CN102426380A - 用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置，所述探测装置包括闪烁体、光传输模块、光电转换器、第一电子学线路板、第二电子学线路板、信号线和电源线，其中的信号线的一端连接位于磁场中的所述第一电子学线路板，另一端连接位于磁场外的第二电子学线路板，用于将所述电信号传输到所述第二电子学线路板上；所述第二电子学线路板设置于磁场之外，且用于信号放大的前端放大器和定时电路均位于该第二电子学线路板上。通过上述探测装置就能够使前端放大器处于磁场之外，从而减小探测器体积，并避免与磁场的相互干扰，同时能够降低探测器发热量，减小温度对探测器性能造成的影响。

Description

用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置

技术领域

本发明涉及射线探测技术领域，尤其涉及一种用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置。

背景技术

目前，在射线探测技术领域中，核成像技术是射线探测器的一个重要应用方向，其一般方法是利用与核相关的物理量在被测目标中的变化规律或分布情况，获得物体内部信息，并通过计算机对这些信息进行处理，重建被测对象的内部图像。基于射线探测的核成像技术在社会公共安全、高能物理、生物医学等领域发挥着重要的作用。例如，作为先进的医学成像手段，正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography，PET)技术在获取生物某些器官或病灶的功能信息等方面具有独特的优点，因而在一些疾病的早期诊断、病理研究、疗效观察及新药研究等方面获得广泛应用。

在某些情况下，核成像设备必须工作于强磁场环境，以核医学设备PET-MRI为例，它是将PET和磁共振成像MRI相融合的一种双模态成像技术。既能发挥PET的功能成像作用，又能利用MRI高达微米量级的位置分辨能力来协助PET精确定位。在PET-MRI扫描仪中，PET探测器位于核磁共振仪超导磁体内，即必须工作于高达若干特斯拉的强磁场下，传统的光电倍增管及探测器构成方法是难以胜任的。

现有技术方案中，PET探测器产生的信号由于增益很小，常常需要使用前端放大器来对信号进行放大，才能进行长距离传输和处理，这样前端放大器就会增大探测器的体积，而且由于前端放大器处于核磁共振仪的均匀磁场内，也会导致PET与MRI相互干扰明显；另外由于前端放大器的功率较高，发热也明显，也会使探测器局部温度升高，从而导致探测器很难稳定的工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置，能够使前端放大器处于磁场之外，从而减小探测器体积，并避免与磁场的相互干扰，同时能够降低探测器发热量，减小温度对探测器性能造成的影响。

一种用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置，所述探测装置包括闪烁体、光传输模块、光电转换器、第一电子学线路板、第二电子学线路板、信号线和电源线，其中：

所述闪烁体，用于接收放射性射线并发出闪烁光；

所述光传输模块，一面耦合到所述闪烁体，将所述闪烁体发出的闪烁光光传输并分配给光电转换器；

所述光电转换器，耦合到所述光传输模块的另一面，用来收集所述光传输模块传输来的闪烁光，并将该闪烁光转换为电信号；

所述第一电子学线路板，用于固定光电转换器，并读出电信号；

所述信号线的一端连接位于磁场中的所述第一电子学线路板，另一端连接位于磁场外的第二电子学线路板，用于将所述电信号传输到所述第二电子学线路板上；

所述第二电子学线路板设置于磁场之外，且用于信号放大的前端放大器和定时电路均位于该第二电子学线路板上；

所述电源线的一端连接位于磁场中的探测装置，另一端连接位于磁场外的供电电源，该供电电源为所述光电转换器供电。

所述探测装置单个在磁场中任意放置；或由多个组成环状或平板在磁场中任意放置。

所述信号线为导线、同轴电缆或柔性电路板。

所述光传输模块为石英玻璃片光导。

所述光电转换器为具有高增益、硬磁性的半导体光电转换器。

所述光电转换器为硅光电倍增管，所述硅光电倍增管根据使用需求拼接成任意行列的阵列。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述探测装置包括闪烁体、光传输模块、光电转换器、第一电子学线路板、第二电子学线路板、信号线和电源线，其中闪烁体，用于接收放射性射线并发出闪烁光；所述光传输模块，一面耦合到所述闪烁体，将所述闪烁体发出的闪烁光光传输并分配给光电转换器；所述光电转换器，耦合到所述光传输模块的另一面，用来收集所述光传输模块传输来的闪烁光，并将该闪烁光转换为电信号；所述第一电子学线路板，用于固定光电转换器，并读出电信号；所述信号线的一端连接位于磁场中的所述第一电子学线路板，另一端连接位于磁场外的第二电子学线路板，用于将所述电信号传输到所述第二电子学线路板上；所述第二电子学线路板设置于磁场之外，且用于信号放大的前端放大器和定时电路均位于该第二电子学线路板上；所述电源线的一端连接位于磁场中的探测装置，另一端连接位于磁场外的供电电源，该供电电源为所述光电转换器供电。通过上述探测装置就能够使前端放大器处于磁场之外，从而减小探测器体积，并避免与磁场的相互干扰，同时能够降低探测器发热量，减小温度对探测器性能造成的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的用于磁场中位置灵敏型射线探测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的探测装置中位于磁场中的探测器的具体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的探测装置中由多个探测器组成环状在磁场中放置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的探测装置中由多个探测器组成平板在磁场中放置的结构示意图；

