CN109765599B

CN109765599B - 基于硅光电倍增管的探测器、机架和pet设备

Info

Publication number: CN109765599B
Application number: CN201811508506.8A
Authority: CN
Inventors: 王希; 李新颖; 赵健; 梁国栋
Original assignee: Neusoft Medical Systems Co Ltd
Current assignee: Shenyang Zhihe Medical Technology Co ltd
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: CN109765599A

Abstract

本申请提供一种基于硅光电倍增管的探测器、机架和PET设备，所述探测器包括：由多个闪烁晶体组成的闪烁晶体阵列，其中，所述闪烁晶体用于接受高能粒子的撞击发出光子，所述多个闪烁晶体之间相互耦合；光导，其中，所述光导由没有切槽的高透光材料组成，所述光导的第二耦合面与所述闪烁晶体阵列的所述第一耦合面连接；由多个硅光电倍增管器件组成的硅光电倍增管阵列，其中，所述硅光电倍增管器件用于接收所述光子，并基于接收到的光子产生电信号并把所述电信号输出给读出电路，所述硅光电倍增管阵列的第四耦合面与所述光导的所述第三耦合面连接。本申请提供的探测器，其光导设计非常简单。

Description

基于硅光电倍增管的探测器、机架和PET设备

技术领域

本申请涉及医学成像技术领域，特别涉及基于硅光电倍增管的探测器、机架和PET设备。

背景技术

PET(Positron Emission Tomography，正电子发射断层扫描装置)是一种用于辅助诊断的医疗影像设备，可以观察到患者体内的生理代谢情况。PET成像的原理是：在被检体中注射含有放射性核素的示踪剂，示踪剂衰变产生正电子，正电子与负电子湮灭发出两个方向相反且能量相等的伽马射线对。PET设备的探测器的闪烁晶体可以将伽马射线转换成光子，然后通过光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)将光子转换成电信号。最后对收集到的电信号进行处理，重建出具有临床诊断意义的PET图像。

与传统基于PMT的PET探测器相比，新的硅光电倍增管(SiliconPhotomultiplier，SiPM)具有增益高、灵敏度高、偏执电压低等特点。在基于SiPM的PET探测器设计中，由于降低成本的考虑，倾向于使用较大尺寸的SiPM器件来读出更小尺寸的闪烁晶体。但是这种方案对于从闪烁晶体到SiPM器件之间光导的设计、加工以及装配都有较高的精度要求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供基于硅光电倍增管的探测器、机架和PET设备。

第一方面，本申请提供的所述探测器包括：

由多个闪烁晶体组成的闪烁晶体阵列，其中，所述闪烁晶体用于接受高能粒子的撞击发出光子，所述多个闪烁晶体之间相互耦合，所述闪烁晶体阵列最外层的六个表面，除了第一耦合面之外，其余五个面均被第一反光材料包裹；

光导，其中，所述光导由没有切槽的高透光材料组成，所述光导的第二耦合面与所述闪烁晶体阵列的所述第一耦合面连接，所述光导最外层的六个表面，除了第二耦合面和第三耦合面之外，其余四个面均被第二反光材料包裹；

由多个硅光电倍增管器件组成的硅光电倍增管阵列，其中，所述硅光电倍增管器件用于接收所述光子，并基于接收到的光子产生电信号并把所述电信号输出给读出电路，所述硅光电倍增管阵列的第四耦合面与所述光导的所述第三耦合面连接。

第二方面，本申请提供的所述机架包括第一方面所述的探测器。

第三方面，本申请提供的所述PET设备包括第一方面所述的探测器。

本申请提供的基于硅光电倍增管的探测器，可以使用大尺寸硅光电倍增管器件读取小尺寸闪烁晶体，从而节省了硅光电倍增管阵列的成本。同时，本申请的光导没有切槽，充分地降低了光导的设计、生成、装配难度。

