用于增强对至少一种示踪剂在患者的身体部位内的精确位置的确定的装置和相应方法

摘要

本发明涉及一种用于通过高分辨率和高灵敏度探测技术同时监测患者的身体部位的方法和装置，所述探测技术探测由示踪剂发射的辐射。本发明的目标是一种用于增强对至少一种示踪剂在患者的身体部位内的精确位置的确定的装置，所述装置包括第一对高分辨率探测器相对探测器以及第二对高灵敏度探测器和可移动的相对探测器，并且所述装置被配置成基于来自所述第一对相对探测器的信号，基于粗略位置确定所述第二对相对探测器的位置，并且基于来自所述第二对相对探测器的信号确定所述示踪剂的精细位置，从而允许以高空间分辨率和高灵敏度确定示踪剂的位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过高分辨率和高灵敏度探测技术同时监测患者的多个身体部位的方法和装置，所述探测技术探测由示踪剂例如通过正电子发射断层扫描(PET)发射的辐射。

根据本发明的装置和方法可以优选地用于核医学领域，特别是用于确定注射到患者体内的示踪剂的位置。

相关技术

正电子发射断层扫描(PET)作为患者身体的功能成像方式具有很高的临床潜力。本文中，全身的同步图像特别有前景，因为器官之间会相互作用。本文中，将例如放射性造影剂的一种或多种示踪剂注射到患者体内。这些示踪剂对可能位于患者身体的较远部位的某些细胞具有更高亲和力。

放射性示踪剂发射正电子，在一定范围之后，正电子与患者身体的电子一起湮灭。在湮灭后，发射一对背靠背的光子并且这些光子最终离开患者身体。两个相对的探测器探测光子对。对于闪烁体晶体，光子与探测器有一定可能性会发生相互作用，这取决于探测器的密度和原子序数。最佳信号需要高光输出和短衰减时间。对于例如高阻性平板探测器(RPCs)的气体探测器，除了相互作用的可能性之外，还存在从电阻材料中提取电子的可能性。两者之间的折衷对于最佳信号是可取的。

基于闪烁体的系统是离散的，所述系统采用以一对一的方式连接至光电倍增管(PMTs)的像素化晶体的形式，或采用由多个PMTs读出的单片晶体的形式。基于RPC的系统是连续的，因为撞击位置由读出通道之间的装入量和撞击的相互作用深度确定。后一种探测器基本上是无视差的，因此在空间分辨率方面表现更好。前一种探测器在灵敏度方面表现更好。

这两个概念针对具有大轴向视场(AFOV)的PET系统提出。这样的系统能够在单次扫描中以更高的灵敏度对全身进行成像。这可以减少注射到患者体内的剂量、减少总采集时间以及在示踪剂穿过患者身体时实时跟踪示踪剂。

具有大AFOV的基于闪烁体的系统相当昂贵，总成本随着探测器数量的增加呈线性增长。基于RPC的系统对于此类目的更具成本效益，因为它们旨在覆盖大面积。然而，与基于闪烁体的系统相比，这些系统的灵敏度很小。

另一方面，闪烁体晶体在大接受角下的空间分辨率较差，因为相互作用深度对于光子斜撞探测器起着重要作用。然而，它们比RPCs更灵活并且可以采用不同的几何形状，以便光子垂直撞击它们，从而减少视差效应并提高空间分辨率。

US 9632187 B2公开用于PET套件的系统和方法。探测器套件可以包括台架、多个PET探测器模块和事件处理装置。PET探测器模块可以包括外壳。此外壳可以包括连接元件，所述连接元件被配置成将PET探测器模块可拆卸地和可调整地耦合至台架。探测器模块包括位于外壳内的一个晶体和被配置成通过晶体探测光的一个光探测器。探测器模块还包括通信组件，所述通信组件被配置成将数据从至少一个光探测器传送到事件处理装置，以基于接收到的数据确定同时发生的事件。此公开还涉及一种用于通过连接元件调整PET探测器模块相对于第一台架的位置以及使PET探测器模块相对于第一台架解耦合的方法。所述方法还包括将PET探测器模块耦合至第二台架。

WO 2012/087171 A1公开一种用于以飞行时间和在单床位置中的全身扫描进行PET的装置以及对应读出方法。装置包括至少四个探测器模块，所述探测器模块围绕装置轴线放置，从而形成多边形。模块包括作为伽马光子探测器的高阻性平板探测器(RPCs)。这种装置还包括耦合至模块内部的装置两端的电子读出装置。此公开还涉及读出方法。

