用於映射x－射線螢光標記物分布的裝置和方法
2023-09-17 14:26:30 1
專利名稱：用於映射x－射線螢光標記物分布的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及用於映射身體體積中X-射線螢光標記物的分布的方法和裝置，其中標記物的螢光由X-射線源激發。
背景技術：
在文獻中已經描述了用於分子成像的方法，其中表明了與藥物複合的具有較高原子序數的原子的X-射線螢光輻射(Takeda等人的名為「Fluorescent scanning X-ray tomography with synchrotronradiation」，1995，Rev.Sci.Instrum.Vol.66，1471-1473頁)。當來自能量更高的量子能級的電子落到較低的量子能級位置時，產生X-射線螢光(XRF)，該較低的量子能級由具有足夠高量子能的初級X-射線事先釋放。由於發射的XRF光子的光譜特徵在於發射元件，並且光譜線的強度與XRF標記物的質量成比例，因此甚至是低濃度標記物的空間分布也可用這種類型的技術高靈敏度的檢測。
然而，上述技術遭遇了如下問題，即X-射線螢光的測量受到來自單個或多個非彈性散射的X射線量子的背景輻射的影響。在該相關技術中，一種方法得自US5497407，藉助該方法，可確定樣品中X射線螢光材料的成分和量。在該方法中，來自受激發樣品的次級輻射的X射線螢光成分通過照射多個不含待識別材料的參考樣品，並根據所產生的次級輻射計算平均值來近似確定。然後從待檢樣品的測量值中減去該平均值作為由於其它散射作用產生的背景值。然而當檢查患者時，不能使用這種方法，因為在這種情況下無法得到不含XRF標記物的參考體積(volume)。
發明內容
考慮到這種背景，本發明的一個目的在於提供一種更準確地確定X射線螢光輻射的裝置，更具體地，當映射XRF標記物在身體體積中的分布時，能夠使用該裝置。
通過具有權利要求1的特徵的裝置以及具有權利要求9的特徵的方法來解決該問題。有利設計在從屬權利要求中描述。
根據本發明的用於映射XRF標記物在身體體積，諸如患者的器官中的分布的裝置，包括下列元件用於將射線束直接發射到身體體積上的X射線源，所述射線束包括量子能高於XRF標記物的K-邊界的第一射線成分，和量子能低於XRF標記物的K-邊界的第二射線成分。詳細而言，這意味著第一射線成分(實質上)中量子能的光譜僅含有高於K-邊界的量子能，而第二射線成分的相應光譜完全低於K-邊界。
一個用於檢測來自身體體積的次級輻射的檢測器，所述檢測器設置在X射線源的射線束外部。在本文中，術語「次級射線」包括由來自X射線源的射線束的(初級)量子與身體體積之間的相互作用產生的任何輻射。因此，特別地，次級輻射包括單個或多個彈性或非彈性的散射輻射，和目前由初級量子的吸收和後來XRF量子的再次發射引起的相關的X射線螢光輻射。
用於調節X-射線源的射線束中第一和第二束成分之間的強度比的裝置。在極端的情況下，如果需要，束成分的強度比可顯著降低。
通過上述裝置，待檢查的身體體積可用兩種光譜不同的射線成分照射，第一射線成分引起XRF標記物的X射線螢光的激發，而第二束成分不能誘導這種X射線螢光。因此，該第二束成分將專門地引起不含任何X射線螢光成分的次級輻射。由於第一和第二成分之間的強度比是可調節的，沒有任何螢光成分的次級輻射(此後作為「背景輻射」)和X射線螢光輻射之間的關係同樣是可以調節的。這轉而可用於確定總的次級輻射中的X射線螢光輻射成分，所述總的次級輻射將在下面參照本發明的幾個優選實施例進行更為詳細的解釋。該裝置給出了特別的優點，即不需要身體體積的變化，而只需要改變裝置的操作模式。因此，該裝置特別適於在涉及分子成像的醫學過程中使用。
