CN104155673A - 伽马射线成像探测器及具有它的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种伽马射线成像探测器，所述伽马射线成像探测器包括平行贴合的多个探测器模块，每个所述探测器模块包括：电路板；设置在所述电路板上的硅光电倍增管阵列，所述硅光电倍增管阵列包括多个硅光电倍增管；晶体阵列，所述晶体阵列包括多个晶体单元，所述多个晶体单元与所述多个硅光电倍增管耦合，其中所述晶体单元在耦合硅光电倍增管的切面的径向长度大于所述切面的切向长度。根据本发明实施例的伽马射线成像探测器具有空间分辨率高、信噪比高、视野大和价格低的优点。本发明还提出了一种伽马射线成像探测器系统。
Description
技术领域
本发明涉及伽马射线成像技术领域，特别涉及一种伽马射线成像探测器及具有它的系统。
背景技术
传统的伽马射线成像探测器利用闪烁探测器探测伽马射线进行成像，在医学成像领域中被广泛应用，如伽马相机，单光子计算机发射断层成像和正电子发射断层成像等。
探测器的性能直接影响了伽马射线成像的质量，最终影响疾病诊断的精确度。传统伽马射线成像探测器通常采用闪烁晶体模块耦合光电探测器的方式；闪烁晶体面对伽马射线的入射方向，光电探测器置于闪烁晶体背面。该探测器通常使用长条型晶体，可以获得射线入射在哪个长条型晶体单元中，即可获得射线在轴向和切向的位置坐标，但是无法获得射线在径向上的位置坐标。该设计对斜入射事件存在视差效应，使得符合响应线的位置判定误差较大。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种伽马射线成像探测器，该伽马射线成像探测器具有空间分辨率高、信噪比高、视野大和价格低的优点。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供了一种伽马射线成像探测器，所述伽马射线成像探测器包括平行贴合的多个探测器模块，每个所述探测器模块包括：电路板；设置在所述电路板上的硅光电倍增管阵列，所述硅光电倍增管阵列包括多个硅光电倍增管；晶体阵列，所述晶体阵列包括多个晶体单元，所述多个晶体单元与所述多个硅光电倍增管耦合，其中所述晶体单元在耦合硅光电倍增管的切面的径向长度大于所述切面的切向长度。
根据本发明实施例的伽马射线成像探测器，采用较小尺寸的晶体阵列耦合硅光电倍增管阵列，硅光电倍增管和晶体单元在轴向并排；利用硅光电倍增管阵列的读出信号，获得射线在切向(维度一)和径向(维度二)坐标，每个硅光电倍增管阵列对应了射线在轴向的位置坐标(维度三)；晶体单元与硅光电倍增管直接耦合可以获得较好的时间信息，从而获得时间的符合时间差，进而限定事件在符合线上的响应位置范围(维度四)。
本发明的实施例不仅可以获得精确的作用深度信息和符合时间差，即获得高的空间分辨率和较好的信噪比，且晶体单元与硅光电倍增管在轴向上的并列排列方式还可以增加伽马射线成像探测器在轴向上的视野，从而可以对大器官实现单个视野的扫描成像，较好的信噪比又保证系统可以进行动态扫描成像，有助于对生物体的动态功能分析。
本发明实施例的伽马射线成像探测器具有以下优点：
1、能够精确获得射线作用的深度信息，提高探测器空间分辨率。
2、能够精确获得射线的符合时间差，用于限定正电子湮灭位置，从而使重建图像获得较好的信噪比；
3、晶体阵列与硅光电倍增管在轴向并排，因此，具有更大轴向视野，减少对病人的扫描床位数，可以进行动态成像。
4、晶体阵列在切向和射线作用深度方向采用不同的长度，可以在各个方向获得较为一致的空间分辨率，从而降低图像的畸变。
综上所述，该伽马射线成像探测器具有空间分辨率高、信噪比高、视野大和价格低的优点。
