CN104823073B - 用于探测伽玛辐射的系统如伽玛摄像机和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于探测伽玛辐射的系统，如伽玛摄像机，所述系统包括伽玛射线源；至少一块快速闪烁体板P1，所述闪烁体上升到光峰的时间小于1纳秒，所述板包括扩散进入表面和抛光退出表面、具有的厚度不小于10毫米、被提供有光电探测器和专用读取微电子设备，其特征在于微电子设备是ASIC类型，在于探测器被分段，并在于，在所述板P1上，所述探测器的每个分段能够测量第一触发T1，从而时间分辨率小于100皮秒；所述探测器能够在大于100皮秒但不大于到闪烁体的光峰的上升时间的时间上测量所述探测器上的事件发射的第一相邻光子的空间和时间分布。本发明进一步涉及在所述系统中实现的图像重构方法以及所述系统的实现和用途。本发明附加地涉及图像重构方法和用于提高安装在系统中的探测器的能量分辨率的方法以及所述系统的实现。

Description

用于探测伽玛辐射的系统如伽玛摄像机和方法
技术领域
本发明涉及伽玛射线源成像，更具体地，本发明涉及基于伽玛摄像机探测伽玛辐射的系统和在此系统中实施的图像重构方法。本发明进一步涉及具体在天文学领域和医学领域中探测系统的应用，以及所述系统应用到PET或SPECT类型成像系统。
目前，出于医学诊断目的，伽玛射线(大于30000电子伏，即大于30KeV)源成像基本上基于两项技术执行：PET和SPECT。
SPECT(single photon emission computed tomography，单光子发射计算机化断层显像)技术使用发射成像原理。在这种情况下，它试图追踪发射单能伽玛光子的放射性示踪剂在待分析的对象内的分布。光子发射是各向同性的，准直器放置在摄像机前面以选择光子的入射方向。接着，在10至20毫米(mm)厚的闪烁晶体板(如NaI:TI)中，伽玛射线被转换为紫外光子(UV光子)。UV光子被各向同性地发射且随后通过反射到晶体板界面上而被引导。出于这个原因，光强度分布为斑点，其中，强度降低1/R。愤怒逻辑(anger logic)包括通过光电探测器(具体是光电倍增管类型的光电探测器)确定光斑的几何中心。这推断探测的伽玛辐射的位置。在这种技术中，光电探测器分段低于50mm也不提供空间分辨率。
PET(positron electron tomography，正电子电子断层扫描)技术要求正电子源。反符合(anticoincidence)发射的两个511KeV的伽玛射线通过布置在检测到的源(BGO、LSO、LaBr3)周围的环中的密集闪烁晶体阵列探测。探测系统包括单晶阵列(典型地4*4*25mm)，其由多通道光电探测器(光电倍增管或Si-PMT)读取，通道尺寸适于晶体尺寸。这之后经常在离散电子设备中进行信号放大和处理阶段。
背景技术
在当前PET技术中，由于康普顿(Compton)散射，真实噪声相互作用通过以下特征分辨：被激发的两个像素在环的对极；相互作用能量等于511KeV；此外，两个光子基本上同时触动探测器。此技术仅适于闪烁体，其中，到光峰的上升时间是迅速的，如LSO、LaBr3或BGO。
这个技术的一个缺点是，将晶体分段到像素中是昂贵的，尤其是吸湿性晶体。此外，这种分段降低能量分辨率。最后，这种技术仅适合与非常密集晶体连用以防止康普顿效应(BGO＝锗酸铋；LSO或LYSO＝硅酸镥)。这包括稀有且昂贵的原始材料(锗、镥等)的使用。
在SPECT技术中，探测单光子，其中，能量通过闪烁晶体板(NaI、CsI、LaBr3)根据所用放射性同位素(从100KeV到1000KeV)而变化，并被大的光电探测器(PMT)读取。为获取光子入射方向的指示，有必要将准直器放置在晶体前面，其中所述准直器是大型笨重的且其阻止大部分的辐射发射。此外，由于定位相互作用的精度低，SPECT的空间分辨率小于PET的空间分辨率。
针对SPECT，两个进一步问题有待解决：
SPECT仅在闪烁体板连续时运行。因此，不可能附接两个小板来构成较大的板。出于这个原因，使用新一代的闪烁体，LaBr3，其中，对于SPECT，晶体相对较小(最大直径100mm)在当前是受限的：
-当两个伽玛光子与闪烁板在相邻时间(接近300ns)相互作用时，斑点图像和能量测量值完全干扰，因此，事件被排除。在此情况下，所谓的堆挤(pile-up)发生。
