CN103917898B - ToF-DOI探测器阵列的建模 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于具有作用深度（DOI）编码以实现高的空间、能量和计时分辨率的飞行时间（ToF）正电子发射断层摄影（PET）的几种晶体布置。此外，提出了具有相关测量的ToF‑DOI PET探测器阵列的几种实施方式，所有测量都表明，在针对数字硅光倍增管（dSiPM）的第一光子触发所用的设置中，未见到计时劣化。
Description
技术领域
本发明涉及具有作用深度（DOI）和飞行时间（ToF）编码的正电子发射断层摄影（PET）系统的领域。
背景技术
医疗成像领域近来的发展大大促进了将用于对人体内部结构准确成像的技术过渡到敏感到足以在细胞和分子水平提供功能和生物信息的技术。PET被认为是最敏感的体内分子成像模态之一，尽管与诸如计算断层摄影（CT）和磁共振成像（MRI）相比，其空间分辨率要差很多。改进PET探测器技术是一个活跃的研究领域，并且工作集中于解决PET中实现的空间分辨率和灵敏度的限制上。
图1示出了在其中能够实施本发明的PET成像系统的示意性框图。在PET成像中，从患者100的掺有放射性化学药品的感兴趣器官或组织团发射正电子。正电子与电子结合并被湮灭，通常在发生该湮灭时生成沿直径上相反的方向行进的两个伽马光子。PET采集基于正电子湮灭后对很多对同时的反平行光子的符合探测。探测由探测器110执行，探测器110包括多个围绕被成像对象放置的探测器元件对，通常呈环形几何形状。使用相对的晶体探测器（每个在被伽马光子撞击时都会闪烁）探测发射的伽马光子。可以由符合处理单元120进行符合探测。通过识别由两个基本同时的闪烁事件证实的两个基本同时的伽马作用的每个的位置，能够确定空间中两个伽马光子沿其行进的线（“响应线”或“LOR”）。计算并重建与数百万与探测器的伽马作用相关联的LOR，以在图像重建单元130中生成感兴趣器官或组织团的图像。因此，在PET成像系统中，通过将湮灭光子能量转换成闪烁材料中的可见光并转换成的探测器110中的电荷的两步转换，实现入射辐射的探测。
飞行时间PET（ToF-PET）是相对于传统PET的进步，其采用对两个光子事件的探测中的到达时间差并将其与湮灭点相对于视场（FoV）中心的位置相关。两个被探测的光子事件之间的飞行时间差处在与沿连接两个探测器元件的线的对象位置相关的第一近似值中：dx=c/2dt。图像质量的受益取决于时间戳抖动。效果相当显著，因为每次将抖动减小两倍，患者的采集时间也能够减小两倍。
有几种类型的光探测器可用：第一个系列的光探测器覆盖真空管：具有几个平方厘米的相当大的探测器区域的光电倍增管（PMT）和提供几个毫米的位置信息以允许在毫米范围中的像素化的多阳极PMT。
光电倍增管（PMT）是一种常用于包括医疗成像的众多应用中的闪烁体读出的光探测器类型。在ToF-PET中，PMT常常用于亚纳秒的时间分辨率。PMT的基本部件是由光阴极、称为倍增器电极的若干电极和阳极构成的真空管。光阴极是针对以给定量子效率（QE）吸收的多个入射光子而发射电荷（电子）的光敏电极。在阴极和阳极之间施加kV范围中的偏压以促进生成的电子从阴极到阳极的传输和放大。在高电势的影响下，从光阴极生成的电子发生漂移并连续遭遇倍增器电极级。在每个倍增器电极级，入射电子获得充分大的能量以从与倍增器电极的撞击产生二级电子发射，从而在阳极处导致大的电子云。
第二系列的光探测器是基于硅的，并包含雪崩光电二极管（APD）、模拟或数字的硅光电倍增管（SiPM），它们基于以盖格模式驱动的多元件雪崩光电二极管。所有的硅探测器都允许设计具有毫米范围中的小像素化的PET/SPECT探测器。但仅有模拟和数字SiPM（dSiPM）允许亚纳秒时间戳以利用ToF-PET的优点。
