CN107850677B - 用于检测伽玛辐射的康普顿相机系统和方法 - Google Patents
用于检测伽玛辐射的康普顿相机系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于检测伽玛辐射的康普顿照相机系统和方法，该系统包括：伽玛辐射源，至少一个快速闪烁体板P1，其至光峰的上升时间小于1ns，具有大于或等于5mm的厚度，配备有分段的光电检测器阵列(5)和专用的快速读取微电子装置。该系统的特征在于，当所述光子在第二点B处吸收之前在第一点A处经历康普顿散射时，通过识别与每个闪烁相互作用对应的未散射光子的圆，它能够在伽玛光子的至少两个连续的位置处测量时空坐标(X，Y，Z，T)和能量E。该系统具有用于估计有效康普顿事件的模块。检测系统具有两个闪烁体板P1和P2。
Description
技术领域
本发明涉及伽玛射线源成像。更具体地，本发明涉及一种用于检测康普顿相机类型的伽玛射线的系统，在所述光子经历康普顿偏离时，其用于重构伽玛源的图像，精确测量时空坐标及其能量。本发明进一步涉及检测系统在尤其为天文学、核工业和医药等领域中的使用。本发明进一步涉及在时间相机中康普顿效应的处理。
背景技术
目前，基于两种技术：PET(positron electron tomography，正电子电子断层扫描)和SPECT(Single-Photon Emission Computerized Tomography，单光子发射计算机化断层显像)，伽玛射线(>30KeV)源成像基本上被执行用于医学诊断目的。SPECT以闪烁扫描法为基础，并且借助于以患者为中心的伽玛相机阵列产生器官及其代谢的三维的图像和重构。SPECT可以使用伽玛射线的若干能量，但知道它们波达方向的铅准直器吸收99％以上。PET使用分段的检测器的环。对于PET，使用放射性药物正电子发射体化合物。这些产生一对511KeV的光子，由于它们在检测器的环上的同时检测，其发射可以被定位。但用于PET的放射性元素寿命短，并且因此成本高昂。
第三种技术康普顿相机目前是新兴的。正如SPECT所做的那样，这种技术产生图像而不考虑伽玛的能量，但是与SPECT相反，所有的光子都可以促成(contribute to)图像。但是现在康普顿相机的应用受到其成本、高噪声水平和难以得到精确重构的限制。
当闪烁晶体用于产生伽玛辐射源的图像时，伽玛光子/物质相互作用的概率性质被提出。基本上可以看到两种效应：首先，伽玛光子可以在其传播路径上的任意深度被吸收(相互作用深度效应)。第二效应由所有当前的成像系统(像素矩阵或闪烁(Anger)相机)组成，其基于发生最大光发射的地方是已经检测到伽玛光子的地方的前提。
由于康普顿偏离，这个前提正好是大量事件的平均。相比之下，在PET类型的扫描仪的情况下，如果单个事件的位置被重构，则位置上的误差可以是几毫米。然后所采用的解决方案是拒绝沉积的能量是不正确的那些事件。这导致拒绝大量的事件。
本发明的目的是提出一种用于处理新型检测器(相同申请人的法国专利申请号1260596和1454417中描述的“时间相机”)中的康普顿散射的方法，并描述了基于这种类型的“时间相机”检测器的康普顿相机的操作。
用于处理康普顿散射的技术迄今已享有有限的成功，因为运行康普顿相机需要至少两个局部事件在两个分开的地方中(例如在至少两个板(板1和板2)上)的精确位置，以及在每个板上的每个地方处沉积的能量的精确测量。为此，迄今为止，所有功能性的康普顿相机都是用半导体制成的。
用半导体制造的康普顿相机具有以下问题：首先，半导体晶体的阻止能力低。因此需要大于30mm的相当大的厚度来吸收在511KeV下>80％的辐射。这些晶体必须分段，每个像素被单独读取，并且这增加了系统的成本。
第二个问题包含在cm3下使晶体功能化的成本很高(约2000美元/cm3)，这限制了小型系统中的相机。
以这种方式制造的康普顿相机的另一个问题是半导体的时间响应慢，超过10ns。然而，在康普顿事件的测量期间，许多寄生事件被测量，这意味着有相当大的噪声。
因此，本发明的目的是提出一种技术解决方案，其能够在入射光子已经经历康普顿散射的情况下通过使用时间相机的原理来精确确定每个伽玛事件的坐标(X，Y，Z，T，E)。
因此，本发明提出了康普顿相机类型的检测器，其具有以下优点：
