CN103718063A - 基于铽的探测器闪烁体 - Google Patents

基于铽的探测器闪烁体 Download PDF

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Abstract

一种成像系统（100）包括辐射源（110）和辐射敏感探测器阵列（116），所述辐射敏感探测器阵列包括闪烁体阵列（118）和被光学耦合到所述闪烁体阵列的光传感器阵列（120），其中，所述闪烁体阵列包括Gd2O2S：Pr，Tb，Ce。一种方法，包括利用成像系统（100）的辐射敏感探测器阵列（116）探测辐射，其中，所述辐射敏感探测器阵列包括基于Gd2O2S：Pr，Tb，Ce的闪烁体阵列（118）。一种辐射敏感探测器阵列（116）包括闪烁体阵列（118）和被光学耦合到所述闪烁体阵列的光传感器阵列（120），其中，所述闪烁体阵列包括Gd2O2S：Pr，Tb，Ce，并且Gd2O2S：Pr，Tb，Ce中Tb3+的量等于或小于200摩尔百万分率。

Description

基于铽的探测器闪烁体
技术领域
下文大体涉及具有基于铽（Tb3+）的闪烁体阵列的辐射敏感成像探测器，并且尤其参考对计算机断层摄影（CT）的应用进行描述。然而，下文也能应用于其他成像模态。
背景技术
计算机断层摄影（CT）扫描器包括X射线管和探测器阵列。X射线管由绕检查区域旋转的旋转机架支撑，由此将X射线管绕检查区域旋转。探测器阵列跨过检查区域与X射线管相对定位。X射线管发射辐射，辐射穿过检查区域（以及其中的受检者或对象的部分）并辐照探测器阵列。探测器阵列探测穿过检查区域的辐射，并生成指示其的信号。重建器重建信号，以生成三维体积成像数据。数据处理器能够处理三维体积成像数据，并生成基于其的一幅或多幅图像。
常规的探测器阵列包括基于闪烁体的探测器阵列。典型的基于闪烁体的探测器阵列包括被光学耦合到光电二极管阵列的闪烁体阵列。通过举例，常规的基于闪烁体的探测器阵列包括被光学耦合到硅（Si）光电二极管阵列的基于硫氧化钆（GOS）的（例如，Gd2O2S：Pr，Ce）闪烁体阵列。穿过检查区域的辐射辐照闪烁体阵列，闪烁体阵列吸收X射线光子，并且作为响应，发射光量子，光量子指示所吸收的X射线光子。光电二极管阵列探测光量子，并生成指示所探测的光量子的电信号。重建器重建该信号。
基于Gd2O2S：Pr，Ce的闪烁体阵列具有约40000光子/MeV的光产出或光输出，其具有适于CT应用的余辉。大体上，光输出对应于转换效率，或将所吸收的X射线光子转换成光量子的能力。因此，对于具有更高的转换效率和光输出，具有适于CT应用的余辉的闪烁体阵列，存在着待解决的需求。
发明内容
本申请的方面解决上述问题以及其他问题。
根据一个方面，一种成像系统包括辐射源和辐射敏感探测器阵列，所述辐射敏感探测器阵列包括闪烁体阵列和被光学耦合到所述闪烁体阵列的光传感器阵列，其中，所述闪烁体阵列包括Gd2O2S：Pr，Tb，Ce。
根据另一方面，一种方法包括利用成像系统的辐射敏感探测器阵列探测辐射，其中，所述辐射敏感探测器阵列包括基于Gd2O2S：Pr，Tb，Ce的闪烁体阵列（118）。
根据另一方面，一种辐射敏感探测器阵列包括闪烁体阵列和被光学耦合到所述闪烁体阵列的光传感器阵列，其中，所述闪烁体阵列包括Gd2O2S：Pr，Tb，Ce，并且所述Gd2O2S：Pr，Tb，Ce中Tb3+的量等于或小于两百百万分率（ppm）。
附图说明
本发明可以采取各个部件和部件的布置，以及各个步骤与步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选的实施例的目的，并且不得被解释为对本发明的限制。
图1示意性图示具有包括基于铽的闪烁体阵列的探测器阵列的范例成像系统。
图2、图3和图4以图形方式图示与200ppm的预定光输出阈值以及5ms的预定阈值时间相关的，分别针对三种不同量的Tb3+的，在X射线激发之后的Gd2O2S：Pr，Tb，Ce的时间依赖性发射强度曲线。
图5、图6和图7以图形方式图示与200和50ppm的预定光输出阈值以及5和500ms的预定阈值时间相关的，分别针对三种不同量的Tb3+的，在X射线激发之后的Gd2O2S：Pr，Tb，Ce的时间依赖性发射强度曲线。
图8图示用于探测闪烁体中Tb3+的存在的范例方法。
图9图示采用具有带有Gd2O2S：Pr，Tb，Ce的闪烁体阵列的探测器阵列的范例成像方法。
具体实施方式
图1图示诸如计算机断层摄影（CT）扫描器的成像系统100。
成像系统100包括固定机架102和由固定机架102可旋转地支撑的旋转机架104。旋转机架104关于纵轴或z轴108绕检查区域106旋转。
