CN103027703A - 用于pet和/或spect的虚拟像素化检测器 - Google Patents
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Abstract
一种用于PET和/或SPECT的虚拟像素化检测器。一种用于PET和/或SPECT成像的平板检测器包括闪烁晶体板和多个光电转换器，每个光电转换器与闪烁晶体的表面进行光通信。在一些实施例中，所述多个光电转换器定义二维阵列，其中每个光电转换器与相邻的光电转换器抵接。此外，根据一些实施例，多个平板检测器可以互相并列以使得它们的平板晶体在边沿处抵接。
Description
技术领域
本发明一般地涉及用于正电子发射断层扫描(PET，positron emissiontomography)和/或单光子发射计算机化断层显像(SPECT，single photonemission computed tomography)的检测器。
背景技术
PET和SPECT成像设备是通过检测累积在病人的目标器官或者组织中的放射性药剂发射出的伽马辐射来操作的。通过映像特定伽马源的位置来构造二维或者三维图像。对于特定的PET实验，给病人施加一种选定的放射性药物，该放射性药物可以包括多种生理学上相关的分子中的任一种。放射性药物的适用性部分取决于要被成像的器官或组织。一个特别常用的选择是氟代脱氧葡萄糖(fluorodeoxyglucose，FDG)，它是用18F取代羟基的葡萄糖分子。18F是β+辐射源，这意味着它进行以下核衰变反应：
18F→18O+β++v+e- 等式1
其中，β+是正电子，v是微中子，e-是电子。正电子以相当大的动能从18F的原子核中射出，该动能必须在该正电子与电子结合湮灭之前几乎完全耗尽。一般而言，耗散过程可以是与该正电子所经路径中的任何周围物质的弹性或非弹性散射，这些物质包括电子和原子核。统计显示，正电子行进大约1mm才会损失足够的动能以与电子结合并湮灭。当湮灭发生时，产生一对511keV的伽马光子，其能量与湮灭粒子的能量相当，并且彼此以接近180°辐射。在理想情况下，湮灭时正电子和电子都具有零动量，伽马光子将正好以180°出射。偏离180°约+/-0.5°表示湮灭事件在粒子仍有剩余动量时发生。
通常以彼此180°安放一对PET检测器来检测从一次湮灭事件发射的一对伽马光子，并从收集到的数据计算湮灭事件的位置。在有些情况下，两个或更多个PET检测器围绕病人旋转，其他情况下，PET检测器在病人周围形成一个连续环，因此不需要旋转。不论何种情况，各个检测器收集伽马光子，并且部分根据光子是否在大约511keV的可接受范围内以及光子是否是在可接受的时窗内到达来接受数据或丢弃数据以将一个伽马光子与另一个伽马光子相关联。当发现光子之间匹配，也就是判断出它们源自同一个湮灭事件，便能够在检测到该光子的各检测器上的两点之间绘出响应线(line of response，LOR)。因此，湮灭事件的位置必然位于在沿着该LOR的某处。
一些仪器具有足够的时间分辨率以根据一对伽马光子的飞行时间(time offlight，TOF)差计算湮灭事件的位置。在较低分辨率的仪器中，必须使用其它数学方法以基于插值算法和/或外推算法计算湮灭位置。
传统的PET/SPECT检测器包括多个闪烁晶体，这些闪烁晶体以像素化二维阵列排列并且用间隔材料间隔开，该间隔材料限制了相邻晶体之间的光学干涉。该闪烁晶体排列与也以二维排列排列的多个光电转换器进行光通信。通常，一个光电转换器与多个闪烁晶体进行光通信。当闪烁晶体接收到伽马光子时，该光子在最终被吸收之前在该晶体内行进有限的一段距离。该距离被称为作用深度(depth of interaction，DOI)。在伽马光子被吸收的位置处，晶体发射出大量的UV和/或者可见光子，即，该晶体闪烁。光子波前在晶体内部传播并且接触光电转换器。传统上，光电转换器持续累积光子信号，并且根据它们是否达到最小阈值信号强度而被单独读出，之后可以对该数据进行数字化。此时应用质心计算来估计闪烁事件的位置。从该数据能够计算出用于图像重构的参数。例如，然后可以将已知的图像重构算法应用于该数据以产生图像。这种图像重构算法可以包括滤波逆投影成像算法(Filtered Back Proiection)和/或有序子集最大期望值法(Ordered Subset Expectation Maximization)。然后根据已知的图像显示算法如最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)和/或最小密度投影(minimum intensity projection，mIP)显示重构的图像。
