一种评估SPECT针孔准直器性能的测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及生物医学成像领域，具体涉及一种用于评估SPECT针孔准直器性能的测试装 置及其测试方法。

背景技术

单光子发射计算机断层成像技术(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT) 是采用放射性核素示踪技术，通过探测生物体内某些器官摄入的放射性同位素药物发射出的 射线得到投影数据，再将得到的投影数据重建为断层图像，进而获得待测物体内的特定分子 的分布情况和代谢信息。小动物SPECT显像可以准确反映放射核素标记的药物在小动物体内 摄取、代谢的动态过程，监控治疗方法对疾病的干涉效果。此外，由于SPECT显像可以在同 一小动物模型上进行连续的纵向研究，因此可排除因动物个体差异而造成的误差，并可以将 实验结果直接类推至临床，对人类新药的研制和开发具有重要的意义。近年来，随着可检测 不同分子生物学过程的SPECT探针的出现，使小动物SPECT在针对心脏和大脑等重要器官的 无创检测、肿瘤生物学等方面有了广泛的应用前景。

灵敏度和空间分辨率是衡量SPECT探测器性能的两个重要参数。灵敏度表征SPECT在给 定活度下（低活度下）单位时间内探测到的有效计数的能力，空间分辨率则表征SPECT系统 分辨重建图像中两个相邻点源的能力。由于实验动物的体积远小于人类，小动物SPECT成 像要求探测器具有更高的灵敏度与空间分辨率，这也是未来小动物SPECT发展的主要方向 之一。目前，小动物SPECT的高空间分辨率（可达1mm以下）可以通过利用针孔准直器（针 孔放大成像）或是固有分辨率较高的探测器来获得，而针孔准直器比起昂贵的高分辨率探测 器来更经济，同时多针孔的准直器在提高空间分辨率的同时可以兼顾探测效率，弥补了单针 孔准直器探测效率过低的缺点。荷兰Utrecht大学研制出了U-SPECT-II小动物SPECT原型机使 用了环形排布的75个小孔准直器，空间分辨率达到了0.3mm。美国Mediso公司生产的NanoScan  SPECT/CT也采用了多针孔准直器，可对活体小鼠或大鼠全身SPECT成像，达到了“亚毫米级” 的空间分辨率，在局部区域甚至可以实现0.2mm的空间分辨率。由此可见，在小动物SPECT 的研发中，针孔准直器的应用对提高小动物SPECT显像的空间分辨率是至关重要的，针对针 孔准直器的性能评估方法也非常具有现实意义。

与正电子发射断层成像技术(Positron Emission Tomography，PET)不同，目前针对小动物 SPECT仪器性能评估没有统一标准。2002年，美国杜克大学S.D.Metzler教授提出了用理论 模型来拟合针孔准直器的分辨率和灵敏度（《Analytic Determination of the Pinhole Collimator’s  Point-Spread Function and RMS Resolution With Penetration》[IEEE TRANSACTIONS ON  MEDICAL IMAGING,VOL.21,NO.8,AUGUST2002]）。但在实际应用中存在的机械误差会 造成放射源的离轴偏移，在图像中形成伪影。因此，这种理论计算存在较大的局限性。美国 电气制造商协会（National Electrical Manufactures Association，NEMA）建议结合NEMA2012 NU-1（针对临床SPECT的性能评估标准）与NEMA2008NU-4（针对小动物PET性能评估 标准）来对小动物SPECT进行性能评估。但是目前的针孔测试平台空间移动自由度不足，不 能满足物距、焦距、放大倍数连续调节的需求，很难完成NEMA测试标准中对针孔准直器的 各项测试。

其次，目前传统的针孔准直器测试平台不能精确的实现对放射源的定位，不能反映准直器 对空间某γ射线源的响应。考虑到γ射线的穿透性很强，即使准直器使用高密度的屏蔽材料， 射线也会穿透针孔的边缘，从而在图像中产生伪影。因此，在实际应用中必须用点放射源、 线放射源、面放射源对针孔进行中心视野或是偏轴的测试，研究放射源在准直器边缘穿透对 图像所造成的影响，才能从根本上减少图像伪影。

最后，对于多针孔准直器的测试包括不同形状针孔对图像采样率的影响，但是目前的测 试装置采用直接替换针孔准直器的方法。由于准直器的材料为高密度金属，加工难度较大、 周期较长，如果经常替换，造成了资源的浪费。

发明内容

本发明提供了一种改进型的针孔准直器测试装置，具备多自由度调节等特点，克服了上 述问题。

本发明的一个目的在于提供一种用于评估SPECT针孔准直器性能的测试装置。

本发明的SPECT针孔准直器性能测试装置包括：SPECT探测器、平移台、针孔准直器、 转动台、三维调节台、底座和数据采集系统；其中，平移台固定在底座的一端，SPECT探测 器设置在平移台上；三维调节台固定在底座的另一端，放射源放置在三维调节台上；在底座 上的平移台与三维调节台之间固定转动台，针孔准直器设置在转动台上；放射源、针孔准直 器和SPECT探测器的中心位于同一条轴线上，转动台在垂直于针孔轴线的平面内旋转，带动 针孔准直器在垂直于轴线的平面内转动；SPECT探测器连接至数据采集系统。