另外，根据本发明上述实施例的伽马射线成像探测器还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述晶体单元为长方形晶体单元，所述晶体单元与对应的硅光电倍增管的耦合面为所述晶体单元的出光面。
在一些示例中，每个所述探测器模块还包括：光导层，所述光导层设置在所述多个晶体单元与所述多个硅光电倍增管之间，所述光导层分别与所述多个晶体单元与所述多个硅光电倍增管耦合。
在一些示例中，所述晶体单元的材料包括锗酸铋、硅酸镥、硅酸钇镥、硅酸钆镥、硅酸钆、硅酸钇、氟化钡、碘化钠、碘化铯、钨酸铅、铝酸钇、溴化镧、氯化镧、钙钛镥铝、焦硅酸镥、铝酸镥和碘化镥的一种或多种的组合。
在一些示例中，探测器信号由所述硅光电倍增管的侧边输出。
在一些示例中，还包括：A/D转换器，所述探测器信号经过所述A/D转换器输出。
在一些示例中，还包括：加权电阻网络模块，所述探测器信号经过所述加权电阻网络模块输出。
本发明第二方面的实施例提供了一种伽马射线成像探测器系统，所述伽马射线成像探测器系统包括以预定关系排列的多个所述伽马射线成像探测器。
根据本发明实施例的伽马射线成像探测器系统具有空间分辨率高、信噪比高、视野大和价格低的优点。
另外根据本发明上述实施例的伽马射线成像探测器系统还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述多个所述伽马射线成像探测器排列成多边形。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是传统伽马射线成像探测器所采用的晶体阵列耦合光电倍增管(PMT)的模块化设计；
图2是传统伽马射线成像探测器所采用长条型晶体阵列耦合硅光电倍增管的模块化设计；
图3是根据本发明一个实施例的由多个探测器模块在轴向排列，闪烁晶体阵列与硅光电倍增管阵列在轴向的交替排列形成的伽马射线成像探测器的示意图；
图4是根据本发明一个实施例的伽马射线成像探测器的一个探测器模块，细小闪烁晶体阵列耦合硅光电倍增管阵列的示意图；
图5是根据本发明一个实施例的伽马射线成像探测器的硅光电倍增管阵列焊接在一个电路板，并从侧边引出信号的示意图；
图6是根据本发明一个实施例的伽马射线成像探测器系统的示意图；
图7是根据本发明一个实施例的伽马射线成像探测器系统的晶体在切向和作用深度方向采用不同长度的原理；
图8是根据本发明一个实施例的伽马射线成像探测器系统利用符合事件时间差进行正电子响应位置定位的原理；
图9是根据本发明另一个实施例的伽马射线成像探测器系统；以及
图10是根据本发明再一个实施例的伽马射线成像探测器系统。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的伽马射线成像探测器及由伽马射线成像探测器组成的伽马射线成像探测器系统。
图3是根据本发明一个实施例的伽马射线成像探测器的示意图。如图3所示，结合图4和图5，根据本发明一个实施例的伽马射线成像探测器100，包括平行贴合的多个探测器模块110，每个探测器模块110包括：电路板111、硅光电倍增管阵列和晶体阵列。
其中，硅光电倍增管阵列设置在电路板111上，硅光电倍增管阵列包括多个硅光电倍增管112。晶体阵列包括多个晶体单元113，多个晶体单元113与多个硅光电倍增管112耦合，其中，晶体单元113在耦合硅光电倍增管112的切面的径向长度大于切面的切向长度。
另外，构成晶体单元113的一些材料包括但不限于：锗酸铋、硅酸镥、硅酸钇镥、硅酸钆镥、硅酸钆、硅酸钇、氟化钡、碘化钠、碘化铯、钨酸铅、铝酸钇、溴化镧、氯化镧、钙钛镥铝、焦硅酸镥、铝酸镥和碘化镥的一种或多种的组合。
