CN102171586A - 用于核成像的吸湿闪烁晶体的封装 - Google Patents

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Abstract

当在核探测器(例如PET或SPECT)中采用吸湿闪烁晶体(32)时，硅光电倍增管(SiPM)传感器(34)耦合至每个闪烁晶体(32)以改善闪烁事件探测并减小散射。使用密封剂层(51)将晶体(32)和传感器(34)气密地密封在探测器外壳(50)中。来自每个传感器(34)的电接触部(60)延伸通过密封剂层(51)或一起形成总线使得总线延伸穿过密封剂层(51)。以此方式，吸湿闪烁晶体(例如LaBr、NaI等)受到保护免受湿度的影响，并且通过传感器(34)和晶体(32)的直接耦合，减小了光散射。

Description

用于核成像的吸湿闪烁晶体的封装
本创新具体应用于核成像系统，特别是涉及吸湿闪烁晶体等。然而，应当理解，描述的技术也可以应用于其它成像系统、其它闪烁事件探测技术等。
闪烁晶体具有确定核探测器的质量的各种性质，诸如密度、光量、驰豫时间、颜色等。电子学、信号处理、以及重建也对探测器的质量起作用，但是通过闪烁材料，伽玛射线至可见光的转换通常是限制因子。在PET成像中，其中定时是晶体的主要特性之一，随着时间的过去，已经花费了大量努力以找到具有高的制动能力(stopping power)的快速响应晶体材料来将伽玛射线转换为光线。
已经证明找出单种晶体材料中的所有期望的性质是挑战性的。例如，取决于实际化合物，镥基化合物通常在35至45纳秒之间的衰变时间呈现出好的定时能力，并具有好的光输出和好的制动能力。卤化镧呈现显著较快的响应时间和更多的光，但是遭受较低密度和较低Z值(例如原子系数)的影响，导致显著较低的制动能力。
一些晶体(例如LaBr、NaI)的附加问题是它们的吸湿性质，这使得它们对湿度敏感并具有完全毁坏晶体的闪烁性质的风险。封装吸湿晶体的企图包括将晶体放置在气密地密封的盒子中，气密地密封的盒子在一侧上具有玻璃并具有探测穿过玻璃的射线的大的光电倍增管。在闪烁器与光传感器之间存在玻璃具有将光扩展到大的面积的效果，使得对于一些较小尺寸的光传感器来说，信号密度太低，不能收集足够的光以形成好的信号，光传感器诸如是固态雪崩光电二极管，其典型地具有2×2mm至4×4mm的尺寸。
诸如LaBr的较轻晶体的另一问题是，虽然它们具有好的光输出和快速的响应，但是晶体的低密度和低Z使得与晶体的相互作用的可能性降低，并且当发生相互作用时，该晶体增大了相互作用是康普顿(散射)的机会并仅沉积部分其能量，与所有光子能转换为光的光电相互作用相反。
本申请提供新的和改进的系统和方法，其采用具有吸湿闪烁晶体的1∶1比率的小的传感器，这些系统和方法克服了上述问题和其它问题。
根据一方面，一种用于核成像系统的核探测器，包括：可气密地密封的探测器外壳(50)；设置于所述探测器外壳(50)中的多个闪烁晶体(32)；耦合至所述闪烁晶体(32)的多个传感器(34)；以及将所述闪烁晶体(32)和传感器(34)气密地密封在所述探测器外壳(50)中的密封剂层(51)。
根据另一方面，一种构造用于核扫描仪的核探测器的方法，包括：将多个闪烁晶体(32)设置于探测器外壳(50)中；将传感器(34)耦合至所述闪烁晶体(32)；以及使用密封剂层(51)将所述闪烁晶体(32)和传感器(34)气密地密封于所述探测器外壳(50)中。
根据另一方面，一种核扫描仪(12)，优选地正电子发射层析成像(PET)或飞行时间(TOF)PET扫描仪用，具有多个探测器(14)，所述多个探测器中的每一个包括：探测器外壳(50)中的多个吸湿闪烁晶体(32)；以及多个硅光电倍增管(SiPM)传感器(34)，所述多个硅光电倍增管(SiPM)传感器(34)中的每一个耦合至相应的晶体(32)。每个传感器还包括：将每个传感器耦合至相应的闪烁晶体(32)的透明层(52)，所述透明层的厚度在2微米和10微米之间；以及将所述传感器(34)和晶体(32)气密地密封在所述探测器外壳(50)中的密封剂层(51)。
一个优点是保持了吸湿晶体的完整性。
另一优点在于提供1∶1比率的传感器与闪烁晶体。
对本领域技术人员来说，在阅读并理解以下详细描述后，主题创新的进一步的优点是明显的。
