CN102129082B - 一种锥形闪烁晶体模块及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种锥形闪烁晶体模块及其加工方法，所述闪烁晶体模块外观立体形状为锥形台，锥形台的顶面与底面相互平行，顶面为矩形，顶面面积大于底面面积。所述闪烁晶体模块m×n个晶体条拼接粘合构成。该加工方法根据锥形闪烁晶体模块的尺寸和所含晶体条的阵列数，计算各个晶体条的尺寸，通过对一批晶体条胚体加工得到的晶体条组装、打磨，并加工为所需的锥形闪烁晶体模块。本发明通过设计一种与光电转换器件直接耦合的锥形闪烁晶体模块，能够在不影响系统的能量分辨率和时间分辨率的情况下，提高医学成像系统的灵敏度，减小数据采集缺失问题，提高系统的成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及闪烁晶体模块的设计方法和加工方法，主要应用于影像核医学诊断、工业在线无损检测以及高能粒子探测等领域。
背景技术
闪烁晶体指一大类能够将X射线、γ射线或其它高能粒子转化成可见光的晶体材料。作为γ相机、正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography，以下简称PET）和计算机断层成像（Computed Tomography，以下简称CT）等的关键部件，闪烁晶体能够将高能粒子，如γ射线、X射线转化为低能可见光光子并传输到与其耦合的光电转换器件上转换为电信号，电信号通过后端电路处理得到系统所需信息，最终重建得到图像。因此，闪烁晶体的类型、尺寸等参数以及闪烁晶体与光电转换器件的耦合方式，直接决定了系统的空间分辨率以及系统灵敏度等性能（C. Eijk, “Inorganic scintillators in medical imaging,” Physics in Medicine and Biology, vol. 47, pp. R85-R106, 2002；R. Pani, MN Cinti, F. De Notaristefani, R. Pellegrini and P. Bennati, “Imaging performance of LaCl3:Ce scintillation crystals in SPECT,” IEEE Nuclear Science Symposium & Medical Imaging Conference record, vol. 4, pp.2293-2287, 2004），如高原子序数、高密度的闪烁晶体能够更加有效的阻滞高能粒子，从而提高系统灵敏度；高光输出的闪烁晶体能够提高电信号的信噪比，使得后端处理电路能够获取更加准确的能量信息、时间信息和位置信息等。
在实际应用中，通常希望采用大接收面积的闪烁晶体模块来扩大闪烁晶体阻滞高能粒子的范围，以增加单位时间内其接收的高能粒子数目，提高系统灵敏度，并减小数据采集缺失角度，提高图像重建质量（Sara St James, Yongfeng Yang, Spencer L Bowen, Jinyi Qi and Simon R Cherry, “Simulation study of spatial resolution and sensitivity for the tapered depth of interaction PET detectors for small animal imaging,” Physics in Medicine and Biology, vol. 55, pp. N63-N74, 2010）。然而，当闪烁晶体模块与光电转换器件耦合面的面积大于光电转换器件有效探测面积时，部分闪烁晶体模块由于与光电转换器件的非有效探测面积耦合，使得其输出的光信号不能有效地被光电转换器件接收，造成数据采集缺失，会降低系统灵敏度，并使得重建图像的质量下降。
