CN102073058A - 具有可变的光导厚度的γ射线检测模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有可变的光导厚度的γ射线检测模块，能够高效率地检测闪烁器所产生的光，其特征在于，具备：被排列成平面状的闪烁器元件；以覆盖闪烁器元件的方式排列，接收从闪烁器元件放射的光的多个光传感器；被配置在闪烁器元件与多个光传感器之间，与闪烁器元件光学连接的光导；光导具有薄的部分，通过薄的部分，多个光传感器中的第1光传感器与多个光传感器中的第1光传感器以外的其它多个光传感器相比更靠近所述闪烁器元件。并且，光导可以具有倾斜的嵌入部分，其它光传感器以相对于闪烁器元件的平面倾斜的倾斜角配置于该嵌入部分。

Description

具有可变的光导厚度的γ射线检测模块

相关申请的交叉引用

本申请基于2009年11月19日提交的在先的美国专利申请12/621691号和2010年7月22日提交的在先的日本专利申请2010-165075号并要求它们的优先权，这些申请的全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明的实施方式涉及γ射线检测模块。

背景技术

在医用成像领域中，正电子发射计算机断层摄影(Positron Emission Computed Tomography：以下称为PET)的使用正在增加。在PET成像中，放射性药剂通过注入、吸入或食物摄取被导入到被检体。根据药剂的物理特性和生物分子特性，放射性药剂集中于被检体内的特定位置。放射性药剂的实际空间分布、放射性药剂的积蓄区域的浓度和从将药剂投放至被检体到最终排出的动态在临床上是重要的。在从投放到排泄的期间，附加在放射性药剂上的正电子放射体(emitter)按照半衰期和分支比等同位素的物理特性放出正电子。

特定的放射性原子核素放出正电子。当被放出的正电子与电子碰撞时，发生湮没事件(event)。因此，正电子与电子衰变。大多数情况下，湮没事件产生向实质上相差180度的方向传播的两条γ射线(511KeV)。

通过在检测出两条γ射线的位置之间连接的响应线(line-of-response：以下称为LOR)，可以确定成为上述两条γ射线的产生来源的放射性原子核素的衰变的大致位置。该处理只能识别与可能产生的相互作用有关的LOR，但通过大量的这些LOR的积蓄与断层摄影的重建处理，能够推定原始的放射性原子核素的分布。另外，除了两个闪烁(scintillation)的发生位置之外，如果还能够利用正确的时间调整(数百皮秒以内)，则可以通过计算γ射线的飞行时间(time-of-flight：以下称为TOF)，确定沿着上述LOR的湮没事件的位置。扫描仪的时间分辨率的限制决定沿着该LOR的湮没事件的位置确定的准确度。根据上述两个闪烁的发生位置的界限，决定扫描仪的最终的空间分辨率。但是，同位素的明确的特性(例如，正电子的能量)使特定的药剂的空间分辨率提高(由于两条γ射线各自的线性和正电子的方向)。

通过收集大量的闪烁，生成断层图像的重建所需要的信息。根据通过利用对应的检测元件检测实质上同时发生的两个闪烁而生成的LOR，取得用于重建摄影或正弦图的频率分布。检测元件的几何属性定义所重建的正弦图或投影像。每当产生闪烁的发生，就对图像依次加上湮没事件的计数。

根据以上情况可知，对数据收集和图像重建重要的是LOR。LOR将系统和被检体连结起来。此外，也可以取得与湮没事件的位置有关的信息。第1，通过采样和重建，系统的重建或确定位置的处理在整个摄像视野中在空间上并不固定。该处理在摄像视野的中心较高，越靠近摄像视野的周围越逐渐降低。为了使该行为特征化，一般使用点扩散函数(Point-Spread-Function：以下称为PSF)。已经开发将PSF编入重建过程的工具。第2，飞行时间或γ射线到达参与一对检测的各检测器的时间之间的时间差，可以用于确定沿着LOR发生事件的可能性高的位置。

上述检测过程必须对大量的湮没事件重复进行。解析过去的成像事例，决定在成像作业中需要多少计数(即，成对事件)。在现在的惯例中，在对一般的长度100cm使用FDG(Fluorodeoxyglucose：氟代脱氧葡萄糖)的检查中，需要积蓄数亿计数。积蓄该计数所需要的时间由药剂的投放量、扫描仪的灵敏度与计数性能来决定。

