CN1520521A

CN1520521A - 正电子发射断层扫描仪

Info

Publication number: CN1520521A
Application number: CNA028128125A
Authority: CN
Inventors: L; L·保罗
Original assignee: European Organization for Nuclear Research CERN
Current assignee: European Organization for Nuclear Research CERN
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2004-08-11
Also published as: US20020195565A1; JP2004532997A; NO20035746D0; CA2451376A1; KR20040022437A; WO2003001242A1; RU2004102385A; EP1399762A1

Abstract

正电子发射照相机(PET)包括多个闪烁器，其中闪烁器包括基于LuAlO₃：Ce(LuAP)的晶体(18，20)。具体地说，闪烁晶体(18，20)是LuAP和/或LuYAP。

Description

正电子发射断层扫描仪

技术领域

本发明涉及到一种正电子发射断层(PET)照相机或扫描仪。

背景技术

PET扫描仪在医用物理学领域是公知的。这些扫描仪通过检测从注入人体的放射性物质发出的辐射产生人体图象。每台扫描仪由围绕可动的患者平台而排列成环形结构的辐射检测器(通常称为闪烁器)构成。图1示出了具有检测器环10和患者平台12的典型结构。每一闪烁器包括晶体和与之相关联的位于环上相对位置的晶体。许多已知的照相机使用Bi₄Ge₃O₁₂(BGO)作为闪烁检测器，如美国专利4,843,245和EP0,437,051B中教导的那样。每一闪烁器与光电倍增管相连，光电倍增管又与电子读出器相连。

在扫描过程中，将患者放置在检测环中央的可动工作台上，给患者注射放射性物质，放射性物质标记有衰变时间短暂的β+放射性原子，比如：碳-11，氟-18，氧-15或氮-13。在放射性同位素的核子衰变过程中发出正电子，当发射出的正电子遇到电子，碰撞产生两个能量均为511KeV、但传播方向相反的γ射线。利用在检测环直径方向上设置的闪烁器同时检测所产生的γ射线，可以检侧在其上发生衰变的轨道。闪烁器晶体使γ射线转换为光子发送到光电倍增管，光电倍增管将光子转换成电信号并将其放大，然后这些电信号经过计算机处理以产生所关心的人体部位(比如：脑，胸部，肝脏)的三维空间图象。

PET扫描的优点在于能够精确地确定放射性核位置和量化人体的生理学过程，能够这样做是由于从患者身体发射出的两个γ光子朝相反的方向传播。另一个优点在于PET扫描仪使用与人体内可以找到的化合物相同或类似的生物化合物，比如：碳，氮，氧。这意味着PET放射性核能直接用人体使用的生物学物质代替。并且，它意味着PET跟踪器不像其它一些扫描仪那样只是模仿生物学路径，而是真正遵循生理学和新陈代谢的过程。这是有利的。相反，其它核医学成像技术需要标记有一般在人体内找不到的放射性核素的化合物。这些改变的化合物只近似于人体内真正的分布。

由于PET固有的许多优点，人们希望改善其性能，从而增加所扫描图像的精度，由此帮助临床医生。为此，目前许多团体在做这项工作以改善这类扫描仪的特性。

PET照相机最重要的特性是它的空间分辨率和灵敏度。传统的PET照相机能在发射光谱的半极大全宽度(FWHM)时提供的空间分辨率在4-6mm范围内。更好的空间分辨率需要大量的尺寸减小的闪烁检测器，因此，需要大量的光电探测器和与之相连的电子读出装置。而这将增加成本。同时人们对人体PET仪器的新需求，比如：对精确的脑部成像的需求，要求精度高于2mm的空间分辨率。

用于PET扫描仪重建的图象分辨率的综合公式表达如下：

Γ = 1.25 \sqrt{{(d / 2)}^{2} + {(0.0022 D)}^{2} + r^{2} + b^{2}}

其中Γ是重建的图象分辨率，单位为毫米FWHM；d是检测器尺寸；D是检测器阵列直径，全身PET扫描仪通常是600-800mm，脑部PET是250-300mm(包括D的NB考虑了由于正电子衰变引起的光子非共线性)；r是有效正电子范围(从用于¹⁸F的0.5mm到用于⁸²Rb的4.5mm)，以及b是附加因数，从碰撞点识别方案中导出(Anger Logic或“真正的”位置灵敏的光电探测器，即：多个光电倍增管信号间的相似率(analog ratios))。假设对于位置灵敏光电探测器b为0，则对于脑部PET在d＝1毫米时可以实现Γ＝1mm的分辨率(使用¹⁸F)。