PET基于不同原理运行：放射性元素发射正电子，该正电子被分解成两个以180°发射的511KeV伽玛光子。随后，在定位在患者周围的晶体环上探测到同时到达的两个511KeV光子。如果使用充分迅速的闪烁体，经由渡越时间(在环的两个相对端部处的两个光子的到达时间之间的差)成功提高事件定位精度是可能的。然而，当前系统涉及以下问题：1)闪烁体必须被分段到像素(例如，4*4*30mm)中，这是昂贵的，2)如果像素内的相互作用的位置未知，这可能生成降低图像质量的几何不确定性。这还降低渡越时间测量值的精度，极大地将这种测量值限制在50ps左右。
已经提出测量PET上的DOI(相互作用的深度)的系统，但是它们没有说服力或非常昂贵(两个探测器层)。
此外，处理康普顿事件的困难已经导致需要非常密集的闪烁体(通常基于锂)，这是非常昂贵的。
因此，本发明的主要目的在于提出一种新颖技术，其使得对于SPECT，下列效果成为可能：
1)提高空间分辨率；
2)明显增加图像对比；
3)能够经由合适的去卷积使用两个相邻事件(这将由于堆挤而被排除)；
4)能够在包括结合到一起的小片的板上合适读取事件，且
5)由于准直器/闪烁晶体/处理电子设备元件的总体积有利地小于电流探测器的体积，能够升级现有SPECT设备基础。
所述探测系统可以进一步以和PET模式相同的方式运行而不使用准直器。在PET的上下文中，其优势如下：
1)获得高空间分辨率(小于5mm)而不需要闪烁体分段，
2)测量具有单个光电探测器层的闪烁体内的相互作用深度
3)通过非常精确的渡越时间校正，提高渡越时间精度
4)利用相对便宜的闪烁体获得最佳性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种探测伽玛辐射的系统，如伽玛摄像机，所述系统包括伽玛射线源；至少一块快速闪烁体板P1，所述闪烁体到光峰的上升时间小于1纳秒(nm)，所述板P1具有散射进入表面和抛光退出表面、具有小于或等于10mm的厚度、装配有光电探测器和专用读取微电子设备；其特征在于，专用读取微电子设备是ASIC类型，特征在于探测器被分段；特征在于在所述板P1上，所述探测器的每个分段适于测量第一触发T1，其对应于通过闪烁发射的第一UV射线对所述板P1的作用时间，从而较低的时间分辨率小于100皮秒(ps)，优选小于20ps；特征在于，探测器适于在大于100ps但小于或等于到闪烁体的光峰的上升时间的时间上测量由探测器上的事件发射的第一相邻光子的空间和时间分布，因此，适于空间定位所述事件“e1”使其具有坐标(X1，Y1)；并且特征在于，探测器进一步适于处理非散射光子和散射光子之间的空间和时间分布差，以便重构所述闪烁体事件的时空坐标(X，Y，Z，T)。
术语触发表示伽玛射线对闪烁体板的作用时间。
实际上，光电探测器和专用读取电子设备能够以非常高的时间分辨率和小于100ps的时间响应分散/通道来探测第一入射光子，对于每个通道，优选小于20ps。测量事件的第一触发和半径等于板厚度的两倍的相邻通道的触发之间的差。获得延迟的空间分布(X，Y，DT)，其中，使用统计方法计算该空间分布的最小值。事件e1定位在该最小值的法线(normal)上。
实际上，事件的位置位于触发分布的最小值的法线上。
此外，非散射光子是探测到的第一光子且它们分布在圆盘内，其中，半径取决于相互作用(Z)的深度，且其中中心表示事件的位置(X，Y)。
此外，探测器适于通过重构探测到的第一十个光子的闪烁体的轨迹，测量相互作用的精确时间T。
根据本发明的一个替代实施例，板P1是镧系元素卤化物类型，其装配有被分段的光电探测器，其中分段的间隔至少小于板厚度的一半，优选小于4mm，并且其中，ASIC类型专用读取微电子设备包括模拟部分，对于小于50ps的触发，该模拟部分的每个通道具有时间分辨率。
优选地，探测器还适于测量(X'1，Y'1)中的亮度A1的空间分布和能量E1的积分，如在常规伽玛摄像机中。
此外，探测器是Si-PMT或APD类型半导体探测器。
实际上，探测器(例如Si-PMT)内的每个像素的测量通过专用组合的模拟/数字ASIC类型微电子设备元件执行，以便能够高速探测第一光子。
根据本发明的一个替代实施例，系统包括边对边结合的多个闪烁体板，以便形成大的表面区域且校正边缘效应，所述表面区域可以是用于SPECT应用的平面，或是用于PET应用的环。
根据一个进一步实施例，探测系统还包括第二闪烁体板P2，其厚度适于吸收至少80％的伽玛射线能量，所述第二板与第一板P1分离至少10mm的距离‘D’；系统还包括估计模块，其用于确定有效事件，用于估计康普顿偏差的模块；系统适于在所述第二板P2上测量第一触发T2，触发的空间分布适于将事件“e2”空间定位在(X2，Y2，Z2)中，亮度A2的空间分布被空间定位在(X'2，Y'2)中以及将事件“e2”期间发射的能量E2空间定位在所述板P2中；并且所述第二板P2适于获得与伽玛射线的路径相关的信息，而不排除任何信息。
