多分辨率多灵敏度单光子发射计算机断层成像平行孔准直器研究

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1、分分 类类 号号学号学号D201177418 学校代码学校代码 10487密级密级 博博士士学学位位论论文文 多分辨率多灵敏度单光子发射计算机多分辨率多灵敏度单光子发射计算机 断层成像平行孔准直器研究断层成像平行孔准直器研究 学 位 申 请 人学 位 申 请 人： 李延召李延召 学科专业学科专业： 生物医学工程生物医学工程 指导教师指导教师： 谢庆国谢庆国教授教授 答辩日期答辩日期： 2016 年年 8 月月 25 日日 ADissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Do

2、ctor of Philosophy in Engineering Research on multi-resolution multi-sensitivity Single Photon Emission Computed Tomography parallel-hole collimator Ph. D. Candidate： Li Yanzhao Major： Biomedical Engineering Supervisor： Prof. Xie Qingguo Huazhong University of Science multi-resolution multi-sensitiv

3、ity; parallel-hole collimator; collimator modeling; Monte Carlo simulation; double collimation; 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 V 目录 摘摘要要.I Abstract. III 1绪论绪论 1.1 引言. (1) 1.2 SPECT 成像过程.(4) 1.3 SPECT 成像原理.(5) 1.4 SPECT 准直器. (11) 1.5 多分辨率多灵敏度 SPECT 准直器及系统.(17) 1.6 研究目标、思路及内容安排.(19) 2多分

4、辨率多灵敏度平行孔准直器的设计方法多分辨率多灵敏度平行孔准直器的设计方法 2.1 双层错位准直.(21) 2.2 基于双层错位准直的多分辨率多灵敏度设计分析. (24) 2.3 双层错位准直的数值建模方法.(26) 2.4 双层错位准直的仿真成像方法.(38) 2.5 本章小结. (45) 3基于双层均匀错位的多分辨率多灵敏度准直器研究基于双层均匀错位的多分辨率多灵敏度准直器研究 3.1 设计方案. (46) 3.2 实验设置. (47) 3.3 结果与分析.(51) 3.4 讨论. (62) 3.5 本章小结. (64) 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博

5、士 学 位 论 文文 VI 4基于双层非均匀错位的多分辨率多灵敏度准直器研究基于双层非均匀错位的多分辨率多灵敏度准直器研究 4.1 设计方案. (66) 4.2 实验设置. (67) 4.3 结果与分析.(71) 4.4 讨论. (88) 4.5 本章小结. (89) 5总结与展望总结与展望 5.1 本论文主要内容和结论.(90) 5.2 本论文主要创新点.(92) 5.3 未来工作展望.(92) 致致谢谢.(94) 参考文献参考文献. (96) 附录附录 1 攻读学位期间发表论文目录攻读学位期间发表论文目录.(104) 附录附录 2 不同显像类型的显像剂列表不同显像类型的显像剂列表.(106

6、) 附录附录 3 对双层均匀错位准直器灵敏度的理论建模对双层均匀错位准直器灵敏度的理论建模.(108) 附录附录 4 准直器仿真的准直器仿真的 GATE 代码示例代码示例.(113) 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 1 1 绪论 1.1 引言 自伦琴发现 X 射线至今的一百多年时间里，医学影像技术已得到空前的发展1。 X 射线成像（Radiography）、血管造影（Angiography）、X 射线计算机断层成像（X ray Computed Tomography，简称 CT）、荧光成像（Fluoroscopy）、伽马相机（Gamm

7、a Camera）、正电子发射计算机断层成像（Positron Emission Tomography，简称 PET）、 单光子发射计算机断层成像（Single Photon Emission Computed Tomography，简称 SPECT） 、 核磁共振成像 （Magnetic Resonance Imaging， 简称 MRI） 、 超声成像 （Medical Ultrasonography）、光学相干成像（Optical Coherence Tomography，简称 OCT）、契 伦科夫成像（Cerenkov Imaging）等形形色色的成像技术2-7和仪器陆续出现并得到大

