CN116529634A - 渐缩的闪烁体晶体模块及其使用方法 - Google Patents

渐缩的闪烁体晶体模块及其使用方法 Download PDF

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CN116529634A CN202180053975.9A CN202180053975A CN116529634A CN 116529634 A CN116529634 A CN 116529634A CN 202180053975 A CN202180053975 A CN 202180053975A CN 116529634 A CN116529634 A CN 116529634A
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Abstract

提供了渐缩的闪烁体模块和具有渐缩的闪烁体模块的检测装置，所述渐缩的闪烁体模块至少在接触光学传感器的端部渐缩，其中渐缩取决于闪烁体模块在光学传感器的有效面积内的位置。闪烁体模块的渐缩可以靠近光学传感器和模块之间的界面，以最小化界面处到邻近像素的光泄漏，同时，由于远端可以不渐缩，这对于基于光电吸收的比尔‑朗伯定律的伽马射线相互作用具有最高可能性，因此仍然允许检测装置保持高几何效率和对入射伽马射线的灵敏度。

Description

渐缩的闪烁体晶体模块及其使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2020年9月2目的美国临时申请序列号63/073,785的权益和优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开总体上涉及辐射成像的领域，尤其涉及正电子发射断层摄影(PET)。
背景技术
用PET成像是一种强大的技术，主要用于癌症和神经精神疾病的诊断、治疗选择、治疗监测和研究。尽管PET具有较高的分子特异性、定量特性和临床可用性，但主要由于其相对较差的空间分辨率，PET尚不能释放其作为可靠的分子成像模式的全部潜力。在这种空间分辨率下，当前的装置不可能测量与疾病病因学和病理生理学相关的许多人类和啮齿动物大脑区域中以及小结节中的目标密度。
用于PET的检测器系统需要厚的、高密度的闪烁体晶体模块，从而可以有效地检测PET中使用的高能(511KeV)伽马射线。具有高几何效率(例如，闪烁体晶体模块之间的最小间隙或间距)对于在PET中实现高伽马射线检测灵敏度(以及提高空间分辨率)也是至关重要的。
已经开发了深度编码PET检测器模块来减轻长闪烁体晶体的视差误差(响应线的错误定位)。这使得小直径PET环具有降低的每个检测器环的部件成本，用于增加灵敏度的大立体角覆盖范围，以及当使用具有小横截面积的晶体时湮灭伽马射线共线性对空间分辨率的降低贡献。此外，相互作用深度(DOI)信息可以用于解卷积长晶体中的光子传输，从而改进时间分辨率和空间分辨率的均匀性。另外，已知的PET系统具有飞行时间(TOF)读出能力，其通过准确估计伽马射线源位置来提高信噪比(SNR和灵敏度)。
然而，在(一个或多个)已知的DOI-PET检测器模块中，如具有耦合到闪烁体模块远端(远离光学传感器)的光导的那些模块，在闪烁体模块之间的间距(间隙)和DOI/TOF性能之间存在折衷。这是因为大多数光子从闪烁体模块的边缘与传感器阵列相互作用。减小相邻的闪烁体模块之间的间距(间隙)会增加临近像素的光泄漏，这可能有损于TOF和DOI性能。值得注意的是，TOF可能与DOI相关。然而，由不完全耦合引起的到与主像素相邻的像素的光学光子泄漏(光泄漏)削弱了这种相关性。
此外，闪烁体模块的一部分与光学传感器之间的间隙(像素间隙)重叠会导致沿边缘的信号损失。
发明内容
因此，公开了一种粒子检测装置，其可以包括被布置成二维阵列的光学传感器阵列和多个闪烁体模块。相邻的光学传感器之间可以有第一间隙。每个光学传感器可以对应于一个像素。每个光学传感器可以具有有效面积。至少一个闪烁体模块可以对应于阵列中的相应光学传感器。每个闪烁体模块可以具有第一端和第二端。第一端可以与对应的光学传感器接触。相邻的闪烁体模块之间可以有第二间隙。第二间隙被定义为相邻的闪烁体模块之间的最小间隙。与对应的光学传感器的有效面积的边界相邻的闪烁体模块可以在第一端具有渐缩(tapered)部分，使得当沿着纵轴方向观察时，第一端的第一横截面积与有效面积重叠。第一横截面积被定义为垂直于纵轴。第二间隙可以小于第一间隙。
在本公开的一个方面，在第二端的第二横截面积可以大于第一横截面积。第二横截面积被定义为垂直于纵轴。在本公开的一个方面，当沿着纵轴方向观察时，第二端的第二横截面积的至少一部分可以与第一间隙重叠。
在本公开的一个方面，第一横截面积的形状可以是大致圆形的。
在本公开的一个方面，在闪烁体模块和光学传感器之间可以存在一对一的对应关系(一对一的耦合)。第一横截面积可以是矩形的，并且在第一端的所有四个侧面都可以渐缩。
在本公开的其他方面，在闪烁体模块和光学传感器之间可以有四对一的对应关系(四对一的耦合)。在本公开的一个方面，每个闪烁体模块的第一横截面积可以由多个侧面来限定，并且闪烁体模块的面向有效面积的相应边界的至少两个侧面可以在第一端渐缩。在其他方面，可以只有闪烁体模块的面向有效面积的相应边界的侧面在第一端渐缩。
在本公开的一个方面，渐缩部分可以具有在平行于纵轴的方向上的渐缩长度，并且所述渐缩长度可以小于在平行于纵轴的方向上距第一端和第二端的长度的三分之一。对于具有渐缩部分的每个闪烁体模块，渐缩长度可以是相同的。
在本公开的一个方面，闪烁体模块在纵向上可以是约20mm长。在该方面，渐缩长度可以约为5mm。
在本公开的一个方面，第二横截面积可以是约1.5mm x约1.5mm，第一横截面积可以是约1.4mm x约1.4mm。有效面积可以是约3.0mm x 3.0mm。