SPECT探测器固定在平移台上，探测器为半导体探测器阵列。针孔准直器安装在SPECT 探测器与探测区域之间，由可屏蔽γ射线的高密度材料构成。注射至待测体内的放射源采用 单光子示踪剂，单光子示踪剂发出γ射线，这些γ射线经过针孔准直器之后由半导体（如碲 锌镉、碲化镉）探测器接收，直接将γ射线转化为电信号，最后通过数据线连接至数据采集 系统。

放射源通过针孔在探测器上成像。放射源放置在三维调节台上，可以调整放射源的位置， 以达到与针孔准直器和SPECT探测器的中心共轴。调整平移台，调节SPECT探测器与针孔 探测器之间的距离，以调节像距；配合三维调节台调节放射源与针孔准直器之间的距离，以 调节物距，从而可以控制针孔准直器的成像放大率。转动台调节针孔准直器在垂直与针孔轴 线的平面内旋转，从而可以检测针孔准直器的采样率，并通过三维调节台调节放射源的位置， 来检测在空间不同位置对放射源的响应（灵敏度）。

本发明的另一个目的在于提供一种用于评估SPECT针孔准直器性能测试方法。

本发明的SPECT针孔准直器性能测试方法，包括以下步骤：

步骤一、共轴几何校正：

a）在转动台上更换一个孔径较大的针孔，然后在三维调节台上放置一个十字对准器，通过 调节三维调节台，使得十字对准器的中心与针孔的中心共轴；

b）将放射源放置在粗调的十字准直器的中心，将待测的针孔准直器安装在转动台上，针 孔准直器的中心与针孔的中心重合，记录探测器的中心的γ光子计数，微调平移台的旋钮， 使得中心的计数达到最大，从而实现放射源、针孔准直器和SPECT探测器的中心位于同 一条轴线上；

步骤二、确定视野范围（Field of View,FOV）：

探测器安装在了平移台上，通过调节平移台在水平方向上连续运动，调节针孔准直器和探 测器之间的距离，以调节像距u，配合三维调节台调节放射源与针孔准直器之间的距离， 以调节物距v，实现对针孔成像放大倍数的连续调节，放大倍数M，视野范围为 其中，S为探测器的面积；

步骤三、针孔性能测试：

a）对于单针孔准直器，放射源在中心点的位置，记录探测器收集的数据，得到单针孔准 直器在中心位置处的点扩展函数（即单针孔准直器的分辨率）；通过三维调节台在水平 面内的调节以及在竖直方向的调节，放射源偏离中心点在三维方向上移动，放射源偏 离中心点的距离在视野范围内，收集数据，得到点放射源在视野范围内的计数率曲线，

从而得到单针孔准直器对于空间任意一点放射源的灵敏度；

b）对于多针孔准直器，通过调节转动台，使得针孔准直器在垂直轴向的平面内旋转，收 集数据，即可以得到放射源针对不同针孔排列的点扩展函数，从而得到多针孔准直器 的采样率。

本发明的优点：

本发明采用平移台和转动台，一方面实现了像距和物距的连续调节；另一方面能够控制影响 研究可复现性和可定量性的变量，例如：光学平台在微小范围内的平整度变化，不同机械固 定件所累积的机械误差，针孔平面的旋转等不确定性因素，提高了几何校正和射线探测的精 确度。其次，本发明的大部分装置和机械部件无需定制，可以利用常用的机械零部件进行组 装调试，不同的形状或孔径的针孔也可以直接通过螺栓固定的方法固定在准直器上，操作简 单，经济性好。