8、规模应用，大大推动了生物学和医学研究与应用的发展。不同的成像技术往往具有不 同的成像特点，适应于不同的成像应用。这些种类繁多的成像技术为纷繁复杂的各类 疾病的诊疗和生物学医学问题的研究提供了丰富的解决方案。 在这些成像技术中，作为分子影像技术主要代表的 SPECT 和 PET 是当今核医学 中最尖端的两种影像设备2,6-11。它们通过对伽马光子的探测，可以对标记有放射性示 踪剂的药物在生物体内的分布进行成像，由此获知特定分子在体内的代谢情况，了解 相关组织的功能状态，在肿瘤、神经系统疾病、心脑血管疾病等的研究、诊疗以及新 药研发12中发挥着重要的作用。 PET 成像通常具有远高于 SPECT

9、成像的系统灵敏度， 其常用的放射性药物也具有更好的灵活性11， 如 18F-FDG 可以用于肿瘤学、 心脏病学、 神经生物学等众多不同研究中。但 PET 常用的放射性药物的半衰期一般较短，如 18F 的半衰期约为 109.5min，11C 的半衰期仅仅约为 20.4min，而 SPECT 的放射性药物的 半衰期则通常较长，如 99mTc 的半衰期约为 6h，使得 SPECT 成像对核医学常规检查 以及生物半衰期较长如蛋白质合成等的代谢过程的研究具有更好的适应性11。由于其 价格便宜、药物获取容易等原因，SPECT 也拥有远多于 PET 的装机量13，为推动核 医学的发展贡献着巨大的力量。图 1

10、-1 所示为一款典型的 SPECT 机外观图，图 1-2 为 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 2 一幅全身骨骼 SPECT 显像图。 图 1-1 临床 SPECT 外观图14。 Fig. 1-1 A clinical SPECT. 图 1-2 SPECT 全身骨显像图。（来自 GE Infinia Hawkeye 产品手册） Fig. 1-2 SPECT whole-body bone image.(GE Infinia Hawkeye product manual) 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学

11、博 士 学 位 论 文文 3 表 1-1 SPECT 显像的主要临床应用 Tab. 1-1 Main clinical applications of SPECT 显象类别应用简介 局部脑血流显 像 短暂性脑缺血发作和可逆性缺血性脑疾病的诊断、脑梗死、癫痫、痴呆病 因鉴别、偏头痛、锥体外系疾病、脑肿瘤复发、精神和情感障碍性疾病以 及其他脑部疾病及脑功能研究等有较高的临床价值。判断脑肿瘤的血运， 鉴别术后或放疗后复发和瘢痕。 骨骼显像骨骼显像可以及早检出骨转移病变；可清楚显示原发肿瘤浸润的实际范围， 因骨显像显示的肿瘤浸润范围往往较 X 线检查的范围大，有助于确定手术 范围等。 心肌灌注显像公认

12、的可靠的冠心病的诊断方法，可评价冠状动脉病变范围、冠心病危险 度、冠心病疗效，对心肌梗死诊断有很高的灵敏度，可评价心肌存活情况， 可鉴别诊断扩张型心肌病、室壁瘤、肥厚型心肌病、致心律失常性右心室 发育不良等，可测定心室功能、评价心力衰竭心脏再同步化治疗效果。 甲状腺显像具有较高的诊断价值，可用于了解甲状腺形态和功能、对甲状腺结节的诊 断与良恶性鉴别、判断颈部包块与甲状腺的关系、提示病灶是否适合 131I 治疗，评价疗效。 甲状旁腺显像本检查方法目前已成为术前定位诊断功能亢进的甲状旁腺和鉴别诊断高钙 血症的首选方法之一，灵敏度为 90%左右。适用于对甲状旁腺腺瘤的诊断 和定位。 肾上腺显像适应于

13、皮质醇增多症、原发性醛固酮增多症的诊断，对肾上腺皮质增生、 腺瘤与腺癌的鉴别诊断和定位， 对嗜铬细胞瘤及其转移灶的诊断及定位 （特 异性高达 95%），对恶性嗜铬细胞瘤治疗后随访。 肾动态显像及 肾图检查 评价肾功能、观察肾的大小、位置、形态改变以及发现肾内占位病变。肾 血管性高血压的诊断、局部肾血管病变或其他良性病变、肾内占位病变的 鉴别、观察肾栓塞和溶栓疗效、监测移植肾的血供及功能，可以帮助发现 移植肾血供障碍，急、慢性排斥反应，急性肾小管坏死，尿漏等并发症、 分肾功能检查。 肝 脏 胶 体 显 像、肝血流与 肝血池显像 可用于肝脏大小、位置和形态的评估、肝 Kupffer 细胞功能评价、

