心组件由很多个具备时间测量功能的伽马光子探测器模块以及相应的时间符合模块构成。PET的基本原理涉及电子准直技术，所利用的放射性核素为正电子核素。正电子核素放射出的正电子会在生物体内发生正负电子湮灭效应，产生一对能量为511keV、方向几乎相反的伽马光子。采用时间符合测量手段，即如果两个伽马光子探测器模块在一个很短的时间内(通常在几个纳秒) 分别探测到这两个能量为511keV的伽马光子，就能确定一条正电子湮灭的发生位置(近似为正电子核素发生衰变的位置)所在的响应线(Line of Response)。记录大量这样的响应线通过图像重建即可获得正电子湮灭发生位置的分布，即近似为正电子核素在生物体内的分布。由于正电子湮灭产生的一对伽马光子的发射方向是几乎相反的，因此只能确定正电子湮灭的发生位置在相应的响应线上，而不能确定正电子湮灭发生在相应响应线上的具***置。尽管可以通过飞行时间(Time-of-Flight)测量技术初步确定正电子湮灭发生在相应响应线上的位置范围，但这需要伽马光子探测器模块具备极高的时间分辨率。由于正电子湮灭在响应线上发生位置的不确定性，单一种类的正电子核素在生物体内分布重建图像的信噪比往往较低，影响诊断的效果。为提高图像信噪比通常需要累积大量的响应线，而这会使得病人摄入较大剂量的正电子核素，并增加辐照对病人的危害。

在所用正电子核素方面，目前，¹⁸F-FDG是最常用的正电子显像剂，是葡萄糖类似物，在体内被细胞摄取并在细胞内代谢的前期阶段与葡萄糖类似，通过细胞膜表面的葡萄糖转运蛋白(glucose transporter，Glut)转运至细胞内，然后在己糖激酶(hexokinase，HK)的作用下磷酸化生成¹⁸F-FDG-6-磷酸盐，后者既不能继续参与糖代谢反应又不能自由进出细胞膜而滞留在细胞内。但是单一的¹⁸F核素有如下缺点：一是由于葡萄糖是大脑等组织的主要能源物质，正常对18F高摄取，且18F是非特异性的正电子示踪剂，一、某些正常活跃组织(如大脑皮质)对18F呈高摄取，导致18F-FDG PET显像很难准确勾划脑肿瘤的边界及肿瘤组织浸润的范围；二、18F-FDG是非特异性示踪剂，摄取增高不只限于恶性肿瘤，一些良性病变如炎症等也可出现18F-FDG高摄取。18F核素在伽马成像系统上的这些缺点在某种程度上限制了18F-FDG PET显像在脑肿瘤分级诊断中的准确性。

现有的PET的伽马成像设备都为单核素成像系统，其所包含的信息比较单一，而生物体为复杂多分子体系，这些多分子核素之间存在各种不同形式和程度的耦合，所以急需，为生物研究、临床医疗提供更直接的肿瘤细胞内信息以及精确治疗指导。因此，针对上述技术问题，有必要针对单一种类核素伽马成像方法进行改良，设计一种新的成像系统来同时测量多个核素的伽马光子能量信息，所以有必要提出一种多核素的伽马成像系统及方法。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种多核素的伽马成像系统及方法，利用活体中不同组织或器官对不同标记化合物的吸收能力不同、同位素在体内的聚集浓度不同和核素湮灭反应产生光子的强度也不相同等特点，呈现出这些多分子的核素之间存在各种不同形式和程度的耦合联系，阐明各种耦合体关系。在物质结构PET分析领域，多核素伽马成像技术具有同时发射多个不同能量的闪烁脉冲信号的能力，从而真实反映出放射性药物在动物体内的空间分布，成为为生物体组织结构成像的有力工具。

