CN107728188B - 一种用于射线位置和能量测量的探测器和信号读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于射线位置和能量测量的探测器和信号读出方法。探测器包括包括闪烁晶体阵列，由多片硅光电倍增管阵列纵横排列组成的光电转换器件阵列,以及高反光率介质；相邻硅光电倍增管阵列之间留有空隙，并在空隙上填充高反光率材料用以提高闪烁光的搜集效率；通过扩大硅光电倍增管之间的空隙，可以大幅度减少硅光电倍增管阵列的数量，显著降低成本。通过把一片硅光电倍增管阵列的所有输出信号并联成一个输出信号，然后进行数字化，可以大幅度减少信号通道的数量。通过把多片硅光电倍增管阵列的并联输出信号通过预处理电路进行处理，然后再进行数字化，可以进一步减少信号通道的数量。

Description

一种用于射线位置和能量测量的探测器和信号读出方法

技术领域

本发明涉及核医学影像设备领域，涉及一种用于射线位置和能量测量的探测器和信号读出方法，该方法可应用在包括PET、SPECT和伽马相机等核医学影像设备上。

背景技术

在PET、SPECT和伽马相机等核医学影像设备中，要求对伽马射线进行位置和能量测量。目前最主要的PET探测器为闪烁体探测器加上光电转换器件，射线击中闪烁体后产生闪烁荧光被光电转换器件转换为电信号，然后送到电子学系统进行处理。

常用的光电转换器件包括光电倍增管、位置灵敏型光电倍增管和硅光电倍增管。光电倍增管是一种真空管，光子击中光阴极后，通过光电效应产生光电子，光电子被光电倍增管内部的多个倍增极放大后，在阳极输出电流信号。

位置灵敏型光电倍增管可以视为光电倍增管的升级版本，具有识别光子击中光阴极的位置的能力，但是由于其价格昂贵，在需要大量使用光电转换器件的临床核医学影像设备上的应用很少。

硅光电倍增管是近年来开始流行起来的一种半导体光电转换器件，其增益接近光电倍增管。购买时可以是单个像素，也可以是NxN(N≥2)个像素组成的阵列,像素大小一般为1-6mm。硅光电倍增管阵列在功能上位置灵敏型光电倍增管非常类似，但是其信号输出方式是每个像素输出一个信号。硅光电倍增管阵列在功能上和位置灵敏型光电倍增管相似，价格则接近光电倍增管，而作为半导体器件，大批量生产时价格还有更进一步的下降空间。

从探测器设计的角度来看，可以把光电转换器件分成两类，一种是非位置灵敏功能的器件，即光电倍增管，一种是位置灵敏型光电转换器件，包括位置灵敏型光电倍增管和硅光电倍增管阵列。

基于光电倍增管的PET探测器设计可以分为两种，一种是用4个光电倍增管结合一个闪烁晶体阵列（US4743764, US5453623, US6262479B1, US7238943B2），通过4个光电倍增管上搜集到的晶体发光来计算射线击中探测器的位置；另一种是将光电倍增管按照六角形排列（US6462341B1），用7个光电倍增管搜集到的晶体发光来计算射线击中探测器的位置。

光电倍增管的信号读出方法有两种，一种是直接进行数字化，另外一种是通过ANGER电路（US3011057）进行编码处理后再进行数字化。通过ANGER电路处理，可以将一组光电倍增管的输出信号编码成E、X和Y三个模拟信号,从而达到达到降低电路规模的目的。

使用位置灵敏光电转换器件的探测器设计相对简单，由于光电转换器件自带位置灵敏功能，因此只需要把晶体和光电转换器件的灵敏区一一对应，即可识别出每一根晶体的位置（CN201220742679.8）。另一种思路（CN201410648328.4）是在晶体阵列和硅光电倍增管阵列之间加上一层光导，通过光导的辅助进行光分配，以期望能够识别比硅光电倍增管像素更小的晶体，提高分辨率。

基于硅光电倍增管的信号读出方式也有两种，一种是每个像素单独读出后进行数字化，另一种是用模拟预处理电路（CN201410648328.4）对硅光电倍增管阵列信号进行预处理，通过预处理可以把一个阵列的信号编码成最小4路模拟信号，达到降低电路规模的目的。