在本公开的一个方面，该装置还可以包括光导。光导可以是分段的。在本公开的一个方面，分段光导可以包括多个拟柱体(prismatoid)。每个拟柱体可以被配置成在闪烁体模块的第二端之间重定向辐射粒子。在本公开的一个方面，光导的段可以与光学传感器偏移，使得与第一光学传感器接触的第一闪烁体模块和与第二光学传感器接触的第二闪烁体模块与同一段接触。
在本公开的一个方面，该装置还可以包括反射体。在本公开的一个方面，反射体可以位于光导上。在其他方面，反射体可以位于光导的段之间。在另一方面，反射体可以位于包括在渐缩部分之间的空隙中的每个闪烁体模块与另一闪烁体模块之间。
在本公开的一个方面，某些闪烁体模块的第二端可以具有第二渐缩部分。第二渐缩部分的纵向长度可以小于所述渐缩部分的纵向长度。
在本公开的一个方面，由于所述段与光学传感器偏移，因此可以在第二端渐缩的闪烁体模块的侧面可以不同于可以在第一端渐缩的闪烁体模块的侧面。
还公开了一种粒子检测装置，其可以包括被布置成二维阵列的光学传感器阵列和可以对应于相应光学传感器的多个闪烁体模块。相邻的光学传感器之间可以有第一间隙。每个光学传感器可以对应于一个像素。每个光学传感器可以具有有效面积。每个闪烁体模块可以具有第一端和第二端。第一端可以与其对应的光学传感器接触。相邻的闪烁体模块之间可以有第二间隙。第二间隙被定义为相邻的闪烁体模块之间的最小间隙。对应于相应光学传感器的多个闪烁体模块的至少子集可以在第一端具有渐缩部分。渐缩部分的位置可以取决于闪烁体模块在有效面积内的相对位置和有效面积的相应边界。第二间隙可以小于第一间隙。
在本公开的一个方面，该装置还可以包括反射体，其位于包括在渐缩部分之间的空隙中的每个闪烁体模块与另一闪烁体模块之间。
在本公开的一个方面，位于有效面积的角落的闪烁体模块可以有至少两个侧面在第一端渐缩，使得当沿着纵轴方向观察时，第一端的第一横截面积与有效面积重叠。第一横截面积被定义为垂直于纵轴。在其他方面，只有位于有效面积的角落的闪烁体模块的两个侧面在第一端渐缩。
在本公开的一个方面，位于在有效面积的角落且对准的其他闪烁体模块之间的闪烁体模块可以仅有一个侧面在第一端渐缩，使得当沿着纵轴方向观察时，第一端的第一横截面积与有效面积重叠。所述一个侧面可以面向所述有效面积的边界。
在本公开的一个方面，有其他闪烁体模块位于所述闪烁体模块与有效面积的边界之间的闪烁体模块在第一端可以不具有渐缩部分。
附图说明
本专利的文件包含至少一幅彩图。将由专利商标局应请求并在支付必要费用的情况下提供具有(一幅或多幅)彩图的本专利的副本。
图1示出了根据本公开的方面的粒子检测装置的表示的截面图，其中存在闪烁体模块到光学传感器的四对一耦合；
图2示出了根据本公开的方面的光学传感器的视图，相对于光学传感器示出了闪烁体模块的渐缩端(第一端)和非渐缩端(第二端)，其中存在闪烁体模块到光学传感器的四对一耦合；
图3示出了传感器阵列与闪烁体模块的视图，示出了闪烁体模块的渐缩和非渐缩壁(部分)，其中存在闪烁体模块到光学传感器的四对一耦合；
图4示出了闪烁体模块的非渐缩端(第二端)和渐缩端(第一端)的并排视图；
图5A和5B示出了对比已知粒子检测装置与根据本公开的方面的粒子检测装置中的泄漏的并排视图；
图6示出了根据本公开的其他方面的粒子检测装置的表示的截面图，其中存在闪烁体模块到光学传感器的一对一耦合；
图7示出了传感器阵列与闪烁体模块的视图，示出了闪烁体模块的渐缩和非渐缩壁(部分)，其中存在闪烁体模块到光学传感器的一对一耦合；
图8示出了根据本公开的其他方面的粒子检测装置的表示的截面图，其中存在闪烁体模块到光学传感器的九对一耦合；
图9示出了传感器阵列与闪烁体模块的视图，该闪烁体模块基于有效面积内的相对位置而渐缩，其中存在闪烁体模块到光学传感器的九对一耦合；
图10示出了根据本公开的其他方面的粒子检测装置的表示的截面图，其中根据本公开的方面，某些闪烁体模块的第一端和第二端渐缩；
图11至15示出了根据本公开的方面制造的具有渐缩的第一端的闪烁体模块的不同视图，其中存在闪烁体模块到光学传感器的四对一耦合，其中图14和15还示出了传感器阵列；
图16和17示出了根据本公开的方面制造的其他闪烁体模块的不同视图，某些闪烁体模块在第一端和第二端渐缩，其中渐缩的侧面(部分)在第一端和第二端是不同的，其中存在闪烁体模块到光学传感器的四对一耦合，其中图17还示出了传感器阵列；
图18示出了图表，示出了两种不同的时间戳方法的相互作用深度与飞行时间之间的相关性；以及
图19A至19C示出了图表，示出了相互作用深度的三个计算参数，其中图19A示出了基于能量的DOI，图19B示出了基于使用一个时间戳的时间，并且图19C示出了基于使用三个时间戳(求平均)的时间。
具体实施方式
根据本公开的方面，某些闪烁体模块的最靠近光学传感器120的端部渐缩，从而减少了到相邻或邻近像素(不同的光学传感器)的不期望的光子(光)泄漏。根据本公开的方面，当在纵向上观察时，这些闪烁体模块的最靠近光学传感器的端部将不会与传感器GD之间的间隙重叠，这也减少了沿边缘的信号损失。同时，几何效率(相邻模块之间的间隙，由相邻模块之间的最小间隙确定)得以保持，这使得能够实现高伽马射线检测灵敏度。由于闪烁体模块的远端可以不渐缩，因此可以具有完整宽度，由于基于光电吸收的比尔-朗伯定律，远端具有伽马射线相互作用的最高概率，因此效率得以保持。
根据本公开的方面，闪烁体模块可以以不同的配置来布置。例如，图1示出了闪烁体模块布置的示例。在图1中，对于每个光学传感器120，有四个闪烁体模块100，尽管图1是仅示出每个光学传感器120两个闪烁体模块的截面图。图2和图3中示出了四个闪烁体模块。
每个闪烁体模块100可以由硅酸钇镥(LYSO)晶体制成。闪烁体模块100不限于LYSO，并且可以使用在存在入射伽马辐射的情况下发射光子的其他类型的晶体，如硅酸镥(LSO)。闪烁体模块100的一端可以与光学传感器120接触(第一端107)。