PET成像系统为了检测从对象放出的γ射线而使用互相面向配置的检测器。一般情况下，检测器的环用于检测来自各角度的γ射线。因此，PET扫描仪一般为了能够获得尽可能多的γ射线的放射，实质上为圆筒状，当然必须具有各向同性。另外，也可以为了获得欠缺的角度的放射，而利用检测器的旋转和部分环，但它们的组合对扫描仪的整体灵敏度有严重的后果。在平面内包含的所有γ射线有可能与检测器互相作用的圆筒形状中，加长轴方向尺寸在提高用于获得放射的能力或灵敏度上是有效的。因此，最好是可以检测所有γ射线的球体。当然，为了应用于人体，球状设计不得不变得极大，因此，变得价格极高。因此，现实中，检测器的轴方向范围为变量的圆筒形状是现在的PET扫描仪的设计的基点。

如果了解了PET扫描仪的整体形状，则另一技术问题是在γ射线路径内配置尽可能多的闪烁元件(发生闪烁的晶体元件)，并将尽可能多的γ射线变换为光。为了根据断层摄影的重建原理而能够重建放射性同位素的时空分布，需要将分别检测出的闪烁的发生事件与闪烁的发生事件的能量(即，所生成的光量)、闪烁的发生事件的位置和闪烁的发生事件的时间调整相关地特征化。大多数最新的PET扫描仪由数千个独立的闪烁元件构成。这些元件以模块的方式排列。这些元件用于识别闪烁的发生位置。一般情况下，闪烁元件具有约4mm×4mm的截面面积。此外，也可以是更小尺寸或非正方形的截面。元件的长度或深度根据获得多少γ射线的预计来决定。其范围一般为10～30mm的范围。检测器模块是扫描仪的主要结构要素。

PET成像依存于由闪烁元件将γ射线变换为光的灵敏度。在决定了闪烁元件内的互相作用的位置和与各个闪烁的发生相关的成对时间之后，可以重现湮没过程的发生位置。这些操作需要极高灵敏度的结构要素(即，检测器和电子电路)。另外，这些操作还需要高信噪比。通过高质量的电子电路，信噪比主要由检测过程中必然包含的固有的泊松(Poisson)统计来决定。当被检测的光子增加时，改善信噪比，因此提高空间和时间分辨率。即使改善检测器的设计和电子电路，也无法补偿检测过程中的重大的光损失。将收集到的光的总量(相对于闪烁元件内所生成的量)的比率设定为基准。因此，为了使被收集的光量最大，而尽力使光传感器尽可能靠近闪烁元件以避免反射和其它边缘效应等。因此，这使排列成为闪烁元件与光传感器之间的距离短的大阵列检测器。

如上所述，PET成像系统是计数器本身。此外，PET成像系统必须检测闪烁的发生的存在，识别闪烁的发生的位置。通过适当地记录光在多个光传感器中如何分配，可以指定与任意规定组的光传感器的响应有关的湮没事件的位置。因此，光必须被多个光传感器接收。为了实现用于由足够的光传感器检测微量光的适当的光的接收，需要增加光导的厚度或闪烁器元件与传感器之间的间隙。这种形状对光的接收带来直接影响，也对整体的光的收集带来不良影响。

光传感器(例如，光电倍增管)的技术在这些年来不断发展，从而以更高灵敏度提供更均匀的响应。根据对于飞行时间扫描仪(time-of-flight scanner)的皮秒的要求，对光电倍增管的设计的一个改良是弯曲光电阴极的组装。图1示出了具有弯曲光电阴极的光电倍增管的两个例子。弯曲光电阴极具有平衡电子从阴极进到第1倍增极(dynode)所花费的时间的效果。电子的移动时间比通过玻璃的追加长度的光子的移动时间长。因此，作为整体效果，取得与光电阴极上的电子的发生位置无关的、所有电子到达倍增极的严格时间。以往的PET检测器，一般而言，对一个组装体利用全部相同尺寸的光电倍增管。该组装体由光电倍增管与以规则的图案(例如，正方形或六角形满满地)排列的平的闪烁元件(以下，称为闪烁器阵列)和光导的组合构成。

因此，以往的PET检测器对检测器求得平均状况与几何学的最佳组合。但是，以往的PET检测器不补偿包含边缘效应与反射的局部变化的光的分布。并且，从图1所示的TOF(飞行时间)对应的光电子倍增管的截面形状可知，在光来自侧方时平坦的光导无法适当使用所有光电阴极面。