此外，已经引入了硅光电倍增管（SiPM）来解决PMT的缺点，以实现更小的像素化。半导体光探测器领域中的新技术进步近来得到发展，该进步涉及在SiPM敏感区域之内集成基本处理电子器件，从而减少对外部处理电子器件的需求。阵列的每个微单元都连接到集成计数器（用于提取能量信息）和用于提取时间信息的集成的时间到数字转换器（TDC）。这种替代SiPM设计被称为“数字SiPM”或“dSiPM”，已经报道了具有LYSO读出的低到150ps半高宽度（FWHM）的时间分辨率。
在一些更早的PET系统中，伽马探测器仅能够用于在二维中确定与探测器的伽马作用的位置，这样会引起视差。更具体而言，闪烁晶体中探测到的伽马射线吸收事件的空间位置的常规二维测量限于晶体的X、Y平面中的二维点。视差是图像分辨率的关键限制因素，尤其对于大量患者而言。这降低了外部视场中小病灶的可检测性。
当应用于入射伽马射线撞击晶体的方向并非全部与晶体表面基本垂直的成像探测器几何结构时，作用深度（DOI）是重要的参数。如果入射伽马射线从与晶体不垂直的方向与晶体相交，如果仅为这样的吸收事件计算二维（即X、Y）空间位置，则因为视差效应的原因，晶体之内那些伽马射线的未知作用深度将导致实测的作用位置的额外不确定性。在D.Gagnon等人的“Maximum Likelihood Positioning in the Scintillation CameraUsing Depthof Interaction”（IEEE Transactions on Medical Imaging，第12卷，第1号，1993年3月，第101-107页）中提供了对DOI的重要性和与DOI相关联的问题的详细解释。
因此，能够通过使用DOI信息减小视差，以增大系统的空间分辨率，即，提供空间中三维的伽马作用的位置。就此而言，一些PET扫描器能够使用轴向堆叠的闪烁体提供DOI信息，轴向堆叠的闪烁体使用脉冲分形方法来使视差最小化。对于本范例而言，DOI探测器包括布置成多层的至少两种不同类型的晶体材料，每种材料都具有不同的闪烁衰减常数。通过基于脉冲形状的区分，能够在发生于任一晶体层中的作用事件之间进行区分。将各层细分成个体像素元，以区分给定层之内哪里发生作用，并且可以在晶体元件之间提供反射体隔离物，以更好地识别发生作用的晶体元件。此外，以常规方式在探测器的单侧上采用具有或者没有凹槽的光导以及光传感器（例如PMT或其他固态设备）。
图2示出了在双层DOI探测器（“2DOI”）和非DOI探测器（“0DOI”）情况下，径向空间分辨率相对于在轴向视场上具有模拟的分辨率的径向距离的图。迄今为止，常规的PET系统（“0DOI”）对于跨轴向视场的较大对象具有DOI问题和分辨率劣化。因此，不能以和身体中心的对象相同的图像分辨率探测到人体（尤其是大的患者）外部轮廓中的病灶，像癌性淋巴结。多层DOI探测器（“2DOI”）能够显著减小这种效应，增强小病灶可探测性，并增大患者的预期寿命。
图3示出了具有水平方向（即图1中所示坐标系的x方向）上的偏移像素以探测入射伽马光子xx的双层DOI探测器的示意性范例。具有单侧读出和深度编码的双层DOI探测器由两层闪烁体阵列22、24构成。每层都由多个具有小间距（例如大约1mm）的抛光晶体10构成。可以与光导25一起将这种组件以小间距（例如大约4mm）安装到dSiPM28阵列上。探测器块的宽度可以约为32mm。然而，这样的多层DOI编码有着计时分辨率劣化的问题，因为光在较大面积上分布。对于模拟SiPM读出而言，由于其噪声基底比光电倍增管（PMT）高得多，即每单位面积高1000-10000倍，这尤其成为问题。因此，仅当使用小敏感区（在低传感器温度下）时能够实现良好的计时。数字SiPM克服了这个问题，因为能够将个体微单元去活以将噪声基底减小数十倍。
