CN107076859A - 具有光共享和相互作用深度估计的pet探测器闪烁体布置 - Google Patents

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Abstract

一种光子探测器，包括：被设置在一平面中的光学传感器的传感器阵列，以及四个实质上相同的闪烁晶体棒。每个光学传感器被配置为感测发光。所述四个闪烁体晶体棒中的每个是具有四个侧面表面以及第一端部表面和第二端部表面的矩形棱镜，每个闪烁棒都具有两个侧面表面，所述两个侧面表面中的每个面对另一闪烁棒的侧面表面，并且每个闪烁晶体棒响应于与接收到的伽马光子进行相互作用而生成光闪烁。第一层(80)被设置在第一平面中，所述第一平面被设置在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的面对的侧面表面之间并且邻近所述面对的侧面表面，具有邻近所述第一端部表面的光共享部分(82)和邻近所述第二端部表面的反射性部分(84)。第二层(68)被设置在第二平面中，所述第二平面正交于所述第一平面并且被设置在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的面对的侧面表面之间并且邻近所述面对的侧面表面，具有邻近所述第二端部表面的光共享部分(88)和邻近所述第一端部表面的反射性部分(90)。

Description

具有光共享和相互作用深度估计的PET探测器闪烁体布置
技术领域
下文总体涉及核医学的医学成像。本发明具体与正电子发射断层摄影(PET)探测器以及对正电子湮灭事件的定位结合应用，并将具体参考其进行描述。然而，应当理解，本发明还应用于其他使用场景，而不必限于前述应用。
背景技术
在PET成像中，利用针对代谢过程的放射性药剂来注射对象。所述放射性药剂在靶标组织中累积并随着放射性药剂的衰减而发射正电子。在湮灭事件中，正电子与电子相互作用，所述湮灭事件生成两个511keV能量的伽马光子，这两个伽马光子的方向彼此相反180°。在药剂衰减的时段期间，所述对象被放置在成像设备或扫描器中，所述成像设备或扫描器包括探测所生成的伽马光子的探测器。所述成像设备通常包括探测器环，所述探测器环围绕所述对象的长度。
所述探测器在探测器位置或像素处利用时间和能量水平来探测每个伽马光子。时间窗口和能量窗口被应用于所探测到的光子，以确定伽马光子、即来自同一湮灭事件的两个光子的符合事件对。符合事件对定义响应线(LOR)，所述响应线被用于对湮灭事件进行定位。飞行时间(TOF)PET探测器使用探测到的计时的精确度来进一步沿着LOR定位湮灭事件。
探测器通常包括三维矩形形状的闪烁晶体，所述闪烁晶体通过晶体的面对探测器环的中心的表面接收伽马光子。伽马光子与晶体内的分子相互作用，其转化所述伽马光子或闪烁以生成发光。所生成的发光或光由位于与面对中心的表面相反的晶体面上的光学传感器来感测。晶体的大小被设定为具有在面对中心的表面与面对传感器的表面之间的充足尺寸的大小，使得闪烁将在被定义为相互作用深度(DOI)的表面之间的某处发生。例如，晶体通常是长的、矩形棒，其中，在较小的端部，面对中心的表面接收伽马光子，并且其中，在相反的较小的端部，表面被耦合到一个或多个光学传感器，所述一个或多个光学传感器将感测到的发光转化为测量所接收到的伽马光子的能量值和时间值。闪烁或DOI是根据沿着面对中心的表面与面对所耦合的光学传感器的表面之间的深度或长度的分布而发生的，其随晶体而变化。系统通常针对LOR的每个端点使用闪烁晶体的面对中心的表面与面对所耦合的光学传感器表面之间的固定中心点，其向LOR中引入误差，诸如视差。
发明内容
一种用于估计DOI的方法，包括：侧面对侧面(side by side)晶体对布置，其具有在包括光共享的每个邻近晶体之间的表面的部分，以及不透明并且形状为等腰三角形的剩余部分，所述等腰三角形具有在共享面的传感器端部处的底以及朝向晶体的面对中心的表面延伸的顶点。在闪烁晶体闪烁时，根据探测到的事件的相互作用深度的成对的晶体共享光。每个晶体与测量光输出的光学传感器光学地耦合。DOI被估计为从闪烁晶体感测到的光的量与针对两个晶体的光的总量的比率。
另一种方法使用较大的晶体阵列，诸如14×14，其中，邻近晶体之间的表面共享光，以在连续DOI测量中对所述晶体阵列进行侧面校准。然而，具有较宽光共享的较大阵列影响计时分辨率。计时分辨率基于在用于确定探测时间的半峰全宽(FWHM)测量中感测到的光输出峰。在光共享增加时，峰变宽并且计时分辨率变宽，即，降低了探测到的时间的精确度。此外，利用侧面测量的连续DOI涉及更为复杂的计算，其影响系统吞吐量，并且所述侧面测量在侧面对侧面设置的探测器环中是困难的，如果不是不可能的话。
下文公开了一种具有光共享和相互作用深度的估计的新的、经改进的PET探测器闪烁体布置，其解决了上述问题和其他问题。
根据一个方面，一种光子探测器，包括：被设置在一平面中的光学传感器的传感器阵列；以及四个实质上相同的闪烁晶体棒。每个光学传感器被配置为感测发光。四个闪烁体晶体棒中的每个是具有四个侧面表面以及第一端部表面和第二端部表面的矩形棱镜，每个闪烁棒具有这样的两个侧面表面：所述两个侧面表面中的每个面对另一闪烁棒的侧面表面，并且每个闪烁晶体棒响应于与接收到的伽马光子进行相互作用而生成光闪烁。第一层被设置在第一平面中，所述第一平面被设置在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的面对的侧面表面之间并且邻近所述面对的侧面表面，具有邻近所述第一端部表面的光共享部分和邻近所述第二端部表面的反射性部分。第二层被设置在第二平面中，所述第二平面正交于所述第一平面并且被设置在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的面对的侧面表面之间并且邻近所述面对的侧面表面，具有邻近所述第二端部表面的光共享部分和邻近所述第一端部表面的反射性部分。