在本公开的一个方面，光学传感器120可以是硅光电倍增器(SiPM)。在本公开的其他方面，光学传感器120可以是雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩(SPAD)、光电倍增管(PMT)、硅雪崩光电二极管(SiAPD)。这些是可以使用的固态检测器的非限制性示例。虽然在图1中，光学传感器120被示为分离的，但是光学传感器120可以被制造在单个封装或板中，在传感器之间具有空隙(有效面积300)。图14和15示出了封装或板的示例(传感器阵列300)。装置1中的光学传感器120(像素)的数量可以是基于PET系统的应用和尺寸。在本公开的一个方面，光学传感器120可以被设置成二维阵列，如8x 8的阵列。二维阵列形成在垂直于闪烁体模块的纵轴的平面中。图1中示出了纵轴的方向。出于描述的目的，纵轴是z方向，并且二维阵列是x-y方向。光学传感器120被设置成阵列，使得存在传感器间隙GD 117(在图1中用双端箭头示出)。图1中的四个点指示在该视图中未具体示出的阵列中的其他传感器/模块。
在8x8的阵列的情况下，闪烁体模块100被设置成16x16的阵列(以实现模块100与光学传感器120之间的四对一耦合)。闪烁体模块100被布置成具有模块间隙GS 119。这里所指的模块间隙GS定义了x方向或y方向上相邻或邻近的闪烁体模块之间的最小距离(非渐缩部分)。模块间隙GS 119的示例在图1中用双端箭头示出。
根据本公开的方面，模块间隙GS 119＜传感器间隙GD 117，使得检测装置1具有高伽马射线检测灵敏度。由此，存在图1中所示的重叠面积121，闪烁体模块100与传感器间隙GD在这里重叠(在纵向上观察)。重叠面积121示出在两条虚线之间。
闪烁体模块100的第二端109(相对于光学传感器120的远端)与光导110接触。光导110可以是任何光导，如单个均匀波导。光导100被配置用于闪烁体模块100之间的晶体间光共享，包括不同像素的模块100之间或与不同光学传感器120相关联的模块100之间。
在其他方面，光导110可以是如图5B所示的分段光导110A。每个段被配置成在某些闪烁体模块之间重定向粒子。在美国专利公开号2020/0326434中描述了分段光导的一个示例，其公开内容通过引用结合于此。每个段的位置(在x方向或y方向上)从光学传感器120偏移。如图5B所示，光导的一个段接触与第一光学传感器(例如，传感器1)相关联的闪烁体模块和与第二光学传感器(例如，传感器2)相关联的另一闪烁体模块，使得光可以在相邻像素之间共享。在本公开的一个方面，每个段仅耦合属于不同光学传感器(像素)的闪烁体模块。
光导110A的每个段可以包括拟柱体。在本公开的一个方面，拟柱体的形状可以大致为以下中的至少一个：至少一个棱柱体、至少一个反棱柱体、至少一个截头锥体、至少一个三角形、至少一个圆顶、至少一个平行六面体、至少一个楔形体、至少一个棱锥体、至少一个截棱锥、球体的至少一部分、至少一个长方体和至少一个棱锥体。
段的使用提高了晶体间的光共享率，从而提高了晶体识别和DOI分辨率。在本公开的一些方面，取决于闪烁体阵列内的段的位置，可以使用不同设计的拟柱体。例如，可能有三种不同的设计：角落拟柱体、中心拟柱体和边缘拟柱体，其中角落拟柱体和边缘拟柱体被设计用于减轻边缘和角落伪影。
某些闪烁体模块100具有渐缩部分105。在本公开的一个方面，渐缩部分105位于第一端107。如图1所示，闪烁体模块100的壁向内倾斜。平行于纵轴并沿着(也平行于纵轴的)闪烁体模块的壁或表面延伸的虚拟线与渐缩壁限定了角度A(锐角)。在本公开的一个方面，渐缩导致第一端107(接触端)不与传感器间隙GD重叠(换言之，第一端仅与传感器120的有效面积重叠)。尽管图1示出了渐缩壁(渐缩的起点与传感器表面之间的壁)是直的(直线轮廓)，但是在其他方面，该壁可以是弧形的(弯曲轮廓)。因为第一端107仅与光学传感器120的有效面积310重叠，而不与传感器之间的间隙GD重叠，因此减少了由于光子泄漏导致的沿边缘的信号损失。
在本公开的一个方面，角度A被选择为确保第一端107不与传感器间隙GD重叠，但同时角度A不会过陡以至于光子被反射离开渐缩壁的表面而保留在闪烁体模块100内(并且未被检测到)。
在本公开的另一方面，渐缩的起点可以被选择为保持高灵敏度。例如，如果渐缩在第二端109附近开始，并且一直到第一端107都逐渐渐缩，则灵敏度会降低，因为重叠面积121会很小，并且如上所述，与传感器阵列相互作用的大部分光子是来自闪烁体模块的边缘。在第二端109附近开始渐缩增加了纵轴上较长长度上的相邻闪烁体模块之间的距离。在本公开的一些方面，渐缩可以在比第二端109更靠近第一端107的地方开始。例如，渐缩可以在第一端107和第二端109之间不到一半的地方开始。在本公开的其他方面，渐缩可以在第一端107和第二端109之间的约1/3处开始(更靠近第一端107)。
如图1所示，装置1还可以包括反射体115。反射体115可以包括硫酸钡BaSO4。在其他方面，反射体115可以包括其他反射材料。在本公开的一个方面，反射体115A可以用在每个闪烁体模块100之间。此外，在本公开的一个方面，由渐缩部分105产生的空隙也可以填充有反射体115A。在附图中，为了强调由渐缩部分产生的间隔也可以填充有反射体，该空隙中的反射体115A是用与闪烁体模块之间的间隙(119)中的反射体115A不同的混合标示(hashing)示出的。反射体115A可以由与反射体115相同的材料制成，诸如但不限于硫酸钡BaSO4。这种材料具有高空间性能，不会降低能量和时间分辨率。在使用分段光导110A的情况下，反射体115也可以填充分段光导110A的段之间的任何空隙。
