CN105759301B - 基于SiPM的核医学成像平板探测器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于SiPM的核医学成像平板探测器，包括多个探测模块，每个探测模块包括闪烁晶体阵列以及与闪烁晶体阵列耦合的硅光电倍增管阵列；闪烁晶体阵列包括多个闪烁晶体，其探测γ射线并产生光信号；硅光电倍增管阵列包括多个硅光电倍增管，其将通过闪烁晶体阵列产生的光信号转换为电信号；以及处理电路模块，其接收并处理来自硅光电倍增管的电信号，从而产生作为探测结果的输出信号，其包括分立设置的无源处理电路模块和有源处理电路模块，无源处理电路模块引出硅光电倍增管阵列产生的电信号；有源处理电路模块接收并处理来自无源处理电路模块的电信号，并产生输出信号。所述平板探测器结构紧凑、性能好、稳定性强。

Description

基于SiPM的核医学成像平板探测器

技术领域

本公开一般涉及探测技术领域，尤其涉及一种基于SiPM的核医学成像平板探测器。

背景技术

核医学成像是一种基于分子水平的非侵入式医学成像技术，其成像方式主要包括正电子发射成像PET(Positron Emission Computed Tomography)、单光子发射断层成像SPECT(Single-Photon Emission Computed Tomography)和伽马相机(Gamma Camera)。PET通过探测器对正电子示踪剂药物积聚浓度及位置信息的探测，利用图像重建技术获得图像信息，代表了目前核医学成像领域最高水平。SPECT或伽马相机利用准直器对单光子示踪剂药物进行信息的收集，以得到示踪剂分布信息，具有很高的精度。在上述两类成像过程中，探测器均是各自成像系统的核心，精确的探测数据获取是得到完整后期图像的基础。

目前，双平板型核医学成像设备主要应用于全身SPECT或伽马相机、局部PET(乳腺)、局部伽马相机(乳腺、甲状腺、四肢等)，传统的双平板类成像核医学设备中，探测器多采用晶体阵列耦合位置灵敏型光电倍增管PS-PMT(Position Sensitive PhotomultiplierTube)方案，但由于PS-PMT的自身特性，使得它的应用受到一定的限制。例如，PS-PMT固有尺寸较大，使得探测器很难做到小型化；PS-PMT感光面有效视野小，各拼缝处存在较大探测死区，不利于做大面积拼接探测；PS-PMT对可见光特别敏感，遇曝光易损毁；对磁场敏感，在磁场中无法正常工作；并且PS-PMT的工作电压须维持在650V以上，不利于安全操作。

现如今，硅光电倍增管SiPM(Silicon Photomultiplier)作为一种近期兴起的光电转换器件，在核医学成像领域应用中的优势日益凸显。目前主流的SiPM，其厚度通常小于1mm，工作电压在30V左右，边缘死区小，稳定性好，一致性高，具有很强的抗外界干扰能力，可在强磁场中工作，遇曝光不会损坏。这些特性都使其越发成为新型探测器设计的首选。

然而，由于SiPM温度效应明显，模拟电路板紧贴SiPM放置的方式易导致电路产生的大量热量通过板间热传导影响到SiPM稳定性，最终影响到探测器的性能；受SiPM自身结电容性能限制，若将阵列拼接过大，信号脉冲将随之展宽，在高计数率局部成像PET应用中易产生信号堆积，导致系统计数率性能下降；此外，模拟信号单端输出至数字电路部分，若屏蔽效果不够良好，易受到环境带来的干扰。故进行探测器设计时，由于SiPM明显的热效应以及单端输出的模拟信号易受外界环境干扰导致探测器性能不稳定的问题亟需解决。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，做出了本发明。