为了解决该问题，通常利用光导纤维或者光锥将闪烁晶体模块与光电转换器件耦合，使得所有闪烁晶体模块的输出光信号能够传输到光电转换器件的有效探测面上。然而，当闪烁晶体模块输出的光信号通过光导纤维或光锥后，光信号的能量信息会由于传输过程中的衰减而损失，同时造成时间信息恶化，进而影响系统成像质量（Chatziioannou. A., Shao. Y., Doshi. N., Meadors. K., Silverman. R., Cherry. S., “Evaluation of optical fiber bundles for coupling a small LSO crystal array to a multi-channel PMT,” IEEE Nuclear Science Symposium & Medical Imaging Conference record, vol. 3, pp. 1483-1487, 1999）。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锥形闪烁晶体模块及其加工方法，该锥形闪烁晶体模块能够有效解决无光导纤维或光锥传导时大尺寸闪烁晶体模块与光电转换器件直接耦合所存在的数据采集缺失问题，从而提高系统灵敏度和图像重建质量，同时该模块有潜力通过一定的计算方法得到高能粒子在闪烁晶体模块中发生能量沉积产生可见光的深度位置信息，能够进一步提高系统的图像重建质量；该加工方法能够对闪烁晶体实现高精度切割和加工，克服现有不规则形状闪烁晶体模块的加工难问题，获得高精度的锥形闪烁晶体模块。
为达到上述目的，本发明采用的第一种技术方案是：一种锥形闪烁晶体模块，所述闪烁晶体模块外观立体形状为锥形台，锥形台的顶面与底面相互平行，顶面为矩形，顶面面积大于底面面积；在平行于顶面的横截面上，所述闪烁晶体模块由阵列的m×n个晶体条拼接粘合构成，其中，m为顶面长度方向的晶体条个数，m大于或等于1，m为整数，n为顶面宽度方向的晶体条个数，n大于或等于1，n为整数，m和n不同时为1，每个晶体条的顶面与构成闪烁晶体模块的锥形台的顶面在同一平面上。
为达到上述目的，本发明采用的第二种技术方案是：一种锥形闪烁晶体模块的加工方法，该加工方法可以分三大步骤实现：
（1）根据所需锥形闪烁晶体模块的具体尺寸，计算得到锥形闪烁晶体模块的非平行相对侧面的夹角，并根据锥形闪烁晶体模块所含晶体条的数目，计算出每个晶体条的非平行相对侧面的夹角和每个晶体条的各面尺寸；
（2）对各个晶体条胚进行加工，得到晶体条或晶体条列；
（3）对加工得到的晶体条或晶体条列进行组装并加工得到所需锥形闪烁晶体模块。
为达到上述目的，本发明采用的第三种技术方案是：一种锥形闪烁晶体模块的加工方法，先根据本发明中第二种技术方案加工得到底面为矩形的锥形闪烁晶体模块，然后通过后期打磨锥形闪烁晶体模块的侧面获得底面为圆形，或椭圆形，或其它不规则形状的锥形闪烁晶体模块。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，所述锥形台的底面为矩形；在构成锥形闪烁晶体模块的m×n个晶体条中，每个晶体条的顶面和底面均为矩形，每个晶体条的底面与构成闪烁晶体模块的锥形台的底面在同一平面上。
2、上述方案中，所述晶体条之间的顶面长度相等，顶面宽度相等，晶体条之间的底面长度相等，底面宽度相等。
3、上述方案中，所述晶体条之间的顶面长度相等，顶面宽度相等，中间的s×t个晶体条的底面长度等于顶面长度，底面宽度等于顶面宽度，s为顶面长度方向的晶体条个数，s大于或等于1，同时小于或等于m，s为整数，t为顶面宽度方向的晶体条个数，t大于或等于1，同时小于或等于n，t为整数，且s和t不同时等于各自方向上晶体条个数的最大值。
4、上述方案中，在构成锥形闪烁晶体模块的顶面长度或/和顶面宽度方向上，晶体条至少存在一对非平行相对侧面，每一对非平行相对侧面在空间形成夹角，晶体条之间在同一方向上的夹角相等。
5、上述方案中，所述锥形台的底面为圆形，或椭圆形，或除矩形外的其它多边形。
6、上述方案中，“每个晶体条的顶面和底面均为矩形”的意思是指晶体条的立体形状为棱台或棱柱。
