CN103403580A - 用于3维辐射成像应用的交织的多孔准直仪 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于三维辐射成像应用的交织的多孔准直仪。该准直仪包括准直仪主体，该准直仪主体包括以二维格栅的形式设置的多个孔。该准直仪主体被配置为吸收和准直所述准直仪的视场内的从辐射源发射的辐射束。准直仪主体具有最靠近辐射源设置的表平面。二维格栅被选择性地分成至少第一组和第二组的孔，其分别限定要被成像的对象的第一视域和第二视域。第一组孔通过交织或交替格栅的行来形成，第二组孔由与第一组的行相邻的孔的行形成。第一组中的每一个孔相对于所述准直仪主体的表平面以第一取向角布置，第二组中的孔相对于所述准直仪主体的表平面以第二取向角布置，从而使得第一组的孔与第二组的孔交织。

Description

用于3维辐射成像应用的交织的多孔准直仪
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.119(e)要求于2009年4月1日提交的美国临时申请No.61/165,653的权益，该临时申请的内容全部并入本文中。
政府许可权利的声明
本发明是在美国能源部颁发的合同号DE-AC02-98CH10886的政府支持下作出的。美国政府在本发明中会拥有一定的权利。
技术领域
本发明涉及辐射成像的领域。特别地，本发明涉及用于3维辐射成像应用的交织的多孔准直仪(multi-aperture collimator)。
背景技术
X射线和伽玛射线检测器的改进给辐射成像应用的潜力带来革命性的发展。辐射成像应用的范围可以遍及从天文学到国家安全和核医学应用等。例如，伽玛照相机已经被广泛地应用于核医学成像，以通过定位人体内部的异常组织(例如，癌组织)来诊断疾病。
通常，核医学成像使用在20-1500keV范围内的辐射发射器，因为即使辐射是在患者体内深处产生的，在这些能量下的大部分的发射的射线也具有足够的穿透性以传输通过患者。使用一个或多个检测器来检测从成像对象的特定部位发射的辐射，并处理从(一个或多个)检测器收集的信息，以计算在研究的人体器官或组织内发射的辐射的起源的位置。通常用于核医学成像中的放射性示踪剂在所有的方向上发射辐射。由于当前通过使用传统的光学元件不可能聚焦非常短的波长的辐射，因此在核医学成像中使用了准直仪。准直仪是辐射吸收装置，其置于闪烁晶体或固态检测器之前，以便只允许与特定设计的孔对准的辐射穿过并到达检测器。通过这种方式，准直仪将来自成像对象的特定部位的辐射引导到检测器的特定区域上。在大多数的应用中，准直仪的选择代表了灵敏度(记录的辐射的量)、分辨率(从对象到检测器的辐射的特定射线的轨迹是如何被分辨的)和视域的尺寸(要被成像的对象的最大尺寸)的折中。
图1A示出传统辐射成像系统100的例子。辐射成像系统100包括辐射检测装置40，该辐射检测装置40经由通信网络50耦合到信号处理单元60，然后耦合到图像分析和显示单元70。辐射检测装置40包括准直仪42和检测器模块45。准直仪42由辐射吸收材料(通常是铅，但是可以包括诸如钨或金的其它吸收材料)制成，并且包括多个紧密布置的孔A，例如，平行孔或针孔。检测器模块45与准直仪42平行地布置，并且包括多个辐射检测器元件44。辐射检测器元件44按照一维或二维阵列的方式布置在安装架板46的顶部。准直仪42中的孔A的轴垂直于辐射检测器模块45的表平面，并且经常这样设计和放置，从而使得每一个孔A与每一个辐射检测器元件44相应地对准。在某些情况下，孔可能不会与每一个检测器元件精确地对准。例如，可能有多个孔与单个检测器元件垂直地对准，或者单个孔可以与多个检测器元件垂直地对准。在其他情况下，可以有蜂巢状准直仪集合体，其与检测器元件的布置垂直地、但以相互不精确地匹配的方式放置。在上述每一种情况中，选择孔相对于检测器元件的垂直取向，以有利地最大化辐射检测装置的视域。
在图1A的传统成像系统中，成像系统100允许放置在距离辐射检测装置预定距离p处的对象20被成像。在某些布置中，对象20可以放置在辐射源(未示出)和辐射检测装置40之间的位置。对感兴趣的主体(对象20)施用示踪剂分子中化学地包含的放射性同位素。聚集在目标区域10(例如，损坏的组织)的放射性同位素衰变并发射具有特征能量的辐射束30。发射的辐射束30横过对象20，并且，如果例如没有被身体组织吸收或散射，那么辐射束30沿着直线轨迹离开对象20。准直仪42阻挡/吸收与孔A的轴不平行的辐射束。与孔A平行的辐射束30由辐射检测模块45的辐射检测器元件44检测。在检测器模块45处检测到的辐射以已知的方式经由通信网络50传输到信号处理单元60。信号处理单元60处理对应于检测到的辐射的信息并将其数字化地发送至图像分析和显示单元70。使用成像系统100拍得的结果图像是对象20在检测器模块45的表平面上的投影。这种传统系统的主要缺点是：在任何给定时间只能获得在成像对象内的辐射的单个二维(2-D)投影。
已经开发了若干种技术来克服这一缺点。首先为人所知的用于诸如计算机层析成像(CT)、单光子发射计算机层析成像(SPECT)、正电子发射层析成像(PET)和核素乳腺闪烁显像(scintimammography)的商用成像应用中的方法依赖于使用策略性地放置于关注对象的周围的多个检测器模块，或者使用绕关注对象运转的单个检测器模块。