诸如X射线管的辐射源110由旋转机架104支撑并与旋转机架104一起旋转，并且向检查区域106发射辐射。
源准直器112准直所发射的辐射，以形成大体为锥形、扇形、楔形或其他形状的辐射束，所述辐射束穿过检查区域106以及其中的对象或受检者的部分。
辐射敏感探测器阵列114被附接到旋转机架104并且包含角度弧，跨过辐射源110，与检查区域106相对。所图示的探测器阵列114包括至少一个具有闪烁体阵列118的探测器模块116，闪烁体阵列118被光学耦合到光传感器阵列120。闪烁体阵列118吸收X射线光子122，并且作为响应，发射光量子（例如可见光或紫外辐射），所述光量子指示所吸收的X射线光子122。光传感器阵列120探测所述光量子，并且生成指示所探测的光量子的电（电流或电压）信号。
如下文更详细描述的，所图示的闪烁体阵列118包括Gd2O2S：Pr，Tb，Ce，其中，相对于没有铽（Tb3+）的配置，铽（Tb3+）在所述Gd2O2S：Pr，Tb，Ce中的量增加了光输出（即，光子到光的转换效率），同时满足预定的余辉（或光衰减）阈值。在所图示的实施例中，光传感器阵列120被耦合到闪烁体阵列118的背面。在另一实施例中，光传感器阵列120被耦合到闪烁体阵列118的侧面。此外，合适的闪烁体阵列包括复合闪烁体阵列和陶瓷闪烁体阵列，例如分别在US201000032578和US2010/00167909中描述的那些，在此通过引用将其整体并入本文。
重建器124重建所述信号，并生成指示检查区域106以及其中的受检者或对象的部分的体积图像数据。
诸如躺椅的受检者支撑物126支撑检查区域106中的对象或受检者。支撑物126与旋转机架104的旋转相协调地，可沿x轴、y轴和z轴移动，以便于螺旋、轴向或其他期望的扫描轨迹。
通用计算系统充当操作者控制台128，其包括诸如显示器的人可读输出设备以及诸如键盘和/或鼠标的输入设备。贮存在控制台128上的软件，例如通过允许操作者启动扫描等，允许操作者控制系统100的运行。
如上文简要讨论的，所图示的闪烁体阵列118被共掺杂有一定量的Tb3+，这相对于没有所述Tb3+的配置，增大了光输出，同时满足预定的余辉阈值。
图2、图3和图4以图形方式图示分别针对三种不同量的Tb3+，在停止X射线激发之后，Gd2O2S：Pr，Tb，Ce的时间依赖性发射强度曲线200、300和400。在图2、图3和图4中，y轴202代表在对数标度上归一化的光强度，并且x轴204代表在对数标度上的时间。针对这些范例，在5毫秒（ms）的时间阈值208处，光输出阈值206被设定为200百万分率（ppm）。在其他实施例中，阈值206和/或208能够不同，包括更大或更小。
在图2中，在Gd2O2S：Pr，Tb，Ce中Tb3+的量大约为10摩尔ppm，在图3中，在Gd2O2S：Pr，Tb，Ce中Tb3+的量大约为50摩尔ppm，并且在图4中，在Gd2O2S：Pr，Tb，Ce中Tb3+的量大约为200摩尔ppm。从图2、图3和图4可见，由于在光输出阈值206与时间阈值208的交叉210处，曲线200、300和400全都降至光输出阈值206处或降至光输出阈值206之下，在时间阈值208处，光输出阈值206由所有三个量（10、50和200ppm）的Tb3+所满足，如由曲线200、300和400所示。
将以上汇总在下表1中。
Figure BDA0000463008710000041
表1：在5ms处的给定量的Tb3+的光产出
从图2、图3和图4以及表1可见，针对200ppm的光输出阈值206，能够使用高达200摩尔ppm的Tb3+的量。利用该量，闪烁体阵列118的光输出大约为53000光子/MeV。相对于背景技术中讨论的闪烁体的40000光子/MeV的光输出，这代表大约33%的光输出增加。能够在仍符合CT时间依赖性光强度规格的同时，达到光产出的更高的增加，例如大于35%，如高达50%。针对超过200ppm的Tb3+的量，由于在Gd2O2S中的Tb3+相对慢的发射，Tb3+开始支配余辉行为，以增加闪烁体的有效短余辉。
还从图2、图3和图4以及表1可见，当光输出阈值206转而为100ppm或更小时，能够使用高达50摩尔ppm的Tb3+的量。利用该量，闪烁体阵列118的光输出大约为49200光子/MeV。相对于背景技术中讨论的闪烁体的40000光子/MeV的光输出，这代表大约23%的光输出的增加。从图2、图3和图4以及表1可见，当光输出阈值206大于200ppm时，能够使用大于200摩尔ppm的Tb3+的量。