根据另一方面，一种探测光子的方法，包括：根据闪烁体阵列中四个实质上相同的闪烁晶体棒中的一个中的一深度处探测到的事件来闪烁光子。四个闪烁体晶体棒中的每个是具有四个侧面表面以及第一端部表面和第二端部表面的矩形棱镜。每个闪烁棒具有这样的两个侧面表面：所述两个侧面表面中的每个面对另一闪烁棒的侧面表面。每个闪烁晶体棒响应于与接收到的伽马光子相互作用而生成光闪烁。所述闪烁体阵列包括：第一层，其被设置在第一平面中，所述第一平面被设置在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的面对的侧面表面之间并且邻近所述面对的侧面表面，具有邻近所述第一端部表面的光共享部分和邻近所述第二端部表面的反射性部分；以及第二层，其被设置在第二平面中，所述第二平面正交于所述第一平面并且被设置在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的面对的侧面表面之间并且邻近所述面对的侧面表面，具有邻近所述第二端部表面的光共享部分和邻近所述第一端部表面的反射性部分。由被设置在一平面中的光学传感器的传感器阵列，基于所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中彼此成对角线并且面对四个实质上相同的闪烁晶体棒中的一个的两个实质上相同的闪烁晶体棒的感测到的发光的比率，来估计在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的所述一个中的伽马光子闪烁的深度。每个光学传感器被配置为感测发光。
根据另一方面，一种伽马光子探测系统，包括：伽马光子探测器，其被设置在成像区域附近，所述成像区域被配置为接收要被成像的对象；以及一个或多个处理器。每个探测器包括四个闪烁晶体，所述四个闪烁晶体中的每个与两个邻近闪烁晶体部分地光学耦合。每个闪烁晶体与所述两个邻近的闪烁晶体中的一个光学地耦合以使邻近的光优先通过入口端并且与所述两个邻近的闪烁晶体中的另一个耦合，从而使邻近的光优先通过光学传感器端部，所述闪烁晶体响应于与伽马光子进行相互作用而闪烁光，并且光学传感器与所述闪烁晶体的光学传感器端部光学地耦合。所述一个或多个处理器与所述光学传感器连接，所述光学传感器被配置为根据来自所述光学传感器的输出信号的比率来确定所述闪烁晶体中的一深度，在所述深度处发生与所述伽马光子的相互作用，所述光学传感器与所述两个闪烁晶体光学地耦合，所述两个闪烁晶体被部分地光学耦合到所述闪烁晶体。
一个优点在于用于在探测器环中使用的具有DOI估计的探测器晶体布置。
另一优点在于具有优良的计时分辨率的探测器晶体布置。
另一优点在于优良的空间分辨率。
另一优点在于对DOI的简化的计算。
本领域技术人员在阅读和理解下文的详细说明之后将意识到进一步的优点。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件布置以及各个步骤和步骤安排的形式。附图仅是出于图示优选实施例的目的，而不应当被解释为限制本发明。
图1示意性图示了具有光共享和相互作用深度估计系统的光子探测器闪烁体布置的实施例。
图2A和2B示意性图示了具有光共享和侧面校准的光子探测器闪烁体布置的实施例。
图3A和3B示意性图示了光子探测器闪烁体布置和传感器耦合的各种实施例。
图4A和4B图示了示范性光子探测器闪烁体布置以及具有前方校准的光共享分布。
图5图示了具有光共享校准图的示范性光子探测器闪烁体布置。
图6图示了具有光共享分布和相互作用深度校准图的示范性光子探测器闪烁体布置。
图7以流程图示出了构建具有光共享和相互作用深度估计的光子探测器闪烁体布置的实施例的一种方法。
图8以流程图示出了对具有光共享和相互作用深度估计的光子探测器闪烁体布置进行侧面校准的实施例的一种方法。
图9以流程图示出了正在使用的对具有光共享和相互作用深度估计的光子探测器闪烁体布置进行校准的实施例的一种方法。
图10以流程图示出了使用具有光共享和相互作用深度估计的光子探测器闪烁体布置的实施例的一种方法。
具体实施方式
参考图1，图解性图示了具有光共享和相互作用深度估计的系统10的光子探测器闪烁体布置的实施例。系统10包括正电子发射断层摄影扫描器或成像设备12，其包括一个或多个探测器环14，所述一个或多个探测器环14环绕成像区域16，在使探测器环14暴露的透视图中示出了所述成像区域。成像区域16接收在对象支撑体18上支撑的对象，并且被注射有放射性药剂的所述对象发射由探测器环14接收的伽马光子。
每个探测器环14包括被布置为环绕成像区域16的探测器瓦片(tile)20。每个探测器瓦片20包括在分解的面对中心的视图中示出的片块(die)22的二维布置。每个片块22包括在进一步的分解透视视图中所示出的四个实质上相同的闪烁体晶体棒26的闪烁体阵列24，诸如LYSO(氧-正硅酸钇镥)、氧-正硅酸镥(LSO)、氧-正硅酸钆镥(LGSO)、氧-正硅酸钇钆镥(LGYSO)、溴化镧(LaBr)、或锗酸铋(BGO)。每个实质上相同的闪烁体晶体棒26对应于一个像素或探测器位置。
