CN109188501B - 一种基于闪烁光纤的pet成像系统检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子发射成像技术领域，并具体公开了一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器。所述检测器包括多个检测器模块，多个检测器模块依次连接形成横截面为多边形的结构，检测器模块包括闪烁光纤模块、光传感器模块，闪烁光纤模块由多个呈阵列排布的闪烁光纤构成，且闪烁光纤的截面直径D≤0.1mm，光传感器模块设于所述闪烁光纤模块的外端，光传感器模块包括多个光传感器且每个传感器对应多个闪烁光纤，用于接收和检测可见光子的能量信号和传导时间。本发明闪烁光纤的截面直径D≤0.1mm，且每个传感器对应多个闪烁光纤，能够更精确标记化合物的空间位置，从而使得PET成像系统检测器具备高效率和高灵敏度，成像的分辨率高。
Description
技术领域
本发明属于电子发射成像技术领域，更具体地，涉及一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器。
背景技术
PET全称为正电子发射计算机断层显像(positron emission tomography PET)，是反映病变的基因、分子、代谢及功能状态的显像设备。它是利用正电子核素标记葡萄糖等人体代谢物作为显像剂，通过病灶对显像剂的摄取来反映其代谢变化，从而为临床提供疾病的生物代谢信息。PET采用正电子核素作为示踪剂，通过病灶部位对示踪剂的摄取了解病灶功能代谢状态，可以宏观的显示全身各脏器功能，代谢等病理生理特征，更容易发现病灶。CT可以精确定位病灶及显示病灶细微结构变化；PET/CT融合图像可以全面发现病灶，精确定位及判断病灶良恶性。发射成像设备已经较多被用于科学实验以及医疗诊断当中。发射成像设备的主要部分检测器一般包括闪烁晶体、光传感器以及其他附加部分。发射成像设备的检测效率和灵敏度与检测器的形状、晶体的形状、检测器与晶体的排布方式、耦合方式有很大关系。辐射探测设备已有较多成品用在交通、工业、医疗等领域，主要利用物质在辐射作用下产生的光效应或者气体电离效应来工作，用于发射成像设备的检测器模块同样可用于辐射检测。
目前应用在PET成像系统中的检测器模块使用切割后的晶体阵列耦合传感器组成，由于晶体的切割工艺限制，目前很难将传统的闪烁晶体切割到0.5mm以下，而晶体的尺寸对PET成像系统的图像分辨率和系统的整体性能有着重要的影响，随着科学技术和医疗水平的不断发展，我们对PET成像系统的分辨率也随之有了更高的要求,改变晶体耦合传感器的传统方式成为了一种新的选择。
中国专利CN103543463B公开了一种用于发射成像设备的检测器和发射成像设备，所述检测器包括：晶体层，所述晶体层包括多个闪烁晶体，所述多个闪烁晶体排列成正五边形或正六边形；以及光传感器层，所述光传感器层覆盖所述晶体层并与所述晶体层间隔开地设置，所述光传感器层包括多个光传感器，所述多个光传感器排列成与所述晶体层相同的形状。安装有本发明提供的检测器的发射成像设备能够具有较高的灵敏度和检测效率。但受到工艺，成本等的限制，晶体大小切到1mm以下时，成本会大幅增加，且解码的精度受到晶体大小的限制。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器，其中光传感器与多个呈阵列排布且截面直径D≤0.1mm的闪烁光纤耦合，用于接收和检测可见光子的能量信号和传导时间并据此反算出标记化合物光子湮灭的位置分布，由于闪烁光纤的截面直径小，从而可精确获得标记化合物光子湮灭的位置分布，进而大大提高了检测的精度和灵敏度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器，其特征在于，所述检测器包括多个检测器模块，所述多个检测器模块依次连接形成横截面为多边形的结构，其中：所述检测器模块包括闪烁光纤模块和光传感器模块；所述闪烁光纤模块由多个呈阵列排布的闪烁光纤构成，且所述闪烁光纤的截面直径D≤0.1mm，用于捕捉标记化合物光子并与标记化合物光子发生湮灭将其转化为可见光子群；所述光传感器模块设于所述闪烁光纤模块的外端，所述光传感器模块包括多个光传感器且每个传感器对应多个闪烁光纤，用于接收和检测可见光子的能量信号和传导时间并据此反算出标记化合物的位置分布。
进一步的，所述闪烁光纤之间耦合有光学反射膜。
进一步的，所述多个闪烁光纤的排列方式为对齐排列或交错排列。
进一步的，所述闪烁光纤模块与所述光传感器模块之间采用直接耦合、光学胶水耦合或高透光率光学反射膜材料耦合的方式连接。
进一步的，所述光传感器为光电倍增管、硅光电倍增管或雪崩光电二极管。
进一步的，所述光传感器的面积大于所述闪烁光纤的截面积。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将所述PET成像系统检测器放置在放射源环境中，标记化合物湮灭产生两个能量相等的标记化合物光子；
