CN106716178B - 直接转换辐射探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直接转换辐射探测器，其中，直接转换材料包括石榴石，其具有Z3(AlxGay)5O12:Ce的组成，其中，Z为Lu、Gd、Y、Tb或者其组合，并且其中，y等于或大于x；并且优选Z包括Gd。合适的石榴石将诸如X射线或伽马射线的辐射直接转换成电子信号。优选地，所述石榴石的光致发光为低或不存在的。所述探测器尤其适合用于在诸如计算机断层摄影的X射线成像设备中使用。在一些实施例中，石榴石的光致发光可以用于构建混合直接‑间接转换探测器，其可能尤其适合用于与飞行时间PET一起使用。
Description
技术领域
本发明总体涉及直接转换辐射探测器、辐射成像方法以及成像系统。
背景技术
闪烁体被广泛用作针对X射线和伽马射线的波谱分析的探测器。入射的电离辐射被闪烁体吸收，闪烁体再次发射不同(例如，可见)波长的光子，所述光子然后在诸如光电二极管、雪崩光电二极管或硅光电二极管的光传感器中可以被用于生成电子信号，所述电子信号可以随后被处理为成像数据。基于闪烁体的辐射探测器通常被用在例如医学成像、安全扫描或天体物理学中。针对在这些应用中使用的闪烁晶体的重要性质包括高光输出、高伽马射线阻止效率、快速响应、低成本、良好比例性、以及最小余辉。一直对具有这些性质的新的闪烁体材料具有兴趣。具体地，石榴石是已经示出有兴趣用作闪烁体材料的材料的群组。
石榴石是无机晶体材料，在许多情况下，包括包含Gd、Lu、Al和/或Ga的混合氧化物组合物。如铈(其形成发射中心)的掺杂物常常被包括在内以增加在X射线辐照后的光输出，这如例如从美国专利申请US2012/0223236A1获知的。
利用闪烁体的X射线或伽马射线探测是一种间接探测方法，因为其要求光传感器探测由闪烁体发射的光。这样的间接探测方法的缺点是由于如下两个步骤造成的能量的(高)损失：将辐射转换为光的过程中的损失，以及在此之后在光电二极管中转换为电子的过程中的损失。归因于在光传感器中所得到(相对)低的电子数量，探测器的能量分辨率是有限的。
探测辐射的一种备选方法是直接探测。这使用半导体将吸收的X射线或伽马射线光子的能量直接转换成电子空穴对。电子可以被处理成电信号，而无需使用另外的功能层并且因此没有与另外的功能层相关联的上文所描述的损失。碲化镉(CdTe)或碲锌镉(CZT)是在直接转换辐射探测器中最常用的直接转换材料。如果以所谓的光子计数模式来执行，则这使得能够以高得多的能量分辨率(谱响应)来测量所吸收的辐射量子中的每个的能量。该谱信息对于改进图像分辨率和质量(例如，用于诊断)是非常重要的。WO2014/032874A1公开了一种具有有机直接转换层的混合光电二极管，其中，闪烁石榴石填充料被散布在所述有机直接转换层中。然而，这些材料通常是单晶体，其非常难于制作并且因此是昂贵的。同样地，修改这些材料以针对不同的探测器系统来优化或调谐其性质是相当困难的。
发明内容
根据本发明的实施例涉及一种直接转换辐射探测器，包括：直接转换层，其包括直接转换材料，用于将来自辐射源的入射辐射直接转换成电子和空穴对；和第一电极，其被面向所述辐射源安装在所述直接转换层上；和第二电极，其与所述第一电极相比被安装在所述直接转换层的相反侧上；以及用于在所述第一电极与所述第二电极之间施加电势的器件。所述直接转换材料包括石榴石。所述石榴石具有Z3(AlxGay)5O12:Ce的组成，其中，Z为Lu、Gd、Y或Tb(或者其组合)，并且其中，y等于或大于x；并且优选Z包括Gd。
在另一优选实施例中，所述第二电极是像素化的。