有利地，探测系统包括用于计算有效事件的模块，其中，时间分布向量、伽玛射线作用在板上的时间以及空间分布向量是相交的，以提高所述板内的相互作用的定位精度。
有利地，板(P1)或(P1和P2)、光电探测器和电子元件被布置在紧凑外壳内。
有利地，“板/光电探测器/处理电子设备”的组装件的体积基本上小于基于NaI板的探测器的体积，从而所述组装件可以安装在现有SPECT机器上。
考虑到探测器和处理电子设备相对于常规摄像机的更紧凑设计，这种系统可以容易代替已知摄像机上的现有设备。
本发明还涉及在上述系统中实现的图像重构方法，特征在于，该方法包括下述步骤：在伽玛光子的作用期间，在板P1上：
-测量第一触发T1，其对应于第一UV光子对所述板P1上分段的探测器的平面的作用时间；
-在光电探测器的平面上，测量相邻触发的空间和时间分布，以将事件“e1”空间定位在触发分布的最小值的法线上的(X1，Y1)中；
-进一步测量(X'1，Y'1)中的亮度A1的空间分布和能量E1的积分，如在常规伽玛摄像机中。
本发明还涉及一种探测方法，其包括以下步骤：
在板P2上：
-测量第一触发T2；
-测量触发的空间和时间分布，以将事件“e2”空间定位在(X2，Y2，Z2)中；
-测量(X2，Y2)中的亮度A2的空间分布和在事件“e2”期间所述板P2内所发射的能量E2；
-使用估计模块，通过执行以下两个测试，确定有效事件：
a)T2＝T1+(e1和e2之间的光的传播时间)
b)E1+E2＝所用放射性同位素的能量；
-确定具有角度“α”的康普顿偏差，其中精度精度dα与伽玛射线的初始方向相关，能量比例(E1/E1+E2)适于估计康普顿偏差；
-定义与伽玛射线的路径相关的信息。
本发明还涉及用于提高根据用在上述系统中的能量探测的分辨率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
-定义圆盘，其对应于非散射光子的光锥；
-在大于到闪烁体的光峰的上升时间的持续时间上，对先前步骤中已定义的圆盘上探测到的非散射光子的数目进行计数；且
-定义伽玛光子能量，所述能量与探测到的非散射光子的数目成比例。
本发明还涉及上述系统应用到SPECT类型或PET类型医学成像系统。
本发明还涉及上述定义的系统在一些领域(如天文学)中的用途，其中，探测到的伽玛光子的数量很少。
附图说明
通过阅读下列说明并参考附图获得本发明的进一步特征、细节和优点，所述附图示出：
-图1示出常规PET技术中的两个伽玛光子的发射原理；
-图2A示出常规SPECT技术的原理；
-图2B示出针对一事件由相邻光电探测器测量的光强度，并且图2C示出光斑的几何中心；
-图3A示出时间SPECT(temporal SPECT)技术的原理和第一光子的到达时间；
-图3B是图3A的示意性图；
-图4A和图4B示出常规SPECT(5A)和时间SPECT(5B)情况下的边缘效应的对比；
-图5示出具有两个闪烁体板的本发明的一个实施例；并且
-图6示出具有用于探测以小于或等于45°角度发射的伽玛射线的两个闪烁体板的系统。
具体实施方式
闪烁法探索(scintigraphic exploration)的原理是，确定和查看(以图像格式)先前注射到患者体内的放射性元素在人体内的生物分布。对此，需要一种用于探测放射性的系统，该放射性能够识别标记分子的存在并且还能够在三维空间(断层扫描)上定位这种分子。
这种标记材料存在：它们包括，例如，掺铊碘化钠晶体(NaI)。这种晶体当前是任何探测链的基本元素。实际上，铊吸收由NaI发射的光子，且以3eV紫外光子的形式“重新发射”恒定部分，其中晶体是透明的。应当注意，在晶体中，可见光子发射存在相当大的损耗。在这个阶段，将可见光子变换成电流是必要的。这可能通过称为光电倍增管的设备实现。随后，光电倍增管输出的电信号可以由电子系统处理，且信息变得适于使用。
在PET(正电子电子断层扫描)类型的摄像机情况中，它们需要正电子源。如上所述，以已知方式，反符合发射的两个511KeV的伽玛射线通过布置在正电子源周围的环中的闪烁晶体阵列(BGO、LSO、LaBr3)探测。PET类型摄像机包括单晶体阵列，通常为4*4*25mm，通过多通道光电探测器、光电倍增管或Si-PMT读取；通道尺寸通常适于晶体尺寸。这之后是通常在离散电子设备中进行的信号放大和处理阶段。在这种摄像机中，由于康普顿散射，真实噪声相互作用通过以下特征进行分辨：
-激活的两个像素在环的对极；