需要一种非像素化的平板检测器，它能够更精确地计算重构高分辨率图像所需的作用深度和/或其他参数。本发明的一些实施例克服了现有技术的一个或多个缺陷。
发明内容
一些实施例涉及一种平板检测器(slab detector)，包括：具有用于接收伽马射线的第一主表面的闪烁晶体板，该第一主表面包括适于反射闪烁光子的反射涂层，以及第二主表面，没有反射涂层，并且与第一主表面间隔开，该间隔定义厚度，其中第一和第二主表面每个由共同限定四个次表面的四个边沿限定(bound)，每个次表面包括适于反射闪烁光子的反射涂层；以及多个光电转换器，所述多个光电转换器分别与闪烁晶体的第二主表面进行光通信并且限定二维阵列的，其中每个光电转换器与相邻光电转换器抵接。
根据一些实施例，该闪烁晶体板包括单个晶体。
根据一些实施例，该闪烁晶体板包括由指数匹配材料连接的多个晶体。
根据一些实施例，该闪烁晶体板没有像素化槽。
根据一些实施例，该闪烁晶体板进一步包括一个或多个像素化槽。
根据一些实施例，第一或第二主表面之一是弯曲的，以定义透镜。
根据一些实施例，该透镜用于使闪烁光子聚焦在二维阵列光电转换器的预定部分上，或者该透镜用于使闪烁光子准直以使它们相对于该二维阵列以直角撞击该二维阵列光电转换器。
根据一些实施例，该闪烁晶体包括下列中的一种或多种材料中选择的材料：掺铈正硅酸钇镥、掺钠碘化铯、锗酸铋、掺铈正硅酸钆、掺铊碘化钠、氟化钡、掺铈铝酸钇、掺铈正硅酸镥、溴化镧、掺铈溴化镧或者它们的任意组合。
根据一些实施例，所述多个光电转换器选自由硅光电倍增器或雪崩光电二极管中的一个或多个。
一些实施例还包括数据处理模块，该数据处理模块与每个光电转换器进行电子通信，并且适于同时地并且以适于在实时的光子波前时间采样中十取一的方式从每个光电转换器收集数据。
根据一些实施例，根据权利要求1的多个检测器适于互相并列以使各检测器的闪烁晶体板在边沿处抵接。
一些实施例涉及一种平板检测器，包括：具有用于接收伽马射线的第一主表面的闪烁晶体板，该第一主表面包括适于反射闪烁光子的反射涂层，以及第二主表面，包括适于反射闪烁光子的反射涂层，并且与第一主表面间隔开，该间隔定义厚度，其中第一和第二主表面每个由共同限定四个次表面的四个边沿限定，每个次表面没有反射涂层；以及与闪烁晶体板的次表面进行光通信的多个光电转换器，其中每个次表面与至少一个光电转换器进行光通信。
根据一些实施例，该闪烁晶体板包括单个晶体。
根据一些实施例，该闪烁晶体板包括由指数匹配材料连接的多个晶体。
根据一些实施例，一个或多个表面是弯曲的，以定义透镜。
根据一些实施例，该透镜适于使闪烁光子聚焦在所述多个光电转换器的预定部分上，或者该透镜适于是闪烁光子准直以使它们相对于该二维阵列以直角撞击所述多个光电转换器。
根据一些实施例，该烁晶体包括从下列中的一种或多种材料中选择的材料：掺铈正硅酸钇镥、掺钠碘化铯、锗酸铋、掺铈正硅酸钆、掺铊碘化钠、氟化钡、掺铈铝酸钇、掺铈正硅酸镥、溴化镧、掺铈溴化镧、或者它们的任意组合。
根据一些实施例，所述多个光电转换器选自硅光电倍增器或雪崩光电二极管中的一个或多个。
一些实施例还包括数据处理模块，该数据处理模块与每个光电转换器进行电子通信，并且适于同时地并且以适于在实时的光子波前时间采样中十取一的方式从每个光电转换器收集数据。
一些实施例涉及一种平板检测器，包括：闪烁晶体板，该闪烁晶体板包括具有用于接收伽马射线的第一主表面的单个晶体，该第一主表面包括用于反射闪烁光子的反射涂层，以及第二主表面，没有反射涂层，并且与第一主表面间隔开，该间隔定义厚度，其中第一和第二主表面每个由共同限定四个次表面的四个边沿限定，每个次表面包括适于反射闪烁光子的反射涂层，并且其中第一或第二主表面之一是弯曲的，以定义透镜；以及多个光电转换器，所述多个光电转换器每个与闪烁晶体的第二主表面进行光通信，并且定义二维阵列，其中每个光电转换器与相邻的光电转换器抵接，其中该透镜适于使闪烁光子聚焦在所述多个光电转换器的预定部分上，或者该透镜适于使闪烁光子准直以使它们相对于该二维阵列以直角撞击该二维阵列光电转换器。