大体上，由于Gd2O2S：Pr，Ce不显示因浓度淬灭或因冷光的热淬灭造成的损失，能量从主晶格态到Pr3+态的转移很有可能具有小于统一体的效率，因此该能量不用于生成随后在CT程序中使用的光。利用Gd2O2S：Pr，Tb，Ce，额外量的Tb3+提供额外的辐射重组或能量清除通道。然而，由于Tb3+具有慢得多的固有衰减时间，这给Tb3+浓度设定了上限。与恰在X射线脉冲之后的光强度相比较，由于仅部分的光子是由Tb3+离子生成的，（当然Pr3+离子也对光子生成过程有贡献），Tb3+浓度过高导致过高的作为时间函数的相对光强度。因此，必须小心调谐Tb3+和Pr3+的相对贡献，以不降低Gd2O2S：Pr，Ce的性能，如非常小的余辉。
图2、图3和图4包括单一阈值点（即交点210）作为标准，以确定能够被添加到闪烁体材料来增加光输出的Tb3+的最大量。应认识到，能够基于不止单一阈值点，来确定添加的Tb3+的量。联系图5、图6和图7示出这样的范例。类似于图2、图3和图4，在图5、图6和图7中，y轴202代表在对数标度中归一化的光强度，并且x轴204代表在对数标度中的时间。
从图5、图6和图7可见，由于在第二光输出阈值502与第二时间阈值504的交点506处，曲线200、300和400均降至第二光输出阈值502以下，在500ms的第二时间阈值504处，50ppm的第二光输出阈值由所有三个量（10、50和200摩尔ppm）的Tb3+所满足，如由曲线200、300和400所示。在其他范例中，当合适时，能够使用更多的光输出和/或时间阈值。
图8图示用于探测闪烁体中Tb3+的存在的方法。
应认识到，以下动作的排序是出于说明的目的而非限制性的。如此，排序可以不同，包括同时的动作。此外，能够省略动作中的一个或多个和/或能够包括一个或多个动作。
在802，激活光源，以辐照闪烁体阵列118。合适的光源的范例包括发射254nm光的光源。
在804，由所述辐照激发闪烁体阵列118。
在806，闪烁体阵列118响应于被辐照，发射独特的辐射。
在808，测量所发射的辐射的发射谱。
在810，分析所测量的发射谱，以确定Tb3+是否存在。在一种情况中，这包括识别490nm以下的发射线的存在，在490nm以下Pr3+在该材料中不发射，并且这指示Tb3+的存在。这样的线包括在约450nm、410nm和380nm处的线。也可以观察在545nm处的高发射强度。本文中也预期其他方法。
图9图示成像方法。
应认识到，以下动作的排序是出于说明的目的而非限制性的。如此，排序可以不同，包括同时的动作。此外，能够省略动作中的一个或多个和/或能够包括一个或多个动作。
在902，由辐射源110产生并发射辐射。
在904，所发射的辐射穿过检查区域106以及其中的受检者或对象的部分。
在906，由闪烁体阵列118接收穿过检查区域106以及其中的受检者或对象的部分的辐射，闪烁体阵列118吸收所述辐射，并发射指示所接收的辐射的光量子。
如本文中所讨论的，在一种情况中，闪烁体118包括一定量的Tb3+，以达到期望的光输出，其具有期望光衰减。例如，如本文中所示，针对在5ms处或之后的小于200ppm的光输出，能够使用小于200ppm的Tb3+，以相对于不添加Tb3+的配置，使光强度增加大约33%。
在908，经由光传感器阵列120探测所述光量子，光传感器阵列120生成指示所探测的辐射的电信号。
在910，重建所述电信号，由此生成指示检查区域106以及其中的受检者或对象的部分的体积图像数据。
上文可以经由一个或多个处理器来实施，所述处理器执行被编码或包含在诸如物理存储器的计算机可读存储介质上的一个或多个计算机可读指令，所述指令引起所述一个或多个处理器执行各种动作和/或其他功能和/或动作。额外地或备选地，所述一个或多个处理器能够执行由诸如信号或载波的暂态介质承载的指令。
尽管上文描述了基于光输出与衰减时间阈值的组合，确定针对闪烁体的Tb量，在其他情况中，Tb的量基于Tb与Pr、Tb与Ce、Tb与Pr和Ce、和/或Tb与闪烁体的其他元素的预定比率。在另一情况中，Tb的量仅基于预定的光输出阈值。能够通过：[N(Pr)+25N(Tb)]/[N(Pr)+25N(Tb)+25N(Ce)+400]（其中N以摩尔ppm为单位），确定大致的相对光产出（LY）（例如，0与1之间的数）。之后由：45000*[N(Pr)+25N(Tb)]/[N(Pr)+25N(Tb)+25N(Ce)+400]，给出绝对光产出。在另一情况中，Tb的量基于另一预定特性。
已参考优选的实施例描述了本发明。他人在阅读和理解前面的详细描述后可以做出多种修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落入权利要求书或其等价要件的范围内。