假设上述等式是精确的，为了满足对PET照相机的空间分辨率和灵敏度的需求增长，照相机将必须由具有高阻止本领的长而薄的检测器组成，然而，这实际上降低了视场末端的空间分辨率，这是不利的。为了克服该问题并避免空间分辨率的降低，需要使用具有交互作用深度(DOI)确定能力(即，沿检测器单元确定交互作用坐标的能力)的检测器。最方便的实现这些的方法是使用多层检测器，其中这些层由不同闪烁属性的材料组成，由于这些层有不同的特性，当检测到γ射线时，有可能识别被碰撞的层，因而更精确的确定交互作用点。

许多多层检测器是公知的。比如美国专利4,843,245记载了使用邻近BGO和GSO(Gd₂SiO₅)晶体的多层闪烁器。EP0,219,648记载了使用一个三层闪烁器，其中内层为BaF₂，中间层为GSO，外层为BGO。WO99/24848也公开了使用多层检测器，尤其是“层状闪烁体”检测器，其中不同的检测器层由具有不同的衰变时间的不同闪烁器组成，在WO99/24848中记载的层状闪烁体有两层，即：BGO和Lu₂SiO₅:Ce(LSO)。

另一种公知的多层检测器使用LSO和GSO的组合，其中，碰撞层的确定通过使用脉冲形状鉴别来实现，其能实现是因为LSO和GSO层的衰变时间常数有很大的差异。不幸地是，GSO的光电吸收系数远小于LSO的光电吸收系数，这意味着GSO的阻止本领受到限制，这给碰撞层的确定带入了不确定度。

在另一种公知的PET中，闪烁检测器由具有不同的铈浓度的“快”和“慢”的LSO闪烁器组成。当使用LSO和GSO检测器时，用脉冲形状鉴别确定碰撞层，然而，这种特定装置的缺点是快和慢LSO的衰减时间常数的差别只有10％(在平均值为40ns下4-5ns)，因此，以任何可信度确定碰撞层将变得困难。

除了公知的PET扫描仪空间分辨率的限制外，PET扫描仪视场末端的空间分辨率上还有几何限制。这就是当γ射线轨道穿过几个闪烁检测器时产生的所谓径向延长变形。

发明概述

本发明的目的是为PET照相机提供改善的闪烁检测器以及改进的PET照相机。

本发明的各个方面定义在独立权利要求中，一些优选的特征定义在从属权利要求中。

根据本发明的一个方面，提供了一种正电子发射断层照相机或扫描器，它包括患者区域；用于从患者区域的相对侧检测辐射的检测环，它包括多个直接朝向患者区域的闪烁检测器，当辐射入射其上时，闪烁检测器发出光线；以及转换装置，光耦合到闪烁检测器上，用于将闪烁检测器发射的光转换成电脉冲，其中的闪烁检测器包括LuAlO₃:Ce(LuAP)。

LuAP可以包含钇以便形成LuYAP。钇的含量可以为0％-30％原子百分比的镥含量。

优选地，闪烁检测器还包括LSO。在这种情况下，提供用于确定检测到的辐射是入射在LuAP上还是LSO上的装置。该确定装置可分析电信号来确定脉冲形状，脉冲形状指示探测到辐射的层。

可以在每一闪烁检测器和与之相连的转换装置间设置波分器，波分器和转换装置最好相对于闪烁器偏移，以便每一波分器和每一转换装置横跨两个相邻的闪烁器。因此，每一波分器可以包括玻璃滤光器和/或干涉滤光器和/或衍射光栅和/或棱镜和/或衍射微型光学阵列和/或折射微型镜片(micro optic)阵列。

优选地，转换装置包括光电倍增管，比如，位置敏感光电倍增管或雪崩光电二极管或PIN光电二极管。

根据本发明的另一个方面，提供了正电子发射断层照相机或扫描器，它包括多个闪烁器，其中闪烁器由LuAlO₃:Ce(LuAP)组成。

LuAP可包含钇以形成LuYAP。钇的含量可以在镥含量0％-30％原子百分比的范围内。每一闪烁检测器最好包括LSO层。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于PET扫描仪中的闪烁器，该闪烁器包括LuAP。

LuAP可以包含钇以形成LuYAP。钇的含量可以在镥含量0％-30％的范围内。每一闪烁检测器最好还包括LSO层。

根据本发明的另一方面，提供了一种正电子发射断层照相机或扫描器，它包括多个朝向患者区域的闪烁检测器，当辐射入射其上时，闪烁检测器发出光线，闪烁检测器包括两种不同的闪烁材料层，每一层发出不同的闪烁光；以及转换装置，光耦合到闪烁检测器上以将闪烁检测器发出的光转换为电脉冲，其中光学元件被设置在闪烁检测器和转换装置间的光路中，该光学元件以一种方式影响从闪烁检测器的一层来的光线并以另一种方式影响从闪烁检测器的另一层来的光线。

