CN101622552A - 像素化pet检测器中改进的光检测 - Google Patents
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Abstract
在核成像中，固态光电倍增器(48)正在取代传统的光电倍增管。固态光电倍增器的一个当前问题是它们很难以制造一般闪烁器的尺寸进行制造。结果，光电倍增器具有比闪烁器(44)的光发射面(46)更小的光接收面(50)。本申请设想在固态光电倍增器(48)之间插入反射材料(52)。最初未进入光电倍增器(48)的光由反射材料(52)反射并且最终返回到光电倍增器(48)的辐射接收面(50)，而不会被浪费。
Description
技术领域
本申请涉及诊断成像领域。本申请在核成像领域发现具体应用。尽管参照正电子发射断层扫描(PET)来进行描述，但是应当理解本申请总体上更加涉及像素化检测器，在该像素化检测器中闪烁器(scintillator)材料的阵列被耦合到光电检测器阵列，诸如在单光子发射计算断层照相(SPECT)中。本申请还适用于高能物理实验以及在天文学和天体物理学中。
背景技术
在过去的核成像设备中，伽马辐射检测器使用将入射伽马辐射转换为光的闪烁器，随后所述光由光电倍增器(PMT)检测。由于光电倍增器的若干缺点，有兴趣利用固态光传感器来替代它们，诸如在盖革(Geiger)模式下驱动的雪崩光电二极管，例如所谓的硅光电倍增器(SiPM)。典型的SiPM比典型的PMT具有更好的计时(timing)和能量分辨率。随着飞行时间PET(TOF-PET)扫描器变得更为流行，下至纳秒范围的精确计时变得更加重要。但是采用这种新技术存在严重的障碍。
通常，诸如溴化镧这样的闪烁器具有大约4x4mm的光发射面。目前，制造这样大的SiPM在成本上是惊人的。典型的SiPM以3x3mm或较小尺寸来制造更加可靠。这是因为像素出现坏部分的概率随像素面积按比例地增加。例如与生产一个良好的4x4mm的SiPM相比，生产四个良好的2x2mm的SiPM更为容易。2x2mm的SiPM比4x4mm闪烁器的辐射发射面具有更小的辐射接收面。如果2x2mm的SiPM与4x4mm的闪烁器的阵列耦合，那么会存在对由SiPM之间的闪烁器输出的光没有响应的死区(deadspace)。
SiPM之间的这一死区的后果是：由闪烁器发射的一些光将不会被SiPM收集到。在被耦合到2x2mm的SiPM的4x4mm闪烁器的例子中，收集效率相对于4x4mm的SiPM减少到25％，损失了四分之三的光输出。在耦合到4x4mm闪烁器的3x3mm的SiPM的情况下，该效率为56％。这一减少的检测效率使空间、能量和时间分辨率下降了大约面积分数(area fraction)的平方根，即对于2x2mm的SiPM来说下降了因数2并且对于3x3mm的SiPM来说下降了因数1.34。
SiPM的另一缺点在于它们对于红绿波长更为敏感而对如由绝大部分目前闪烁器发射的蓝光波长不那么敏感。
发明内容
本申请提供了克服以上所提及的问题及其它问题的新且改进的辐射检测设备及其制造方法。
依照一个方面，提供了一种辐射检测器。该检测器包括闪烁器，其响应于由特征能级的辐射的撞击来发射光。该闪烁器具有第一面积的光输出面。检测器还包括固态光电倍增器，其具有被光耦合到闪烁器的第二面积的光接收面。光接收面小于闪烁器的光输出面。反射材料设置在闪烁器光输出面中未光耦合到固态光电倍增器光接收面的部分。