附图说明

图1是一种现有的基于SiPM的PET探测器的示意图；

图2是本申请一实施例示出的基于SiPM的PET探测器的示意图；

图3是本申请一实施例示出的3x3的SiPM矩阵的PET探测器的示意图；

图4A是图3所示的探测器中SiPM器件的一种连接关系的示意图；

图4B是图3所示的探测器中读出电路的电阻网络的示意图；

图5是本申请另一实施例示出的探测器中的闪烁晶体阵列发出光子的效果图；

图6是本申请一实施例提供的PET设备的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在基于SiPM的PET探测器设计中，目前常见的是使用较大尺寸的SiPM器件来读出更小尺寸的闪烁晶体，多个SiPM器件组成SiPM器件阵列，多个闪烁晶体组成闪烁晶体阵列。参见图1，为一种使用光导耦合闪烁晶体阵列与SiPM器件阵列的实现方案。该设计与基于PMT的PET探测器设计类似，光导在特定位置具有特定深度的切槽，切槽通常是不透光的。该结构可以使得闪烁晶体阵列中各个闪烁晶体发出的光子，在SiPM器件阵列的接收面产生不同的特征，依据此特征可以分辨出各个闪烁晶体。为了简化设计难度，SiPM器件阵列一般会分成四个(或者更多个)区域，每个区域内各个SiPM器件输出信号叠加成为一个信号，同时对四个“角信号”(即图1中的输出A/B/C/D)采样计算，即可获取闪烁晶体的位置信息。光导中起导光作用的切槽和切槽的反光材料的位置和深度，直接影响区分闪烁晶体的能力，进而影响探测器的性能。因此，这种探测器对光导的设计、加工以及装配都有较高的精度要求。

有鉴于此，本公开提供了一种新的基于SiPM的探测器设计，其光导设计非常简单，能够充分降低光导的设计、生产、装配难度。

参见图2，为本公开一实施例示出的基于SiPM的探测器。所述探测器包括：

其中，第一反光材料和第二反光材料可以相同也可以不同。这些反光材料包括但不限于：硫酸钡(BaSO₄)、ESR膜(3M^TMEnhanced Specular Reflector)，二氧化钛(TiO₂)、特氟龙(Teflon)等。

在一些实施方式中，所述闪烁晶体之间的相互耦合是通过第三反光材料耦合实现的。第一反光材料和第三反光材料一般来讲是相同的，但是在某些实施方式中也可以不同。在另一些实施方式中，所述闪烁晶体之间的相互耦合是通过空气耦合实现的。闪烁晶体之间的相互耦合还可以通过业界熟知的方式实现，本申请对此不作限定。

在一些实施方式中，所述第一耦合面、所述第二耦合面、所述第三耦合面和所述第四耦合面大小一致。

在进行PET检测时，被检体中被注射含有放射性核素的示踪剂，示踪剂衰变产生正电子，该正电子在被检体组织内传播一小段距离(通常小于1毫米)后，会与被检体组织内的负电子湮灭时发出两个方向相反且能量相等的伽马射线对。所述伽马射线即高能粒子。闪烁晶体被任一伽马射线撞击后，会吸收伽马射线的能量并发出光子。确定发出光子所在的位置，就可以推算出被检体发生正负电子湮灭的位置。正确计算被检体发生正负电子湮灭的位置是后续PET成像的关键。

本申请所使用的闪烁晶体的材料包括但不限于：硅酸钇镥晶体(LYSO)，硅酸镥晶体(LSO)，锗酸铋晶体(BGO)，镥精细硅酸盐(LFS)，溴化镧晶体(LaBr3)，硅酸钆晶体(GSO)等。

构成闪烁晶体阵列的闪烁晶体的个数不限，比如，可以是8x8的，也可以是16x16的，可以根据对应的SiPM阵列的尺寸，每个晶体的尺寸进行调整。本申请对此不作限制。

所述光导的所述第二耦合面与所述闪烁晶体阵列的所述第一耦合面的连接是通过光学黏合材料黏合在一起的。所述硅光电倍增管阵列的所述第四耦合面与所述光导的所述第三耦合面的连接是通过光学黏合材料黏合在一起的。本申请所使用的光学黏合材料可以是任意折射率在1.4-1.9之间，透光率在98％～100％之间的光学黏合材料。

光导用于将闪烁晶体发出的光子有效地传送到SiPM器件上。光导由没有切槽的高透光材料组成。该透光材料是对300nm-700nm光子的透光率在98％以上的材料。

所述光导的厚度在0-20mm范围内，所述厚度为所述第二耦合面到所述第三耦合面的垂直距离。将任意两个相邻闪烁晶体的中心距离作为第一中心距离，任意两个相邻硅光电倍增管器件的中心距离作为第二中心距离，所述第一中心距离除以所述第二中心距离得到的比值作为第一比值。所述厚度由所述第一比值确定，所述比值越小所述厚度越大，所述比值越大所述厚度越小。