图5本发明实施例提供的探测装置中多片硅光电倍增管拼接的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的用于磁场中位置灵敏型射线探测装置的结构示意图，该探测装置包括：位于磁场中的探测器1、信号线2、电源线3、电源4和第二电子学线路板5；其中位于磁场中的探测器1的具体结构示意图如图1所示，图1中该位于磁场中的探测器1具体包括：闪烁体6、光传输模块7、光电转换器8、第一电子学线路板9和探测器盒体10；结合图1和图2的结构可知：

图2中，位于磁场中的探测器1安装于探测器盒体10内，该位于磁场中的探测器1中的闪烁体6用于接收放射性射线并发出闪烁光；光传输模块7一面耦合到闪烁体6，将闪烁体6发出的闪烁光光传输并分配给光电转换器8；光电转换器8耦合到光传输模块7的另一面，用来收集光传输模块7传输来的闪烁光，并将该闪烁光转换为电信号；第一电子学线路板9固定光电转换器8，并读出电信号。

图1中，信号线2的一端连接位于磁场中的第一电子学线路板9，另一端连接位于磁场外的第二电子学线路板5，用于将所述电信号传输到所述第二电子学线路板5上；该第二电子学线路板5设置于磁场之外，且用于信号放大的前端放大器和定时电路均位于该第二电子学线路板5上；电源线3的一端连接位于磁场中的探测器1，另一端连接位于磁场外的供电电源4，该电源4为所述光电转换器8供电。

通过上述探测装置的结构，就能够使用于信号放大的前端放大器处于磁场之外，从而减小位于磁场中的探测器体积，并避免与磁场的相互干扰，同时能够降低探测器的发热量，避免探测器局部热量集中导致的温度升高，减小了温度对探测器性能造成的影响。

上述探测装置的结构适用于现有任意强的磁场，只需增加电源线和信号线的长度，并在一端加以合适的阻抗匹配，就可以使探测器性能不受到影响。本发明结构中，探测器部分的金属材料很少，不仅可避免磁场对探测器的影响，同时也可将探测器本身对磁场的影响减到最小，有利于在对磁场条件较严格的场合应用。

在具体实现过程中，上述第一电子学线路板上可以包含简单的阻抗匹配电路和电流分配电路，也可以包含一些用于连接电源线和信号线的连接器。

闪烁体、光传输模块和光电转换器都位于磁场中，紧凑的耦合。闪烁体和光电转换器之间用很薄且透光率很高的光传输模块耦合，或直接进行耦合，而不是使用长光纤光导，从而避免了光损失，有很高的光收集效率。这样的结构对减少采集时间有重要的意义，尤其是应用于PET/MRI时。举例来说，PET检查的流程是向患者体内注射一定量的放射性核素标记的药物，经过一小时左右的时间药物随血液循环到人体各个器官，然后患者进入PET仪器中进行扫描，患者体内的放射性核素衰变产生伽马射线，射线激发探测器的闪烁体发光，光电转换器收集闪烁光然后转化成电信号传输到后端以供图像重建，为了保证重建图像的质量，重建时要求总计数必须要超过一定的阈值；如果闪烁光在向光电转换器传输过程中经过长光纤光导，就会有大量的光损失，因此为了保证总计数的需求，就必须延长扫描时间，即患者在PET扫描仪幽闭环境中停留的时间，增加患者痛苦，降低了检查效率。而通过本发明实施例所述装置的闪烁体、光传输模块、光电转换器紧密结合，光传输模块采用很薄且透过率高的石英玻璃光导耦合或直接耦合，就可以最大限度的减少光损失，从而减少扫描时间，降低患者痛苦。

同时，在具体实施过程中，所述信号线可以为导线、同轴电缆或柔性电路板，所用的电源线和信号线可以非常柔软，弯曲半径很小，从而保证位于磁场中的探测器可以在磁场中任意摆放，在极小的空间内进行探测。

另外，在具体实现中，上述探测装置可以由单个在磁场中任意放置；也可以由多个组成环状或平板在磁场中任意放置，如图3所示为由多个探测器组成环状在磁场中放置的结构示意图，如图4所示为由多个探测器组成平板在磁场中放置的结构示意图，通过图3或图4的结构就可以增大探测面积，避免探测死区。

