CN1308729A - 数字放射线图像器 - Google Patents

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Abstract

一种放射线图像器在平板状闪烁体上平行排列的多个波长变换光纤层中,与上述闪烁体的放射线入射面平行而且属于不同层的光纤以一定角度交叉的方式光学粘接,所述平板状闪烁体具有把由于放射线产生的闪烁光二维局部化的特性,在上述光波长变换光纤内把利用放射线的闪烁光变换为二次光,传导到对应于各个光纤位置的感光元件,利用至少属于两个光纤层的感光元件产生的信号进行并行测定,检测出各个放射线的入射位置。

Description

数字放射线图像器
利用放射线的图像摄影是一种广泛渗透到现代科学产业基础的技术，不仅渗透到γ摄像机、正电子CT等、放射线医学领域，还渗透到辐射光实验、基因组解析、色谱分析、生物工艺学、中子衍射实验、以及利用X射线CT对材质进行非破坏性检查。本发明的图像器由于通过选择所使用的闪烁体，可以用于γ射线、强X射线、β射线或者中子射线等的图像摄影，因此它的利用几乎涉及必须使用放射线图像器的所有领域。
最近的放射线图像器使用的位置检测型光电倍增管，根据相邻通道之间的串音的大小，可以大致区分为弱串音型和强串音型两种类型。图1示出它的典型应用实例。图1(a)是弱串音型光电倍增管与闪烁光纤组合用于测定高速带电粒子的轨迹的探测器的原理图。由于位置检测型光电倍增管的时间特性与闪烁光纤的优良时间特性(上升时间＜1ns)一致性很好，该探测器同时具有高时间和空间性能很引人注意。虽然这种方式也应用于β射线图像器(参考文献：M.Leblanc等；“SOFI：A Scintillating Optical FibreImager”Nuc.Instr.and Methods A273(1988)581以及M.Morimotoand F.Tokanai；“Beta-Ray Imaging using Scintillating Fibres”RIKEN Accel.Prog.Report 31(1998)，由于对于低能量电子的X面(入射侧)多重散射，关于Y面的位置分解能力显著降低。例如，在把φ1mm的光纤层密接重叠的情况下，即使在X方向的分解能力为1mm，在Y方向扩展为3mm的水平。可是，为了减小多重散射的影响，如果入射侧的光纤变细，存在检测效率降低的缺点。
一方面，如同γ射线、中子射线一样，在它的检测通过带电粒子层的变换实现的场合下，在强串音型光电倍增管的光电面上直接设置适当的闪烁体，能够确定它的入射位置X，Y。作为一个例子，图1(b)简要示出最近フランシュコンテ大学的パルマンチェ等和浜松ホトニクス协作的γ射线摄像机(参考资料：M.Parmentier；“IRIS：Imageur Radioisotopique Developedanslecadre du GBM Franc Contois”INFO Photonics，Hamamatsu FranceNo16-96-Vol 2)。基本上按照以前的Angercamera方式，求出来自相邻通道的光量分布即阳极信号的波峰分布的重心，确定入射γ射线的位置。与以前的图像器比较，由于受光面积比闪烁体的面积大，参与重心计算的通道数也多，虽然可以获得大约为1.2mm(半值宽度)的非常好的位置分解能力，但是在再构成图像时必须修正伴随波峰分布即模拟量的图像畸变。虽然现在正在计划把有效直径从φ10cm扩展到φ20cm，但是大口径的位置检测型光电倍增管的制造还存在几个技术问题。
本发明者们于二十世纪八十年代在格勒诺布尔的ラゥエ·ランジュラン研究所以同样的模拟方式尝试测定热中子的衍射图像，利用ZnS(Ag)+6Li闪烁体，虽然能够获得110μm划时代的位置分解能力，但是由于需要高光量，不能增加不透明的ZnS(Ag)闪烁体的厚度，检测效率停止在11％的水平。