图1B示出传统的CT系统，该CT系统包括与围绕关注对象20运转的单个辐射检测装置40相对应的辐射源15。在这种情况下，辐射检测装置40包括，例如，平行孔准直仪42和检测器模块45。当检测器在第一位置(位置1)不动时，辐射检测装置40记录对象20的第一2-D图像。然后，与辐射源15相对应的辐射检测装置40旋转几度到达连续的位置并记录一系列对应的连续的2-D图像。根据成像应用的类型，实现精确成像所必需的是：图1B的布置需要任意数量n的位置和对应的数量n的2-D图像。
图1C示出传统的PET系统，其中，在包括放射性同位素示踪剂10的对象20(例如，人体)周围布置多个辐射检测装置40a到40f，以便从不同角度获得多个对应的a到f的2-D图像。辐射检测装置40a到40f可以以与图1A和图1B的例子类似的方式配置，以便使每一个辐射检测装置包括例如平行孔准直仪42和对应的检测器模块45。在图1C的布置中，辐射检测器和捕获的对应的2-D图像的数量也由所需的成像应用的类型来确定。
在上述的任意一种情况下，从一大组2-D图像获得的数据可以用于以层析成像的方式重建三维(3-D)图像。但是，这两种方法都导致仅仅用于身体的外部诊断的体积庞大且处理密集型的系统。这些系统不能距离人体非常近地使用，或者在人体器官内部使用，例如，在用于检测前列腺癌的直肠探头(trans-rectal probe)中，或者在用于乳腺癌的乳房X光检查中，因为在使用直肠探头查看腺体时不能绕前列腺旋转检测器阵列或者在前列腺周围放置检测器阵列。
另一种方法是使用非均匀准直仪。图1D示出在诸如美国专利No.4,659,935、4,859,852和6,424,693中公开的使用非均匀准直仪的辐射成像装置的一个可能配置。图1D示出配置用来获得对象20的多个不同的但同时的2-D图像的辐射检测器40。不同的2-D图像是由设计用来将辐射束30同时引导到辐射检测装置40的两个或更多部分的孔H组产生。这样，这种类型的装置的基本构思是将准直仪分成两个或多个部分，并给准直仪的每一个部分中的孔H相对于准直仪的表平面设置不同的倾斜角。如图1D所示，在准直仪的部分42A上的孔H相对于准直仪的表平面可以具有向右的倾斜角，而在部分42B中的孔H相对于准直仪的表平面可以具有向左的倾斜角。采用如图1D所示的准直仪，通过使用单个辐射检测器40，在不必移动检测器的情况下，获得了给定对象的两个或更多的不同视域的同时图像。
但是，非均匀准直仪方法在用于人体上时至少存在两个缺点。第一个问题是，由于随着检测装置40靠近对象，视场(FOV)(如在图1D上的阴影区域所示)愈加变小，因此辐射检测装置40不能距离正被成像的对象非常近地使用。随着对象进一步远离辐射检测器放置，获得对象的完整的图像所需要的时间显著地增加。第二个问题是，为了一次(即，在单次拍摄中)获得整个对象的图像，检测器的表平面的尺寸必须至少是要被成像的对象的尺寸的两倍。这样，辐射检测装置的整体尺寸变大。结果，非均匀准直仪方法对于这样的成像应用不实用：操作空间有限，并且要求辐射检测装置的尺寸小，例如，通过诸如直肠、阴道或食管的体腔查看对象。
鉴于在传统辐射成像系统中遇到的上述困难，非常希望开发一种新的准直仪和准直技术，其能够在保持关注对象与小尺寸的检测器相距最可能近的距离的同时实现快速的3-D辐射成像。
发明内容
根据本发明，公开了用于3维辐射成像应用的交织的多孔准直仪。该准直仪包括被配置为吸收和准直在准直仪的视场内的从辐射源发射的辐射束的准直仪主体。准直仪主体具有最靠近辐射源设置的表平面。多个孔在准直仪主体的整个表平面上以二维格栅设置。多个孔被分成组，从而使每一组孔限定要被成像的对象的各个视域(view)。第一组孔通过交错或交替格栅的行来形成；第二组的孔由与第一组的行相邻的孔的行形成。第一组的孔各自具有相对于表平面沿着第一取向角对准的纵轴；第二组的孔各自具有相对于表平面沿着第二取向角对准的纵轴，以便使第一组的孔与第二组的孔交织。
另外，还可以将多个孔分到第三组。第三组的孔分别限定了要被成像的对象的第三视域。第三组的孔通过进一步交错或交替位于第一组和第二组的孔的行之间的格栅的的行来形成。第三组内的孔具有相对于表平面沿着第三取向角对准的纵轴，从而使得第三组的孔与第一组和第二组的孔交织。
另外，还可以将多个孔分到第四组、第五组、第六组、第七组、第八组、第九组等等。每一个另外组的孔分别限定了要被成像的对象的另外的视域。每一个另外组的孔都是通过进一步交错或交替位于先前组(例如，对于第四组，它将会是第一、第二和第三组)的孔的行之间的格栅的行而形成的。该另外组内的孔具有相对于表平面沿着进一步希望的取向角对准的纵轴，从而使得这些组的孔与先前组(例如，第一组、第二组和第三组)的孔交织。
优选地，在多孔准直仪中，第一组中的孔正交于准直仪主体的表平面，而第二组的孔相对于准直仪主体的表平面以预定角度倾斜。或者，第一组中的孔可以相对于表平面向第一方向倾斜，而第二组的孔可以相对于表平面向第二方向倾斜。当多个孔被分入到三组时，第一组的孔相对于表平面以第一预定角度倾斜，第二组的孔相对于表平面以第二预定角度倾斜，第三组的孔垂直于所述准直仪主体的表平面。
优选地，多个孔可以是针孔或平行孔。多个孔可以通过下述方式来形成：在辐射吸收材料的实心板中直接加工孔，横向布置辐射吸收材料的隔片以形成辐射引导管道或通道的预定图案，或者垂直堆叠每层都具有预定孔横截面和/或孔分布图案的多层辐射吸收材料。多个孔的几何横截面可以由圆形、平行四边形、六边形、多边形中的至少一种或者其组合限定。