在另一优选实施例中，所述探测器包括光传感器，所述光传感器相对于所述直接转换层被安装在所述第二电极的后面，以用于将在所述直接转换层中形成的可见光转换为电子信号，其中，所述第二电极对可见光是透明的，并且其中，所述石榴石具有Z3(AlxGay)5O12:Ce的组成，其中，Z为Lu、Gd、Y或Tb(或者其组合)，并且其中，y等于或大于x；并且优选Z包括Gd。
在另一优选实施例中，所述探测器包括积分电路，所述积分电路用于处理在所述直接转换辐射探测器中所生成的电子信号。
在另一优选实施例中，所述探测器包括积分电路，所述积分电路用于处理在所述直接转换辐射探测器中所生成的电子信号。
在另一优选实施例中，所述探测器包括透明的重新路由层，其用于将像素化的电极中的每个像素重新路由到所述积分电路。
根据本发明的另外的实施例涉及一种使用根据本发明的直接转换探测器的辐射成像方法。
其中辐射源是衰变放射性材料的辐射成像方法的具体感兴趣实施例包括：利用至少辐射探测器来探测两个同时形成的伽马射线光子；确定所述两个同时形成的光子之间的探测时间的差；基于所确定的探测时间的差来生成时间戳，其中，生成第一电子信号的步骤包括使用所生成的时间戳作为输入。
根据本发明的另外的实施例涉及一种包括根据本发明的直接转换探测器的成像系统。
本领域普通技术人员在阅读和理解了下文的详细描述的基础上将认识到本发明的其他方面和实施例。本领域普通技术人员在阅读了下文中对优选实施例的详细描述之后，诸多的额外优点和益处将变得明显。
附图说明
通过如下附图图示了本发明：
图1示出了示意性表示以解释利用像素化的直接转换辐射探测器的直接转换探测的原理。
图2示出了根据本发明的直接转换辐射探测器的第一实施例的示意性表示。
图3示出了根据本发明的直接转换辐射探测器的第二实施例的示意性表示。
图4示出了根据本发明的直接转换辐射探测器的像素化的电极的示意性表示。
图5示出了根据本发明的针对用于辐射成像方法的方法的流程图。
图6示出了针对基于图5的具有额外步骤的根据本发明的混合辐射成像方法的流程图。
图7示出了针对辐射成像方法的流程图，其中，辐射源是根据本发明的衰变放射性材料。
本发明可以采取各种部件和部件布置，以及各种步骤和步骤安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，而不应当被解释为对本发明的限制。为了更好地可视化，可以省略某些特征，或者尺寸可以不必根据比例的。
具体实施方式
图1示出了直接转换辐射探测的已知原理的高度示意性描述。使用X射线(x)和伽马射线辐射(Υ)图示了该原理和本发明，但是，该概念对于可以由直接转换层直接转换成电子信号的任何其他类型的辐射也是有效的。
在图1中，示出了直接转换辐射探测器1的若干实质层。由包括直接转换材料的直接转换层11形成探测器1的大部分。直接转换材料11可以包括单晶半导体材料，所述单晶半导体材料是本征材料或者具有完全耗尽的p-i-n结构(归因于电接触)。CdxZn1-xTe(碲锌镉，通常被简写为CZT)是合适的已知半导体材料。碲化镉(CdTe)也常被用作直接转换材料。直接转换层11被放置在第一电极(阴极)12与第二电极(阳极)13之间，其中，第一电极面向这样的方向：辐射x、Υ可以从该方向朝向辐射探测器1发射。第一电极11和第二电极12被连接到电功率源14(或超过一个源)。第一电极11被保持在负偏置电势处，而第二电极12被保持在较小的排斥(通常为吸引正)电势处。第一电极12在直接转换材料层51上形成连续层并且通常对具有要由辐射探测器1探测的能量水平的光子x、Υ是透明的。第二电极13在直接转换层11的相反侧上并且通常被细分到探测器像素131的行或网格中。
