CN113786209A - 一种超高灵敏度的多面体脑部pet系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,属于医疗影像技术领域,包括前端探测模块和后端多通道读出电子电路,前端探测模块包括多个探测单元,多个探测单元相互耦合共同构成同轴不同径的多层环状检测空间;前端探测模块用于将正电子湮灭产生的γ光子捕获,并转换成电信号输出至后端多通道读出电子电路;后端多通道读出电子电路用于接收并处理前端探测模块输出的电信号,进而完成成像。本发明与相应的现有技术相比可显著提高PET系统的灵敏度,降低成本,同时可聚焦关注某一环状区域,使用更小尺寸晶体以提高空间分辨率,使得医学领域以较低成本实现精确分析小核团内细胞活动状态,推动阿尔茨海默症的发病机理研究。

Description

一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统
技术领域
本发明属于医疗影像技术领域,更具体地,涉及一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统。
背景技术
正电子发射型计算机断层显像(Positron Emission Computed Tomography,PET)是通过探测放射性核素衰变后产生的γ射线来实现断层成像。PET采用的放射性核素衰变后产生正电子。正电子是电子的反粒子,注射至生物体内的放射性核素衰变后产生的正电子穿过生命体组织时,在很短的距离内(0.5mm左右,不同点正电子核素有着不同的正电子湮灭距离)与生物组织内的负电子发生湮灭反应,全部的质量转换成能量释放,产生互成近似于180度能量高达511keV的γ光子对。对这对γ光子对沿发射方向进行探测,就能获得该方向上进行衰变的放射性核素分布的线积分值,从而进行断层图像重建。
PET是唯一可在活体上显示生物分子代谢、受体及神经介质活动的新型影响技术,现已管饭用于多种疾病的诊断与鉴别诊断、病情判断、疗效评价、脏器功能研究和新药开发等方面。
空间分辨率是PET系统中重要的性能之一,是系统成像质量好坏的重要指标,减小晶体尺寸可提升图像空间分辨率,但晶体尺寸的过度减小会扩大反应深度效应,增加视差,反而可能导致系统空间分辨率的降低,同时也会增加成本。目前医用全身PET系统空间分辨率约在3-5mm,仅限于呈现对应细胞的活动状态,无法表现出细胞之间的信号传导以及小范围内神经网络的具体活动,只能预测大细胞群或者核团的工作状态,无法精确分析小核团内细胞活动的状态,故为了提高空间分辨率往往采用更小尺寸的晶体,单成本会相应增加。
系统检测灵敏度是PET系统中重要的性能之一,代表了系统获取有效信号数据的能力,是保证系统重建图像空间分辨率的重要指标。PET系统的灵敏度取决于几何效率和固有符合事件检测效率。几何效率取决于检测模块所包围的立体空间角。目前人体全身PET系统的灵敏度在1%左右,临床上,较高的系统检测灵敏度有利于降低放射示踪剂的剂量,降低成像时间和提高信噪比。因此具有高灵敏度的PET探测器的研制极为重要,这种超高灵敏度PET探测器可将显著提高PET系统的灵敏度,显著降低成像成本,并提升成像质量,更利于观测细胞之间的信号传导以及小范围内神经网络的具体活动,实现精确分析小核团内细胞活动状态,推动阿尔茨海默症的发病机理研究。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其目的在于通过对前端探测模块的多环布局进行研究和设计,由此解决现有技术PET系统灵敏度较低的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,包括前端探测模块和后端多通道读出电子电路,其中:
所述前端探测模块包括多个探测单元,所述多个探测单元相互耦合共同构成同轴不同径的多层环状检测空间;所述前端探测模块用于将正电子湮灭产生的γ光子捕获,并转换成电信号输出至所述后端多通道读出电子电路;
所述后端多通道读出电子电路用于接收并处理所述前端探测模块输出的电信号,进而完成成像。
优选地,所述探测单元包括由内到外依次设置的闪烁晶体和硅光电倍增管阵列,所述闪烁晶体包括多个晶条,相邻晶条之间均设有反射镀层。
优选地,所述闪烁晶体包括呈阵列状设置的多个晶条,所述硅光电倍增管阵列包括呈阵列状设置的多个硅光电倍增管。
优选地,一个硅光电倍增管对应耦合一个晶条。
优选地,一个硅光电倍增管对应耦合多个晶条。
优选地,不同层环状检测空间的探测单元中所述闪烁晶体设置为不同的截面尺寸。
优选地,所述反射镀层为硫酸钡镀层。
优选地,所述后端多通道读出电子电路包括依次相连的数据传输排线、电路模拟板和FPGA,所述硅光电倍增管阵列通过所述数据传输排线与所述电路模拟板相连。
优选地,还包括多面体机械框架,所述多面体机械框架为半球形状结构,包括框架前端和框架后端,所述前端探测模块设置于所述框架前端,所述后端多通道读出电子电路设置于所述框架后端。
优选地,所述多面体机械框架为光敏树脂制成。
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,,能够取得下列有益效果:
1、本发明提出的超高灵敏度的多面体脑部PET系统通过对其关键组件机械结构及前端探测器的多环布局进行研究和设计,与相应的现有技术相比可显著提高PET系统的灵敏度,降低成本,同时可聚焦关注某一环状区域,使用更小尺寸晶体以提高空间分辨率,使得医学领域以较低成本实现精确分析小核团内细胞活动状态,推动阿尔茨海默症的发病机理研究。
2、本发明提出的超高灵敏度的多面体脑部PET系统采用同轴不同径的环状分布耦合的前端探测器模块,可降低系统成本,同时不同高度可选用不同截面尺寸的晶体阵列,可聚焦某一环形检测空间的区域进行更高分辨率的成像,提高成像质量。
3、本发明提出的超高灵敏度的多面体脑部PET系统体积小、结构布局紧凑,易安装。
附图说明
图1是本发明超高灵敏度的多面体脑部PET系统中前端探测模块的结构示意图;
图2是本发明超高灵敏度的多面体脑部PET系统中光信号传导的示意图;
图3是本发明超高灵敏度的多面体脑部PET系统中由五十四个探测单元构成的前端探测模块的结构示意图;
图4是本发明超高灵敏度的多面体脑部PET系统是本发明超高灵敏度的多面体脑部PET系统的结构示意图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:1-闪烁晶体;2-硅光电倍增管;3-硅光电倍增管阵列;4-反射镀层;5-晶条;6-框架前端;7-框架后端。
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。
如图1-4所示,本发明提出一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,包括前端探测模块、后端多通道读出电子电路和多面体机械框架。其中所述多面体机械框架包括框架前端6和框架后端7,所述前端探测模块安装于所述框架前端6,所述多通道读出电子电路安装于所述框架后端7。
具体的,所述探测单元包括由内到外依次设置的闪烁晶体1和硅光电倍增管阵列3,所述闪烁晶体1包括多个晶条5并且相邻晶条5之间均设有反射镀层4。
作为本发明的优选实施例,所述反射镀层4为硫酸钡镀层。
更进一步的说明,所述闪烁晶体1包括呈m×n阵列的多个晶条5,所述硅光电倍增管阵列3包括呈阵列的多个硅光电倍增管2,所述硅光电倍增管2与所述晶条5一对一耦合或一对多耦合,将光信号输出为电信号,传入后端多通道读出电子电路。
作为本发明的优选实施例,所述不同环状检测空间的m×n阵列的晶条截面尺寸不完全相同,其尺寸可选定为3mm×3mm、0.5mm×0.5mm等。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示,前端探测器模块包括超小尺寸闪烁晶体、高灵敏度10×10硅光电倍增管阵列。
超小尺寸闪烁晶体由10×10个晶条5组成,每个晶条5尺寸为3mm×3mm,以达到在满足较高分辨率的要求下降低成本。每个晶条5之间存在一层较薄的具有高反射性的硫酸钡镀层,晶体阵列最外层有一层极薄铝箔,用于保护作用。
高灵敏度10×10阵列硅光电倍增管阵列由100块硅光电倍增管组成,通过接收闪烁晶体捕获光子后所产生的可见光,将光信号输出为电信号,传入后端多通道读出电子电路。
如图2所示,所述闪烁晶体1划分的晶条尺寸越小,光反应位置的分辨越高,但越小的晶条,就要求越多的硅光电倍增管接收,成本会显著提高。采用一对一耦合方式,针对不同环状检测空间可配置为不同尺寸的闪烁晶体,以达到最优的性价比。
可见光由晶条5向四周发出,由于每个晶条5间存在高反射性材料硫酸钡,因此在图示中发生反应的位置所产生的光子经多次反射会被与之一对一耦合的硅光电倍增管阵列所接收。从而得到反应发生的位置。
如图3所示,将五十四个耦合后的探测单元分成三层放置在多面体机械框架中,形成三层环状检测空间,用插销固定在多面体机械框架内壳中。排线通过预留的槽孔穿出。
如图4所示,多面体机械框架主要由框架前端6和框架后端7组成,所述框架前端6放置三层环状的前端探测模块群,所述框架后端放置后端多通道读出电子电路,通过排线将前端的数据传输给后端,进行后一步处理工作。
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 (10)