以二维格栅设置的多个孔可以这样布置，使得格栅的行垂直于格栅的列，或者格栅的行可以彼此偏移，从而形成蜂巢状结构。
本发明还公开了被配置为实现三维辐射成像的辐射成像装置。该辐射成像装置包括如上所述的交织的多孔准直仪、以及辐射检测模块，该辐射检测模块根据单个独立检测器的马赛克阵列布置、正交条状设计或者像素化检测器设计而设计。
本发明的交织的多孔准直仪解决了如下成像应用：其中，需要紧凑的辐射检测器，并且关注对象可以靠近或者甚至接触辐射检测装置的表平面放置。例如，对象可以被放置在与准直仪的表平面相距零到几英寸以内。本发明的交织的多孔准直仪的其它独特的方面是，其允许将紧凑的辐射检测装置(例如，伽玛照相机)的尺寸设计为可与关注对象的尺寸相比的尺寸，并且能够以卓越的灵敏度和空间分辨率实现快捷、高效的成像。
可能希望这样的紧凑的设计的应用的一个例子是构造用于前列腺癌检测的辐射检测探头。当用于前列腺成像时，不仅是为了患者的舒适度，还是为了更精确地查明损坏的或不健康的组织，辐射检测装置的紧凑尺寸和能够非常接近关注对象使用的能力是特别希望的。另外，将检测装置置于与关注对象相距零或几英寸以内可以有利地产生高质量的图像，并且与在患者体外使用的辐射检测装置相比，更高的灵敏度导致了更短的图像采集时间和注射到患者体内的更少的放射性示踪剂。
根据本发明，公开一种在患者内辐射成像的方法。该方法包括以下步骤：(a)在关注对象中限定预定的目标位置，(b)将本发明的交织的多孔准直仪放置在目标位置附近，(c)通过交织的多孔准直仪将在所述交织的多孔准直仪的视场中的从辐射源发射的辐射准直到目标位置的至少两个视域中，其中，目标位置的视域由在整个准直仪主体中以二维格栅设置的多个孔限定，(d)通过辐射检测模块检测穿过交织的多孔准直仪的辐射，以及(e)处理由辐射检测模块记录的信息，以基于交织的多孔准直仪中的孔的限定的角度产生期望的图像。在本发明的另一个实施例中，辐射成像的方法包括：通过交织的多孔准直仪将在所述交织的多孔准直仪的视场中的来自目标位置的辐射准直到目标位置的第一和第二视域。目标位置的第一和第二视域分别由在整个准直仪主体中设置的第一组和第二组的孔限定。第一组的孔通过交错孔的行来形成，第二组的孔由与第一组的行相邻的孔的行形成。第一组内的孔各自具有相对于表平面沿第一取向角对准的纵轴。但是，第二组内的孔各自具有相对于表平面沿着第二取向角对准的纵轴，从而使得第一组的孔与第二组的孔交织。在本发明的另一个实施例中，辐射成像的方法还包括通过交织的多孔准直仪将从辐射源发射的辐射准直到目标位置的第三视域中。在本发明的另一个实施例中，辐射成像的方法还包括通过交织的多孔准直仪将从辐射源发射的辐射准直到目标位置的第四、第五、第六等视域中。
附图说明
图1A示出用于解释其成像原理的传统的现有技术的辐射成像系统。
图1B示出传统的现有技术的CT系统的配置，其中，对应于辐射源的辐射检测装置绕被成像的对象旋转。
图1C示出传统的现有技术的PET系统，其中，在对象周围布置有多个辐射检测装置。
图1D示出传统的现有技术的非均匀准直仪的配置。
图2以沿着相邻的孔行的中心的横截面图示出根据本发明的交织的多孔准直仪的一个实施例，该多孔准直仪包括两组孔。
图3A和图3B示出在交织的多孔准直仪的表面上的孔的示例性的分布。
图4A和图4B示出在具有彼此交织的两组孔的交织的多孔准直仪的两个不同实施例中的示例性的视域布置。
图5A、图5B和图6示出交织的多孔准直仪的进一步实施例。
图7示出将交织的多孔准直仪与正交条状检测器一起使用的辐射成像装置的示例性实施例。
图8示出将交织的多孔准直仪与单个检测器元件的阵列一起使用的辐射成像装置的示例性实施例。
图9示出将交织的多孔准直仪与像素化检测器一起使用的辐射成像装置的示例性实施例。
具体实施方式
为了清楚地描述本发明的实施例，下面的术语和缩写词被定义为如下所述。
定义
2-D：二维：通常是指2-D成像，
3-D：三维：通常是指3-D成像，
孔：通常是指用于将来自关注对象的辐射引导到检测元件的准直仪的主体中制造或构造的管道或通道。因此，“孔”也可以是指针孔、平行孔、辐射导向器等。
CT：计算机层析成像，
FOV：视场
keV：千电子伏特(等于一千电子伏特的能量单位)，
对象：是指单数或复数形式的物品、器官、身体部位等，
PET：正电子发射层析成像，
隔片：形成用于引导辐射的管道或通道的薄壁或分隔物，
SPECT：单光子发射计算机层析成像
在下面的各种例子的描述中参考附图，在附图中相同的附图标记是指相同的部分。附图示出各种实施例，其中可以实现用于3-D辐射成像应用的交织的多孔准直仪。但是，应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员可以开发其它结构和功能变型。
I.交织的多孔准直仪的结构
图2以穿过相邻的孔行的中心的横截面图示出根据本发明的交织的多孔准直仪的一个实施例。参考图2，辐射检测装置200包括多孔准直仪210和检测器模块200。多孔准直仪210包括具有最靠近辐射源(未示出)设置的表平面205的辐射吸收准直仪主体，并包括在整个该准直仪主体中布置的多个孔P。