当光子x、Υ经过第一电极12并且穿透到直接转换材料层11中时，光子x、Υ与直接转换材料相互作用以生成众多的电子空穴对。带正电的空穴朝向强烈带负电的第一电极12漂移，而带负电的电子朝向带更多正电的第二电极13漂移。当电子逼近第二电极13时，从每个探测器像素131感生信号，所述信号在收集之后指示逼近该特定电极像素131的电子的计数。所述信号然后可以由处理单元进一步处理并最终被在显示单元上以显示给用户，作为写入信息或者作为被检查对象的(部分的)重建图像。
图2示出了根据本发明的辐射探测器1的实施例的示意性描绘。该实施例包括与在图1中所示出的那些元件相同的元件，但是，在该情况下，直接转换层11包括石榴石，作为直接转换材料。该直接转换材料可以完全或至少大部分由石榴石组成。所使用的石榴石以与如先前描述的直接转换材料相同的方式作用：当光子x、Υ被吸收在石榴石中时，形成电子空穴对，它们被分别传递到第二电极13和第一电极12。指示针对每个探测器像素131的电子计数的电子信号被发送到积分电路15，积分电路15与第二电极13电连接以将电子信号处理成图像数据。在该实施例中，积分电路15被直接安装到第二电极13，但是积分电路15也可以被放置远离第二电极13。
在电离辐射下并不示出非常低(或者优选为没有)光致发光发射的大多数类型的石榴石适合用于在本发明的背景中使用。本发明的认识在于：石榴石、尤其是非发光石榴石或低发光石榴石实际上可以被用作直接转换材料。通常，石榴石因其良好的光致发光性质而被用在辐射探测领域中，这可能不利于作为直接转换材料的有效性，并且本领域技术人员因此不会设想使用他所熟悉的石榴石作为直接转换材料。尤其合适的石榴石材料的范例是基于掺杂铈的铝(Al)镓(Ga)的石榴石，其具有Z3(AlxGay)5O12:Ce的组成，其中，Z是从镥(Lu)、钆(Gd)、钇(Y)或铽(Tb)中选取的。
使用石榴石代替已知的直接转换材料(诸如CdTe或CZT)的优点在于：石榴石的生产较为便宜，其种类繁多并且它们能够被调谐以针对特定系统来优化性质，这是本发明的另一认识。石榴石的制造过程使得能够将石榴石材料性质调谐到期望的规范。例如，针对被用作间接闪烁体材料的石榴石，针对最大光输出和速度而调谐铈含量。针对本发明，需要以这样的方式来调谐石榴石材料性质，即：使得石榴石能够被用于直接转换。这样，有必要限制电子空穴对的重组并使得能够发生电荷分离(其实际上与针对闪烁体材料所需要的相反)。被用于本发明的石榴石应当优选不示出发光性，因为这对于直接转换是损失过程。由于在通常不掺杂材料中示出晶格相关发射(例如，归因于自陷激子)，优选使用Ce3+掺杂的石榴石，其中，激发的Ce3+离子被电离到Ce4+，导致传导带中的电子，对其进行计数。在本发明的背景中使用的石榴石中，空穴被俘获在Ce3+离子上。Ce3+离子的这样的电离尤其在石榴石中能够看到，其具有Ce3+离子的激发的d水平状态与传导带之间的低的能量距离。根据文献已知，其中镓含量高于铝含量的基于Gd、Lu或Y的Al-Ga石榴石特别易于Ce3+离子的电离。这样，由其中Ga含量高于或等于Al含量(y>＝x)的(Lu,Gd,Y,Tb)3(AlxGay)5O12:Ce所描述的组成物是作为在本发明的背景中的直接转换物的尤其感兴趣的石榴石。该组成物可以被调谐为使得能够探测发光和直接转换两者。当这被恰当地完成时，总的接收到的信号增加且可以获得更好质量的图像。
此外，在石榴石的制造过程中对石榴石进行烧结，并且将需要执行所述烧结步骤，使得限制晶界以防止传导通路和缺陷中心。该要求类似于用于间接闪烁的当前的基于石榴石的系统，这是因为缺陷最小化限制了重组并增加了光输出。通常以高于1600℃的温度、优选在1650℃与1780℃之间的温度范围中、最优选在真空中在1675℃与1750℃之间的温度范围中来执行烧结。由于能够使用烧结过程以陶瓷形式产生石榴石，因此在本发明中所使用的石榴石将比被应用为单晶的基于CZT/CdTe的常见直接转换物便宜得多。此外，多种陶瓷石榴石组合物已经可用，并且新的类型仍然在开发和生产中，这提供了对精细调谐多个重要参数(如直接转换率和间接转换率的比率、停止功率以及Ce3+发射谱)的可能性。这对于单晶来说是相当困难的，如果不是不可能的话。