7、上述方案中，对各个晶体条胚进行加工，得到晶体条或晶体条列是指以晶体条胚一个侧面为基面，对其相对侧面进行切割，使得该基面与其相对侧面的夹角等于计算出的对应夹角值；然后对晶体条基面相邻的两侧面进行加工，使得该相对侧面的夹角等于计算出的对应夹角值，或者是将加工得到的晶体条按次序排成一列，使得相邻晶体条基面所对应侧面相互耦合，然后对晶体条列中各个晶体条基面相邻的两个侧面进行加工，使得该相对侧面的夹角等于计算出的对应夹角值。
8、上述方案中，对加工得到的晶体条或晶体条列进行组装并加工得到所需锥形闪烁晶体模块是指将加工得到的各晶体条或者晶体条列按次序组装成晶体条阵列，并根据锥形闪烁晶体模块的尺寸，对晶体条阵列顶面和底面进行打磨，使其变成顶面与底面平行的平面，从而获得所需的锥形闪烁晶体模块。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明通过设计一种与光电转换器件直接耦合的锥形闪烁晶体模块，能够在不影响系统的能量分辨率和时间分辨率的情况下，提高医学成像系统的灵敏度，减小数据采集缺失问题，提高系统的成像质量；该锥形闪烁晶体模块加工方法操作简单、易实现，能够高精度、准确地切割、加工获得锥形闪烁晶体模块。
附图说明
附图1为本发明锥形闪烁晶体模块形状示意图。
附图2为本发明锥形闪烁晶体模块设计定义图示。
附图3为本发明锥形闪烁晶体模块的加工方法流程图。
附图4为本发明锥形闪烁晶体模块示意图一。
附图5为本发明锥形闪烁晶体模块示意图二。
附图6为本发明锥形闪烁晶体模块的加工方法示意图。
以上附图中，1、Top_A；2、Top_B；3、Top_C；4、Top_D；5、Top_length；6、Top_width；7、Bottom_A；8、Bottom_B；9、Bottom_C；10、Bottom_D；11、Bottom_length；12、Bottom_width；13、height。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：一种锥形闪烁晶体模块
如附图1（a）所示，一种锥形闪烁晶体模块，所述锥形闪烁晶体模块外观立体形状为锥形台，锥形台的顶面与底面相互平行，顶面和底面均为矩形，顶面面积大于底面面积。如图2所示，定义锥形闪烁晶体模块顶面长度为Top_length5、宽度为Top_width6，底面长度为Bottom_length11、宽度为Bottom_width12，顶面与底面间距为height13，Top_length、Top_width、Bottom_length、Bottom_width以及height均大于零。如附图4所示，锥形闪烁晶体模块由4×3个晶体条组成的阵列构成，其中，4为在长度方向的晶体条个数，3为在宽度方向的晶体条个数。晶体条之间拼接粘合构成一个整体，每个晶体条的顶面和底面与构成锥形闪烁晶体模块的锥形台的顶面在同一平面上。每个晶体条的顶面和底面均为矩形，且晶体条之间的顶面长度相等，顶面宽度相等，晶体条之间的底面长度相等，底面宽度相等。这样，每个晶体条顶面长度为C_T_lij=Top_length/m，顶面宽度为C_T_wij=Top_width/n，底面长度为C_B_lij=Bottom_length/m，底面宽度为C_B_wij=Bottom_width/n，高度为height，其中，i、j为晶体条在长度和宽度方向上的序号，i=1，…，4，j=1，…，3。
实施例二：一种锥形闪烁晶体模块
如附图1（b）所示，一种锥形闪烁晶体模块，所述锥形闪烁晶体模块外观立体形状为锥形台，锥形台的顶面与底面相互平行，顶面和底面均为矩形，顶面面积大于底面面积。如图2所示，定义锥形闪烁晶体模块顶面长度为Top_length5、宽度为Top_width6，底面长度为Bottom_length11、宽度为Bottom_width12，顶面与底面间距为height13，Top_length、Top_width、Bottom_length、Bottom_width以及height均大于零。如附图5所示，锥形闪烁晶体模块由12×6个晶体条组成的阵列构成，其中，12为在长度方向的晶体条个数，6为在宽度方向的晶体条个数。晶体条之间拼接粘合构成一个整体，每个晶体条的顶面和底面与构成闪烁晶体模块的锥形台的顶面在同一平面上。中间4×4个晶体条的底面长度与宽度与其顶面的长度与宽度分别相等。左侧4×6和右侧4×6个晶体条均采用底面长度相等的设计方式。
