CN114930195A - 离子束发射装置及其检测系统 - Google Patents

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CN114930195A CN202180008734.2A CN202180008734A CN114930195A CN 114930195 A CN114930195 A CN 114930195A CN 202180008734 A CN202180008734 A CN 202180008734A CN 114930195 A CN114930195 A CN 114930195A
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Abstract

一种伽马射线检测系统(10)，所述伽马射线检测系统(10)包括检测模块组件(13、13a、13b、13c)，所述检测模块组件(13、13a、13b、13c)包括至少两个检测模块(14、14a、14s)，所述至少两个检测模块(14、14a、14s)被配置为对目标区域(4)进行正电子发射断层(PET)扫描；每个检测模块包括：多个堆叠的单片闪烁体板(16)，每个闪烁体板(16)具有被定向为大致面向所述目标区域的主表面(40a)和限定所述闪烁体板的边缘的横向次表面(40b)；以及，多个光子传感器(18)，安装在所述边缘，层光子传感器(18a)被配置为从入射到所述主表面上的伽马射线检测所述闪烁体板中的闪烁事件。所述伽马射线检测系统还被配置为用作康普顿相机，至少一个并非最靠近所述目标区域的闪烁体板的闪烁体板被配置为所述康普顿相机的吸收器闪烁体板。

Description

离子束发射装置及其检测系统
技术领域
本发明涉及一种离子束发射装置及其检测系统。所述离子束发射装置可以具体涉及用于离子束治疗(例如，肿瘤的质子束照射)的医疗器械。所述检测系统用于检测伽马射线。所述检测系统可以用于离子束治疗期间的剂量和范围监测。所述检测系统的用途不仅限于人类或动物的照射治疗，还可以作为传统PET扫描仪或康普顿相机用于其他用途。
背景技术
质子或重离子/离子束治疗是最精确的体外放射治疗方法之一。光子束具有高入射剂量且穿过人体时逐渐减少，与其不同的是，离子可以穿透组织并将其大部分能量沉积在其径迹末端附近，即众所周知的布拉格峰。在本文中，一般意义上对术语“离子”的引用也应理解为包括带负电荷或带正电荷的离子，包括质子。
在当今最先进的用于放射治疗的离子束系统中，如图1所示，照射剂量通常由较窄(通常为几毫米)的离子束1输送，该离子束具有针对患者的特定能量并使用快速倾斜的扫描磁铁2横向偏转。射束的穿透深度通过调节射束的能量来控制，在到达目标区域之前，射束的强度、横向位置和大小由射束强度和剖面监测器3记录。通过这种方式，以三维(3D)方式照射肿瘤。目标区域可以划分为与给定射束能量集合的穿透深度对应的等能量层4。每个等能量层被分成一系列具有不同横向坐标的“斑点”，其中每个斑点将接收一定数量的粒子。
在实践中，通常需要制定治疗方案(如图2所示)，然后才能开始离子束治疗。在实施该治疗方案期间，通常进行计算机断层扫描(CT扫描)，可能与患者和靶组织的磁共振成像(MRI)和/或正电子发射断层(PET)扫描相结合。CT/MRI/PET扫描用于标明靶体积并限定所需的剂量分布。然后，计算质子的输送方式：质子束应以何种入射角进入人体，使用何种射束能量将布拉格峰定位在预定位置，以及进入患者体内之前的射束形状和大小、每个“斑点”要输送的质子数量，如图1所示。
该过程通常在实际治疗开始前几天或几周(如图2中的时间t0处所示)进行，并且一名患者的治疗可能需要几周时间，分布在几个疗程中。在该时间段内，靶组织的位置和体积可能会发生显著变化。为验证治疗方案的有效性，通常在每次治疗之前对患者进行成像扫描，这能够确保患者所处的位置(相对于治疗台和成像设备)正确。此外，还可以检测到可能影响剂量分布的解剖结构变化。如图2所示，除患者所处的位置和患者的解剖结构变化外，还有一系列其他因素可能导致计划和输送剂量分布(特别是射束范围)之间的差异。可能存在成像伪影，对于使用金属植入物的患者尤为如此，这在之前接受过手术的患者中并不罕见。
根据图像生成的组织模型可能会受到系统误差以及从CT图像到质子范围的转换的影响。沿射束方向从皮肤到目标区域的组织异质性可能在射束距离计算中带来很大的不确定性。患者摆位或固定方式可能因不同疗程而异。在照射过程中，因呼吸运动、心脏跳动、蠕动或患者从站立位置更改为仰卧或俯卧位置而产生的缓慢移动可能导致器官运动，这可能使布拉格峰从预定位置移位。尤其令人关注的是肿瘤靠近脊柱、视神经、脑干等关键器官的情况。由于布拉格峰区剂量下降的梯度陡峭，与光子治疗中的范围偏差相比，离子治疗中的范围偏差会带来更严重的后果。范围误差可能意味着一部分肿瘤根本没有接受到任何放射剂量(照射不足)，或位于射束远端的正常组织接受到较高剂量(照射过度)。
质子/重离子通过组织时会发生核反应，其中一些会导致伽马射线的发射。有两种类型的伽马射线可检测用于治疗监测：1)生成正电子发射同位素所产生的重合伽马射线。2)激发靶核所产生的瞬发伽马射线。第一种类型可以使用目前广泛使用的正电子发射断层(PET)扫描来检测。由于它能够监测葡萄糖的代谢以及特定器官和组织中其他靶向放射性示踪剂的摄取，因此在神经学和肿瘤学领域得到广泛应用。PET扫描的一个特殊用例是离子束治疗，其中，由于组织的异质性，射束在患者体内的穿透深度可能不确定，并且必须采用安全裕度来避免关键器官接受到剂量和/或确保给予整个肿瘤足够的剂量。PET扫描可以准确地提供关于患者体内照射剂量沉积位置的信息。然而，在离子束治疗中使用传统PET扫描仪存在许多实际和技术问题。
临床工作流程中使用的传统PET扫描示例(Shakirin2011)如下所示：
-离线PET：PET扫描是在照射后进行的，当患者从照射室被运送到另一个装有PET扫描仪的房间时，通常会有几分钟的延迟。只能检测到寿命为几分钟的同位素。虽然可以使用传统PET扫描仪进行离线PET，但由于PET采集的延迟相对较长(这取决于治疗室和成像室之间的距离)，因此不允许采集寿命较短的放射性核素物种的排放。离线PET只能测量长半衰期放射性核素。质子诱导的PET活性的生物洗脱会进一步降低性能，这会降低目标区域的活性水平，从而导致图像“模糊”。
-室内PET：通过使用位于治疗室的PET扫描仪，在照射后不久进行PET扫描。虽然与离线系统相比，照射和扫描之间的延迟有所减少，但仍然存在一些延迟。此外，这种方法延长了照射室的占用时间，有效地减少了患者的总体周转量。
-束内PET：通过集成到治疗部位或直接放入机架的定制PET扫描仪，测量照射过程中的正电子湮没活动。实时数据采集可实现更精确的剂量和范围控制。对于长半衰期(11C、13N等)和短半衰期(15O、10C等)组分，组织中的PET活性水平最高，生物洗脱的影响最小。然而，由于治疗环境中离子束装置内集成的几何约束，以及基于伽马射线检测器所输出大量信号的实时测量的密集计算，将专用PET系统集成到射束输送系统中进行实时测量成本高昂且具有技术挑战性。此外，束内PET设备的性能受到限制，这尤其是因为，离子束输送过程中的瞬发伽马发射淹没了重合事件，并且存在正电子湮没相对于照射(根据所产生的同位素的寿命进行随机发射)的延迟。然而，PET扫描技术和图像重建方法成熟且经过验证，并且在离子束发射后继续进行图像采集方面也是有利的，即使患者在房间外也是如此。即使在照射完成后，也可以通过增加成像采集时间来提高成像质量。通常，门户(portals)之间的空置时间也可用于成像。PET扫描的另一个重要优势是它可以进行总剂量测量。
在WO 2018/081404 A1中，公开了一种PET扫描仪闪烁检测器，其具有边缘检测功能并且可能径向堆叠多个传感器块，以实现固有的相互作用深度分辨率。与传统的像素化闪烁体布置相比，本文中公开的边缘检测减少了闪烁体元件的数量，同时改善了相互作用深度测量。然而，由于使用多个闪烁体板，因此光子传感器的数量仍然较高，且实时采集的相关信号处理要求也较为苛刻。
验证质子束范围的另一种本身已知的技术是通过测量瞬发伽马射线(PG)发射(Knopf2013)进行的。PG发射基本上与质子束发射同时进行，因此在处理过程中发射和检测之间基本上没有延迟。此外，也可以实现逐点成像，与更接近粒子末端范围的成像一样。因此，PG检测能够快速检测显著的范围偏差。然而，PG检测是一项不成熟的技术，且图像重建相当复杂，无法通过增加成像时间来改善图像质量，检测器的性能和伽马射线吸收效率是影响图像质量的关键因素。此外，总剂量重建也难以实现。
CN 107544086 A[1]公开了一种基于闪烁体的组合式康普顿-PET成像装置。伽马射线检测元件为正向(“顶部朝上”)型或侧向(“侧面朝上”)型，如图39所示。径向分离的检测模块50之间的康普顿散射能够实现康普顿相机成像，而重合光电吸收能够实现PET扫描。公开了包含由径向间隙隔开的多个闪烁晶体阵列51的检测探头。然而，该径向间隙被光子传感器阵列52或光导管(例如，光纤)遮挡。因此，每个闪烁晶体阵列的主表面(通常面向成像体积)被光子传感器覆盖。然而，CN 107544086 A未公开如何或是否达到所需的康普顿散射角度精度。
Shimazoe2018[3]公开了类似的装置，其中2D面耦合闪烁体阵列50(GAGG:Ce)耦合到光子传感器的2D阵列52。
发明内容
本发明的总体目的是提供一种安全、可靠和准确的离子束发射装置。
本发明在医学领域的一个具体目的是提供一种用于患者照射治疗的安全、可靠和准确的离子束发射装置。
本发明的另一个目的是提供一种具有成本效益的检测系统，其能够对发射正电子和瞬发伽马射线的感兴趣体积(本文中也称为“目标区域”)进行准确的实时成像。
本发明的另一个目的是提供具有成本效益的检测系统，用于集成在离子束发射装置中，以安全、可靠和准确地实时控制离子束发射。
本发明在医学领域中的一个具体目的是提供一种具有成本效益的检测系统，以安全、可靠和准确地实时控制离子束发射治疗。
根据本发明的一个方面，本文公开了一种伽马射线检测系统，所述伽马射线检测系统包括检测模块组件，所述检测模块组件包括至少两个检测模块，所述至少两个检测模块被配置为对目标区域进行正电子发射断层(PET)扫描；每个检测模块包括：多个堆叠的单片闪烁体板，每个单片闪烁体板具有被定向为大致面向所述目标区域的主表面和限定所述闪烁体板的边缘的横向次表面，所述主表面的表面积大于所述横向次表面的表面积；以及，多个光子传感器，安装在所述边缘中的每个边缘上，被配置为从入射到所述主表面上的伽马射线检测和确定所述闪烁体板中的闪烁事件在所述主表面的平面内的位置。所述伽马射线检测系统还被配置为用作康普顿相机，至少一个并非最靠近所述目标区域的闪烁体板的闪烁体板被配置为所述康普顿相机的吸收器闪烁体板。