-它是一种分光仪和成像器类型的检测器，并且因此它测量伽玛光子的能量和它们的空间分布两者。
-与PET技术相比，检测器操作任何能量的伽玛光子。即使如果由于伽玛射线传播方向中的能量沉积的集中而导致能量较高，该概念操作甚至更好。
-与SPECT相比，由于缺少准直器，检测器可以使用所有入射伽玛光子。
因此，本发明的主要目的是提出一种新颖的技术，以
-在光子已经经历康普顿效应的情况下，在时间相机类型的检测器中保存每个事件的良好位置；
-在光子已经经历康普顿效应的情况下，测量在时间相机类型的检测器中的事件的能量；以及
-通过组合一个或更多个时间相机类型的检测器来产生改进的康普顿相机。
发明内容
本发明涉及一种用于检测伽玛辐射的康普顿相机类型的系统，该系统包括伽玛辐射源，至少一个快速闪烁体板P1，其至光峰的上升时间小于1ns，具有大于或等于5mm的厚度，配备有分段的光电检测器阵列和专用的快速读取微电子设备，该系统特征在于，当所述光子在第二点B处被吸收之前在第一点A处经历康普顿偏离时，通过识别与每个闪烁相互作用对应的未散射光子的圆，它能够在伽玛光子的至少两个连续的位置中测量时空坐标(X，Y，Z，T)和能量E。
根据本发明，用于检测伽玛辐射的康普顿相机类型的系统特征在于，系统包括具有大于或等于相关晶体中的伽玛射线的平均自由程的厚度的单个闪烁体板P1。
此外，用于检测伽玛辐射的康普顿相机类型的系统包括分别设置在所述闪烁体板P1的输入面和输出面上的两个光电检测器阵列。
有利地，耦合到光电检测器阵列的闪烁体板的输入面和输出面被抛光，并且所述面和光电检测器阵列之间的耦合由折射率n小于1.5的介质制成，以布置全反射角。在该情况下，实现了相同事件的双重读取，这改善了重构并降低了噪声。
此外，未耦合到光电检测器阵列的闪烁体板P1的侧面和输入面是粗糙的，并且所述面被处理为使得入射光子的吸收或光子的漫反射，有最大值。当目的是通过时间方法来测量相互作用的能量时，施加吸收剂处理。
如果没有双重读取，并且如果根据时间方法测量能量，则未耦合到光电检测器阵列的板P1的输入面被涂成黑色以限制所述面上的反射。
如果目的是通过传统方法测量能量，则未耦合到光电检测器阵列的闪烁体板P1的侧面和输入面涂覆有与板P1具有气隙的白色反射物，使得它们是反射和散射的。该类型的设置被特别地推荐用于测量<250KeV的光子能量。
要注意的是，存在用于测量入射光子的能量的两种可能的方法。时间方法只涉及未散射的光子，或10至20％的发射的光子。尤其是如果入射光子的能量>250keV，则该方法起作用。该方法要求非耦合面是散射和吸收的，例如用尽可能高的折射率的涂料涂黑，以避免通过阶跃折射率反射。
典型的方法假设所有发射的光子都被捕获。如果要检测的光子的能量<250KeV，则是优选的。该方法要求非耦合面是散射和反射的，例如涂覆有与晶体具有气隙的白色反射物。
特别地，检测系统进一步包括用于估计板P1中的有效康普顿事件的模块，所述模块能够通过识别所述板P1内的光的分布中的至少一个第一和一个第二极值来执行该估计，所述第二极值出现在当A处的光子到达时间Ta与B处的光子到达时间Tb之间的差小于板P1中光的传输时间Tt的三倍时，其中Tt＝nH/c，其中H是板的高度。
为了验证为康普顿散射，到达时间Ta-Tb之间的差必须小于晶体中光的传输时间的三倍。
根据本发明的实施例，检测系统特征在于其进一步包括第二闪烁体板P2，在于板P1比第二板P2细密(finer)，在于闪烁体板P1的厚度使得伽玛光子在所述板P1的点A处经历康普顿偏离；第二闪烁体板P2具有用于吸收伽玛辐射的至少50％的能量的厚度，所述第二板与板P1分开至少为10mm的距离‘D’，优选地大于最厚板的厚度。该系统进一步包括用于估计有效事件的模块，所述模块能够在所述第二板P2上测量小于板P1和P2之间的光的最大传输时间的时间窗口中的重合触发，用于识别有效康普顿事件。在所有情况下，该重合时间将<1ns。
优选地，通常通过经由漫反射收集在两个板中的至少一个板上发射的光子的最大值，完成能量测量。
优选地，光电检测器或分段的光电检测器阵列是与模拟ASIC相关联的模拟SI-PM类型或数字SI-PM类型，并且闪烁体板P1和P2是硅酸镥和/或镧系元素卤化物类型。
本发明进一步涉及一种用于确定已经经历在如上系统中执行的康普顿散射的伽玛光子的至少两个连续位置中的时空坐标(X，Y，Z，T)和能量E的过程。该过程包括以下步骤：