图2示出了闪烁体模块的第一端(第一端107，其渐缩)和闪烁体模块的第二端(第二端109，其可以不渐缩)与光学传感器120之间的关系。如图2所示，第二端109具有不与传感器120(有效面积)重叠的部分，而第一端107(渐缩)与传感器120重叠，并且不具有不与传感器120重叠的部分。
在本公开的一个方面，面向光学传感器120的边界或边缘的闪烁体模块100的壁可以渐缩。图3示出了传感器阵列300的示例。四个点表示阵列中的其他传感器/闪烁体模块(为了图示的目的，具体示出了四个传感器)。每个传感器120具有有效面积310(定义一个像素)。每个有效面积具有四个由边缘或边界定义的边。如图3所示，面向有效面积的边界或边缘的闪烁体模块的壁(边界壁305)可以渐缩。这些壁在图3中用虚线示出。另一方面，不面向有效面积的边界或边缘的闪烁体模块的壁(内壁)可以不渐缩(非渐缩壁315)，以保持高伽马射线检测灵敏度。
图4并排示出了渐缩端(第一端107)与非渐缩端(第二端109)的相对尺寸的示例。第一端107具有第一横截面积400，并且第二端109具有第二横截面积405。第一横截面积400和第二横截面积405是垂直于纵轴的面积(例如，x-y平面中的面积)。第一横截面积400是与光学传感器120接触的面积。第二横截面积405是与光导110/110A接触的面积。
如图4所示，传感器阵列300是8x8的(如上所述)，并且存在四对一耦合(因此，存在16x16的闪烁体模块阵列)。从图4中可以看出，与不同光学传感器相关联的闪烁体模块之间的空隙410大于闪烁体模块间隙GS 119。该空隙410可以大于或等于传感器间隙GD 117。换言之，第一横截面积400不必到达有效面积310(像素)的边界。组415内的闪烁体模块100之间的间隔(在第一端)小于组间(各组415之间)的间隔(空隙410)。如图4所示，在组415中有四个闪烁体模块100，例如四对一耦合。
图2至图4示出了大致具有矩形形状的第一端(第一横截面积400)。然而，在本公开的其他方面，第一横截面积可以具有其他形状。形状可以根据制造过程和公差。例如，形状可以大致是圆形的。例如，渐缩部分105可以看起来是圆锥形的。
在形状为圆形的情况下，渐缩部分105可以仅对应于面向有效面积的边界或边缘的部分，如半个圆。形状可以是方形、鲁洛三角形、球形三角形、六边形、五边形、八边形等。
图5A和图5B示出了具有非渐缩闪烁体模块100A的检测装置的一部分和根据本公开的方面的具有其中某些模块具有渐缩部分105的闪烁体模块100的检测装置。如图5A所示，由于第一端延伸到光学传感器之外(与传感器之间的间隙重叠)，光可能泄漏并且灵敏度降低。相比之下，根据本公开的方面，由于第一端107渐缩(具有渐缩部分105)，其中第一端107不延伸到间隙GD中并且不延伸到光学传感器120的有效面积310之外，因此减少了不期望的泄漏，例如最小化不期望的泄漏，并且在一些情况下，任何泄漏可能低于背景噪声水平并且因此可能无法检测到。
检测装置1可以具有其他配置(除了四对一耦合)。例如，检测装置1A可以具有如图6和图7所示的一对一耦合配置。闪烁体模块100B和光学传感器120被布置成二维阵列。闪烁体模块100B具有闪烁体模块间隙GS 119A。间隙的尺寸可以不同于四对一耦合配置中的间隙尺寸。闪烁体模块100B作为重叠面积121A，在该重叠面积121A中，当在纵轴方向上观察时，闪烁体模块100B与传感器间隙/间距GD 117重叠。在图6中，出于描述目的，示出了两个传感器120(例如，传感器1和传感器2)，其他传感器由四个点表示。
闪烁体模块100B可以在第一端107A具有渐缩部分105A。由于在该配置中，每个光学传感器120只有一个闪烁体模块100B，因此在纵轴方向(z方向)上延伸的闪烁体模块100B的所有壁(侧面)都是边界壁(靠近有效面积的边界或边缘)，因此所有的壁都可以渐缩。图7示出了传感器阵列300的示例，为了描述的目的，具体示出了四个传感器。阵列中的其他传感器由四个点表示。在图7中，渐缩的边界壁305用虚线标识。
虽然图7示出了四个渐缩壁，但是在本公开的其他方面，少于四个壁可以渐缩。例如，在光学传感器位于传感器阵列的角落的情况下，不与其他传感器120相邻的壁(侧面)可以不渐缩。
图8和图9示出了根据本公开的方面的另一检测装置1B的表示。检测装置1B具有九对一的耦合配置。九个闪烁体模块100对应于一个传感器120。在图8中，出于描述目的，示出了两个传感器120(例如，传感器1和传感器2)，其他传感器由四个点表示。
闪烁体模块100/100A和光学传感器120被布置成二维阵列。闪烁体模块100/100A具有闪烁体模块间隙GS 119B。该间隙的尺寸可以不同于四对一耦合配置或一对一耦合配置中的间隙尺寸。闪烁体模块100具有重叠面积121B，在该重叠面积121B中，当在纵轴方向上观察时，闪烁体模块与传感器间隙GD 117重叠。
根据本公开的方面，某些闪烁体模块可以在第一端107B渐缩。渐缩可以是基于闪烁体模块相对于有效面积310的相对位置，例如，与有效面积310的边界或边缘相邻。在闪烁体模块100A不与有效面积310的边界或边缘相邻的情况下，闪烁体模块100A可以不渐缩。然而，在闪烁体模块100位于有效面积310的边界或边缘附近的情况下，闪烁体模块100的一个或多个壁可以渐缩。在本公开的一个方面，渐缩部分105B可以在第一端107B。类似于上文，渐缩使得在第一端107B没有与传感器间隙GD 117重叠的面积或部分(即使在渐缩部分105B的远端可能有重叠面积121B)。
在本公开的一个方面，渐缩的壁的数量也可以取决于闪烁体模块100相对于有效面积310的位置。例如，如图9所示，位于有效面积310的角落的闪烁体模块100可以有两个壁渐缩(两个边界壁305)。边界壁305在图9中用虚线示出。在其他方面，在闪烁体模块100不在角落但是仍然与有效面积310的边界或边缘相邻的情况下，闪烁体模块100可以有仅一个壁渐缩(例如，面向边界或边缘的壁)。在其他方面，其他的壁(非边界壁)可以按需渐缩。