实施例三：一种锥形闪烁晶体模块
如附图1（a）、（b）和附图6所示，一种锥形闪烁晶体模块，所述锥形闪烁晶体模块外观立体形状为锥形台，锥形台的顶面与底面相互平行，顶面和底面均为矩形，顶面面积大于底面面积。如图2所示，顺时针定义锥形闪烁晶体模块顶面四个顶点为Top_A1、Top_B2、Top_C3、Top_D4，底面对应的四个顶点为Bottom_A7、Bottom_B8、Bottom_C9、Bottom_D10，其中，顶点Top_X与Bottom_X构成锥形闪烁晶体模块的一条侧棱，X=A、B、C、D，顶点Top_A、Top_B所在直线方向为长度方向，顶点Top_B、Top_C所在直线方向为宽度方向，锥形闪烁晶体模块顶面长度为Top_length5、宽度为Top_width6，底面长度为Bottom_length11、宽度为Bottom_width12，顶面与底面间距为height13，Top_length、Top_width、Bottom_length、Bottom_width、heigh均大于零。锥形闪烁晶体模块由8×6个晶体条组成的阵列构成，其中，8为在长度方向的晶体条个数，6为在宽度方向的晶体条个数。假定顶点Top_A、Bottom_A、Bottom_D、Top_D构成的锥形闪烁晶体模块侧面与其相对的由顶点Top_B、Bottom_B、Bottom_C、Top_C构成的锥形闪烁晶体模块侧面不平行，两个侧面的夹角为40°，每个晶体条宽度方向上的底面/顶面边所在的相对侧面间的夹角均为5°。顶点Top_A、Bottom_A、Bottom_B、Top_B构成的锥形闪烁晶体模块侧面与其相对的由顶点Top_D、Bottom_D、Bottom_C、Top_C构成的锥形闪烁晶体模块侧面成夹角，两个侧面的夹角也为30°，每个晶体条长度方向上的底面/顶面边所在的相对侧面间的夹角可以均为5°。
实施例四：一种锥形闪烁晶体模块的加工方法
如附图3和附图6所示，一种锥形闪烁晶体模块的加工方法，包含以下步骤：
第一步，根据实施例三所述锥形闪烁晶体模块的具体尺寸，计算得到锥形闪烁晶体模块的非平行相对侧面的夹角；并根据锥形闪烁晶体模块所含晶体条的阵列数，计算出每个晶体条的非平行相对侧面的夹角和每个晶体条的各面尺寸；
第二步，对一批晶体条胚进行加工得到所需的各个晶体条，具体方法如下：
（1）以晶体条胚一个侧面为基面，对其相对侧面进行切割，使得该基面与其相对侧面的夹角等于第一步中计算出的对应夹角值；
（2）将加工得到的晶体条按次序排成一列，使得相邻晶体条基面所在的侧面相互耦合，然后对晶体条列中各个晶体条基面相邻的两个侧面进行加工，使得该相对侧面的夹角等于第一步中计算出的对应夹角值；；
第三步，将第二步加工得到的各晶体条列按次序组装成晶体条阵列，并根据锥形闪烁晶体模块的尺寸，对晶体条阵列顶面和底面进行打磨，使其变成顶面与底面平行的光滑平面，从而获得所需的锥形闪烁晶体模块。
附图6由a、b、c、d、e、f六个图构成，它是锥形闪烁晶体模块加工步骤图，该加工步骤具体针对实施例三。锥形闪烁晶体模块中由顶点Top_A1、Bottom_A7、Bottom_D10、Top_D4构成的锥形闪烁晶体模块侧面与其相对的由顶点Top_B2、Bottom_B8、Bottom_C9、Top_C3构成的锥形闪烁晶体模块的夹角为40°，由顶点Top_A1、Bottom_A7、Bottom_B8、Top_B2构成的锥形闪烁晶体模块侧面与其相对的由顶点Top_C3、Bottom_C9、Bottom_D10、Top_D4构成的锥形闪烁晶体模块的夹角为30°，晶体条阵列数为8×6，则，每个晶体条在长度方向平面上的夹角为40°/8=5°，在宽度方向平面上的夹角为30°/6=5°，如图6（b）所示，对一批晶体条胚按照此尺寸加工，得到足够数量的晶体条；在长度方向上组装8个已加工的晶体条，组装示意图如图6（c）所示的扇形模块；组装6个如图6（c）所示的扇形模块，并将这6个扇形模块在宽度方向进行组装，组装示意图如图6（d）所示的晶体阵列；根据锥形闪烁晶体模块的尺寸，对组装完成的晶体阵列顶面和底面进行打磨，得到如图6（e）所示的锥形闪烁晶体模块。