上述现有技术的主要问题简述为如下几个方面：
(1)在使用闪烁光纤的图像器中，对于β射线等低能量带电粒子由于关于入射侧的光纤内多重散射，X、Y方向的位置分解能力显著不均等。
(2)Angercamera方式中，位置分解能力依赖于来自闪烁体的光量，感应面积受位置检测型光电倍增管的制造技术的限制。
(3)在上述任何情况下，由于位置分解能力与检测效率依赖于相反的条件，因此难以同时改善两个特性。
本发明的目的是提供放射线图像器，该图像器是高能实验的尖端技术的高密度感光元件例如位置检测型光电倍增管与光波长变换光纤组合，具有高检测效率和位置分解能力，而且根据需要具有十分大的感应面积。
不使用以前的多数放射线检测器中重视的模拟信息，充分发挥数字方式的优点是本图像器的显著新特性。这里，所谓的“数字”术语是指通过单个光电子检测出入射线，这样，以位置检测型光电倍增管代表的最近高密度感光元件，首次具有可靠而且鲜明地检测出单个光电子的性能。
本发明的图像器的感应部的代表构造在图2(a)中示出。用光学环氧把波长变换光纤2在切成拼合状的闪烁体1的上下沿着各行列排成行列的闪烁体元件粘接。各行列之间插入反射箔膜3(例如铝聚酯薄膜)，尽可能抑制象素之间的光学串音。各个波长变换光纤的一端光学接合到高密度感光元件例如位置检测型光电倍增管的独立通道的光电面上。
这样构成的图像器的功能在图2(b)中示出。入射到闪烁体元件1的例如γ射线发射电子变换的闪烁光。该一次光激励波长变换光纤2的发光元件(颜料)，发射波长更长的二次光，通过该二次光在光纤内壁全反射，作为光信号被传导到光电倍增管的光电面上。取决于发光元件的一次光变换效率如果一次光的波长与发光元件的吸收波长一致，则十分高(例如，通过1mm时大约为90％)。因此，与在同一介质中发现上述两个过程的闪烁体光纤比较，获得的光量不是太少。
该方式的主要优点有以下几方面：
(1)通过选择适当的闪烁体，可以作为不论是γ射线还是强X射线、β射线、中子射线等的图像器使用。
(2)由于波长变换光纤内的光衰减率低(3-4m上1/e的水平)，作为图像器可以作到面积极大(例如2m×2m)，根据需要能够实现任意大的图像器。
(3)由于象素的尺寸小，能够获得高位置分解能力。
(4)由于象素的位置是用几何学方法确定的，不必修正图像畸变。
(5)由于把入射位置投影到X、Y方向上，用少数(n)个感光元件获得多个象素(n2)，经济性好。
(6)由于同时进行Y、Y面的计测，噪音低。
(7)由于对应于入射位置的X、Y方向的光纤接合到同一个光源，对于各个方向获得均等的位置分解能力。
(8)由于检测时仅用必要的光量(光电子数为数个)就可以了，对于闪烁体的透明度条件大幅度降低，因此可以期望通过合成出现新的时间特性好而且检测效率高的强X射线用的闪烁体。
(9)光纤检测器的特征是感应部平坦，没有加属物，获得根据使用目的而增大的优点。
图2(a)所示的代表性构造能够根据使用目的在不损失上述优点(1)至(9)的情况下而进行变换。下面，参照图3至图6详细描述它的派生形态和功能特征。
如图3(b)所示，使用的闪烁体在对它的发射光不透明的介质(例如粉末状闪烁体)的情况下，它的光被局限在象素之间没有设置隔膜的闪烁体内。因此，通过在光信号的衰减距离内设置光波长变换光纤层，能够得出放射线的入射位置信息。本发明人用从241Am发射的α射线照射ZnS(Ag)闪烁体，来证实这种可能性。例如，在把光波长变换光纤层设置在距离通过入射粒子发光的光源0.3mm或者0.5mm距离处的情况下，可以知道光纤层上的光信号分布半值宽度局限在各个0.51mm或者0.59mm的范围内。该事实暗示例如在热中子的位置检测时，可以不把ZnS(Ag)+6Li闪烁体切割为拼合形状来使用，对于在本发明的中子射线图像器中的适用特别重要。