具体地说，伽马射线成像探测器100，包括由小尺寸的闪烁晶体阵列(即多个晶体单元113构成的晶体阵列)耦合硅光电倍增管阵列构成探测器模块110，上述闪烁晶体阵列和硅光电倍增管阵列在探测器轴向并排。上述闪烁晶体阵列的闪烁晶体单元(即晶体单元113)在耦合硅光电倍增管112的切面径向长度大于切向长度。硅光电倍增管阵列由侧边读出信号，即探测器信号由硅光电倍增管112的侧边输出。伽马射线成像探测器100由硅光电倍增管阵列的信号直接获得伽马射线在切向的位置坐标(维度一)以及径向位置坐标(维度二)；探测器模块110的晶体在轴向的尺寸直接决定伽马射线成像探测器100在轴向的分辨率(维度三)。伽马射线成像探测器100采用小的晶体单元113可以获得较好的时间响应，通过符合时间限定事件在符合响应线上的作用位置范围(维度四)。
根据本发明实施例的本发明实施例的伽马射线成像探测器能够精确获得射线作用的深度信息，提高探测器空间分辨率。能够精确获得射线的符合时间差，用于限定正电子湮灭位置，从而使重建图像获得较好的信噪比，晶体阵列与硅光电倍增管在轴向并排，因此，具有更大轴向视野，减少对病人的扫描床位数，可以进行动态成像；晶体阵列在切向和射线作用深度方向采用不同的长度，可以在各个方向获得较为一致的空间分辨率，从而降低图像的畸变。
如图5所示，并结合图4，晶体单元113为长方形晶体单元，晶体单元113与对应的硅光电倍增管112的耦合面为晶体单元的出光面。即闪烁晶体单元为长方形，表面抛光或细磨，与硅光电倍增管接触面作为出光面，其它各面粘贴反光膜或喷涂、浸泡反光材料或镀上反光材料。
在本发明的一个实施例中，探测器模块110还包括光导层(图中未示出)，光导层设置在多个晶体单元113与多个硅光电倍增管112之间，光导层分别与多个晶体单元113与多个硅光电倍增管112耦合。也就是说，多个晶体单元113与多个硅光电倍增管112可直接耦合，多个晶体单元113耦合光导材料(光导层)之后，光导材料(光导层)再与硅光电倍增管112耦合。
在上述示例中，探测器信号由硅光电倍增管112的侧边输出，当然，在本发明的其它示例中，还可由多个更小的单元以分光方案耦合硅光电倍增管读出信号。
为了减少后续电子学电路数量，该伽马射线成像探测器100，还包括：A/D转换器(图中未示出)，探测器信号经过A/D转换器输出。或者伽马射线成像探测器100还包括：加权电阻网络模块(图中未示出)，探测器信号经过加权电阻网络模块输出。即探测器信号可以由集成电路数字化(如A/D转换器)读出或由加权电阻网络读出，从而有效减少后续电子学电路数量。
图6是根据本发明一个实施例的伽马射线成像探测器系统的示意图，如图6所示，结合图7-10，伽马射线成像探测器系统包括以预定关系排列的多个伽马射线成像探测器。例如：多个所述伽马射线成像探测器排列成多边形。即由多个上述伽马射线成像探测器扩展为环形、方形或多边形的伽马射线成像探测器系统。如图9示出的四边形的伽马射线成像探测器系统，如图10示出的六边形的伽马射线成像探测器系统。
根据本发明实施例的伽马射线成像探测器系统，采用较小尺寸的晶体阵列耦合硅光电倍增管阵列，硅光电倍增管和晶体单元在轴向并排；利用硅光电倍增管阵列的读出信号，获得射线在切向(维度一)和径向(维度二)坐标，每个硅光电倍增管阵列对应了射线在轴向的位置坐标(维度三)；晶体单元与硅光电倍增管直接耦合可以获得较好的时间信息，从而获得时间的符合时间差，进而限定事件在符合线上的响应位置范围(维度四)。
本发明的实施例不仅可以获得精确的作用深度信息和符合时间差，即获得高的空间分辨率和较好的信噪比，且晶体单元与硅光电倍增管在轴向上的并列排列方式还可以增加伽马射线成像探测器在轴向上的视野，从而可以对大器官实现单个视野的扫描成像，较好的信噪比又保证系统可以进行动态扫描成像，有助于对生物体的动态功能分析。