14、对肝癌疗 效及肝再生情况的观察、了解肝脏占位性病变的血供及良恶性鉴别、对肝 脏的血流灌注评价。肝血池显像可作为诊断肝血管瘤的首选方法。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 4 SPECT 在临床诊断上有着广泛的用途15-17， 特别是对心脏、 肾脏、甲状腺、 肝脏、 胆囊等主要脏器的功能代谢情况，对心肌、脑、肺等部位的血流灌注情况，对肿瘤及 其淋巴转移、 骨转移的情况等具有较高的诊断价值。 表 1-1 列出了 SPECT 临床检查的 主要应用情况。 1.2 SPECT 成像过程 SPECT 成像通常在医院的核医学科进行，一般包括如下几个步

15、骤15-16：成像前的 准备工作、药物注射与扫描前的等待、扫描及图像的生成与处理、诊断报告等。下面 结合核医学科的功能房间设置对这几个步骤进行简要介绍。 1）成像前的准备工作。根据诊断的类型，病人通常需要做相应的提前准备，如 在肝胆动态成像中，检查前须禁食 4-12h，停用对奥狄氏括约肌有影响的麻醉药 6-12h 等。良好的提前准备对于获得高质量的诊断结果具有重要意义。 2）药物注射。该步骤在核医学科的注射室完成。注射室一般被划分成两部分， 由包含铅玻璃窗和门的墙隔开。一侧供注射药物的护士使用，另一侧供待注射药物的 病人使用。护士一般通过玻璃窗给位于另一侧的病人注射放射性药物。SPECT 显像

16、的 药物类型众多，特定类型的成像需要特定的药物。附录一给出了不同的 SPECT 显像 的药物列表。给药方法通常为静脉注射，这也包括放射免疫显像中的静脉滴注以及肝 血流灌注显象中的肘静脉“弹丸式”注射等。此外，给药方法也有口服、吸入等方式， 如胃排空显像中需要坐位 5min 内口服显像剂，然后再饮 500ml；肺通气显像中需要 通过雾化器回路呼吸放射性气溶胶等。给药完成后，通常等待一定时间即进行 SPECT 扫描。 3）扫描前的等待。核医学科一般会设置专门的病人注射后候诊区用于注射过药 物的病人休息候诊，以及病人专用的卫生间，以对病人排泄物进行特别处理减少辐射 危害。等待过程中，药物在人体内进行

17、充分代谢，以适应所进行的检查目的。 4）扫描及图像的生成与处理。SPECT 机器放置于扫描检查室，病人的扫描位于 此房间。扫描检查室毗邻设备间和控制室，设备间用于放置 SPECT 机器相关的一些 配套设备，控制室放置扫描控制的计算机。负责扫描的操作人员于控制室控制 SPECT 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 5 机器的扫描过程。扫描过程中，注射入体内的放射性元素不断地发生衰变而释放出伽 马光子。 SPECT 系统根据预先设定好的协议对这些伽马光子进行采集。注射了放射性 药物的人体会向四面八方发射伽玛光子，探测器在不同的位置上可以获得相

18、应方向上 的伽玛光子数的分布图像。 若将探测器旋转 360 度， 就可一获得各角度下的投影图像。 这些投影图像并不反映放射性药物在深度方向上的分布，进一步地利用断层图像重建 的方法，可将探测器在各角度下采集到的投影图像重建为包含深度信息的断面图像。 如果采用重建处理投影数据，则为断层成像；如果不进行重建，仅以投影图像作为诊 断依据，则为平面成像。 5）诊断报告。阅片室放置图像显示和处理的相关工作站，由负责阅片诊断的医 生对病人 SPECT 扫描成像的结果进行疾病分析，并出具诊断报告等。 因放射性药物的辐射有一定的损伤，为减少辐射危害，上述过程中病人可能经过 的区域需要进行特别的辐射防护设计，相