为达此目的，根据本发明的一个方面，提供了一种多核素的伽马成像系统，包括多核素示踪剂注入模块、多核素闪烁晶体探测器模块、可配置电路模块、图像重建及成像模块，所述多核素示踪剂注入模块拥有可发出对应¹¹C、¹³N、¹⁵O、¹⁸F伽马光子射线的四个独立可控的通道，所述多核素闪烁晶体探测器模块由对应¹¹C、¹³N、¹⁵O、¹⁸F四种能量的核素的闪烁晶体探测器组成，由环形支架固定，并在圆心放置成像对象，所述多核素示踪剂注入模块连接所述多核素闪烁晶体探测器模块的四个符合处理模块，所述可配置电路模块通过2*20引脚接插件与所述多核素闪烁晶体探测器模块连接，所述图像重建及成像模块位于计算机平台，并通过千兆以太网线接收所述可配置电路模块发送的信息；

优选地，所述多核素闪烁晶体探测器模块通过闪烁晶体吸收伽马光子被阻挡产生的沉积能量并被激发到高能级，并以一定的发光衰减时间退激同时各向同性地形成闪烁光子；

优选地，所述多核素闪烁晶体探测器模块通过硅光电倍增管完成光电转换过程并最终形成输出电信号；

优选地，所述可配置电路模块通过其数字电子学系统数据采集和符合处理，并生成大量符合线；

优选地，所述可配置电路模块通过探测器的模拟电子学系统读取探测器采集到的信号，并进行时间甄别和能量甄别；

优选地，所述图像重建及成像模块对生成的符合线通过解析或迭代的方法中间湮灭事件发生在空间中的位置分布，并以断层的方式显示出来，并同步记录下时间信息，形成多核素的伽马成像；

优选地，所述图像重建及成像模块通过图像降噪模块，使基于contourlet 变换的图像自适应阈值提高图像信噪比；

根据本发明的另一方面，提供了一种多核素的伽马成像方法包括多核素的伽马成像系统；

优选地，包括以下步骤：

步骤S1、启动多核素注入模块系统，设定该成像系统的采集时间(小于对应放射性核素的半衰期)，同时设定时间符合模块4的时间窗宽度；依据所用伽马光子放射核素所放射的伽马光子能量设定伽马光子探测器5的能窗；设定用于多伽马光子符合事件有效性判断的长度阈值；

步骤S2：将以一定比例混合的¹¹C、¹³N、¹⁵O、¹⁸F正电子核素四种放射性多核素示踪剂注射到成像对象内；图像重建及成像系统根据所设定的工作时间判断成像过程是否继续工作；若不工作，则执行步骤S5；若继续，则执行步骤S3；

步骤S3：闪烁光子在晶体内输运到达耦合了光敏探测器件的晶体面并被硅光电倍增管完成光电转换过程并最终形成输出电信号(闪烁脉冲)；

步骤S4：探测器接收脉冲数据集及其他信号(因为混合了多种正电子核素，探测器能探测到多种对应能量)，探测器的模拟电子学系统读取探测器采集到的信号，并进行时间甄别和能量甄别，随后其数字电子学系统数据采集和符合处理(多核素的符合关系也会在此体现出来)，并生成大量的符合线；

步骤S5：当足够多的探测器对产生了数千万条符合线，对其通过解析(如滤波反投影法)或迭代(如ART,ML-EM算法)的方法重建湮灭事件发生的在空间中的位置分布，并以断层的方式显示出来，同时记录下同步的时间信息，就形成了多核素的伽马成像。为得到完美真实的图像，在高分辨率的基础上，创造性的应用感兴趣区(Region of interest,下称ROI)的构成模式，对图像进行影像增强。具体的，将感兴趣区域ROI设置a区和b区，两区的面积相等，像素相同，但形状可同可不同，设定凸显增强区(视为异常区)为ROIa区，视定常态区为ROIb区，并分别提取ROIa和ROIb的数据，将ROIa减去ROIb，再除以ROIa。这一步运算含义是常态图像数据(本底数据background date)在是为异常区中数据的比例。将此比例值乘以总图像数据(whole Date of imaging)，等于扣除本底后的图像，在叠加原图像，即得到影像增强(Imaging Strength-IS)，其完整式为

通过这一简单运算，可增强原图像显像效果，大幅降低图像中的噪声比(noise factor，简称NF)，提高成像仪的分辨率，图像小病灶的显像率(enhance image)；

步骤S5：随后将接收到的多核素伽马光子符合事件进行格式转换、校正、重组、图像重建、数据储存以及可视化显示，通过软件甄别得到生物体的代谢图与标记化合物在生物体内的空间分布图。