S2.所述两个能量相等标记化合光子沿不同路径抵达闪烁光纤并在所述闪烁光纤内发生反应，转换为可见光；
S3.所述可见光沿所述闪烁光纤传导至所述光传感器；
S4.所述光传感器接收所述可见光并检测所述可见光的能量信号分布和传导时间；
S5.根据所述可见光的能量信号分布和传导时间采用重心算法解码标记化合湮灭的位置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明检测器包括多个检测器模块，检测器模块包括闪烁光纤模块、光传感器模块，其中，用于捕捉标记化合物光子并与标记化合物光子发生湮灭将其转化为可见光子群,并根据接收和检测可见光子的能量信号和传导时间并据此反算出标记化合物的位置分布，由于所述闪烁光纤的截面直径D≤0.1mm，且每个传感器对应多个闪烁光纤，能够更精确标记化合物的三维空间位置，从而使得PET成像系统检测器具备高效率和高灵敏度，成像的分辨率高。
2.本发明闪烁光纤的截面直径D≤0.1mm，且每个传感器对应多个闪烁光纤，而γ光子的解码精度达到1mm以下，很容易判断闪烁光纤在哪个地方发生的反应，从而确定反应位置信息，同时闪烁光纤相对于离散晶体而言具有更高的时间分辨率和精确性。
3.本发明闪烁光纤之间设有光学反射膜，从而实现相邻层的闪烁光纤相互不透光，从而精准获取标记化合物的空间位置信息，大大提高了检测的精度。
4.本发明多个闪烁光纤的排列方式为对齐排列或交错排列，极大的提高单位面积传感器上的闪烁光纤填充率，更为显著地提高PET成像系统检测器模块的图像分辨率，同时，该排列方式简单直观，可以更好的兼容现有的PET成像系统，对于PET成像系统的图像重建也更为简便。
5.本发明的检测方法，将所述PET成像系统检测器放置在放射源环境中，标记化合物湮灭产生两个能量相等的标记化合物光子并闪烁光纤内发生反应，转换为可见光，所述光传感器接收所述可见光并检测所述可见光的能量信号分布和传导时间，然后采用重心算法解码标记化合湮灭的位置，检测方法简单易操作且获得的结果精度高。
附图说明
图1是本发明涉及的一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器的结构示意图；
图2是本发明涉及的检测器模块结构示意图；
图3是本发明涉及的闪烁光纤阵列呈对齐排列的示意图；
图4是本发明涉及的闪烁光纤阵列呈交错排列的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如附图1和图2所示，在本发明中，使用闪烁光纤替代传统的晶体，由于闪烁光纤的横截尺寸可远小于传统晶体的横截尺寸，因此，在单位面积的光传感器上可耦合更大数量的闪烁光纤，从而提高PET成像系统检测器的分辨率。PET成像系统检测器模块由闪烁光纤模块耦合光传感器模块组成，耦合的映射方式为多对一，即在单个光传感器上同时耦合多个闪烁光纤，即排列成闪烁光纤阵列，由于闪烁光纤的截面直径D≤0.1mm，且每个光传感器对应多个闪烁光纤，而γ光子的解码精度达到1mm以下，很容易判断闪烁光纤在哪个地方发生的反应，从而确定反应的位置信息，同时闪烁光纤相对于离散晶体而言具有更高的时间分辨率和精确性。本发明对于PET成像系统检测器阵列的数目不限于图中的数量，图中仅为示意，单台PET成像系统检测器中的检测器模块数目及排列方式可根据需要任意选择。以上为单个检测器的实现方式，该发明同时应用于PET成像系统的检测器阵列中，PET成像系统检测器阵列由多个PET成像系统检测器组成，不局限于图中所示数量。
如图3和图4所示，由于闪烁光纤的截面为不规则的圆形，而传感器一般为方形，对于闪烁光纤在光传感器上的排列方式为阵列排布，优选的，闪烁光纤在光传感器上的排列方式主要有两种，其中，第一种闪烁光纤交错排列，闪烁光纤填充率高，对于分辨率的提升更为显著，第二种排列方式为对齐排列的方式，排列方式简单直观，可以更为简便的进行图像解码。但闪烁光纤在光传感器上的排列方式不限于以上两种。该方式可以极大的提高单位面积光传感器上的闪烁光纤填充率，更为显著地提高PET成像系统检测器的图像分辨率，图3中闪烁光纤阵列为对齐排列，该排列方式简单直观，可以更好的兼容现有的PET成像系统，对于PET成像系统的图像重建也更为简便，本发明包括但不限于上述的两种晶体阵列排列方式。由于闪烁光纤截面是不规则圆形，因此闪烁光纤阵列在传感器上的不同排列方式对光传感器的分辨率以及PET成像系统图像重建也有不同影响。
闪烁光纤模块与所述光传感器模块之间采用直接耦合、光学胶水耦合或高透光率光学反射膜材料耦合的方式连接，可以使图像重建更为精确，进一步提高检测器分辨率。光传感器为光电倍增管、硅光电倍增管或雪崩光电二极管。