附图说明

图1为本发明的SPECT针孔准直器性能测试装置的结构示意图；

图2为本发明的SPECT针孔准直器性能测试装置的SPECT探测器安装在平移台上的结构示 意图，其中，（A）为主视图，（B）为侧视图，（C）为俯视图；

图3为本发明的SPECT针孔准直器性能测试装置的三维调节台的结构示意图，其中，（A） 为主视图，（B）为侧视图，（C）为俯视图；

图4为本发明的SPECT针孔准直器性能测试装置的针孔的示意图，其中，（A）为针孔成像 的原理图，（B）为针孔的形状的示意图，（C）为针孔平面旋转的示意图；

图5为本发明的SPECT针孔准直器性能测试装置中旋转多针孔准直器增加数据采样率的示意 图；

图6为本发明的SPECT针孔准直器性能测试装置的针孔准直器与十字对准器几何校正的示意 图，其中，（A）为放射源、针孔准直器和SPECT探测器的中心位于同一条轴线上的示意图， （B）为三维调节台上放置一个十字对准器的示意图，（C）为十字对准器的中心与针孔的中 心的共轴的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例的SPECT针孔准直器性能测试装置包括：SPECT探测器1、平移 台2、针孔准直器3、转动台4、三维调节台5、底座6和数据采集系统；其中平移台2固定 在底座6的一端，SPECT探测器1设置在平移台2上；三维调节台5固定在底座6的另一端， 放射源放置在三维调节台5上；在底座上的平移台2与三维调节台5之间固定转动台4，针 孔准直器3设置在转动台4上；放射源、针孔准直器和SPECT探测器的中心位于同一条轴线 上，转动台在垂直于轴线的平面内旋转，带动针孔准直器在垂直于轴线的平面内转动；SPECT 探测器连接至数据采集系统。轴线位于X轴，底座位于XY平面，针孔准直器和SPECT探 测器位于YZ平面，转动台4带动针孔准直器在YZ平面内转动。待测体采用实验模体。底 座6采用光学平台。转动台4采用角位台。

如图2所示，平移台2包括L型的直角固定块201、平移板203和旋转螺杆204；其中， SPECT探测器1通过L型的直角固定块201固定在平移板203上；旋转螺杆204连接平移板 203的一端；通过旋转螺杆204，平移板203可以在水平面上沿X轴向实现连续运动，达到 调节针孔准直器3和探测器1之间的距离，从而调节像距，实现对针孔放大倍数的连续调节。

如图3所示，三维调节台5包括载物台501、旋转台502、水平调节板503和竖直调节板 504；其中，水平调节板503安装在底座6上，可以实现在XY平面的移动；竖直调节板504 安装在水平调节板503上，可以实现在Z轴方向的移动；旋转台502安装在竖直调节板504 上，旋转台可以绕Z轴实现360°旋转；载物台501安装在旋转台502上；内部入射有放射 源的实验模体505放置在载物台501内；旋转台连接至电机，电机带动旋转台转动。载物台 501为内径在50mm以下的空心圆筒，采用低密度材料，用来放置小动物或者实验模体。待 测的放射源入射至实验模体505内放置在三维调节台上，可以借助电机转动采集不同方向的 断层信息，也可以静止放置采集一个方向的投影信息。

放射源通过针孔准直器3成像在SPECT探测器1上，形成小孔成像，成像的原理如图4 （A）所示。针孔准直器3可采用多种不同形状的针孔形式，包括圆锥形、棱锥形等规则形 状以及斜孔形式中的一种，如图4（B）所示。多针孔准直器3在平面内旋转，如图4（C） 所示，收集数据，可以得到放射源针对不同针孔排列的点扩展函数，从而得到多针孔准直器 的采样率。

图5（A）为四针孔准直器的未旋转的示意图，图5（B）为四针孔准直器旋转后的示意 图，如图所示，多针孔准直器旋转后增加了数据采样率。

本实施例的SPECT针孔准直器性能测试方法，包括以下步骤：

步骤一、共轴几何校正：

a）由于待测的针孔准直器的孔径很小（小于1mm），因此在转动台上更换一个孔径较大的 针孔（例如孔径为3mm或者是5mm），针孔的中心与针孔准直器的中心重合，然后在三维 调节台上放置一个十字对准器，如图6（B）所示，通过调节三维调节台，沿着针孔面看过 去，使得十字对准器的中心通过针孔的中心，从而实现十字对准器的中心与针孔的中心的 共轴，如图6（C）所示；

b）将放射源放置在粗调的十字准直器的中心，并将待测的针孔准直器安装在转动台上， 针孔准直器的中心与针孔的中心重合，记录探测器的中心的γ光子计数，微调平移台的旋 钮，使得中心的计数达到最大（一般情况下，单个像素的计数达到80以上，就能满足测 试的信噪比要求），从而实现放射源、针孔准直器和SPECT探测器的中心位于同一条轴线 上，如图6（A）所示；

步骤二、确定视野范围（Field of View,FOV）：

探测器安装在了平移台上，通过调节平移台在水平方向上连续运动，调节针孔准直器和探 测器之间的距离，即像距u，实现对针孔放大倍数的连续调节，放大倍数M，其 中v是放射源到针孔准直器之间的距离，即物距，视野范围为其中，S为探测 器的面积；

步骤三、针孔性能测试：

a）对于单针孔准直器，放射源在中心点的位置，记录探测器收集的数据，得到单针孔准 直器在中心位置处的点扩展函数（即针孔准直器的分辨率）；通过三维调节台在水平面 （XY）内的调节以及在竖直方向（Z轴）的调节，放射源偏离中心点在三维方向上移 动，放射源偏离中心点的距离在视野范围内，收集数据，得到点放射源在视野范围FOV 内的计数率曲线，从而得到单针孔准直器对于空间任意一点放射源的灵敏度；

b）对于多针孔准直器，如图4中所示的四针孔准直器，通过调节转动台，使得针孔准直 器在垂直轴向的（YZ）平面内旋转，收集数据，即可以得到放射源针对不同针孔排列 的点扩展函数，从而得到多针孔准直器的采样率。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技 术人员可以理解：在不脱离本发明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，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求 书界定的范围为准。