图3A示出一种可能的布置，其中，多个孔P在准直仪主体的表平面205上以行和列的正交二维格栅布置。在正交二维格栅布置中，准直仪中的孔按行和列组织，这些行和列彼此对准，从而使得穿过孔的行的中心的虚线R将垂直于穿过孔的列的中心的虚线C。换句话说，行和列彼此正交。或者，如图3B所示，多个孔可以布置在彼此相邻的连续的行中，但是每一行都从相邻行偏移预定角度ε，从而形成蜂巢状结构。在蜂巢状结构中，由于行彼此偏移，因此不会形成正交的孔列。因此，在偏移的布置中，穿过孔的行的中心的虚线R将与横向穿过相邻行中的对应孔的中心的虚线X形成角度ε。在任意一种情况下，多个孔被选择性地分为至少两组(L组和R组)。
再次参考图2，通过交替(交织)格栅中的孔的行来形成第一组孔201(L组)。如附图标记201a所示，穿过第一组的孔的行的中心的横截面图I-I在图2的左上侧被示出。在该第一组中，孔具有纵轴222，纵轴222相对于准直仪的表平面205以第一取向角θ布置(例如，在图2中向左倾斜)。
类似地，通过交替(交织)与第一组的孔相邻的孔的行来形成第二组孔202(R组)。如附图标记202a所示，穿过第二组的孔的行的中心的横截面图H-II在图2的左下侧被示出。在第二组中，孔各自具有纵轴222，纵轴222相对于准直仪的表平面205以第二取向角β布置(例如，在图2中向右倾斜)。根据具体应用的要求，角度β可以等于角度θ，也可以不等于角度θ。
作为上述布置的结果，来自这两组的孔的行彼此交织。具体地说，在第一组201的行中的所有孔按第一取向角θ布置，而在第二组的行中的所有孔按第二取向角β布置，并且第一组的行和第二组的行彼此交替地交错。在第一组201和第二组202内，所有的孔P都是平行的。更具体地说，在每一个组中，多个孔P的轴222中的每一个都与所有其它轴平行。
在优选实施例中，具有准直仪210的表平面205的准直仪主体可以由被称为“高Z”材料的辐射吸收材料制成，“高Z”材料具有高密度和中高的原子质量。这样的材料的例子包括，但不限于，铅(Pb)、钨(W)、金(Au)、钼(Mo)和铜(Cu)。辐射吸收材料的选择和辐射吸收材料的厚度应当被确定为对入射的辐射提供有效的吸收，并且通常依赖于入射辐射的类型和当辐射入射在准直仪的表平面上时辐射的能级。入射辐射的类型和辐射的能级依赖于具体的成像应用，例如，医学成像应用或工业成像应用，或者，通过使用通用的辐射吸收材料，可以将入射辐射的类型和辐射的能级设计用于若干种不同的应用中的任何一种。在可用于工业和/或医学的应用的一个实施例中，入射辐射由产生X射线的外部辐射源或装置发射。在医学应用中，例如，在一个实施例中，铟-III(111In；171keV和245keV)和锝-99m(99mTc；140keV)被用作用于前列腺或脑癌的成像的放射性示踪剂。在这样的应用中，可想到准直仪210可以由钨、铅或金制成。在可用于医学应用的另一个实施例中，碘-131(131I；364keV)被用作用于成像的放射性示踪剂和/或用作用于治疗甲状腺癌的放射性植入粒子。在这样的应用中，可想到准直仪210可以由钨、铅或金制成。在可用于医学应用的另一个实施例中，碘-125(125I；27-36keV)和钯-103(103Pd；21keV)被用作用于治疗早期前列腺癌、脑癌和各种黑素瘤的放射性植入粒子。在这样的应用中，可想到准直仪210可以由铜、钼、钨、铅或金制成。在一个优选实施例中，准直仪210由铜制成。在另一个优选实施例中，准直仪210由钨制成。在另一个优选实施例中，准直仪210由金制成。限定表平面205的准直仪主体可以由预定厚度的辐射吸收材料的实心层制成，其中，可以根据最优化的规格以任何已知的方式加工多个孔。例如，预定厚度的辐射吸收材料的实心层可以以已知的方式加工，例如，使用高精度激光器来加工，可以容易地实现具有适当的孔参数和孔分布图案的准直仪。
包含多个孔的准直仪主体还可以通过横向布置辐射吸收材料的隔片以形成辐射引导管道或通道的预定图案来制成。另外，具有多个孔的准直仪主体可以通过垂直地堆叠每层都具有预定孔横截面和分布图案的多层辐射吸收材料以整体上形成辐射引导管道或通道来制成。例如，多层铅、金、钨等可以被垂直堆叠以提供对弥散的和散射的辐射的增强的吸收，从而确保只有具有预定波长的辐射被检测。在垂直堆叠多层的情况下，准直仪可以通过重复地堆叠相同的辐射吸收材料的层或者通过堆叠不同的辐射吸收材料的层来形成。
在交织的多孔准直仪210中，正如本领域技术人员会理解的那样，诸如孔直径和形状、孔材料、孔布置、孔数量、焦距和(一个或多个)接受角的孔参数不限于具体值，而是基于正在设计的具体系统所需的系统性能规格被确定为经过最优化。可以容易地得到提供用于诸如针孔和平行孔的孔的最优配置的扩展专利文献和非专利文献。这样的文献的例子是授予给Barber等人的标题为Semiconductor Sensor forGamma-Ray Tomographic Imaging System的美国专利No.5,245,191、以及M.B.Williams、A.V.Stolin和B.K.Kundu的标题为“Investigation of Spatial Resolution and Efficiency Using Pinholeswith Small Pinhole Angle”的非专利文献(IEEE TNS/MIC 2002)，上述每一个文献的全部内容以引用的方式并入本文。
返回参考图2，为了减小辐射检测装置的整体尺寸，准直仪210适合于被放置为基本上平行于检测器模块220，以便准直仪210可以优选地靠近或者甚至接触检测器模块220放置。检测器模块220相对于准直仪210被布置为：如图2中示出的横截面图I-I和II-II所示，使孔P的每一个轴222都与对应的检测器元件225对准。以这种方式，包括检测器元件225的二维阵列的检测器模块220实际上也被分成两组。结果，检测器元件225的两组的行也以类似于准直仪210的行的方式交错。