关于β射线的位置检测主要问题是在入射侧的光波长变换光纤内部，由于多重散射β射线的轨迹紊乱。如图4所示，从放射线的入射方向看光纤层只成批设置在后方一侧，如果放射线直接入射在闪烁体上，该问题大部分已经解决。在这种情况下，通过调整一次光通过的光纤层的厚度d1，d2或者光纤中所含的光变换元素的浓度，能够使得不同光纤层发出的二次光的强度均等。
使用的闪烁体在对于它的发射光不透明的介质的情况下，如同上述现有技术的介绍中所述的一样，由于对闪烁体的厚度进行限制，存在不能获得高检测效率的缺点。如图5所示，通过沿着放射线的入射方向，把闪烁体和光纤层互相重叠，能够提高对于非带电粒子例如γ射线，中子射线的检测效率。这里，如果成批取出各段中位于对应位置处的光纤，必要的感光元件的数目不变。
虽然作为图像器特别适合，在同时检测出多种放射线的情况下，如图6所示，通过把与X、Y方向成一定角度设置的第三光波长变换光纤层光学接合在X或者Y层上，能够避免在X、Y方向上获得的各个座标的组合混乱。
如上所述，根据使用目的它的结构能够变化是本发明的基本原理的一个特征。
图1(a)是最近的一种放射线图像再现技术，闪烁体光纤与位置检测型光电倍增管组合的检测器的原理图；
图1(b)是作为现有的放射线图像器的代表例，使用位置检测型光电倍增管的γ摄像机的简要图；
图2(a)和图2(b)示出构成根据本发明的有代表性的数字放射线图像器的主体的感应部的构成和它的功能；
1...闪烁体    2...光波长变换光纤    3...反射箔膜
图3(a)和图3(b)示出根据本发明的数字放射线图像器的派生构造，由不透明闪烁体构成的感应部的构成和它的功能；
1...闪烁体    2...光波长变换光纤    3...反射箔膜
图4(a)和图4(b)示出根据本发明的数字放射线图像器的派生构造，为了避免低能量带电粒子(例如β射线)由于在波长变换光纤内部多重散射引起它的轨迹紊乱，从放射线的入射方向看全部光纤层只设置在后侧的感应部的构成和它的功能；
1...闪烁体    2...光波长变换光纤    3...反射箔膜
图5(a)和图5(b)示出根据本发明的数字放射线图像器的派生构造，为了提高对于非带电粒子的检测效率，闪烁体和光纤层沿着放射线的入射方向相互重叠的构造和它的功能；
1...闪烁体    2...光波长变换光纤    3...反射箔膜
图6(a)和图6(b)示出根据本发明的数字放射线图像器的派生构造，为了同时检测多种放射线，在给出入射位置的两个坐标的两层光纤层上添加与上述座标轴成一定角度设置的第三层的感应部的构造和它的功能；
1...闪烁体    2...光波长变换光纤    3...反射箔膜
图7(a)示出在通过本发明的实施例证实的一个实验结果中，本发明的图像器对于γ射线的检测效率是图像器中附属的并行计测电路层的输入脉冲宽度Wt的函数；
图7(b)是表示变化来自上述并行计测电路层的X和Y面的信号的相对时间(Δt)测得的并行计数曲线；
图8(a)示出对于利用狭缝收束的来自57Co的γ射线获得的X和Y方向上的点分布；
图8(b)示出对于利用狭缝收束的来自90Sr的β射线获得的X和Y方向上的点分布；
图9(a)示出对于利用平行于Y方向设置的狭缝收束的来自57Co的γ射线获得的二维图像以及它的点分布；
图9(b)示出利用对于X方向45度倾斜设置的狭缝收束的来自57Co的γ射线获得的二维图像以及它的点分布。
为了证实根据本发明的放射线图像器能够实现，本发明人通过具有CsI(Na)晶体的8×8元素的原理模型，记录它的基础数据。象素尺寸是1×1×2.5(高)mm3，以0.1mm的间隙排列。光波长变换光纤使用クラレィ公司制造的Y11(200)，直径为Φ1mm。