-相互作用的能量等于511KeV；且
-两个光子在1ns(纳秒)内同时触动探测器。这甚至对于快速闪烁体如LSO、LaBr3都是可能的，通过测量环的相反边的作用时间之间的差，推断相互作用的位置；这是渡越时间模式。该特征在文章('Stefan Seifert,Herman T van Dam等人'，2012年3月29日出版)“用于渡越时间正电子发射断层扫描的硅光电倍增管阵列上的单片式LaBr3:Ce晶体(monolithic LaBr3:Ce crystals on silicon photomultiplier arrays for time offlight positron emission tomography)”中描述。
PET技术的原理如图1所示，其中，t0是每个511KeV的两个γ(伽玛)光子的发射时间。这些光子由两个相对的探测器同时探测。在这种情况下，事件发生在线AB上，且两个光子同时触动探测器。渡越时间等于(t0+Xb)-(t0+Xa)。推断，事件从环的中心偏移Xb-Xa，其中Xb是伽玛射线γ的发射时间和所述射线触动点B处的探测器时的时间之间行进的距离。类似地，Xa是γ射线的发射时间和所述射线触动线的点A处的另一个探测器时的时间之间行进的距离。线段AB接近400ps，等于12cm。
在单光子电子计算化断层显像(SPECT)中，图2示意性示出其原理，探测单光子，其中，能量通过闪烁晶体板(NaI，CsI，LaBr3)根据所用放射性同位素而变化(从100KeV到1000KeV)，并且其由大的光电探测器(PMT)读取。为获取光子入射方向的指示，将准直器放置在晶体前是必要的，其中所述准直器是大型笨重的且其阻止大部分的辐射发射，并且由于其几何尺寸，非常少的光子可用于构建图像。此外，由于定位相互作用的精度不足，SPECT的空间分辨率小于PET的空间分辨率。
根据本发明的系统使以下项成为可能：
1)提高固定几何结构处的SPECT的空间分辨率；
2)避免分段PET的晶体，同时保留令人满意的空间分辨率；
3)提高SPECT的能量分辨率；并且最后
4)在具有两个板的一个实施例中，移除前面的准直器(lead collimator)，同时将摄像机保持在愤怒逻辑中。
目前，当伽玛光子与具有高光学品质的连续闪烁体板相互作用时，比较邻近事件的光电探测器测量的光强度。由此，推断光斑的几何中心，这是假定相互作用发生的位置。也测量存储的总能量，以排除无效事件。
图2A示出γ光子和接近10到20mm厚的NaI:Ti闪烁体板P的相互作用。具有平行孔的准直器3能够选择γ辐射垂直于其表面作用于这个准直器。多个PMT(光电倍增管)10被定位，以便测量光强度。光电倍增管10用于将光学信号变换为电信号。这些设备用作放大器并且相对大。因此，不可能将所需的若干像素放置在最终图像中。为确定精确闪烁位置，计算光电倍增管之间的插值是必要的。所述PMT(光电倍增管)10包括直径约为76mm的空管。
此外，空间分辨率不仅受限于探测设备的数量，而且受限于闪烁光子的数量和其中这些光子被探测到的表面的延伸。实际上，定位原理使用“几何中心”计算，并且使获得小于光电倍增管的尺寸的空间分辨率成为可能。统计学地确定位置，观测到的光子数目将限制估计精度(图2B)。图2C示出光斑的几何中心，其为相互作用的位置。空间分辨率约为5到7mm，但对比很低。这种对比概念包括能够定量评价图像质量的信号噪声比的概念。
本发明的思想是，通过非散射光子的空间和时间分布，从那些已经经历至少一次散射的光子中区分从相互作用的点在直线中行进的非散射光子。出于此目的，使用分段的光电探测器(优选Si-PMT)，结合时间数据项(第一UV光子的到达时间)而不是光强度，从而非常精确地测量由于最短光路径和精确时间T(由相互作用发生时的行进时间校正)的差导致的(X，Y)中板上的相互作用的空间位置以及Z(相互作用的深度)。
本发明利用以下事实：现在可用适于SPECT应用的高速闪烁体和用于读取其的高速电子设备(例如Si-PMT和ASIC类型专用微电子设备)，参见文章(R.Pani,M.N.Cinti,R.Pellegrini,P.Bennatin等人，出版于2007年2月)“用于X和伽玛射线成像的LaBr3:Ce闪烁伽玛摄像机原型(LaBr3:Ce scintillation gamma camera prototype for X andgamma ray imaging)”。该文章示出LaBr3:Ce晶体作为伽玛射线成像器的非常有前途的特点。具体地，当LaBr3:Ce晶体与PMT耦接时，获得出色的能量分辨率值(140keV处为6％并且662keV处约为3％)。