在图2中示出的交织的多孔准直仪提供将其与迄今为止已知的传统准直仪进行区分的若干特征。例如，该准直仪允许在保持关注对象非常靠近或者甚至接触辐射检测装置200的同时从至少两个不同的视域同时对对象进行成像。这样，可以有效地减小辐射检测装置(例如，伽玛射线照相机)的整体尺寸。该交织的多孔准直仪的特定布置被认为对于这样的辐射成像应用尤其重要：其中，要求辐射检测装置靠近关注对象放置，并且要求检测器的尺寸是小的。此外，当本发明的交织的多孔准直仪中的孔以针孔的形式设计时，交织的多针孔准直仪在不牺牲空间分辨率的情况下提供提高了的灵敏度。具体地说，本文公开的交织的多孔准直仪允许使用相对较小但高分辨率的辐射检测器进行大FOV的成像。
除了别的以外，上述的本发明的图2的实施例涉及通过减小对象和辐射检测装置之间的距离来平衡效率和空间分辨率之间的折中，从而使得辐射检测装置可以靠近或者甚至接触关注对象放置。
图4A和图4B示出用本发明的交织的多孔准直仪的不同实施例获得的准直处理及其优点。依赖于期望的应用，孔A的组的交织可以是完全的或者部分的。“完全的”交织意味着，或许除了在准直仪主体的边缘上的孔以外，一个组的孔中的所有孔都位于被另一组的孔覆盖的区域中。如果在一个组中的某些(不是全部)孔位于被另一个组覆盖的区域之外，那么这些孔是“部分地”交织的。
图4A示出包括交织的多孔准直仪的辐射检测装置400，在交织的多孔准直仪中两个组的孔完全交织。如从图4A可以认识到，通过将沿着第一取向角布置的第一组孔与沿着第二取向角布置的第二组孔“完全地”交织，限定了两个不同的视域，即，由第一组孔限定的L视域和由第二组孔限定的R视域。由于孔组的完全交织布置，两个视域在准直仪的表面处彼此重叠。因此，在准直仪附近容易地实现相对较宽的FOV，从而允许检测装置400非常靠近关注对象放置并且从至少两个不同的取向角同时对整个对象20进行成像。这种布置显著地提高了辐射检测装置400的灵敏度和效率。
图4B示出辐射检测装置401，其中交织的多孔准直仪被设计为使得只有部分孔交织。在图4B的实施例中，即使两组孔仅仅部分地交织，放置在基本上靠近对象20的距离处的辐射检测装置401也允许以最优的成像灵敏度和分辨率对整个对象进行成像。在如图4B所示的布置中，由于两组孔仅仅部分地彼此交织，因此FOV沿着垂直于检测器模块的方向被有效地扩展。这样，与图4A的“完全地”交织的配置相比，这种配置允许在仍然保持辐射检测装置中提高了的灵敏度和效率的同时对进一步远离检测器装置的对象进行成像。另外，通过仅仅部分地交织两组孔，可以获得不同程度的成像分辨率。例如，辐射检测装置401的两组孔交织的部分(即，第一组孔的FOV与第二组孔的FOV的重叠)将会比两组孔没有交织的部分提供更高的成像分辨率。这样，可以实现选择性的成像分辨率。
如图4A和图4B的实施例所示，通过交替地交织至少两组孔，检测器的整体尺寸可以被有效地减小到可与关注对象或区域的尺寸相比的尺寸。与此不同的是，图1D的现有技术要求检测器模块的尺寸至少是关注对象的尺寸的两倍。结果，从前面的描述显然可知，本发明的交织的多孔准直仪的至少一个实施例满足这样的辐射成像应用的需要，在该辐射成像应用中可以非常靠近或者甚至接触关注对象使用紧凑的辐射检测器。
图5A和图5B示出本发明的进一步实施例，其基于对在图2中描述的实施例的变型。现在省略已经参考图2进行了描述的元件和结构。图5A示出具有表平面505的多孔准直仪500，其中多个孔P布置在彼此偏移的行中，并且被分成第一组501(L组)和第二组502(R组)。这两组以类似于图2的准直仪中的孔组的方式交织。但是，在图5A的实施例中的孔P这样设计，从而使得每一个孔的几何横截面由平行四边形限定。例如，在图5A的实施例中，每一个孔的几何横截面可以由矩形或正方形限定。矩形或正方形横截面的孔可能会在便于将每一个孔与对应的辐射检测元件或像素(未示出)对准以提高检测效率的方面是有利的。例如，在按照通常模仿检测器元件阵列的行和列的格栅状布置以及横截面形状的图案设计的多孔准直仪500中，每一个检测器元件的表面将最佳地只暴露于来自被成像对象的从给定的关注辐射区域沿着期望的路径传播的辐射下。具体地说，将每一个孔的几何横截面与每一个检测元件的几何形状匹配会导致更有效的辐射检测。每一组孔的几何横截面不限于上述结构。例如，除了如上所述的以外，具有由六边形或其它多边形或者其组合限定的几何横截面的孔也被认为在本发明的范围内。
图5B示出在图2中示出的实施例的另一个变型。在图5B的实施例中，第一组和第二组的孔与第一实施例类似地交织。具体地说，来自第一组511的孔的行和第二组512的孔的行彼此交替地交织。第一组511中的孔以与准直仪的表平面正交的第一取向角ω布置，而第二组512中的孔相对于准直仪的表平面以第二取向角β布置(例如，以预定角度倾斜)。本特定实施例在从每一个不同的成像视域获得不同的放大倍率的方面是有利的。例如，依赖于对象离辐射检测装置的距离，由第一组511(与对象正交)获得的图像可以产生实际尺寸的图像，而由第二组512(以预定角度倾斜)获得的图像可以被设计用来产生具有预定级别的放大倍率的图像。