四个实质上相同的闪烁体晶体棒26的闪烁体阵列24被耦合到光学传感器30的传感器阵列28，诸如数字传感器或模拟传感器，例如，硅光电倍增管(SiPM)、雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)等。在一个实施例中，每个实质上相同的闪烁晶体棒26被耦合到一个光学传感器30，即，一对一的对应关系。光学传感器30的传感器阵列28被设置在一平面中。在另一实施例中，一个实质上相同的闪烁晶体棒26被耦合到四个光学传感器30。每个光学传感器30生成指示所感测到的发光独立地通过分立的输入部32到信号处理单元34的信号。每个片块20的光学传感器30连接到信号处理单元34的时间-数字转换器(TDC)36。
所述信号处理单元、处理器、电路、或器件34接收来自光学传感器30的信号并生成针对每个探测到的事件或光子闪烁的总能量值、时间值、包括像素或探测器位置的位置指示符。所述能量值和所述位置指示符对应于四个实质上相同的闪烁体晶体棒26中的一个。所述位置指示符包括针对每个事件的相互作用深度的估计。总能量值是被转换为来自四个实质上相同的闪烁体晶体棒26的闪烁体阵列24的能量值的所感测到的发光的加和。TDC 36生成由实质上相同的闪烁体晶体棒26中的一个的、针对每个闪烁光子或探测到的事件的时间值，即时间戳。四个光学传感器30的输出能够是或运算(ORed)，使得每个事件生成单个时间戳，指示来自四个光学传感器的第一输出的时间。
信号处理单元34基于来自四个实质上相同的闪烁体晶体棒26中的另外两个的所感测到的发光的比率来估计相互作用或闪烁的深度，所述四个实质上相同的闪烁体晶体棒26中的所述另外两个相对于彼此成对角线并且面对所述闪烁晶体。信号处理单元34使用被存储在计算机存储器中的查找表(LUT)38，所述查找表38将针对每个实质上相同的闪烁体晶体棒26的感测到的发光的校准的比率关联到相互作用深度的对应离散值。所计算的比率和LUT 38的使用提供了对所感测到的发光到相互作用深度的估计的快速且有效的转换。
LUT 38由DOI校准单元、处理器、装置、或器件40来构建和/或修正。DOI校准单元40包括电子准直的单能量(511keV)辐射射束42，诸如钠-22点源。在探测器瓦片20的制造期间，在不同深度处利用电子准直的辐射射束42对被设置在闪烁体阵列24中的每个实质上相同的闪烁体晶体棒26进行侧面校准。DOI校准单元40使用来自两个对角线晶体的感测到的发光的比率，所述两个对角线晶体接收来自所述闪烁晶体的、在一校准深度处的共享光或共享发光，所述校准深度由从闪烁晶体的侧面处的源指向的辐射射束42的射束来确定。DOI校准单元40输入校准的辐射射束深度以及校准的比率的分布，并且构建LUT 38，所述LUT38包括校准的比率的离散值以及对应的相互作用深度。在制造之后，光学地隔离闪烁体阵列24的片块20使侧面校准复杂化，因为内部晶体被外部晶体所屏蔽。在制造之后，DOI校准单元40使用前方校准来验证和/或修正LUT 38。例如，指向闪烁晶体的面对前方的表面的辐射射束利用深度的分布以及闪烁晶体与对角线晶体之间的光共享的对应分布来生成所感测到的发光的比率。比率的前方校准分布能够与由LUT 38以及经验证和/或经修正的LUT所表示的分布进行比较。
信号处理单元34将总能量值、时间值、和具有相互作用深度的估计的位置指示符存储在诸如计算机存储器的列表模式数据存储44中。亦即，针对每个事件，存储接收到伽马光子的闪烁体的位置(其是根据第一传感器来确定的以感测光)、由光学传感器30中的任意光学传感器做出的第一探测光的时间值或时间戳、来自闪烁体阵列24的所有耦合的光学传感器(其能够用于筛查有效的辐射光子)的总能量(光的量)、以及DOI。LUT 38的计算机存储器和列表模式数据44由非瞬态计算机存储介质来适当地实施，所述非瞬态计算机存储介质诸如是固态存储设备、磁盘存储设备、本地存储设备、云存储设备、服务器存储设备等。
重建单元、处理器或器件46接收列表模式数据44并且重建一幅或多幅图像，所述一幅或多幅图像被显示在计算设备50的显示设备48上，所述计算设备50诸如是工作站、台式计算机、膝上型电脑、平板电脑、移动计算设备、网络连接的分布式计算设备等。除了正常的图像重建处理之外，重建单元46还基于DOI来调节每条LOR的端点和/或针对所述端点的时间值。计算设备50包括诸如电子数据处理器、光学处理器等的数据处理器52以及诸如鼠标、键盘、触摸屏、麦克风等的一个或多个输入设备54。信号处理单元34、DOI校准单元40和重建单元46的处理器能够包括非瞬态存储介质，所述非瞬态存储介质存储能由数据处理器52读取并且能由数据处理器52执行的指令(例如，软件)。
参考图2A，以透明透视视图示出了具有光共享的光子探测器闪烁体布置的实施例。在图2A中，四个实质上相同的闪烁体晶体棒26的闪烁体阵列24被取向为使所述四个实质上相同的闪烁体晶体棒26中的一个60在左前方。四个实质上相同的闪烁体晶体棒26中的每个包括第一侧面表面62和正交于第一侧面表面62的第二侧面表面64，以及正交于第一侧面表面62和第二侧面表面64并且被光学地耦合到光学传感器30的阵列28的传感器端部表面66。第一侧面表面62和第二侧面表面64平行于并且面对四个实质上相同的闪烁体晶体棒26中的另外两个68、70，即，2×2闪烁体阵列。第三侧面表面72与第二侧面表面64相对，并且第四侧面表面74与第一侧面表面62相对。入口端部表面76或者面对中心的表面与传感器端部表面66相对，并且接收在入口端部表面76与传感器端部表面66之间的一深度处闪烁的伽马光子。利用传感器端部表面66、76之间的长轴来设定四个实质上相同的闪烁体晶体棒26中的每个的尺寸。例如，对于4×4×22mm的晶体，所述端部表面被取向为具有4×4个表面并且在它们之间为22mm。