相互作用后发射的第一UV光子代表球体，其中，半径在正在讨论的介质中以光速增长(LaBr3指数＝1.9)。这些第一光子至闪烁体板的底座处的到达时间(触发)可以利用探测器和合适的电子设备在几十皮秒内测量。正如光强度，构建检测到的第一n个光子的空间时间分布(xn，yn，tn)是可能的。由于晶体和光学晶体/探测器耦接件之间的折射率(stepindex)，存在限制角度塞塔L(θL)，其中光子超过其进行散射。因此，非散射光子分布在具有角度塞塔L(θL)的圆锥中，其中顶点是相互作用的点。第一触发T1的差越大，距离相互作用的点的距离越远。这种分布的最小值是相互作用的点。这种系统的好处是以直线从相互作用传播的第一光子的斑点分布比强度光斑更窄，这极大地增强图像对比。此外，光斑(GC)和时间点(GCT)上获得的双重信息使得通过合适的统计处理进一步增强图像成为可能。
作为一般规则，第一光子因而填充球体，其中，直径以速度v＝c/n随时间而增加。探测器的平面上的这个球体的图像是圆，其中，直径增加以达到限制角度塞塔L。这些UV光子以光速(c/n)在材料中传播，其中，例如，n＝1.9，介质的指数。因此，这组非散射光子是圆锥，其中，顶点是相互作用的点和孔径角度θL。然后，计算直接光子和散射光子之间的差。
仅直接探测到的光子是那些在具有交叉点(如，圆锥的顶点和圆锥的孔径角度)的圆锥中发射的光子，闪烁晶体中的全反射角，θL＝arcsin(n2/n1)，其中，对于LaBr3，n2＝1.4且n1＝1.9。所有其他光子在被探测到之前经历至少一次散射。这有两种结果：1)它们具有更长的光学路径(以c/n传播)，并因此较晚被探测到；2)它们具有高几率散射到光控制件外部。因此，光锥包含过密集(overdensity)的光子。
为处理光子散射，最简单的方法是，考虑它们何时触动上表面，它们以关于方向等概率地通过2π的球面度再次发射到下表面。用于计算相互作用的时空位置(X，Y，Z，T)的方法。数值对应于用于PET类型模式的厚板。
对于每次相互作用，测量下列参数：
1)第一相互作用(X1，Y1，T1)；
2)在该第一相互作用之后，在200ps到1000ps之间的时间探测到的第一n个光子的正电子(Xn，Yn，Tn)
3)统计处理这些数据，以定义光锥的直径(取决于z)及其不确定度(将给z带来不确定度)。
4)圆锥中心(xa，ya)的位置的第一估计基于点的几何中心的计算值。随后，该估计可以通过处理探测到的第一十个光子而被精细。这些光子在原理上具有比其他光子更短的路径，并且应当验证探测圆锥逐步变宽的原理。因此，计算值被精细以获得(Xb，yb)并对位置误差进行估计。
5)考虑(x，y，z)和探测器(x1，y1，30，t1)平面上的第一光子的探测的完整位置，估计(x，y，z)中的相互作用的精确时间t和这个时间估计值的误差是可能的。
最后，在x，y的2-3mm周围重构事件是可能的，其中，z的精度约5mm，并且t的精度约30ps。同样，以优于现有技术2到4倍获得伽玛射线探测器是可能的。
图3A示出根据本发明的时间SPECT技术，其中，闪烁体板P(LaBr3)约30mm厚，且光电探测器4是分段的Si-PMT类型。Si-PMT分段处于16个通道中，为20*20mm，即一个通道＝4mm x 4mm。平行光被各向同性发射，即源以角度4π各向同性地辐射。测量发射的光子的第一波长，即，在第一时间触发上：见图3B的图表。在时间SPECT中，也测量几何中心，但由于探测器的间隔尺寸是4mm x 4mm，触发的时间分辨率约为20ps，等于LaBr3晶体中的4mm。
此外，探测器的每个像素，通过专用组合的模拟/数字ASIC类型的微电子设备元件，在从探测器被第一次照射的时间开始约10ps的时间内，具有精确测量值。这能够高速探测第一光子。为获得该时间精确度，补偿像素和ASIC通道(微电子设备元件)的响应时间是必要的。这种补偿在校正阶段期间通过照射具有准直的源的区域而获得。在没有偏离本发明的范围的情况下，使用双头(double head)可用于此目的。
在本领域的当前状态中，需要具有低水平余晖(afterglow)的高速闪烁体(优选LaBr3)重构相互作用的时间成像：参见文章(R.Pani,M.N.Cinti,R.Pellegrini,P.Bennatin等人，出版于2007年2月)“用于X和伽玛射线成像的LaBr3:Ce闪烁伽玛摄像机原型(LaBr3:Ce scintillation gamma camera prototype for X and gamma rayimaging)”。虽然对于25mm像素，利用快速闪烁体(如LaBr3)能够测量的最短时间是200ps，但是由于关于像素顶部或底部处的相互作用位置的不确定性，这个时间是基本的。在连续闪烁体中，通过比较相邻光电探测器像素测量的时间，确定相互作用发生的高度(z)并因此在晶体的进入表面上的相互作用时间的几十ps(在LaBr3中，10ps＝2mm)内获得精确值是可能的。一旦晶体的功能模型可用，时间定位精度明显优于空间分辨率的精度。