本创新可以采取各种部件和部件的布置的形式，以及各种步骤和步骤的布置的形式。附图仅为示例各个方面的目的，而不应视为限制本发明。
图1示例核成像系统，其包括具有多个核探测器的核扫描仪，多个核探测器围绕检查区域，对象或患者插入到检查区域中患者支架上；
图2示例核探测器的实施例，其中使用密封剂层将吸湿闪烁晶体(例如LaBr、NaI等)密封于探测器外壳内。
图1示例核成像系统10，其包括具有多个核探测器14的核扫描仪12，多个核探测器14围绕检查区域16，对象或患者插入到检查区域中患者支架18上。在一个实施例中，核扫描仪是飞行时间(time-of-flight)正电子发射层析成像(TOF-PET)扫描仪，且核探测器是PET探测器。在另一实施例中，核扫描仪是单光子发射计算机层析成像(SPECT)扫描仪，且核探测器是SPECT探测器。
在对对象的核扫描期间采集扫描数据。对于探测器14接收的每个闪烁事件，其幅度被数字化，并且由数字化器部件19生成时间戳记(例如使用PET和TOF-PET时)，然后将时间戳记存储至数据存储器20并通过重建处理器22重建为PET或其它核图像。在一个实施例中，采集的扫描数据以列表模式(例如加戳记时间等)存储，并且分析对象的相对侧上的不同探测器处探测的闪烁事件(例如通过一致分析器等)，以确定它们是否来自相同的湮灭事件(例如对象中的光子或正电子生成事件)。当识别到一对对应的闪烁事件时，执行射线追踪算法以识别两个闪烁事件之间的响应线，并且使用飞行时间信息识别正电子的起源点。然后在重建对象的图像时采用起源点。
重建的3D图像存储至图像体存储器24，并由图像处理器26处理以显示在用户接口28上。可选地，图像处理器在关联的工作站上的显示器29上显示图像体(volume)。用户接口容许用户输入与期望的扫描参数、用于呈现或观察的期望的图像等相关的信息，且/或容许操控(例如变焦、旋转等)呈现在用户接口28和/或显示器29上的3D图像体。
系统还包括控制处理器30，其执行从用户接口接收的用户输入命令，诸如与患者支架进入到扫描仪的检查区域中或从其中出来的平移相关的指令、与特定扫描参数(例如扫描时间等)相关的指令等。控制处理器在数据采集期间控制扫描仪。
核探测器14均包括多个闪烁晶体32，每个闪烁晶体耦接至探测其晶体中的光子事件的相应的传感器34。通过提供一比一的传感器-晶体比率，描述的探测器使得能够相对于经典探测器大大改进采样。
企图将各种类型的闪烁晶体用于探测器14中。闪烁材料可以是吸湿的或不吸湿的。当采用吸湿闪烁材料时，其对于将晶体气密地密封到探测器主体中以防止潮湿劣化晶体是有用的。例如，在一个实施例中，闪烁晶体由溴化镧(LaBr)形成。在另一实施例中，晶体由碘化钠(NaI)形成。
图2示例核探测器14的实施例，其中，使用密封剂层51(例如灌封(potting)材料、树脂、凝胶或一些其它合适的材料)将吸湿闪烁晶体32(例如LaBr、NaI等)密封于探测器外壳50内，密封剂层也用于使得核探测器气密和水密。进入晶体32的光子或正电子53、54a、54b引起闪烁事件，由此一个或多个伽玛射线转换为发射到晶体中的光线，并且由此被内反射，直到它们从晶体的远端56发射出。光线于是穿过薄的耦合层52并且由相对于晶体32设置于耦合层52的相对侧上的传感器34探测。耦合层可以为约2微米至约500微米厚。在一个实施例中，传感器34是硅光电倍增管(SiPM)，由于它们的小的尺寸，其有助于一比一的传感器-晶体比率的构建。基于光线的相对强度或亮度(intensity)以及给定传感器处的探测时间，能够确定闪烁事件所起源的晶体。一旦已知了探测器14上的晶体的特性(例如位置或地方)，则在重建发射光子或正电子的对象的核图像(例如使用核追踪器(tracer))时，能够采用采集的扫描数据。在一个实施例中，每个晶体32被薄的(例如2-500微米)涂层气密地密封，该涂层在除耦合至传感器34的面以外的所有面上是反射的，耦合至传感器34的面覆盖有透明涂层。
光子53生成的光线示例光电事件，其中光子不能经受得住与晶体的碰撞(例如光子完全转换为光线)。由光子54生成的光线示例康普顿相互作用，其中光子至少部分地经受得住与晶体的碰撞(例如，不是所有的光子被转换为光线)。