图3示出了根据本发明的辐射探测器的另外的实施例，其组合了直接转换和间接探测。和先前描述的实施例一样，直接转换层11包括石榴石。然而，在该情况下，石榴石是从当前被用于间接探测的闪烁体石榴石中选取的一种。例如这样的石榴石，其中，y优选在0.4与0.6之间，更优选地y为大约0.5(例如，Gd3Al2.5Ga2.5O12:Ce)。术语‘大约’意指，在本申请的背景中，恰当的值可以在任意方向上实际某种程度改变，例如改变10％。这些是被用在已知闪烁体中的高度有效群组的石榴石。另一良好选项(其自身或与先前提及的类型相组合)将是这样的石榴石：其中，Z包括Gd和Lu，其中，Gd:Lu的比率为大约2:1。这些石榴石尤其适合用在PET成像中。与常见的间接探测器一样，诸如光电二极管、雪崩光电二极管或硅光电二极管的光传感器16被放置在直接转换层11与积分电路15之间。第二电极13被夹在直接转换层11与光传感器16之间。该布置是间接转换探测器(其并不具有第一电极12和第二电极13)与直接转换探测器(其并不具有光传感器16)之间的混合。该布置允许电功率源14在直接转换层上施加电场，以将电子空穴对分开(直接转换)，同时进行其他重新组合以生成可见光(闪烁)。
在直接转换层11内生成的可见光被发射到光电二极管，其中，所述可见光被转换成第二电子信号。因此，第二电极13需要对适当的可见光谱是透明的，以便不阻挡用于间接转换探测器的可见光。透明的第二电极13可以包括用于透明电极的已知材料，诸如，例如氧化铟锡(ITO)或掺杂铝的氧化锌(ZnO:Al)。
经直接转换分离的电子空穴对被像素化的第二电极13收集，并且被积分电路15转换成所吸收的X射线量子的谱信息。图4示出了具有透明像素131的网格的第二电极13的顶视图。在该实施例中，第二电极13通过柔性电连接器件132电连接到积分电路15，但是本领域技术人员也可以设想其他已知的电连接器件。为了连接透明的像素化的第二电极13，有必要应用重新路由层(未示出)以将每个单像素重新路由到电子器件。对于导线，重新路由材料也需要是透明的，能够使用与电极的类似的材料，并且针对隔离层材料，可以使用诸如例如二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)。
在图3中所示出的诸如辐射探测器的混合实施例产生指示所探测到的辐射的至少两个分立的电子信号，其可以被分立地或组合地使用以获得额外的和/或经改进的图像数据，这将更好地辅助用户分析所扫描的目标，例如，允许医师提供对所扫描的患者的更加详细和/或改善的诊断。通过对光子的数量和电子的数量两者进行计数，获得更大的信号。该效应依赖于这样的事实：在达到发射的Ce3+离子之前，电荷总是以有限的距离行进通过转换材料。直接转换与间接转换之间的比率能够例如经由Ce3+浓度并且还经由Ce3+电离能量来调谐，这继而能够通过改变主晶格组成来调谐，要求陶瓷而非单晶。
当选取高Ce3+浓度(同时不引发浓缩猝灭)和处于激发态的高电离能量的Ce3+时，获得更高的间接转换信号。
根据本发明的辐射探测器尤其适合用于X射线成像和计算机断层摄影(CT)成像，尤其是谱CT成像，其中，X射线辐射从辐射源发射到辐射探测器。本发明也适合于在使用可能被直接转换层直接转换到电子系统中的辐射对对象进行成像的任何其他成像系统中使用，诸如单光子发射计算机断层摄影设备(SPECT)或正电子发射计算机断层摄影(PET)成像设备或者不同类型的成像的组合。