上述光传输模块可以为石英玻璃片光导，在实际使用中，石英玻璃光导也可以是其它材质的，只要具备高透过率、厚度小的特点就可以满足要求，甚至可以不用光导。

上述的光电转换器可以为具有高增益、硬磁性的半导体光电转换器，例如可以为硅光电倍增管，不过在较小的磁场环境下也可以是光电倍增管，该硅光电倍增管还可以根据使用需求拼接成任意行列的阵列，例如拼接成n×m的阵列，n＝1，2，3……，m＝1，2，3……。

以硅光电倍增管为例，硅光电倍增管是一种硬磁性、高增益、温度依赖性低的光电转换器件，与传统的真空光电倍增管相比，基于半导体的探测器具有结构紧凑、工作电压低、对磁场不敏感的优点。而传统的半导体探测器大都有增益低、暗电流大、增益随温度变化明显的共性，例如雪崩二极管(APD)，增益只有10²数量级，信噪比低，应用时必须用前置放大器将信号立即放大后才能进行后续处理，而电路中的放大器发热明显，会使探测器局部区域热量集中，温度上升，反过来导致APD增益降低、噪声增加；APD增益、噪声性能随温度变化明显，一般都需要温度补偿电路来保持其性能稳定，这样就增加了额外的电路，增加了成本和体积。

与之相比，硅光电倍增管的放大倍数高达10⁶数量级，信噪比高，这样就保证了信号能够不经放大就传输较长距离，并且串扰很小；同时硅光电倍增管增益随温度变化较小，也可以省去复杂的温度补偿电路。

下面以具体的实例来对本发明的结构进行详细说明，该实例中，该用于磁场中位置灵敏型射线探测装置包括闪烁体阵列、石英玻璃光导、硅光电倍增管阵列，其中：

石英玻璃光导的两面分别与闪烁体阵列和硅光电倍增管阵列耦合；硅光电倍增管的引脚固定在一块印刷电路板(即第一电子学线路板)上，该第一电子学线路板上可以有简单的电流分配电路和阻抗匹配电路，但不包含金属材料较多和发热量较大的电子器件。由于现有的硅光电倍增管单片面积较小，为了保证探测器有较大的探测面积，本发明采用了多片硅光电倍增管拼接的阵列式组合方式，如图5所示为多片硅光电倍增管拼接的结构示意图，由于硅光电倍增管由像素阵列组成，像素之间有死区，石英玻璃光导能够把位于死区上方的闪烁体发出的闪烁光分配到相邻的像素阵列，这样就消除了探测死区。

在用于磁场中射线探测时，硅光电倍增管的供电电源位于磁场外，并使用长距离信号线与位于磁场中的探测器连接，将探测器产生的信号由长距离信号线输出到位于磁场外的第二电子学线路板上，其中用于信号放大的前端放大器和定时电路均位于该第二电子学线路板上，通过上述结构就能够使用于信号放大的前端放大器处于磁场之外，从而减小位于磁场中的探测器体积，并避免与磁场的相互干扰，同时能够降低探测器的发热量，避免探测器局部热量集中导致的温度升高，减小了温度对探测器性能造成的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置，其特征在于，所述探测装置包括闪烁体、光传输模块、光电转换器、第一电子学线路板、第二电子学线路板、信号线和电源线，其中：

所述闪烁体，用于接收放射性射线并发出闪烁光；

所述光传输模块，一面耦合到所述闪烁体，将所述闪烁体发出的闪烁光光传输并分配给光电转换器；

所述光电转换器，耦合到所述光传输模块的另一面，用来收集所述光传输模块传输来的闪烁光，并将该闪烁光转换为电信号；

所述第一电子学线路板，用于固定光电转换器，并读出电信号；

所述信号线的一端连接位于磁场中的所述第一电子学线路板，另一端连接位于磁场外的第二电子学线路板，用于将所述电信号传输到所述第二电子学线路板上；

所述第二电子学线路板设置于磁场之外，且用于信号放大的前端放大器和定时电路均位于该第二电子学线路板上；

所述电源线的一端连接位于磁场中的探测装置，另一端连接位于磁场外的供电电源，该供电电源为所述光电转换器供电。

2.根据权利要求1所述的用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置，其特征在于，

所述探测装置单个在磁场中任意放置；或由多个组成环状或平板在磁场中任意放置。

3.根据权利要求1所述的用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置，其特征在于，

所述信号线为导线、同轴电缆或柔性电路板。

4.根据权利要求1所述的用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置，其特征在于，

所述光传输模块为石英玻璃片光导。

5.根据权利要求1所述的用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置，其特征在于，

所述光电转换器为具有高增益、硬磁性的半导体光电转换器。

6.根据权利要求5所述的用于磁场中的位置灵敏型射线探测装置，其特征在于，

所述光电转换器为硅光电倍增管，所述硅光电倍增管根据使用需求拼接成任意行列的阵列。

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