从光子54a至光子54b的箭头表示单个光子54引起两个闪烁事件并且由两个不同晶体32探测到。在该情况下，由事件54a发出的光的量(幅度)对应于由晶体吸收的能量的量。剩下的用于第二事件的能量的量是康普顿散射角的函数。第一事件典型地吸收最少的能量。第一事件54a确定探测的伽玛射线的轨迹。如果第二事件能够与第一事件配对，例如，基于相互作用的相对时间(relative time)、接近度、康普顿角、相对能量(relative energy)、相互作用的深度等，则第二事件54b可以对改进伽玛射线能量计算是有用的。通过确定闪烁事件的顺序，能够确定光子或正电子的轨迹(例如，使用射线追踪技术等)，这识别事件之一作为时间上第一的相关事件。
根据另一范例，其中单个光子引起三个闪烁事件，在时间上，最低能量的事件确定为第一事件，次最高能量事件确定为第二事件，以及最高能量事件确定为最后事件。从三个事件探测的能量等于例如PET成像中使用的511keV。
另外，能够根据探测器探测的能量峰的锐度确定相互作用的深度。例如，尖锐的峰表示闪烁事件发生于传感器附近，而圆的峰表示闪烁事件发生得较远。追踪相对深度(relative depth)能够有助于识别相关事件和连接轨迹以及康普顿散射的伽玛射线是否可能在闪烁晶体的阵列内具有第二相互作用。
在另一实施例中，小的传感器34(例如，SiPM传感器等)直接耦合至它们相应的闪烁晶体32的远端56，并由密封剂层51(例如灌封材料、二氧化硅材料等)气密地密封到探测器外壳50中。在一个实施例中，闪烁器与传感器之间的耦合层52约为2微米至500微米厚。当晶体和传感器构建为单一固态器件时，耦合层能够是玻璃或蓝宝石。当光子进入相应的晶体并产生闪烁事件时，光线被晶体内反射并且在它们离开晶体时由晶体专用传感器精确探测。通过将传感器34直接耦合至相应的晶体32，光的分布保持为紧密的，散射被最小化。在示例的范例中，来自相应的光子的射线具有区别的标记，该区别的标记容许最佳描述与相应晶体的光子相互作用。
在一个实施例中，电引线60耦合至每个传感器34以从其传输关于探测的闪烁事件的信息。每个引线延伸通过密封剂层51。
在另一实施例中，引线60聚集于公共缆线或总线等中，并且缆线在一点穿过密封剂层以减小密封剂层被穿透的点数，这反过来减小了气密密封破裂的潜能。以此方式，进一步保护了吸湿晶体免受潮湿的影响。
探测的闪烁事件是加时间戳记的并且以列表模式存储于与核扫描仪关联的存储器中，并被分析以识别对应于公共湮灭事件的闪烁事件对。例如，能够分析在对象的相对侧(例如分开180°)探测的闪烁事件，以确定它们的时间戳记是否表示它们是时间上靠近地探测的或并发的，并且因此对应于单个湮灭事件。一旦被识别，则使用对应闪烁事件的对作为终点计算响应线，并且重建对象的图像。
应当理解，虽然图2的传感器34示例为在其间具有间隙，但是该间隙的存在是为示出传感器彼此分开并且每个晶体具有其自己的专用传感器。还应当理解，每个传感器的表面积几乎匹配其相应的晶体32的远端56的表面积。
已经参照数个实施例描述了本创新。在阅读并理解了前述详细描述后，其他人可以进行修改和改变。其意在将本创新视为包括在所附权利要求及其等同的范围内的所有的修改和改变的范围。

Claims (20)

1.一种用于核成像系统的核探测器，包括：
可气密地密封的探测器外壳(50)；
设置于所述探测器外壳(50)中的多个闪烁晶体(32)；
耦合至所述闪烁晶体(32)的多个传感器(34)；以及
将所述闪烁晶体(32)和传感器(34)气密地密封于所述探测器外壳(50)中的密封剂层(51)。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述晶体(32)是吸湿闪烁晶体。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述吸湿闪烁晶体由溴化镧(LaBr)和碘化钠(NaI)的其中之一或更多形成。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述传感器(34)是硅光电倍增管(SiPM)传感器。
5.如权利要求1所述的系统，还包括每个闪烁晶体(32)和对应的传感器(34)之间的透明耦合层(52)，所述耦合层(52)约2-500微米厚。
6.如权利要求1所述的系统，还包括：