在相邻光电探测器中，没有光学界面；因此，对最直接的路径进行计数。
本发明的进一步益处是，具有相互作用的时间和空间映射，在空间和时间上区分两个相邻事件是可能的。在愤怒逻辑中，如果能量不正确，即如果发射的能量不同于所用放射性同位素的能量，那么，不可能区分两个相邻事件。这有助于图像上的色散。
本发明的进一步益处是，校正边缘效应成为可能。为此，多个板可以结合在一起，彼此靠近，以重构大的表面，使校正边缘效应成为可能。这在相对小的晶体的情况下(例如，对于镧系元素卤化物)，这是特别有利的。
在愤怒逻辑中，如果两个闪烁体板被结合，那么，光分布被光学界面上的部分反射明显干扰并因此根据光斑的形状推断的相互作用的空间位置不正确。然而，以靠近法线的入射方向穿过光学界面的最直接的光路径具有小程度的偏离。因此，从相互作用点测量的渡越时间是正确的。板(光学界面)的另一侧上存在的区域能够用于根据光子的直接路径重构相互作用的正确位置。
图4A和图4B示出常规SPECT(4A)和根据本发明(4B)的时间SPECT情况下的边缘效应的对比。在常规SPECT(图4A)情况下，板P1和P2利用高指数粘合剂边对边的结合，观察到，大部分光反射。因此，光分布被干扰。在时间SPECT(图4B)情况下，根据本发明，发射的第一光子的路径受到小的干扰，因此，时间最小值能够被正确重构且因此能够校正边缘效应。
使用Si-PMT或APD类型半导体探测器的探测系统的实施例是尤其有利的，因为这些探测器是更紧凑的PM(光电倍增管)，因此，到探测器的内部传输时间更短。这使期望更好的时间分辨率成为可能。此外，这些探测器具有可忽略的伽玛辐射捕捉截面；因此它们可以被定位在前，如根据本发明的一个实施例的两块板的康普顿系统的情况。
所述探测系统可以进一步以和PET模式相同的方式运行而不使用准直器。实际上，处理引发探测器板的虚拟像素，这避免对板进行物理上的分段并节省大量成本。此外，在一个配置(其为常规伽玛摄像机的配置)中，自然利用单个探测器板进行相互作用的深度的测量。这一模式使得利用低密度和低价格的闪烁体(如镧系元素卤化物)获得更好性能成为可能。
所述探测系统可以进一步以和PET模式相同的方式运行而不需要准直器，且具有以下优点。
在LaBr3类型闪烁体中，其中，到光峰的上升时间约800ps，能量方面的探测分辨率通过在大于闪烁体的上升时间(上升到光峰的时间)(对于LaBr3，为800ps)的给定时间上对探测到的非散射光子进行计数而增强，仅考虑光锥中探测到的事件。作为一般规则，在单件式平面探测器中，能量分辨率相对于理论优化而退化。能量分辨率实际上与给定能量事件上探测到的光子数目有关。在平面探测器中，探测到的大多数光子从其发射点已经经历多重散射。在这种散射期间，可变百分比的光子丢失。本发明通过仅计数来自光锥的非散射光子以提供解决方案，发现闪烁体的光子/能量关系的具体比例数目。因此，使用LaBr3:Ce获得3％量级的能量分辨率是可能的。
本发明的进一步益处是，在使用PET技术的事件中，单板平面半导体探测器可以由分段探测器代替。例如，在患者周围定位探测器板形成的多边柱体以重构环是可能的。这种类型的探测器使得在渡越时间(环内)方面由于使用LaBr3而获得特别高的性能成为可能，以及使获得辐射的相互作用深度的校正和特别精确的时间定位成为可能。
图5代表本发明的进一步实施例，其中探测系统具体包括：两个闪烁体板P1和P2、Si-PMT光电探测器阵列5和相关电子设备6，它们结合到每块板P1和P2。第一板P1薄且具有大于5mm的厚度。在这个第一板，测量以下内容：伽玛射线的作用时间、第一触发T1；触发的空间分布，以便将事件e1定位在(X1，Y1)中；A1(X'1，Y'1)中亮度的空间分布；和在板P1内的事件期间，发射的能量(E1)的积分。这种系统还包括第二闪烁体板P2，其比第一块厚。所述第二板P2的厚度大于10mm，且使得通过其足够的厚度吸收超过80％的伽玛光子能量成为可能。第二板P2与第一板P1分离至少10mm的距离“D”，这被要求以探测第二板上的触发。在第二板P2上，测量以下内容：伽玛射线的作用时间，即第一触发T2；(X2，Y2，Z2)中触发的空间分布；A2(X'2，Y'2)中亮度的空间分布；和在板内的事件期间发射的能量(E2)的积分。然后执行分类以以确定事件是否有效。通过以下两个测试执行该分类：