US2011/019282A1公开了一种用于确定DOI信息的系统和方法。探测器被配置为生成作为从辐射源发射的辐射的结果的DOI信息。多个闪烁体像素形成块，其中，多个闪烁体像素具有第一部分和第二部分。提供了一种介质，该介质在所述块的第一部分或第二部分中的闪烁体像素的每个之间呈耦合和分离的交替模式。在所述块的顶部或上部附近，朝向所述块的内部像素共享的光被光学隔板遮挡，而朝向角落的耦合是可能的。在所述块的底部或下部，朝向角落的分布由于反射而受到光学隔板的限制，而朝向另一半探测器的分布经由晶体间的光学耦合器而被额外的光耦合膜进一步增强。由于这些条件，所述块下部的事件被拉向位置曲线的中心，而在所述块的上部附近作用的事件被进一步拉出位置曲线。基本概念是使用晶体之间的部分或分级的光学元件，以便根据作用高度改变整个块上的光分布。
此外，US2004/0178347A1公开了一种辐射三维位置探测器，其包括闪烁体单元、光接收元件和操作段。闪烁光从产生点向每个方向行进，并被反射材料反射和引导，最后入射在光接收元件的光入射平面上。由于适当设置了反射材料和半透明材料，所以到达光接收元件的光入射平面的闪烁光的强度分布范围很窄。因此，能够增加闪烁体阵列的层数，这实现了对所吸收辐射的位置的优异的探测准确度。
此外，US2005/0087693A1公开了一种具有均匀脉冲高度和多层闪烁体的DOI探测器，多层闪烁体是通过在平面上耦合至少两个闪烁体单元，之后在各层中堆叠平面耦合的闪烁体单元直到至少两级来获得的。光接收元件连接到这一多层闪烁体的每个闪烁体单元的底面。利用对从闪烁体单元发射的光线透明的透光材料填充每对相邻闪烁体层和每个光接收元件以及对应的相邻闪烁体层，以便使光接收单元接收的总光量均匀。透光材料可以包括硅油、空气和透明胶粘剂，优选为硅油。
此外，Orita N.等人的文章“Three-dimensional array of scintillationcrystals with proper reflector arrangement for a depth of interactiondetector”（2003IEEE NUCLEAR SCIENCE SYMPOSIUM CONFERENCE，2003年10月19-25日）公开了一种多晶探测器模块，以为PET扫描器采集DOI信息。为了减小与一个探测器单元的晶体元件对应的峰的相邻群体之间的无用空间，为DOI探测器提出了一种新的反射体布置。每个单元都包装于反射体中并被光学隔离。在每个单元中，在下层元件之间有反射体，而上层元件彼此光学耦合。下层元件中产生的闪烁光子通过各单元之间，并允许峰移动到无用区域。类似地，上层元件的峰也移动。
此外，US2011/0101229A1公开了一种DOI型辐射探测器，其中，在光接收表面上二维地布置闪烁晶体以在光接收元件的光接收表面被堆叠以形成三维布置的延伸方向上形成矩形部分的组。闪烁晶体是从光接收表面向向上延伸的直角三角形极点。利用这种结构，通过简单执行光接收元件信号的角度计算能够进行多层的DOI识别。
最后，US2010/0012846A1公开了一种闪烁探测器阵列，其中，使用光耦合模式来控制两个相邻光探测器上的统计光子分布。能够使用以下任何技术生成光学模式：（1）通过机械或化学方式（例如机械抛光或磨光或化学蚀刻）处理闪烁体的表面；（2）向闪烁体和/或光导中切割各种深度的槽；（3）向生成的槽中或闪烁体和光导之间的分离物件之间填充光学障碍或反射体；（4）光学结合闪烁体和/或光导的段。
发明内容
本发明的目的是提供具有DOI编码而不损失计时分辨率或能量分辨率的探测。
这一目的是由根据权利要求1所述的探测器设备或根据权利要求13所述的成像系统实现的。
因此，通过提供光学隔室（例如不透光的隔室）并适当设置耦合参数，能够实现具有DOI编码以及发射的闪烁体光在洪水图（flood map）中具有个体焦斑的传感器表面上的最小几何分布的探测器。这样允许独立于传感器间距和尺寸的位置编码，以便实现探测器设计中增大的自由度。
根据第一方面，光探测器阵列可以包括多个数字硅光电倍增器。这一措施减少了对外部处理电子器件的需求并确保了增强的时间分辨率。