根据本发明，提供了一种基于SiPM的核医学成像平板探测器，包括：

多个探测模块，其按预定阵列排列，每个所述探测模块包括：闪烁晶体阵列以及与所述闪烁晶体阵列耦合的硅光电倍增管阵列；其中

所述闪烁晶体阵列包括多个闪烁晶体，其探测γ射线并产生光信号；

所述硅光电倍增管阵列包括多个硅光电倍增管，其将通过所述闪烁晶体阵列产生的光信号转换为电信号；以及

处理电路模块，其接收并处理来自所述硅光电倍增管的电信号，从而产生作为探测结果的输出信号，所述处理电路模块包括：分立设置的无源处理电路模块和有源处理电路模块，其中

所述探测模块设置于所述无源处理电路模块的表面，所述无源处理电路模块引出所述硅光电倍增管阵列产生的电信号；并且

所述有源处理电路模块与所述无源处理电路模块相连接，其接收并处理来自所述无源处理电路模块的电信号，并产生输出信号。

本申请提供的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其有源处理电路模块和无源处理电路模块为分立模块式设计，从而发热部分集中在离探测模块较远的有源处理电路模块中，使得热量不易通过热传导影响探测模块，进而提高了平板探测器的稳定性；并且分立模块式的设计能有效减少硅光电倍增管间的噪声干扰，有利于提高探测器的探测性能；使用硅光电倍增管作为光电转换器件，有效减小探测器的体积。本申请提供的平板探测器结构紧凑、性能较好、稳定性强且可有效抵抗外界共模干扰。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出本发明的实施例提供的平板探测器的立体示意图；

图2示出本发明的实施例提供的平板探测器的探测模块的结构示意图；

图3示出本发明的实施例提供的平板探测器的俯视图；

图4示出本发明的实施例提供的平板探测器的侧视图；

图5示出本发明的实施例提供的平板探测器的信号处理的框图；

图6示出了本发明提供的平板探测器在PET探测模式下(¹⁸F，511keV)得到的散点图；

图7示出了本发明提供的平板探测器在单光子探测模式下(^99mTc，140keV)得到的散点图。

附图标记：

1-探测模块 11-LYSO晶体阵列 12-硅光电倍增管阵列

13-光导层 2-处理电路模块 21-无源处理电路模块

210-无源基板 22-有源处理电路模块 220-有源基板

221-顶层 222-中间层 223-底层

224-同轴线缆 225-差分对线 3-柔性连接器

4-连接器 5-电源线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供了一种基于SiPM的核医学成像平板探测器，包括：

多个探测模块，其按预定阵列排列，每个探测模块包括：闪烁晶体阵列以及与闪烁晶体阵列耦合的硅光电倍增管阵列；其中

闪烁晶体阵列包括多个闪烁晶体，其探测γ射线并产生光信号；硅光电倍增管阵列包括多个硅光电倍增管，其将通过闪烁晶体阵列产生的光信号转换为电信号；以及处理电路模块，其接收并处理来自硅光电倍增管的电信号，从而产生作为探测结果的输出信号，处理电路模块包括：分立设置的无源处理电路模块和有源处理电路模块，其中

探测模块设置于无源处理电路模块的表面，无源处理电路模块引出硅光电倍增管阵列产生的电信号；并且有源处理电路模块与无源处理电路模块相连接，其接收并处理来自无源处理电路模块的电信号，并产生输出信号。本申请根据平板探测器具体的性能需求选择合适的闪烁晶体阵列；本申请中硅光电倍增管阵列将闪烁晶体阵列产生的包含位置、能量、时间信息的光信号转换为电信号，处理电路模块接收并处理来自硅光电倍增管的电信号，从而产生包含位置、能量、时间信息的输出信号。

以下结合图1-图3介绍本发明的实施例提供的基于SiPM的核医学成像平板探测器，该实施例中闪烁晶体阵列优选为LYSO晶体阵列。

图1示出本发明的实施例提供的平板探测器的立体示意图。图2示出本发明的实施例提供的平板探测器的探测模块的结构示意图。图3示出本发明的实施例提供的平板探测器的俯视图。

参照图1和图2，基于SiPM的核医学成像平板探测器，包括：多个探测模块1，探测模块1按预定阵列排列，每个探测模块1包括：LYSO晶体阵列11以及与LYSO晶体阵列11耦合的硅光电倍增管阵列12；LYSO晶体阵列11包括多个闪烁晶体，LYSO晶体阵列探测γ射线并产生光信号；硅光电倍增管阵列12包括多个硅光电倍增管，硅光电倍增管阵列12将通过LYSO晶体阵列11产生的包含位置、能量、时间信息的光信号转换为电信号；以及处理电路模块2，可以用来接收并处理来自硅光电倍增管的电信号，从而产生作为探测结果的输出信号。

其中，处理电路模块包括：分立设置的无源处理电路模块21和有源处理电路模块22，探测模块1设置于无源处理电路模块21的表面，无源处理电路模块21引出硅光电倍增管阵列12产生的电信号；并且有源处理电路模块22与无源处理电路模块21相连接，有源处理电路模块22接收并处理来自无源处理电路模块21的电信号，并产生输出信号。