-检测由第一点A处的康普顿散射发射的未散射光子的到达时间Ta；
-通过伽玛光子的总吸收检测在第二点B处发射的未散射光子的到达时间Tb；
-确定与由点A处的伽玛辐射的康普顿偏离发射的未散射光子对应的圆CA，圆CA的直径测量Xa、Ya和Za；
-确定与由点B处的伽玛光子的总吸收发射的未散射光子对应的圆CB，圆CB的直径测量Xb、Yb和Zb；
当在A处的康普顿散射和在B处的总吸收期间发射的光子保持在A处发射的未散射光子的相同光锥中，角度αC﹤θC，其中αC是康普顿偏离，并且θC是全反射的临界角，并且圆CB包括在圆CA中时，在该第一情况下，过程进一步包括以下步骤：
-计算所述圆CA和CB的直径以测量(Xa，Ya，Za)和(Xb，Yb，Zb)；
-计数(enumeration)所述记录的圆CA和CB中的光子数；
-定义伽玛光子的能量，所述能量Ea和Eb与在所述圆CA和CB内计数的光子数成比例；或
当已经经历康普顿偏离的光子离开光锥，αC﹥θC，点A和B之间的距离大，并且圆CA和CB分开时，在该第二配置中，过程进一步包括以下步骤：
-确定首先被观测的第一事件A；
-测量在A处的所述事件的坐标(Xa，Ya，Za，Ta)及其能量Ea；
-确定第二事件B；
-测量事件的坐标(Xb，Yb，Zb，Tb)及其能量Eb；
-计算相当于能量Ea+Eb之和的伽玛光子的初始能量；
-通过重构两个相互作用的位置来确定康普顿偏离角；
-从点A的位置(Xa，Ya，Za)、点B的位置(Xb，Yb，Zb)和能量Ea和Eb推论出(deduction)点A处的伽玛光子的波达方向；或
当已经经历康普顿偏离的光子从光锥离开，αC﹥θC，点A与B之间的距离小并且圆CA和CB连接时，在该第三情况下，过程可以进一步包括以下步骤：
-通过中心A的椭圆调整光的分布，点B占据焦点中的一个，半短轴对应于圆CA的半径RA，并且半长轴对应于距离A-B+RB，其中RB是圆CB的半径；
-确定由椭圆的中心给出的点A的位置(Xa，Ya)；
-确定由椭圆的半长轴(RA)给出的A处的相互作用深度Za；
-通过校正用Za测量的时间来计算时间Ta；
-确定由椭圆的焦点给出的点B的位置(Xb，Yb)；
-确定由利用椭圆的半长轴：通过距离(A-B)+RB计算的RB给出的B处的相互作用深度Zb；
-通过校正用Zb测量的时间来计算时间Tb；
-通过在整个所述椭圆上积分光子来测量总能量Ea+Eb；
-测量椭圆中的光子的分布的重心；
-确定相互作用的初始点A或B，所述初始点是最接近重心的点；
-通过重构在A处和在B处的两个相互作用的位置来确定康普顿偏离角αC。
以另一种方式，当圆CA和CB连接并且αC﹥θC时，过程可以进一步包括以下步骤：
-通过两个圆CA和CB的组合来调整光的总体分布；
-确定在A处和在B处的相应相互作用的位置(Xa，Ya)和(Xb，Yb)，所述位置由每个圆CA和CB的中心给出；
-通过确定圆CA和CB的直径来确定相互作用深度Za和Zb；
-通过在整个所述组合上对光子积分来测量总能量Ea+Eb；
-确定两个圆的组合中光子的光的总体分布的重心；
-确定相互作用的初始点A或B，所述初始点是最接近光的总体分布的重心的点；
-通过重构在A处和在B处的两个相互作用的位置来确定康普顿偏离角αC。
本发明进一步包括检测系统在具体是天文学、核工业以及医药和检测放射性污染的工业领域中的使用。
附图说明
参考附图，本发明的其它特征、细节和优点将从以下描述中显现出来，其中：
-图1示出了根据本发明的在板P1的情况下和当已经经历角度αC的康普顿散射的光子保持在相同的光锥中(αC小于θC)时的检测系统；
-图2示出了根据本发明的在当已经经历角度αC的康普顿散射的光子离开光锥(偏离αC大于θC)时板P1的情况下的检测系统，存在两个分开的圆；
-图3示出了根据本发明的在一情况下的检测系统，在该情况下，(偏离αC大于θC)，存在两个连接的圆，光的分布由椭圆调整；
-图4示出了图3的原理，存在两个连接的圆，光的分布通过两个圆的组合来调整；
-图5示出了根据本发明的检测系统，其中板P1分别在输入面和输出面上装配有两个光电检测器阵列；
-图6示出了具有两个闪烁体板P1和P2的系统的实施例。
具体实施方式