用於調節第一和第二射線成分之間的強度比的裝置可以各種方式來實施。例如，X射線源中的射線束可通過激發分別含有不同的第一和第二光譜的數量比例的源的各種靶標產生。因此由這種源發出的輻射總和將取決於源的數量比例。在一個特別優選的設計中，用於調節強度比例的裝置包括可移動定位在身體體積前面的光束中的過濾器。因而進入身體體積的射線束具有不同的光譜成分，這取決於其是否事先通過過濾器。雖然實際上可完全通過任何其它輻射，優選地，過濾器調節高於待檢XRF標記物的K邊界的任何輻射的強吸收。
根據優選設計，上面提到的過濾器由待檢XRF標記物的材料製成，或者含有所述材料。在這種情況下，過濾器必須精確吸收來自XRF標記物K邊界的輻射，結果是過濾器的使用相應地減弱了第一輻射成分，因而降低了X射線螢光的誘導。
根據X射線源的優選設計，第一射線成分和/或第二射線成分為單色的或者準單色的，所述射線成分的(平均)量子能從XRF標記物的K邊界的偏移低於10％，優選低於3％。特別優選的是，如果第一和第二射線成分都是(準)單色的，第一射線成分的光譜最大值略高於XRF標記物的K邊界，第二射線成分的光譜最大值略低於XRF標記物的K邊界。第一和第二射線成分的鄰近光譜近似提供了如下優點，即除X射線螢光之外的所有散射過程對於兩種射線成分來說幾乎都是相同的，使射線成分產生了相同百分比的背景輻射和相同的光譜路徑。考慮到X射線螢光的激發，然而，射線成分之間存在著主要差別，因為螢光可僅僅由第一射線成分誘導。通過極大地抑制第一射線成分，背景輻射的比例可由此被測量。
根據另一種優選設計，X射線源包括作為靶標的具有代表第一射線成分的Kα1-線和代表第二射線成分的Kα2-線的元件。由Kα1-線和Kα2-線同時發射所產生的射線成分因此是單色的或者準單色的。所述元件優選以其Kα1-線剛好位於待檢標記物的K邊界之上，其Kα2-線剛好位於待檢標記物的K邊界之下的方式來選擇。
裝置的檢測器優選設計為以位置和/或能量分辨(resolved)的方式來測量次級輻射。能量分辨(即光譜)測量提供了可在特定XRF發射線處確定次級輻射，而由於背景輻射光譜的其它成分可被排除的優點。有利地，檢測器的能量解析度不需要滿足最高的精確標準，因為次級輻射中的X射線螢光輻射的成分可採用該裝置以另一種方式確定。由於這種原因，可用具有閃爍晶體(例如NaI)或者伽瑪相機的檢測器來代替相對昂貴的半導體檢測器。
位置分辨測量提供了測量的次級輻射的原點的幾何點可被更精確地確定的優點，其是成像方法的前提。例如，檢測器可以包括限定進入身體體積的視覺平行線的瞄準儀。當在瞄準儀的特定室中檢測輻射時，其方向可由此而確定。
根據又一方面，所述裝置包括在X射線源的射線束中相對於第一檢測器定位並且能夠對通過身體體積的透射輻射進行位置分辨測量的第二檢測器。通過第二檢測器，可產生用於成像形態學結構的常規X射線投影圖像。這意味著，由於初級輻射，裝置可同時產生XRF標記物的分子分布圖像和常規的形態學X射線圖像。
如果需要，有利地，裝置的元件—這些作為X射線源和次級輻射檢測器，以及上面提到的第二檢測器—通過機械裝置彼此永久連接並圍繞旋轉軸樞轉。因此，裝置的整個成像機構可圍繞待檢身體體積旋轉，而其元件的相對集合位置保持不變。在這種方式中，通過身體體積的(二維或者三維)剖面可採用現有技術中已知的計算機斷層攝影的重建算法來產生。
本發明還涉及確定XRF在身體體積中的分布的方法，所述方法包括如下步驟a)用具有量子能高於XRF標記物的K邊界的第一射線成分和量子能低於XRF標記物的K邊界的第二射線成分的射線束照射身體體積。
b)測量來自身體體積的由所述射線束照射所產生的第一次級輻射，優選在射線束外的一點進行。
c)進一步用具有不同強度比的第一和第二射線成分的射線束照射身體體積。
d)測量來自身體體積的由所述改變的射線束所產生的第二次級輻射(優選在射線束外的一點進行，特別是與步驟b中相同的點)。