四个实质上相同的闪烁体晶体棒26中的闪烁体阵列24包括第一层80，所述第一层80被设置在一平面中，所述平面被定位在具有邻近并正交于传感器端部表面66的光共享部分82以及剩余反射性部分84的面对侧面的表面之间并且邻近所述面对侧面的表面。第二层86被设置相对于第一层80的正交平面中，并且被定位在具有邻近并正交于入口端部表面78的光共享部分88和剩余反射性部分90的面对侧面的表面之间并且邻近所述面对侧面的表面。在一个实施例中，第一层80的光共享部分82和/或第二层86的光共享部分88在实质上相同的闪烁体晶体棒26的各对之间进行重复。在另一实施例中，第一层80的光共享部分82和第二层86的光共享部分88是不对称和/或不同的。
在侧面校准期间，第三侧面表面72和第四侧面表面74被暴露于指向一个晶体60的中心线的经准直的单能量光子射束。所述单能量光子射束可以通过与光探测器92的符合而被电子地准直。在一个晶体60中，两个其他晶体68、70通过光共享部分82、88共享光，并且由两个其他晶体68、70的对应光学传感器30来感测光。
参考图2B，在闪烁体阵列24的一半的分解视图中图示了具有光共享的光子探测器闪烁体布置的实施例。在左侧示出的实质上相同的闪烁体晶体棒26包括在第一侧面表面62上的第一层80，所述第一侧面表面62被分成三个节段。光共享部分82被取向为朝向传感器端部表面66。
第一节段100是光共享的，并且包括从传感器端部表面66从边缘到边缘102并且延伸诸如2.0mm的长度的矩形区域。第二节段104是部分光共享的，并且包括反射区，例如反射性膜，其形状被设定为等腰三角形，所述等腰三角形具有朝向第一节段100延伸的、高度为诸如6.0mm的顶点以及边缘到边缘并且朝向第三节段106延伸的底104。所述反射区域在两个侧面上是反射性的。在第二节段104中的剩余区域(例如，等腰三角形的任一侧上的直角三角形)是光共享区域。在其他实施例中，针对第二节段104的反射区设想到了不同的几何形状，诸如半圆或半椭圆、半多边形、梯形等。第三节段106包括矩形反射区域，所述矩形反射区域从等腰三角形的底到入口端部表面76从边到边102并且延伸诸如14mm的长度。
在右侧示出的实质上相同的闪烁体晶体棒26包括在第二侧面表面62上的第二层86并且被分成三个节段。光共享部分88被取向为朝向入口端部表面76。
第一节段108是反射性的，并且包括从传感器端部表面66从边缘到边缘110并且延伸诸如14.0mm的长度的矩形区域。第二节段112包括反射区域，例如，反射性膜，其形状被设定为等腰三角形，所述等腰三角形具有从第一节段108延伸的边缘到边缘的底110，以及朝向第三节段114延伸的高度诸如为6.0mm的顶点。所述反射区域在两个侧面上是反射性的。在第二节段112中的剩余的区域，例如，在等腰三角形的任一侧上的直角三角形是光共享区域。在其他实施例中，针对第二节段112的反射区域设想到了不同的几何形状，诸如半圆或半椭圆、半多边形、梯形等。第三节段114包括矩形反射区域，所述矩形反射区从等腰三角形的顶点到入口端部表面76从边缘到边缘并且延伸诸如14mm的长度。在其他实施例中，第一侧面表面62的第一节段100的长度和第二侧面表面62的第三节段114的长度是不同的。在其他实施例中，第一侧面表面62的第二节段104的等腰三角形的高度、或者其他几何形状的尺度和/或几何形状与在第二侧面表面64的第二节段112中采用的等腰三角形的高度、另一几何形状的尺度和/或几何形状不同。
参考图3A，在具有一个片块122的光学传感器30的分解二维视图122的透视图中图示了在数字光子计数探测器瓦片120中耦合的光子探测器闪烁体布置和传感器的实施例。数字光子计数探测器片块120被示为具有暴露的传感器阵列28并且具有在实质上相同的闪烁体晶体棒26与光学传感器30之间一对一耦合的一个闪烁体阵列26。能够针对每个探测器片块20实施传感器阵列28。每个光学传感器30包括光电二极管的二维阵列，其生成来自一个耦合的实质上相同的闪烁体晶体棒26的感测到的发光的组合信号。所述一对一耦合提供对来自每个实质上相同的闪烁体晶体棒26的感测到的发光的简单确定。
闪烁体阵列24包括覆盖每个实质上相同的闪烁体晶体棒26的第三侧面表面72和第四侧面表面74的第三反射层124。第三反射层124将每个闪烁体阵列24与邻近的闪烁体阵列光学地隔离。限于每个闪烁体阵列24的四个实质上相同的闪烁体晶体棒26的光共享布置改善了在具有较大数量的晶体的闪烁体阵列上的计时分辨率，即，感测到的发光的较窄的信号峰值。
在分解的二维视图122中，每个光学传感器包括四个象限或四个子像素126。每个子像素126中的对应的光电二极管针对到信号处理单元34的输入被分组，其使用经分组的输入以用于触发和事件验证算法。
参考图3B，以透视图图示了在硅光电倍增管(SiPM)探测器瓦片130中耦合的光子探测器闪烁体布置和传感器的实施例。闪烁体阵列24从跨瓦片22的四对一耦合的光学传感器30偏移。较小的晶体和偏移还提供了在参考图3A所描述的一对一耦合上的感测到的发光的更细化的空间定位。