本发明使用能够同时测量每个伽玛光子的空间位置、时间位置和能量的时间相机。在相同申请人的专利申请号1260596FR和1454417FR中教导了时间相机的原理。
在该类型的时间相机中，对于每个闪烁事件(光电效应或康普顿散射)，识别与首先检测到的未散射光子对应的圆。
未散射光子分布在其顶点是相互作用的地方(X，Y，Z，T)的锥体中，并且其开口角度是输出面上的全反射角。
当伽玛光子经历光电效应时，只有一个圆。下面的目的是表征圆的位置和直径，而不是光的分布的重心。
如果伽玛光子经历康普顿散射，然后经历光电效应，则在检测器的平面上出现几乎一致的两个圆。实验上用于验证康普顿散射是否存在的一个很好的标准是光的两个最大值的到达时间之间的差Ta-Tb必须低于光在晶体中传输时间的三倍。
在伽玛光子在点B(Xb，Yb，Zb，Tb，Eb)处被吸收之前在点A(Xa，Ya，Za，Ta，Ea)处经历康普顿偏离的情况下，将考虑以下三种情况：
图1示出了根据本发明的在第一情况下的检测系统，其中光子经历与未散射光子保持在相同光锥中的角度αC的康普顿散射。该系统包括装配有与微电子组件6相关联的光电检测器阵列5的板P1。板P1具有大于或等于10mm的厚度。在该板P1上，在第一点A处检测由康普顿散射发射的未散射光子的到达时间Ta；然后检测在第二点B处已经经历总吸收的光子的到达时间Tb；并确定与在康普顿偏离期间发射的光子对应的圆CA和与在伽玛光子的完全吸收期间发射的光子对应的圆CB。在该第一情况下，康普顿偏离角αC小于角度θC，其中θC是全反射的临界角。在该最常见的情况下，由相互作用发射的未散射光子全部保留在相同的光锥中，但是它们的分布可以具有不对称性，即对应于点A的圆CA中包括的圆CB(对应于点B)。然而，以与光电事件相同的方式，圆CA的直径测量Xa、Ya和Za。因此，圆CB的直径测量Xb、Yb和Zb。相互作用的重构测量Ta和Tb。圆CA和CB中的光子数量的计数估计沉积在点A和B处的相对能量。在处理的简化版本中，只考虑最大的圆(圆CA)。显然，康普顿效应ne不修改点A的时空坐标的测量精度。如图2所示，还考虑已经经历角度αC的康普顿散射的光子离开光锥的情况。在该情况下，偏离αC大于θC。与堆挤(pile-up)的情况相比，这给出了单独的事件，即在时间上准同时存在两个圆。这里也有两种情况：两个圆连接(距离A-B<Ra+Rb)，或者两个圆是分开的(距离A-B>Ra+Rb)。图2示出了两个圆CA和CB是分开的情况。很明显，如果Tb-Ta与距离(A-B)/C相邻，则这是康普顿散射。在该情况下，每个事件都被独立处理。检测的第一事件和/或根据几何形状，对应于沉积的最多的能量的是初始事件。初始光子的能量等于EA+EB。两点的位置测量αC。
在其中圆CA和CB连接的情况下，明显的是，如果Tb-Ta与A-B/C相邻，则这是康普顿散射。在该情况下，如图3所示，光的分布可以通过其半短轴(b)对应于第一圆RA的半径并且其半长轴(a)对应于距离A-B+RB的椭圆来调整。在该配置下，尽管存在康普顿散射，仍保留了坐标Xa、Ya和Za的估计的基本精度。点A的位置(Xa，Ya)由椭圆的中心给出。A处的相互作用深度由椭圆的半短轴给出，计算Za。然后可以通过校正用Za测量的时间来计算Ta。因此，点B的位置由椭圆的焦点(Xb，Yb)给出。B处的相互作用深度由椭圆的半长轴(A-B+RB)给出。给定A-B，找到RB，计算Zb。然后可以通过校正用Zb测量的时间来计算Tb。通过在整个所述椭圆上对光子进行积分，测量能量E。获得总能量EA+EB。计算椭圆中光子分布的重心可以找到更接近重心的相互作用的初始点A或B。
在两个圆CA和CB连接的情况下的另一种方法是通过如图4中虚线所示的两个圆的组合来调整光的分布。在该情况下，每个圆的中心各自给出在A处的相互作用的位置Xa、Ya以及在B处的相互作用的位置Xb，Yb。圆CA和CA的直径给出相互作用深度Za和Zb。通过在整个所述组合上对光子积分来测量能量。相互作用的初始点A或B是更接近光总体分布的重心的点。此外，两个相互作用的位置的重构估计康普顿偏离角αC。EB/EA比必须验证康普顿散射的规律。
图5示出了与图1相同的情况，不同之处在于板P1的输入面1和输出面3覆盖在以最大填充密度分段的光电检测器中。在该情况下，已经经历了偏离角αC的康普顿偏离的光子被光电检测器吸收。在板的每一侧都可以看到未散射的光子的圆，并且执行前面描述的完全相同的处理。但是输入面1的伽玛射线朝向输出面3的传播引起两个面之间的不对称。以某种方式，输入面1上的图像是输出面3上的图像的反转(inverse)。