e)通過將測量的第一和第二次級輻射進行比較，確定次級輻射的實質上專門由於XRF標記物的螢光產生的那些成分。
特別地，該方法採用上面提到的類型的裝置來完成，因此上面的描述也適用於關於細節、優點和其它方面的解釋。通過以兩種不同的方式照射身體體積，對於激發X射線螢光的第一射線成分，每次具有不同的值，可分離出背景輻射成分。因此，X射線螢光輻射可高準確度地確定。
根據本發明的優選實施例，(第一和第二)次級輻射僅僅在在其處檢測到多散射的點進行確定。不含單散射成分的多散射主要在反向散射(backscatter)方向上在高於初級輻射的單散射康普頓峰的散射光譜中觀察。術語「反向散射」以相對於入射的初級輻射大於90°的角度覆蓋輻射。在這種情況下，至少一種次級輻射光譜通過數學近似函數(approximation function)確定。由於多散射已知是初級量子的多散射過程的結果，因此其實質上獨立於受檢身體體積的幾何形狀。考慮到這一點，藉助函數對次級輻射光譜的近似同樣獨立於身體體積。無噪聲函數的使用保證了當計算螢光信號時信號中的統計噪聲不進一步增加。
本發明的這些和其它方面從參照下述實施例的描述是顯而易見的，並將參照此後描述的實施例來闡明。
在附圖中圖1是根據本發明的具有用於顯示X射線投影的透射檢測器的裝置的圖示。
圖2和3顯示了射線路徑中不含過濾器(圖2)和含有過濾器(圖3)的初級和次級輻射的強度流。
具體實施例方式
採用圖1中顯示的裝置，可同時產生身體體積14的形態學圖像和XRF標記物16在所述體積14中的分布的分子圖像。由於這種原因，該裝置包括X射線源10，例如購自Panalytical的Flour』X裝置，其中靶標由電子束撞擊。然後靶標發射出X射線輻射，而將源10作為扇形射線束12。在透過身體14後，束12遇到用於到達那裡的射線強度的位置分辨測量的線狀透射檢測器20。在該方式中，可產生X射線投影，其中透射檢測器20上的每個圖像點呈現了在身體14中沿著從圖像點到射線源10的連線的整體的X射線吸收。
身體體積14還包括由射線束12的初級輻射激發的發射X射線螢光的XRF標記物16的分布。為了檢測這種X射線螢光輻射，在射線束12外提供另一檢測器30，在圖示的實施例中其可以設計為伽瑪相機。在照相機30的感光表面的前方，有一個具有平行葉片(blade)的瞄準儀32。葉片的高度通常為100mm，間隔5mm。瞄準儀保證撞擊到兩個葉片之間的檢測器表面上的(次級)輻射被限制為限定的窄的立體角(solid angle)，允許這種輻射的位置分辨測量。
然而，不僅待檢測X射線螢光輻射到達檢測器30，而且一些由初級量子的單散射或多散射過程所引起的其它背景輻射也到達檢測器30。背景輻射和X射線螢光一起代表了來自由檢測器30檢測的身體體積14的次級輻射。為了準確地確定XRF標記物16在身體體積中的分布，需要對來自身體體積的X射線螢光輻射有非常準確的認識。然而，當通過共同檢測的背景輻射使用檢測器30時這變得很困難。
為了解決這個問題，下面顯示了一種方法，通過該方法可確定次級輻射的背景輻射成分。作為例子，假定XRF標記物16基於重金屬釓Gd，其結合在藥理活性物質中。然後這種物質在體內的分布可用作指示，例如用於新陳代謝過程的指示。與任何XRF標記物相同，如果誘導X射線螢光，Gd需要最小的衝擊輻射能。這種能量由所謂的元件的K邊界限定，並與從原子的最低能級釋放一個電子所需的能量相對應。Gd的K邊界為50.239keV。
X射線源設計為發射具有兩種成分的射線束12。第一射線成分具有高於所述K邊界的量子能，而第二射線成分具有低於K邊界的量子能。這兩種射線成分優選為單色的，波長在K邊界附近。具體地，第一射線成分可由銩Tm的Kα1-線產生，並且第二射線成分可由其Kα2-線產生。這些線靠近Gd的K邊界(TmKα1＝50.73keV，TmKα2＝49.76keV)。由於兩線之間的能量差僅僅大約為2％，相同的散射過程產生基本相同的背景輻射光譜(附加條件是如在本發明的上下文中限定的「背景輻射」不包括任何X射線螢光成分)。