根据可以与第一方面组合的第二方面，该探测器设备还可以包括夹在第二层和第一层之间并用于耦合第一层和第二层的第一光导，以及夹在光探测器阵列和第一层之间并用于耦合第一层和光探测器阵列的第二光导。利用光导的耦合保持了高的光输出，并提供了在光分布中编码的期望DOI信息。
根据能够与第一方面和第二方面的任一方面组合的第三方面，可以调整不透光隔室的间距以适应光探测器阵列的传感器管芯间距。管芯能够容纳可变数量的传感器（例如1、2、4、9、16……）。由此能够确保实现由一个TDC或若干TDC打上适当的时间戳。
根据能够与第一方面到第三方面中任一方面组合的第四方面，可以调整光学隔室以在第二层中提供垂直反射体，在第一层中不提供反射体。更一般地，可以调整光学隔室以在第二层中沿第一方向或第二方向提供反射体，在第一层中不提供反射体，第一方向垂直于第二方向。这种探测器设置相当简单，并允许横向视场中的DOI。
根据能够与第一方面到第三方面中任一方面组合的第五方面，可以调整光学隔室以在第二层中沿第一方向（例如x方向）提供反射体，在第一层中沿第二方向（例如y方向）提供反射体，其中，第一方向垂直于第二方向。这种探测器设置是有利的，因为它使用了垂直分布和水平分布中的不对称来进行编码。
根据能够与第一方面到第五方面中任一方面组合的第六方面，可以设置耦合参数，使得在第二层中提供最大光耦合，在第一层中提供最小光耦合，或者使得在第二层中提供最小光耦合，在第一层中提供最大光耦合。由此，能够提供设计具有类似能量和计时性能的适当耦合因子的两种简单方式。
根据能够与第一方面到第六方面中任一方面组合的第七方面，光学隔室能够是任何多个传感器间距尺寸（例如2*2、2*3、3*3、3*4……）的或独立于传感器间距的正方形或矩形。
根据能够与第一方面到第七方面中任一方面组合的第八方面，任意晶体层（例如第一层或第二层或任何附加层）中的晶体间距能够彼此不同（例如在一层中为2mm，在另一层中为3mm）。
根据能够与第一方面到第八方面中任一方面组合的第九方面，任何晶体层中的晶体间距能够在第一方向（x）和第二方向（y）上不同（例如x方向上为2mm，y方向上为3mm），其中，第一方向垂直于第二方向。
根据能够与第一方面到第九方面中任一方面组合的第十方面，可以在堆叠探测器（例如3或4层）中使用超过两层闪烁晶体。
根据能够与第一方面到第十方面中任一方面组合的第十一方面，面对光探测器阵列的晶体区域可以是矩形（例如2mm*3mm）。
下文定义了其他有利实施例。
附图说明
本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例变得显而易见并参考下文描述的实施例加以阐述。
在附图中：
图1示出了其中能够实施本发明的PET成像系统的示意方框图。
图2示出了示意图，其示出了没有和具有2层DOI探测器的情况下轴向视场上的模拟分辨率；
图3示出了在x和y方向上具有偏移像素的双层DOI的应用范例的示意性结构；
图4示出了在安装之前根据本发明的一些实施例的DOI探测器设备的具体部分；
图5示出了根据本发明第一实施例的DOI探测器设备的洪水图和设置；
图6示出了根据本发明第二实施例的DOI探测器设备的洪水图和设置；
图7示出了根据本发明第三实施例的DOI探测器设备的洪水图和设置；
图8示出了根据本发明第四实施例的DOI探测器设备的设置的洪水图；
图9示出了根据本发明第五实施例的DOI探测器设备的设置的洪水图；
图10示出了根据本发明第六实施例的DOI探测器设备的设置的洪水图；
图11示出了根据本发明第七实施例的DOI探测器设备的设置的洪水图；
图12示出了根据本发明第八实施例的DOI探测器设备的设置的洪水图；
图13示出了根据本发明第九实施例的DOI探测器设备的总体构造原理；
图14示出了根据第九实施例的DOI探测器的中心像素与相邻像素的能量比的图；并且