覆盖光电检测器5的板P1的每一侧的优点是获得每个事件的坐标(X，Y，Z，T，E)的两个独立估计。此外，如果光子已经经历至少一个康普顿散射，则比较板的每一侧上的光的分布消除了重构中的任何不明确性。此外，用于重构的光子数量翻倍，并且这提高了每个光子的能量分辨率，因为能量分辨率随着所收集的光子的数量而增加。
上述配置的缺点是在光检测器的每个平面上使用的微电子组件的成本。事实上，在该情况下，电子设备的价格翻倍。该配置基本上在厚板上并且尤其是在单板康普顿相机的情况下是令人关注的，其中，目的是重构晶体中的伽玛光子的路径。此外，该配置不能拒绝对闪烁体无论是否固有的噪声。无论是否从源头发出，分析所有事件。
对于已知能量(PET)或已知波达方向(SPECT)的光子，可以简化事件的计数。在该相关的情况下，唯一的目的是确定光子的影响的初始点(XA，YA，ZA)，其到达时间TA和相互作用的总体能量EA+EB。在该情况下，双重读取是有利的。
显然，在所有情况下，尽管存在康普顿散射，正确地测量初始相互作用的位置是可能的。而且，有可能估计两个连续相互作用之间的矢量AB以及在每个相互作用下沉积的能量EA和EB。采用这种系统，因此可能制造带有单个闪烁体板的康普顿相机。单板系统在性能方面将不是最佳的，但是在成本和检测效率(由检测器完全吸收的高百分比的伽玛射线)方面将是非常有利的。如果康普顿相机在嘈杂的环境中使用，诸如具有强的固有辐射和高辐射率的LSO检测器板，则需要使用双板系统。事实上，两个板上的检测之间的时间重合是抵制噪声的极好方法。必须在两个板上几乎同时检测有效的康普顿事件。2个有效事件之间的延迟可能不大于板传输时间P1(c/n)+板间传输时间(c)+板传输时间P2(c/n)或时间<1ns。
在该系统的另一个实施例中，为了消除未用于检测的面(侧面和输入面，如果仅存在单个检测器阵列)上的伽玛射线的反射，后者被处理成使得入射光子的吸收在那里是最大的。事实上，如果光子被反射到这些面上，则它们可靠地(sound)检测到未散射的圆。处理所有不用于检测的面(被称为“无效果的”面)的事实，对于给定的检测到的未散射光子的速率(即检测到的光子的90％是未散射的)，将时间图像的积分时间(即，使它们从750ps达到1500ps)增加50％到100％。只有当能量是通过时间方法测量时，即对于LSO中的能量>250KeV，该模式才是可能的。未耦合到检测器阵列的面是粗糙的并被处理，以便尽可能地吸收入射辐射，以防止朝向检测器的寄生反射。
该处理必须避免在称为“无效果的”面上的反射，具体地，通过阶跃折射率。处理可以包括任何已知类型的抗反射沉积，然后是吸收材料层的沉积。它可以进一步由沉积装有吸收材料的高折射率树脂(n>1.5)构成。
如果通常由于晶体(n＝1.9)与涂料(n<1.5)之间的折射率的相当大的差别而将“无效果的”面简单地涂成黑色，则大多数光子朝向晶体内部被反射。
耦合到检测器阵列的面优选被抛光。这些面和检测器之间的耦合通过低折射率介质(n<1.5)实现以产生全反射角。
为了产生覆盖宽能谱(100KeV-2MeV)的时间相机，两个板中的至少一个板可以有利地通过传统方法(白色散射处理)来测量光子的能量。
康普顿效应的三种情况的模拟
模拟条件如下：
折射率n＝1.9厚度30mm的LaBr3：Ce晶体与具有润滑剂(n＝1.4)的光电检测器耦合。对于每个图像，指示在给定时间检测到的光子的位置：
-200ps
-700ps
-16000ps(16ns)
每个图像还显示了在每个分段的光电检测器上看到的模拟。
对于如下三种情况，康普顿散射的点A位于Z＝5mm处：
情况1(α﹤θ)，Z＝15mm处的总吸收点B。
情况2(α﹥θ)与康普顿相邻：在Z＝15mm处的总吸收点B。
情况3(α＝π/2)分离的康普顿：在Z＝5mm处的总吸收点。
在当前的光电检测器中，光子的检测经受阈值效应。如果目的是免除检测器的背景噪声(暗计数)，则需要检测1.5到2个光电子。由于积分时间Ti是短暂的，通常在2ns以下，所以在Ti期间待检测的光子的数量可以小于外围像素的阈值。积分时间由未散射光子的圆外检测到的光子数通过一定的阈值的完成时间给出。在未散射光子的角扇形中的由相互作用发射的光子的数量是恒定的。光子/像素的密度取决于圆的直径。圆的最大直径取决于晶体的厚度。因此，可以通过影响晶体闪烁体的厚度来影响光子/像素的密度。所以，检测器分段得越细密，使用薄晶体就越有利。