目前常见的人体PET的晶体数量在3万根以上，最多的可以超过10万根， 用到超过3万个硅光电倍增管像素。一般商业上可供购买的硅光电倍增管阵列为2x2、4x4或者8x8，并且以4x4为主。以32000根晶体为例，设备需要2000片4x4的硅光电倍增管阵列，经过编码之后的模拟信号通道数为8000个，电路规模十分庞大。同时，硅光电倍增管阵列虽然比光电倍增管便宜，但是由于数量极大，总的成本仍然很高。如何能够有效控制电路规模、降低设备成本仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于硅光电倍增管阵列的PET探测器，以及针对这种探测器 的硅光电倍增管阵列的信号读出方法 ，可以有效减少硅光电倍增管阵列的数量和信号通道的数量。

本发明基于一个事实，即无论是光电倍增管、位置灵敏型光电倍增管还是硅光电倍增管阵列，在电路设计上都可以被视为电流源，因此可以把一个位置灵敏型光电倍增管或者硅光电倍增管阵列的输出信号并联成一个信号，并联后的信号大小等于各个像素的信号之和。虽然并联之后的硅光电倍增管阵列失去了位置灵敏的功能，但是完全可以把它视为普通的光电倍增管来进行探测器设计。

本发明的一个特征在于提供一种用于射线位置和能量测量的探测器和信号读出方法，其射线位置和能量测量的探测器包括闪烁晶体阵列，由多片硅光电倍增管阵列纵横排列组成的光电转换器件阵列,以及高反光率材料；相邻硅光电倍增管阵列之间留有空隙，并在空隙上填充高反光率材料。

本发明的另一个特征在于针对上述射线位置和能量测量的探测器提供一种硅光电倍增管阵列的信号读出方法，把每一片硅光电倍增管阵列的所有输出信号并联成一个输出信号，然后对信号进行数字化。

本发明的另一个特征在于针对上述射线位置和能量测量的探测器提供一种硅光电倍增管阵列的信号读出方法，把一片硅光电倍增管阵列的所有输出信号并联成一个输出信号，然后对多片硅光电倍增管阵列的并联输出信号通过预处理电路进行编码，然后对编码之后的信号进行数字化。

本发明的有益之处：通过在硅光电倍增管阵列之间填充高反光率材料，扩大硅光电倍增管之间的空隙，可以减少硅光电倍增管阵列的使用量。通过将一片硅光电倍增管阵列的输出信号并联读出，然后再进行数字化，大幅度减少了信号通道的数量，减小电子学系统的规模。通过把多片硅光电倍增管阵列的并联输出信号经过预处理电路进行编码，然后对编码之后的信号进行数字化，还可以进一步减少信号通道的数量，减小电子学系统的规模。

附图说明

图1、图2是本发明的射线探测器，图1是侧视图，图2是俯视图，其中1、闪烁晶体阵列，2、高反光率材料，3-6、硅光电倍增管阵列。

图3是一种硅光电倍增管阵列信号并联电路，7、硅光电倍增管阵列上的每个像素的输出信号，8、硅光电倍增管阵列的并联输出信号。

图4是本发明的硅光电倍增管阵列读出和预处理电路，其中8、硅光电倍增管阵列的并联输出信号， 9、下拉电阻，10、能量输入电阻，11、X方向的输入电阻，12、Y方向的输入电阻，13、反馈电阻，14、放大器。

具体实施方式

图1、图2一种能够对射线位置和能量进行测量的射线探测器，包括闪烁晶体阵列1，高反光率材料2和4片硅光电倍增管阵列3-6，通过相邻4片硅光电倍增管阵列3-6上搜集到的晶体发光，可以计算出射线的能量和射线击中闪烁晶体阵列1的位置。为了减少硅光电倍增管阵列3-6的数量，可以扩大相邻硅光电倍增管阵列3-6之间的距离并间隙里填上高反光率材料2，从而可以保证光搜集效率。通过4片硅光电倍增管阵列3-6上搜集到的晶体发光,可以计算出射线的能量和射线击中晶体的位置。具体计算公式为：

（1）

（2）

（3）

其中S₃-S₆分别代表硅光电倍增管阵列3-6上搜集到的光信号。

如公式1-3所示，无论是对射线能量的计算对射线击中位置的计算，均是利用一片硅光电倍增管阵列上所搜集到的晶体发光，而不需要考虑硅光电倍增管阵列上具体某个像素搜集到的晶体发光，因此可以把一片硅光电倍增管阵列上的输出信号当做一个信号读出，而不需要把每一个像素单独读出。

从电路设计的角度来看，硅光电倍增管可以被视为电流源，多个硅光电倍增管像素的输出信号可以直接进行并联，并联信号的大小等于各个硅光电倍增管像素的输出信号之和。因此，我们可以把一片硅光电倍增管阵列的所有像素全部并联系起来，得到一个输出信号。图3是一种硅光电倍增管阵列信号并联电路，把硅光电倍增管阵列上的每个像素的输出信号7全部连接在一起，得到一个输出信号8。