这种结构的优点在于由于光学元件的存在，从每一闪烁层发射出的闪烁光被以不同的方式影响，这意味着能更容易识别出闪烁碰撞层。

附图说明

下面参照附图，仅通过举例的方式描述体现本发明的各种照相机和闪烁器，在附图中：

图2(a)是用于PET中的第一检测器的侧视图；

图2(b)是沿图2(a)的箭头A方向的主视图；

图3是包括LSO、LuAP、GSO闪烁器的各种闪烁器特性的表；

图4是在E_γ＝511keV下，基于LSO、LuAP、GSO闪烁器的PET扫描仪的计算的相对灵敏度相与晶体厚度关系的曲线图；

图5是LSO和LuAP的发射光谱图；

图6是PET中使用的第二检测器的方块图。

具体实施方式

体现本发明的PET使用包括基于镥的晶体的闪烁器。具体地说，体现本发明的闪烁器使用LuAP或LuYAP，在下文中，只取首字母的词LuAP可以代表LuAP或LuYAP。该原料有许多使之用作闪烁器的特性。

图2(a)和(b)示出了用于PET扫描仪的两种闪烁器，各包括LSO14，16的内层和LuAP18，20的层。每一LSO和LuAP层的厚度优选小于20mm。与每一LuAP层18，20相邻并与其光耦合的是光电探测器22，24，用于检测从LSO14，16或LuAP18，20发射出的光线。光电探测器22，24可以为任何合适的类型，但典型地包括光电倍增器或雪崩光电二极管。利用电子读出器处理(未表示出来)从光电探测器22，24来的信号。实际上，根据PET扫描器的常规布局，图2中以环形结构绕患者平台提供多个闪烁器和光电探测器。利用从光电探测器来的信号，能构建所扫描的组织的图象。

图2(a)和(b)中扫描仪LuAP的使用带来了各种好处。这是因为LuAP晶体的优良特性。

图3的表中是LuAp，LSO和GSO的相关属性，从中我们可以看到在511keV时，LuAP的光电吸收系数是0.31，它与光电吸收系数是0.30的LSO相当。相反，GSO的光电吸收系数只有0.18。这意味着GSO的有效阻止本领明显小于LSO或LuAP。并且，LuAP衰减60％的发射光的衰减常数是11ns，而LSO是40ns，这是相当大的差异。对于图2的LSO/LuAP闪烁器这是有利的，因为它意味着可以利用脉冲宽度鉴别来精确确定碰撞层。图2的LSO/LuAP闪烁器进一步的优点在于对于LSO闪烁光LuAP是透明的。这意味着从内部LSO层发射的光能基本上无阻碍地通过LuAP而到达光电探测器，这提高了探测过程的灵敏度。

分别使用LuAP、LSO、GSO闪烁器环的PET扫描仪的相对灵敏度在图4中作为晶体厚度的函数表示出来。应该注意，检测光吸收事件的二重吻合性的相对概率被当作PET环灵敏度的度量。

从图4可以看出，使用GSO闪烁器的PET扫描仪的灵敏度远低于使用LuAP闪烁器的扫描仪的灵敏度(同一尺寸的扫描仪相比)。因此，图2中的双层LSO/LuAP闪烁器能做得比传统的同样尺寸的LSO/GSO闪烁器更灵敏。可供选择地，通过使用薄得多的LSO/LuAP闪烁器可以获得相同的灵敏度。这是有利的，因为它意味着PET扫描仪的整个尺寸可以减小，从而减少相关的成本。特别是，对于由LSO/LuAP制成的双层检测器和对于由LSO/GSO制成的双层检测器，当LuAP层1.7倍薄于GSO层时可以获得同样等级的灵敏度，这表明由LSO/LuAP制成的PET扫描仪比由LSO/GSO制成的扫描仪在视场末端有更好的空间分辨率，并且成本可能更低，因为需要的晶体量减少了。

图5是LSO和LuAP的光谱发射图。从中可以看出，LSO光谱的最大值为420nm，LuAP光谱的最大值为378nm。因此，如果图2中的光电探测器检测的光线为378nm，这表明碰撞了LuAP，如果检测的光线为420nm，表明碰撞了LSO。这意味着除了利用脉冲宽度鉴别之外，还可以用图2中闪烁器的发射光谱的选择来识别碰撞层。这可以通过检测到达光电探测器的光线“颜色”做到。图6示出了适于检测光线颜色的检测器。