图15示出了本发明第六实施例中使用的隔室结构的范例。
具体实施方式
现在基于用于实现高空间、能量和时间分辨率的具有DOI编码的ToFPET系统描述各实施例。
根据一些实施例，用于ToF PET系统的DOI探测器设备被提供有预定义的性能特性。提出的探测器设备提供了DOI编码而不损失计时分辨率或能量分辨率。能够在具有洪水图（或基于一阶矩计算结果的洪水图像或洪水直方图）中的个体焦斑的传感器表面上获得所发射闪烁体光的最小几何分布。在这些设计中，能够从洪水图（即2D晶体位置图）估计DOI信息，洪水图是通过SiPM传感器阵列上光弥散的质心计算的。因为利用晶体布置的偏移量移动光弥散的质心，所以在洪水图像中与所有层中的晶体对应的洪水位置是分离的。这样允许进行与传感器间距和尺寸独立的位置编码，以允许探测器设计中大的自由度。
图4示出了安装之前根据一些实施例的具有dSiPM传感器（左）、反射体栅格（中）和晶体阵列（右）的DOI探测器设备的部件的一般范例。可以使用不透光的隔室，其大于晶体覆盖区，但仍然足够小，以实现优异的性能。在这里，可以定制隔室间距以适于传感器管芯间距，每个管芯容纳一个TDC以用于打时间戳。在一些实施例中，低于8mm的间距用于由光学（电介质或金属）镜面的非常不透光的化合物制成的反射性隔片。隔室间距当然能够不同，反射体类型（镜面的或散射的）也可以不同。尤其是如果这一间距之内有超过一个TDC可用，则能够在x方向和/或y方向上或在两个方向上减小隔室尺寸。
根据一些实施例，实现了隔室之内的局部洪水图之内的晶体位置的简单建模。这样允许预测并精细调节设置，以利用可变数量的DOI层实现不同的设计目标。
闪烁光的大部分光子在命中传感器元件之前在晶体之内经历多次反射。传递函数取决于若干依赖于波长的因子，包括全反射，漫反射，镜面反射，由于像晶体与反射体或晶体与光学胶体以及晶体与空气等的两种材料之间折射率不同导致的反射，晶体的表面处理（例如粗糙化、抛光等），晶体、反射体等之内的吸收，反射体的裂缝、穿孔，横向光导和空气，灰尘等。能够将所有这些效应概括成确定所涉及传感器上的光分布的一般传递函数。
更具体而言，能够通过使用内层中的最大光耦合和外层中的最小耦合，或通过使用内层中的最小光耦合和外层中的最大耦合来设计适当的耦合因子。两种版本均被测试并给出类似的能量或计时性能。
在下文中，基于其探测器设置更详细地描述了若干实施例，以示出所提方案的变化。测试装置基于传感器块上的dSiPM，在室温下，对于安装为阵列的标准临床晶体（3.8mm*3.8mm*22mm），所述传感器块上的dSiPM给出了365ps的标称计时分辨率和10.5%的能量分辨率。所有试验都是利用室温下的第一光子触发执行的。假设改进的传感器阵列将同时偏移所有计时数字。
图5示出了根据第一实施例，具有DOI编码的DOI探测器设备的第一设置（A）的洪水图（图5的下部）和顶视图（T）和侧视图（S）。测量条件包括：由于外层中的反射体箔的2D编码，在一个外侧打磨的所有晶体，具有无反射体的空气隙21的内层（IL），具有反射体27（在x方向和y方向上）的外层（OL）（由例如25μm厚的光耦合剂26（例如光导）耦合），以及作为参考的例如10mm的单晶体。此外，能够将SiPM传感器28用作光探测器。结果，获得了325ps+/-20ps的符合分辨时间（CRT）、大约1000个光子的光输出以及大约11%的能量分辨率。而且，每个传感器管芯的若干TDC减少了暗计数触发，因为光仅在两个SiPM（而非4个SiPM）之间是共享的。这样允许在更高的有效工作温度下的相等的暗计数触发（或死时间），这对于系统设计而言是重要的。此外，位置的分布允许仅利用两个参数的模型验证。此外，容易将该设置扩展至三层DOI。