本文还公开了一种用于对组织区域进行离子束照射的离子束治疗系统，所述离子束治疗系统包括：患者支架；可围绕至少一个旋转轴线相对移动的离子束发射器；以及，所述伽马射线检测系统，其被配置为在离子束照射期间、之间和之后进行瞬发伽马射线检测和PET扫描。
在一有利实施例中，至少两个径向堆叠的闪烁体板的多个光子传感器连接到处理电路，所述处理电路被配置为对所述多个光子传感器的读出(readout，也称为读出信息、或读数)进行多路复用。
在一有利实施例中，至少两个方位-轴向布置的闪烁体板的多个光子传感器连接到处理电路，所述处理电路被配置为对所述多个光子传感器的读出进行多路复用。
在一有利实施例中，提供至少一个径向间隙，所述至少一个径向间隙位于所述多个堆叠的闪烁体板中的至少两个闪烁体板之间或位于所述至少两个检测模块之间。
在一有利实施例中，所述径向间隙的高度H与所述多个闪烁体板中的一个闪烁体板的厚度T之间的关系通常可以在200>H/T>2范围内，优选地在50>H/T>10范围内。
在一有利实施例中，所述多个光子传感器包括在多个层的边缘上延伸的至少一个条带(strip)多层光子传感器。
在一有利实施例中，多个所述条带多层光子传感器被配置于所述多个堆叠的闪烁体板的每个边缘侧。
在一有利实施例中，所述至少一个条带多层光子传感器是双端(dual-end)条带检测器，所述双端条带检测器被配置为测量两端信号的到达时间。
在一有利实施例中，所述多个光子传感器包括至少一个单层光子传感器，所述至少一个单层光子传感器位于每个闪烁体板的至少一个边缘上。在一个优选实施例中，尤其是对于具有四个或更多边缘的闪烁体板(例如，正方形或六角形闪烁体板)，每个闪烁体板的两个边缘或两个以上边缘上具有单层光子传感器。
在一有利实施例中，传感器板集合的所述单层光子传感器以交叉线连接或电阻网络布置互连，使得所述读出是多个互连单层光子传感器的信号总和和/或加权总和，其中每个传感器板包括闪烁体板和相关的电子传感器。
在一有利实施例中，模块的所述单层光子传感器被多路复用，使得读出信号的数量是模块光子传感器总数的子集。
在一有利实施例中，所述伽马射线检测系统还包括位于所述闪烁体板中的至少两个闪烁体板之间(或位于之上)的光反射界面层和光吸收界面层。
在一有利实施例中，所述伽马射线检测系统还包括位于所述闪烁体板中的至少两个闪烁体板之间的低折射率间隙，例如气隙。
在一有利实施例中，所述伽马射线检测系统还包括位于至少一个闪烁体板的边缘与所述光子传感器之间的电光快门。
在一有利实施例中，所述电光快门包括光扩散器材料和厚度，其被配置为扩散所述边缘附近的闪烁事件中的光。
在一有利实施例中，所述闪烁体板的所述主表面的表面积S和所述闪烁体板的厚度T在以下范围内：100mm2<＝S<＝40000mm2，0.5mm<＝T<＝30mm。
在一有利实施例中，所述检测模块组件环绕目标区域并包括至少一个间隙(gap)或孔(orifice)，所述间隙或孔用于通过其发射离子束。
在一有利实施例中，光边缘耦合到闪烁体板堆叠的一个或多个侧面的所述光子传感器安装在支撑板上，所述支撑板包括用于耦合到信号处理电路板的边缘连接器，所述边缘连接器使所述检测模块组件的相邻检测模块之间的间隙最小化。
在一有利实施例中，所述径向间隙满足关系式H/(T1+T2)>5，其中，T1和T2是环绕所述径向间隙的所述两个闪烁体的厚度，H是所述径向间隙的高度。
在一有利实施例中，所述多个堆叠的单片闪烁体板的径向总厚度小于19mm。
在一有利实施例中，所述伽马射线检测系统包括两个径向堆叠的闪烁体板，其中所述径向内闪烁体板的厚度与所述闪烁体的径向总厚度之间的比率在0.2-0.6范围内。
在一有利实施例中，单个闪烁体板的光子传感器的光子传感器偏置电压可以独立调整或启用/禁用。
在一有利实施例中，耦合到至少两个径向堆叠的闪烁体板的光子传感器连接到处理电路，所述处理电路被配置为应用康普顿运动学规则来确定两个重合块事件是否对应于吸收之后的前向或后向散射的康普顿散射(Compton scattering)。
在一有利实施例中，所述处理电路被配置为拒绝似乎源自从径向向外方向进入所述检测器的主伽马射线的事件。
在一有利实施例中，所述处理电路被配置为利用光电吸收的相互作用坐标作为源自电子-正电子湮没的小角度前向康普顿散射伽马射线的LOR终点。
在一有利实施例中，所述处理电路被配置为丢弃超过可配置的主伽马射线能量相关散射角的康普顿散射事件，以提高角度分辨率。
在一有利实施例中，在数字化或其他多路复用电路之前，添加来自相邻光子传感器的模拟信号。
在一有利实施例中，可以通过所述检测模块组件的相邻检测模块之间的模块间散射来实现两级康普顿相机(Compton camera)。
在一有利实施例中，可以通过相邻传感器板之间的块间散射来实现两级康普顿相机。
在一有利实施例中，可以通过相邻传感器板之间的块间散射来实现三级康普顿相机。
与传统PET扫描仪相比，本发明的有利特征是具有明显更高的空间分辨率和低成本可扩展性。低成本可扩展性对于达到高灵敏度非常重要，这在医学领域尤其重要，尤其是对于质子治疗的范围和剂量验证。根据本发明的一个有利方面，组合式PET扫描仪/康普顿相机能够同时利用PET和瞬发伽马成像(PGI)的优势。此外，该技术也对其他应用(例如，全身诊断PET或组合式PET/SPECT扫描仪)或其他核成像领域具有重要意义。该组合解决了束内PET和PGI的主要局限性，使这两种成像技术能够融合在单个设备中。
本发明的其他目的和有利特征将从权利要求以及下文结合附图对本发明实施例进行的详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是典型离子束设置的示意图；
图2是传统离子束照射预备方案的流程图，示出了在根据常规疗法进行的照射治疗中可能导致范围不确定性的误差和因素；
图3是离子束照射预备方案的流程图，示出了在照射治疗中可能导致范围不确定性的误差和因素以及根据本发明实施例实施的降低范围不确定性和提高剂量精度的校正措施；
图4是根据本发明实施例的具有伽马射线检测系统的离子束治疗系统的透视图；
图5a至图5e是根据本发明各实施例的伽马射线检测系统的检测模块组件的五种变体的示意图；
图6a是根据本发明实施例的伽马射线检测系统的检测模块组件的检测模块的透视示意图；
图6b是类似于图6a的图，其中移除了一些光子传感器支撑板和光子传感器以查看检测模块的内部；
图6c是根据本发明实施例的检测模块的闪烁体板的一部分的详细横截面示意图；
图6d是从径向远端侧拍摄的根据本发明实施例的原型检测模块的照片，所述原型检测模块具有四个径向堆叠的传感器板；
图7是根据本发明实施例的伽马射线检测系统的检测模块的示意图，所述检测模块包括传感器板及信号处理和控制模块；
图8a是根据本发明实施例的伽马射线检测系统的检测模块组件的一部分的简化示意图，示出了正电子湮没的检测(对应于PET扫描仪功能)；
图8b是类似于图8a的示意图，示出了瞬发伽马射线的检测(对应于康普顿相机功能)；
图9a至图9c是示出根据本发明不同实施例的检测模块的不同形状的堆叠闪烁体板的示意性透视图；
图10是根据本发明实施例的伽马射线检测系统的检测模块的简化示意图，示出了闪烁体板布置；
图11a是检测模块的简化示意图，示出了根据本发明实施例的光子传感器的布置；
图11b至图11e是类似于图11a的根据本发明的光子传感器布置的其他不同实施例的其他视图；
图12a至图12c是根据本发明各实施例的检测模块(尤其用作康普顿相机)的光子传感器布置的简化示意图；
图13a是根据本发明又一实施例(尤其用作康普顿相机)的光子传感器布置的简化示意图；
图13b是类似于图13a的又一实施例(用作康普顿相机)的视图；
图14a和图14b是根据本发明各实施例的检测模块组件的一对检测模块的简化示意图，其中相邻模块用作根据本发明实施例的模块间康普顿相机；
图15a和图15b是根据本发明各实施例的检测模块组件(可用作PET扫描仪和康普顿相机)的简化示意性透视图；
图16a和图16b是根据本发明不同实施例的检测模块组件的简化示意性透视图，图16a示出了双头组件，图16b示出了三头组件，其能够用作康普顿相机进行瞬发伽马射线检测并用作PET扫描仪进行正电子湮没检测；
图17a示出了根据本发明实施例的具有检测模块的光子条带检测器的光子传感器布置；
图17b至图17e示出了根据不同的变体具有单个和条带光子传感器的闪烁体板堆叠的四个侧面上的光子传感器布置；
图18是根据本发明又一实施例的具有光子条带传感器的伽马射线检测系统的检测模块的光子传感器布置的简化示意图；
图19a和图19b是根据本发明其他实施例的伽马射线检测系统的两个不同检测模块的透视图，示出了具有用于交叉线读出的交叉线连接布置的光子传感器配置；
图19c是图19a和图19b的实施例的交叉线连接读出的简化电路图；
图20a和图20b是包括电光快门(EOS)的检测模块的闪烁体板的简化示意图，图20a示出了处于打开状态的EOS，图20b示出了处于关闭状态的EOS；
图20c是闪烁体板堆叠示例的简化示意性透视图，其中顶层和底层具有打开的EOS，三个中间层具有关闭的EOS；
图21a是具有单个光子传感器的闪烁体板的简化示意性透视图；
图21b是示出在闪烁事件之后由单个光子传感器沿右边缘检测到的平均光子数量图；
图22是示出使用光子传感器的传统PET扫描仪中的误差分布的图，每个光子传感器具有1x1mm的接收表面积；
图23是示出对于分别具有三个、四个和六个侧面的三角形(图9c)、正方形(图9a)和六角形(图9b)形状的闪烁体板，传统PET扫描仪和根据本发明的光子传感器数量与每个边缘的光子传感器(即，称为“像素”)数量之间的比率的图；
图24至26是示出本发明实施例的空间精度的图；
图27是根据本发明实施例的伽马射线检测系统的检测模块组件的示意图，用于对三伽马事件的光源位置进行三角测量；
图28是根据本发明实施例的采用方位-轴向布置的传感器板的示意图；
图29是根据本发明实施例的传感器板的2x2方位-轴向布置的多路复用读出的示意图；
图30是轴向-方位布置的传感器板的重新布置实现更大视场的方式的示意图；
图31是与传统检测模块相比，用于实现扩展的轴向视场的本发明各实施例的有利布置的示意图；
图32是用于不同传感器板布置的沿轴向线源的检测器灵敏度示意图；
图33是根据本发明实施例的具有2个径向间隙和2+2+2径向层的轴向-方位布置的传感器板的环形组件的示意图；