本发明的有益效果为：

该系统与方法能在正电子发射的过程中同时识别由多种核素(如¹¹C、¹³N、¹⁵O、¹⁸F)产生的的伽马光子对，有效地提升系统信噪比、成像时间分辨率和灵敏度。一方面，利用不同组织或器官对不同标记化合物的吸收能力不同，同位素在体内的聚集浓度不同，另一方面利用带有各自不同能量值的多分子核素之间的各种不同形式和程度的耦合，显现出多核素之间的符合关系，探测出来的位置、时间信息就更加完整，从而获得更加精确、全面的组织成像信息。所以，多核素伽马成像系统能获得比现有技术中单核素伽马成像系统更加直接全面的数据，综合解析肿瘤组织代谢中复杂的多分子事件及相关影响，降低了对伽马光子总计数的需求，降低了生物体组织的辐照风险。在PET成像等对成像要求很高的检测领域中具有广泛的实用价值。

附图说明

图1是本发明

具体实施方式

中提供的PET系统的流程图；

图2是本发明具体实施方式中提供的多核素伽马成像系统的结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的装置结构示意图；

图4是临床中常用的正电子核素的性质。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-图4所示，根据本发明的一个方面，本实施例中提供的了一种多核素的伽马成像系统，包括多核素示踪剂注入模块100、多核素闪烁晶体探测器模块200、可配置电路模块300、图像重建及成像模块400，多核素示踪剂注入模块100拥有可发出对应¹¹C、¹³N、¹⁵O、¹⁸F伽马光子射线的四个独立可控的通道，多核素闪烁晶体探测器模块200由对应¹¹C、¹³N、¹⁵O、¹⁸F四种能量的核素的探测器组成，由环形支架固定，并在圆心放置成像对象，多核素示踪剂注入模块100 连接多核素闪烁晶体探测器模块200的四个符合处理模块，可配置电路模块通过2*20引脚接插件与多核素闪烁晶体探测器模块200连接，接收多核素闪烁晶体探测器模块200发送来的闪烁脉冲信号，随后经过采集、运算、符合处理输出带有时间、位置、能量信息的数据包和符合线，图像重建及成像模块400在计算机平台上完成，通过千兆以太网线接收接收可配置电路模块发送的带有时间、位置、能量信息的数据包和符合线信息，随后将接收到的数据进行格式转换、校正、重组、图像重建、数据储存以及可视化显示，多核素示踪剂注入模块100，输出给多核素闪烁晶体探测器模块200，用于注射¹¹C、¹³N、¹⁵O、¹⁸F核素与组织内电子发生湮灭并发出对应四种伽马光子伽马光子射线，多核素示踪剂注入模块100包括¹⁸F核素示踪剂调配模块110、¹⁵O核素示踪剂调配模块120、¹³N核素示踪剂调配模块130和¹¹C核素示踪剂调配模块140，¹⁸F核素示踪剂调配模块110 输出给¹⁸F核素符合处理模块210，用于在通道产生¹⁸F核素并使之湮灭产生 511keV伽马光子射线，¹⁵O核素示踪剂调配模块110输出给¹⁵O核素符合处理模块220，用于在通道产生¹⁵O核素并使之湮灭产生1738keV伽马光子射线，¹³N核素示踪剂调配模块110输出给¹³N核素符合处理模块230，用于在通道产生¹³N核素并使之湮灭产生1197keV伽马光子射线，¹¹C核素示踪剂调配模块110输出给¹¹C核素符合处理模块240，用于在通道产生¹⁸F核素并使之湮灭产生959keV伽马光子射线。