本领域技术人员阅读和理解以下详细说明之后，其他益处和优点将会变得明显。
附图说明
本发明的某些部分和部分的配置采用实体形式，其实施例将在本说明书中予以详细描述，并在形成说明书一部分的附图中示出，其中：
图1A是一实施例的平板闪烁晶体的透视图；
图1B是一实施例的包括像素化槽的平板闪烁晶体的透视图；
图2A是一实施例的多个连接的闪烁晶体的透视图；
图2B是一实施例的平板闪烁晶体的透视图；
图3是一实施例的PET/SPECT检测器的透视图；
图4是一对边沿抵接的PET/SPECT检测器的透视图；
图5A图3所示的检测器的截面图；
图5B是从波前检测得到的信号的曲线图。
具体实施方式
根据一些实施例，PET/SPECT断层成像系统至少包括单个连续的平板闪烁晶体，该晶体具有平坦的上下面。晶体的面与多个高速光电转换器进行光通信，该光电转换器用于同步检测晶体内部的闪烁事件。适当的光电转换器包括但不限于：硅光电倍增器(SiPM)阵列，或者雪崩光电二极管阵列。作为选择，在某些实施例中，平板晶体可以包括一个主表面，该主表面具有弯曲的几何形状并限定透镜。根据这种实施例，该晶体可以包括一个或者多个聚焦透镜或者准直透镜。
特别地，所述多个光电转换器适于同时实时地获取波前的数字样本的时间序列，该时间序列包括十取一的时间采样。根据本发明的一些实施例，对数字脉冲数据应用一个或多个算法，这能够将时间分辨率提高到大约4皮秒。之后，使用脉冲波前数字处理器对已得到的高时间分辨率数据应用一个或者多个算法，从而实现脉冲能量、脉冲时间、闪烁事件位置、湮灭的X-Y位置、伽马光子飞行时间(TOF)以及伽马光子与闪烁晶体的作用深度的高精确计算。
根据一些实施例，适当的闪烁晶体可以包括下列中的一个或多个：掺铈正硅酸钇镥(cerium doped lutetium yttrium orthosilicate(LYSO))、掺钠碘化铯(sodium doped cesium iodide(Na:CsI))、锗酸铋(bismuth germinate(BGO))、掺铈正硅酸钆(cerium doped gadolinium orthosilicate(GSO))、掺铊碘化铈(thallium doped sodium iodide(Tl:NaI))、氟化钡(barium fluoride(BaF2))、掺铈铝酸钇(cerium doped yttrium aluminate(YAIO3，即YAP))、掺铈硅酸镥(cerium doped lutetium oxyorthosilicate(Ce:Lu2SiO5，即LSO))、溴化镧(lanthanum bromide(LaBr3))、掺铈溴化镧(cerium doped lanthanumbromide)或者它们的任意组合。
一些实施例包括闪烁晶体，在闪烁晶体的一个或者多个表面上具有反射涂层或者有反射组件以防止闪烁光子的损失。此外，在一些实施例中，除了与一个或多个光电转换器进行光通信的表面以外的每个表面都包括反射涂层或者反射组件。在本技术领域中已知很多适当的透明反射涂层。典型的反射组件可以包括聚四氟乙烯(PTFE)带或者各种漫反射材料中的任何一种。
适当的闪烁检测器可以采取多种形式。例如，在一些实施例中，合适的检测器可以包括如图1A中所示的单个闪烁晶体板(slab)100a的。在一些实施例中，该板(slab)可以没有像素化槽，或者它可以包括布置在晶体100b的一个或多个面110上的一个或者多个像素化槽120。此外，一些闪烁晶体不能作为尺寸大到足以用于平板检测器的单个晶体而获得。因此，一些实施例200可以包括使用系数匹配材料210连接的多个闪烁晶体201a、201b、201c和201d，系数匹配材料210匹配所连接的晶体201a-d的折射系数，从而限制或消除界面反射，即菲涅尔反射。适当的系数匹配材料可以包括本领域公知的各种光学粘合剂中的任一种，其特性在于它的折射系数与闪烁晶体的折射系数相似。本领域技术人员将会认识到，系数匹配材料的正确选择依赖于在检测器中选用的具体闪烁晶体。