图34示出了根据本发明各实施例的双径向层配置的不同能量、闪烁体的径向总厚度和散射/吸收关系的检测概率图；
图35示出了根据本发明各实施例的用于各种径向间隙和闪烁体板厚度组合的康普顿重建的角度精度的坐标分量的图；
图36示出了直接通过光电吸收(“p-e”)或通过单次康普顿散射(“康普顿”)或两者之和(“p-e或康普顿”)吸收主伽马射线的概率的图，其中左图示出了重合吸收的概率；
图37示出了根据本发明实施例的康普顿散射角重建的角度精度以及能量分辨率限制和空间分辨率限制的贡献的图；
图38示出了根据本发明实施例的采用具有两个径向间隙的旋转双头配置的全身扫描仪(PET或康普顿-PET，具体取决于配置)的变体；
图39示出了现有技术中具有闪烁晶体和光子传感器阵列的正面耦合检测模块；
图40示出了根据本发明实施例的沿相同边缘的光子传感器的16:4多路复用变体(公共阳极)，由此可以读出相邻光子传感器的电流总和；
图41示出了能量和空间不确定性对康普顿散射角重建的影响。
具体实施方式
参考附图，从图4开始，其中示出了根据本发明实施例的离子束治疗系统6，尤其是用于离子束放射治疗或用于组织区域的质子束照射。在本实施例中，患者5被定位在患者支架7上，患者支架7至少可围绕旋转和平移轴线相对于离子束发射器8移动。具体而言，患者支架7至少可以沿至少一个轴线，尤其是相对于固定基准点(例如，地面)的水平轴线X平移；离子束发射器可以围绕相对于固定基准点(例如，地面)的水平轴线X旋转。然而，患者支架和/或离子束发射器可以沿着并围绕多个轴线平移和/或旋转，直至实现全三维移动，从而使离子束发射器能够定位在相对于患者的任何位置和角度。
离子束治疗系统还包括伽马射线检测系统10。在某些实施例中，伽马射线检测系统10还可以相对于患者支架沿着或围绕一个或多个轴线相对移动。在一个实施例中，伽马射线检测系统可以沿至少一个平移方向(尤其是沿轴向方向)移动，并且在一个变体中，还可与离子束发射器8协作在方位角方向上旋转。
然而，在各种变体(未示出)中，可以具有相对于固定基准点静止的伽马射线检测系统或仅相对于固定基准点(例如，地面)平移的伽马射线检测系统。
在一个优选实施例中，伽马射线检测系统10包括通常为环形或多边形的检测模块组件13。在一个实施例中，检测模块组件可以包括开口42，使离子束发射器8能够通过该开口传输离子(例如，质子)，从而使得离子束发射器8的发射方向基本上与检测模块组件位于同一平面中。这可以同时有效地检测从接收离子束的目标区域发射的伽马射线。例如，检测模块组件13可以具有通用的“C”形，以在C形的相对两端之间提供开口，使离子束发射器8能够通过该开口传输离子。然而，在各种变体中，可以提供基本闭合的环形/多边形，例如大体为圆柱形的检测模块组件，其具有穿过其一部分的孔，使离子束能够通过其传输(变体未示出)。
检测模块组件13在离子束发射器8的旋转轴线X的方向(在本文中也称为轴向方向)上的长度可以在约5cm到约200cm范围内，具体取决于变体。对于轴向长度较短的检测配置，可以在离子束治疗期间实现检测模块组件3(可能与离子束发射器相结合)的平移。根据一个实施例，检测模块组件还可以平移，以用于在离子束发射之后或诊断期间扫描目标区域。由于检测模块组件的长度足以延伸到整个目标区域，可以具有相对于患者是静态的检测模块组件，由此检测系统可能不会跟踪离子束或离子束发射器的位移。
还可以注意到，检测模块组件的移动可以平行于或对应于离子束发射器的移动，或者可以跟随其他移动，此类其他移动被配置为根据目标位置、目标环境以及离子束发射器8的倾斜位置和角度，来优化从目标发射的瞬发伽马射线和正电子湮没伽马射线的检测。离子束发射器和检测系统的最佳移动尤其可以通过对样本组织上的系统进行校准来实现。
根据本发明各实施例的离子束治疗系统6中使用的伽马射线检测系统10具有一个重要优势：即，可在质子束发射期间实时执行检测，同时捕获瞬发伽马射线和正电子湮没伽马射线。此外，可以检测在质子束发射后的特定时间内或在治疗期间的连续质子束发射脉冲之间发射的正电子湮没伽马射线。这能够持续监测相对于目标区域的质子束吸收，并利用检测系统的反馈进行调整，以便在考虑到目标区域在治疗期间或之后的任何移动的情况下精确地定位目标区域，并避免先前已经相对于传统系统讨论的其他问题，例如洗脱效果等。
从感兴趣体积发射的瞬发伽马射线可以通过用作康普顿相机的检测器来检测，而通常能量较低(511keV)的正电子湮没伽马射线可以通过使用PET扫描仪工作原理的检测模块来检测，这两种检测方法都集成在根据本发明实施例的检测组件的检测模块中，如下文将进一步描述的。可以注意到，可以在离子束发射期间、两次离子束发射之间以及离子束发射之后执行PET检测，或替代地，可以仅在离子束发射脉冲之间和之后启动PET检测。在离子束发射期间，瞬发伽马射线的速率非常高，这可能使正电子发射湮没中的重合伽马射线测量不那么准确可靠，而在离子束发射之后的一段时间内，瞬发伽马射线发射很低，且正电子湮没伽马射线发射持续一定时间(如本身所熟知的那样)，使得可在离子束发射期间和之后进行测量。
参考图5a和图5b，其中示意性地示出了根据本发明各实施例的伽马射线检测系统10的检测模块组件13的两个不同实施例。尽管这些图示中的检测模块组件13被示为基本上完全闭合的环形/多边形，但应当理解的是，可以移除其中的一部分，以便为离子束发射器提供具有开口的大致“C”形，从而通过该开口将离子束传输到目标区域。还应当理解的是，检测模块组件13可以包括空间上分离的检测模块，例如“双头”配置(图5e)或“四头”配置(图5f)。
检测模块组件13包括多个检测模块14。在图5a所示的实施例中，检测模块14可以对齐的方式布置以形成段；或者，在图5b所示的另一个实施例中，检测模块14可以径向交错以从旋转轴线X考虑径向波束。然而，也可以采用其他各种配置，由此，对齐以形成段或者以大致圆形布置或以多边形布置(如图所示)定位的模块数量可能会有所不同。
检测模块14被配置为用作康普顿相机11和PET扫描仪12，如本文中进一步详细描述的。然而，根据本发明的检测模块可以仅用作康普顿相机或仅用作PET扫描仪，具体取决于应用场景。
每个检测模块14包括多个堆叠的闪烁体板16和多个光子传感器18。闪烁体板具有被定向为大致面向目标区域或轴线X的主表面40a以及限定闪烁体板的边缘或轮廓的横向次表面40b。为简单起见，在本文中，横向次表面40b也应称为“边缘”。在各实施例(未示出)中，还可以在目标区域或感兴趣成像体积的轴端，或在轴端和径向位置之间的中间位置添加一个或多个检测模块。在一个有利实施例中，检测模块14中的闪烁体板的堆叠方向与主表面正交。光子传感器18位于闪烁体板16的边缘上。
根据各实施例，检测模块可以包括没有径向间隙的闪烁体板的堆叠；或者，根据其他实施例，检测模块可以包括至少一个径向间隙17的闪烁体板的堆叠。
径向间隙17对于康普顿相机11的正常操作特别有用，其中一些闪烁体板充当散射器康普顿相机，而另一个闪烁板则充当吸收器。可以应用康普顿运动学规则或定时来确定散射层和吸收层。
闪烁体板之间的界面可以包括层间反射器28，该层间反射器具有光反射性，以将闪烁事件中的光传导到闪烁体板边缘，同时使伽马射线能够从中穿过。
作为层间反射器的替代或补充，闪烁体板可以通过一个或多个低折射率间隙31(例如，气隙)或低折射率固体(例如，聚合物材料)分隔。低折射率间隙31具有以下效果：闪烁体板的表面充当内部反射器，以改善从闪烁事件到闪烁体板边缘的光传输，同时使伽马射线能够穿过这些层。作为层间反射器的补充或替代，可以在闪烁体板之间插入光阻挡层或吸收层29，以结合低折射率间隙来防止层间光污染。
反射或吸收界面层可以在闪烁体板的一侧上或在堆叠在一起的闪烁板的两侧上构成涂层。
闪烁体板的主表面40a是伽马射线通常入射到其上的表面，边缘40b(例如，通常可以与主表面大致正交，并且在闪烁体板的相对侧之间延伸)形成闪烁体板的边缘，光子传感器18沿该边缘布置。在本发明的优选实施例中，闪烁体板的主表面的表面积S和厚度T可以在以下范围内：
100mm2<＝S<＝40000mm2，且
0.5mm<＝T<＝30mm；
更优选地在以下范围内：
400mm2<＝S<＝40000mm2，且
1mm<＝T<＝10mm。
优选范围寻求实现以下效果：优化相互作用深度(DOI)测量(Z方向)的精度和/或读出通道数量的减少与闪烁位置的闪烁体板(X-Y平面)的主表面的检测精度之间的关系。根据应用场景的不同，最佳范围可能有所不同。
可以沿闪烁体板的边缘40b设置边缘光扩散器材料层26。边缘光扩散器材料层26的功能是扩散伽马射线，使得从伽马射线入射到闪烁体上非常靠近一个边缘40b的光分布在几个相邻的光子传感器上。
闪烁体板的边缘40b还可以设置有检测器-闪烁体光界面22，该检测器-闪烁体光界面包括界面材料，该界面材料优化通过边缘到达光子传感器的光传输和/或实现穿过层的一致、可预测的光子传输，以避免由于非恒定界面(例如，由于空气、可变间隙等)而可能发生的不一致情况。该光界面还用于将闪烁体边缘附近发生的闪烁事件中的光扩散到多个光子传感器上，以便提高空间分辨率。
此外，还可以沿一个或多个闪烁体板设置电光快门(EOS)24，该电光快门采用电子操作开启(光学透明，24a)或关闭(吸收或反射，24b)，以使光子通过边缘达到光子传感器或阻止光子通过并到达光子传感器，具体取决于检测模块14的运行状态。
径向间隙17的高度H与一个闪烁体板的厚度T之间的关系通常可以在200>H/T>2范围内，优选地在50>H/T>10范围内。
在一种变体中，不同传感器板可以具有不同厚度的闪烁体板。例如，主要充当康普顿散射器的径向内闪烁体板可以较薄，以降低径向内层中康普顿散射伽马射线的吸收或重新散射概率。径向外闪烁体板可以较厚，以提高完全吸收的概率。闪烁体板的厚度可以随径向位置或径向序列位置的变化而变化。
径向间隙17的高度H与径向环绕该间隙的两个闪烁体板的厚度T1和T2之间的关系通常可以在100>H/(T1+T2)>1范围内，优选地在25>H/(T1+T2)>5范围内。
可以注意到，本文中所指的径向方向对应于示出检测模块的附图中所示的方向Z。
沿闪烁体板16的边缘40b布置的光子传感器18可以设置在光子传感器支撑板20上，例如，该光子传感器支撑板可以采用电路板的形式，其具有用于将光子传感器互连到检测模块14的信号处理和控制系统30的电路走线。支撑板20还可以是柔性或刚性-柔性电路。柔性电路可以覆盖模块的一个或多个边缘，并且围绕闪烁体板的径向叠层的边缘折叠且光学耦合到所述边缘。为最大限度地减小检测模块之间的死区，将光子传感器支撑板变薄是有利的。
支撑板可以包括突出的导向元件，以便于闪烁体边缘相对于光子传感器对齐。