19、关房间须进行合理的布局规划18-21。在实际 成像中，病人应严格遵守医护人员安排，切忌随意走动等。 1.3 SPECT 成像原理 SPECT 是一种综合性复杂成像技术，涉及放射化学、粒子物理、分析数学等众多 学科。本节从放射性药物、伽马光子准直、伽马光子探测、图像生成等四个方面对 SPECT 成像技术的基本原理进行介绍。图 1-3 为 SPECT 进行伽马光子探测成像的原 理图。 图 1-3 SPECT 成像原理图。 Fig. 1-3 The principle of SPECT imaging. 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 6

20、（1）放射性衰变及放射性药物 SPECT 成像的物理基础是发射出伽玛光子的放射性核素衰变22-23。 放射性衰变是 指放射性同位素由受激状态转变到更低能量状态而发射出各种射线的过程。在放射性 衰变过程中主要产生、三种射线。其中射线由衰变产生；射线包括正电子和 负电子，由衰变产生；射线可由衰变直接产生。 经放射性核素标记的化合物即为放射性化合物或放射性示踪剂。标记放射性化合 物的放射性核素的选取通常有一些列要求：不能改变原有化合物的理化性质和生物学 性质、有合适的半衰期、容易测量、标记方便且价格可接受等。SPECT 成像中常用的 放射性同位素包括锝（99mTc）、碘（131I）、铊（201Tl）

21、、镓（67Ga）等。其中锝（99mTc） 的使用范围最为广泛， 其半衰期约为 6h， 能量为 140keV。 99mTc 经衰变成为稳定的99Tc， 同时释放出一个能量为 140keV 的伽玛光子，该衰变过程表示如下： TcTc 99 43 99 43 m 将放射性核素标记的化合物注射入人体，就可以通过对放射性核素的分布的测量 来获得放射性化合物在体内的分布。 在成像过程中， 这些放射性化合物通常性质稳定、 不影响机体的生理代谢过程， 由其分布图像可以获知该化合物参与的代谢过程 （吸收、 分布、排泄、转运、代谢等）的信息。附录 2 列出了不同的 SPECT 显像中所使用的 放射性性化合物。在参

22、与特定生理活动的过程中，放射性化合物可能因异常因素（如 肿瘤细胞处）而在局部聚集或局部缺失，在图像上呈现为局部亮度增强或变暗，从而 反应特定部位细胞结构和功能的变化。这种基于代谢功能进行成像的方式通常比基于 组织密度等形态结构成像的方式具有更灵敏的诊断能力，可以在细胞尚未发生结构性 变化的早起病变阶段发现问题。比如恶性肿瘤和炎症等的鉴别中，病灶组织的结构可 能尚未发生变化，此时可以通过对恶性肿瘤特有的特征蛋白相关的代谢活动进行检查 即可确定。 （2）伽马光子准直 注射入人体的放射性核素会朝四面八方发射伽马光子，要准确地探测伽马光子的 空间位置分布，就必须进行伽马光子准直。伽马光子准直是指对伽玛

23、光子的飞行方向 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 7 的确定或对特定方向伽马光子的筛选，是 SPECT 图像采集的基础，也是 SPECT 探头 的必要构成部分。这一功能是由准直器来实现的，相应的准直方式被称作机械准直， 不同于 PET 中所使用的电子准直。准直器一般安装在 SPECT 探头最靠近检查床的一 侧，是由具有单孔或多孔的铅或铅合金块等重金属材料构成的，其孔的几何长度、孔 的数量、孔径大小、孔与孔之间的间隔厚度、孔与探头平面之间的角度等参数依准直 器类型和功能的不同而有所差异。在准直器的筛选下，沿准直孔方向飞行的伽马光子 可以无

24、损失地通过，而与准直孔方向不一致的伽马光子会与准直孔壁碰撞发生光电效 应或康普顿散射等作用而被吸收或散射掉。最终，只有一定视野范围内的一定角度方 向上的伽马射线通过准直器小孔进入探测器，而视野外的与准直器孔方向不符的射线 则屏蔽。图 1-4 为平行孔准直器的原理示意图。 图 1-4 平行孔准直器原理图。 Fig. 1-4 The principle of parallel-hole collimator. （3）伽玛光子探测 伽玛光子的探测是指对进入探测器的伽玛光子的能量信息和作用位置信息的获 取。SPECT 成像中伽玛光子的能量一般位于 100keV 到 511keV 之间，有时甚至更高。