此外，由于相对于更好的电流电子设备的可能性，积分时间Ti(小于2ns)是短暂的，所以搜索用于对光子计数更长的装置是有利的。由未散射光子的圆盘外检测到的光子数通过一定的阈值(例如90％)的完成时间给出积分时间，该阈值的通过主要取决于在晶体的输入面1上或位于小于边缘的晶体厚度处的像素的侧面上散射的光子的数量。假定对于康普顿成像器，只有未散射的光子可以用于测量X、Y、Z、T、E，消除所有其它光子可能是有利的。
实现其的已知方式可以将侧面和输入面1(未用于检测的面)涂成黑色以吸收离开晶体的所有光子。但是考虑到涂料的折射率(通常是1.5)小于1.8到1.9的晶体折射率，所以大部分光子都通过阶跃折射率反射，并且将破坏信号。因此，实施本发明的一个更有利的方式是要找到其折射率接近于闪烁体的折射率的黑色产物，或者通过在晶体的侧面和输入面1上的任何已知装置执行抗反射处理，然后将黑色吸收剂沉积应用到该抗反射处理。
产生该结果的另一种方式可以是在晶体的这些面上沉积高折射率“n”的树脂(n>1.5)，优选n大于1.7，其中装有吸收剂颗粒。
该处理具有以下优点：显著减少在未散射光子的光锥外检测到的光子数增加一时间，在该时间期间，第一光子可被计数用于定义圆的位置。
该系统还大幅地限制边缘效应，并因此利用整个检测器进行成像。
该抗反射处理可以通过干涉层、光子晶体或通过纳米结构化获得的折射率的渐进适应来执行，诸如在2014年3月13日提交的题为“用于优化闪烁体晶体中光子收集的结构化以及相关技术方案(Structuration for optimizing the collection of photons inthe scintillator crystals and associated technological solutions)”的欧洲专利申请No.14305365.0中公开的。
图6示出了根据本发明的系统的第二实施例，其包括两个闪烁体板P1和P2，光电检测器阵列5和相关联的电子设备(未示出)，所述阵列被粘附到每个板P1和P2。板P1比板P2更细。在该板P1上，目的是在坐标(Xa，Ya，Za，Ta，Ea)的第一个点A处获得康普顿散射。第二板P2比板P1厚。所述第二板P2的厚度在坐标(Xb，Yb，Zb，Tb，Eb)的点B处吸收伽玛射线的能量的至少50％。第二板P2与板P1分开至少10mm，优选30mm的距离“D”。该系统包括用于估计有效的康普顿事件的模块。所述模块能够在第二板P2上测量小于1ns的时间窗中的重合触发Tb，用于识别有效的康普顿事件。
令D'为康普顿相机的两个板之间的距离，EP1是第一板的厚度，EP2是第二板的厚度。垂直于检测器的光子的最大传输时间是：
时间Tmax＝EP1*(n/c)+D'/c+EP2*(n/c)。为了简化，在倾斜传播的情况下，考虑T<1.5Tmax。
因此在两个板上检测到的康普顿事件的检测时间将验证：D'/c<TB-TA<1.5Tmax。在针对511KeV(EP1＝10mm，D'＝30mm，EP2＝30mm)进行优化的LaBr3系统的情况下。这会给出：100ps<TB-TA<380ps。
该非常严格的时间条件拒绝所有那些不是严格的康普顿散射的事件。这种精确的时间加窗是可能的，其中，电子设备被开发用于时间相机且用于数字Si-PM型的检测器。
在(康普顿外)这种短的时间内有两个重合事件的概率非常低。因此，该加窗使得能够大大降低检测器的噪声。
因此，显而易见的是，本发明使得能够制造两种类型的康普顿相机：1)具有适度但紧凑的精度和灵敏度以及适度的成本的单板相机。2)高灵敏度的多板相机，其由于由时间加窗进行的噪声抑制而是高灵敏度的，由于伽玛光子路径的更好的角度定义而是更精确的，但体积更庞大，且更昂贵。
清楚的是，在根据本发明的由单个板P1或两个板P1和P2构成的检测系统中，在光子已经经历康普顿效应的事件中，在检测器中保持每个事件的良好位置，并且在光子已经经历康普顿效应的事件中，也可以精确地测量时间相机类型的检测器中的事件的能量。
此外，可以通过组合时间相机类型的一个或更多个检测器来制造改进的康普顿相机。