作为一种有利的实施方式，结合图3，无源处理电路模块所在的无源基板210与有源处理电路模块所在的有源基板220分立设置，且无源基板210和有源基板220通过柔性连接器3连接。通过这样的设置，无源处理电路模块(以及设置于其表面的探测模块1)和设置于有源基板220上的有源处理电路模块通过柔性连接器3间隔一定距离，以方便将集中有热量的有源处理电路模块与探测模块1间隔一定距离，使得发热部分集中在离探测模块1较远处的有源处理电路模块上，进而提高平板探测器的稳定性。

进一步地，柔性连接器3可优选为柔性PCB板或软性电路排线，以方便无源处理电路模块和有源处理电路模块之间通过柔性连接器3平齐或弯折放置。

根据本实施例，当无源处理电路模块21和有源处理电路模块22通过柔性连接器平行叠置时，为保证探测模块的性能、隔绝有源处理电路模块产生的热量对探测模块的影响，在无源处理电路模块和有源处理电路模块之间设置绝缘绝热层将两者分开，或者使用绝缘绝热材料将两者分开，进而阻止有源处理电路模块产生的热量向探测模块1传导，以保证探测模块不受有源基板220上的有源处理电路模块发热的影响。

此外，作为一种可选的实施方式，无源处理电路模块与有源处理电路模块可以形成在同一基板上的、彼此分隔开的部分上，相比于上述一种有利的实施方式，无源处理电路模块和有源处理电路模块分隔开即可。该实施方式中处理电路模块按照无源和有源区分功能区，通过无源处理电路模块21将探测模块1和有源处理电路模块22隔离，以避免发热集中的有源处理电路模块上的热量通过热传导对探测模块1产生影响，无源处理电路模块21和有源处理电路模块22两部分具体的相对位置的确定可根据具体的电路结构、各部分所占电路基板的大小进行设定，满足有源处理电路模块的发出的热量不会对探测模块的性能产生影响即可。

其中，形成LYSO晶体阵列11的每个LYSO晶体为长方体，LYSO晶体的一个端面露出以作为出光面，另外一个端面和四个侧面上覆盖有反光膜或涂敷有反光材料。例如：各LYSO晶体之间填充以BaSo4作为反光材料，整个LYSO晶体阵列六个面中除底面保持光洁外其它五个面覆盖高反膜，反光材料和高反膜均为反光层。

当LYSO晶体形成LYSO晶体阵列时，所有的LYSO晶体的出光面设置在同一个面上以形成LYSO晶体阵列的出光面，LYSO晶体阵列与硅光电倍增管阵列的耦合面为LYSO晶体的出光面。LYSO晶体阵列的出光面上涂有硅脂，硅光电倍增管阵列的一面上也涂有硅脂以和LYSO晶体阵列的出光面耦合。

进一步地，参照图2，探测模块1还包括：光导层13，光导层13设置并耦合于LYSO晶体阵列与硅光电倍增管阵列之间，光导层13上与LYSO晶体阵列以及硅光电倍增管阵列相耦合的面均涂抹有光学硅脂。通过光导层13将经过LYSO晶体阵列产生的可见光分光作用于硅光电倍增管阵列的表面。

作为一种可选的实施方式，光导层的厚度为1-3mm，并且光导层的材质为K9玻璃，以将经过LYSO晶体阵列产生的可见光进行分光后作用于硅光电倍增管阵列。为更好的实现分光功能，光导层的厚度进一步优选为1.5mm。

该实施例中，硅光电倍增管阵列12将通过LYSO晶体阵列产生的可见光转换为电信号，通过无源处理电路模块2引出硅光电倍增管产生的电信号包括快信号和阳极信号，并且由有源处理电路模块处理快信号和阳极信号，以此产生包括定时信号和差分阳极信号的输出信号。

以下结合图4至图5介绍本发明的实施例提供的平板探测器的信号处理的过程。

图4示出本发明的实施例提供的平板探测器的侧视图。图5示出本发明的实施例提供的平板探测器的信号处理的框图。

该实施例中，各个硅光电倍增管阵列通过连接器4与无源处理电路模块21相连接，继而每个硅光电倍增管阵列所在的探测模块均设置在无源基板210上。

设定平板探测器包括的多个探测模块排列成M×N的阵列，其中M、N为自然数；并且设定每个硅光电倍增管阵列包括m×n个硅光电倍增管，其中m、n为自然数。

作为一种可选的实施方式，相应的，无源处理电路模块和有源处理电路模板分别包括构成M×N阵列的无源模块单体和有源模块单体，它们分别与多个探测模块一一对应。

进一步地，每个无源模块单体包括由USCD034H型肖特基二极管组成的加法电路，并且每个有源模块单体包括定时电路，定时电路包括依次连接的OPA847高速放大器、MAX901比较器以及74F74触发器；各个探测模块内的硅光电倍增管阵列生成的快信号经相应的无源模块单体中的加法电路求和处理得到模拟快信号，该模拟快信号经相应的有源模块单体中的定时电路被转换为数字定时信号。