保罗马丁斯(Paulo Martins)在2014年科英布拉大学的博士论文“RPC-PET中的成像技术”描述用于小动物的PET成像的装置。此装置包括RPC探测器和读出系统。所述论文还描述一种确定在探测器中伽马光子撞击的精确位置的方法。还提出一种用图形处理单元重构全身图像的方法。所述重构方法包括用于拒绝人体中的散射事件的基于飞行时间的方法。临床相关的重构时间得到证实。

本发明提供一种具有成本效益的解决方案，所述解决方案还允许以高空间分辨率和高灵敏度确定示踪剂在患者体内的位置。

发明内容

所述问题由此通过用于确定示踪剂在患者体内的位置的装置和方法以及包括用于执行根据独立权利要求的主题所述的方法的可执行指令的计算机程序产品来解决。在从属权利要求中公开本发明的优选实施方案，所述实施方案可以以孤立的方式或以任意组合来实现。

如在本说明书中所使用，术语“包括”或其语法变体将被视为指定所述特征、整数、步骤或组件或其群组的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或其群组。这同样适用于术语“具有”或其语法变体，其用作术语“包含”的同义词。

根据本发明的方面，提供一种用于增强对至少一个示踪剂在患者体内(或具体来说，身体部位内)的精确位置的确定的装置。

装置可以包括：第一对相对探测器，第一对中的相对探测器由高分辨率探测器组成；以及第二对相对探测器，第二对中的相对探测器由高灵敏度探测器组成并且是可移动的。

在另一方面，装置可以被配置成：

a)从第一对相对探测器获得一个或多个第一信号，所述一个或多个第一信号包括对应于由示踪剂发射的辐射的频谱信息，

b)基于一个或多个第一信号确定示踪剂的粗略位置，

c)基于所确定的粗略位置定位第二对相对探测器，

d)从第二对相对探测器获得一个或多个第二信号，所述一个或多个第二信号包括对应于由示踪剂发射的辐射的电磁频谱信息，

e)基于一个或多个第二信号确定示踪剂的精确位置。

因此，用于确定示踪剂在身体部位内的位置的装置可以优选地用于对患者的身体部位的功能进行成像，其中患者的身体部位包括肿瘤组织。在本文中，肿瘤组织可以包括可能已经通过癌症引入患者组织中的肿瘤修饰物。

当与现有技术解决方案相比时，使用第一对相对探测器来确定粗略位置，并基于此粗略位置定位第二对相对探测器并由此确定精细位置使得探测器(具体来说，提供高灵敏度的探测器)的数目减少。

替代地或另外，用于确定示踪剂在患者身体内的位置的装置还可以用于使同时从两个身体部位获得的图像相关，所述图像对应于从相对探测器对获得的信号。

如上文所指示，本发明用于在注射示踪剂之后对患者的身体进行扫描的情况。如本文所使用，术语“示踪剂”是指放射性造影剂，例如18F-氟代脱氧葡萄糖(FDG)。

根据本发明，装置包括至少两对相对探测器。术语“相对探测器”是指患者身体位于其间的彼此面对的探测器。

根据本发明，所述装置包括具有高空间分辨率的探测器和具有高灵敏度的探测器。如本文所使用，探测器被指定用于确定由患者身体湮灭正电子所产生的伽马辐射。如本文所使用，术语“探测器”是指被指定用于从入射伽马辐射生成可测量信号的设备。出于此目的，可测量信号可以优选地选自电信号，特别是电压或电流。具体来说，探测器元件可以选自以下项中的至少两个：高阻性平板探测器(RPCs)、微图案气体探测器(MPGDs)、快速定时MPGD(FTMs)、气体电子倍增器(GEMs)、光电倍增管(PMTs)、固态单光子敏感装置(硅光电倍增管；SiPMs)、位置传感光电倍增管(PSPMTs)、雪崩光电二极管(APDs)、电荷耦合装置(CCDs)、互补金属氧化物半导体(CMOS)，或量子图像传感器(QIS)芯片。然而，其他种类的探测器元件也是可行的。特别优选的是，相对探测器具有相同的类型和种类，以便增加各个探测器之间的测量信号的可比性。

优选地，第一对中的相对探测器是连续探测器，并且第二对中的相对探测器是离散探测器。

在优选实施方案中，装置可以包括至少一对第一相对探测器和/或至少一对第二相对探测器。更优选地，二、四、八、十二、十六、二十或更多对第一相对探测器和第二相对探测器。在本文中，每一对探测器相对于彼此间隔开，并且因此它们离患者身体越近，就能够以越高的空间分辨率进行确定。