如果没有光导，当第一比值小于或等于1/2时，则两个闪烁晶体发出的光子只能被一个SiPM器件接收到，这样无法分辨出是哪一个闪烁晶体发出光子，也就无法判断正负电子湮灭产生光子对的位置。由于使用了光导，闪烁晶体和SiPM器件之间有了一定距离，也就是光导的厚度，光子会在光导中散射。这样，即使第一比值小于或等于1/2，散射到两个相邻SiPM器件上光子数量的比例也是不相同的，由于光导的厚度在设计探测器时已经是确定的，所以能够分辨出发出光子的具体的闪烁晶体，进而也就可以判断正负电子湮灭产生伽马射线对的位置。

SiPM器件是基于在普通硅衬底上实现的单光子雪崩二极管(Single PhotonAvalanche Diode，SPAD)的固态单光子敏感器件。一个SiPM器件里面由大量的SPAD微元组成，每个微元至少包括一个SPAD和一个淬灭电阻。当一个SiPM器件中的一个微元接收到一个入射光子时，就会输出一个幅度一定的电脉冲，也即电信号。当一个SiPM器件中的多个微元都接收到入射的光子时，那么这些微元都会输出一个电脉冲，这些电脉冲最终会叠加在一起，该叠加的电脉冲即为输出的电信号。上述电信号由SiPM器件的公共输出端输出，该公共输出端连接至后续的读出电路。

构成SiPM阵列的SiPM器件的个数不限，比如，可以是4x4的，也可以是8x8的，可以根据对应的闪烁晶体阵列的尺寸，每个SiPM器件的尺寸，以及后续电路设计的需要进行调整。本申请对此不作限制。

所述读出电路用于将所述硅光电倍增管器件输出的所述电信号转换成能量信号。根据该能量信号的幅值，可以利用重心算法得到光子的二维坐标信息，然后将该二维坐标信息，通过查表，可以知道得到发出光子的闪烁晶体的编码信息，由该编码信息可以确定到底是哪个闪烁晶体发出的光子。由于正负电子湮灭时发出的是方向相反的伽马射线对，也就是探测器组成的探测器环上同时会有两个闪烁晶体接收伽马射线，然后发出光子。由上面的算法可以确定是哪两个闪烁晶体发出的光子，然后将这两个闪烁晶体进行连线，该连线称为响应线(the line of response,LOR)，正负电子湮灭的位置即在这条LOR上。当湮灭的正负电子足够多的时候，则可以确定患者体内的生理代谢情况。

由此可见，本申请提供的基于SiPM的探测器，可以使用大尺寸SiPM器件读取小尺寸闪烁晶体，从而节省了SiPM阵列的成本。同时，本申请的光导没有切槽，充分地降低了光导的设计、生成、装配难度。

下面以一个3x3的SiPM阵列为例进行更详细的说明。

参见图3，为本申请一实施例示出的3x3的SiPM阵列的PET探测器的示意图。

对于本例，闪烁晶体阵列是由8x8的闪烁晶体组成的，SiPM阵列是由3x3的SiPM器件组成的。对于一个3x3的SiPM阵列，可以将其中每个SiPM器件进行编号，如A1，A2，A3…C3。对于8x8的闪烁晶体阵列，也可以将其中每个晶体进行编号，如a1，a2…h8。

参见图4A，为图3所示的探测器中SiPM器件的一种连接关系。在电路中，可以将一个SiPM器件表示为一个二极管串联一个电阻的形式，该二极管具有阴极和阳极。如图4A所示，每个SiPM器件通过电源和串联的电阻施加某一偏置电压，在本例中SiPM的阴极通过电阻R1接正向偏置电压，阳极接地。可以使用本领域技术人员熟知的的任意技术确定电源Vcc、电阻R1、电阻RA1、电阻RA2、电阻RC3，以及电源滤波电容的连接方式和具体数值设置，本申请对此不作限制。在其他的示例中，也可以SiPM的阴极接地，阳极通过电阻接负向偏置电压。本申请对此不作限制。