进一步地，多核素闪烁晶体探测器模块200，输入为多核素示踪剂注入模块 100，输出为可配置电路模块300，其用于将伽马光子吸收并转化为闪烁光子，通过硅光电倍增管完成光电转换过程并最终形成输出电信号，即闪烁脉冲，其中，¹⁸F核素符合处理模块210、¹⁵O核素符合处理模块220、¹³N核素符合处理模块230和¹¹C核素符合处理模块240一起输出给光电倍增管模块250，¹⁸F核素符合处理模块210，包括闪烁晶体模块211和信号激发功放模块212，用于吸收对应伽马光子并形成对应闪烁光子，输出给光电倍增管250模块，闪烁晶体模块 211输出给信号激发功放模块212，闪烁晶体模块211用于吸收伽马光子被阻挡产生的511keV能量并被激发到高能级，信号激发功放模块212用于以一定的发光衰减时间退激同时各向同性地将信号放大形成闪烁光子，随后输出给光电倍增管模块处理，其中¹⁵O核素符合处理模块220，包括闪烁晶体模块221和信号激发功放模块222，用于吸收对应伽马光子并形成对应闪烁光子，输出给光电倍增管250模块，闪烁晶体模块221输出给信号激发功放模块222，闪烁晶体模块 221用于吸收伽马光子被阻挡产生的1738keV能量并被激发到高能级，信号激发功放模块222用于以一定的发光衰减时间退激同时各向同性地将信号放大形成闪烁光子，随后输出给光电倍增管模块处理，其中¹³N核素符合处理模块230，包括闪烁晶体模块231和信号激发功放模块232，用于吸收对应伽马光子并形成对应闪烁光子，输出给光电倍增管250模块，其中，闪烁晶体模块231输出给信号激发功放模块232，闪烁晶体模块231用于吸收伽马光子被阻挡产生的 1197keV能量并被激发到高能级，信号激发功放模块232用于以一定的发光衰减时间退激同时各向同性地将信号放大形成闪烁光子，随后输出给光电倍增管模块处理。其中¹¹C核素符合处理模块240，包括闪烁晶体模块241和信号激发功放模块242，用于吸收对应伽马光子并形成对应闪烁光子，输出给光电倍增管 250模块，闪烁晶体模块241输出给信号激发功放模块242，闪烁晶体模块241 用于吸收伽马光子被阻挡产生的959keV能量并被激发到高能级，信号激发功放模块242用于以一定的发光衰减时间退激同时各向同性地将信号放大形成闪烁光子，随后输出给光电倍增管模块处理，光电倍增管模块250，分别输出给ADC 处理模块和MVT数据处理模块，用于将闪烁光子输运到达耦合并完成光电转换过程并最终形成输出电信号，即闪烁脉冲。

可配置电路模块300，由多核素闪烁晶体探测器200输入，输出给图像重建及成像模块，包括ADC处理模块310、MVT处理模块320和FPGA处理器模块330，其用于接收脉冲数据集及其他信号(因为混合了多种正电子核素，探测器能探测到多种对应能量)，读取探测器采集到的信号并进行时间甄别和能量甄别，随后对闪烁脉冲进行数据采集和符合处理(多核素的符合关系也会在此体现出来)，并生成大量的符合线，ADC处理模块310输入为光电倍增管模块250，输出给FPGA处理器模块330，其用于将光电倍增管传输来的闪烁脉冲信号进行运算放大处理，然后将其数字信号进行数模转换并进行采样，获得能量信息和位置信息并发送给FPGA模块，MVT处理模块320，输入为光电倍增管模块250，输出给FPGA处理器模块330，其用于对光电倍增管模块输出的打拿极信号进行基于MVT方法的数字化采样，并将采样数据发送至FPGA模块，FPGA处理器模块 330，输入分别为ADC处理模块310和MVT处理模块320，输出至信号采集模块410，其将接收的闪烁脉冲信号进行符合处理(多核素的符合关系也会在此体现出来)，并生成相应的符合线，同时对MVT传来的采样信息进行处理测量时间间隔得到闪烁脉冲时间信息，另一方面，FPGA模块还接收来自ADC板的采样数据，并从中获取闪烁脉冲位置信息和能量信息，并通过以太网将时间信息、位置信息、能量信息打包成UDP数据包发送给电脑的图像重建系统处理。