25、SPECT 系统中用于探测这些伽马光子的部件被称为探头，其最早可追溯至 1928 年由 美国的 Geiger 和 Walther 发明的盖革计数器24-25。这两位研究人员将盖革计数器置 于人体器官之上，通过手动移动的方式来逐点获取发自目标器官的伽马光子的计数分 布图。二战之后，在 1950 年，Cassen 首先研制成功了闪烁探测器与扫描仪24，相较 于盖格计数器大大提升了探测的灵敏度，但此时的投影图的获取依然采用逐点扫描的 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 8 方式。随后在 1956 年，Anger 发明了闪烁伽马照相机26，以一次

26、成像代替扫描机逐点 成像，大大提升了伽马射线投影成像的获取效率，成为 SPECT 探头发展的一个里程 碑的突破。当今的 SPECT 探头技术虽有所展，但其整体技术方案仍采用 Anger 伽马 相机的架构，通常依如下过程完成对一个伽马光子的探测：首先，通过高密度的阻挡 能力较强的晶体将伽玛光子转换为大量容易探测的可见光光子，然后由光电倍增管等 光电转换器件将这些低能的可见光光子转换为电脉冲信号，进而由电子学电路来对电 脉冲信号进行处理，最终获得伽玛光子的能量和与晶体作用的位置信息。下面对上述 过程所涉及到的同时也为探头主要组成部分的各模块进行简要介绍： 晶体：晶体是 SPECT 探头最核心的器件

27、，其作用是将难以处理的高能量伽马光 子转化为容易被处理的可见光光子。伽马光子射入晶体后，与晶体发生相互作用，包 括光电效应、康普顿散射、电子对效应等一种或多种物理过程。这些作用过程伴随着 原子、分子的受激、退激而发射出可见光光子。可见光光子的数目、能量及所形成的 光脉冲强度与入射伽马光子的能量成正比。入射伽马光子的能量越大，所产生的光子 数量和能量越大，对应形成的光脉冲强度也越大，反之亦然。这些可见光光子可经光 导、光反射物质和光藕合剂等部件而被尽可能无损失地收集到光电倍增管的光阴极 上，进而发生光电效应而打出光电子。SPECT 中闪烁晶体的种类众多，包括 NaI(Tl)、 CsI、YSO、L

28、aBr3等。这些晶体的特性各不相同，在 SPECT 样机研制中也均有使用。 其中 NaI(Tl)以其低廉的价格和优异的性能，成为多年来商业 SPECT 产品中最为常用 的选择。 光电倍增器： SPECT 探测器搭建中， 可选的光电转换器件包括光电倍增管 （Photo Multiplier Tube，简称 PMT）、位置敏感型 PMT（Position sensitive PMT，PSPMT）、 半导体型光电转换器件（如 APD、硅光电倍增器等）。其中，PMT 以其低廉的价格 和适中的性能， 一直是最常用的耦合闪烁晶体的光电转换器件。 PMT 是在光电管的基 础上发展起来的一种光电转换器件。它的

29、作用是将微弱的光信号（闪烁晶体吸收伽马 光子的能量而产生的可见光光子）按一定比例转换成电子，并倍增放大形成易于测量 的电信号。不同型号的 PMT 通常具有不同的放大倍数，一般可高达 106109。PMT 主要由光阴极、多级倍增极、电子收集极（即阳极）组成，整个系统被密封在抽成真 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 9 空状态的玻璃壳内。伽马光子首先经闪烁晶体所转换的可见光光子打在 PMT 的光阴 极上，发生光电效应而产生一定数目的初始光电子。这些光电子在光阴极和各级倍增 极之间的电压作用下加速，而被有效地接连放大并集中到下一极，最后在 P

30、MT 的阳 极形成很大的电子流，由负载电阻进一步转换为易于处理的电压脉冲。上述过程中产 生的电流或电压脉冲的大小与入射在光阴极上的光子数目成正比，由此可以了解伽马 光子的能量信息。 电子学电路：光电倍增器件输出的电脉冲信号由电子学电路进行分析处理，以提 取伽玛光子的能量信息和位置信息。通常从闪烁晶体输出的光脉冲会被排成阵列的多 个 PMT 探测到，基于 Anger Logic 位置算法26，可以通过将所有 PMT 探测到的能量 沿 X、Y 两个方向进行累加并进行加权计算，由此分别获得其在 Y、X 方向上的坐标。 通过累加所有 PMT 探测到的能量，可以获得伽马光子的能量信息。电子学电路可以 是