参考图4A，图示了具有前方校准的示范性光子探测器闪烁体布置和光共享，并且在图4B中图示了对应的分布图。诸如511keV伽马源的辐射源140辐照一个闪烁体晶体60的入口端部表面76或面对中心的表面。在伽马光子与晶体相互作用时，晶体发射光。所述光中的一些行进通过闪烁晶体。所述光中的一些被两个邻近的闪烁体晶体68、70共享，所述两个邻近的闪烁体晶体68、70具有邻近一个闪烁体晶体60并彼此以成对角线的面。根据在一个闪烁体晶体60中的相互作用深度和第一层80的光共享部分82和第二层86的光共享部分88来共享光。所共享的光由光学传感器30中的两个来感测，每个光学传感器被耦合到其他的两个闪烁体晶体68、70中的一个。
来自辐射源的光子以指数进行衰减(具有已知的衰减因子)，在入口表面处具有比任何其他深度处具有更多的相互作用。针对每个闪烁晶体，DOI分布曲线将是相同的。能够通过将其在统计学上显著数量的伽马光子的DOI分布拟合到已知的分布来校准每个探测器。
事件由比率进行分类并且根据在给定深度中我们将预期多少事件来进行分箱(bin)。在图4B中图解示出了在重复的闪烁上从邻近的闪烁体晶体68、70感测到的共享光的比率，其被表达为前方校准直方图150。垂直轴是闪烁或时间的数量。水平轴是从闪烁体晶体68、70感测到的共享光的比率。查找表38存储针对每个晶体的校准值，其使其DOI分布曲线与正常的DOI分布相一致。
参考图5，利用直方图150-180图示了具有光共享校准图的示范性光子探测器闪烁体布置。垂直轴表示闪烁的数量。水平轴表示从闪烁体晶体68、70感测到的共享光的比率。在前方校准中的事件被分箱到2mm的分箱中。线150是未分离的事件直方图，并且线160-180是经分离的事件直方图。在经分箱的直方图中的重叠归因于图形错误。DOI校准单元40将来自LUT 38的比率的分布与来自前方校准直方图的比率的分布进行比较，以验证和/或修正LUT 38。
在一个实施例中，由DOI校准单元40进行的校准使用最大似然估计算法。LUT 38包括均值以及基于以下公式的方差值：
其中，x是闪烁位置，m是时间信号，μ是在位置i处的均值，并且σ2是在i处的方差和对数方差的加和。
参考图6，图示了具有光共享分布和相互作用深度校准图的示范性光子探测器闪烁体布置。垂直轴表示从两个对角线闪烁体晶体68、70感测到的共享光的平均比率。水平轴表示使用辐射源140的根据入口表面校准的校准深度。该图示出了校准的比率对根据具有两个对角线闪烁体晶体68、70的光共享部分的相互作用深度之间的关系。校准的比率平均值和方差和相互作用深度在LUT 38中被表示为离散值。
参考图7，以流程图示出了一种构建具有光共享和相互作用深度的估计的光子探测器闪烁体布置的实施例的方法。在步骤190中，准备实质上相同的闪烁体晶体棒26和分层材料，例如，反射性膜，热塑性塑料，诸如MeltmountTM、TeflonTM等。清洁实质上相同的闪烁体晶体棒26。所述反射性膜被切割到如参考图2A和2B所描述的尺度。
在步骤192中形成两个1×2的阵列，其具有实质上相同的闪烁晶体棒26的对和第一层80。所述反射性膜被应用于表面并且然后被应用于热塑性塑料。所述热塑性塑料充当粘合剂。在步骤194中，核查两个1×2阵列的缺陷，诸如热塑性塑料中的气泡，其影响对之间的光共享。
在步骤196中，使用第二层86来接合两个1×2阵列。所述反射性膜被应用于表面并且然后被应用于热塑性塑料。在步骤198中，清洁2×2阵列并检查缺陷。
在步骤200中，闪烁体阵列26被缠绕在反射绕组中，所述反射绕组诸如是聚四氟乙烯(PTFE)带，即，TeflonTM、3MTM镜面膜材料等，并且被耦合到传感器阵列28。
在步骤202中，或者通过DOI校准单元，每个实质上相同的闪烁体晶体棒26是侧面或入口表面校准的。记录校准的比率和对应的深度。该步骤包括构建LUT 38。
参考图8，以流程图示出了一种利用光共享和相互作用深度估计来对光子探测器闪烁体布置进行侧面校准的实施例的方法。在步骤210中，经电子准直的辐射射束42被指向在一个晶体60的外部表面的中心，即，第三侧面表面72或第四侧面表面74的中心线，并且生成辐射射束位置(即，深度)和感测到的发光信号值。
在步骤212中或者通过DOI校准单元40，生成列表模式数据44，其记录所探测到的事件或光子。列表模式数据44包括来自每个光学传感器30的信号能量值、闪烁晶体或被校准的一个晶体60的位置、以及校准的深度。
在步骤213中，识别针对每个事件的“击中”晶体。在一步骤中或者通过模块214，应用能量窗口以过滤列表模式数据44中的事件。在合适的方法中，所述能量窗口将高斯分布拟合到由片块22的光学传感器30所生成的信号，并且处置在每个晶体中独立地发生的事件，以便解释光收集中的差异。一般而言，不同的事件能量窗口可以被用于每个晶体(即，窗口值将取决于事件发生在哪个晶体上，亦即，针对每个事件，所使用的能量窗口将取决于在步骤213中针对事件所识别的“击中”晶体)。这样的方法合适地解释改变取决于晶体/传感器耦合的光收集，例如，归因于从确切的1对1耦合的偏移。所记录的事件的所生成的信号的三个标准偏差(+3σ)被保留，例如，被过滤为所感测到的发光的信号值。在一个实施例中，来自参考光探测器92的光峰和康普顿边缘值对事件进行进一步过滤。
在一步骤中或者通过模块、处理器或电路216，应用能量窗口以过滤从列表模式数据44中的闪烁晶体感测到的发光的信号。所述能量窗口将高斯分布拟合到由具有阵列中的最大信号的传感器30所生成的信号。所生成的信号值的三个标准偏差+3σ被保留，例如，被过滤为感测到的发光的信号值，其还使在列表模式数据44中的康普顿事件最小化。
在一步骤、处理器、或者通过模块218来构建LUT 38。通过根据每个闪烁晶体的校准的深度的每个实质上相同的闪烁体棒26的经过滤的感测到的发光来计算均值和方差。根据所计算的均值来计算校准的比率。在一个实施例中，构建LUT 38还包括使用对信号值的内插、平滑化和/或车厢过滤和/或校准的相互作用深度的细化。