在图9所示的示例中，四个闪烁体模块100有两个壁渐缩(角落的模块)，四个闪烁体模块100有一个壁渐缩(角落的模块之间的闪烁体模块)，并且一个闪烁体模块100A不渐缩。
在图9所示的示例中，在阵列中具体描绘了四个光学传感器120，其他光学传感器由点表示。
根据本公开的方面，可以使用其他闪烁体模块100/传感器120配置，如十六对一耦合或非对称耦合，如2x1等。
在本公开的一个方面，在闪烁体模块100的多个壁(侧面)渐缩的情况下，渐缩量可以大致相同以提供对称性。然而，当闪烁体模块100被制造成壁(侧面)渐缩时，由于制造过程中的限制，在渐缩量上可能存在公差。本文使用的术语“大致相同”也包括由于制造和公差导致的尺寸差异。
短语“(一个或多个)侧面”或“(一个或多个)壁”渐缩的使用也可以指闪烁体模块100的(一个或多个)部分或(一个或多个)表面渐缩。例如，在闪烁模块是圆柱形的并且仅在纵向(z方向)上具有弯曲表面的情况下，闪烁体模块100的一部分可以渐缩(面向有效面积的边界或边缘的部分)。
图10示出了根据本公开的其他方面的粒子检测装置1D的表示的截面图。根据本公开的该方面，对于某些闪烁体模块100C，第一端107和第二端109A都可以具有渐缩部分(例如，第一渐缩部分1005和第二渐缩部分1000)。使第一端107渐缩在上面已经描述过，将不再详细描述。
在本公开的该方面，第二端109A可以渐缩，以减少由于分段光导110A和闪烁体模块100C的未对准而导致的沿边缘的信号损失。轻微的未对准可能是制造过程的遗留问题，在制造过程中，完美对准(闪烁体模块的边缘与光导段的边缘完美地重合或对准)很少发生。当存在未对准并且闪烁体模块的第二端的一部分延伸到分段光导110A的段之外时，光子可能会损失(不被反射)。如上所述，由于与光学传感器相互作用的大部分光子来自闪烁体模块的边缘，因此从边缘损失光子会降低PET的性能。通过使第二端109A渐缩并具有第二渐缩部分1000使得第二端109A不延伸到该段之外，减少了由于分段光导110A和闪烁体模块100C的未对准而导致的沿边缘的任何损失。
典型地，分段光导110A和闪烁体模块100C之间的未对准可以很小，例如小于1mm。渐缩角度B被定义为平行于纵轴并沿着(也平行于纵轴的)闪烁体模块的壁或表面延伸的虚拟线与渐缩壁之间的角度(锐角)。同样，渐缩的起点也可以靠近第二端109A。此外，由于第二端109A的渐缩不是针对解决与不同传感器120或像素相关联的闪烁体模块之间的不期望的泄漏，因此第二渐缩部分1000的长度可以比第一渐缩部分1005的长度短。由于第二渐缩部分1000的长度可比第一渐缩部分1005的长度短，因此第二渐缩部分1000的渐缩角度B可大于第一渐缩部分1005的渐缩角度A。
虽然同一个闪烁体模块100C可以在第一端107和第二端109A渐缩，但是渐缩的部分或壁是偏移的。例如，如图10所示，闪烁体模块100C在面向有效面积310的边界或边缘的壁或部分上在第一端渐缩(第一渐缩部分1005)。然而，由于分段光导110A的段与传感器120偏移并且接触不同(相邻或邻近)像素中的闪烁体模块，因此在第二端109A渐缩的壁或部分(第二渐缩1000)是不面向有效面积310的边界或边缘的壁或部分(例如，向内的壁或部分)。
图11至15示出了根据本公开的方面制造的具有渐缩的第一端107的闪烁体模块的不同视图，其中存在闪烁体模块到光学传感器的四对一耦合。在图11和12中，示出了闪烁体模块，而没有示出光导或光学传感器(或反射体)。如图11和12所示，闪烁体模块100被布置成16x16的阵列(LYSO晶体)。每个闪烁模块100被设计成在纵轴方向(z方向)上约为20mm。第二端109被设计成具有约1.5mm x约1.5mm的第二横截面积。闪烁体模块100大致具有这个横截面积直到渐缩开始。渐缩被设计成从距第一端(闪烁体模块和光学传感器的界面)约5mm处开始。第一横截面积被设计成约1.4x约1.4mm，以便最小化与间隙GD 119的任何重叠，并使第一端107保持在有效面积310内。渐缩仅在面向有效面积310的边界或边缘的壁或部分上进行。相邻的闪烁体模块之间的闪烁体模块间隙GS 117约为0.1mm。
如图13所示，第二端109与分段光导110A接触。在这种情况下，分段光导是拟柱体光导阵列(在辐射接收端)。反射体115位于分段光导110A的顶部。
图14示出了安装到光学传感器之前的闪烁体模块100。从图14中可以看出，在第一端107与不同像素(传感器)相关联的闪烁体模块之间的空隙大于闪烁体模块GS 117。
光学传感器间隙约为0.2mm。有效面积为约3.00mm x约3.00mm。像素间距约为3.2x3.2mm。
图15示出了与光学传感器阵列300接触的闪烁体模块100。光学传感器阵列300电气耦合到连接器1500。该连接器1500电气耦合到处理器(图15中未示出)。处理器被配置用于DOI和TOF分析。处理器执行一个或多个程序来确定DOI和TOF。
图16和图17是根据本公开的方面制造的具有渐缩的第一端107和渐缩的第二端109A的闪烁体模块的不同视图，其中存在闪烁体模块到光学传感器的四对一耦合。如图16和17所示，闪烁模块100C具有第一渐缩部分1005和第二渐缩部分1000。第二渐缩部分1000在纵轴方向上的长度小于第一渐缩部分1005在纵轴方向上的长度。此外，如图16和17所示，第一渐缩部分1005和第二渐缩部分1000的渐缩的壁或部分是不同的(偏移)。第二横截面积被设计成约1.35mm x 1.35mm。图16和17还示出了包裹在闪烁体模块100外部的反射体115B，以防止光从角落和边缘像素泄漏。为了图示的目的，仅在闪烁体模块100的一部分(中心)周围示出了反射体115B，使得可以看到模块。然而，在操作中，反射体115B将延伸闪烁体模块(边缘和角落模块)的整个纵向长度。