并且，以往的PET检测器的设计缺乏光传感器的均匀配置只适合闪烁器阵列的均匀配置的认识。能够以相同条件使用所有光传感器的唯一的几何条件是完整的4π，即球。然而，当导入边缘或模块或其它类型的非对称的原因(例如，闪烁器阵列上的各种类型的光传感器)时，必须分析各光传感器对于整体检测过程的作用。

发明内容

本发明目的在于：高效率地检测闪烁器所产生的光。

本发明的实施方式所涉及的γ射线检测器模块，其特征在于，具备：被排列成平面状的闪烁器元件；以覆盖所述闪烁器元件的方式排列，接收从所述闪烁器元件放射的光的多个光传感器；以及被配置在所述闪烁器元件与所述多个光传感器之间，与所述闪烁器元件光学连接的光导，所述光导具有薄的部分，通过所述薄的部分，使所述多个光传感器中的第1光传感器与所述多个光传感器中的第1光传感器以外的其它多个光传感器相比更靠近所述闪烁器元件。

根据本实施方式，会提高闪烁器所产生的光的检测效率。

附图说明

图1为表示具有不同的弯曲光电阴极的两种光电倍增管的图。

图2A为表示实施方式中的具有多个γ射线检测模块的PET检测器环的一例的图。

图2B为表示实施方式中的具有多个γ射线检测模块的PET检测器环的一例的图。

图2C为表示实施方式中的具有在光导上排列的多个光电倍增管的检测模块的一例的图。

图3A为表示实施方式中的示出了闪烁器阵列、光导和光电倍增管的位置关系的γ射线检测模块的截面的一例的图。

图3B为表示实施方式中的示出了晶体阵列、厚度不同的光导和光电倍增管的位置关系的γ射线检测模块的截面的一例的图。

图4A为表示实施方式中的示出了闪烁器阵列、光导和光电倍增管的位置关系的γ射线检测模块的截面的一例的图。

图4B为表示实施方式中的示出了闪烁器阵列、厚度不同的光导和倾斜的光电倍增管的位置关系的γ射线检测模块的截面的一例的图。

图5为表示实施方式中的尺寸和弯曲不同的两种光电倍增管的图。

图6为表示实施方式中的闪烁器阵列、光导和光电倍增管的位置关系不同的两种γ射线检测模块的截面的一例的图。

图7为表示实施方式中的闪烁器阵列、光导和光电倍增管的位置关系不同的两种γ射线检测模块的截面的一例的图。

图8为表示实施方式中的在光导上配置的尺寸不同的两种光电倍增管中的尺寸较小的光电倍增管的倾斜方向与光导上配置的一种光电倍增管的倾斜方向的图。

符号说明

12：12引脚式JEDEC No.B12-43、201：闪烁器元件、202：光导、203：光电倍增管

具体实施方式

本发明的实施方式所涉及的γ射线检测器模块，其特征在于，具备：被排列成平面状的闪烁器元件；以覆盖所述闪烁器元件的方式排列，接收从所述闪烁器元件放射的光的多个光传感器；被配置在所述闪烁器元件与所述多个光传感器之间，与所述闪烁器元件光学连接的光导；所述光导具有薄的部分，通过所述薄的部分，使所述多个光传感器中的第1光传感器与所述多个光传感器中的第1光传感器以外的其它多个光传感器相比更靠近所述闪烁器元件。

参照附图时，几幅附图中的相同的参照数字表示相同或对应的部分。图2A和图2B示出了根据实施方式的PET扫描仪。如图2A和图2B所示，检测器环由多个长方形的γ射线检测模块构成。例如，检测器环具备40个γ射线检测模块。另外，为了增大扫描仪的口径大小，也可以使用48个γ射线检测模块。

如图2C所示，各γ射线检测模块具有排列成二维状的分离的多个闪烁元件201。多个闪烁元件201吸收γ射线，放出闪烁光子。放出的闪烁光子由光电倍增管(photomultiplier：以下称为PMT)203来检测。此外，一般也可以使用如在单光子发射断层摄影(Single Photon Emission Computed Tomography：以下称为SPECT)中被使用的、产生闪烁的连续的闪烁元件。光导202被配置在使闪烁元件排列而成的闪烁阵列与多个PMT之间。如图2C所示，检测器模块分别具有各种尺寸的多个光电倍增管。各光电倍增管覆盖多个闪烁元件201。各PMT生成模拟信号。所生成的模拟信号在发生闪烁时急剧增大，紧接之后按指数函数减少。此外，从1个检测用的晶体放出的光子也可以由多个PMT来检测。然而，根据在各PMT中所产生的模拟信号，确定与湮没事件对应的检测用的晶体。