例如，检测模块14的信号处理和控制系统30可以包括电路板32和安装在其上的电子元件34，包括例如用于信号滤波、信号整形、多路复用和单个光子传感器信号的组合的模拟组件，以及用于处理和控制检测模块的光子传感器偏置电压组件、微处理器和存储器。电路板32可以安装在模块的径向最外端，并且包括连接器36a和36b，用于将电路板32连接到光子传感器支撑板20，并进一步连接到伽马射线检测系统10的电子控制系统以进行图像重建，如图7中结合图6a和图6b所示。支撑板20可以被配置为具有边缘连接器36b的硅光电倍增管阵列板，该边缘连接器有利地使检测模块组件13的相邻检测模块14之间的间隙最小化。
在一种变体中，一些模拟组件(例如，信号整形组件、滤波组件或信号多路复用组件)直接安装在光子传感器支撑板上，紧靠光子传感器。
信号处理组件包括用于模拟信号数字化的组件，例如触发、时间戳和能量测量(例如，电荷积分或超阈值时间)。其他处理组件可以用于事件验证或事件拒绝的低级别事件处理，使用基于康普顿运动学、光子传感器阈值、能量阈值、同时触发的传感器板或光子传感器数量、或根据先前检测器校准确定的其他适用规则等的预定或可配置规则。
模拟和数字信号处理组件的分布可以使其连接到多个传感器板的径向堆叠，即一个或多个径向传感器板堆可以“共享”模拟和数字信号处理组件。
光子传感器18可以包括单层光子传感器18a和/或条带多层光子传感器18b。在某些实施例中，光子传感器18可以包括横跨多个堆叠的闪烁体板16的边缘径向(Z方向)延伸的条带多层光子传感器18b以及位于单个闪烁体板上的单层光子传感器18a。检测模块14可以包括位于模块每侧的多个条带多层光子传感器18b以及位于模块每侧、仅位于部分侧面或仅位于一侧(具体取决于图17a至图17e中的实例所示的变体)的一列单层光子传感器18a。单层光子传感器18a能够确定吸收入射伽马射线的一层或多层，而条带多层光子传感器18b(可能与所示的单层光子传感器相结合)能够在与径向方向正交的平面(即，平行于闪烁体板16的主表面40a的平面)内确定所吸收伽马射线的入射位置。
使用条带多层光子传感器18b的一个重要优势在于，在不降低测量精度的情况下，减少了需由用于给定数量的堆叠闪烁体板的信号处理和控制电子设备处理的通道数量。因此，显著降低了数据处理要求以及设备的相关成本，或者替代地，通过针对给定数量的读出通道设置更多数量的堆叠闪烁体板来获得更高的相互作用深度测量精度。
在一种变体中，如图18所示，可以仅设置在闪烁体板堆叠之间延伸的条带多层光子传感器18b，而不是设置单层光子传感器18a来确定相互作用深度，然而，这些条带多层光子传感器被配置为测量条带多层光子传感器两端之间的时间差，该时间差与条带上的照明位置相关，从中可以推断出发生闪烁事件的层。
在又一实施例，为了减少读出通道的数量，成列布置的单层光子传感器18a可以交叉线连接配置、或以电阻网络、或通常以多路复用的方式互连，如图19a至图19c所示，从而可以减少通道的数量。可以注意到，图19c所示示例中的二极管表示硅光电倍增管(SiPM)。多路复用读出使得能够通过单层光子传感器的行和列之间的交点来确定闪烁体板中闪烁位置的测量，同时减少通过电子方式处理的通道数量。图20a至图20c中示意性示出的电光快门能够在非常高速率的瞬发伽马发射期间以光学方式阻挡一定数量的闪烁体板，以防止来自多个同时触发的传感器板的光子传感器信号叠加在多路复用器读出中，这将破坏来自单个触发的传感器板的信息。
利用数字硅光电倍增管作为光子检测器，可以启用/禁用条带光子检测器的各个单元，以便屏蔽(忽略)源自选定闪烁体层的光。这是实现与光学快门相同功能的替代方案。
可以注意到，在康普顿相机布置中，检测模块14可以包括多个散射传感器板14s，其数量和表面积大于图15a和图15b中所示的吸收器模块14s。正电子发射断层扫描仪的功能在这种配置中由径向更靠近目标区域的更大的多个模块14s执行，而径向远离目标区域的吸收器模块14a充当确保康普顿相机正常运行的吸收器模块。这种配置还可以同时使康普顿相机和PET扫描仪正常运行，同时进一步减少用于信号处理的读出通道的数量。
因此，根据本发明各实施例的PET扫描仪功能可以使用单片闪烁体晶体的堆叠来实现。闪烁光从相互作用点向侧面传播，其中闪烁光由多个光子检测器检测。例如，光子传感器可以是SiPM(模拟或数字)或其他类型的本身已知的检测器。
为了提高靠近闪烁体侧面的事件的空间分辨率，如前所述，可以在闪烁体和光子传感器之间插入光学(非闪烁体)“扩散器”材料26。这会导致伽马相互作用所发射的光扩散到多个像素上，即使该相互作用发生在闪烁体侧附近也是如此。扩散器材料的示例可以包括玻璃、硅橡胶等，并且厚度可以变化，由此可以实现不同的扩散器形状，以优化光子传感器上的光产额。作为扩散器材料的补充或替代，如上所述，可以在闪烁体板边缘40b和光子传感器之间提供薄界面光学层22，例如包括润滑脂、胶水或封固胶。
从相互作用点到光子传感器的光传播可以通过全内反射进行。这可通过在闪烁体板之间插入折射率较低的材料来实现，例如空气。使用空气的优势在于，不会产生任何特定的制造限制，并且不会随着时间、用途或因辐射而退化。另一个特征是将闪烁体板与各层之间的高反射材料或薄膜(例如，增强型镜面反射器(ESR))堆叠在一起。应注意，在设备运行条件期间和/或在可预见的设备校准之间，反射率需保持足够稳定。
由于在本发明各实施例中可以解析来自各个层的信号，因此PET扫描仪功能具有固有的相互作用深度能力。深度分辨率主要由闪烁体板的厚度决定。闪烁体板越厚，相互作用深度(DOI)分辨率越高。然而，随着闪烁体板16的数量增加，所需的光子传感器18的数量也会增加。为缓解这一问题，本发明各实施例包括使用延伸到多个闪烁体边缘上的细长光子传感器，即前面提到的条带多层光子传感器。因此，一个通道可以测量来自多个闪烁体板的光。为了分辨发生相互作用的闪烁体板，单板像素包含在每侧的至少一个光子传感器列中，即前面提到的单层光子传感器。
条带检测器覆盖的层数可以根据可预见的事件率范围进行调整：对于低计数率应用，在几个层中“同时”(例如，在重合窗口期间或在光子传感器的响应时间内)发生多个伽马相互作用的概率可忽略不计。对于SiPM，事件之间的实际死区时间通常为几百纳秒量级。
在康普顿相机成像中，通常采用第一“散射”层，在该层，X射线/伽马射线通过康普顿散射相互作用，并沉积其初始能量的一小部分E1。X射线/伽马射线以与初始方向略有不同的角度Θ发射，角度变化与沉积的能量相关。该光子被第二闪烁体板(即，“吸收器”)吸收。
通过计算两个闪烁体板中的能量沉积E1+E2以及两层的相互作用坐标，可以推断初始射线的初始位置信息。
Figure BDA0003738137680000151
其中，m0是电子的质量，c是光速。对于能量鉴别，通常要求测量的能量沉积E1+E2与一个(或多个)感兴趣同位素状态的瞬发伽马发射峰值匹配，以降低在第一层中检测到的伽马射线先前已被康普顿散射的概率，例如在患者体内。
需要测量两层中的相互作用坐标，从中可以确定角度。与PET重建不同的是，可以在重合闪烁事件的相互作用坐标之间绘制LOR，而康普顿成像产生一个从散射层的相互作用点发出的“圆锥体”，其方向和开度角通过来自两个独立层的能量和坐标信息得出。
当检测器充当康普顿相机时，其角度精度主要由两个分量决定：(1)可以从中确定E1和E2的能量精度，(2)定义吸收事件和散射事件之间线的空间坐标精度，通过后者生成角度为Θ的康普顿锥以用于图像重建，如图41所示。基于以下假定条件，对这两个分量的大小进行了详细研究，汇总在图35(仅坐标分量)和图37(坐标和能量分量)中：
·能量精度大致与沉积能量的平方根成正比，并且假定在511keV时LYSO等的能量精度约为10％。
·空间坐标精度Δx在方位角和轴向方向(X-Y)上均为±0.7mm。
由于这两个分量在很大程度上是独立的，因此可以正交方式添加。能量精度是闪烁晶体材料固有的一个基本限制，并且受光子传感器能量分辨率的限制，这是一个难以克服的挑战。因此，可以适当注意空间坐标精度的贡献至少远低于能量分量。在H/T>＝10时，这在很大程度上可实现，例如对于质子治疗中瞬发伽马成像的大多数感兴趣的能量而言。
图37示出了在H/T＝10时，在0.511MeV到7.0MeV能量范围内随散射角的变化而变化的角度精度。对于约40度以上的散射角，总体角度精度(带标记的实线)主要取决于能量分辨率(实线)的贡献，而坐标精度的贡献则不那么重要(虚线)。
对于大角度散射，尤其是后向散射事件(Θ>90度)，角度精度显著降低。因此，为了提高图像质量，拒绝重建散射角超过某个可配置值的事件将是有利的。不同的上限阈值可以用于不同的能量。该阈值可以实现为吸收器或散射器闪烁体板中的能量鉴别阈值，或者实现为散射角重建后应用的实际角度阈值。
为了准确地确定康普顿散射或光电吸收的横向坐标，需要一些最小能量沉积，以便从闪烁体的光子传感器获得足够精确的读数。对于前向散射事件，散射层中的能量沉积可能不会达到该阈值，从而产生不确定的横向坐标。在PET扫描模式下，这意味着响应线(LOR)(至少)一侧的坐标是不确定的。在这种情况下，改用吸收事件的坐标将是有利的，因为它将携带大部分原始能量。如果散射和吸收发生在径向足够相邻的闪烁体板中，则可以改用吸收事件的坐标作为LOR的终点(考虑到散射角较小，并且康普顿散射和吸收之间的漂移长度较短)。
图6b、图10、图12a至图12c、图14b示出了检测模块14的示例，其中面向对象(目标)的一个或多个闪烁体板16通过径向间隙17与一个或多个其他闪烁体板16隔开。最靠近目标的闪烁体板形成“散射层”。通过在其他层中引入径向间隙，提高了角度分辨率。径向间隙H的长度可以调整，以优化使PET层尽可能靠近(为实现紧凑性和成像重建精度)以及尽可能接近目标的矛盾约束条件，同时最大限度地提高角度分辨率。
3级康普顿相机
在本发明的一种变体中，至少一个模块还可以被配置为额外用作3级康普顿相机，该相机需要至少2个径向间隙(即，至少3个径向分离的传感器板)。
光子传感器的成本考虑事项
在包括主面耦合的正向检测模块(图39)的传统PET扫描仪中，用于闪烁体块或单个闪烁体棒或像素的组件的光子传感器的总面积约等于L2，其中L是垂直于径向方向的闪烁体单元的长度。采用正方形边缘耦合检测器时，光子传感器的总面积为4LT，其中T是闪烁体径向厚度。为了使边缘耦合光子传感器的面积小于主面耦合光子传感器的面积，要求L>4T。
在常规闪烁体径向厚度约为20mm的情况下，L侧需要至少为80mm才能使光子传感器面积相等或更低。
计数率考虑事项
