基于Monte Carlo模拟设计MicroSPECT针孔准直器

　MicroSPECT (micro single photon emission computed tomography)是一种专用于小动物成像的分子核医学成像设备。在MicroSPECT系统设计中需要兼顾高空间分辨率和高灵敏度这两个主要性能。准直器及成像系统参数的选择设计是这两个性能达到期望指标的关键因素。通过采用针孔准直器可实现高分辨率成像,同时采用多针孔或编码孔针孔准直器可以提高γ光子的透过效率[1,2]。本文研究NaI切割晶体与多块H8500平板光电倍增管拼接[3]耦合的探测器设计方案。根据它的有效探测面积、固有空间分辨率和能量分辨率等参数,以及期望达到的系统性能指标,对准直器和成像系统参数进行设计。解析计算只适用于准直器为无限薄理想吸收介质的情况,对于需要考虑准直器厚度、针孔形状、光子的穿透和散射效应的实际物理过程,却难以对其准确描述,而Monte Carlo方法则能准确建模,模拟结果计算对设计具有指导意义。

本文针对不同的成像条件,用Monte Carlo方法模拟估计了相应的成像性能指标,根据不同的成像性能指标,确定了两组设计方案,并对两组方案在成像时光子的穿透和散射效应进行了评估。

1　MicroSPECT成像系统几何参数

MicroSPECT系统采用四探头同时扫描成像,每个探头由一块NaI切割晶体耦合4个H8500平板光电倍增管构成,其有效探测面积为101 mm×101mm。要对小老鼠成像,要求成像视野(field of view,FOV)直径d≈30mm。单孔准直器探头如图1所示,

图中针孔准直器采用5mm厚的钨板,各项几何参数标示已标注于图中。给定针孔张角θ和准直器旋转半径b,则d≤2bsin(θ/2)。对应不同的针孔张角,需要根据探测器有效面积和FOV设计要求,确定准直器旋转半径b及焦距a,并得到放大倍数M=b/a。表1给出了4种不同张角θ情形下b、d、a和M的取值。

2　基于Monte Carlo模拟确定设计方案

对于表1给出的4种不同的成像系统参数方案,需要通过Monte Carlo方法模拟估计成像性能指标,为最终设计方案的确定提供依据。

图1中所示的针孔形状为船底形。当H=0时,针孔形状变为刀形。为考察孔壁穿透效应的影响,使用MCNP 4c程序[4]模拟θ=90°、D=0.5 mm的刀形针孔准直器,对99mTc发出的140 keV光子(下同),模拟光子数为4×109个,计算获得位于视野中心的点源的投影图像,如图2所示。准直器的材料分别为理想吸收介质(图2a)和5mm厚的钨板(图2b),图2c是图2b光子计数减去图2a光子计数所得的结果,它反映了穿透效应对投影数据的贡献。图2a中的光子计数为150 264,图2b中的光子计数为439192,这说明穿透效应引起的光子计数所占全部光子计数的份额相当大,在设计时不能忽略。

　　船底型针孔孔型设计可以减小边缘穿透效应的影响,从而提高空间分辨率,但同时将降低灵敏度,而且还会造成距探测器平面距离相同而距准直孔轴线距离不同的位置上灵敏度的差别,距离准直孔轴线越远的点,灵敏度下降越多。当H>Dcot(θ/2)时,视野还将被截断。