如本文所述，使闪烁体模块100的第一端107渐缩提高了TOF和DOI之间的相关性。如本文所述的那样制造闪烁体模块阵列，以确定TOF和DOI之间的相关性。在19个不同深度(1mm至19mm)以1mm的步长采集深度校准数据(泛光直方图)。使用的是闪烁体模块到光学传感器的四对一耦合。将3MBq Na-22点源(1mm有效直径)放置在具有1m直径针孔的铅圆柱体中，并定位在如本文所述的检测装置与没有渐缩的参考闪烁体阵列之间。参考闪烁体阵列具有与SiPM的四对一耦合。闪烁体模块具有约1.4mm x约1.4mm x约20mm的尺寸。二者使用相同的SiPM。如上所述，两个侧面渐缩(边界壁)。
硫酸钡(BaSO4)用于填充晶间空隙，并在晶体阵列和光导中充当漫反射体。所有晶体都被完全抛光，并且模块用黑色胶带包裹。
界面处的光泄漏是随机的，而在分段光导(拟柱体)内共享的光是确定的。
只有根据本公开的方面的检测装置与参考之间的符合事件被用于数据分析，以便排除康普顿散射。例如，只有最高信号大于第二高信号两倍的事件才被接受。采集分布在所有闪烁体模块上的10,000,000个事件并用于分析。基于每个闪烁体模块以15％的能量窗口进行光峰过滤。
对于每个事件，使用三个不同的估计参数，一个基于能量，两个基于时间，以探索DOI和TOF之间的相关性。
对基于能量的DOI(wE)使用能量加权的平均方法。使用下面的等式进行计算：
其中，wE是能量加权的DOI参数，Pm是单个SiPM像素上吸收的最大能量，并且P是所有像素上所有能量的总和。
基于时间的DOI(wTOF)以如下两种不同的方式计算
wTOF1＝tn1-tp (2)
其中，wTOF1是使用1个时间戳的TOF加权的DOI参数，tn1是从相邻像素到主像素的第一时间戳，并且tp是来自主像素的时间戳(即主时间戳)。相邻像素是耦合到同一光导段(同一拟柱体光导)的最邻近像素之一。
其中，wTOF3是具有3个时间戳的TOF加权的DOI参数，tn1、tn2和tn3是来自相邻像素的第一、第二和第三时间戳，并且tp是主时间戳。这3个相邻像素是耦合到同一光导段(同一拟柱体光导)的最邻近的像素。
图18示出了图表，其示出了针对两种不同的时间戳方法的相互作用深度和飞行时间之间的相关性。x轴是任意单位的基于能量的DOI估计(wE)。y轴是基于时间的DOI(飞行时间)。基于能量的估计和基于时间的估计(使用时间戳，例如1个和3个)之间有强相关性。使用等式1和等式3(wE和wTOF3)的确定之间的相关性强于使用等式1和等式2(wE和wTOF1)的确定之间的相关性。例如，对于wE和wTOF3，R2＝0.53，而对于wE和wTOF1，R2是0.31。
图19A至19C示出了基于在2mm、6mm、10mm、14mm和18mm处获取的五个不同深度的估计直方图。0mm表示光导处的深度，并且20mm表示光学传感器阵列的界面处的深度。对于图19A，每个事件使用等式1(we)计算DOI。计算每个比值的频率即为计数。直方图是曲线图。然后将比值转换成以mm为单位的深度。可以基于以下等式确定转换：
DOI＝m*w+q (4)
其中，m是DOI和w之间的斜率，并且q是截距，这确保DOI从0开始，并且w是wE(使用等式1绘制时)、wTOF1(使用等式2绘制时)和wTOF3(使用等式3绘制时)。该等式是基于标准的线性回归模型。当用于从wE、wTOF1和wTOF3确定DOI时，等式4中的“m”和“q”可以不同。
比率的范围在0至1之间。0可以与20mm的深度相关，并且1可以与0mm的深度相关。图19A中的插图示出了针对每个地面真值的估计DOI，例如，针对2mm为2.5mm，针对6mm为2.1mm，针对10mm为2mm，针对14mm为2.1mm，并且针对18mm为2.4mm(四舍五入到最接近的十分位)。
对于能量加权的方法，具有渐缩的闪烁模块的估计DOI分辨率为2.22mm FWHM(图19A)。估计DOI分辨率是通过对每个地面真值的估计DOI求平均确定的。对于参考闪烁体阵列，例如没有渐缩的闪烁体模块，DOI分辨率是2.5mm FWHM。
对于图19B，每个事件使用等式2(wTOF1)来计算DOI。计算每个比值的频率即为计数。直方图是曲线图。然后将比值转换成以mm为单位的深度。可以基于等式4确定该转换。图19B中的插图示出了针对每个地面真值的估计DOI，例如，针对2mm为6.1mm，针对6mm为9.4mm，针对10mm为9mm，针对14mm为6.6mm，并且针对18mm为5.6mm(四舍五入到最接近的十分位)。使用wTOF1的针对采用渐缩的闪烁体模块的估计DOI分辨率为7.38mm。估计DOI分辨率是通过对每个地面真值的估计DOI求平均确定的。
对于图19C，每个事件使用等式3(wTOF3)来计算DOI。计算每个比值的频率即为计数。直方图是曲线图。然后将比值转换成以mm为单位的深度。可以基于等式4确定该转换。图19B中的插图示出了针对每个地面真值的估计DOI，例如针对2mm为5.9mm，针对6mm为5.8mm，针对10mm为5.5mm，针对14mm为5.1mm，并且针对18mm为4.6mm(四舍五入到最接近的十分位)。使用wTOF3的针对采用渐缩的闪烁体模块的估计DOI分辨率为5.38mm。估计DOI分辨率是通过对每个地面真值的估计DOI求平均确定的。
对于每个图19A至19C，等式4中的系数可以不同。
在本文的论述和权利要求中，术语“(大)约”表示所列的值可以稍微改变，只要这种改变不会导致工艺或装置的不一致。例如，对于一些元素，术语“(大)约”可以指±0.1％的变化，对于其他元素，术语“(大)约”可以指±1％或±10％的变化，或其中的任何点。例如，当用于以mm为单位的测量时，术语“(大)约”可以包括+/-0.1、0.2、0.3等，其中当所阐述的数较大时，所阐述的数之间的差异可能较大。例如，约1.5可以包括1.2至1.8，而约20可以包括19.0至21.0。