E1+E2＝所用放射性同位素的能量；和
T2＝T1+(事件e1和事件e2之间的光的传播时间)。
如果事件有效，可以计算系统中的伽玛射线传播向量。此外，能量比(E1/E1+E2)使得估计康普顿偏差(角度α)成为可能，其中精度dα与伽玛射线的初始方向有关。然后获知相互作用在具有轴线A1A2和α-dα和α+dα之间的角度的圆锥内的方向上发生。成像方面最感兴趣的事件很明显是那些α小的事件，因此，薄的进入板有利。由于最终获得大量事件，因此可以重构图像。
一旦已经记录空间和时间触发的位置，对发射的所有辐射进行积分以精确测量能量并排除康普顿变化是可能的。优选地，在这种两块板的系统中，板被面对面设置并且光电探测器位于彼此相对布置的两块板P1和P2限定的体积的外部。
对于根据本发明的这种系统，为了运行，首先，具有高速、高亮度、低余晖的闪烁体(如氧化镥(LYSO，LSO)，优选地，镧系元素卤化物(LuI3，LaBr3，LaCl3))是必要的。光电探测器应当快速、紧凑、具有小的伽玛辐射捕捉截面。在包括两块板P1、P2的配置中，伽玛辐射以相对于通道到通道的时间响应的高均匀性穿过光电探测器。
在本发明的一些实施例中，可以使用常规光电探测器(PMT)，而优选半导体光电探测器(Si-PMT)。
半导体光电探测器(Si-PMT)的处理电子设备的品质应当：检测第一光子的时间分辨率(触发)大于20ps；与Si-PMT非常相似以避免由于电荷传输引起的任何延迟；以及具有低伽玛辐射吸收。这获得优选ASIC类型微电子设备解决方案。
目前，具有最好性能的闪烁体是吸湿的，且玻璃板被插入在晶体和光电探测器之间。在本发明中，优选实施例包括，厚板(对于LaBr3、511KeV，通常为30mm)和光电探测器，Si-PMT，其直接结合在晶体上以限制由于光学界面引起的反射。因此，晶体、Si-PMT和ASIC微电子设备元件优先布置在紧凑外壳内。
考虑应当在两板之间避免康普顿散射，板间的空间是空的或填充具有低原子序数的惰性气体，如氦气、氖气、氩气。板间隔(两板P1和P2之间的距离)应当足以清楚区分触发T1和T2。对于镧系元素卤化物LaBr3，在空气中，等于约60mm的200ps的传播时间是优选。
考虑与常规摄像机相关的探测器和处理电子设备的更大复杂性，这种板/探测器/电子设备的组装件可以替换当前存在于现有摄像机上的设备。
根据本发明的系统的进一步益处是，系统在各个领域(如天文学)中的应用，其中探测到的伽玛光子的数目很少。
根据本发明的具有一块或两块板的系统可以用于PET类型检测。在这种情况下，快速闪烁体板(如LaBr3)应当具有大于20mm的厚度，从而阻止511KeV光子。在单块闪烁体板的情况下，需要准直器存在。如果使用两块板的系统，准直器不再是必要的。无论探测器包含一块板还是两块板，其应当面向患者的每侧设置。
在未偏离本发明范围的情况下，可以想像若干组合；本领域的技术人员将根据有待实现的经济约束、人体工程学约束、尺寸约束或其他约束，选择一个或另一个。

Claims (14)

1.一种用于探测伽玛辐射的伽玛摄像机类型的系统，所述系统包括伽玛射线源、至少一块快速闪烁体的板P1，所述闪烁体到光峰的上升时间小于1纳秒，所述板P1具有散射进入表面和抛光退出表面、具有小于或等于10毫米的厚度、装配有分段的光电探测器和专用读取微电子设备，其特征在于，所述专用读取微电子设备是专用集成电路类型，即ASIC类型，其中，在所述板P1上，所述光电探测器的每个分段适于测量第一触发T1，所述第一触发T1对应于通过闪烁发射的第一紫外射线对所述板P1的作用时间，其具有小于100皮秒的时间分辨率，其中，所述光电探测器适于在大于100皮秒但小于或等于到所述闪烁体的所述光峰的所述上升时间的时间上测量所述光电探测器上的事件发射的第一相邻光子的空间和时间分布，因此，所述光电探测器适于空间定位所述事件“e1”使其具有坐标(X1，Y1)，并且其中，所述系统进一步适于处理非散射光子和散射光子之间的空间和时间分布差，以便重构所述闪烁事件的时空坐标(X，Y，Z，T)，其中所述非散射光子是探测到的第一光子，并且所述非散射光子分布在圆盘内，所述圆盘的半径取决于相互作用的深度(Z)，并且其中所述圆盘的中心表示所述事件的位置(X，Y)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统适于通过重构检测到的第一十个光子的所述闪烁体中的轨迹，测量所述相互作用的精确时间T。