依照另一方面，提供了一种诊断成像的方法。受试对象被放置在诊断成像设备的成像区域中。给受试对象注射放射性药物。利用检测器阵列来检测由放射性药物引起的辐射。检测器阵列包括多个单独的检测器。每个检测器包括闪烁器，其响应于被光耦合到固态光电倍增器的特征能级的辐射的撞击来发射光。每个光电倍增器具有小于每个闪烁器的辐射发射面的辐射接收面。由闪烁器产生的、最初并未被光电倍增器接收的光被反射回到所述光电倍增器。所接收的辐射被重构为受试对象的至少一部分的图像表示。
依照另一方面，提供了一种用于构造辐射检测器阵列的方法。在衬底上将硅光电倍增器或光电二极管设置成阵列。光电倍增器或光电二极管的辐射接收面被光耦合到闪烁器的光发射面。光发射面均具有比其所耦合的辐射接收面更大的表面面积。反射材料设置在光电倍增器或光电二极管之间的空间中以增加在光电倍增器的辐射接收面上所接收的光。
一个优点在于更高效的光利用。
另一优点在于优异的计时特性。
另一优点在于更可靠的固态光检测。
当阅读并理解以下具体实施方式时，本领域普通技术人员将理解本发明更进一步的优点。
附图说明
本发明可以采用各种组件和组件配置以及采用各种步骤和步骤配置的形式。附图只用于图示优选实施例的目的并且不应当被解释为限制本发明。
图1是依照本申请的诊断成像装置的示意图；
图2是依照本申请的闪烁器和相关联的光电倍增器的阵列的示图；
图3A是闪烁器阵列的底视图并且图3B是由反射材料和护环包围的光电倍增器的匹配阵列的俯视图；
图4示出了在单个闪烁器中光的内反射；
图5是示例性光电倍增器随时间变化的电流响应曲线图；
图6示出包括被结合到纯净的挠性箔(foil)衬底的下侧的光电倍增器的实施例；
图7示出除了在光电倍增器上方的挠性箔衬底中有孔之外与图6类似的实施例。
具体实施方式
参照图1，诊断成像设备10包括外壳12和受试对象支架14。检测器阵列16被封闭在外壳12内。检测器阵列16包括多个单独的检测器元件18。阵列16被布置为使得检测器元件18均匀地分布在成像区域20周围。检测器阵列16可以是检测器18的环、多个环或彼此相对布置的分立平板。无论检测器18的实际布置或排列如何，优选排列所述检测器使得每个检测器在成像区域的范围内具有多个对应的检测器以便于重合检测(coincidencedetection)。在正电子发射断层扫描(PET)中，伽马射线对由成像区域中的正电子湮灭事件产生并且在相对方向上传播。如果一个伽马射线比另一个伽马射线传播得更远以到达检测器，那么利用在检测之间的略微延迟(纳秒数量级)将这些伽马射线检测成对。
在PET扫描开始之前，给受试对象注射放射性药物。放射性药物包含被耦合到标签分子的放射性元素。标签分子与待成像的区域相关联，并且趋向于通过正常机体过程采集该区域。例如，迅速繁殖的癌细胞趋向于消耗异常高的能量来复制自身。因此，放射性药物可以被链接到诸如葡萄糖之类的分子，在这样的区域中采集并且在图像中表现为“热点(hot spot)”，细胞通常代谢所述葡萄糖以产生能量。其它技术监视流入循环系统中的标签分子。
对于PET成像来说，所选择的放射性同位素发射正电子。正电子在湮灭反应中湮灭之前仅能移动非常短的距离(纳米数量级)，所述湮灭反应产生两个反向的伽马射线。伽马射线对以光速在相反的方向上传播以撞击相对的检测器对。
当伽马射线的上升沿撞击检测器阵列16时，产生时间信号。触发处理器22监视每个检测器18的能量峰值，例如在脉冲下的积分面积，每个已接收伽马射线的能量的特性。触发处理器22检查时钟23并且利用上升沿收到印记的时间来为每个所检测的伽马射线作印记。时间戳首先由事件验证处理器24用来确定哪些伽马射线是定义响应线(LOR)的对。因为伽马射线以光速传播，所以如果所检测的伽马射线到达相隔几个纳秒以上，那么它们可能不是由相同的湮灭事件产生因而被丢弃。由于基本上同时的事件中的微小差异可以用来沿着LOR进一步定位湮灭事件，所以在TOF-PET中计时是特别重要的。随着计算机处理器时钟速度变得更快，沿着其LOR可以定位事件的精度更高。在SPECT照相机中，通过准直来确定每个所检测伽马射线的LOR或轨迹。