例如，根据一些实施例，闪烁晶体可以包括单个LYSO晶体平板200b，而其他实施例200a可以包括多个较小的LYSO晶体201a-d，其中每个晶体是使用指数匹配材料210连接在一起的矩形子单元。因此，多个连接的LYSO晶体200a的整体尺寸可以与单个平板LYSO晶体200b的尺寸相似。另外，在一些实施例中，多个连接的LYSO晶体101a-d中的每一个可以包括多个连接的晶体200a的总面积的大约四分之一的面积。
如图3中所示，根据一些实施例，闪烁检测器300可以包括单个闪烁晶体100，其中晶体100的主表面与以二维阵列排列的多个光电转换器310进行光通信。适当的光电转换器可以包括但不限于硅光电倍增器和/或雪崩光电二极管。如上面所谈到的，单个晶体100可以可选择地包括多个连接的晶体，如图2A中的200a，并且/或者可以包括像素化槽，如图1B中的100b中的像素化槽。图4说明一些实施例的检测器300相互并列，形成检测器300的边缘抵接对400。在这些实施例中，闪烁晶体平板100、100’被空气界面420分隔开。
转到图5A，其示出在检测闪烁事件期间图3中的检测器的截面图。根据一些实施例，从β+衰退中产生的一个511keV的伽马光子进入闪烁晶体100a，并且行进510到与闪烁晶体100a作用的深度，也就是被闪烁晶体100a吸收。随后，闪烁晶体松弛并发射出多个可见光谱的光子，从而定义闪烁事件520。该光子波前530在闪烁晶体100a中传播，并且特征在于光脉冲持续时间大约10到100纳秒，或者在LYSO的情况下大约为40纳秒。波前530到达光电转换器540a-g，这些光电转换器同时检测以获得波前530的第一数字样本测量。然后光电转换器540a-g重复检测以获得波前530的数字样本560a-f的时间序列，其定义电子脉冲信号550。本领域技术人员将认识到，尽管仅示出一维阵列的光电转换器540a-f，但是在测量波前530的测量中，可以采用完整的二维阵列。只是为了便于例示才使用一维阵列来论述检测。
尽管前面的论述是对单个闪烁事件的描述，但本领域技术人员将认识到在实际操作中，多个闪烁事件能够几乎同时发生，使得这些事件的波前重叠，或者超出检测器的时间分辨率，导致脉冲堆积和/或尾部堆积。此外，脉冲堆积会导致受污染的数据集，例如包括对脉冲能量的错误测量。因此，一些实施例进一步包括用于校正、减小和/或消除脉冲堆积的方法。例如，一些实施例可以包括用于对重叠脉冲进行去卷积、检测和排除重叠脉冲的算法，或者其他适当的校正方法。
根据一些实施例，可以对脉冲数据550应用一个或多个交叉相关、插值和/或超分辨率算法，以将时间分辨率提高大约50倍(fifty-fold)，使得时间分辨率达到约4ps。这种高时间分辨率使得能够高精度地计算参数，这些参数包括但不限于x-y湮灭位置、伽马光子的飞行时间(TOF)、伽马光子作用深度(DOI)、闪烁事件位置、脉冲能量和/或脉冲时间或者它们的任意组合。特别地，表1中包括根据本发明实施例可获得的一些代表性的精度范围。
表1
| 参数 | 精度 |
| x-y湮灭位置 | 高达+/-1或2mm |
| 伽马光子TOF | 高达+/-40ps |
| 闪烁脉冲时间 | 高达+/-40ps |
| 闪烁DOI | 高达+/-1到3mm |
| 能量分辨率 | 高达+/-2到10％ |
在上文中描述了并且在各个附图中示出了上述实施例，这些实施例是为了例示本发明的实施例而被包括的，并且不是用于限制本发明。因此，在不偏离本发明的一般范围的情况下，可以对上述方法和装置进行更换和改造，这对本技术领域人员来说是显而易见的。因此，本申请意图包括所有这种改造和更换，只要它们在所附权利要求或其等同的范围之内。
Claims (20)
1.一种平板检测器，包括：
闪烁晶体板，其具有用于接收伽马射线的第一主表面，所述第一主表面包括用于反射闪烁光子的反射涂层，以及第二主表面，该第二主表面没有反射涂层，并且与所述第一主表面间隔开，从而定义了厚度，其中所述第一和第二主表面每个由四个边沿限定，四个边沿共同限定了四个次表面，每个次表面包括用于反射闪烁光子的反射涂层，以及