圖2是來自源10的兩種射線成分的強度流的圖示。與Kα1-線相關的第一成分具有強度I1，根據該強度，通過散射過程提取身體體積14中的背景輻射成分B1，並且X射線螢光成分F通過與XRF標記物16的相互作用提取。與Kα2-線相關的第二成分具有強度I2，根據該強度，提取身體體積14中的背景輻射成分B2。第二射線成分不產生任何X射線螢光輻射，因為包含的初級量子能太低。
採用圖2中顯示的變量，由檢測器30測量的總的次級輻射ST可表示如下ST＝F+B1+B2(1)
如上所述，由於第一和第二射線成分的量子能值彼此接近，在較好的近似中相關強度的相同百分比被轉換成背景輻射。結果，通過近似應用如下方程B1/B2＝I1/I2(2)在該上下文中，假定離開源10的射線成分的兩種強度I1和I2的比值I1/I2是已知的或者可被確定。
為了計算所需的X射線螢光成分F，建議的方法包括採用照射到身體體積14中的不同比值的強度的第二測量，由此改變X射線螢光和背景輻射的相對成分。所述強度比值的變化可通過將合適的過濾器22引入到X射線源10的射線路徑中來實現，過濾器22吸收高於K邊界的輻射比吸收低於這種能量閾值的輻射更強。所述過濾器的特徵在於最容易通過採用與XRF標記物相同的材料製成過濾器22，在本例子中為Gd。
如圖3所示，過濾器22僅僅允許第一射線成分(Kα1-線)的強度I1的極大減小的成分a1I1通過身體體積14。在第二射線成分的強度I2中，成分a2I2離開過濾器22，其中a1必須＜＜a2。因子a1、a2可根據下列方程計算a1＝exp(-μ1Gd·W)(4)a2＝exp(-μ2Gd·W)(5)其中μ1Gd是Gd過濾器在Tm的Kα1-線處的吸收係數，μ2Gd是Gd過濾器在Tm的Kα2-線處的吸收係數，W是過濾器22的厚度，所有的變量都應當是已知的。
圖3還表明過濾的射線成分產生在檢測器30中檢測到並具有下列附加組成的次級輻射SBSB＝a1F+a1B1+a2B2(6)因此，三個方程(1)、(2)、(6)共同用來計算未知變量B1、B2和F；在本上下文中，這些中最相關的是X射線螢光信號F。
雖然這裡已經採用Gd作為XRF標記物的例子對本發明進行了解釋，但是具有相同特徵的其它系統也是可行的。例如K邊界為57.48keV的鉺Er也是適合的XRF標記物，其具有由鉭Ta的Kα1-線(57.52keV)和Kα2-線(56.27keV)產生的二色性X射線輻射。
上述背景輻射補償的應用增大了計算的螢光光譜F中的統計燥聲。為了降低這種影響，如圖1中所示，檢測器30優選地測量反向散射，該反向散射被定義為具有相對於初級輻射的＞90°的散射角。在反向散射中只有多散射對初級輻射的量子能範圍產生貢獻的事實是已知的。由於這種原因，背景的形狀不依賴於散射對象的精確的幾何形狀。因此，背景光譜SB可通過使用標準算法進行曲線擬合以數學的方式近似地確定，例如藉助三次多項式。適應的曲線不含統計噪聲(除了多項式係數的估計精確度以外)，使背景輻射的減少不增加F中的統計噪聲。還能縮短背景光譜的測量時間，使總的測量時間可通過測量X射線螢光光譜ST初步確定，從而初步確定患者的劑量。
採用描述的方法，還不需要使用用於對次級輻射成像的具有高能量解析度的半導體檢測器(例如Ge)。相反，可使用具有低能量解析度的檢測器，諸如閃爍檢測器(NaI)。這極大地降低了檢測器的成本，或者作為替代地，允許使用具有更好信噪比的更大檢測器。常用的具有量子能量解析度≤10％和位置解析度在微米範圍內的Anger型伽瑪相機30(見圖1)特別適用於本發明。