图6示出在图2中示出的实施例的又一个变型。根据图6的实施例，辐射检测装置600包括多孔准直仪610和检测器模块620。多孔准直仪610具有表平面605。多个孔，例如，针孔或平行孔，在整个准直仪主体中设置。多个孔被选择性地分成三个组，并且每个组以类似于图2的实施例的方式与其它组交织。被配置为限定左成像视域的第一组601(L组)的孔相对于准直仪的表平面605以第一取向角θ布置。被配置为限定对应的中间的和右边的成像视域的第二组602(M组)和第三组(R组)相对于准直仪的表平面605可以分别具有对应的角度ω和β。横过第一、第二和第三组中的孔的行的横截面图分别由附图标记601a、602a和603a表示。
在图6的实施例中，在第一组601、第二组602和第三组603内，所有的孔P都是平行的。更具体地说，在每一个组内，多个孔P的每一个轴都与所有其它轴平行。本特定的实施例在获得进一步的视域和/或放大倍率级别中可能是有利的，该视域和/或放大倍率级别可用于在保持检测器模块的紧凑尺寸的同时获得更精确的图像重建。例如，第一组601可以用于以第一预定级别的放大倍率的成像，第二组602可以用于非放大成像，例如，真实尺寸成像，第三组603可以用于从不同的角度的以另一个预定级别的放大倍率的成像。换句话说，根据给定系统的最优化的灵敏度和分辨率要求，每一组都可以被设计用来以预定级别的放大倍率的成像。
II.交织的多孔准直仪应用的例子
图7示出用于3-D成像应用的包括交织的多孔准直仪710和辐射检测器模块720的辐射检测装置700的一个可能的配置。具有表平面705的多孔准直仪710包括孔P的2-D格栅。在格栅中的孔可以被布置为分别如图3A和图3B中示出的正交或者蜂巢状布置。格栅被分成至少两组孔，这两组孔根据上述实施例中的任何一个或其等同方式交织和布置。检测模块720可以包括固态检测器或闪烁检测器，该固态检测器或闪烁检测器被配置为检测从关注对象(未示出)入射并透过交织的多孔准直仪710的辐射束。
闪烁检测器包括敏感体积(sensitive volume)的发光材料(液体或固体)，其通过检测伽玛射线诱导光发射的装置(通常为光电倍增管(PMT)或光电二极管)被查看。闪烁材料可以是有机的或无机的。有机闪烁剂的例子是蒽和p-三联苯，但是不限于此。某些常见的无机闪烁材料是碘化钠(NaI)、碘化铯(CsI)、硫化锌(ZnS)和碘化锂(LiI)，但是不限于此。通常被称为BGO的锗酸铋(Bi4Ge3O12)在具有高伽玛计数效率和/或低中子灵敏度的要求的应用中已经变得非常普遍。在大多数临床SPECT系统中，铊活化的碘化钠NaI(Tl)是通常使用的闪烁剂。
固态检测器包括将检测到的辐射能量直接转换为电信号的半导体。这些检测器的伽玛射线能量分辨率显著地优于闪烁检测器的伽玛射线能量分辨率。固态检测器可以包括具有基于与关注应用相关的辐射能量区选择的敏感厚度的典型地具有矩形或圆形横截面的晶体。诸如碲化锌镉(CdZnTe或CZT)、碲化锰镉(CdMnTe或CMT)、Si、Ge、非晶硒等的固态检测器已经被提出，并且很适合于可以应用交织的多孔准直仪的辐射成像应用。
图7的检测器模块720可以基于正交条状设计。正交条状检测器可以是双面的，如由Sandia National Laboratories(1997年8月)发表的J.C.Lund等人在“Miniature Gamma-Ray Camera for TumorLocalization”中所提出的，上述文献的全部内容以引用的方式并入本文。或者，检测器模块720可以基于单个检测器元件或像素化检测器的阵列。
在图7的例子中，检测器模块720代表双面正交条状设计的一种可能的配置。在双面正交条状设计中，平行电接触器(条)的行和列在半导体晶片的相对侧上彼此成直角地放置。检测器平面上的辐射检测通过评价列和行之间的相合事件来确定。更具体地说，当从关注对象发射的辐射束横过准直仪710的孔P时，只有基本上平行于孔P的轴的辐射束到达列和行的交叉处，从而产生信号。读出电子器件750以已知方式将接收到的信号传输到处理和分析设备。
使用正交条状设计显著地降低了读出电子器件的复杂性。通常，与对于NxN个独立像素的阵列需要N2通道相对的是，为了读出N2检测元件的阵列，只需要2xN个读出电子器件的通道(在图7中的750)。单面正交条状检测器在电荷共享原理上使用只在检测器的一侧(例如，半导体检测器的阳极表面)上的行和列中组织的收集接触器进行操作。单面条状检测器比双面条状检测器需要甚至更少的电子通道。例如，尽管双面检测器需要将电子接触器制造成双侧上的条，但是单面(共面)检测器使用只在检测器的一侧布置的收集接触器。由于设计的简单性和降低了的读出电子器件的复杂性，正交条状设计的检测器模块被认为对于本发明的交织的多孔准直仪的各种实施例的应用是特别有利的。但是，交织的多孔准直仪的应用不限于此。
图8示出交织的多孔准直仪的另一个示例性应用。根据图8的实施例，辐射检测装置800包括交织的多孔准直仪810和检测器模块820。在本实施例中，检测器模块820包括单个检测元件825的阵列。基本上平行于孔P的轴的辐射束(未示出)横过准直仪810，并且由各个检测元件825检测。这里，单个检测元件825可以基于具有各种配置的闪烁剂加光子感应装置或半导体检测器，其包括但不限于平面检测器或所谓的Frisch格栅检测器，如由A.E.Bolotnikov等人在“Optimization of virtu al Frisch-grid CdZnTe detector designs forimaging and spectroscopy of gamma rays”，Proc.SPIE，6706，670603(2007)中提出的，该文献的全部内容以引用的方式并入本文。读出电子器件850以已知方式将检测到的信号传输到处理和分析设备。