具体而言，对于范围验证应用，所发射瞬发伽马射线的速率可能非常高。例如，在1.2E10个质子/秒的高治疗质子速率下，瞬发伽马射线的速率将为1E9/s量级(Rohling2017)。在径向距离为30cm时，这对应于约0.1伽马/平方厘米/微秒；或者，对于5cmx 5cm方形检测模块，这对应于约2-2.5伽马/微秒。然后，应注意确保检测器不会因伽马射线的高瞬时速率而饱和或被隐蔽。可以拒绝沉积能量与感兴趣的瞬发伽马峰值不匹配的事件，以提高区分从一层到另一层的康普顿散射伽马射线以及在两层中同时检测到的两个独立伽马射线的能力。
本发明各实施例包括能够根据预期计数率来调整检测模块的不同配置。
配置1-配备像素检测器的独立层
在图11b、图11c所示的第一种配置中，每个闪烁体板的边缘均配备单独的光子传感器。这样能够测量一层中光电吸收的伽马射线的横向位置和能量，或者测量被康普顿散射在一层中并在另一层中被吸收的伽马射线横向位置和能量。当然，也可以使用第二层中的第二康普顿散射以及其他相互作用，但为了简洁起见，本文重点关注将本发明用作组合式单散射康普顿相机/PET扫描仪的各个方面。
配置2-跨越多层的条带检测器
在第二种配置(图11a)中，一些光子传感器“像素”已替换为跨越多层的“条带”。这具有降低通道总数和读出复杂度的优势。为了能够识别发生闪烁事件的层，每一层配备至少一个像素18a，该像素可以仅检测来自该层的闪烁光。如果检测器用作纯PET扫描仪，这是一个可行的解决方案。然而，康普顿相机的功能更难实现，这是因为从一个条带读出的信号基本上是两层中两个闪烁事件的总和。
配置3-共享检测器条带+隔离康普顿层
在第三种配置(图11d、图11e)中，各层中的一层(图11d中的16s、图11e中的16a)与其他层在光学上或电学上或电光上分离。对于康普顿相机功能，该分离层用作吸收器部分(图11e中的16a)或散射器部分(图11d中的16s)，具体取决于入射的高能光子的主方向。该层与闪烁体板堆叠结合使用，采用配置2中所述的光子传感器。
配置4-拆分块
在第四种配置(图12a至图12c)中，闪烁体板的检测模块堆叠在空间上分离为两个部分或块(15a、15s)。每个模块的布置如配置2所示。两个模块均可用作PET检测器。对于康普顿相机，一个块15s将用作“散射器部分”，而另一个15a将用作“吸收器部分”。
配置5-康普顿像素
在主要用于高速率瞬发伽马射线的第五种配置(图13b)中，除前述任意一种配置之外，还使用光耦合到闪烁晶体16p的单个光子传感器18p(像素)作为康普顿吸收器(或康普顿散射器)。该像素应足够小，以实现预期空间/角度分辨率。这种配置的优势在于，仅需少量附加通道即可实现康普顿功能。在各种变体中，可以在必要时添加多个单独的像素。还应当理解的是，该配置可以“反转”，即，单个像素(18p、16p)可以用作散射层，闪烁体堆叠可以用作吸收器。在任一情况下，读出链可以如下所示：如果在康普顿模式实践本发明，仅进一步处理触发“康普顿像素”的事件，丢弃所有其他事件。
配置6-康普顿像素+康普顿层
如果瞬发伽马射线的速率非常高，则配置5可能会出现计数率饱和的情况。为解决这一问题，可以修改配置3，使得电隔离的康普顿层耦合到可能比PET闪烁体更薄的闪烁体。厚度减小降低了相互作用的概率，这会降低总体计数率。此外，PET闪烁体将吸收部分瞬发伽马射线，这可能会进一步降低总计数率(图13a)。
模块间康普顿相机
康普顿相机的功能也可以通过模块间散射来实现。一个检测模块14a充当散射器，另一个检测模块14b(例如，相邻模块)充当吸收器(图14a、图14b)。在该配置中，不需要用于识别康普顿散射事件的单独层，并且相对于纯PET扫描仪的硬件变化最小。例如，可以通过总能量鉴别和模块间重合定时来识别康普顿散射事件。在主要用于质子范围验证的感兴趣伽马能量(几MeV)中，前向散射占主导地位，并且在两个或多个层16之间引入空间间隙17将是有利的，以便提高角度分辨率并提高模块间康普顿散射的概率。
传统PET扫描需要圆形组件，以确保大多数伽马射线进入与面向光源的晶面基本垂直的闪烁晶体元素。然而，偏离中心的发射可能会导致视差。根据本发明的相互作用深度能力缓解了这一问题。此外，发明人已经意识到，可以利用有利于非圆形组件(例如，通过具有如图5a所示的六角形组件)的相互作用深度能力，以便提高相邻模块之间的前向散射概率。本发明还能够将传感器板定位在更靠近患者的位置，或定位在扫描对象附近。
在另一实施例中，如图5b所示，模块可以径向交错图案布置，这也用于提高模块间康普顿散射的概率。在这种布置中，不太需要在每个模块内部的闪烁体板之间引入径向间隙。
在另一实施例中，如图15a所示，检测模块14s和14a本身以径向群组的形式布置。最靠近光源(目标)的内部群组14s将用作PET模块和散射器模块。外部群组14a将用作康普顿成像的吸收器模块。图15a中示出了九比一模块布置的示例，其中，一个吸收器检测模块14a径向偏移并在3x3 PET/散射器检测模块14s上居中。应当理解的是，当然也可以采用散射/吸收器模块之间的其他布置和比率，例如1:1、9:4(如图15b所示)等。
使用基本相同的模块作为散射器和吸收器的解决方案具有简化制造和读出电子设备的优势，这些模块可选地径向分离，并且可选地具有不同的闪烁体厚度。
传感器板停用
利用交叉线读出(图19a至图19c)或在层16(图17a至图17e、图18)之间共享的光子传感器条带18b，可以阻挡来自一个或多个层16的闪烁光，以便确保列信号仅来自一层。这可通过围绕每层的边缘的机械快门来实现。另一种选择是使用电光快门24(图20a至图20c)，例如偏振液晶或透射器，其可以使用驱动电压在透射状态24a和吸收/反射状态24b之间切换。在透射状态下，电光快门也可以用作闪烁体16和光子传感器18之间的光扩散器。
在一个有利实施例中，实现类似功能的替代方式是选择性地启用或禁用单个光子传感器或光子传感器组的光子传感器偏置电压，例如通过图7中的偏置开关网络所示的传感器板分组。替代地或附加地，偏置电压可以是可调节的，使得可以根据感兴趣的预期主伽马射线能量来调节单个光子传感器、光子传感器组、光学耦合到闪烁体板的光子传感器组或传感器板组的增益。
另一种替代方案是使用数字硅光电倍增管作为光子传感器，利用该光电倍增管可以启用/禁用条带光子传感器的各个微单元，以便屏蔽(忽略)来自选定闪烁体板的光。
读出链
作为在各层之间共享的检测器条带的替代方案，可以使用沿每个闪烁体块的侧面的单个像素和多路复用读出链。
图19a示出了PET扫描仪模块的第一行/列读出(交叉线)示例，其中每侧有5个正方形闪烁体板和5个光子传感器列。总共可以通过25个通道读出100个光子传感器。对应于1-5层总和的通道Y1-Y5提供关于发生闪烁事件的层的信息。例如，通过使用这些通道作为信号幅度阈值触发器以评估每层中是否发生闪烁事件，可以进一步简化读出电子设备。然后，PET扫描数据处理电路仅进一步处理恰好涉及一层的事件，确保列和信号X1,…,XN仅对应于一层内的光发射。
图19b和图19c示出了组合式PET扫描仪和康普顿相机模块的第二行/列读出(交叉线)示例，其中每侧有4个正方形闪烁体板和5个光子传感器列。总共可以通过24个通道读出80个光子传感器。图19b中的通道Y1至Y4提供关于发生闪烁事件的层以及能量(光的总量)的信息。能量抑制/滤波可以通过鉴别器来实现。在图19b的实施例中，一个层16a已经在空间上与其他层分离，以用作康普顿吸收层。分别读出该层的光子传感器的通道Z1至Z20。康普顿相机数据处理电路仅处理恰好涉及两层的事件，其中一层是吸收层。在该示例中，需要44个通道。
可以使用其他多路复用方案，例如对称电荷分割。
另一种可能是使用来自闪烁体板边缘的信息的聚合量。一个示例是使用重心和每个边缘的(电荷)和。如果减少读出通道和/或数字转换器的数量具有高优先级，例如，这可以在数字化之前通过电阻网络/ASIC实现，作为沿每个边缘的像素的总和以及加权总和。然后，基于N个光子传感器列的边缘i的输出减至每个闪烁体边缘两个量。
{X1,…XN}i→Stot,i,Sweighted,i
Figure BDA0003738137680000201
(总和)
Figure BDA0003738137680000202
(加权总和)
为了实现重心算法，加权系数可以等距分布(假设所有光子传感器沿边缘具有相同的长度)，例如λj＝j。
Figure BDA0003738137680000203
然后，基于重心边缘测量，例如使用由来自准直伽马射线源的cogi测量值与已知闪烁事件坐标组成的校准表，可以重建闪烁事件的原始坐标。该事件的总能量通过所有边缘的Stot,i总和得出。
可以注意到，替代地或附加地，可以使用除重心之外的其他聚合量，例如具有最大计数的条带索引、截断重心(丢弃具有少量计数的条带)、半峰全宽、偏斜或更复杂的函数。
可以使用电阻电荷分割电路(CDC)等以模拟方式(在数字化之前)或者在数字化之后实现使用聚合边缘量进行事件重建的技术，其中数字化的目的是通过降低每个闪烁事件的数据集的维度来加速实现图像重建方法。
基于双端条带检测器时差的层识别
层识别的另一种方法是读出位于两端(41a、41b)的条带光子传感器18，如图18所示。条带硅光电倍增管的这种双重读出本身是已知的，并在Doroud2017[11](使用用于噪声抑制的差分读出)中进行描述，其中报告条带上的信号传播速度约为vprop≈1E7m/s。脉冲到达两端(即，上端(下标u)和下端(下标l))的时间差为：
Figure BDA0003738137680000211
其中，z是闪烁层和中间层之间的距离(即，如果中间层发生闪烁，则为零)。例如，在闪烁体板厚度为3mm的情况下，相邻两层之间的ΔT差值约为200皮秒(ps)，这可使用最先进的读出技术进行测量。此外，由于来自任何闪烁事件的光将沿边缘分布在多个条带上，因此可以通过考虑用于识别该层的几个条带的时间差来提高层分辨率(例如，通过对所有条带或信号幅度高于阈值的所有条带的时间差进行平均)。该方法的优势在于，可以用条带检测器18b替换层识别光子传感器18a，从而显著减少通道的总数。层数以及因此相互作用深度分辨率主要受定时精度的限制。
系统组件
图16a示出了质子治疗环境中的双头组件，图16b示出了三头组件。在双头组件中，离子束1沿y方向进入目标，并且两个检测器组件(13a、13b)沿±z方向围绕目标4对称布置。两个组件(13a、13b)将截取沿质子束路径发射的伽马射线的一部分：瞬发伽马射线21b和正电子湮没伽马射线21a。在三头组件中，额外的检测器组件13c围绕基本上面向质子束发射器的目标布置。
层识别像素-配置
在两个或多个层16之间共享除一列光子传感器之外的所有传感器的配置中，足够量的光应该到达用于识别发生闪烁事件的层的像素18a。如图17a至图17e所示，这些像素18a可以位于角落、边缘中心或两者之间的某个位置。