图2C所示的γ射线检测模块细长。典型地，长轴是短轴的3至4倍长。该设计使端侧的闪烁元件相对于内侧的闪烁元件的比率最小。并且，该设计为了保证充分的计数能力而扩大γ射线检测模块的多样性。在光学分离时，也可以分别校正闪烁阵列整体。此外，光导的不固定的厚度和被倾斜的多个PMT也能够应用于具有其它尺寸的γ射线检测模块。

本实施方式在光传感器(例如，光电倍增管)与闪烁阵列的组合的设计中导入两个新变量。第1变量为深度。可以通过改变PMT面与光电阴极之间的距离，而改变望向PMT的整体立体角。

如图3A所示，从所关注的闪烁元件向标准平面光导上的PMT1与PMT2放射的光在PMT2上产生极弱的信号。图3B中，通过在光导中降低PMT2的位置，可以增大PMT2的信号。更适当的立体角和弯曲光电阴极的组合，增大由PMT2检测的光。所关注的闪烁元件在PMT2的下面时，状况相反，PMT1获取比PMT2获取的光更少的光。

本实施方式中所导入的第2变量为倾斜角。如图4A和图4B所示，通过使PMT1与PMT2倾斜，PMT1与PMT2获取的信号在发生闪烁的闪烁元件位于闪烁阵列的一侧时与位于闪烁阵列的相反侧时等价。因此，为了进行数据分析，提供整体上更好的信号集。

根据此例可知，边缘的存在是源于倾斜提供对利用PMT的光的收集更均匀的响应这样的理由。例如，在为了闪烁元件可以从PMT1的左侧和/或PMT2的右侧放射光而在更大的闪烁阵列上配置相同的两个PMT时，不需要PMT的倾斜。

使光的收集非对称的其它条件是，使用不同尺寸的PMT。如图5所示，在使用直径1英寸与直径1.5英寸的PMT时，在所关注的闪烁元件位于1.5英寸的PMT的下面时，可以提高1英寸的PMT的响应。

在图6中，关于两种PMT与其光电阴极的配置提供了更详细的说明。为了最优化被检测的光的量，光电阴极的表面整体必须一直露出。因此，如图5所示，PMT1需要靠近闪烁元件的平面d＝D1-D2的距离。否则，PMT2在光源位于闪烁阵列的右侧时将光遮住。一旦PMT1被配置在离闪烁阵列适当的距离处，如图6所示，倾斜PMT2能够不减少对PMT1的立体角(即，光的总量)，而增加对PMT2的立体角(即光的总量)。在优选的实施方式中，D1典型地为8.2mm、D2典型地为5.5mm。此外，这些值也可以根据PMT的尺寸而改变。

通过以下形状来试验使用该概念的各种实施方式。在PMT的深度与角度的调整前后计算该形状。在闪烁阵列的右侧有光源的图6所示的例子中，对PMT1的角度从22度增加到31度。同时对PMT2的角度从64度增加到74度。在闪烁阵列的左侧有光源的图7所示的例子中，对PMT1的角度从68度增加到83度。同时，对PMT2的角度从24度增加到28度。

在这些例子中，通过从光电阴极到闪烁阵列的平面的距离和光电阴极的表面板相对于相同的闪烁阵列的平面所成的角度的组合，可以更好地利用光电阴极，提高信号质量。

图6与图7所示的倾斜角由邻接的γ射线检测模块之间的角度来限制。例如，在优选的实施方式中，36～40个γ射线检测模块排列成环状以使倾斜角的限制为9～10度。此外，替换设计具有其它对应的倾斜角的限制。

图8示出了在第1例子中，在长方形的闪烁阵列上排列两种尺寸的PMT的示例性的结构。如图所示，小的尺寸的PMT倾斜5度，但在该例子中最大可以倾斜到10度。并且，如图8所示，可以将位于长方形的闪烁阵列的角端的小的尺寸的PMT向对角线方向倾斜。在图8所示的第2例子中，γ射线检测模块具有在正方形的闪烁阵列上排列的相同尺寸的4个PMT，各PMT向对角线方向倾斜。

此外，根据所使用的PMT的明确的种类、特定的闪烁元件的配置、光导的厚度、定位算法等，对PMT的深度与倾斜角可以有各种替换实施方式。

实施方式提供用于使光传感器(PMT)从闪烁阵列获取的光的总量最优化的两种变量。接下来，用于更好地控制对各种PMT的光的分配的能力包括与结构整体的固有的非对称性(例如，边缘、PMT的尺寸或类型的变更)有关的更好的修正。并且，根据这些变量，可以更有效地使用弯曲光电阴极，由此可以最大限度地有效利用全部检测光量。