如本文使用的，术语“大致”或“基本上”在以否定内含使用时同样适用，以指代完全或接近完全缺乏动作、特性、属性、状态、结构、项目或结果。例如，“基本上”平坦的表面要么将是完全平坦的，要么将是几乎平坦的，其效果将与其是完全平坦情况下的效果相同。“大致”在指形状或尺寸时可以虑及诸如圆形之类的完美形状或尺寸可能难以制造的制造。
如本文使用的，诸如“一”、“一个”和“该”的术语不意图仅指代单个实体，而是包括具体示例可以用于说明的其一般类别。如本文使用的，以单数限定的术语意图包括以复数限定的那些术语，并且反之亦然。
说明书中对“一个方面”、“某些方面”、“一些方面”或“一方面”的引用指示所描述的(一个或多个)方面可以包括特定的特征或特性，但是每个方面可以不一定包括特定的特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定指代同一个方面。此外，当结合一方面描述特定的特征、结构或特性时，认为结合其他方面影响这样的特征、结构或特性无论是否被明确描述都在本领域技术人员的知识范围内。出于下文描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”及其派生词应当涉及相对于地板和/或按照它在各图中取向的装置。
本文提及的任何数值范围明确包括该范围包含的每个数值(包括分数和整数)。为了说明，本文提到的“至少50”或“至少大约50”的范围包括整数50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60等以及分数50.1、50.2、50.3、50.4、50.5、50.6、50.7、50.8、50.9等。在进一步的说明中，本文提到的“小于50”或“小于大约50”的范围包括整数49、48、47、46、45、44、43、42、41、40等以及分数49.9、49.8、49.7、49.6、49.5、49.4、49.3、49.2、49.1、49.0等。
如本文使用的，术语“处理器”可以包括单核处理器、多核处理器、位于单个装置中的多个处理器或者彼此有线或无线通信并且分布在装置网络、互联网或云上的多个处理器。因此，如本文使用的，由“处理器”执行或配置为执行的功能、特征或指令可以包括由单核处理器执行的功能、特征或指令，可以包括由多核处理器的多个核共同或协作执行的功能、特征或指令，或者可以包括由多个处理器共同或协作执行的功能、特征或指令，其中每个处理器或核不需要单独执行每个功能、特征或指令。例如，可以使用单个FPGA或多个FPGA来实现本文描述的功能、特征或指令。例如，多个处理器可以允许负载平衡。在另外的示例中，服务器(也称为远程或云)处理器可以代表客户端处理器完成一些或所有功能性。
如本文使用的，术语“处理器”或术语“控制器”可以用术语“电路”(诸如ASIC)来替换。术语“处理器”可以指代包括执行代码的处理器硬件(共享的、专用的或成组的)和存储由处理器执行的代码的存储器硬件(共享的、专用的或成组的)，或者是它们的一部分。
此外，在本公开的一些方面，非暂时性计算机可读存储介质包括存储在其上的电子可读控制信息，其被配置为使得当在处理器中使用该存储介质时，实行本文描述的功能性的方面。
更进一步，任何前述方法可以以程序的形式体现。该程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上，并且当在计算机装置(包括处理器的装置)上运行时，适于执行前述方法中的任一个。因此，非暂时性有形计算机可读介质适于存储信息，并且适于与数据处理设施或计算机装置交互，以执行任何上面提及的实施例的程序和/或执行任何上面提及的实施例的方法。
计算机可读介质或存储介质可以是安装在计算机装置主体内部的内置介质，或者是被布置成使得它可以与计算机装置主体分离的可移动介质。如本文使用的术语计算机可读介质不包括通过介质(诸如在载波上)传播的暂时性电信号或电磁信号；因此，术语计算机可读介质被认为是有形的和非暂时性的。非暂时性计算机可读介质的非限制性示例包括但不限于可重写非易失性存储器装置(包括例如闪存装置、可擦除可编程只读存储器装置或掩模只读存储器装置)；易失性存储器装置(包括例如静态随机存取存储器装置或动态随机存取存储器装置)；磁存储介质(包括例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)；和光存储介质(包括例如CD、DVD或蓝光盘)。具有内置可重写非易失性存储器的介质的示例包括但不限于存储卡；和具有内置ROM的介质，包括但不限于ROM盒；等等。此外，关于存储的图像的各种信息(例如属性信息)可以以任何其他形式存储，或者可以以其他方式提供它。
术语存储器硬件是术语计算机可读介质的子集。
本公开的所描述的方面和示例意图是说明性而非限制性的，并且不意图表示本公开的每个方面或示例。虽然已经示出、描述和指出了如应用于本公开的各个具体方面的本公开的基本新颖特征，但是还将理解，本领域技术人员可以在不脱离本公开的精神的情况下，对所图示装置的形式和细节以及它们的操作进行各种省略、替换和改变。例如，明确意图以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以实现相同结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合都在本公开的范围内。此外，应该认识到，结合本公开的任何公开的形式或方面示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以作为设计选择的一般问题并入任何其他公开的或描述的或建议的形式或方面中。此外，可以在不脱离如所附权利要求书字面上和法律认可的等同物中阐述的本公开的精神或范围的情况下进行各种修改和变型。

Claims (27)

1.一种粒子检测装置，包括：
被布置成二维阵列的光学传感器阵列，其中相邻的光学传感器之间有第一间隙，每个光学传感器对应于一个像素并且具有有效面积；以及
