CN101578534A - 快速辐射探测器 - Google Patents

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Abstract

一种辐射探测器(100)包括闪烁体(102)、波长移动器(112)和光电探测器(110)。闪烁体(102)产生第一相对较短波长，例如紫外或深紫外波长的闪烁光子。光电探测器对光谱可见部分中的光子敏感。波长移动器减小闪烁体(102)和光电探测器(110)之间的光谱失配。

Description

快速辐射探测器
本申请涉及辐射探测器。本发明尤其适用于正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)和受益于使用相对较高速电离辐射探测器的其他系统。本发明还涉及受益于探测器部件改善的光谱匹配的应用。
基于闪烁体的电离辐射探测器包括与光电探测器光学连通的闪烁体。响应于被探测器接收到的辐射，闪烁体产生具有相对较低能量的光子。所产生的光子又被光电探测器接收，光电探测器产生表示所接收辐射的电信号。
闪烁探测器的性能受到各种因素影响，包括闪烁体和光电探测器的特性。例如，一般希望闪烁体在将期望能量的被接收辐射转换成光子方面效率相对较高。作为另一范例，在很多情况下闪烁体的速度可能会限制探测器系统的最大计数速率和飞行时间探测器系统中的测量精度。
闪烁探测器的性能还受到闪烁体和光电探测器之间交互作用的影响。例如，通常选择给定探测器系统中使用的闪烁体和光电探测器，使得光电探测器对于闪烁体发射的波长(一个或多个)的光子较为敏感。不过，将要认识到，可用的闪烁体材料和光电探测器的相对性能特性可能对于给定应用而言不到最佳性能。
闪烁探测器获得广泛接受的一种应用是在正电子发射计算机断层摄影(PET)系统中。例如，在医学中，医学专业人士在疾病诊断和治疗方面使用来自PET扫描的信息。实际上，已经使PET扫描仪对诸如癌症和心脏病的疾病诊断和治疗以及诸如分子成像和治疗的紧急领域中做出重要贡献，且预计其继续会做出重要贡献。
在PET系统中，使用探测器探测引入患者解剖体内的放射性示踪剂衰变导致的正电子湮没的符合511千电子伏(keV)γ射线特征。PET系统常规上使用与诸如光电倍增管(PMT)的光电探测器光学连通的诸如锗酸铋(BGO)或铊激活碘化钠(NaI：T1)的闪烁体。使用扫描期间探测到的来自很多次湮没的信息来产生表示相关病理的图像。
近来，已经有了相对较快的闪烁体，例如铈激活的氧正硅酸镥(LSO)和氧正硅酸镥钇(LYSO)。这些闪烁体通常具有大约30到70纳秒(ns)量级的闪烁衰变时间，被用在飞行时间PET扫描仪中，测量符合511keV γ射线的到达时间差异。再将这一额外的飞行信息时间用于估计各种正电子湮没沿沿其相应的符合线的位置。可以将飞行时间扫描仪提供的额外位置信息用于针对给定成像时间或示踪剂剂量产生质量相对较高的图像。
虽然如此，仍然有改进的空间。对于飞行时间PET扫描仪而言或在其他飞行时间探测系统中，例如，常常希望提高飞行时间测量的精度。在对计数速率敏感的应用中，在很多情况下可以使用相对更快的探测器来提高最大计数速率。在其他情况下，可能希望改善闪烁体和光电探测器之间的交互，或者在选择闪烁体和/或光电探测器方面提供额外的灵活性。
本申请的各个方面解决了这些问题和其他问题。
根据一个方面，一种设备包括闪烁体，所述闪烁体响应于接收的辐射产生光子；波长移动器，所述波长移动器具有从闪烁体接收光子的第一主表面。波长移动器产生波长比所接收光子相对更长的光子。该设备还包括与波长移动器可操作地连通的波长选择性干涉滤波器以及与波长移动器的第二主表面光学连通的光电探测器。光电探测器产生表示波长移动器产生的光子的电信号。
根据另一方面，一种方法包括响应于接收的电离辐射产生第一光子；响应于所述第一光子产生经波长移动的光子；沿所述波长移动器的方向反射第一光子和经波长移动的光子中的至少一种；以及产生表示所述经波长移动的光子的电信号。
根据另一方面，一种设备包括闪烁体，其具有少于大约20到25ns的发光衰变时间；光电探测器；以及在光学上设置在闪烁体和光电探测器之间的光谱匹配器。光谱匹配器减小闪烁体产生的光子和光电探测器的光谱灵敏度之间的光谱失配。
在阅读并理解以下详细说明的基础上，本领域的普通技术人员将会理解本发明的其他方面。
本发明可以具体化成各种组件和组件布置以及各种步骤和步骤的布置。附图仅用于例示优选实施例，不应视为限制本发明。