图21b示出了到达像素的光子数量(随闪烁事件的横向坐标的变化而变化)的等高线图，其使用有关晶体光产额的相对保守假设(30,000个光子/兆电子伏，伽马能量＝511keV)和光子传感器参数(光子检测效率＝0.2，暗计数率＝130,000Hz/mm2，过量噪声因子＝0.2，信号积分时间＝250ns)。在这些图中，假设每个边缘均配备5个光子传感器(总共20个)，如图21a所示。这些图显示了位于右边缘(x＝25)的单个10mm宽光子传感器从下到上(y＝-25到y＝+25)接收的光。对于位于其他边缘的光子传感器，情况是旋转对称的。对于起源于靠近右边缘(x～25mm，y>-15mm)和右上象限位置的事件，位于下角附近的光子传感器接收的光非常少。对于起源于左侧(x<＝0)的所有事件，位于边缘中心的光子传感器接收约50或更多个光子，但是对于起源于左上角的事件，该传感器接收的光子很少。请注意，>50个光子是模拟事件的平均值。将发生检测到更多或更少光子的事件。然而，即使考虑到统计波动，这一水平也完全足以产生远高于本底噪声和估计暗计数率的信号。
因此，为了可靠地确定事件发生在哪一层，只需将两个层识别光子传感器放置在两个相对边缘的中心即可，如图17e所示。通过考虑两个像素的总和，或者仅考虑具有最大信号幅度或积分的像素，可以可靠地识别闪烁事件的层。如图17e所示，在这种情况下，4层正方形检测模块(两个相对边缘上有5个检测器列)仅需要26个通道。
检测器几何结构和像素配置
单片检测模块在形状、面积和光子传感器配置方面的几何结构会对性能产生影响。因此，模拟了不同的正面和背面的多边形形状以及每个边缘不同数量的光子传感器。对于每个模拟场景，模拟了大量事件，每个事件是闪烁块体内随机选择的点(x0,y0,z0)中闪烁事件的各向同性光子发射、晶体和扩散器材料中的射线跟踪以及各个光子传感器的响应(检测到的光子数)。如上所述，在考虑统计波动的情况下，使用保守的制造商暗计数率、过量噪声等数字来估计光子传感器的响应。
利用来自大量事件的光子传感器响应，来估计随闪烁体内横向坐标x0和y0的变化而变化的检测器平均和标准变化。这是训练集或校准集。深度z0并非校准集的一部分。然后，使用另一组事件作为评估集，其中研究了回溯算法能够在多大程度上基于训练集预测闪烁事件的原始横向坐标x0,y0。预测或拟合的坐标表示为xfit,yfit。然后将横向误差ε计算为欧几里得距离。
Figure BDA0003738137680000221
对于整个评估集，然后可以计算平均误差
Figure BDA0003738137680000225
平均误差本身并不是衡量单片边缘探测器的配置是否优于传统PET扫描仪配置的有用指标。为了减小传统PET扫描仪的平均误差，可以简单地减小闪烁体晶体和光子传感器的尺寸，增加闪烁体和检测器的数量。
作为一种比较指标，发明人选择将根据本发明的光子传感器数量与具有类似横向总面积和类似空间分辨率(平均误差相同)的“传统PET扫描仪”的光子传感器数量进行比较。传统PET扫描仪定义如下：
·单个闪烁晶体(棒)，呈正方形且1:1正面耦合至单个光子传感器。
为了估计传统配置的平均误差，进行了模拟，从而获得了图22所示的误差分布。由于单像素晶体不会产生关于在单晶体中发生闪烁事件的位置的任何信息，因此每个事件的横向坐标被分配给晶体中心。起源于晶体角落的事件会出现最大误差。平均误差约等于：
Figure BDA0003738137680000222
其中，s是晶体元件朝向光源的一侧。将
Figure BDA0003738137680000223
设置为根据本发明各实施例的平均误差，可以得到晶体尺寸：
Figure BDA0003738137680000224
由此可以计算出给定总横向面积的通道总数。
传统PET扫描仪配置的典型示例可以是尺寸为3.1mm x 3.1mm x 20mm(X和Y方向为3.1mm，Z方向为20mm)的闪烁晶体，其耦合到尺寸为3.3mm x 3.3mm的SiPM像素的SiPM阵列。这种配置的填充因子将约为88％，不考虑模块之间的间隙。
对单片检测器进行了评估，该检测器的横向表面积为2500mm2，且被4mm的非闪烁框状间隙环绕，以考虑光扩散器和光子传感器的空间。这种检测器的填充因子为：
·三角形：72％(图9c)
·正方形：74％(图9a)
·六角形：76％(图9b)
总体而言，当考虑到模块之间的非闪烁间隙时，我们认为传统PET扫描仪的填充因子类似于本发明各实施例的填充因子。
图24示出了根据模拟产生的50x50mm闪烁体板中的真实与重建相互作用位置示例。图25示出了闪烁体板上的平均横向(轴向-方位)空间重建误差，而图26是平均横向重建位置误差的直方图。在该示例中，实现了0.93mm的平均横向误差。
本发明各实施例能够通过添加更多层来增加闪烁材料的有效厚度，而不会显著降低图像质量。因此，与传统PET扫描仪相比，较低的填充因子可以通过提高更多闪烁材料的重合概率来弥补。
可以将本发明各实施例的优化度量定义为传统PET扫描仪的通道数与设备单层的通道数的比率：
Figure BDA0003738137680000231
图23示出了三角形、正方形和六角形闪烁体板的比率R与每个边缘的光子传感器数量。正方形检测器可能是最容易制造的，并且每侧的最佳像素数为5，尽管每侧设置4个或6个光子传感器也可以获得类似增益。如果考虑传统PET扫描仪，其中M×M个检测器的光子传感器阵列耦合到N×N个晶体的晶体阵列(其中，N>M)，并且例如在晶体和光子传感器之间插入单片光导管，则比率R将更低。4×4检测器阵列与5×5晶体阵列耦合将使R降低36％。显然，如果增加层数，比率R也会更低。然而，该度量没有考虑DOI方面的增益。如果不需要DOI信息(例如，闪烁体板的厚度与传统PET扫描仪的单个晶体的高度相同)，则R有效。
通常，对于三角形、正方形或六角形，与1:1耦合的传统PET扫描仪相比，可以将通道数减少30至40倍。这是一个重大改进，显著降低了PET扫描仪的成本。替代地，可以利用减少通道数方面的增益，来增大(尤其是)PET扫描仪的轴向视场(FOV)。这对于全身PET扫描仪的应用特别有利，在这种应用中，轴向FOV可以横跨患者的整个身体。
康普顿相机闪烁体板厚度优化
发生有效的康普顿散射事件(一个闪烁体板中的康普顿散射，另一个闪烁体板中的光电吸收)的概率通常取决于闪烁体板的厚度。针对具有不同散射器和吸收器闪烁体板厚度的2层配置，对这种概率进行了详细研究，包括不同主伽马射线能量和闪烁体的径向总厚度，如图34中概括的。对于较低的能量(0.511keV)，根据闪烁体总厚度(6-20mm)，最佳比率在30％-50％的范围内。然而，对于较高的能量，最佳比率接近50％，即散射器和吸收器的厚度相等。根据该变体以及感兴趣的能量，散射层厚度最好在总厚度的20％到60％之间。
校准-参考表
检测系统的校准可以有利地包括以下步骤：
Figure BDA0003738137680000241
在已知横向坐标(xcal,ycal)处用准直光源照射检测器。不需要精确地知道相互作用深度zcal。
Figure BDA0003738137680000242
针对每个检测器层和校准位置记录足够多的事件。
Figure BDA0003738137680000243
计算每个光子传感器i在给定位置处响应的平均值和标准偏差μi(x,y)和σi(x,y)。
Figure BDA0003738137680000244
可以根据校准位置以及可选地不属于校准过程的任何中间位置处的每个光子传感器的平均和标准偏差的精细网格内插，生成参考表。
作为单个光子传感器的μi和σi的替代或补充，还可以计算任何聚合量(例如，重心)。
事件重建
为了重建单个事件的相互作用坐标，可以采用以下方法：
Figure BDA0003738137680000245
对光子传感器响应和/或聚合量进行数字化；
Figure BDA0003738137680000246
在校准表中找到与响应最匹配的位置(可以使用各种本身已知的方法高效地实现这一点)。
事件拒绝
在PET扫描模式和康普顿相机模式中，基于能量沉积拒绝事件都是有利的。此外，拒绝同一闪烁体中的双散射或多散射事件也是有利的。一种方法是将事件签名(每个读出通道的信号)与其在参考表中的最接近的匹配项进行比较。“最接近的匹配项”意味着事件与最接近的参考匹配项之间的标准偏差归一化欧几里得距离(平方差之和，除以像素响应或聚合量的标准偏差)。如果该差值大于可配置的阈值，则可以拒绝该事件。
PET扫描模式与康普顿相机模式
当检测器组件在PET扫描模式下运行时，应当仅考虑触发与光源相对的两个传感器板(即，沿LOR)的事件。在质子治疗环境中，由于在质子输送期间瞬发伽马射线的潜在触发率高，因此在输送离子束时，可以选择性地完全禁用PET扫描模式。由于(在不确定性裕度内)明确定义了感兴趣成像体积(由处理体积和质子束路径定义)，因此可以定义有效的检测模块重合组，以丢弃感兴趣成像体积之外的任何重合事件。此外，可以定义一个或多个能量窗来拒绝与感兴趣的伽马能量不对应的事件。
例如，在康普顿相机模式下，可以只接受一个模块(模块内康普顿相机)内的两层被触发或两个相邻模块(模块内康普顿相机)中的单层被触发的事件。可以定义多个能量抑制窗口(其中能量是来自两个触发层的信号总和)，以便仅接受与已知瞬发伽马发射峰值对应的事件。为了进一步限制数据速率，在主要关注目标中的质子束范围的情况下，可以仅启用在质子束方向上图像重建分辨率最高的模块。
方位-轴向布置的传感器板的多路复用读出
在先前公开的布置中，以多路复用的方式或通过条带传感器读出径向堆叠的块，其主要缺点在于，这些布置对于检测前向康普顿散射伽马射线效率低下。前向散射的伽马射线可能在单个传感器板(如果未检测到散射的伽马射线)中相互作用，或是在通常径向对齐的两个传感器板中相互作用。在大多数情况下，无法分别重建两个相互作用位置。只有当康普顿散射使得两种相互作用发生在两个独立模块中(“模块间散射”，概率低)，或者添加了额外的散射/吸收传感器板或具有独立光子传感器的康普顿像素(增加复杂度)时，才能重建两个相互作用位置。具体而言，在用于检测瞬发伽马射线的能量(高达7MeV)下，小角度前向散射占主导地位。
为了克服径向堆叠多层配置的组合读出的固有缺点，提出了一种新的多路复用读出方案。发明人已经意识到，将公共读出传感器板布置在径向平面(而不是径向堆叠)中，而不是将来自紧凑布置、径向堆叠的传感器板的信息组合到公共读出通道中(具有之前讨论过的缺点)，将带来显著的功能和性能优势。通过对公共读出闪烁体板进行方位-轴向布置而不是径向布置，可以克服几个缺点。方位-轴向布置的传感器板如图28所示。