尤其感兴趣的是，在飞行时间PET成像中使用类似于在图3中所描绘的实施例的根据本发明的混合直接-间接辐射探测器。在PET成像中，辐射探测器探测在先前被引入到要被扫描的对象(例如，患者的组织)中的放射性示踪材料的放射性衰变之后发射的伽马光子，以获得所述对象的三维图像数据。在飞行时间PET成像中，由一对探测器对两个同时形成的伽马光子的探测之间的时间差可以被确定。该信息然后可以被用于对引起光子发射的湮灭事件的起源点的更加精确的定位。飞行时间PET需要高时间准确度的时间戳来准确地测量光子发射中心在响应线上的位置。利用根据本发明的混合直接-间接辐射探测器，间接转换过程被用于在PET中提供时间戳。来自石榴石的光子发射是非常快速的过程，使得其适合用于飞行时间PET。另外，电场将用于直接探测的所生成的电子空穴对分开。由于现在从间接转换过程已经能够获得时间戳，因此直接转换过程的速度变得较不重要，从而缓解了材料要求和直接转换系统。然而，由于从直接转换过程收集的电子的数量与所吸收的辐射的能量有关，因此也可以以高能量分辨率从直接转换过程获得谱信息。这允许具有与X射线或CT成像的谱信息组合的飞行时间PET的时间分辨率的成像系统，允许对扫描目标的甚至更为准确的分析，得到例如针对患者的进一步改善的诊断。
本发明还提供了另一优点，尤其是对于PET成像。发光猝灭不仅减少了光产出，而且还减少了衰变时间，但是这两者之间的比率基本上保持相同。因此，针对符合分辨时间(CRT)的品质因数在PET中保持相同。由于在本发明的情况下符合分辨时间与(用于能量分辩)计数被解耦，因此现在在PET的情况下有更多的时间来进行计数。因此，可以在闪烁与计数之间分布CRT和能量分辩的任务。由于在石榴石中的发射的衰变时间相当长(归因于电荷的俘获)，因此测量光导率是现实可行的选项，这是因为在电荷的俘获发生之前已经测量了电流，而已被俘获电荷和将被俘获的电荷的发射仅发生在电荷已经被释放之后。该发射需要被淬灭至少50％，但是更优选被淬灭90％。
图5，其仅包括点线左边的每一个事物，示出了根据本发明的辐射成像方法的示意性描绘。在步骤501中，将例如X射线辐射或伽马辐射的辐射从源朝向根据本发明的直接转换辐射探测器(因此在直接转换层中包括石榴石)发射。在步骤502中，将入射光子在直接转换层中转换成电荷载流子(在该实施例中为电子和空穴)。在步骤504中，生成指示所探测到的电荷载流子的数量的第一电子信号(光子计数)。在步骤505中，基于第一电子信号来生成图像数据。在步骤506中，向用户显示图像数据，例如显示为二维或三维图像。
图6描绘了根据本发明的混合辐射成像方法的示意性概览视图，并且包括图5的所有步骤以及点线右边的所有步骤。直接转换类似于如针对图5的步骤502、504和505所描述的发生。并行地，在步骤602中，部分入射光子引起石榴石中的光致发光，其然后以不同的波长发射光子，通常处在可见光谱中。在步骤603中，在石榴石中生成的光子然后将被转换为光传感器中的电子。在步骤604中，生成指示所探测到的电荷载流子的数量的第二电子信号。在步骤505中，现在基于第一电子信号和第二电子信号两者来生成图像数据。可以基于这两种信号来生成单个图像数据，和/或可以基于所述信号中的每个来生成图像数据的两种不同的集合。关于图5，在步骤506中，向用户显示图像数据。
图7描绘了根据本发明的混合辐射成像方法的特定实施例的示意性概览视图，其中，辐射源是衰变放射性材料，例如，对象中的放射性示踪剂。在步骤701中，利用根据本发明的辐射探测器(其也具有间接探测选项)探测放射性示踪剂。在步骤702中，根据间接转换的光子来确定时间戳。在步骤703中，根据直接转换的光子来确定谱信息。在步骤704中，根据谱信息并且使用时间戳来生成图像数据。在步骤705中，向用户显示图像数据。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
Claims (17)