对于硅光电倍增管阵列输出的信号进行处理有两种方式：一种是对每一片硅光电倍增管阵列的输出信号单独进行数字化，这样所需的数字化通道数量等于硅光电倍增管阵列的数；还有一种是通过预处理电路对多片硅光电倍增管阵列的输出信号进行预处理，然后再进行数字化，进一步压缩信号通道的数量。常用的预处理电路种类很多，包括ANGER电路、离散正比电路、十字交叉电路等，因为已经是成熟的技术，在此不一一描述。

图4是利用ANGER电路对硅光电倍增管阵列的输出信号进行预处理的示例，该电路针对一个由IxJ个硅光电倍增管阵列组成的光电转换器件阵列，I、J为大于等于2的整数。IxJ个模拟信号被送到一个包括三组加权网络的预处理电路，得到分别代表能量和位置的信号E、X和Y；每组预处理电路都包括一个下拉电阻RL 9,一个反馈电阻Rf 13，一个运算放大器14，以及IxJ个输入电阻，分别记为Re 10, Rx 11和Ry 12。IxJ个Re 3的值完全相等，而Rx 4和Ry 5的电阻值随着硅光电倍增管阵列的位置变化。通过这个电路，可以把IxJ个硅光电倍增管阵列的输出信号压缩到3个信号通道。

以一台有32000根晶体的人体PET为例，如果采用每一个硅光电倍增管像素对应一根晶体的设计方案，则需要2000片4x4的硅光电倍增管阵列；如果采用CN201410648328.4中的预处理电路，每片硅光电倍增管阵列输出4个信号，则共有8000个输出信号；如果对一片硅光电倍增管阵列的输出信号进行并联，则信号通道下降为2000路；而如果按照图3所示的预处理电路再进行处理，即便在I和J均为2的情况下，每4片硅光电倍增管阵列输出3个信号，则信号通道进一步下降到1500路。

同样针对上述32000根晶体的人体PET，如果我们采用图1的探测器设计方案，在硅光电倍增管阵列3-6之间的间隙设为等于硅光电倍增管阵列的大小，并在间隙上填上高反光率材料2，则4片硅光电倍增管阵列可以覆盖到原来9片硅光电倍增管覆盖的晶体阵列，因此电路的规模将进一步下降到原来的4/9，需要的硅光电倍增管阵列数量将从2000片下降到888片，每4片硅光电倍增管阵列输出3个信号，信号通道数下降为666路。

本发明中所提到的闪烁晶体包括但不限于BGO（ 锗酸铋），LSO（硅酸镥），LYSO（硅酸钇镥），GSO（硅酸钆），LaBr3（溴化镧）等闪烁晶体。

本发明所提到的高反光率材料包括但不限于ESR（频谱增强型反射膜），硫酸钡粉末涂层、氧化钡粉末涂层、Teflon胶带等高反光率材料，只要能够对闪烁荧光具有高反射率的材料均应在保护范围之内。

本发明所提到的硅光电倍增管阵列信号并联电路包括但不局限于图3中所示的方法，只要电路能够等效为把一片硅光电倍增管阵列上的所有像素的信号并联为一个信号，均应在保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于射线位置和能量测量的探测器的信号读出方法，其特征在于：

1)射线位置和能量测量的探测器包括闪烁晶体阵列以及光电转换器阵列，所述光电转换器阵列是由多片纵横排列的硅光电倍增管阵列以及高反光率材料组成的，相邻硅光电倍增管阵列之间留有间隙，并在间隙里填上高反光率材料；所述高反光率材料和硅光电倍增管阵列之间无空隙；

2)对于多片硅光电倍增管阵列，把每一片硅光电倍增管阵列的所有输出信号并联成一个输出信号；

3)然后对多片硅光电倍增管阵列的并联输出信号通过预处理电路进行编码，然后再对编码之后的信号进行数字化。

2.如权利要求1所述的一种用于射线位置和能量测量的探测器的信号读出方法，其特征在于：

所述闪烁晶体选自BGO(锗酸铋)，LSO(硅酸镥)，LYSO(硅酸钇镥)，GSO(硅酸钆)，LaBr3(溴化镧)的其中一种；

所述高反光率材料选自ESR(频谱增强型反射膜)，硫酸钡粉末涂层、氧化钡粉末涂层、Teflon胶带的其中一种。