从每个传感器(34)延伸的引线(60)，其中，所述引线(60)连接至延伸通过所述密封剂层(51)的总线以传输感测的信息用于进行处理。
7.一种包括至少一个如权利要求1所述的探测器的核扫描仪(12)。
8.一种构造用于核扫描仪的核探测器的方法，包括：
将多个闪烁晶体(32)设置于探测器外壳(50)中；
将传感器(34)耦合至所述闪烁晶体(32)；以及
使用密封剂层(51)将所述闪烁晶体(32)和传感器(34)气密地密封于所述探测器外壳(50)中。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述闪烁晶体(32)是吸湿闪烁晶体。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述吸湿闪烁晶体由溴化镧(LaBr)和碘化钠(NaI)的其中之一或更多形成。
11.如权利要求8所述的方法，其中，所述传感器(34)是硅光电倍增管(SiPM)传感器。
12.如权利要求8所述的方法，还包括形成从每个传感器(34)延伸通过所述密封剂层(51)的引线(60)，其中，所述引线(60)传输感测的信息用于进行处理。
13.如权利要求8所述的方法，还包括：
形成从所述传感器(34)到穿过所述密封剂层(51)且用以传输感测的数据的总线的电引线(60)。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：
将所述数据重建成诊断图像。
15.如权利要求8所述的方法，其中，所述传感器(34)以1∶1的比率耦合至所述晶体(32)，使得每个晶体(32)耦合至专用传感器(34)。
16.一种使用多个如权利要求8中所述的核探测器生成对象的核图像的方法，包括：
在第一核探测器中的第一传感器处探测第一闪烁晶体中的第一闪烁事件(53、54a)；以及
在相对于所述对象来说与所述第一核探测器相对设置的第二核探测器中的第二传感器处探测第二闪烁晶体中的第二闪烁事件；以及
以列表模式存储与所述第一和第二闪烁事件关联的信息。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：
基于与所述第一和第二闪烁事件关联的时间戳记信息，确定所述第一和第二闪烁事件是否对应于单个正电子发射事件；以及
在重建所述对象的图像时，确定所述第一和第二闪烁事件之间的响应线。
18.如权利要求16所述的方法，还包括：
基于所述第一传感器探测的能量峰的锐度，确定正电子与所述第一闪烁晶体的相互作用的相互作用深度，其中所述正电子与所述第一闪烁晶体的相互作用引起所述第一闪烁事件(54a)；
在第三传感器处探测位于所述第一核探测器中的第三闪烁晶体中发生的第三闪烁事件(54b)；
以列表模式存储与所述第三闪烁事件关联的信息；以及
基于所述第一和第三闪烁事件的相互作用的相对时间、所述第一和第三闪烁事件的接近度、所述第一和第三闪烁事件之间的康普顿角、所述第一和第三闪烁事件的相对能量、以及所述第一和第三闪烁事件的相互作用深度中的一个或多个，确定所述第一和第三闪烁事件是否由单个正电子发射事件引起。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
确定所述第一和第三闪烁事件中哪一个闪烁事件具有较低探测的能量水平；
将具有较低能量值的闪烁事件识别为时间上第一发生；以及
使用所识别的时间上第一的闪烁事件和所述第二核探测器中的所述第二传感器探测的所述第二闪烁事件执行射线追踪算法，以确定所述时间上第一的闪烁事件和所述第二闪烁事件之间的响应线。
20.一种具有多个探测器(14)的正电子发射层析成像(PET)扫描仪，所述多个探测器中的每一个包括：
探测器外壳(50)中的多个吸湿闪烁晶体(32)；
多个硅光电倍增管(SiPM)传感器(34)，所述多个硅光电倍增管(SiPM)传感器(34)中的每一个耦合至相应的晶体(32)；
将每个传感器耦合至相应的闪烁晶体(32)的透明层(52)，所述透明层的厚度在2微米和10微米之间；以及
将所述传感器(34)和晶体(32)气密地密封于所述探测器外壳(50)中的密封剂层(51)。
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