本例中，还可以将每个SiPM器件的阴极连接在一起，串联经过一个电容C1和一个放大器OP1后，输出时间信号。这个电路可以被称为时间探测电路。该时间信号用于后续确定SiPM器件探测到光子的具体时间。当然，也可以使用本领域技术人员熟知的电路连接方式连接各个SiPM器件的阴极并输出时间信号，本申请对此不作限定。

在某些实现方式中，也可以不使用特定的时间探测电路，而是使用各个能量信号计算出该时间信息。但是使用该时间探测电路，可以更准确地确定SiPM器件探测到光子的具体时间。尤其对于时间分辨率要求较高的TOF(Time of flight，飞行时间)-PET系统来讲，可以根据一对探测器接收到伽马光子对的时间差，估算出在LOR上发生湮灭的大体位置，然后进行PET图像重建。鉴别出SiPM器件探测到光子的确切时间，对PET图像重建的质量有重要的影响。

如图4A所示，每个SiPM器件的阳极连接有输出信号，对于编号为A1的SiPM器件，其输出为OA1，对于编号为A2的SiPM器件，其输出为OA2，以此类推。这些输出连接至图4B所示的电阻网络。参见图4B，该电阻网络的电阻阻值可以根据业界熟知的任意技术进行设置。将每个SiPM器件的阳极输出连接到该电阻网络的节点上，然后四角输出四个能量信号A、B、C、D。

需要说明的是，如图4B所示的电阻网络，是较为简单的一种结构，如果将其中的电阻替换成电容，也可实现同样的功能。此外，本领域技术人员还可以根据熟知的任意技术，将该网络替换成其他电路，本申请对此不作限定。

后续可以根据这四个能量信号的幅值来计算光子的二维坐标信息。

具体来讲，首先在后续电路中采集所述四个能量信号A、B、C、D的幅值。然后根据重心算法得到所述光子的二维坐标信息。该计算方法可以为以下的公式(1)或公式(2)。

其中，V_A、V_B、V_C、V_D分别为四个能量信号A、B、C、D的幅值，XY为光子的二维坐标值。

公式(1)中计算得到的比值都是位于[0,1]区间内的数值，将图3中的a8左下角作为坐标原点[0,0]，将h1的右上角作为[1,1]。这样通过公式(1)算出来的光子的二维坐标，通过查表，可以对应到具体的闪烁晶体的编号上，比如a3。包括该闪烁晶体的探测器在探测器环的位置是已知的，通过该编号，就可以确定该闪烁晶体在探测器环上的确切位置。更进一步的，可以得到LOR，进而判断正负电子湮灭的位置，为后续PET图像重建提供了关键信息。

如图5所示，为本申请另一实施例所示的SiPM探测器的闪烁晶体阵列发出光子的效果图。在本例中，闪烁晶体的第一中心距离为3.2mm，SiPM器件的第二中心距离为7.2mm，光导厚度为2mm。晶体阵列是5x5的阵列，SiPM阵列为4x4的阵列。当然实际使用中SiPM的阵列不用这么大，本例选择这种规格的SiPM阵列只是为了检测对于闪烁晶体的光子的捕获效果。

其中，黑色区域表示SiPM阵列没有检测到入射的光子，亮点为从晶体发出的多个光子的叠加，亮点的亮度越亮则表示该位置探测到的光子越多。从图中可以看出，使用本申请所提供的探测器，可以清楚地区分各个晶体发出的光子。

与前述基于SiPM的探测器相对应，本申请还提供了一种机架。参见图6，其中600为本申请提供的机架的示意图。

机架600包括探测器环610，一个机架可能包括多个并排的探测器环610。探测器环610是由多个前述基于SiPM的探测器组成。为了示例方便，图6中对于示出的N个探测器，仅对其中一个探测器611的结构进行了示意，其他探测器的结构与其相同，不再一一示出。探测器611包括：