虽然记录的点根据X，Y面的同时计测进行选择，但是来自CsI(Na)的闪烁光的衰减时间长(通常为650ns以上)，由于平均每个点的光电子数少(大约为4个)，属于X，Y各个面上的同一点的最初光电子的检测时间非常不同步。因此，必须把从并行计测电路中导出的来自X，Y面的信号的脉冲宽度(Wt)取得十分宽。
对于来自57Co的γ射线(122keV)的检测效率作为Wt的函数的曲线如图7(a)所示。由于通过偶然并行计测抑制噪声，即使Wt设定为2μs，也能获得80％以上的检测效率很值得注意。图7(b)示出Wt设定为1、2、4μs，获得的并行计数曲线。任何情况下都可以看到显著的峰值，是在本原理模型中“确实检测到γ射线”的重要事实。
为了推测位置分解能力，把0.5mm宽的狭缝(铅制)与X或者Y方向的光波长变换光纤平行设置，测定各个方向的点分布。图8(a)是对于来自57Co的γ射线、图8(b)是对于来自90Sr的β射线获得的测量结果。该分布与高斯分布相吻合，对于γ射线的位置分解能力(半值宽度)在X、Y方向均为大约1.2mm，对于β射线在X方向上为大约1.6mm，在Y方向上为大约1.7mm。对β射线的位置分解能力略微差点，原因是由于X方向(入射侧)的光波长变换光纤内的多重散射。该结果与以前的图像器的最高性能相媲美，或者还要好，特别是用β射线获得的X、Y方向上大致均等的分解能力是该方式值得注意的显著优点。目前的原理模型的象素数目只不过仅仅64个，就具有以前的二维图像器的功能。作为一个例子，上述用γ射线获得的二维图像以及点分布在图9(a)、(b)中示出。背景平坦而且十分低，频率为大约0.05个/象素·秒。
虽然作为用上述基础数据表示的医学用γ摄像机获得以前的充分性能，但是为了在辐射光实验等领域中用于测定强X射线的图像，还有几个问题。例如，本图像器的检测效率是平均每个点的光电子数的平均值μ，假定为松泊分布，至少产生一个光电子的概率用即(1-e-μ)的平方(由于是二面同时计测)给出。由于μ与入射γ射线的能量成比例，用低能量难以获得高的检测效率。如果上述基础数据为122KeV，推定μ为大约4个，例如10KeV大约为0.4，检测效率下降到10％的水平。但是，最近，有长年期待的GaAs的光电面的制作已经走入正轨的消息(浜松フォトニクス)。如果在位置检测型光电倍增管的光电面上使用它，仅此就可以期望μ提高大约2倍。而且，通过改进闪烁体和光波长变换光纤，考虑平均每个点的光电子数至少可以提高大约3倍。
根据本发明的放射线图像器可以在科学、产业技术的广泛领域使用。以下举出典型的应用例子，详细描述本发明的重要效果。
(1)由于本发明的图像器与以前的γ摄像机比较位置分解能力提高大约3倍多，利用它获得的图像与以前的图像比较，二者的差别显著，能够在非常早期而且准确地诊断甲状腺、乳腺癌肿瘤、肾突出形态、外科手术器官等。特别是，具有这样高分解能力的中口径(例如直径为20cm)的图像器伴随着最近新的特定分子示踪器的出现，在脑机能检查领域非常有效。而且，如同上述优点(5)中所指出的一样，由于根据本发明的图像器的经济性良好，多数生物研究室都配备，能够促进利用示踪器通过动物实验所进行的药品开发。
(2)在辐射光实验方面的利用，如前所述，必要改善低能量领域的检测效率。可是，根据气体探测器(复线容器)的现有X射线图像器与本发明的图像器相反，随着γ射线的能量提高检测效率有急剧下降的趋势。因此，在我国的大型辐射光设备(Spring-8)于世界上独占领先地位的高能量领域(20-100KeV)，尤其是在补充现有检测器的能量领域的意义上，对本发明的图像器的期望是很大的。