LUT 38能够参考个体片块22或者包括在表中的多个片块，其具有在位置识别符中包括的片块22和/或闪烁体阵列24，例如，参考多个阵列的表。
参考图9，以流程图示出了一种使用的用于利用光共享和相互作用深度估计来校准光探测器闪烁体布置的实施例的方法。在用的对光子探测器的校准能够包括邻近闪烁体阵列24，诸如被定位在探测器瓦片20中的阵列。在步骤220中，电子准直的伽马辐射源140被指向一个晶体60的入口端部表面76的中心(例如，在成像设备12的视野中的面对中心的表面)和所记录的射束位置。
在步骤222中或者通过DOI校准单元，生成列表模式数据44，其记录探测到的事件。列表模式数据44包括来自每个光学传感器30的信号能量值、以及闪烁晶体或被校准的一个晶体60的位置指示符。
在步骤223中，识别针对每个事件的“击中”晶体。在一步骤中或者通过模块224，应用能量窗口以过滤列表模式数据44中的事件。所述能量窗口将高斯分布拟合到由片块22的光学传感器30所生成的信号，即，针对所记录的事件的每个片块的加和的信号。针对在每个晶体中发生的事件再次任选独立地计算该窗口(基于在步骤223中针对事件所识别的“击中”晶体)，以便解释光收集中的差异。经所生成的信号的三个标准偏差(+3σ)应用于所生成的所记录的事件的信号，并且保留在窗口内的值，即，被过滤为所感测到的发光的信号值。
在一步骤中或者通过模块226，应用能量窗口以过滤列表模式数据44中来自闪烁晶体的所感测到的发光的信号。所述能量窗口将高斯分布拟合到从具有最大信号的光学传感器30生成的信号。针对每个晶体保留从具有闪烁晶体的所生成的信号值的三个标准偏差(+3σ)内的闪烁晶体所感测的发光的信号的事件，其进一步使列表模式数据44中的康普顿事件最小化。
在一步骤中或者通过模块227来创建初始LUT 38。在该步骤中，由相邻晶体比率来首先单调地归类来自226的经过滤的列表模式事件。然后，基于每个深度分箱中的预期数量的事件来将所归类的事件分配到深度分箱。在图5中描述了该归类和到深度分箱的分配的范例。然后，针对每个深度分箱来计算四个传感器信号的均值和方差，其集合形成初始LUT。
在一步骤中或者通过模块228来任选地修正LUT 38。在一个实施例中，对均值和方差LUT进行内插、平滑化和/或利用车厢滤波器来过滤。在另一实施例中，通过最大似然算法来迭代LUT，其基于事件DOI的最大似然估计来更新LUT的均值和方差。
LUT 38能够参考个体片块22或者包括在表中的多个片块，所述表格具有在位置识别符中的片块22和/或闪烁体阵列24，即，参考多个阵列的表。例如，在LUT中的位置识别符包括瓦片数量，瓦片中的每个像素的x、y参考坐标，以及具有对应的校准的比率的深度。
参考图10，以流程图示出了一种使用具有光共享和相互作用深度估计的光子探测器闪烁体布置的实施例的方法。在步骤230中，使用如参考图9所描述的前方校准来校准一个或多个2×2闪烁体阵列24。在步骤232中，伽马光子引起在DOI处在闪烁体阵列24中的四个实质上相同的闪烁晶体棒26中的一个中的闪烁。根据闪烁的深度，通过邻近的侧面表面的光共享部分，由两个邻近的闪烁晶体68、70共享所生成的发光。所述发光由光学传感器30来感测。在一个实施例中，光学传感器30以一对一耦合的方式与实质上相同的闪烁晶体棒26相耦合。在另一实施例中，光学传感器30以四对一的晶体/传感器耦合的方式与实质上相同的闪烁晶体棒26相耦合。
在一步骤中或者通过模块或电路234，根据闪烁体阵列24的感测到的发光来确定总能量，即，由被耦合到探测到的光子的闪烁体阵列24的光学传感器30所生成的信号的加和。在一个实施例中，所述加和使用对应于在一个闪烁体阵列24与一个光学传感器阵列28之间的耦合的值。
在一步骤中或者通过模块或电路236，由被连接到光学传感器30(其被耦合到闪烁体阵列24)的TDC 36来确定探测到的光子闪烁的时间。在一个实施例中，TDC 36连接到四个光学传感器30，所述四个光学传感器30与实质上相同的闪烁体晶体棒26一对一地耦合。
在一步骤中或者通过模块或电路238来估计相互作用的深度。通过从邻近于闪烁晶体的其他两个对角线闪烁体晶体68、70感测到的发光的比率来确定相互作用的深度。所述比率与LUT 38一起使用以估计相互作用的深度。
在一步骤中或者通过模块或电路240，所探测到的光子被记录在列表模式数据44中。所述列表模式数据包括总能量、时间、以及针对探测到的光子的位置指示符。所述位置指示符包括闪烁晶体的位置和相互作用深度估计。
应当理解，结合本文提出的具体的说明性实施例，特定结构特征和/或功能特征被描述为并入定义的元件和/或部件中。然而，预期这些特征也可以同样地被并入其他恰当的元件和/或部件中，以得到相同或类似的益处。还应当理解，可以以恰当的方式有选择地采用示范性实施例的不同方面，以获得适合所期望的应用的其他备选实施例，从而其他备选实施例实现并入其中的各方面的各自优点。
还应当理解，本文描述的具体元件或部件可以经由硬件、软件、固件或其组合来适当地实施其功能。额外地，应当理解，本文描述的一起并入的特定元件在适当的境况下可以是独立元件或以其他方式被分开。类似地，描述的由一个具体元件执行的多个具体功能可以由独立作用以执行个体功能的多个有区别的元件来执行，或者特定个体功能可以被拆分并且由协同作用的多个有区别的元件来执行。或者，本文中以其他方式描述和/或示出为彼此有区别的一些元件或部件可以在适当的情况下物理地或在功能上被组合。