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述板P1是镧系元素卤化物类型，所述板P1装配有被分段的光电探测器，其中，分段的间隔至少小于所述板P1的厚度的一半，并且其中所述ASIC类型专用读取微电子设备包括模拟部分，对于小于50皮秒的触发，所述模拟部分的每个通道具有时间分辨率。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述光电探测器适于测量(X'1，Y'1)中的亮度A1的空间分布和能量E1的积分。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述光电探测器是SI-PMT或APD类型半导体探测器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括边对边结合的多个闪烁体板，从而形成大的表面区域并校正边缘效应，所述表面区域能够是用于SPECT应用的平面，或是用于PET应用的环。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括第二闪烁体板P2，其厚度适于吸收所述伽玛射线的能量的至少80％，所述第二闪烁体板P2与所述板P1分离至少10毫米的距离‘D’，其特征在于，所述系统进一步包括用于确定有效事件的估计模块，用于估计康普顿偏差的模块，其特征在于，所述系统适于在所述第二闪烁体板P2上测量第一触发T2，所述触发的空间分布适于将事件“e2”空间定位在(X2，Y2，Z2)中，将亮度A2的空间分布空间定位在(X'2，Y'2)中以及将在所述事件“e2”期间发射的能量E2空间定位在所述第二闪烁体板P2内，并且特征在于，所述第二闪烁体板P2适于获得关于所述伽玛射线的路径的信息而不拒收任何信息。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于计算所述有效事件的模块，其中时间分布向量，伽玛射线作用在所述板P1和所述第二闪烁体板P2上的时间和空间分布向量相交，从而提高所述板P1和所述第二闪烁体板P2内的所述相互作用的定位精度。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述板P1或者P1与P2、所述光电探测器和所述电子元件被布置在紧凑外壳内。
10.用在根据权利要求1到8中的任意一项所述的系统中的图像重构方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在伽玛光子的作用期间，在所述板P1上：
-测量第一触发T1，其对应于第一UV光子对在所述板P1上分段的所述探测器的平面的作用时间；
-在所述光电探测器的所述平面上，测量相邻触发的空间和时间分布，以将事件“e1”空间定位在最小的所述触发分布的法线上的(X1，Y1)中；
-进一步测量(X'1，Y'1)中的亮度A1的空间分布和能量E1的积分。
11.根据权利要求7到9中的任意一项所述的探测系统的探测方法，其特征在于，所述方法包括在所述板P2上执行以下步骤：
-测量第一触发T2；
-测量所述触发的空间和时间分布，以将所述事件“e2”空间定位在(X2，Y2，Z2)中；
-测量(X2，Y2)中亮度A2的空间分布和在所述事件“e2”期间所述板P2内发射的所述能量E2；
-使用估计模块，通过执行以下两个测试，确定有效事件：
a)T2＝T1+(e1和e2之间的光的传播时间)；
b)E1+E2＝所用放射性同位素的能量，
-确定具有角度“α”的康普顿偏差，其中精度dα与所述伽玛射线的初始方向相关，能量比例(E1/E1+E2)适于估计所述康普顿偏差；
-定义与所述伽玛射线的路径相关的信息。
12.用于提高在根据权利要求1到9中的任意一项所述的系统中使用的能量探测的分辨率的方法，其特征在于包括以下步骤：
-定义圆盘，其对应于所述非散射光子的光锥；
-在大于到所述闪烁体的所述光峰的所述上升时间的持续时间上，对先前步骤中定义的所述圆盘上探测到的非散射光子的数目进行计数；以及
-定义伽玛光子能量，所述能量与探测到的非散射光子的数目成比例。
13.根据权利要求1到8中的任意一项所述的系统的应用，所述系统应用到SPECT类型或PET类型医学成像系统。
14.根据权利要求7到9中的任意一项所述的系统的应用，在应用的领域中，其中，探测到的伽玛光子的数目少。
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