根据本发明的系统的另一个关注是其具体在医药和天文学领域的使用。根据本发明的检测系统也可以在工业中用于检测放射性污染。
在不脱离本发明的范围的情况下，许多组合是可能的；本领域技术人员将根据要遵守的经济、人体工程学、尺寸或其它限制来选择一个或另一个。
Claims (13)
1.一种用于检测伽玛辐射的康普顿相机类型的检测系统，所述系统包括：
伽玛辐射源，
闪烁晶体的至少一个闪烁体板，该板在暴露于所述伽玛辐射源时发射由光子组成的光，其至光峰的上升时间短于1ns，并且具有大于或等于5mm的厚度，该厚度也称为高度，
用于所述光子的检测的分段的光电检测器阵列，和
专用的快速读取微电子设备，用于在所述检测时读取所述分段的光电检测器阵列发射的信号，
其中所述系统被配置用于以小于所述至光峰的上升时间的时间分辨率测量所述检测的时间，并且基于其检测的时间在未散射光子和散射光子之间在检测的光子中执行辨别，
其中所述系统被进一步配置用于：
当所述光子在第一点A处经历康普顿散射随后在第二点B处被吸收时，通过根据所述辨别，识别与每个闪烁相互作用A和B对应的未散射光子的圆，在伽玛光子的至少两个连续的位置中测量时空坐标(X，Y，Z，T)和能量E，
通过选择具有低于预定阈值的所述闪烁相互作用A和B之间的延迟的若干对检测，识别康普顿散射事件，从而允许在所述至少一个闪烁体板内重构康普顿路径，
其中通过选择以低于所述预定阈值的延迟隔开的相互作用A和B来识别康普顿散射事件是通过所述系统的模块识别所述至少一个闪烁体板内的光的分布中的至少一个第一和第二极值来执行的，
所述第二极值出现在当A处的光子到达时间Ta与B处的光子到达时间Tb之间的差小于所述预定阈值时，
其中在所述系统包括单个闪烁体板(P1)时，所述预定阈值对应于所述板中所述光的传输时间Tt的三倍，其中Tt＝nH/c，其中H是所述板的所述高度，n是介质折射率并且c是光速，或
在所述系统包括两个不同的闪烁体板(P1,P2)时，所述预定阈值对应于第二闪烁体板和第一闪烁体板之间的光的最大传输时间。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述至少一个闪烁体板是单个闪烁体板，其具有大于或等于所述源发射的，所述闪烁晶体内的伽玛辐射的平均自由程的厚度或高度，并且其中针对在所述单个闪烁体板内的康普顿散射事件执行所述康普顿散射事件的识别。
3.根据权利要求2所述的检测系统，所述系统进一步包括各自分别设置在所述单个闪烁体板的输入面和输出面上的两个光电检测器阵列，以改善在所述单个闪烁体板中所述康普顿路径的重构的精度。
4.根据权利要求3所述的检测系统，其中所述单个闪烁体板的所述输入面和所述输出面被抛光，并且由折射率n小于1.5的介质耦合到所述光电检测器阵列，以布置全反射角。
5.根据权利要求2所述的检测系统，其中，所述单个闪烁体板包括侧面和输入面，其未耦合到光电检测器阵列并且是粗糙的或者被处理为使得入射光子的所述吸收或光子的漫反射被限制。
6.根据权利要求5所述的检测系统，其中未耦合到光电检测器阵列的所述单个闪烁体板的所述输入面被涂成黑色以限制所述输入面上的反射。
7.根据权利要求5所述的检测系统，其中，未耦合到光电检测器阵列的所述单个闪烁体板的侧面和输入面涂覆有白色反射物，其中这个白色反射物与所述单个闪烁体板之间具有气隙。
8.根据权利要求1所述的检测系统，其中：在所述检测系统包括两个闪烁体板时，第二闪烁体板具有比第一闪烁体板的厚度薄的厚度，并且设置在所述伽玛辐射源和所述第一闪烁体板之间使得所述源发射的所述伽玛辐射在所述第二闪烁体板中的点A处经历康普顿散射，而所述第一闪烁体板具有用于吸收所述伽玛辐射的至少50％的所述能量的厚度，所述第二闪烁体板与所述第一闪烁体板分开至少10mm的距离‘D’，大于最厚板的厚度，
所述通过选择以低于所述预定阈值的延迟隔开的相互作用A和B来识别康普顿散射事件是通过用于估计有效康普顿散射事件的模块在小于所述预定阈值的时间窗口中测量所述第二闪烁体板和所述第一闪烁体板之间的重合触发来执行的，所述时间窗口对应于所述第一闪烁体板和所述第二闪烁体板之间的光的最大传输时间。
9.根据权利要求8所述的检测系统，其中，常规通过经由漫反射收集在所述两个闪烁体板中的至少一个闪烁体板上发射的光子的最大值，完成所述能量的测量。