以上对特定实施方式进行了说明，但这些实施方式仅仅作为例子而提出，而不用于限定本发明的范围。此处说明的新颖的实施方式其实能够以各种其它形式而体现；进一步地，只要不脱离本发明的精神，就可以对在此说明的实施方式的形式作出各种省略、替代和改变。所附的权利要求及其等价物用于覆盖落入本发明的范围和精神内的形式或变形。

Claims (11)

1.一种γ射线检测模块，其特征在于，包括：

被排列成平面状的闪烁器元件；

以覆盖所述闪烁器元件的方式排列，接收从所述闪烁器元件放射的光的多个光传感器；以及

被配置在所述闪烁器元件与所述多个光传感器之间，与所述闪烁器元件光学连接的光导，

所述光导具有薄的部分，

通过所述薄的部分，使所述多个光传感器中的第1光传感器与所述多个光传感器中的第1光传感器以外的其它光传感器相比，靠近所述闪烁器元件。

2.根据权利要求1所述的γ射线检测模块，其特征在于：

所述第1光传感器具有第1尺寸，

与所述第1光传感器邻接的第2光传感器具有小于所述第1尺寸的第2尺寸，

所述第1光传感器与第2光传感器覆盖所述闪烁器元件的不同范围的部分。

3.根据权利要求2所述的γ射线检测模块，其特征在于：

所述光导具有倾斜的嵌入部分，

所述第2光传感器以相对于所述第1光传感器和所述闪烁器元件的所述平面倾斜的倾斜角配置于所述嵌入部分。

4.根据权利要求1所述的γ射线检测模块，其特征在于：

所述第1光传感器具有第1尺寸，

与所述第1光传感器邻接的第2光传感器具有第2尺寸，

所述第1光传感器比所述第2光传感器更靠近所述闪烁器元件的所述平面，靠近的距离基于所述第1尺寸与所述第2尺寸之间的差。

5.根据权利要求1所述的γ射线检测模块，其特征在于：

所述闪烁器元件被光学地分离成多个。

6.一种γ射线检测模块，其特征在于，包括：

被排列成平面状的闪烁器元件；

以覆盖所述闪烁器元件的方式排列，接收从所述闪烁器元件放射的光的多个光传感器；以及

被配置在所述闪烁器元件与所述多个光传感器之间，与所述闪烁器元件光学连接的光导，

所述光导具有第1倾斜的嵌入部分，

所述多个光传感器中的第1光传感器以相对于所述闪烁器元件的所述平面成第1倾斜的倾斜角配置于所述第1嵌入部分。

7.根据权利要求6所述的γ射线检测模块，其特征在于：

所述光导具有第2倾斜的嵌入部分，

与所述第1光传感器邻接的第2光传感器以相对于所述闪烁器元件的所述平面成第2倾斜的倾斜角配置于所述第2嵌入部分。

8.根据权利要求7所述的γ射线检测模块，其特征在于：

所述第1光传感器具有第1尺寸，

所述第2光传感器具有大于所述第1尺寸的第2尺寸，

所述第1光传感器与所述第2光传感器对所述闪烁器元件覆盖不同范围的部分。

9.根据权利要求6所述的γ射线检测模块，其特征在于：

所述第1光传感器具有第1尺寸，

与所述第1光传感器邻接的第2光传感器具有大于所述第1尺寸的第2尺寸，

所述第1光传感器与第2光传感器覆盖所述闪烁器元件的不同范围的部分。

10.根据权利要求6所述的γ射线检测模块，其特征在于：

所述闪烁器元件被光学地分离成多个。

11.一种γ射线扫描仪系统，其特征在于，包括：

为了形成圆筒状检测器环而互相邻接排列的多个长方形的检测模块，

所述检测模块分别具有：

被排列成平面状的闪烁器元件；

以覆盖所述闪烁器元件的方式排列，接收从所述闪烁器元件放射的光的多个光传感器；以及

被配置在所述闪烁器元件与所述多个光传感器之间，与所述闪烁器元件光学连接的光导，

所述光导具有薄的部分，

通过所述薄的部分，所述多个光传感器中的第1光传感器与所述多个光传感器中的第1光传感器以外的其它光传感器相比，更靠近所述闪烁器元件。

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