本文中的术语“径向-方位-轴向”是指PET扫描仪的闪烁体元件的公共圆柱形布置。此外，也可以采用术语“柱面坐标系”不直接适用的其他布置，例如球形、“盒状”、双头(图5e)、四头(图5f)或头盔状(例如，用于专用的脑部PET扫描仪)。然而，它们都有一个共同点，即闪烁体元件以某种方式布置在感兴趣体积周围。
图29示出了方位-轴向配置中2x2传感器板的多路复用读出配置的一个示例。每个传感器板具有多个光子传感器，例如8个光子传感器18。根据配置，多路复用电路33可以实现所连接的光子传感器18的模拟和。这将能够单独读出每个传感器板的和(S1-S4)，以及位于传感器板上特定位置(“右上”、“左上”等)处的所有光子传感器的和(E1-E8)。求和电路S1-S4能够识别发生闪烁事件的闪烁体板18，而E1-E8可以提供关于闪烁事件的空间信息。
通过对来自方位-轴向布置的块的光子传感器信号进行多路复用，保留了在减少读出通道数量方面的所有好处。有利地，该方案还允许独立读出径向分离的层。方位-轴向多路复用装置特别适合分辨电子-正电子湮没产生的511keV康普顿散射伽马射线。如果这些层足够薄，单条511keV伽马射线不太可能在同一传感器板上同时被康普顿散射和吸收。这一优势特别重要，因为这能够接受更大部分的入射511keV伽马射线。在传统PET扫描仪中，通常仅接受沉积能量为511keV(在仪器能量接受窗口内)的事件以拒绝康普顿散射伽马射线，并且仅接受511keV伽马射线被直接光电吸收的事件。其中一个原因是，传统像素化PET扫描仪不具有相互作用深度分辨率，并且无法明确地确定初始相互作用位置。然而，在本发明中，可以同时确定散射坐标和吸收坐标。根据感兴趣的伽马射线能量，可应用康普顿运动学规则来分辨发生散射的闪烁体板以及发生吸收的闪烁体板。时间序列也可以通过时间戳来确定。如果不能明确地确定时间序列，则可以使用概率加权LOR(PET)或康普顿锥体(康普顿相机成像)进行图像重建。此外，还可以利用关于主伽马射线的空间起源的先验知识来接受或拒绝LOR或康普顿锥。
通常，在PET扫描操作中能够分辨康普顿散射伽马射线的特性将显著提高检测器的总体灵敏度：同时检测到的511keV伽马射线的一小部分。
例如，考虑以下配置，即闪烁体的径向总厚度为20mm(例如，LYSO)，分为5个4mm厚的方位-轴向堆叠的模块。
即将出现在装置上的511keV伽马射线以某种方式相互作用的概率约为80％。然而，它被直接光电吸收的概率只有26％。因此，两条重合、反向平行的伽马射线同时被光电吸收的概率仅为0.26*0.26＝6.7％。这从根本上限制了传统PET扫描仪的灵敏度。
为了与发明人提出的方位-轴向多路复用传感器板进行比较，例如，假设可以明确分辨E1>100keV和E2>100keV的事件。除直接光电吸收事件之外，511keV伽马射线首先被康普顿散射然后在不同径向层中被光电吸收的概率为11.4％。因此，通过直接光电吸收或作为两级康普顿事件(散射+吸收)检测到511keV伽马射线的概率为26％+11.4％＝37.4％。重合检测的概率为0.374^2＝14％。
因此，本发明各实施例可以具有大约比传统检测器高2倍的总体灵敏度或有效重合检测率。需要一半数量的发射伽马射线来形成同等质量的图像。或者，替代地，在放射性药物环境中，可以显著减少注射的示踪剂同位素，以便将患者的暴露剂量降至最低。
边缘相邻光子传感器的组合信号读出
硅光电倍增管等常用光子传感器通常是正方形的，例如1x1mm、3x3mm、4x4mm或6x6mm，本发明提出的闪烁体板的精确尺寸可以与之相适应。在一种变体中，例如，预期的闪烁体板尺寸可以为48x48x3mm(3mm是径向厚度)。为了匹配径向厚度，3x3mm光子传感器将是合适的。在本发明的一种变体中，每个边缘的光子传感器数量应该至少为2个、3个、4个、5个、6个、7个或8个。然而，3x3mm的光子传感器相当于每个边缘16个通道。在本发明的一个有利实施例中，可以电子方式添加来自相邻光子传感器的信号，使得在数字化之前相邻光子传感器组作为一个整体读出，或者作为一个连接到多路复用电路的整体读出。图40示出了使用公共阳极电流求和将每个边缘的通道数减少4:1的示例。其他信号求和技术本身是已知的，用于解决有效传感器电容增加等问题，并且可以在本发明的各实施例中使用。
轴向视场扩展
在一个有利实施例中，至少两种方位相对的传感器板布置可以围绕患者或扫描对象旋转，以获取身体局部或全身PET和/或SPECT成像，如图38所示。该检测器可以与CT成像设备结合使用。该检测器还可以与MRI结合使用。该检测器可以获取动态图像(包含体积和时间信息的“4D”图像)。
大多数传统PET扫描仪的主要限制在于轴向FOV有限。由于必须增加更多光子传感器、读出通道和闪烁体材料，因此制造成本通常随着视场的扩展而呈线性增长。通过减小闪烁体径向厚度可以部分地降低成本，但这并不会减小必须由光子传感器覆盖的闪烁体面积。例如，考虑具有类似于传统PET扫描仪的轴向范围的线源，如图31中概念性示出的。为了同时检测靠近线源末端发射的湮没伽马射线，扫描仪或扫描对象必须轴向移动，从而延长成像时间，并且使得沿线源的动态成像过程具有挑战性。然而，本发明的轴向FOV可以通过简单地在轴向方向上重新布置传感器板来增大，如图30所示，而不会增加或极少地增加成本。当闪烁体的径向总厚度减小时，重合概率有所降低，这通过增大FOV来补偿。此外，通过采用方位-轴向多路复用配置，能够接受康普顿散射事件，从而显著提高总体灵敏度。轴向灵敏度的比较如图32所示。
如图36所示，将传感器板配置从单个径向层更改为两个或多个径向层实际上可以提高重合检测的概率，即使闪烁体总厚度减小也是如此。例如，闪烁体径向厚度为20mm的单层配置的有效重合吸收概率类似于总厚度为15mm的2层配置或总厚度为10mm的4-6层配置的有效重合吸收概率。因此，本发明的优势在于，可以显著减小闪烁体的总体积以及光子传感器需要覆盖的总面积，从而降低总成本和/或增大轴向FOV。
例如，闪烁体径向厚度可以小于40mm、30mm、20mm、15mm或10mm，分布在至少两个闪烁体板上。
在正面耦合检测模块中，考虑到重合检测的概率，约20mm的闪烁体径向厚度通常被视为具有成本效益的PET扫描的最佳选择。在本发明的一个有利实施例中，由于康普顿散射伽马射线也可以接受为有效事件，因此可以减小闪烁体径向厚度，例如小于19mm。
在一个有利实施例中，方位-轴向多路复用配置也可以调整为包括多个径向间隙，如图33所示，其中示出了具有以3x3方式多路复用的2+2+2径向堆叠的闪烁体块的配置。这种配置可充当PET扫描仪、2级康普顿相机和3级康普顿相机。传感器板之间的径向气隙也可以改善散热。
例如，多路复用的传感器板可以1x2、1x3、1x4、2x2、2x3、2x4、3x3、3x4、4x4、4x5或5x5的方式布置在方位-轴向阵列中。
功能组合和用途
不同实施例的特征在实施例之间是可互换的，并且可以不同的方式组合，另有具体说明的情况除外。尽管下面的描述中提出了许多具体细节以便更透彻地理解本发明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。本领域技术人员认为实现本发明的电子设备、传感器系统、图像分析、信号处理、数据通信系统、图像采集系统和其他组件中的基本和传统技术易于理解，因此为了简洁起见，本说明书中将省略进一步的解释和细节。
根据本发明实施例的检测系统还可用于其他类型的核成像，例如3γ发射的成像，或发射一个正电子(产生重合、相对的511keVγ-s，当检测到它时，产生沿光源所在位置的LOR 27)和另一个γ(在光源所在位置处产生康普顿锥25)的同位素的成像。结合来自LOR和康普顿锥的信息，能够以非常高的精度对可能的同位素位置进行三角测量，尤其是在离子束治疗环境中，其中感兴趣体积是众所周知的，如图27所示。
在WO 2018/081404 A1中，公开了一种径向堆叠的边缘检测检测器，每层具有单独的光子传感器。与1:1主面耦合PET扫描仪相比，使用单层显著减少了通道数量。然而，通道数量随着层数而呈线性增加。根据本发明的一个方面，采用跨越多层的条带光子传感器与耦合到单层的像素光子传感器的组合，即使是多层检测器的通道数也会显著减少，同时使得能够通过像素检测器识别闪烁事件发生在哪一层。
根据本发明的另一个方面，使用双端条带光子传感器，从而利用两端之间的时间差来分辨闪烁事件发生在哪一层。因此，读出的总数并不取决于模块中的层数。这种解决方案的优势在于，不需要特定于层的像素。相互作用深度分辨率仅受定时精度和闪烁体板数量的限制。
根据本发明的另一方面，检测系统使用相邻模块作为康普顿相机(“模块间康普顿相机”)的散射器模块/吸收器模块。由于相互作用深度分辨率，这种配置对因伽马射线以一定角度进入检测器而产生的视差具有更强的稳健性。因此，与传统的圆形布置相比，扫描对象周围的检测模块的非圆形布置(例如，六角形、八角形或其他多边形)将提高在两个不同模块中检测前向散射伽马射线的概率。
根据本发明的另一方面，提供了一种电光快门，用于暂时阻挡来自选定层的光信号。具体而言，当利用跨越多层的条带检测器读出堆叠的检测器时，这是有利的。例如，电光快门可用作在功能上将径向最靠近成像对象的一些层转换为“伽马滤波器”的方法。在以下情况下，这是一项有用的功能：瞬发伽马射线的瞬时速率如此之高，以至于在所有层均光学激活的情况下检测器会饱和。通过暂时阻挡来自最靠近目标的层的光，这些近端层将在不遮蔽检测器的情况下吸收一部分瞬发伽马射线。然后，检测器的总计数率将降低。
根据本发明的另一方面，概念上相同的模块(每个模块包括闪烁体板、光子传感器和读出电子设备)的布置可以设置为用作组合式PET扫描仪和康普顿相机，其中径向偏移的模块组用作两级康普顿相机中的吸收器。从制造和成本的角度来看，这种配置是有利的，同时也易于定制。
根据本发明的另一方面，提供了一种具有多路复用读出的传感器板的方位-轴向布置。具体而言，这有利于在感兴趣体积周围的大立体角上检测用于PET扫描和康普顿相机功能的康普顿散射伽马射线并减小视差。
现有技术参考
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[7]Georgy Shakirin等人，2011年，Phys.Med.Biol.56 1281(Shakirin2011)(《医学与生物学物理学》，第56卷，第1281页(Shakirin2011))：https://doi.org/10.1088/ 0031-9155/56/5/004