10.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述分段的光电检测器阵列是与模拟ASIC相关联的模拟SI-PM类型或数字SI-PM类型。
11.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述闪烁体板是硅酸镥和/或镧系元素卤化物类型。
12.一种用于确定已经经历在根据权利要求1或2所述的系统中执行的康普顿散射的伽玛光子的至少两个连续位置中的时空坐标(X，Y，Z，T)和能量E的过程，包括以下步骤：
-检测由第一点A处的所述康普顿散射发射的所述未散射光子的到达时间Ta；
-通过所述伽玛光子的总吸收检测在第二点B处发射的所述未散射光子的到达时间Tb；
-确定与由点A处的所述伽玛辐射的所述康普顿散射发射的所述未散射光子对应的圆CA，所述圆CA的直径测量Xa、Ya和Za；
-确定与由点B处的所述伽玛光子的所述总吸收发射的所述未散射光子对应的圆CB，所述圆CB的直径测量Xb、Yb和Zb；
其中，当在A处的所述康普顿散射和在B处的所述总吸收期间发射的所述光子保持在A处发射的所述未散射光子的相同光锥中，角度αC﹤θC，其中αC是所述康普顿散射，并且θC是全反射的临界角，并且所述圆CB包括在所述圆CA中时，
所述过程进一步包括以下步骤：
-计算所述圆CA和CB的所述直径以测量(Xa，Ya，Za)和(Xb，Yb，Zb)；
-计数所述圆CA和CB中的光子数；
-定义伽玛光子的所述能量，所述能量Ea和Eb与在所述圆CA和CB内计数的光子数成比例；或
当已经经历康普顿散射的所述光子离开所述光锥，αC﹥θC，所述点A和B之间的距离大并且所述圆CA和CB彼此不同时，
所述过程进一步包括：
-确定对应于最强能量的第一事件A；
-测量所述事件A的坐标(Xa，Ya，Za，Ta)及其能量Ea；
-确定对应于最低能量的第二事件B；
-测量所述事件B的坐标(Xb，Yb，Zb，Tb)及其能量Eb；
-测量相当于所述能量Ea+Eb之和的所述伽玛光子的初始能量；
-通过重构所述两个相互作用的所述位置来确定康普顿偏离角；
-从所述点A的所述位置(Xa，Ya，Za)、所述点B的所述位置(Xb，Yb，Zb)和所述能量Ea和Eb推论出所述伽玛光子的波达方向；或
当已经经历康普顿散射的所述光子离开所述光锥，αC﹥θC，所述点A与B之间的所述距离小并且所述圆CA和CB连接时，所述过程能够包括以下步骤：
-通过中心A的椭圆调整光的分布，所述点B占据焦点中的一个，半短轴对应于所述圆CA的半径RA，并且半长轴对应于距离A-B+RB，其中RB是所述圆CB的半径；
-确定由所述椭圆的所述中心给出的所述点A的所述坐标(Xa，Ya)；
-确定由所述椭圆的所述半短轴给出的A处的相互作用深度Za，所述半短轴对应于所述半径RA；
-通过用Za校正事件A的所测量的坐标来计算所述到达时间Ta；
-确定由所述椭圆的所述焦点给出的所述点B的所述坐标(Xb，Yb)；
-确定由RB给出的B处的相互作用深度Zb，RB是从所述椭圆的所述半长轴通过距离(A-B)+RB计算的；
-通过用Zb校正事件B的测量的坐标来计算所述到达时间Tb；
-通过在整个所述椭圆上积分所述光子来测量总能量Ea+Eb；
-测量所述椭圆中的所述光子的所述分布的重心；
-确定相互作用A或B的初始点，所述初始点是最接近所述重心的点；
-通过重构在A和B处的两个相互作用的所述位置来确定所述康普顿偏离角αC。
13.根据权利要求12所述的过程，其中，当所述圆CA和CB连接并且αC﹥θC时，所述过程进一步包括以下步骤：
-通过两个圆CA和CB的组合来调整光子的总体分布；
-分别确定在A处和在B处的相互作用的所述坐标(Xa，Ya)和(Xb，Yb)，所述位置由每个圆CA和CB的中心给出；
-通过确定所述圆CA和CB的所述直径来确定所述相互作用深度Za和Zb；
-通过在整个所述组合上积分所述光子来测量所述总能量Ea+Eb；
-确定两个圆的所述组合中所述光子的所述总体分布的所述重心；
-确定相互作用A或B的初始点，所述初始点是最接近光的所述总体分布的所述重心的点；
-通过重构在A处和在B处的所述两个相互作用的所述位置来确定所述康普顿偏离角αC。
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