1.一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其特征在于,包括前端探测模块和后端多通道读出电子电路,其中:
所述前端探测模块包括多个探测单元,所述多个探测单元相互耦合共同构成同轴不同径的多层环状检测空间;所述前端探测模块用于将正电子湮灭产生的γ光子捕获,并转换成电信号输出至所述后端多通道读出电子电路;
所述后端多通道读出电子电路用于接收并处理所述前端探测模块输出的电信号,进而完成成像。
2.根据权利要求1所述的一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其特征在于,所述探测单元包括由内到外依次设置的闪烁晶体(1)和硅光电倍增管阵列(3),所述闪烁晶体(1)包括多个晶条(5),相邻晶条(5)之间均设有反射镀层(4)。
3.根据权利要求2所述的一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其特征在于,所述闪烁晶体(1)包括呈阵列状设置的多个晶条(5),所述硅光电倍增管阵列(3)包括呈阵列状设置的多个硅光电倍增管(2)。
4.根据权利要求2所述的一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其特征在于,一个硅光电倍增管(2)对应耦合一个晶条(5)。
5.根据权利要求2所述的一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其特征在于,一个硅光电倍增管(2)对应耦合多个晶条(5)。
6.根据权利要求2所述的一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其特征在于,不同层环状检测空间的探测单元中所述闪烁晶体(1)设置为不同的截面尺寸。
7.根据权利要求2所述的一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其特征在于,所述反射镀层(4)为硫酸钡镀层。
8.根据权利要求2所述的一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其特征在于,所述后端多通道读出电子电路包括依次相连的数据传输排线、电路模拟板和FPGA,所述硅光电倍增管阵列(3)通过所述数据传输排线与所述电路模拟板相连。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其特征在于,还包括多面体机械框架,所述多面体机械框架为半球形状结构,包括框架前端(6)和框架后端(7),所述前端探测模块设置于所述框架前端(6),所述后端多通道读出电子电路设置于所述框架后端(7)。
10.根据权利要求9所述的一种超高灵敏度的多面体脑部PET系统,其特征在于,所述多面体机械框架为光敏树脂制成。
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