本发明采用基于重心法的解码方式进行图像的重建，具体步骤为求得每个通道所有事件所有能量总和，并按照位置关系画出所有通道各自的时间能量直方图，解码区域每次事件每列总能量和每行总能量，并由各列能量总和求各次事件总能量，使用重心法求得列坐标与行坐标。将所述PET成像系统检测器放置在放射源环境中，标记化合物湮灭产生两个能量相等的标记化合物光子，两个能量相等标记化合光子沿不同路径抵达闪烁光纤并闪烁光纤内发生反应，转换为可见光，所述可见光沿所述闪烁光纤传导至所述光传感器，所述光传感器接收所述可见光并检测所述可见光的能量信号分布和传导时间，根据所述可见光的能量信号分布和传导时间并采用重心算法解码标记化合湮灭的位置。结合重心法进行图像的重建，同样可以应用在闪烁光纤组成的PET成像系统检测器中。PET前端检测器模块由闪烁光纤耦合光电传感器阵列组成，伽马光子与闪烁光纤发生湮灭反应转化为可见光子群，沿着闪烁光纤与光学反射膜传播，被光传感器接收，光传感器检测到能量信号分布，利用重心算法解码反应的发生位置，由于单次伽马事件会同时反向共线释放两个伽马光子，在检测器中的相对两个检测器模块中会采集到一对符合事件，通过大量事件的采集，计算传感器上由于两次反应触发的时间差，可确定放射源的空间位置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器，其特征在于，所述检测器包括多个检测器模块，所述多个检测器模块依次连接形成横截面为多边形的结构，其中：
所述检测器模块包括闪烁光纤模块和光传感器模块；
所述闪烁光纤模块由多个呈阵列排布的闪烁光纤构成，且所述闪烁光纤的截面直径D≤0.1mm，用于捕捉标记化合物光子并与标记化合物光子发生湮灭将其转化为可见光子群；
所述光传感器模块设于所述闪烁光纤模块的外端，所述光传感器模块包括多个光传感器且每个传感器对应多个闪烁光纤，用于接收和检测可见光子的能量信号和传导时间并据此反算出标记化合物的位置分布；
工作时，将所述PET成像系统检测器放置在放射源环境中，标记化合物湮灭产生两个能量相等的标记化合物光子，两个能量相等的标记化合物光子沿不同路径抵达闪烁光纤并在闪烁光纤内发生反应，转换为可见光，所述可见光沿所述闪烁光纤传导至所述光传感器，所述光传感器接收所述可见光并检测所述可见光的能量信号分布和传导时间，根据所述可见光的能量信号分布和传导时间并采用重心算法解码标记化合湮灭的位置；由于单次伽马事件会同时反向共线释放两个伽马光子，在检测器中的相对两个检测器模块中会采集到一对符合事件，通过大量事件的采集，计算所述光传感器上由于两次反应触发的时间差，确定放射源的空间位置；
其中，基于重心法的解码方式进行图像的重建从而确定放射源的空间位置的具体步骤为：求得每个通道所有事件所有能量总和，并按照位置关系画出所有通道各自的时间能量直方图，解码区域每次事件每列总能量和每行总能量，并由各列能量总和求各次事件总能量，使用重心法求得列坐标与行坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器，其特征在于，所述闪烁光纤之间耦合有光学反射膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器，其特征在于，所述多个闪烁光纤的排列方式为对齐排列或交错排列。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器，其特征在于，所述闪烁光纤模块与所述光传感器模块之间采用直接耦合、光学胶水耦合或高透光率光学反射膜材料耦合的方式连接。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器，其特征在于，所述光传感器为光电倍增管、硅光电倍增管或雪崩光电二极管。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器，其特征在于，所述光传感器的面积大于所述闪烁光纤的截面积。
7.根据权利要求1所述的一种基于闪烁光纤的PET成像系统检测器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将所述PET成像系统检测器放置在放射源环境中，标记化合物湮灭产生两个能量相等的标记化合物光子；
S2.所述两个能量相等的标记化合物光子沿不同路径抵达闪烁光纤并在所述闪烁光纤内发生反应，转换为可见光；
S3.所述可见光沿所述闪烁光纤传导至所述光传感器；
S4.所述光传感器接收所述可见光并检测所述可见光的能量信号分布和传导时间；
S5.根据所述可见光的能量信号分布和传导时间采用重心算法解码标记化合湮灭的位置，具体步骤为：求得每个通道所有事件所有能量总和，并按照位置关系画出所有通道各自的时间能量直方图，解码区域每次事件每列总能量和每行总能量，并由各列能量总和求各次事件总能量，使用重心法求得列坐标与行坐标；标记化合物湮灭产生两个能量相等的标记化合物光子，两个能量相等的标记化合物光子沿不同路径抵达闪烁光纤并在闪烁光纤内发生反应，转换为可见光，所述可见光沿所述闪烁光纤传导至所述光传感器，所述光传感器接收所述可见光并检测所述可见光的能量信号分布和传导时间，根据所述可见光的能量信号分布和传导时间并采用重心算法解码标记化合湮灭的位置，即放射源的空间位置。
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