图6示出了根据第二实施例，具有DOI编码的DOI探测器设备第二设置（B）的洪水图和顶视图（T）和侧视图（S）。在这里，测量条件包括：每个管芯的8个例如3.8mm*3.8mm*10mm的晶体，内层（IL）水平反射体，内层（IL）空气隙21，外层（OL）垂直反射体27（由光导26光耦合）。同样，能够将SiPM传感器28用作光探测器。
结果，获得了340ps+/-20ps的CRT，独立于层的光输出以及大约11.5%的能量分辨率。
根据第二实施例的设置的安装复杂性与以上第一实施例相当，但使用在垂直分布和水平分布中的不对称来进行编码。在此不能扩展到三层DOI。
图7示出了根据第三实施例，具有DOI编码的DOI探测器设备的第三设置（C）的洪水图和顶视图（T）和侧视图（S）。在这里，测量条件包括：每个管芯的8个例如3.8mm*3.8mm*10mm的晶体，外层（OL）垂直反射体27，内层（IL）光导26（由水平光导26光耦合）。同样，能够将SiPM传感器28用作光探测器。
图8示出了根据第四实施例，具有DOI编码的DOI探测器设备的第四设置（D）的洪水图和顶视图（T）和侧视图（S）。在这里，测量条件包括：每个管芯的8个例如3.8mm*3.8mm*10mm的晶体，外层（OL）垂直反射体27，内层（IL）垂直光导26和垂直反射体（由水平光导26光耦合）。同样，能够将SiPM传感器28用作光探测器。
图9示出了根据第五实施例，具有DOI编码的DOI探测器设备的第五布置（E）的洪水图和顶视图（T）和侧视图（S）。在这里，测量条件包括：每个管芯的12个例如3.8mm*2.5mm*10mm的晶体，具有3个晶体具有空气隙21的内层（IL）（由光导26水平耦合），具有3个垂直耦合的晶体以及垂直反射体27和空气隙21的外层（OL），无反射体隔片。可以将SiPM传感器28用作光探测器。
结果，获得了340ps+/-20ps的CRT，大约1200的光输出以及大约11%的能量分辨率。
根据第五实施例的设置实现了比SiPM间距小得多的有效分辨率，并允许全部两层的简单分离。这种设置对于高分辨率大脑成像是足够的。
图10示出了根据第六实施例，具有DOI编码的DOI探测器设备的第六设置（F）的洪水图和顶视图（T）和侧视图（S）。在这里，测量条件包括：每个管芯的8个例如3.8mm*3.8mm*10mm的晶体，具有空气隙21的内层（IL），具有垂直反射体27外层（OL）（并且由凹槽29光耦合）。同样，能够将SiPM传感器28用作光探测器。
图11示出了根据第七实施例，具有DOI编码的DOI探测器设备的第七设置（G）的洪水图和顶视图（T）和侧视图（S）。在这里，测量条件包括：4+9个例如10mm的晶体，其中2*2个例如3.8mm*3.8mm*10mm的晶体在具有反射体27的外层（OL）中，3*3个例如2.5mm*2.5mm*10mm的晶体在内层（IL）中（由光导26光耦合），无反射体隔片。同样，能够将SiPM传感器28用作光探测器。
图12示出了根据第八实施例，具有DOI编码的DOI探测器设备的第八设置（H）的洪水图和顶视图（T）和侧视图（S）。在这里，测量条件包括：9+4个例如10mm的晶体，其中2*2个例如3.8mm*3.8mm*10mm的晶体在具有反射体27的内层（IL）中，3*3个例如2.5mm*2.5mm*10mm的晶体在外层（OL）中（由光导26光耦合），无反射体隔片。同样，能够将SiPM传感器28用作光探测器。
现在，洪水图（未示出）具有9个来自外层的斑和4个来自内层的斑，以允许系统具有实际更高的空间分辨率，同时维持最佳的计时和能量分辨率。这表明能够在相等的能量和计时分辨率下组合（比传感器间距）更小的晶体间距和DOI。
图13示出了根据第九实施例的DOI探测器的示意层结构，其中，研究了具有单侧读出以及由光分布的宽度进行的深度编码的双层PET探测器的可行性。探测器由闪烁体阵列22、24的两层构成，这两层由光导26光耦合。每层由具有大约1mm的小间距的1024（32×32）个抛光的LYSO晶体构成。所有侧表面都由高反射的镜面反射箔覆盖。将这个组件与额外的光导25一起安装到具有大约4mm的小间距的64通道的dSiPM28阵列上。探测器块的宽度可以约为32mm。