图1是辐射探测器的截面图；
图2示出了辐射探测器；
图3示出了正电子发射断层摄影设备。
参考图1，辐射探测器100包括闪烁体102，闪烁体102响应于在探测器的辐射敏感面106接收的电离辐射104而产生闪烁光子。闪烁体102产生的光子的能量低于辐射104的能量，发射光子的光子发射谱以及(因此)光谱特性是选择用于闪烁体102的材料的函数。在很多情况下，相对较快的闪烁体材料表现出在光谱的紫外(UV)或深UV(DUV)部分中的峰值光子发射，例如短于大约350纳米(nm)。
诸如一个或多个光电倍增管(PMT)、光电二极管或硅光电倍增管(SiPM)的光电探测器110产生表示光电探测器接收的光子的电信号。在一种实现方式中，光电探测器100在一般长于闪烁体的光子发射谱的波长处具有最高灵敏度，例如在光谱的可见部分中(即大约400到700nm之间)和/或在光谱的近红外部分中(即在直到大约1100nm的波长处)。
在闪烁体104和光电探测器110之间设置波长移动器或下变频器112。波长移动器112接收闪烁体104产生的相对较短波长的光子并产生相对较长波长的光子，以便由光电探测器110探测。
设置在闪烁体102和波长移动器112之间的第一波长选择性滤波器114允许闪烁体102产生的波长的光子通过第一滤波器114到达波长移动器112，同时将波长移动器112产生的波长的光子反射回波长移动器112。设置在波长移动器112和光电探测器110之间的第二波长选择性滤波器116允许波长移动器112产生的波长的光子通过第二滤波器116到达光电探测器110，同时将闪烁体102产生的波长的光子反射回波长移动器112。
可以基于应用特异性要求，例如要探测的辐射104的能量或能量范围、所需的探测器100的速度、性能和成本等选择用于闪烁体102、光电探测器110、波长移动器112和滤波器114、116的适当材料及其性质。在一个这种范例中，一种特定的闪烁体材料102(或这种材料的类)由于其速度、发光效率、阻挡能力、物理或机械性质或其他特性而可以尤其适用于给定应用。作为另一个范例，光电探测器110可以具有适用于该应用的速度、效率或其他特性。实际上，在一些情况下可能希望优化特定闪烁体102或光电探测器110的设计或闪烁体102/光电探测器110组合的设计，以满足特定应用的要求。
不过，闪烁体102的光子发射谱和另一适当光电探测器110的光谱灵敏度之间的对应关系可能欠佳。因此，可以配置波长移动器112来减轻光谱的失配。类似地，可以基于闪烁体102、波长移动器112和/或光电探测器110的光谱特性选择滤波器114、116的性能特性。尽管通常可以预期滤波器114、116会更有效地利用来自闪烁体102的光子，但也可以省略滤波器114、116之一或两者。
在适用于高速511keV γ幅射探测器的一种示范性实现方式中，闪烁体102包括将镧系元素用作激活离子的陶瓷氧化物或卤化物，镧系元素例如是铈(Ce)、镨(Pr)或钕(Nd)中的至少一种。当峰值光子发射位于深紫外(DUV)区域：大约200到300nm之间时，Ce3+、Pr3+和Nd3+离子的d-f发射的特征衰变时间例如在大约10和20ns之间。因此，通常可以预期掺杂了这些材料的闪烁体具有相对较快的发光衰变时间，例如不到大约20到25ns。这种闪烁体也可以具有不到大约1ns的发射上升时间，在一些情况下具有不到500皮秒(ps)的发射上升时间。
光电探测器110在电磁波谱的可见部分中具有最高灵敏度，对于闪烁体102产生的DUV光子相对不敏感。
波长移动器112包括陶瓷薄膜转换器，将闪烁体104发射的DUV光子转换成可见光。更具体而言，波长移动器包括嵌入于多孔陶瓷材料中的诸如有机染料分子的有机材料。尽管有机闪烁体通常能够相对较快且有效地发光，但在暴露于DUV辐射时它们可能不稳定。因此，可以将有机材料嵌入陶瓷或其他无机层中，它们改善了转换层的稳定性。
无机层可以包括其中并入了有机材料的沸石或其他多孔材料。适当材料的另一个范例包括分层材料，例如通过插入在其中并入了有机材料的粘土质矿物。
有机发光转换器应当具有不到大约1ns，优选不到500ps的衰变时间，以实现飞行时间PET中良好的定时特性。
还可以构造探测器和转换层，使得转换层可移除地附着到探测器且可以容易更换。这降低了对有机转换器光稳定性的要求。
此外，转换层还可以包括有机层，该有机层包含有机发光转换器。