(3)作为β射线图像器，可以考虑在基因组解析，色谱分析，生物工艺学等广泛领域使用。如同在基础数据介绍部分所提到的一样，虽然分解能力由于光波长变换光纤内部的多重散射而变坏，但是可以通过减小光纤的厚度来改善。可是，由于一次光的变换效率下降，有必要提高光变换元素的密度，现在，密度提高到通常的2倍的Y11(400)光纤正在制作当中。通过使用该光纤可以考虑把位置分解能力在X、Y面上均改善为1mm以下。
(4)在热中子图像测定方面，作为闪烁体虽然通常使用加6Li的ZnS(Ag)，由于它不透明，厚度被限制在0.5mm以下，检测效率很低。放热反应n+6Li→α+t产生的带电粒子(α+t)的能量为4.79MeV，如前面优点(8)所述，由于本发明的图像器光量十分富裕，可以增加厚度来提高计测效率。
而且，如同一个派生形式(图5)所述一样，通过沿着中子射线的入射方向使闪烁体光纤层互相重叠，能够提高检测效率。
(5)一方面，γ射线CT方面的利用是关于建筑物、交通机关、大型机械设施等的非破坏性检查的十分重要的课题。如同上述优点(9)中所述一样，光纤探测器的特征是感应部非常平坦(虽然是利用γ射线的能量，如果是数百KeV范围，大约为1cm以下)这一点，恰好如同液晶显示器对于阴极射线管一样，固有优点在该领域受到特别重视。尽管γ射线源简便，由于收束性不足，使用以前的装置计测速度低，因此不太使用。如果使用具有多个象素的本发明的图像器，能够大幅度缩短测定时间，伴随着它的形状优点，能够实现便于移动的装置。
这样根据本发明的数字放射线图像器在广泛的放射线技术应用领域，与社会福利、科学、产业技术的发展密切相关，带来显著效果。

Claims (8)

1.一种放射线图像器，具有如下结构：
在平板状闪烁体上平行排列的多个波长变换光纤层中，与上述闪烁体的放射线入射面平行而且属于不同层的光纤以一定角度交叉的方式光学粘接，所述平板状闪烁体具有把由于放射线产生的闪烁光二维局部化的特性，在上述光波长变换光纤内把利用放射线的闪烁光变换为二次光，传导到对应于各个光纤位置的感光元件，检测出入射位置。
2.一种具有如权利要求1所述构造的放射线图像器，其特征在于具有如下功能，即通过对于单一放射线在至少属于两个光纤层的感光元件内产生至少一个光电子检测入射线。
3.一种具有如权利要求1所述构造的放射线图像器，其特征在于具有如下构造，即平板状闪烁体具有把光学隔离的柱状元件拼合状排列的构造，在上述元件的上下面上沿着各行和列把光波长变换光纤与属于各个行和列的上述元件光学接合，通过这样接合的上下两根光波长变换光纤检测由于放射线上述元件发出的闪烁光。
4.一种具有如权利要求1所述构造的放射线图像器，其特征在于：在所使用的闪烁体对于它所发出的光是不透明介质例如粉末状闪烁体的情况下，利用它的光被局限在象素之间没有设置隔膜的闪烁体内的特性，通过在光信号的衰减距离内设置光波长变换光纤，能够得出放射线的入射位置信息。
5.一种具有如权利要求1所述构造的放射线图像器，采取如下手段，即从闪烁体的放射线入射方向看多个波长变换光纤层只成批设置在后侧，放射线在入射到闪烁体内之前不散射。
6.一种具有如权利要求1所述构造的放射线图像器，采取如下手段，即通过调整一次光通过的光纤层的厚度或者光纤中含有的光变换元素的浓度使来自不同光纤层的二次光的强度均等。
7.一种放射线图像器，其构造如下：把如权利要求1所述的构造沿着放射线的入射方向重复，同一方向上排列的多个光纤层中位于各个对应位置的光纤传导到排成行列的对应感光元件，提高对于非带电粒子例如γ射线、中子的检测效率。
8.一种具有如权利要求1所述构造的放射线图像器，采取如下手段，即在至少三个光纤层中属于不同层的光纤以一定角度交叉方式排列，分别检测出同时入射的多种放射线的位置。
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