图像重建及成像模块400，由信号采集模块410、图像重建模块420、图像降噪模块430、图像后处理及显示模块440和图像数据库模块450组成，信号采集模块410输出给图像重建模块420，再分别输出给图像降噪模块430和图像数据库模块450，最后图像降噪模块430输出给图像后处理及显示模块并由其输出给图像数据库模块450备份保存，其用于将接收到的数据进行格式转换、校正、重组、图像重建、数据储存以及可视化显示，通过软件甄别得到生物体的代谢图与标记化合物在生物体内的空间分布图，信号采集模块410用于解析UDP内的时间信息、位置信息、能量信息并采集足够多的探测器产生的数千万条符合线，并将信号发送至所述图像重建模块，图像重建模块420用于通过解析(如滤波反投影法)或迭代(如ART,ML-EM算法)的方法重建湮灭事件发生的在空间中的位置分布，同时记录下同步的时间信息，图像降噪模块430，用于通过基于 contourlet变换的图像自适应阈值提高图像信噪比从而降噪，图象显示模块440 将降噪后的位置分布以断层的方式进行可视化显示，就形成了多核素的伽马成像，最后通过软件甄别得到生物体的代谢图与标记化合物在生物体内的空间分布图，图像数据库模块450由图像重建模块420和图象显示模块440输入，用于存储备份经过所述图像重建模块和所述图像后处理及显示模块处理的图像数据。

本发明的系统利用活体中不同组织或器官对不同标记化合物的吸收能力不同、同位素在体内的聚集浓度不同和核素湮灭反应产生光子的强度也不相同等特点，呈现出这些多分子的核素之间存在各种不同形式和程度的耦合联系，阐明各种耦合体关系。在物质结构PET分析领域，多核素伽马成像技术具有同时发射多个不同能量的闪烁脉冲信号的能力，从而真实反映出放射性药物在动物体内的空间分布，成为为生物体组织结构成像的有力工具。

根据本发明的一个方面，本实施例中提供的了一种多核素的伽马成像方法，包括以下步骤：

步骤S1：启动多核素注入模块系统，设定该成像系统的采集时间(小于对应放射性核素的半衰期)，同时设定时间符合模块4的时间窗宽度；依据所用伽马光子放射核素所放射的伽马光子能量设定伽马光子探测器5的能窗；设定用于多伽马光子符合事件有效性判断的长度阈值；

步骤S2：将以一定比例混合的¹¹C、¹³N、¹⁵O、¹⁸F正电子核素四种放射性多核素示踪剂注射到成像对象内；图像重建及成像系统根据所设定的工作时间判断成像过程是否继续工作；若不工作，则执行步骤S5；若继续，则执行步骤S3；

步骤S3：闪烁光子在晶体内输运到达耦合了光敏探测器件的晶体面并被硅光电倍增管完成光电转换过程并最终形成输出电信号(闪烁脉冲)；

步骤S4：探测器接收脉冲数据集及其他信号(因为混合了多种正电子核素，探测器能探测到多种对应能量)，探测器的模拟电子学系统读取探测器采集到的信号，并进行时间甄别和能量甄别，随后其数字电子学系统数据采集和符合处理(多核素的符合关系也会在此体现出来)，并生成大量的符合线；

步骤S5：当足够多的探测器对产生了数千万条符合线，对其通过解析(如滤波反投影法)或迭代(如ART,ML-EM算法)的方法重建湮灭事件发生的在空间中的位置分布，并以断层的方式显示出来，同时记录下同步的时间信息，就形成了多核素的伽马成像。为得到完美真实的图像，在高分辨率的基础上，创造性的应用感兴趣区(Region of interest,下称ROI)的构成模式，对图像进行影像增强。具体的，将感兴趣区域ROI设置a区和b区，两区的面积相等，像素相同，但形状可同可不同，设定凸显增强区(视为异常区)为ROIa区，视定常态区为ROIb区，并分别提取ROIa和ROIb的数据，将ROIa减去ROIb，再除以ROIa。这一步运算含义是常态图像数据(本底数据background date)在是为异常区中数据的比例。将此比例值乘以总图像数据(whole Date of imaging)，等于扣除本底后的图像，在叠加原图像，即得到影像增强(Imaging Strength-IS)，其完整式为

通过这一简单运算，可增强原图像显像效果，大幅降低图像中的噪声比(noise factor，简称NF)，提高成像仪的分辨率，图像小病灶的显像率(enhance image)；

步骤S5：随后将接收到的多核素伽马光子符合事件进行格式转换、校正、重组、图像重建、数据储存以及可视化显示，通过软件甄别得到生物体的代谢图与标记化合物在生物体内的空间分布图。

以上所述，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。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。