1.一种直接转换辐射探测器(1)，包括：
-直接转换层(11)，其包括直接转换材料，用于将来自辐射源的入射辐射直接转换成电子和空穴对；
-第一电极(12)，其被面向所述辐射源安装在所述直接转换层上；
-第二电极(13)，其与所述第一电极相比被安装在所述直接转换层的相反侧上；以及
-用于在所述第一电极与所述第二电极之间施加电势的器件(14)，
其特征在于，所述直接转换材料包括石榴石，所述石榴石具有Z3(AlxGay)5O12:Ce的组成，其中，Z为Lu、Gd、Y、Tb或者其组合，并且其中，y等于或大于x。
2.根据权利要求1所述的直接转换辐射探测器，其中，所述第二电极是像素化的。
3.根据权利要求1或2所述的直接转换辐射探测器，还包括光传感器(16)，所述光传感器相对于所述直接转换层被安装在所述第二电极的后面，以用于将在所述直接转换层中形成的可见光转换为电子信号，其中，所述第二电极(13)对可见光是透明的，并且其中，y在0.4与0.6之间，并且/或者，其中，所述石榴石为这样的石榴石：其中，Z包括Gd和Lu，其中，Gd:Lu的比率为大约2:1。
4.根据权利要求3所述的直接转换辐射探测器，其中，y为大约0.5。
5.根据权利要求1至2中的任一项所述的直接转换辐射探测器，还包括积分电路(15)，所述积分电路用于处理在所述直接转换辐射探测器中所生成的电子信号。
6.根据权利要求5所述的直接转换辐射探测器，还包括透明的重新路由层，所述透明的重新路由层用于将像素化的电极中的每个像素重新路由到所述积分电路。
7.一种辐射成像方法，包括如下步骤：
-从辐射源发射(501)辐射射束；
-利用根据权利要求1-6中的任一项所述的直接转换辐射探测器来探测(502)所发射的辐射射束；
-生成(504)指示探测到的在所述直接转换层中所生成的载流子的数量的第一电子信号。
8.根据权利要求7所述的辐射成像方法，其中，所述直接转换辐射探测器是根据权利要求3所述的直接转换辐射探测器(1)，并且第一电子信号是针对经像素化的第二电极(13)的每个探测器像素(131)所生成的。
9.根据权利要求7所述的辐射成像方法，其中，所述直接转换辐射探测器是根据权利要求3所述的直接转换辐射探测器(1)，所述辐射成像方法还包括如下步骤：
-生成(604)指示探测到的在所述光传感器(16)中所生成的电子的数量的第二电子信号。
10.根据权利要求8所述的辐射成像方法，其中，所述辐射源是衰变放射性材料，所述辐射成像方法还包括如下步骤：
-利用至少所述辐射探测器来探测(701)两个同时形成的光子；
-确定所述两个同时形成的光子之间的探测时间的差；
-基于所确定的探测时间的差来生成时间戳(702)，
其中，生成第一电子信号的所述步骤包括使用所生成的时间戳作为输入。
11.根据权利要求7-10中的任一项所述的辐射成像方法，还包括如下步骤：
-基于所述第一电子信号来生成图像数据。
12.根据权利要求9所述的辐射成像方法，还包括如下步骤：
-基于所述第一电子信号并且基于所述第二电子信号来生成图像数据。
13.根据权利要求11所述的辐射成像方法，还包括如下步骤：
-显示所述图像数据。
14.一种包括根据权利要求1至6中的任一项所述的直接转换辐射探测器(1)的成像系统。
15.根据权利要求14所述的成像系统，选自包括如下项的组：X射线成像设备；计算机断层摄影成像设备；正电子发射断层摄影成像设备；单光子发射计算机断层摄影设备；或者其组合。
16.根据权利要求15所述的成像系统，其中，所述计算机断层摄影成像设备为谱计算机断层摄影成像设备。
17.根据权利要求15所述的成像系统，其中，所述正电子发射断层摄影成像设备为飞行时间正电子发射断层摄影成像设备。
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