闪烁晶体6111，用于在扫描过程中，探测被检体内发出的伽马射线，并将所述伽马射线转换为光信号。

光导6112，用于将闪烁晶体6111产生的光信号传给硅光电转换器件6113。

硅光电转换器件6113，用于将所述光信号转换成电信号。

读出电路6114，用于将所述硅光电倍增管器件输出的所述电信号转换成能量信号，并将该能量信号传送给机架600的其他处理电路以供后续处理。

所述探测器611的结构特征如前所述，此处不再赘述。

与前述基于SiPM的探测器相对应，本申请还提供了如图6所示的一种PET设备。PET设备包括机架600，主控台700。主控台700主要实现对机架600的控制以及对数据的处理，包括数据预处理、图像重建和图像显示。机架600的结构如前所述。本申请所提供的PET设备，使用前述SiPM的探测器构成机架600中的探测器环610。探测器611的结构特征如前所述，此处不再赘述。

虽然本说明书包含许多具体实施细节，但是这些不应被解释为限制任何发明的范围或所要求保护的范围，而是主要用于描述特定发明的具体实施例的特征。本说明书内在多个实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中被组合实施。另一方面，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开实施或以任何合适的子组合来实施。此外，虽然特征可以如上所述在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合中的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中去除，并且所要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。

由此，主题的特定实施例已被描述。其他实施例在所附权利要求书的范围以内。在某些情况下，权利要求书中记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍实现期望的结果。此外，附图中描绘的处理并非必需所示的特定顺序或顺次顺序，以实现期望的结果。在某些实现中，多任务和并行处理可能是有利的。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims

1.一种基于硅光电倍增管的探测器，其特征在于，所述探测器包括：

2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述光导的厚度在0-20mm范围内，其中，所述厚度为所述第二耦合面到所述第三耦合面的垂直距离。

3.根据权利要求2所述的探测器，其特征在于，所述厚度取决于任意两个相邻闪烁晶体的第一中心距离与任意两个相邻硅光电倍增管器件的第二中心距离之间的比值，所述比值越小所述厚度越大，所述比值越大所述厚度越小。

4.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述闪烁晶体之间的相互耦合是通过第三反光材料耦合或者通过空气耦合实现的。

5.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述第一耦合面、所述第二耦合面、所述第三耦合面和所述第四耦合面大小一致。

6.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述光导的所述第二耦合面与所述闪烁晶体阵列的所述第一耦合面的连接是通过光学黏合材料黏合在一起的。

7.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述硅光电倍增管阵列的所述第四耦合面与所述光导的所述第三耦合面的连接是通过光学黏合材料黏合在一起的。

8.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述读出电路用于将所述硅光电倍增管器件输出的所述电信号转换成能量信号，包括：

电源偏置电路，所述电源偏置电路用于给所述硅光电倍增管器件的阴极和阳极提供相应的偏置电压；

电阻网络，每个所述硅光电倍增管器件的阳极信号独立输出，连接到所述电阻网络的不同节点，所述电阻网络将各个所述硅光电倍增管器件的输出信号，转换成四个所述能量信号。

9.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述读出电路用于将所述硅光电倍增管器件输出的所述电信号转换成能量信号，包括：

电容网络，每个所述硅光电倍增管器件的阳极信号独立输出，连接到所述电容网络的不同节点，所述电容网络将各个所述硅光电倍增管器件的输出信号，转换成四个所述能量信号。

10.根据权利要求8或9所述的探测器，其特征在于，根据所述四个能量信号确定发出所述光子的闪烁晶体，具体包括：

采集所述四个能量信号的幅值；

根据重心算法得到所述光子的二维坐标信息；

根据所述二维坐标信息，通过查表，确定发出所述光子的闪烁晶体。

11.根据权利要求8或9所述的探测器，其特征在于，所述读出电路还包括：

时间探测电路，将所述硅光电倍增管阵列的所有硅光电倍增管器件的阴极并连在一起，输出时间信号。

12.根据权利要求8或9所述的探测器，其特征在于，所述电源偏置电路为以下的任一种形式：

所述硅光电倍增管器件的阴极接地，所述硅光电倍增管器件的阳极通过电阻接负向偏置电压；或

所述硅光电倍增管器件的阴极通过电阻接正向偏置电压，所述硅光电倍增管器件的阳极接地。

13.一种机架，其特征在于，所述机架包括权利要求1-12任一项所述的探测器。

14.一种正电子发射断层扫描设备，其特征在于，所述正电子发射断层扫描设备包括权利要求1-12任一项所述的探测器。