31、由纯模拟电路来实现的，通过对脉冲积分可以获得脉冲的能量，再经能量校正，进 而完成伽马光子在晶体内沉积的坐标的计算、能量甄别等过程，最终生成伽马光子计 数的二维位置分布图。上述处理也可以采用数字化的脉冲处理技术，即将光电倍增管 输出的脉冲进行数字化采样，然后基于数字化的脉冲信号来进行伽玛光子的信息提 取。 （4）图像生成 类似于普通的光学相机，探头在物体一侧一定位置对着物体扫描一定时间，可以 获得该位置下的物体图像。只不过 SPECT 探头所直接获得的是伽马光子的计数图， 这些伽马光子不只来自于物体的表面，还主要地来自于物体内部不同深度处，因此这 一计数图也被称为投影图。对于平面成像来说，SPE

32、CT 系统仅需生成投影图即可。对 于断层成像，为进一步获得伽马光子来源的深度分布，需要进行图像重建处理。通常 让探头以一定角度间隔围绕物体做 360 度旋转，在每一旋转位置处扫描一段时间，如 此可以获得物体朝各方向的投影图。进而基于这些投影图，可以利用断层图像重建算 法完成对光子来源的三维分布进行重建。三维重建策略有两种，一种是间接的三维图 像重建， 即先进行二维断面的重建， 然后将一系列断层图像叠在一起而获得三维图像， 另一种是直接的三维图像重建。重建算法27-29整体上可以分为如下两大类： 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 10 解

33、析法：解析法重建基于中心切片定理，对物体的 360 度投影图，进行比较简单 的滤波和反投影等操作即可完成断层图像的重建。简单起见，此处描述二维的中心切 片定理如下：一个二维分布沿一个角度的投影的一维傅里叶变换为该二维分布的二维 傅里叶变换在相应角度上穿过坐标原点（即中心）的直线上的取值（即切片）。常用 的解析算法包括滤波反投影（即 FBP 算法）、卷积反投影（即 CBP 算法）等等。解 析算法计算速度极快，可以实现实时成像，另外对计算资源要求也很低，通常是临床 SPECT 仪器必备的重建算法选项。 但是解析算法重建图像质量较差，对比度分辨率较 低，噪声以及伪影较强。在解析算法框架下的校正，如衰

34、减校正、准直器伪影校正等 都较为困难。 迭代法：图像重建问题可以看做是一个超大线性方程组的求解问题。该线性方程 组存在一些病态特征，如方程个数比变量多、方程本身存在误差（探测计数的噪声） 等。迭代法重建首先需要对误差（或噪声）进行一定的模型假设，然后推导出相应的 目标函数，继而采用优化算法来进行目标函数的最值求解。求解所获得的图像分布即 为重建结果。迭代法种类非常多，包括基于高斯噪声模型假设的代数迭代法（如 ART 算法及其变体等27）、基于泊松分布模型假设的最大期望似然函数法（即 MLEM 算 法）30-31、最大后验概率法（即 MAP 算法32）等等。这些算法通常速度较慢，对计 算机 CP

35、U 和存储资源的要求较高，但是所获得的图像质量一般远优于解析算法，噪 声和伪影较弱。为进一步缓解迭代重建对于计算资源的需求，算法加速技术也被大量 研究33-36。如今，各大厂商的重建软件都配置了复杂的迭代重建工具包37，可以在适 当的重建时间内获得明显优于解析算法的图像质量。 迭代算法可以对伽马光子的探测过程进行比较准确的建模37-44，如光子在组织中 的衰减和散射、准直器的分辨率模糊特征、探测器的灵敏度和分辨率等。这些建模通 常带来的是图像质量的优化、 空间分辨率的提升， 但也极大增加了重建过程的复杂度、 计算量、存储量等。随着建模方法的优化和计算能力的提升，临床机器逐渐也配置了 在迭代过程