另外，装置还可以包括评估装置。如通常所使用，术语“评估装置”涉及被指定用于确定所获得的第一和第二信号的设备，所述第一和第二信号包括关于伽马辐射的信息，所述伽马辐射已经由第一和第二对相对探测器获得，并且具体来说可以基于由第一和第二对相对探测器提供给评估装置的可测量信号。出于此目的，可以提供基于导线的连接，或替代地或另外，可以提供在第一和第二对相对探测器与评估装置之间的无线连接。

根据本发明的评估装置可以尤其设计用于确定示踪剂在患者体内的位置，其中这种类型的信息可以基于由至少两个探测器提供给评估装置的可测量信号。出于此目的，评估装置可以包括快速模数转换器，所述快速模数转换器优选地具有10ns、更优选地4ns、更优选1ns或更低的采样率。在本文中，快速模数转换器可以优选地选自以下项中的至少一个：快闪模数转换器(FADC)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、万用模块欧罗卡(VME)数字化仪、时间读出板(TRB)或示波器。然而，也可设想其他类型的快速模数转换器。

另外，评估装置还可以包括时钟，用于将时间戳分配给每个探测器信号并且提供探测器信号的时间同步，所述时钟优选地具有纳秒级或皮秒级精度，更优选地具有100ps或更低的精度。

另外，评估装置还可以包括用于监测运动(例如对象运动)的运动传感器。运动传感器可以包括监测生理参数，例如心脏和呼吸运动。

在本发明的另一方面中，提供一种用于增强对示踪剂在患者的身体部位内的精确位置的确定的方法，所述示踪剂发射辐射。

根据本发明的方法包括至少以下步骤，然而，其中还可以执行额外步骤。在优选实施方案中，可以按顺序方法执行所指示步骤，然而，其中后续步骤可以至少部分地与前一步骤同时执行。在替代地优选的实施方案中，可以通过组合顺序方法和集成方法以集成方法或混合方法执行所述步骤，具体来说以用于最小化执行本发明方法所需的时间和/或存储空间。另外，还可以执行此处未指示的其他步骤。

应了解，本发明的方法在本发明的任一实施方案中由本发明的装置实现，所述方法包括以下步骤：

a)获得依次从第一对相对探测器获得的一个或多个第一信号，所述一个或多个第一信号包括对应于由示踪剂发射的辐射的频谱信息，

b)基于一个或多个第一信号确定示踪剂的粗略位置，

c)基于所确定的粗略位置定位第二对相对探测器，

d)从第二对相对探测器获得一个或多个第二信号，所述一个或多个第二信号包括对应于由示踪剂发射的辐射的电磁频谱信息，

e)基于一个或多个第二信号，确定示踪剂的精确位置。

由此，此方法规定，基于从第一对相对探测器获得的信号确定粗略位置，并且基于此粗略位置定位第二对相对探测器且由此确定精确位置，从而当与现有技术解决方案相比时减少探测器(具体来说，提供高灵敏度的探测器)的数目。

本发明的另一目标是计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于在本发明的任一实施方案中执行本发明的方法的可执行指令。

附图说明

本发明的其它可选细节和特征可以优选地结合从属权利要求从优选实施方案的后续描述中得出。其中，相应特征可以以孤立的方式或以任意组合实现。本发明不限于优选实施方案。图中相同的附图标记指代相同的元件，或具有相同或相似功能的元件，或在其功能方面彼此对应的元件。

图1以侧视图示出根据本发明的用于确定示踪剂在患者体内的位置的装置的优选实施方案，其中装置包括具有高空间分辨率的两个相对的平板探测器和具有高灵敏度的两个可调适的相对探测器。

图2进一步以透视图示出用于确定示踪剂在患者体内的位置的装置的优选实施方案，其中平行的高分辨率探测器是固定的，并且高灵敏度探测器借助于机械单元在轴向和水平和垂直横轴方向上移动到感兴趣区域，并且可以以某种方式围绕穿过示踪剂的轴线定位，使得伽马射线垂直于所述高灵敏度探测器的正面撞击它们。装置还包括沿着穿过示踪剂的粗略位置的径向轴的致动器，使得第二对相对探测器到示踪剂的粗略位置的距离最小化。所述装置还可以采用一种配置，其中整个装置旋转±90度，其中高分辨率探测器位于患者平台的下方和上方，并且高灵敏度探测器横向地移动到患者。

图3以透视图示出用于确定示踪剂在患者体内的位置的装置的另一优选实施方案，其中装置包括可以用于对身体的一个区域(例如，大脑)进行成像的一对探测器以及用于对身体的另一区域(例如，骨盆)进行成像的另一对探测器；