进一步地，每个无源模块单体还包括通过高精度贴片电阻组成的均匀电荷分配电路，并且每个有源模块单体还包括阳极信号处理电路，其中，阳极信号处理电路包括依次连接的由AD8056双通道放大器组成的位置编码电路、滤波成形电路以及由ADA4940-2低功耗双通道差分放大器组成的差分电路；各个探测模块内的硅光电倍增管阵列生成的m×n路阳极信号经均匀电荷分配电路转换为m+n路阳极信号，然后经阳极信号处理电路处理以转换为4路差分阳极信号。

经过处理后的数字定时信号与差分阳极信号最终通过有源处理电路模块末端的同轴线和差分线对传递给后端数字板。

此外，本实施例提供的平板探测器还包括：电源转换电路，电源转换电路与有源电路处理模块位于同一基板上，电源转换电路包括MC7805与UA7905组成的转压滤波电路，用以接收一定幅度范围内的电压并向无源处理电路模块提供恒定的输出电压。

接下来本发明以尺寸为200mm×150mm探测面积的平板探测器为实施方式，当然本发明不局限于此例。

其中，M＝6，N＝5,平板探测器包含30个LYSO晶体阵列，探测模块1按6×5阵列排布通过连接器4与无源处理电路模块相连接；

每个LYSO晶体阵列由256个尺寸为1.9×1.9×15mm³的LYSO晶体按16×16的方式排布组成，每个LYSO晶体阵列的外围尺寸为32.1mm×32.1mm×15mm；晶体与晶体间填充有BaSo4作为高反光层，除底部出光面外，晶体阵列外围五个面整体包裹高反光材料；

相应的，探测模块中包含30个硅光电倍增管阵列，且m＝n＝8，即每个硅光电倍增管阵列由64个3mm像素的硅光电倍增管按8×8的方式拼接而成，单个硅光电倍增管的外围封装尺寸为4mm×4mm×0.65mm；将其与无源基板贴边对齐放置，各硅光电倍增管间隔0.2mm，按8×8阵列排布，信号通过连接器引出，单个硅光电倍增管阵列的外围尺寸为33.4mm×33.4mm×5mm；以及

每个LYSO晶体阵列与硅光电倍增管阵列之间由1.5mm厚度的K9玻璃光导层填充，并用光学硅脂分别对两面进行耦合而组成一个探测模块。

无源处理电路模块通过USCD034H型肖特基二极管组成的加法电路将每个探测模块生成的64路快信号汇总，通过高精度贴片电阻组成的均匀电荷分配电路将每个探测模块产生的64路阳极信号转化为8+8路阳极信号；

有源处理电路模块接收无源处理电路模块传输过来的模拟快信号与阳极信号，将无源处理电路模块传输过来的30路模拟快信号转换为数字定时信号；阳极信号处理电路接收无源部分传输过来的30对8+8路单端阳极信号，并将信号进行位置编码处理与成形处理，形成30对4路单端阳极信号，再经差分电路形成30对4路差分阳极信号。

参照图1、图3-图5，将探测模块1按6×5阵列排布通过连接器4与无源处理电路模块21相连接，探测模块接收到的信号经过无源处理电路模块、柔性PCB板以及有源处理电路模块相连接，有源基板220上设置的电路模块分为三层，顶层221设置有定时电路以处理定时功能，中间层222设置有电源转换电路以对有源处理电路模块22和无源处理电路模块21输入电压，底层223设置有阳极信号处理电路以进行位置编码、滤波成形和差分放大处理，各层之间通过连接器相连接，也即，电源转换电路直接设置在有源基板上，定时电路以及阳极信号处理电路分别通过连接器连接至有源基板，故本申请中顶层221(对应定时电路)和底层223(对应阳极信号处理电路)构成有源处理电路模块22；此外，电源线5负责有源处理电路模块22和无源处理电路模块21之间的电源传递，经顶层221处理后的数字定时信号通过同轴线缆224输出，经底层223处理后的差分阳极信号通过差分对线225输出。

本申请提供的平板探测器具有足够高的分辨性能，能够同时满足PET探测模式(¹⁸F，511keV)与单光子探测模式(^99mTc，140keV)下的分辨需求，可以通过探测器前端准直器的切换分别实现PET与单光子模式下的信息采集。图6为本发明提供的平板探测器在PET探测模式下(¹⁸F，511keV)得到的散点图结果，图7为本发明提供的平板探测器在单光子探测模式下(^99mTc，140keV)得到的散点图结果，均可实现很好的位置分辨。