图9示出辐射成像装置900的另一个例子，辐射成像装置900包括交织的多孔准直仪910和检测器模块920。交织的多孔准直仪可以根据参考本发明的图2到图6描述的实施例中的任何一个设计。检测器模块920包括具有多个感测电极925的像素化检测器，该多个感测电极925与准直仪910的多个孔P相对应地布置。这里，像素化检测器是一侧具有共用电极而另一侧具有感测电极的阵列的半导体检测器。读出电子器件950以类似于图7或图8的例子的方式将检测到的信号传输到处理和分析设备。
在上述说明书中提及的所有出版物和专利以引用的方式并入本文。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，上述的交织的多针孔准直仪的各种变型和变化对本领域技术人员来说是显而易见的。尽管已经结合特定的优选实施例对本公开进行了描述，但是应当理解，请求保护的本发明不应被过度地限制为这些特定的实施例。确切地说，本领域技术人员将会认识到或者能够只使用常规的试验来确定本文中描述的本发明的特定实施例的很多等同物。下面的权利要求旨在涵盖这样的等同物。

Claims (44)

1.一种准直仪，包括：
准直仪主体，被配置为吸收和准直所述准直仪的视场内的从辐射源发射的辐射束，所述准直仪主体具有最靠近所述辐射源设置的表平面；以及
多个孔，在整个所述准直仪主体上以二维格栅的形式设置，所述多个孔被分成多个组，所述多个组分别限定要被成像的对象的多个视域，其中，所述多个组的孔在整个准直仪主体上以二维格栅的形式交错或交织。
2.根据权利要求1所述的准直仪，其中，所述多个孔被分入到分别限定要被成像的对象的第一视域和第二视域的第一组和第二组中，所述第一组的孔通过交错孔的行来形成，所述第二组的孔由与第一组的行相邻的孔的行形成，并且，所述第一组内的孔各自具有相对于所述表平面沿着第一取向角对准的纵轴，所述第二组内的孔各自具有相对于所述表平面沿着第二取向角对准的纵轴，使得第一组的孔与第二组的孔交织。
3.根据权利要求2所述的准直仪，其中，所述多个孔被进一步分入到第三组中，所述第三组相应地进一步限定要被成像的对象的第三视域，
所述第三组的孔通过进一步交错位于第一组和第二组的孔的行之间的孔的行来形成，并且，
所述第三组内的孔各自具有相对于所述表平面沿着第三取向角对准的纵轴，使得第三组的孔与第一组和第二组的孔交织。
4.根据权利要求2或3所述的准直仪，其中，所述多个孔被进一步分入到一个或多个另外的组中，所述另外的组分别进一步限定要被成像的对象的另外的视域，所述另外的组的孔通过进一步交错位于先前组的孔的行之间的孔的行形成，并且，
所述另外的组内的孔各自具有相对于所述表平面沿着另外的取向角对准的纵轴，使得另外的组的孔与先前组的孔交织。
5.根据权利要求2所述的准直仪，其中，第一组中的孔垂直于表平面，并且，第二组中的孔相对于所述准直仪主体的表平面以预定角度倾斜。
6.根据权利要求3所述的准直仪，其中，第一组的孔相对于表平面以第一预定角度倾斜，第二组的孔相对于表平面以第二预定角度倾斜，第三组的孔垂直于所述准直仪主体的表平面。
7.根据权利要求2所述的准直仪，其中，第一组的孔相对于表平面以第一角度倾斜，第二组的孔相对于所述准直仪主体的表平面以第二角度倾斜。
8.根据权利要求1到7中的任何一项所述的准直仪，其中，所述多个孔以所述二维格栅的形式设置，使得格栅的行和列相互垂直。
9.根据权利要求1到7中的任何一项所述的准直仪，其中，所述多个孔以所述二维格栅的形式设置，使得格栅的连续行彼此偏移，从而所述多个孔在准直仪主体的表平面上形成蜂巢状结构。
10.根据权利要求1到9中的任何一项所述的准直仪，其中，孔为针孔。
11.根据权利要求1到9中的任何一项所述的准直仪，其中，孔为平行孔。
12.根据权利要求1到11中的任何一项所述的准直仪，其中，所述多个孔通过下述方式形成：(a)在辐射吸收材料的实心板中加工孔；(b)横向地布置辐射吸收材料的隔片以形成辐射引导管道或通道；或者(c)垂直地堆叠每层都具有预定的孔横截面的多层辐射吸收材料。
13.根据权利要求1到12中的任何一项所述的准直仪，其中，孔具有由圆形、平行四边形、六边形、多边形和其组合中的至少一个限定的几何横截面。
14.根据权利要求2到13中的任何一项所述的准直仪，其中，在第一组孔内每一个孔都平行于所有的其它孔，并且，在第二组孔内每一个孔都平行于所有的其它孔。
15.根据权利要求1到14中的任何一项所述的准直仪，其中，准直仪由辐射吸收材料制成。
16.根据权利要求15所述的准直仪，其中，辐射吸收材料具有高密度和中高原子质量。
17.根据权利要求14所述的准直仪，其中，辐射吸收材料是基于入射辐射的类型和当辐射入射到准直仪的表平面时辐射的能级来选择的。
18.根据权利要求17所述的准直仪，其中，入射辐射由125I、111In、99mTc、131I、103Pd或其组合发射。
19.根据权利要求17所述的准直仪，其中，入射辐射由产生X射线的外部辐射源或装置发射。
20.根据权利要求15所述的准直仪，其中，辐射吸收材料是从由铅(Pb)、钨(W)、金(Au)、钼(Mo)和铜(Cu)组成的组中选择的。