实施例五：一种锥形闪烁晶体模块的加工方法
如附图1和附图3所示、一种锥形闪烁晶体模块的加工方法，其特征在于：先根据实施例1至4之一的技术方案加工得到底面为矩形的锥形闪烁晶体模块，然后通过后期打磨锥形闪烁晶体模块的侧面获得底面为圆形，或椭圆形，或除矩形外的其它多边形的锥形闪烁晶体模块。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种锥形闪烁晶体模块，其特征在于：所述锥形闪烁晶体模块外观立体形状为锥形台，锥形台的顶面与底面相互平行，顶面为矩形，顶面面积大于底面面积,锥形台的底面为闪烁晶体模块与光电转换器件的耦合面；在平行于顶面的横截面上，所述闪烁晶体模块由阵列的m×n个晶体条拼接粘合构成，其中，m为顶面长度方向的晶体条个数，m大于或等于1，m为整数，n为顶面宽度方向的晶体条个数，n大于或等于1，n为整数，m和n不同时为1，每个晶体条的顶面与锥形台的顶面在同一平面上；所述锥形台的底面为矩形；在构成锥形闪烁晶体模块的m×n个晶体条中，每个晶体条的顶面和底面均为矩形，且每个晶体条的底面与锥形台的底面在同一平面上。
2.根据权利要求1所述的锥形闪烁晶体模块，其特征在于：所述晶体条的顶面长度相等，顶面宽度相等，底面长度相等，底面宽度相等。
3.根据权利要求1所述的锥形闪烁晶体模块，其特征在于：所述晶体条之间的顶面长度相等，顶面宽度相等，中间的s×t个晶体条的底面长度等于顶面长度，底面宽度等于顶面宽度，s为顶面长度方向的晶体条个数，s大于或等于1，同时小于或等于m，s为整数，t为顶面宽度方向的晶体条个数，t大于或等于1，同时小于或等于n，t为整数，且s和t不同时等于各自方向上晶体条个数的最大值。
4.根据权利要求1所述的锥形闪烁晶体模块，其特征在于：在构成锥形闪烁晶体模块的顶面长度和顶面宽度方向上，晶体条至少存在一对非平行相对侧面，每一对非平行相对侧面在空间形成夹角，晶体条在同一方向上的夹角相等。
5.一种锥形闪烁晶体模块的加工方法，其特征在于：包含以下步骤：
第一步，根据权利要求4所述锥形闪烁晶体模块的具体尺寸，计算得到锥形闪烁晶体模块的非平行相对侧面的夹角；并根据闪烁晶体模块所含晶体条的数目，计算出每个晶体条的非平行相对侧面的夹角和每个晶体条的各面尺寸；
第二步，对各个晶体条胚进行加工得到所需的晶体条或晶体条列；
第三步，将第二步加工得到的各晶体条或晶体条列按次序组装成晶体条阵列，并根据锥形闪烁晶体模块的尺寸，对晶体条阵列顶面和底面进行打磨，使其变成顶面与底面平行的光滑平面，从而获得所需的锥形闪烁晶体模块。
6.根据权利要求5所述的一种锥形闪烁晶体模块的加工方法，其特征在：权利要求5中第二步对各个晶体条胚进行加工得到所需的各个晶体条，具体方法如下：
（1）以晶体条胚一个侧面为基面，对其相对侧面进行切割，使得该基面与其相对侧面的夹角等于权利要求5中第一步中计算出的对应的晶体条的夹角值；
（2）对晶体条基面相邻的两侧面进行加工，使得该相对侧面的夹角等于权利要求5中第一步中计算出的对应的晶体条的夹角值。
7.根据权利要求5所述的一种锥形闪烁晶体模块的加工方法，其特征在：权利要求5中第二步对一批晶体条胚进行加工得到所需的各个晶体条列，具体方法如下：
（1）以晶体条胚一个侧面为基面，对其相对侧面进行切割，使得该基面与其相对侧面的夹角等于权利要求5中第一步计算出的对应的晶体条的夹角值；
（2）将加工得到的晶体条按次序排成一列，使得相邻晶体条基面所在的侧面相互耦合，然后对晶体条列中各个晶体条基面相邻的两个侧面进行加工，使得该相对侧面的夹角等于权利要求5中第一步计算出的对应的晶体条的夹角值。
8.一种锥形闪烁晶体模块的加工方法，其特征在于：先加工得到权利要求2至4之一所述的底面为矩形的锥形闪烁晶体模块，然后通过后期打磨锥形闪烁晶体模块的侧面获得底面为圆形或椭圆形的锥形闪烁晶体模块。
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