图4以透视图示出用于确定示踪剂在患者体内的位置的装置的另一优选实施方案，其中装置包括覆盖整个身体并且能够跟踪示踪剂在体内的位置的一对探测器。一旦确定感兴趣区域，高灵敏度探测器就会移动到这些区域，以便获取大量统计数据。

图5A和图5B进一步以侧视图示出用于确定示踪剂在图2的患者体内的位置的方法的优选实施方案，其中高灵敏度探测器在图5A和图5B之间移动，以根据由平行的高分辨率探测器提供的感兴趣区域调整空间分辨率。

具体实施方式

在本发明的装置(110)的实施方案中，第一对(116)中的相对探测器是固定的。

在本发明的装置的另一方面中，所述装置还包括患者平台(124)，所述患者平台(124)适合于接纳躺下的患者，并且第一对相对探测器和第二对相对探测器定位成能够探测由躺在患者平台(124)中的患者(114)的身体部位(112)内的示踪剂发射的辐射(123)。

在本发明的装置的有利实施方案中，第二对中的相对探测器至少围绕平行于患者平台(124)的旋转轴(126)和或垂直于患者平台(124)的平面可移动。

在本发明的装置的另一有利方面中，第一对相对探测器(116)和第二对相对探测器(118)定位成使得垂直于患者平台(124)的平面与第一对相对探测器(116)和第二对相对探测器(118)相交，由此允许探测器之间的增强对准。

在本发明的装置的另一方面中，第一对相对探测器(116)和第二对相对探测器(118)定位成使得覆盖整个患者平台(124)，由此能够跟踪示踪剂在患者(114)的整个身体内的位置。

在优选实施方案中，本发明的装置包括沿着患者平台(124)定位的多个第一对相对探测器(116)和沿着患者平台(124)定位的多个第二对相对探测器(118)，由此允许通过沿着患者平台(124)、优选地整个患者平台(124)覆盖患者(114)的整个身体。

在本发明的装置的实施方案中，每个第一对相对探测器(116)对应于单个第二对相对探测器(118)。

在本发明的装置的有利实施方案中，每个第一对相对探测器(116)对应于多于一个第二对相对探测器(118)，每个第一对(118)具有一定长度，使得其覆盖患者平台(124)中沿着相同平面对应于多于一个第二对相对探测器(116)的区段。这种解决方案允许减少第一对相对探测器(116)的数目，从而利用这种高分辨率探测器的连续条件。

在本发明的装置的实施方案中，第一对相对探测器(116)和第二对相对探测器(118)由正电子发射断层扫描探测器组成。

在本发明的装置的有利方面中，所述装置还包括评估装置(128)，所述评估装置由计算装置(129)组成，所述评估装置(128)被配置成根据步骤c)确定粗略位置(121)并且根据步骤e)确定精确位置。

在本发明的装置的方面中，所述装置还包括机械单元(130)，所述机械单元(130)被配置成移动并由此定位第二对相对探测器(118)。评估装置(128)优选地还被配置成向机械单元(130)提供粗略位置(121)，以移动并由此定位第二对相对探测器(118)。评估装置(128)还可以包括运动传感器，此类传感器还被配置成向机械单元(130)提供患者运动，以移动并由此以与患者运动同步的方式移动第二对相对探测器(118)。

在本发明的装置的另一有利方面中，所述装置还包括与第一对相对探测器(116)相关联的第一通信模块(132)以及与第二对相对探测器(118)相关联的第二通信模块(134)，每个通信模块被配置成分别将一个或多个第一信号(120)和一个或多个第二信号(122)传输到评估装置(128)，所述通信模块任选地被配置成通过有线或无线通信操作。

在本发明的方法的创造性方面中，步骤a)包括确定在水平横轴方向(133)上的探测器间隙(136)，其中在第一对相对探测器(116)中探测到辐射，并且由此步骤b)包括确定由示踪剂发射的辐射撞击第一对相对探测器(116)的轴向(131)和水平(133)和垂直(140)横轴方向的粗略位置(121)。闪烁体探测器的一个缺点是没有相互作用深度(DOI)。除了基于在两层或三层中组织的多晶体的复杂解决方案和允许在单片闪烁体中测量在横轴方向上撞击的粗略位置的算法之外，闪烁体探测器无法提供关于横轴方向的信息。此外，入射光子越倾斜，在多于一个探测器中沉积能量的可能性就越高。这就是所谓的视差效应。由于大多数探测器的间距较小(0.25mm-6mm)，但厚度较大(1mm-30mm)，因此光子穿过多个晶体的机会越高，光子进入探测器的入射角就越大。