Claims (20)

1.一种成像系统（100），包括：
辐射源（110）；以及
辐射敏感探测器阵列（114），其包括：
闪烁体阵列（118）；以及
光传感器阵列（120），其被光学耦合到所述闪烁体阵列，其中，所述闪烁体阵列包括Gd2O2S：Pr，Tb，Ce。
2.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述Gd2O2S：Pr，Tb，Ce包括具有这样的量的Tb3+：其中，所述闪烁体的光输出在预定衰减时间处低于预定光输出阈值。
3.如权利要求2所述的成像系统，其中，所述Tb3+的量等于或小于两百摩尔百万分率。
4.如权利要求2至3中任一项所述的成像系统，其中，在所述辐射源停止发射辐射之后五毫秒处的所述光传感器阵列的光输出等于或小于两百百万分率。
5.如权利要求2至4中任一项所述的成像系统，其中，在所述辐射源停止发射辐射之后五百毫秒处的所述光传感器阵列的光输出等于或小于五十百万分率。
6.如权利要求2至5中任一项所述的成像系统，其中，所述光输出大约为53000光子/MeV。
7.如权利要求1至6中任一项所述的成像系统，其中，所述闪烁体阵列118包括复合材料。
8.如权利要求1至6中任一项所述的成像系统，其中，所述闪烁体阵列118包括陶瓷材料。
9.如权利要求1至8中任一项所述的成像系统，其中，所述闪烁体阵列的光效率比所述闪烁体阵列不包括所述Tb3+的配置大大约百分之三十三。
10.如权利要求1至9中任一项所述的成像系统，其中，所述成像系统为计算机断层摄影扫描器。
11.一种方法，包括：
利用成像系统（100）的辐射敏感探测器阵列（114）探测辐射，其中，所述辐射敏感探测器阵列包括基于Gd2O2S：Pr，Tb，Ce的闪烁体阵列（118）。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述Gd2O2S：Pr，Tb，Ce包括具有这样的量的Tb3+：其中，所述闪烁体的光输出在预定衰减时间处低于预定光输出阈值。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述Tb3+的量等于或小于两百摩尔百万分率。
14.如权利要求12至13中任一项所述的方法，其中，在辐射源停止发射辐射之后五毫秒处的所述光传感器阵列的光输出等于或小于两百百万分率。
15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，在所述辐射源停止发射辐射之后五百毫秒处的所述光传感器阵列的光输出等于或小于五十百万分率。
16.如权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，所述光输出大约为53000光子/MeV。
17.如权利要求11至16中任一项所述的方法，其中，所述闪烁体阵列118包括复合材料或陶瓷材料中的一种。
18.如权利要求11至17中任一项所述的方法，其中，所述闪烁体阵列的光效率比所述闪烁体阵列不包括所述Tb3+的配置大大约百分之三十三。
19.如权利要求11至18中任一项所述的方法，其中，所述成像系统为计算机断层摄影扫描器。
20.一种辐射敏感探测器阵列（116），包括：
闪烁体阵列（118）；以及
光传感器阵列（120），其被光学耦合到所述闪烁体阵列，其中，所述闪烁体阵列包括Gd2O2S：Pr，Tb，Ce，并且在所述Gd2O2S：Pr，Tb，Ce中Tb3+的量等于或小于两百摩尔百万分率。
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