在圖1中顯示的全部裝置，包括X射線源10、過濾器22、透射檢測器20和具有瞄準儀32的檢測器30進一步優選為可圍繞通過身體體積14的旋轉軸樞轉。因此，掃描平面18可以變化的角度在兩個檢測器20、30上成像，可通過已知的計算機斷層攝影方法對其進行二維重建。特別地，可以首先通過透射檢測器20提供身體體積的形態學重建，然後使用該重建的結果確定X射線標記物16的分布。
權利要求
1.一種用於映射XRF標記物(16)在身體體積(14)中的分布的裝置，包括-用於發射射線束(12)的X射線源(10)，所述射線束包括量子能高於XRF標記物的K-邊界的第一射線成分(I1)和量子能低於標記物的K-邊界的第二射線成分(I2)；-用於檢測來自身體體積(14)的次級輻射的檢測器(30)，所述檢測器位於X射線源(10)的射線束(12)外部；-用於調節射線束(12)中第一和第二射線成分之間的強度比的裝置(22)。
2.根據權利要求1的裝置，其特徵在於用於調節強度比的裝置包括可移動地位於射線束(12)中的過濾器(22)。
3.根據權利要求2的裝置，其特徵在於過濾器(22)含有XRF標記物的材料或者由其製成。
4.根據權利要求1的裝置，其特徵在於第一射線成分(I1)和/或第二射線成分(I2)為單色的或者準單色的，所述射線成分的量子能從XRF標記物的K邊界偏移低於10％，優選低於3％。
5.根據權利要求1的裝置，其特徵在於第一射線成分由元件的Kα1-線代表，並且第二射線成分由元件的Kα2-線代表。
6.根據權利要求1的裝置，其特徵在於檢測器(30)能夠對次級輻射進行位置分辨的和/或能量分辨的測量。
7.根據權利要求1的裝置，其特徵在於所述裝置包括位於射線束(12)中並且能夠對通過身體體積(14)的透射輻射進行位置分辯的測量的另一檢測器(20)。
8.根據權利要求1的裝置，其特徵在於所述裝置的元件彼此耦合在一起，並共同能夠圍繞旋轉軸樞轉。
9.一種用於確定XRF標記物(16)在身體體積(14)中的分布的方法，包括如下步驟a)用具有量子能高於XRF標記物的K邊界的第一射線成分(I1)和量子能低於XRF標記物的K邊界的第二射線成分(I2)的射線束(12)照射身體體積(14)；b)測量來自身體體積(14)的產生的第一次級輻射；c)用具有不同強度比的第一和第二射線成分的射線束照射身體體積(14)；d)測量來自身體體積(14)的產生的第二次級輻射；e)通過將第一和第二次級輻射進行比較，確定由於XRF標記物的螢光引起的次級輻射的那些成分。
10.根據權利要求9的方法，其特徵在於在僅僅檢測反向散射的點測量次級輻射，並且次級輻射的至少一個光譜通過藉助函數的近似來確定。
全文摘要
本發明涉及用於確定身體體積(14)中X－射線螢光(XRF)標記物(16)的分布的方法和裝置。用來自X－射線源(10)的射線束(12)照射身體體積(14)，該X－射線源(10)具有量子能剛好高於XRF標記物(16)的K－邊界的第一射線成分，和量子能剛好低於XRF標記物(16)的K－邊界的第二射線成分。來自身體體積(14)的第二射線成分以位置分辨的方式由檢測器(30)檢測。為了將X－射線螢光成分從背景輻射中分離出來，用射線束對身體體積進行第二次照射，其中通過由X－射線標記物材料製成的過濾器(22)將第一射線成分從射線束中完全除去。
文檔編號G01N23/223GK1922476SQ200580005414
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月11日 優先權日2004年2月20日
發明者G·哈丁, G·馬滕斯, H·巴施多夫, B·施維策爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司