LOR被存储在事件存储缓冲器34中，并且重构处理器36使用滤波反投影或其它适当的重构算法将所述LOR重构为受试对象的图像表示。该重构随后可以在显示设备38上向用户显示、打印、保存以供稍后使用等。
参照图2，示出了检测器阵列16的一部分。当伽马射线40撞击检测器阵列16时，它与一个单独的检测元件18相互作用。首先，伽马射线40通过光反射、伽马射线透射的顶层42并且撞击闪烁器44。闪烁器44将伽马射线40转换为包括多个光子的光猝发(burst)。一些光子通过闪烁器44的光发射面46并且击中诸如SiPM这样的固态光电倍增器48。闪烁器的光发射面46的表面面积比光电倍增器48的光接收面50的表面面积更大，例如4x4mm相比2x2mm。结果，在没有将入射光转换为电流或电势的光电倍增器之间存在死区51。这还可以参见匹配的图3A和3B。
只有来自闪烁猝发的一小部分光直接撞击光电倍增器。再次参照图2，光反射材料52设置在光电倍增器48之间的死区51中。反射材料52优选为白色材料。反射材料52可以是最初在光电倍增器之间流动的液体物质并且稍后固化。反射材料52还可以使用胶印技术印刷到衬底54上或者被施加到闪烁器的光发射面。利用在适当位置的反射材料52，在死区中试图离开闪烁器44的辐射发射面46的光子被反射回到闪烁器44中并且最终返回到光电倍增器48。光电倍增器48和反射材料52优选被直接施加到衬底54，诸如印刷电路板、陶瓷衬底或挠性箔。衬底上还安装有反射护环56，用于分离每个光电倍增器48以防止光电倍增器之间的串扰(cross-talk)。
在闪烁器44和光电倍增器48之间布置有折射率匹配材料58层，诸如光学耦合脂。当光到达材料之间的边界并且所述材料具有不同的折射率时，一些光将被透射而一些光被反射。因为在闪烁器44和SiPM之间不希望出现反射，所以插入折射率匹配层58以使反射最小化。然而无论何处，希望反射将尽可能多的闪烁光引导到光电倍增器48中。因此，闪烁器44本身被包裹在反射层60中。依照这种方式，由反射表面52反射的光被反射顶层42和反射侧层60反射到光电倍增器48。
优选地，光电倍增器48是固态硅光电倍增器(SiPM)，但是应当理解光电二极管也是可行的，并且确定可设想的。SiPM对可见光的绿光和更长波长最为敏感。典型情况下，示例性的溴化镧闪烁器，像许多通常使用的闪烁器一样发射较短的蓝光波长的光。也可以设想其它闪烁器，诸如钨酸镉、(CdW)铋锗氧化物、(BGO)正硅酸钆、(GSO)掺铈正硅酸镥、(LSO)掺铈正硅酸镥钇、(LYSO)硫酸铅、氟化铈、掺铈氟化镧等。SiPM 48仍然可以检测蓝光波长，但是可以更有效地检测绿光或更长波长。至少在闪烁器44和反射涂层60之间闪烁器44的垂直侧设置波长偏移材料62以将所发射的光从光谱的蓝光部分偏移到绿光部分。当被施加到闪烁器的表面时，波偏移材料可选地具有促进内部反射的折射率或反射率。在图4中示出了单个闪烁器44的视图。蓝光的一部分经由全内反射被发送到光发射面46，而蓝光的其它部分被波长偏移器62偏移为绿光。闪烁器44和反射器60之间的空气间隙确保蓝光的一部分经由全内反射达到光发射面46，而没有由于波长偏移层62的折射率或反射率所导致的波长偏移。经由全内反射的发送是高效的并且实现良好的计时。被波长偏移的光经由数量增加的反射到达光发射面46。波长偏移材料62还可以被施加到反射材料52、42和/或62并且在闪烁器和反射器之间的区域可以是波导材料。