[8]Rohling等人，2017年，Phys.Med.Biol.,at press(Rohling2017)(《医学与生物学物理学》，正在排印，(Rohling2017))：https://doi.org/10.1088/1361-6560/aa6068
[9]Antje-Christin Knopf和Antony Lomax，2013年，Phys.Med.Biol.58R131(Knopf2013)(《医学与生物学物理学》，第58卷，R131(Knopf2013))
[10]Jan等人，2017年，Med.Phys.44(12),December 2017(Jan2017)(《医学物理学》，第44卷(第12期)，2017年12月(Jan2017))(https://doi.org/10.1002/mp.12626)
[11]K.Doroud、M.C.S.Williams、K.Yamamoto(Doroud2017)，The Strip SiliconPhoto-Multiplier:An innovation for enhanced time and position measurement,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,Volume 853,2017,Pages 1-8,ISSN 0168-9002(“条带硅光电倍增管：用于改进时间和位置测量的创新”，《物理研究中的核仪器与方法A辑：加速器、光谱仪、探测器和相关设备》，第853卷，2017年，第1-8页，ISSN0168-9002)
附图中引用的元素列表
患者5
目标区域(例如，肿瘤)4
离子束治疗系统6(例如，质子束治疗系统)
患者支架7
离子束发射器8
离子束1
扫描磁铁2
射束强度和剖面监测器3
伽马射线检测系统10
康普顿相机11
PET扫描仪12
检测模块组件13、13a、13b、13c
开口42
检测模块14、14a、14s
散射器部分/块15s
吸收器部分/块15a
传感器板16、18
闪烁体板16
散射层16s
吸收层16a
主表面40a
横向次表面40b(也称为“边缘”)
闪烁体棒16p
径向间隙17
光子传感器18
单层光子传感器18a(也称为“光子传感器像素”或仅称为“像素”)
耦合到闪烁体棒16p的光子传感器18p
交叉线连接布置18c
条带多层光子传感器18b(也称为“光子传感器条带”或仅称为“条带检测器”)
光子传感器支架(板)20
检测器-闪烁体光界面22
电光快门(EOS)24
边缘光扩散器26
层间反射器28
光部分阻挡层/吸收器29
低折射率间隙31
信号处理和控制系统30
电路板32
多路复用电路33
电子元件34(例如，微处理器、存储器、FPGA等)
连接器36a、36b
伽马射线21
正电子伽马射线21a
瞬发伽马射线21b
光源23
康普顿锥25
响应线(LOR)27
康普顿锥-LOR交叉点27b
感兴趣体积(目标区域)27c
闪烁光射线53
主面耦合检测模块50
闪烁体阵列51
光子传感器阵列52

Claims (26)

1.一种伽马射线检测系统(10)，所述伽马射线检测系统(10)包括检测模块组件(13、13a、13b、13c)，所述检测模块组件(13、13a、13b、13c)包括至少两个检测模块(14、14a、14s)，所述至少两个检测模块(14、14a、14s)被配置为对目标区域(4)进行正电子发射断层(PET)扫描；每个检测模块包括：多个堆叠的单片闪烁体板(16)，每个单片闪烁体板(16)具有被定向为大致面向所述目标区域的主表面(40a)和限定所述闪烁体板的边缘的横向次表面(40b)，所述主表面的表面积大于所述横向次表面的表面积；以及，多个光子传感器(18)，安装在所述边缘中的每个边缘上，被配置为从入射到所述主表面上的伽马射线检测和确定所述闪烁体板中的闪烁事件在所述主表面的平面内的位置；其中，所述伽马射线检测系统还被配置为用作康普顿相机，至少一个并非最靠近所述目标区域的闪烁体板的闪烁体板被配置为所述康普顿相机的吸收器闪烁体板。
2.根据权利要求1所述的伽马射线检测系统，其中，至少两个径向堆叠的闪烁体板的多个光子传感器连接到处理电路，所述处理电路被配置为对所述多个光子传感器的读出进行多路复用。
3.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，至少两个方位-轴向布置的闪烁体板的多个光子传感器连接到处理电路，所述处理电路被配置为对所述多个光子传感器的读出进行多路复用。
4.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，所述伽马射线检测系统包括至少一个径向间隙(17)，所述至少一个径向间隙(17)位于所述多个堆叠的闪烁体板中的至少两个闪烁体板之间或位于所述至少两个检测模块之间。
5.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，所述径向间隙的高度H与所述多个闪烁体板中的一个闪烁体板的厚度T之间的关系通常可以在200>H/T>2范围内，优选地在50>H/T>10范围内。
6.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，所述多个光子传感器包括在多个层的边缘上延伸的至少一个条带多层光子传感器(18b)。
7.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，所述伽马射线检测系统包括位于所述多个堆叠的闪烁体板的每个边缘侧的多个所述条带多层光子传感器。
8.根据本项之前的两项权利要求中任一项所述的伽马射线检测系统，其中，所述至少一个条带多层光子传感器是双端条带检测器，所述双端条带检测器被配置为测量两端信号的到达时间。
9.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，所述多个光子传感器包括至少一个单层光子传感器(18a)，所述至少一个单层光子传感器(18a)位于每个闪烁体板的至少一个边缘上，优选地位于每个闪烁体板的至少两个边缘上。
10.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，一行/一列的所述单层光子传感器以交叉线连接布置(18c)互连，使得所述读出是多个互连单层光子传感器的信号总和和/或加权总和。
11.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，所述伽马射线检测系统还包括位于所述闪烁体板中的至少两个闪烁体板之间的光反射界面层(28)和光吸收界面层(29)。
12.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，所述伽马射线检测系统还包括位于所述闪烁体板中的至少两个闪烁体板之间的低折射率间隙，例如气隙。
13.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，所述伽马射线检测系统还包括位于至少一个闪烁体板的边缘与所述光子传感器之间的电光快门(24)。
14.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，所述电光快门包括光扩散器材料和厚度，其被配置为扩散所述边缘附近的闪烁事件中的光。
15.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，所述闪烁体板的所述主表面的表面积S和所述闪烁体板的厚度T在以下范围内：100mm2<＝S<＝40000mm2，0.5mm<＝T<＝30mm。
16.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，所述检测模块组件环绕目标区域并包括间隙(42)或孔，所述间隙(42)或孔用于通过其发射离子束。
17.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，所述径向间隙满足关系式H/(T1+T2)>5，其中，T1和T2是环绕所述径向间隙的所述两个闪烁体的厚度，H是所述径向间隙的高度。
18.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，所述多个堆叠的单片闪烁体板的径向总厚度小于19mm。
19.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，所述伽马射线检测系统包括两个径向堆叠的闪烁体板，其中所述径向内闪烁体板的厚度与所述闪烁体的径向总厚度之间的比率在0.2-0.6范围内。
20.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，单个闪烁体板的光子传感器的光子传感器偏置电压可以独立调整或启用/禁用。
21.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，耦合到至少两个径向堆叠的闪烁体板的光子传感器连接到处理电路，所述处理电路被配置为应用康普顿运动学规则来确定两个重合块事件是否对应于吸收之后的前向或后向散射的康普顿散射。
22.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，所述处理电路被配置为拒绝似乎源自从径向向外方向进入所述检测器的主伽马射线的事件。
23.根据本项之前的两项权利要求中任一项所述的伽马射线检测系统，其中，所述处理电路被配置为利用光电吸收的相互作用坐标作为源自电子-正电子湮没的小角度前向康普顿散射伽马射线的LOR终点。
24.根据本项之前的三项权利要求中任一项所述的伽马射线检测系统，其中，所述处理电路被配置为丢弃超过可配置的主伽马射线能量相关散射角的康普顿散射事件，以提高角度分辨率。
25.根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，其中，在数字化或其他多路复用电路之前，添加来自相邻光子传感器的模拟信号。
26.一种用于对组织区域进行离子束照射的离子束治疗系统(6)，所述离子束治疗系统(6)包括：患者支架(7)；可围绕至少一个旋转轴线相对移动的离子束发射器(8)；以及，根据前述任一项权利要求所述的伽马射线检测系统，被配置为在离子束照射期间、之间和之后进行瞬发伽马射线检测和PET扫描。
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