多个闪烁体模块，其中至少一个闪烁体模块分别对应于光学传感器阵列中的一个光学传感器，每个闪烁体模块具有与其对应的光学传感器接触的第一端、以及第二端，其中相邻的闪烁体模块之间有第二间隙，第二间隙是相邻的闪烁体模块之间的最小间隙，并且其中与对应的光学传感器的有效面积的边界相邻的闪烁体模块在第一端具有渐缩部分，使得当沿着纵轴方向观察时，第一端的第一横截面积与有效面积重叠，其中第一横截面积垂直于纵轴，并且
其中第二间隙小于第一间隙。
2.根据权利要求1所述的粒子检测装置，其中，在第二端的第二横截面积大于第一横截面积，其中第二横截面积垂直于纵轴。
3.根据权利要求2所述的粒子检测装置，其中，当沿着纵轴方向观察时，第二端的第二横截面积的至少一部分与第一间隙重叠。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的粒子检测装置，其中，第一横截面积的形状是大致圆形的。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的粒子检测装置，其中，所述至少一个闪烁体模块是一个闪烁体模块，使得在闪烁体模块和光学传感器之间存在一对一的对应关系，其中每个闪烁体模块的第一横截面积是矩形的，并且在第一端的所有四个侧面都渐缩。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的粒子检测装置，其中，所述至少一个闪烁体模块包括四个闪烁体模块，使得在闪烁体模块和光学传感器之间有四对一的对应关系，其中每个闪烁体模块的第一横截面积由多个侧面来限定，并且其中闪烁体模块的面向有效面积的相应边界的至少两个侧面在第一端渐缩。
7.根据权利要求6所述的粒子检测装置，其中，只有闪烁体模块的面向有效面积的相应边界的侧面在第一端渐缩。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的粒子检测装置，其中，渐缩部分具有在平行于纵轴的方向上的渐缩长度，其中所述渐缩长度小于在平行于纵轴的方向上距第一端和第二端的长度的三分之一。
9.根据权利要求8所述的粒子检测装置，其中，对于具有渐缩部分的每个闪烁体模块，渐缩长度大致相同。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的粒子检测装置，其中，第一端至第二端的长度约为20mm，并且渐缩长度约为5mm。
11.根据权利要求10所述的粒子检测装置，其中，第二横截面积是约1.5mm x约1.5mm，并且第一横截面积是约1.4mm x约1.4mm。
12.根据权利要求11所述的粒子检测装置，其中，有效面积是约3.0mm_x约3.0mm。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的粒子检测装置，还包括：与每个闪烁体模块的第二端接触的光导。
14.根据权利要求13所述的粒子检测装置，其中，光导是分段的。
15.根据权利要求14所述的粒子检测装置，其中，光导包括多个拟柱体，每个拟柱体被配置成在闪烁体柱的第二端之间重定向辐射粒子。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的粒子检测装置，还包括位于光导上以及在光导的段之间的反射体。
17.根据权利要求1至16中的任一项所述的粒子检测装置，还包括位于包括在渐缩部分之间的空隙中的每个闪烁体模块与另一闪烁体模块之间的反射体。
18.根据权利要求14至17中的任一项所述的粒子检测装置，其中，第二端具有第二渐缩部分。
19.根据权利要求18所述的粒子检测装置，其中，第二渐缩部分具有纵向上的渐缩长度，并且所述渐缩长度小于第一渐缩部分在纵向上的渐缩长度。
20.根据权利要求14至19中的任一项所述的粒子检测装置，其中，光导的段与光学传感器偏移，使得与第一光学传感器接触的第一闪烁体模块和与第二光学传感器接触的第二闪烁体模块与同一个段接触。
21.根据权利要求20所述的粒子检测装置，其中，在第二端渐缩的闪烁体模块的侧面不同于在第一端渐缩的闪烁体模块的侧面。
22.一种粒子检测装置，包括：
被布置成二维阵列的光学传感器阵列，其中相邻的光学传感器之间有第一间隙，每个光学传感器对应于一个像素并且具有有效面积；以及
分别对应于光学传感器阵列中的每个光学传感器的多个闪烁体模块，每个闪烁体模块具有与其对应的光学传感器接触的第一端、以及第二端，其中相邻的闪烁体模块之间有第二间隙，第二间隙是相邻的闪烁体模块之间的最小间隙，
其中，对应于每个光学传感器的所述多个闪烁体模块的至少子集在第一端具有渐缩部分，其中渐缩部分的位置取决于闪烁体模块在有效面积内的相对位置和有效面积的相应边界，其中第二间隙小于第一间隙。
23.根据权利要求22所述的粒子检测装置，其中，位于有效面积的角落的闪烁体模块有至少两个侧面在第一端渐缩，使得当沿着纵轴方向观察时，第一端的第一横截面积与有效面积重叠，其中第一横截面积垂直于纵轴。
24.根据权利要求23所述的粒子检测装置，其中，只有位于有效面积的角落的闪烁体模块的两个侧面在第一端渐缩。
25.根据权利要求24所述的粒子检测装置，其中，位于在有效面积的角落且对准的其他闪烁体模块之间的闪烁体模块仅有一个侧面在第一端渐缩，使得当沿着纵轴方向观察时，第一端的第一横截面积与有效面积重叠，所述一个侧面面向所述有效面积的边界。
26.根据权利要求25所述的粒子检测装置，其中，有其他闪烁体模块位于所述闪烁体模块与有效面积的边界之间的闪烁体模块在第一端不具有渐缩部分。
27.根据权利要求22至26中的任一项所述的粒子检测装置，还包括位于包括在渐缩部分之间的空隙中的每个闪烁体模块与另一闪烁体模块之间的反射体。
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