简言之，已经参考优选实施例阐述了本说明书。显然，他人在阅读和理解本说明书的情况下将做出修改和替代。旨在将本发明解释为包括所有这样的修改和替代，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围之内。亦即，应当理解，各种以上公开的特征和功能以及其他特征和功能，或其备选，可以以期望方式被组合到许多其他不同的系统或应用中，并且，本领域技术人员随后也可以做出各种本文目前未预见或未预料的替代、修改、变型或改进，权利要求同样意图涵盖它们。

Claims (20)

1.一种光子探测器，包括：
被设置在一平面中的光学传感器的传感器阵列，每个光学传感器被配置为感测发光；
四个实质上相同的闪烁晶体棒，四个闪烁体晶体棒中的每个是具有四个侧面表面以及第一端部表面和第二端部表面的矩形棱镜，每个闪烁棒具有这样的两个侧面表面：所述两个侧面表面中的每个面对另一闪烁棒的侧面表面，每个闪烁晶体棒响应于与接收到的伽马光子进行相互作用而生成光闪烁；
第一层，其被设置在第一平面中，所述第一平面被设置在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的面对的侧面表面之间并且邻近所述面对的侧面表面，具有邻近所述第一端部表面的光共享部分和邻近所述第二端部表面的反射性部分；以及
第二层，其被设置在第二平面中，所述第二平面正交于所述第一平面并且被设置在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的面对的侧面表面之间并且邻近所述面对的侧面表面，具有邻近所述第二端部表面的光共享部分和邻近所述第一端部表面的反射性部分。
2.根据权利要求1所述的光子探测器，还包括：
信号处理单元，其被连接到所述传感器阵列，所述传感器阵列被配置为：基于所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中的彼此成对角线并且面对四个实质上相同的闪烁晶体棒中的一个的两个实质上相同的闪烁晶体棒的感测到的发光的比率，根据探测到的事件来估计所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中的所述一个的相互作用深度的估计。
3.根据权利要求1所述的光子探测器，还包括：
第三层，其是反射性的并且被设置为邻近于并覆盖所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的不面对其他的所述实质上相同的闪烁晶体棒中的一个的表面的侧面表面。
4.根据权利要求1所述的光子探测器，其中，所述第一层的所述反射性部分和所述第二层的所述反射性部分包括反射性膜，并且所述第一层的所述光共享部分和所述第二层的所述光共享部分将邻近的面对侧面的表面光学地耦合到彼此。
5.根据权利要求2所述的光子探测器，还包括：
查找表(LUTS)，其被配置为存储针对所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的值，所述值将感测到的发光的比率关联到所述相互作用深度的对应离散值；并且
其中，所述信号处理单元使用所存储的值来估计所述相互作用深度。
6.根据权利要求2所述的光子探测器，其中，所述信号处理单元被配置为：接收指示由所述传感器阵列感测到的发光的信号，并且基于来自所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的所述感测到的发光来确定所述探测到的事件的总能量值。
7.根据权利要求2所述的光子探测器，其中，所述信号处理单元还被配置为生成针对每个探测到的事件的总能量值、时间值、以及位置指示符，并且所述位置指示符包括所述相互作用深度的估计以及所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中的所述一个的位置。
8.根据权利要求2所述的光子探测器，还包括：
查找表(LUTS)，其被配置为针对所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中的每个存储来自所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中彼此成对角线并且面对四个实质上相同的闪烁晶体棒中的一个的另外两个实质上相同的闪烁晶体棒的感测到的发光的校准的比率以及对应的相互作用深度的估计的值，并且
其中，所述信号处理单元被配置为：通过将感测到的发光的所述比率与感测到的发光的所述校准的比率进行比较并且使用被存储在所述LUTS中的所述对应的相互作用深度的估计中的一个作为所确定的相互作用深度的估计，来确定所述相互作用深度的估计。
9.根据权利要求8所述的光子探测器，其中，感测到的发光的所述校准的比率和所述对应的相互作用深度的估计基于使用指向多个晶体深度的电子准直的辐射射束的侧面校准。
10.根据权利要求8所述的光子探测器，其中，感测到的发光的所述校准的比率和所述对应的相互作用深度的估计基于根据单调地变化的比率的入口表面校准和深度分离。
11.一种核成像系统，包括：
多个根据权利要求1所述的光子探测器；
一个或多个处理器，其被配置为：
接收来自所述光学传感器的输出，
确定闪烁的符合对，所述闪烁的符合对定义响应线(LOR)，
识别对每条LOR的端部进行识别的所述光子探测器、针对识别每条LOR的端部的所述光子探测器的每个闪烁的时间值、以及针对识别每条LOR的端部的每个光子探测器的相互作用深度，
基于DOI来调节每条LOR的端部位置，并且