可以将第一和第二滤波器114和116实现为干涉滤波器。这种滤波器通常包括多层具有不同折射率的电介质材料(例如相对较高和较低折射率的交替层)，基于期望的滤波器特征和分别由闪烁体和有机转换器产生的光子的能量差异选择各层的数量和特性。在本范例中，第一滤波器114将被配置成相对透射由闪烁体102产生的DUV光子，而通常反射由波长移动器112产生的可见光子。类似地，第二滤波器116将被配置成相对透射可见光子，而一般反射DUV光子。
想到了一些变化。例如，图1示出各层102、110、112、114、116大致平坦，其主表面处于光学连通状态。尽管为了例示简单，各层被示为具有均匀厚度，但各层的相对厚度可以变化。在一个这种范例中，可以预期闪烁体102具有比滤波器114、116或其他层更大的厚度。
图2中示出了另一种示范性探测器100的配置。如图所示，将滤波器114、116、波长移动器112和光电二极管110设置到闪烁体102的第一侧202，第一侧202基本垂直于探测器100的接收面106。由诸如铅、钽等适当材料制造的辐射屏蔽204将各部件与入射辐射104屏蔽开。也可以在闪烁体的第二侧206、第三侧208、第四侧210和其他侧中的一个或多个上涂布或以其他方式覆盖对闪烁体102发射的波长的光子进行反射的材料。也可以将各部件112、112、116、116、110定位于各侧中的一个或多个上。
还要注意，波长移动器112可以距闪烁体102相对较远地设置，或者光电探测器110可以距波长移动器112相对较远地定位，在其间插置适当的光导管或其他光学透射器件。
也可以基于应用特异性要求选择辐射接收面106的面积，并相应地构造探测器100。为了提高空间分辨率，例如，可以将闪烁体102、滤波器114、116以及波长移动器112配置为与密集堆积的或其他阵列的相对较大光电探测器110光学连通的多个相对较小探测器部分。
对于计算机断层x射线摄影(CT)或其他x射线探测应用而言，在光谱中的例如绿色部分发光的荧光体与在红外(IR)区域具有峰值灵敏度的光电二极管光学连通。在这种情况下，将波长移动器112配置成减小它们间的光谱失配。
当然，以上范例是非限制性的，可以想到其他配置、材料和应用。
现在将结合图3描述操作。
在302，闪烁体102产生能量相对低于探测器100接收的辐射104的能量的光子。
波长移动器112产生经波长移动的光子，经波长移动的光子的波长比闪烁光子的波长更长。
在探测器包括第二滤波器116的情况下，在步骤306将到达第二滤波器116的至少一些闪烁光子反射回波长移动器112。
在探测器包括第一滤波器114的情况下，在步骤308将到达第一滤波器114的至少一些经波长移动的光子反射回光电探测器110。
在310，由光电探测器110探测经波长移动的光子。
图4示出了利用诸如上文所述的探测器100的示范性医学飞行时间PET成像系统400。如图所示，PET系统400包括扫描架402和多个围绕检查区域408大致设置成圆柱或环形布置的探测器100。
对象支撑416支撑着要在检查区域408中成像418的患者病人或其他对象。对象支撑416有利地可配合PET系统100的操作相对于检查区域408活动，以便帮助定位对象418并根据需要允许在多个分立或连续移动的轴向位置上扫描对象418。
在典型的PET成像检查中，向患者418的解剖体内引入适当的诸如FDG的正电子发射示踪剂。随着示踪剂衰变，产生正电子。在所谓的正电子湮没事件中所产生的正电子与电子反应，由此产生符合的一对511keVγ射线，该γ射线沿着基本沿符合线452相反的方向行进。
数据采集系统420产生表示由探测器100探测的各种γ光子的信息。这种数据可以包括诸如探测到γ光子的位置、光子能量、接收到光子的时间等信息。
符合/飞行时间探测器422从数据采集系统420接收信息并识别表示正电子湮没事件的时间上并发的γ光子，且测量符合光子的飞行时间，从而为各种湮没事件产生飞行时间数据。
重建器429例如利用适当的迭代或分析重建算法重建事件数据以产生表示探测到的湮没的图像数据。
工作站计算机充当操作控制台428，并包括诸如监视器或显示器的人类可读输出器件以及诸如键盘和/或鼠标的输入器件。控制台128上驻留的软件允许操作员通过建立期望的扫描协议、发起和终止扫描、观察和以其他方式操纵图像数据以及以其他方式与扫描仪400交互来控制扫描仪400的运行。