这类波长偏移的已知缺点是其减慢了响应，这影响了时间分辨率。为了解决这一缺点，辐射发射面46并不涂覆波长偏移材料，使得未偏移的闪烁光具有到光电倍增器的直接路径。参照图5，这产生具有急剧上升沿66的初始蓝光峰值部分64，即用于产生准确的时间戳的优异的时间分辨率和较弱的能量分辨率。较低幅度的蓝光峰值部分后面是较大的绿光峰值部分68，其具有优异的能量分辨率，但是较弱的时间分辨率。因此，通过省去闪烁器的辐射发射面46上的偏移材料62来保持时间分辨率。同时，保持能量分辨率。
固态光电倍增器48的其它配置也是可行的选择。参照图6，SiPM 48设置在纯净的挠性箔衬底70的下方。将SiPM 48设置在挠性箔70下方有利于突起(bump)结合到箔70。进一步设置折射率匹配材料58以减小由于反射造成的光损失。在SiPM 48之间的死区中进一步设置反射材料52。如图7的实施例中所示，在挠性箔或其它衬底70中切出孔72。孔72位于固态光电倍增器48上方。使衬底70的相对表面是可反射的以便将光反射回到耦合的闪烁器44。孔72填充有光耦合材料58以在闪烁器44和SiPM 48之间提供不反射耦合。
在又一可行的配置中，可以使用多个分立的光电倍增器接收来自单个闪烁器的闪烁。例如，可以使用四个2x2mm光电倍增器接收来自4x4mm闪烁器的光。
已经参考优选实施例描述了本发明。当阅读并理解之前的详细描述时可以对其进行进一步修改和改变。本发明意在被构造为包括所有落入在所附权利要求或其等价物的范围之内的所有这种改变和修改。
Claims (21)
1、一种辐射检测器(18)，包括：
a)闪烁器(44)，其响应于特征能级的辐射的撞击来发射光，所述闪烁器(44)具有第一面积的光输出面(46)；
b)固态光电倍增器(48)，其具有光耦合到所述闪烁器(44)的第二面积的光接收面(50)，所述固态光电倍增器的所述光接收面(50)小于所述闪烁器(44)的所述光输出面(46)；以及
c)反射材料(52)，设置为面对该闪烁器光输出面(46)中未光耦合到所述固态光电倍增器光接收面(50)的部分。
2、如权利要求1所述的检测器，还包括：
反射层(42、60)，其包裹所述闪烁器(44)以将由所述闪烁器(44)发射的光反射回到所述闪烁器(44)中。
3、如权利要求2所述的检测器，还包括：
波长偏移材料(62)，其设置在所述闪烁器(44)与至少一部分所述反射层(42、60)之间，用于将由所述闪烁器(44)发射的光的波长偏移至所述固态光电倍增器(48)更为敏感的波长。
4、如权利要求3所述的检测器，其中，所述闪烁器(44)包括发射具有蓝光波长的光的溴化镧，并且所述固态光电倍增器(48)为硅光电倍增器，其对红光到绿光波长的光最为敏感，所述波偏移器将光从蓝光偏移至绿光或红光。
5、如权利要求2所述的检测器，还包括：
集成到所述反射层(42、60)中的波长偏移材料(62)，用于将被反射的所发射的光的波长偏移至所述光电倍增器(48)更为敏感的波长。
6、一种检测器阵列，包括：
排列成阵列的多个如权利要求1所述的固态光电倍增器。
7、如权利要求6所述的检测器阵列，其中所述光电倍增器安装在衬底(70)上，所述衬底(70)包括印刷电路板、陶瓷衬底和挠性箔中的至少一个。
8、如权利要求7所述的检测器阵列，其中所述光电倍增器(48)从与所述闪烁器相对的所述衬底的一侧邻近所述衬底(70)中的孔洞设置，并且光耦合填充物设置在所述闪烁器(44)的所述光发射面(46)与所述固态光电倍增器的所述光接收面(50)之间。