为了维持高的光输出并实现DOI信息，将两个闪烁体阵列22、24与光导26进行光耦合。由此，来自上层22的光比源自底层24的光分布更宽。与其他堆叠阵列方法相比，深度编码仅基于光分布的宽度而非空间编码。利用置于探测器阵列旁边的辐射源采集两个测量结果。将符合射束引导到底层中以进行第一测量，并相应引导到顶层中以进行第二测量。此外，采集从顶表面辐照整个探测器阵列的测量结果。所有测量都是在经空气调节的实验室环境中，在21℃下执行的。利用Na-22辐射源在符合模式中采集数据。使用能量加权的定位算法定位每个事件。基于所得的洪水图，选择单晶体进行详细分析。将所选晶体正下方的dSiPM定义为中心像素，将相邻八个dSiPM定义为相邻像素。
图14示出了示意图，其示出了针对第九实施例的内层或顶层（TL）、外层或底层（BL）以及两层（TL+BL）的，中心像素相比于周围相邻像素的能量总和的能量比。能够将这一比率用作光分布的宽度的度量。在这里，光分布的宽度示出了两个特征峰，由此能够识别个体层。
对于511keV伽马射线，对于两层（TL+BL）而言，发现观察到的能量分辨率为13%（FWHM）。光输出表明两层没有显著差异。
根据以上实施例的DOI探测器将高光输出、良好的能量分辨率与作用深度编码组合以实现高分辨率PET。通过使用dSiPM，探测器的工作原理对磁场不敏感。由此，探测器提供了高分辨率探测器的选项。
图15示出了针对图10的第六实施例的各自晶体的两个示范性隔室部件。在两个部件中，能够将凹槽部分29视为一个侧面部分。作为范例，能够将宽度设置为大约22mm。
DOI探测器的不透光隔室可以是按任何多个传感器间距尺寸（例如2*2、2*3、3*3、3*4……）的或与传感器间距无关的正方形或矩形。此外，任何晶体层中的晶体间距能够彼此不同（例如一层中为2mm，在另一层中为3mm），或者任何晶体层中的晶体间距在第一方向（x）和第二方向（y）上不同（例如x方向为2mm，y方向为3mm）。可以在堆叠的探测器（例如3或4个）中使用超过两个晶体层。可以将传感器连接到顶部或内部晶体层以进行读出。面对光探测器阵列的晶体区域可以是矩形的（例如2mm*3mm）。
DOI探测器的光探测器阵列或（一个或多个）传感器可以包括时间到数字转换器以用于打时间戳。
如以上实施例中所示，DOI探测器的光导可以被构造成例如具有凹槽和/或可以由若干个体光导构成。光导可以由各种光学透明材料构成，例如玻璃、塑料、具有可变厚度（例如从μm到mm范围）的胶粘剂。闪烁晶体自身可以被构造成例如具有凹槽和/或可以由若干个体晶体构成。凹槽能够从晶体的一个或几个侧面被切割。光导和闪烁晶体的表面可以被抛光或在其任何面上沿特定方向是粗糙化的、被打磨、被磨光、是无定向的或被刮擦。
作为另一选择，可以翻转DOI探测器的晶体布置，这意味着其由光探测器阵列从相对侧读出。
DOI探测器的定位可以基于结合了所涉及光探测器阵列或传感器的所有能量值的传递函数。这能够基于一阶矩能量加权的定位（一阶矩）或二阶矩，或者最大似然定位等。可以将这种定位用于晶体识别。其可以通过利用入射角来利用相对探测器的符合事件。此外，将识别的晶体位置用于个体时间偏离校正，以减小时间抖动。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于公开的实施例，并且能够用于各种成像系统，例如PET和具有CT或MR的单光子发射计算机断层摄影（SPECT）系统。通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域的技术人员在实施请求保护的本发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，量词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不得被解释为对范围的限制。