本发明实施例的伽马射线成像探测器系统具有以下优点：
1、能够精确获得射线作用的深度信息，提高探测器空间分辨率。
2、能够精确获得射线的符合时间差，用于限定正电子湮灭位置，从而使重建图像获得较好的信噪比；
3、晶体阵列与硅光电倍增管在轴向并排，因此，具有更大轴向视野，减少对病人的扫描床位数，可以进行动态成像。
4、晶体阵列在切向和射线作用深度方向采用不同的长度，可以在各个方向获得较为一致的空间分辨率，从而降低图像的畸变。
以下为应用本发明实施例的伽马射线成像探测器系统实现小动物正电子发射断层成像(PET)的实施例：
结合图3-10所示，闪烁晶体模块尺寸为15.5mmx37.8mm，阵列由5x18的硅酸钇镥LYSO闪烁晶体单元构成，晶体单元113尺寸2mmx2mmx3mm，晶体单元113表面抛光，五面粘贴反光膜，仅留一面出光面，晶体单元113之间具有0.1mm的缝隙。其中耦合硅光电倍增管112的面为2mmx3mm。硅光电倍增管阵列由5x12的具有快速时间响应的硅光电倍增管单元构成，单元尺寸3mmx3mm，信号由阵列侧边读出，硅光电倍增管阵列及电路板111厚度为1.5mm，如图4所示。耦合后的探测器模块如图5所示。
由10个探测器模块在轴向排列，使晶体阵列和硅光电倍增管阵列在轴向上交替排列，形成轴向长度36mm的大模块，如图3所示。
由上述16个大模块在环向上拼接成内径为190mm的探测器环，如图6所示。
根据本发明实施例的伽马射线成像探测器系统具有空间分辨率高、信噪比高、视野大和价格低的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (9)
1.一种伽马射线成像探测器，其特征在于，所述伽马射线成像探测器包括平行贴合的多个探测器模块，每个所述探测器模块包括：
电路板；
设置在所述电路板上的硅光电倍增管阵列，所述硅光电倍增管阵列包括多个硅光电倍增管；
晶体阵列，所述晶体阵列包括多个晶体单元，所述多个晶体单元与所述多个硅光电倍增管耦合，其中所述晶体单元在耦合硅光电倍增管的切面的径向长度大于所述切面的切向长度。
2.根据权利要求1所述的伽马射线成像探测器，其特征在于，所述晶体单元为长方形晶体单元，所述晶体单元与对应的硅光电倍增管的耦合面为所述晶体单元的出光面。
3.根据权利要求1所述的伽马射线成像探测器，其特征在于，每个所述探测器模块还包括：
光导层，所述光导层设置在所述多个晶体单元与所述多个硅光电倍增管之间，所述光导层分别与所述多个晶体单元与所述多个硅光电倍增管耦合。
4.根据权利要求1所述的伽马射线成像探测器，其特征在于，所述晶体单元的材料包括锗酸铋、硅酸镥、硅酸钇镥、硅酸钆镥、硅酸钆、硅酸钇、氟化钡、碘化钠、碘化铯、钨酸铅、铝酸钇、溴化镧、氯化镧、钙钛镥铝、焦硅酸镥、铝酸镥和碘化镥的一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的伽马射线成像探测器，其特征在于，探测器信号由所述硅光电倍增管的侧边输出。
6.根据权利要求5所述的伽马射线成像探测器，其特征在于，还包括：
A/D转换器，所述探测器信号经过所述A/D转换器输出。
7.根据权利要求5所述的伽马射线成像探测器，其特征在于，还包括：
加权电阻网络模块，所述探测器信号经过所述加权电阻网络模块输出。
8.一种伽马射线成像探测器系统，其特征在于，所述伽马射线成像探测器系统包括以预定关系排列的多个所述伽马射线成像探测器。
9.根据权利要求8所述的伽马射线成像探测器系统，其特征在于，所述多个所述伽马射线成像探测器排列成多边形。
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