尽管图4重点放在了PET系统，系统400还可以包括一个或多个额外的成像设备，例如在混合PET/CT、PET/MR中或其他系统中。还要认识到，图4是探测器100的一种应用的非限制性范例，也可以想到必需要探测非符合辐射或除511keV γ辐射之外的辐射的其他医学和非医学应用。一个这样的范例是放射性材料探测系统，例如对于安全检查应用中使用的扫描仪来说。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解前述详细说明的前提下，其他人可以想到各种修改和变化。只要修改和变化落入所附权利要求或其等价要件的范围内，本发明意在被视为包括所有这种修改和变化。

Claims (24)

1、一种设备，其包括：
闪烁体(102)，所述闪烁体响应于接收的辐射产生光子；
波长移动器(112)，其具有从所述闪烁体接收光子的第一主表面，其中，所述波长移动器产生波长比所接收光子相对更长的光子；
波长选择性干涉滤波器(114，116)，其与所述波长移动器可工作地连通；
光电探测器(110)，其与所述波长移动器的第二主表面光学连通，其中所述光电探测器产生表示由所述波长移动器产生的光子的电信号。
2、根据权利要求1所述的设备，其中，所述波长选择性干涉滤波器(114)设置在所述闪烁体和所述波长移动器之间。
3、根据权利要求1所述的设备，其中，所述波长选择性干涉滤波器(116)设置在所述波长移动器和所述光电探测器之间。
4、根据权利要求1所述的设备，其中，所述闪烁体在大约200到350nm之间的波长处具有峰值光子发射。
5、根据权利要求4所述的设备，其中，所述光电探测器在大约400到1100nm之间具有峰值灵敏度。
6、根据权利要求1所述的设备，其中，所述闪烁体包括从包括钕和镨的组中选择的激活剂。
7、根据权利要求1所述的设备，其中，所述闪烁体具有少于大约25ns的发光衰变时间。
8、根据权利要求1所述的设备，其中，所述波长移动器包括有机发光材料。
9、根据权利要求8所述的设备，其中，所述波长移动器具有少于1ns的发射衰变时间。
10、根据权利要求1所述的设备，包括围绕检查区域(408)设置成大致圆柱形布置的多个探测器。
11、一种方法，其包括：
响应于接收的电离辐射(104)产生第一光子；
响应于所述第一光子产生经波长移动的光子；
沿波长移动器的方向反射第一光子和经波长移动的光子中的至少一种；
产生表示所述经波长移动的光子的电信号。
12、根据权利要求11所述的方法，其中，产生第一光子包括产生光谱深紫外部分中的光子，并且产生波长移动的光子包括产生光谱可见部分中的光子。
13、根据权利要求11所述的方法，其中，产生第一光子包括产生光谱可见部分中的光子，并且产生经波长移动的光子包括产生光谱红外部分中的光子。
14、根据权利要求11所述的方法，其中，反射包括利用波长选择性干涉滤波器(114)沿光电探测器(110)的方向反射所产生的经波长移动的光子。
15、根据权利要求11所述的方法，包括沿所述波长移动器的方向反射已通过波长移动器(112)的所产生的第一光子。
16、根据权利要求11所述的方法，包括测量所接收的电离辐射的飞行时间。
17、根据权利要求11所述的方法，其中，所接收的电离辐射包括表示正电子湮没的辐射，且所述方法包括使用迭代重建算法来产生表示所述正电子湮没的图像数据。
18、根据权利要求11所述的方法，其中，产生第一光子包括利用镧系元素激活的陶瓷闪烁体(102)产生闪烁光子。
19、根据权利要求11所述的方法，其中，产生经波长移动的光子包括使用陶瓷薄膜转换器(112)产生所述经波长移动的光子，其中，所述陶瓷薄膜转换器包括有机染料。
20、一种设备，其包括：
闪烁体(102)，其具有少于大约20到25ns的发光衰变时间；
光电探测器(110)；
在光学上设置在所述闪烁体和所述光电探测器之间的光谱匹配器(112)，其中，所述光谱匹配器减小所述闪烁体产生的光子和所述光电探测器的光谱灵敏度之间的光谱失配。
21、根据权利要求20所述的方法，其中，所述闪烁体产生深紫外光子，并且所述光电探测器对电磁波谱的可见部分中的光子敏感。
22、根据权利要求20所述的设备，其中，所述闪烁体掺杂有镨、钕或铈。
23、根据权利要求20所述的设备，包括在光学上设置在所述光谱匹配器和所述光电探测器之间的干涉滤波器(116)。
24、根据权利要求20所述的设备，其中，所述光谱匹配器可轻易更换。
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