21.一种辐射成像装置，被配置为执行三维辐射成像，该辐射成像装置包括：如权利要求1到20中的任何一项所述的交织的多孔准直仪；以及辐射检测模块，其中，辐射检测模块包括像素化检测器、正交条状检测器和单个独立检测器的阵列中的至少一个。
22.根据权利要求21所述的辐射成像装置，其中，辐射检测器包括闪烁检测器和固态检测器。
23.一种辐射成像的方法，包括：
(a)在关注对象中限定预定的目标位置；
(b)将交织的多孔准直仪定位在目标位置的附近；
(c)通过交织的多孔准直仪将在所述交织的多孔准直仪的视场中的来自目标位置的辐射准直到目标位置的至少两个视域中，其中，目标位置的视域由在整个准直仪主体上以二维格栅的形式设置的多个孔限定；
(d)由辐射检测模块检测穿过交织的多孔准直仪的辐射；以及
(e)处理由辐射检测模块记录的信息，以基于交织的多孔准直仪中的孔的限定的角度产生期望的图像。
24.根据权利要求23所述的辐射成像的方法，包括：通过交织的多孔准直仪将在所述交织的多孔准直仪的视场中的来自目标位置的辐射准直到目标位置的第一和第二视域中，第一和第二视域分别由在整个准直仪主体上设置的第一组和第二组的孔限定，
其中，所述第一组的孔通过交错孔的行来形成，所述第二组的孔由与第一组的行相邻的孔的行形成，并且，所述第一组内的孔各自具有相对于所述表平面沿着第一取向角对准的纵轴，所述第二组内的孔各自具有相对于所述表平面沿着第二取向角对准的纵轴，使得第一组的孔与第二组的孔交织。
25.根据权利要求24所述的辐射成像的方法，还包括：通过交织的多孔准直仪将在所述交织的多孔准直仪的视场中的来自目标位置的辐射准直到目标位置的第三视域中，
其中，所述多个孔被进一步分入到第三组中，该第三组通过进一步交错位于第一组和第二组的孔的行之间的孔的行而形成，并且，所述第三组内的孔各自具有相对于所述表平面沿着第三取向角对准的纵轴，使得第三组的孔与第一组和第二组的孔交织。
26.根据权利要求25所述的辐射成像的方法，还包括：通过交织的多孔准直仪将在所述交织的多孔准直仪的视场中的来自目标位置的辐射准直到目标位置的一个或多个另外的视域中，
其中，所述多个孔被进一步分入到一个或多个另外的组中，所述另外的组通过进一步交错位于先前组的孔的行之间的孔的行而形成，并且，所述另外的组内的孔各自具有相对于所述表平面沿着另外的取向角对准的纵轴，使得另外的组的孔与先前组的孔交织。
27.根据权利要求24、25或26所述的辐射成像的方法，其中，第一组中的孔垂直于表平面，并且，第二组中的孔相对于所述准直仪主体的表平面以预定角度倾斜。
28.根据权利要求25所述的辐射成像的方法，其中，第一组的孔相对于表平面以第一预定角度倾斜，第二组的孔相对于表平面以第二预定角度倾斜，并且，第三组的孔垂直于所述准直仪主体的表平面。
29.根据权利要求24、25或26所述的辐射成像的方法，其中，第一组的孔相对于表平面以第一角度倾斜，第二组的孔相对于所述准直仪主体的表平面以第二角度倾斜。
30.根据权利要求23到29中的任何一项所述的辐射成像的方法，其中，所述多个孔以所述二维格栅的形式设置，使得格栅的行和列相互垂直。
31.根据权利要求23到29中的任何一项所述的辐射成像的方法，其中，所述多个孔以所述二维格栅的形式设置，使得格栅的连续行彼此偏移，从而所述多个孔在准直仪主体的表平面上形成蜂巢状结构。
32.根据权利要求23到31中的任何一项所述的辐射成像的方法，其中，孔为针孔、平行孔或其组合。
33.根据权利要求21到30中的任何一项所述的辐射成像的方法，其中，孔具有由圆形、平行四边形、六边形、多边形和其组合中的至少一个限定的几何横截面。
34.根据权利要求24到33中的任何一项所述的辐射成像的方法，其中，在第一组孔内每一个孔都平行于所有的其它孔，并且，在第二组孔内每一个孔都平行于所有的其它孔。
35.根据权利要求23到34中的任何一项所述的辐射成像的方法，其中，准直仪由辐射吸收材料制成。
36.根据权利要求35所述的辐射成像的方法，其中，辐射吸收材料为具有高密度和/或高原子质量的高Z材料。
37.根据权利要求35所述的辐射成像的方法，其中，基于入射辐射的类型和当辐射入射到准直仪的表平面时辐射的能级来选择辐射吸收材料。
38.根据权利要求37所述的辐射成像的方法，其中，入射辐射由125I、111In、99mTc、131I、103Pd或其组合发射。
39.根据权利要求37所述的辐射成像的方法，其中，入射辐射由产生X射线的外部辐射源或装置发射。
40.根据权利要求36所述的辐射成像的方法，其中，辐射吸收材料是从由铅(Pb)、钨(W)、金(Au)、钼(Mo)和铜(Cu)组成的组中选择的。
41.根据权利要求23到34中的任何一项所述的辐射成像的方法，其中，辐射检测模块是从像素化检测器、正交条状检测器和单个独立检测器的阵列中的至少一个中选择的。
42.根据权利要求41所述的辐射成像的方法，其中，辐射检测器包括闪烁检测器和固态检测器。
43.根据权利要求23到42中的任何一项所述的辐射成像的方法，其中，关注对象是人体的一部位，并且辐射是由聚集在目标位置中的放射性示踪剂发射的。
44.根据权利要求23到42中的任何一项所述的辐射成像的方法，其中，关注对象是无生命体，并且辐射从外部辐射源穿过目标位置。
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