多个光电转换器，所述多个光电转换器每个与所述闪烁晶体的所述第二主表面进行光通信并且形成了二维阵列，其中每个光电转换器与相邻的光电转换器抵接。
2.根据权利要求1所述的检测器，其中所述闪烁晶体板包括单个晶体。
3.根据权利要求1所述的检测器，其中所述闪烁晶体板包括用系数匹配材料连接的多个晶体。
4.根据权利要求1所述的检测器，其中所述闪烁晶体板没有像素化槽。
5.根据权利要求1所述的检测器，其中所述闪烁晶体板进一步包括一个或多个像素化槽。
6.根据权利要求1所述的检测器，其所述第一或第二主表面之一是曲面的，从而形成了透镜。
7.根据权利要求6所述的检测器，其中所述透镜使闪烁光子聚焦在所述二维阵列光电转换器的预定部分上，或者所述透镜适于使闪烁光子准直以使它们相对于所述二维阵列以直角撞击所述二维阵列光电转换器。
8.根据权利要求1所述的检测器，其中所述闪烁晶体包括从下列中的一种或多种材料中选择的材料：掺铈正硅酸钇镥、掺钠碘化铯、锗酸铋、掺铈正硅酸钆、掺铊碘化钠、氟化钡、掺铈铝酸钇、掺铈正硅酸镥、溴化镧、掺铈溴化镧、或者它们的任意组合。
9.根据权利要求1所述的检测器，其中所述多个光电转换器选自硅光电倍增器或雪崩光电二极管中的一个或多个。
10.根据权利要求1所述的检测器，进一步包括数据处理模块，所述数据处理模块与所述光电转换器中的每一个进行电子通信，并且适于同时地且以适于在实时的光子波前时间采样中十取一的方式从每个光电转换器收集数据。
11.根据权利要求1所述的检测器，其中根据权利要求1的多个检测器适于互相并列以使各检测器的闪烁晶体板在边沿处抵接。
12.一种平板检测器，包括：
闪烁晶体板，其具有用于接收伽马射线的第一主表面，所述第一主表面包括适于反射闪烁光子的反射涂层，以及第二主表面，所述第二主表面包括适于反射闪烁光子的反射涂层，并且与所述第一主表面间隔开，从而定义了厚度，其中所述第一和第二主表面每个由四个边沿限定，四个边沿共同限定了四个次表面，每个次表面没有反射涂层；以及
与所述闪烁晶体板的次表面进行光通信的多个光电转换器，其中每个次表面与至少一个光电转换器进行光通信。
13.根据权利要求12所述的检测器，其中所述闪烁晶体板包括单个晶体。
14.根据权利要求12所述的检测器，其中所述闪烁晶体板包括用系数匹配材料连接的多个晶体。
15.根据权利要求12所述的检测器，其中一个或多个表面是曲面的，从而形成了透镜。
16.根据权利要求15所述的检测器，其中所述透镜适于使闪烁光子聚焦在所述多个光电转换器的预定部分上，或者所述透镜适于使闪烁光子准直以使它们相对于所述二维阵列以直角撞击所述多个光电转换器。
17.根据权利要求12所述的检测器，其中所述闪烁晶体包括从下列中的一种或多种材料中选择的材料：掺铈正硅酸钇镥、掺钠碘化铯、锗酸铋、掺铈正硅酸钆、掺铊碘化钠、氟化钡、掺铈铝酸钇、掺铈正硅酸镥、溴化镧、掺铈溴化镧、或者它们的任意组合。
18.根据权利要求12所述的检测器，其中所述多个光电转换器选自硅光电倍增器或雪崩光电二极管中的一个或多个。
19.根据权利要求12所述的检测器，进一步包括数据处理模块，所述数据处理模块与所述光电转换器中的每一个进行电子通信，并且适于同时地且以适于在实时的光子波前时间采样中十取一的方式从每个光电转换器收集数据。
20.一种平板检测器，包括：
闪烁晶体板，所述闪烁晶体板包括单个晶体，该单个晶体具有用于接收伽马射线的第一主表面，所述第一主表面包括用于反射闪烁光子的反射涂层，该单个晶体还具有第二主表面，所述第二主表面没有反射涂层，并且与所述第一主表面间隔开，从而定义了厚度，其中所述第一和第二主表面每个由四个边沿限定，四个边沿共同限定了四个次表面，每个次表面包括适于反射闪烁光子的反射涂层，并且其中所述第一或第二主表面之一是曲面的，从而形成了透镜；以及
多个光电转换器，所述多个光电转换器每个与闪烁晶体的所述第二主表面进行光通信，并且形成了二维阵列，其中每个光电转换器与相邻的光电转换器抵接，
其中，所述透镜适于使闪烁光子聚焦在所述多个光电转换器的预定部分上，或者所述透镜适于使闪烁光子准直以使它们相对于所述二维阵列以直角撞击所述二维阵列光电转换器。
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