在本发明的方法的另一创造性方面，第二探测器的步骤c)的定位使得探测器沿着轴向(131)和水平(133)和垂直(140)横轴方向可移动。

在本发明的方法的另一创造性方面，步骤e)包括确定在第一对(116)的每个探测器处由示踪剂发射的辐射与辐射到达时间之间的时间差，并且用低统计飞行时间重构例程重构一个或多个第二信号。光子到达相对探测器的时间的时间差(也称为飞行时间(TOF))将两个探测器之间的所谓响应线(LOR)限制为一条线段。因此，TOF与加速重构例程和增加信噪比有关。

在本发明的方法的方面中，步骤c)的定位使得第二对相对探测器(118)中的探测器相对于穿过示踪剂的粗略位置(121)的旋转轴(126)定位，使得示踪剂发射的辐射垂直于此类探测器的正面(135)撞击第二对相对探测器中的探测器。以高分辨率和高灵敏度垂直撞击探测器的事件将提供测量示踪剂中的真实活动的更可靠方式，因为仅会探测到从示踪剂发出的活动。

在方法的另一方面中，步骤c)的定位使得第二对相对探测器(118)中的探测器借助于致动器(144)沿着穿过示踪剂的粗略位置(121)的径向轴(146)定位，使得最小化第二对相对探测器(118)到示踪剂的粗略位置(121)的距离并且增加第二对相对探测器(118)的灵敏度。

在实施方案中，步骤e)包括基于示踪剂的所确定粗略位置(121)用最大后验概率(MAP)估计算法重构一个或多个第二信号。使用PET-MR来利用由MRI提供的解剖结构的精确位置的先验知识，并在PET图像重构中对其进行建模。这就是所谓的最大后验概率(MAP)估计。MAP可以用于根据经验数据获得观测量的点估计。它类似于最大似然(MLEM)算法，但采用优化目标，所述优化目标包含超过想要估计的数量的先验分布。它被视为MLEM的正则化。到目前为止，MAP尚未用于基于先前PET分布的PET数据。它主要与先前的MRI分布一起使用。优点是不需要MRI，因为高分辨率探测器已经提供先验知识。所述过程可以迭代进行，其中来自高分辨率探测器和高灵敏度探测器的PET分布交替地相互馈送。

在本发明的方法的另一创造性方面中，允许使从患者(114)的至少两个身体部位(112)获得的信号相关，它还包括使示踪剂在患者(114)的至少两个身体部位(112)处的位置相关，此相关性包括：

-在身体的一个区域内的摄取时间段期间确定示踪剂在给定时间点的精确位置，

-在身体的另一个区域内的摄取时间段期间确定示踪剂在相同时间点的精确位置，

-在预定义的时间段期间测量两个区域中的标准摄取值，以及

提取两个区域中的摄取之间的时间相关性。

一个相关联优点是在身体的不同部位同时对示踪剂及其动力学(随时间的活动)进行空间跟踪。量化技术需要采血作为与大脑、心脏、肿瘤等的活动相关的输入。因此，本发明的目标是同时评估示踪剂在身体的不同部位的位置和动力学。一种或几种示踪剂可能呈现不同的动力学，在一些器官中比在其他器官中具有更高的摄取时间。这可以在单次扫描中量化，而无需移动患者，也无需采血来估计体内的真实活动。肿瘤的代谢可以用FDG成像，而心脏的心肌灌注用

在本发明的方法的有利方面中，所述方法还包括使示踪剂在患者(114)的整个身体内的位置相关，此相关性包括：

-在患者(114)的整个身体内的摄取时间段期间确定示踪剂在给定时间点的精确位置，

-测量在整个身体中和在感兴趣区域中的摄取，以及

-使整个身体中和感兴趣区域中的标准摄取值相关。

一些肿瘤不会被探测到，因为正常的程序是从眼睛到大腿对身体进行成像以减少扫描时间。大脑、腿和脚通常不扫描。然而，这些区域中肿瘤的检测提供对疾病进展的评估。黑色素瘤在腿部的转移肿瘤将改变分期和治疗过程。如果一个人可以通过负担得起的全身扫描在意料之外的区域中发现肿瘤，则第二对探测器可以确认并增强所述肿瘤的精确位置。

此外，身体的某个部位的意外活动可能会触发第二对探测器移动到所述区域。假设我们想要评估一个人的性反应，身体的不同部位可能会获得更高的摄取，例如心脏、大脑和骨盆区域等。全身扫描将确定感兴趣的区域，并且可以将对所述区域具有亲和力的特定示踪剂与对全身代谢具有亲和力的示踪剂(例如，FDG)相关。

在实施方案中，患者可以实时看到其身体的功能，从而模仿其他神经反馈疗法。

其他修改和变化对于本领域技术人员也将是显而易见的。