使用所述LOR来执行飞行时间重建以生成图像表示；以及
显示设备，其被配置为显示所生成的图像表示。
12.一种探测光子的方法，包括：
根据在闪烁体阵列中的四个实质上相同的闪烁晶体棒的一个中的一深度处探测到的事件来闪烁光子，四个闪烁体晶体棒中的每个是具有四个侧面表面以及第一端部表面和第二端部表面的矩形棱镜，每个闪烁棒具有这样的两个侧面表面：所述两个侧面表面中的每个面对另一闪烁棒的侧面表面，每个闪烁晶体棒响应于与接收到的伽马光子进行相互作用而生成光闪烁，并且所述闪烁体阵列包括：第一层，其被设置在第一平面中，所述第一平面被设置在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的面对的侧面表面之间并且邻近所述面对的侧面表面，具有邻近所述第一端部表面的光共享部分和邻近所述第二端部表面的反射性部分；以及第二层，其被设置在第二平面中，所述第二平面正交于所述第一平面并且被设置在所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的面对的侧面表面之间并且邻近所述面对的侧面表面，具有邻近所述第二端部表面的光共享部分和邻近所述第一端部表面的反射性部分；
由被设置在一平面中的光学传感器的传感器阵列，基于所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中的彼此成对角线并且面对四个实质上相同的闪烁晶体棒中的一个的两个实质上相同的闪烁晶体棒的感测到的发光的比率，来估计所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的所述一个中的光子闪烁的深度，每个光学传感器被配置为感测发光。
13.根据权利要求12所述的探测光子的方法，还包括：
基于来自所述四个实质上相同的闪烁晶体棒的所述感测到的发光的加和来确定所述光子闪烁的总能量；并且
基于来自所述闪烁体阵列的所述感测到的发光来确定所述光子闪烁的时间。
14.根据权利要求12所述的探测光子的方法，其中，估计所述光子闪烁的所述深度使用对应于所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中的一个并且将感测到的发光的比率关联到所述光子闪烁的所述深度的估计的离散值的存储的值。
15.根据权利要求12所述的探测光子的方法，还包括：
生成针对每个探测到的事件的总能量值、时间值、以及位置指示符，并且所述位置指示符包括所述光子闪烁深度的估计以及所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中的一个的位置；并且
将所生成的总能量值、时间值、以及位置指示符存储在列表模式的非瞬态计算机存储器中。
16.根据权利要求12所述的探测光子的方法，还包括：
针对所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中的每个，将来自所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中的彼此成对角线并且面对四个实质上相同的闪烁晶体棒中的一个的两个实质上相同的闪烁晶体棒的感测到的发光的校准的比率以及对应的相互作用深度的估计的值存储在查找表中；并且
其中，估计所述光子闪烁的所述深度将感测到的发光的所述比率与感测到的发光的所述校准的比率进行比较，并且针对所述光子闪烁的所估计的深度使用来自所述查找表的所述对应的相互作用深度的估计中的一个。
17.根据权利要求16所述的探测光子的方法，还包括：
基于使用指向多个晶体深度的电子准直的辐射射束进行的侧面校准来校准感测到的发光的所述比率以及所述对应的相互作用深度的估计，所述指向多个晶体深度的电子准直的辐射射束在中心沿着与所述第一侧面表面相对的第三侧面表面和与所述第二侧面表面相对的第四侧面表面中的至少一个。
18.根据权利要求12所述的探测光子的方法，其中，光学传感器的所述阵列中的每个光学传感器包括大小被设定为与所述四个实质上相同的闪烁体晶体棒中的一个的传感器端部表面相耦合的光电二极管的阵列，并且每个光学传感器被连接到一个时间-数字转换器(TDC)，并且所述四个实质上相同的闪烁晶体棒中的每个被耦合到所述传感器阵列的四个光学传感器。
19.根据权利要求17所述的探测光子的方法，还包括：
基于使用指向所述第一侧面表面的中心的辐射的前方校准来验证感测到的发光的所述校准的比率和所述对应的光子闪烁深度的估计以生成光子闪烁深度的分布，并且对应地验证感测到的发光的比率。
20.一种伽马光子探测系统，包括：
多个伽马光子探测器，其被设置在成像区域附近，所述成像区域被配置为接收要被成像的对象，每个探测器包括：
四个闪烁晶体，所述四个闪烁晶体中的每个与两个邻近的闪烁晶体部分地光学耦合，每个闪烁晶体与所述两个邻近的闪烁晶体中的一个光学耦合以使邻近的光优先通过入口端，并且每个闪烁晶体与所述两个邻近的闪烁晶体中的另一个相耦合以使邻近的光优先通过光学传感器端部，所述闪烁晶体响应于与伽马光子的相互作用而闪烁光，以及
光学传感器，其与所述闪烁晶体的所述光学传感器端部光学耦合；以及
一个或多个处理器，其与所述光学传感器相连接，所述光学传感器被配置为根据来自所述光学传感器的输出信号的比率来确定所述闪烁晶体中的一深度，在所述深度处发生与所述伽马光子的所述相互作用，所述光学传感器与所述两个闪烁晶体光学耦合，所述两个闪烁晶体被部分地光学耦合到所述闪烁晶体。
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