本申请提供的基于SiPM的核医学成像平板探测器还包括盒体，上述的探测模块和处理电路模块均设置在盒体内，以形成一个平板探测器。由于探测器整体发热只在有源部分，故可只在有源部分配备风扇，构成稳定的局部核医学成像平板探测器系统。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (12)

1.一种基于SiPM的核医学成像平板探测器，包括：

多个探测模块，其按预定阵列排列，每个所述探测模块包括：闪烁晶体阵列以及与所述闪烁晶体阵列耦合的硅光电倍增管阵列；其中

所述闪烁晶体阵列包括多个闪烁晶体，其探测γ射线并产生光信号；

所述硅光电倍增管阵列包括多个硅光电倍增管，其将通过所述闪烁晶体阵列产生的光信号转换为电信号；以及

处理电路模块，其接收并处理来自所述硅光电倍增管的电信号，从而产生作为探测结果的输出信号，

其特征在于，所述处理电路模块包括：分立设置的无源处理电路模块和有源处理电路模块，其中

所述探测模块设置于所述无源处理电路模块的表面，所述无源处理电路模块引出所述硅光电倍增管阵列产生的电信号；并且

所述有源处理电路模块与所述无源处理电路模块相连接，其接收并处理来自所述无源处理电路模块的电信号，并产生输出信号；

所述无源处理电路模块与所述有源处理电路模块形成在分立的无源基板和有源基板上，所述无源基板和有源基板通过柔性连接器连接；

所述柔性连接器包括柔性PCB板或软性电路排线；

所述多个探测模块排列成M×N的阵列，其中M、N为自然数；并且每个硅光电倍增管阵列包括m×n个硅光电倍增管，其中m、n为自然数；

所述无源处理电路模块和所述有源处理电路模块分别包括构成M×N阵列的无源模块单体和有源模块单体，它们分别与多个探测模块一一对应；

每个有源模块单体包括定时电路和阳极信号处理电路，所述阳极信号处理电路包括依次连接的位置编码电路、滤波成形电路以及差分电路。

2.根据权利要求1所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，所述无源处理电路模块和所述有源处理电路模块通过所述柔性连接器平行叠置，并且通过位于两者之间的绝缘绝热层彼此分隔开。

3.根据权利要求1所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，所述无源处理电路模块与所述有源处理电路模块形成在同一基板上的、彼此分隔开的部分上。

4.根据权利要求1所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，所述探测模块还包括：

光导层，所述光导层设置并耦合于所述闪烁晶体阵列与所述硅光电倍增管阵列之间。

5.根据权利要求4所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，所述光导层的材质为K9玻璃；和/或，所述光导层的厚度为1-3mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，所述无源处理电路模块引出所述硅光电倍增管所产生的快信号和阳极信号，并且所述有源处理电路模块处理所述快信号和阳极信号，以产生包括定时信号和差分阳极信号的输出信号。

7.根据权利要求6所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，每个所述无源模块单体包括加法电路，所述定时电路包括依次连接的高速放大器、高速比较器以及双D触发器；

各个所述探测模块内的硅光电倍增管阵列生成的快信号经相应的无源模块单体中的所述加法电路求和处理得到模拟快信号，该模拟快信号经相应的有源模块单体中的所述定时电路被转换为数字定时信号。

8.根据权利要求7所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，

每个所述无源模块单体还包括均匀电荷分配电路；

各个所述探测模块内的硅光电倍增管阵列生成的m×n路阳极信号经所述均匀电荷分配电路转换为m+n路阳极信号，然后经所述阳极信号处理电路处理以转换为4路差分阳极信号。

9.根据权利要求8所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，还包括：电源转换电路，所述电源转换电路与所述有源处理电路模块设置于同一基板上用以接收一定幅度范围内的电压并向所述无源处理电路模块提供恒定的输出电压。

10.根据权利要求1所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，所述闪烁晶体为长方体，所述闪烁晶体的一个端面露出以作为出光面，另外一个端面和四个侧面上覆盖有反光膜或涂敷有反光材料；

所述闪烁晶体阵列与所述硅光电倍增管阵列的耦合面为所述闪烁晶体的出光面。

11.根据权利要求1所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，所述闪烁晶体阵列为LYSO晶体阵列。

12.根据权利要求1所述的基于SiPM的核医学成像平板探测器，其特征在于，还包括盒体，所述探测模块和所述处理电路模块设于所述盒体内。