Claims (13)
1.一种探测器设备，包括：
a)组件，其具有用于将伽马辐射光子能量转换成光的第一层(24)闪烁晶体(10)以及用于将伽马辐射光子能量转换成光的第二层(22)闪烁晶体(10)；
b)第一光导(26)，其夹在所述第二层(22)和所述第一层(24)之间并用于耦合所述第一层(24)和第二层(22)，使得来自所述第二层(22)的光分布得比来自所述第一层(24)的光更宽；
c)光探测器阵列(28)，其用于测量所述闪烁晶体中生成的光，所述组件与第二光导(26)被安装在所述光探测器阵列(28)上，所述第二光导(25)夹在所述光探测器阵列(28)和所述第一层(24)之间并用于耦合所述第一层(24)和所述光探测器阵列(28)；以及
d)光学隔室，其形成所述闪烁晶体(10)的子结构并通过反射层覆盖所述闪烁晶体(10)的侧表面。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括光导，所述光导被构造成具有以下中的至少一个：凹槽(29)和多个个体光导的组成物。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述闪烁晶体(10)包括以下中的至少一个：凹槽和若干个体晶体的组成物。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光导(25、26)和所述闪烁晶体(10)中的至少一个的表面被抛光或在至少一个面上沿特定方向是粗糙化的、被打磨、被磨平、是无定向的或被刮擦。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学隔室的间距适于所述光探测器阵列(28)的传感器管芯间距。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光探测器阵列(28)的所述传感器管芯间距包括用于打时间戳的时间到数字转换器。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学隔室被调整以在所述第二层(24)中沿第一方向或第二方向提供反射体，并在所述第一层(22)中不提供反射体，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学隔室被调整以在所述第二层(22)中仅沿第一方向提供反射体，并在所述第一层(24)中仅沿第二方向提供反射体，或者相反，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学隔室是按任何多个传感器间距尺寸的或独立于所述传感器间距的正方形或矩形。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一层(24)中的晶体间距与所述第二层(22)中的晶体间距不同。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，晶体层中的晶体间距在第一方向和第二方向上不同，并且其中，所述第一方向垂直于所述第二方向。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光探测器阵列(28)连接到所述第一层以用于读出，并且所述第一层(24)是所述探测器设备的内层。
13.一种用于对对象进行成像的成像系统，其中，所述成像系统包括根据权利要求1所述的探测器设备。
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Legal Events
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