图6示出了用于PET照相机的多个相似的闪烁器，每个都有LSO层26，28和LuAP层30，32。如前所述的那样，LSO层26，28和LuAP层30，32的厚度每个都优选小于20mm，邻近闪烁器的是多个波分元件34，36。每个波分元件相对于闪烁器偏移，所以它以相同量横跨两个相邻闪烁检测器。相邻的波分器34和36有不同的透射系数，这意味着各闪烁器末端与两个不同的波分器34和36相邻。波分器34和36可以由彩色玻璃滤光器构成。在图6的例子中，对于分别从LSO和LuAP层26和30发射的光线来说，滤光器34是透明的，滤光器36对于从LuAP层26的发射是透明的，但对于从LSO层26的发射是半透明的。因此，滤光器34以相同的程度影响从不同闪烁层来的光线，而滤光器36以一种方式影响从LuAP层来的光线，以另一种方式影响从LSO来的光线。

为了检测从图6的闪烁器来的闪烁光，光电探测器38和40光耦合到波分器34、36。每一光电探测器38、40相对于闪烁检测器在物理上偏移，但与同它相连的波分器34、36基本上共线，所以它横跨了两个相邻的闪烁检测器。与每一光电探测器38、40耦合的是用于放大输出的放大器42、44。来自放大器42、44的信号被输出到模数转换器46以进行处理。经处理的信号用于构建被扫描的物质的图象。

为了提供PET扫描仪，根据常规的做法，围绕患者平台以环形结构提供图6中的多个闪烁器和光电探测器。

当图6中LuAP检测器30被碰撞时，从光电探测器38、40产生的电脉冲振幅相等。这是因为波分器34、36对于LuAP闪烁光都是透明的。相反，当LSO检测器26被碰撞，光电探测器38产生的电脉冲振幅高于光电探测器40产生的电脉冲振幅。这是因为波分器34对于LSO闪烁光是透明的，而波分器36对于其只是半透明的。因此，通过比较光电检测器检测到的电脉冲振幅就可以识别碰撞层。

虽然图6中的波分器34、36包括玻璃滤光器，但是等效地它们也可以是干扰滤光器和/或衍射光栅和/或棱镜和/或衍射微型镜片阵列和/或折射微型光学阵列中的任何一个或多个。

总之，本发明在于使用新的高灵敏度晶体LuAP或LuYAP，在将它们应用于PET照相机时，由于减小的闪烁检测器尺寸，能提供更好的图象清晰度。这种PET成本更低，更灵敏，并且空间分辨率具有相对较低的角部降低，因此，允许检测器环的直径减小，从而减少整个照相机的成本。而且，在双层结构中，LSO和LuAP衰变时间常数(对于60％的发射光分别为40ns和11ns)的巨大不同使脉冲形状鉴别成为有益的选择，它允许有效碰撞层的确定。

本领域的普通技术人员会理解到，在不脱离本发明的前提下，可以对所公开的结构进行改变。因此，通过举例而不是为了限制描述了具体实施例。本领域的普通技术人员将会清楚可以做出微小的改进而不需要对上述的操作做过大的改动。

Claims

一种正电子发射断层照相机或扫描仪包括：

患者区域；

用于检测来自患者区域相对侧的辐射的检测器环，该环包括多个朝向患者区域的闪烁检测器，当辐射入射其上时，所属闪烁检测器发射光线；

光耦合到闪烁检测器的转换装置，用于将闪烁检测器发射的光线转换成电脉冲；

其中闪烁检测器包括LuAP。
2.根据权利要求1的正电子发射断层照相机或扫描仪，其中闪烁检测器包括另一层闪烁晶体，优选的是LSO。
3.根据权利要求2的照相机或扫描仪，其中确定装置用于确定被探测到的辐射是入射在LuAP上还是另一层闪烁材料，优选是LSO上。
4.根据权利要求3的照相机或扫描仪，其中确定装置能分析电信号以确定脉冲形状，所述脉冲形状表示其中检测到辐射的层。
5.根据权利要求2至4中任一项的照相机或扫描仪，其中在每一闪烁探测器和与之相连的转换装置之间设置有光学元件，该光学元件以一种方式影响来自LuAP的光线，以另一种方式影响来自另一闪烁晶体层的光线。
6.根据权利要求5的照相机或扫描仪，其中光学元件和转换装置相对于闪烁器偏移，以便每一光学元件和每一转换装置横跨两个邻近的闪烁器。
7.根据权利要求5或6的照相机或扫描仪，其中所述光学元件为波分器，优选包括玻璃滤光器和/或干扰滤光器和/或衍射光栅和/或棱镜和/或衍射微型光学阵列和/或折射微型镜片阵列。
8.根据上述任一权利要求的照相机或扫描仪，其中转换装置包括光电倍增管。
9.根据权利要求8的照相机或扫描仪，其中光电倍增管是位置敏感的。
10.根据上述任一权利要求的照相机或扫描仪，其中转换装置包括光电二极管和/或雪崩光电二极管。
11.根据权利要求10的照相机或扫描仪，其中光电二极管和/或雪崩光电二极管由硅构成。
12.一种正电子发射断层照相机或扫描仪包括：