36、中对于影响图像质量的不同因素的校正，如衰减校正45-48、散射校正49-52 等。在当前的迭代重建中进行基于 CT 图像的衰减校正已经是常规的重建选择。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 11 1.4 SPECT 准直器 在光学成像系统中， 光线经透镜调制而成像。SPECT 系统基于伽马光子的探测来 成像，相较于可见光光子，伽马光子能量很高，不能再使用透镜来进行伽马光束的调 制。准直器则发挥了类似于透镜的作用。但不同的是，透镜是通过对光线的折射来调 制光束，而准直器则通过对伽马光线的阻挡、筛选来调制伽马光束。由于这一机制上 的差别，准直

37、器虽然成功地被用于对伽马光束调制，其效率则因大量的伽马光子被阻 挡而大为折损。尽管如此，SPECT 成像中尚没有更好的准直器的替代品。 作为 SPECT 成像的核心部件，准直器的性能是决定 SPECT 系统性能的最主要因 素。SPECT 系统设计的关键也在于对准直器的设计。分辨率、灵敏度、成像视野大小 为 SPECT 准直器设计所需要考虑的三大指标。制作完毕的准直器根据其性能特点可 适应于一定类型的成像应用。在实际应用中，需要根据应用需求来进行准直器类别选 取。经历了多年的发展，常见的应用于 SPECT 成像的准直器包括平行孔准直器、发 散孔准直器、汇聚孔准直器、针孔准直器等53。此外，也出现

38、许多复合型的准直器， 如组合平形孔和针孔准直器特征的缝板准直器、组合平行孔和发散孔准直器特征的扇 束准直器等。近年来，突破平行孔及小孔成像概念等的新型设计的准直器也有出现， 如多路平行束准直器54-56等。下面对应用于 SPECT 成像的多种准直器的成像原理、 设计参数、性能特点等进行介绍。 （1）平行孔准直器 平行孔准直器是临床 SPECT 成像中最常用的准直器。其最早由 Anger 提出57， 结合 Anger 相机对单光子核素分布进行平面成像。这种类型准直器包含大量平行排布 的长孔，从孔的一侧看过去，其外观呈蜂窝形状。图 1-5 为其三维结构示意图。沿孔 飞行的伽马光子可以没有损失地通过

39、准直器；与孔成一定角度飞行的伽马光子则因碰 撞在孔壁上而被散射甚至吸收。因此，平行孔准直器可以筛选出朝特定方向飞行的伽 马光子，从而对被检测的物体成相应角度下的平面投影图像。容易理解，平行孔准直 器所成图像具有与物体等大、同向的特点。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 12 图 1-5 平行孔准直器结构示意图2。 Fig. 1-5 The structure diagram of a parallel-hole collimator. 平行孔准直器的性能取决于准直孔的大小、孔深、壁厚等参数。孔越大，穿过一 个准直孔的光束就比较宽；孔越深

40、，对斜射光束的限制就越强；孔壁越厚，对伽马光 子的阻挡就越强。因此，要获得比较高分辨率的准直器，就需要减小孔径、增加孔深； 要获得比较高灵敏度的准直器，就需要减小壁厚、增大孔径、减小孔深。实际成像中， 为保持一定的分辨率，平行孔准直器的灵敏度通常较低，这使得成像时间通常较长， 约从十几分钟到几十分钟。 早期的准直器制作工艺大都采用波纹板粘接技术，也即将一些列压制成波纹状的 薄板按一定规律堆叠在一块儿形成准直器，相邻两块儿波纹板之间的波纹对接形成准 直孔。这种工艺依赖手工制造，所制造的准直器质量粗糙、孔的均匀性差，因此使得 成像性能差且图像中可能包含新的伪影。 这些早期的准直器非常笨重， 其厚度

41、达 5cm， 准直孔直径约为 3mm。80 年代以来，随着准直器制造工艺的发展，如微孔铸造技术 的应用成功，使得所制作的准直器的孔径可以小到 1.0mm，孔的均匀性也明显变好， 使得成像质量可以得到明显提升。 通常根据应用需要确定平行孔准直器的孔的类型及其排布以及上述结构参数和 制作材料。不同参数的平行孔准直器往往具有不同的分辨率和灵敏度组合。目前，常 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文文 13 见于临床的平行孔准直器一般根据所适应的伽马光子能量和性能而划分为低能高分 辨准直器（Low Energy High Resolution，简称 LEHR）、低能高灵敏度准直器（Low Energy High Sensitivity， 简称 LEHS） 、 低能通用型准直器 （Low