9、如权利要求6所述的检测器阵列，还包括：
反射护环(56)，位于每个固态光电倍增器(48)的周围以防止光电倍增器之间的光串扰。
10、如权利要求6所述的检测器阵列，其中所述固态光电倍增器(48)是基于硅的光电倍增器(SiPM)。
11、如权利要求6所述的检测器阵列，其中闪烁器(44)与固态光电倍增器(48)的比率为1∶1。
12、如权利要求11所述的检测器阵列，其中所述第一面积至少为所述第二面积的两倍。
13、一种诊断成像装置，包括：
如权利要求6所述的检测器阵列(16)，被设置用于检测来自受试对象的辐射；以及
重构处理器(36)，用于将所检测的辐射事件重构为图像表示。
14、如权利要求13所述的诊断成像装置，其中所述检测器阵列(16)被设置用于从位置湮灭事件接收沿着响应线(LOR)在相反方向上传播的反向的一对伽马射线并且还包括：
处理器或设备(22、24)，用于确定在该对所检测的伽马射线的检测之间的时间间隔；以及
其中所述重构处理器(36)将来自多个所检测的伽马射线对的所述LOR和所述时间间隔重构为所述图像表示。
15、一种诊断成像的方法，包括：
将受试对象放置在诊断成像设备(10)的成像区域(20)中；
给所述受试对象注射放射性药物；
利用检测器阵列(16)，检测由所述放射性药物引起的辐射，所述检测器阵列(16)包括多个单独的检测器(18)，所述检测器均包括：
光耦合到固态光电倍增器(48)的闪烁器(44)，其响应于特征能级的辐射的撞击来发射光，所述光电倍增器(48)具有小于所述闪烁器(44)的辐射发射面(46)的辐射接收面(50)；
将由所述闪烁器(44)产生的、最初未被所述光电倍增器(48)接收的光反射回到所述光电倍增器(48)；以及
将所接收的辐射重构为所述受试对象的至少一部分的图像表示。
16、如权利要求15所述的方法，还包括：
偏移由所述闪烁器(44)发射的至少一些光的所述波长，该波长已偏移的所发射的光在所述光电倍增器的所述辐射接收面(50)上被接收之前至少被反射一次。
17、一种构造辐射检测器阵列的方法，包括：
在衬底(70)上，将硅光电倍增器或光电二极管(48)设置成阵列，每个光电倍增器具有光接收面；
在闪烁器之间的空间中利用反射材料(60)将多个闪烁器(44)设置成阵列以增加在每个所述闪烁器的光发射面(46)处发射的光；
将所述衬底上的光电倍增器(50)的阵列的辐射接收面光耦合到闪烁器(44)的阵列的所述光发射面(46)，所述光发射面(46)均具有比其所耦合的所述光电倍增器或光电二极管(48)的所述辐射接收面(50)更大的表面面积。
18、如权利要求17所述的方法，还包括：
将保护阱(56)设置在每个光电倍增器或光电二极管(48)周围以防止光电倍增器(48)之间的串扰。
19、如权利要求17所述的方法，还包括：
将反射材料(52)设置在每个单独的闪烁器(44)的所述光发射面的一部分附近，所述部分未被光耦合到所述光电倍增器或光电二极管(48)的其中之一的所述光接收面。
20、如权利要求19所述的方法，还包括：
在每个闪烁器(44)与至少一部分所述反射材料(42、52、60)之间设置波长偏移材料(62)，使得每个闪烁器从其光发射面(46)发射一个以上波长的光。
21、如权利要求20所述的方法，其中所述光电倍增器的所述光接收面(50)的面积不大于所述闪烁器(44)的所述光发射面(46)的面积的9/16。
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