患者区域；

用于检测来自患者区域区相对侧的辐射的检测器环，该环包括多个朝向患者工作区的闪烁检测器，当辐射入射其上时，这些闪烁检测器发射光线；

转换装置，光耦合到闪烁检测器，用于将闪烁检测器发射的光线转换成电脉冲；

其中闪烁检测器包括LuYAP。
13.根据权利要求12的正电子发射断层照相机或扫描仪，其中闪烁检测器包括另一层闪烁晶体，优选是LSO。
14.根据权利要求13的照相机或扫描仪，其中确定装置用于确定被探测到的辐射是入射在LuYAP上还是另一层闪烁晶体，优选是LSO上。
15.根据权利要求14的照相机或扫描仪，其中确定装置能分析电信号以确定脉冲形状，所述的脉冲形状表示其中检测到辐射的层。
16.根据权利要求12至15中任一项的照相机或扫描仪，其中在每一闪烁探测器和与之相连的转换装置之间设置有光学元件，该光学元件以一种方式影响来自LuYAP的光线，以另一种方式影响来自另一闪烁晶体层的光线。
17.根据权利要求16的照相机或扫描仪，其中光学元件和转换装置相对于闪烁器偏移，以便每一波分器和每一转换装置横跨两个邻近的闪烁器。
18.根据权利要求16或17的照相机或扫描仪，其中所述光学元件包括玻璃滤光器和/或干扰滤光器和/或衍射光栅和/或棱镜和/或衍射微型光学阵列和/或折射微型镜片阵列。
19.根据权利要求12-18之一的照相机或扫描仪，其中转换装置包括光电倍增管。
20.根据权利要求19的照相机或扫描仪，其中光电倍增管是位置敏感的。
21.根据权利要求12-20之一的照相机或扫描仪，其中转换装置包括光电二极管和/或雪崩光电二极管。
22.根据权利要求21的照相机或扫描仪，其中光电二极管和/或雪崩光电二极管由硅构成。
23.一种正电子发射断层照相机或扫描仪包括多个闪烁器，其中闪烁器包括LuAlO₃:Ce(LuAp)。
24.根据权利要求23的照相机或扫描仪，其中闪烁器还包括位于LuAP附近的LSO层。
25.一种正电子发射断层照相机或扫描仪包括多个闪烁器，其中闪烁器包括LuYAlO₃:Ce(LuAp)。
26.根据权利要求25的照相机或扫描仪，其中闪烁器还包括位于LuYAP附近的LSO层。
27.在前述任一权利要求的PET照相机或扫描仪中使用的闪烁器，其中闪烁器包括LuAP。
28.在权利要求1-27之一的PET照相机或扫描仪中使用的闪烁器，其中闪烁器包括LuYAP。
29.一种正电子发射断层照相机或扫描仪包括：

多个朝向患者区域的闪烁检测器，当辐射入射其上时，闪烁检测器发射光线，所述闪烁器检测器包括两种不同的闪烁材料层，每一层发射不同的闪烁光；和

转换装置，光耦合到闪烁检测器，用于将闪烁检测器发射的光线转换成电脉冲；

其中光学元件被设置在闪烁探测器和转换装置间的光路上，所述光学元件以一种方式影响来自一闪烁检测器层的光线，以另一种方式影响来自另一闪烁检测器层的光线。
30.根据权利要求29的照相机或扫描仪，其中光学元件横跨两个邻近的闪烁检测器。
31.根据权利要求30的照相机或扫描仪，其中邻近所述光学元件是覆盖闪烁层的一部分的第二光学元件，所述闪烁层的一部分也被所述光学元件覆盖，其中所述第二光学元件以同样的方式影响来自不同闪烁层的光线。
32.根据权利要求29至31之一的照相机或扫描仪，其中所述光学元件包括玻璃滤光器和/或干扰滤光器和/或衍射光栅和/或棱镜和/或衍射微型光学阵列和/或折射微型镜片阵列。