CN1777821A - 用于对γ辐射进行空间解析检测的检测器元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于γ辐射的检测器元件(1)，该检测器元件尤其适合用在PET设备中。检测器元件(1)包括两个或更多不同的转换单元(11，12)，转换单元以具有不同光谱组成的发射光(λ₁，λ₂)响应对伽马量子(γ)的吸收。因而光电检测器装置(30)可以通过发射光的光谱特性来识别发射光的起源点。

Description

用于对γ辐射进行空间解析检测的检测器元件

本发明涉及一种用于对辐射量子尤其是γ量子进行检测的检测器元件。本发明还涉及一种用于根据所检测的γ量子产生图像的设备，该设备具体可以是PET设备。最后，本发明涉及一种检测辐射量子的方法。

从US 6 362 479 B1中公知这样一种检测器，在该检测器中为了二维空间解析检测伽马量子按阵列的方式将转换元件(闪烁器)排列成彼此相邻。此外，当朝着辐射入射方向观看时，每个单独的转换元件由两个不同材料层构成，其中各层中对γ量子的吸收在所有情况下会导致具有不同瞬时脉冲波形的发光。因此与其中发生了γ量子层吸收的转换器元件相连的光电检测器可通过发光的脉冲波形进行检测。该检测器尤其可以用在PET设备(PET：正电子放射型断层扫描)中，以便通过考虑到交互作用深度(DOI)而提高其成像准确度。交互作用深度描述了在检测器单元中根据装置的轴线测量的、已经发生γ量子到发射光的转换的位置。然而，该已知检测器的缺点在于对发光的脉冲波形之间的可靠鉴别对于信号的时间分析相对要求较高。此外，发射光必须包括足够大量的光子，以便可对脉冲波形进行清楚的检测。

出于这种原因，本发明的目的就是提供一种用于对辐射量子进行空间解析检测的装置，利用该装置可能尤其是以简单且可靠的方式提高PET设备中的图像准确度。

利用具有权利要求1的特征的检测器元件、具有权利要求9的特征的设备、以及具有权利要求10的特征的方法可实现该目的。从属权利要求中包含有利的改进方案。

根据本发明的检测器元件用于对辐射量子进行检测。所述辐射量子具体可以是例如在PET设备中由利用电子湮灭正电子的过程里发出的γ量子。湮灭该检测器元件大体上包括两部分：

a)转换装置，装配该装置以便吸收要检测的辐射量子并且总是将其转换为由另一种波长的量子组成的发射光。如不受限制的通称“发射光”所示，上述其他波长尤其可以是可见光波长。通过吸收辐射量子产生的发射光的光谱组成(波长分布)此外预定取决于发射光在该转换装置内的起源位置。换句话说，转换装置内部需要提供至少两个不同地点，如果那里吸收了辐射量子，那么出现具有不同光谱组成的发射光；

b)光电检测器装置，装配该装置以便检测来自转换装置的由于吸收辐射量子产生的发射光，并且根据它们的光谱特征区分它们。对发射光的“检测”可以具体覆盖对发射光的存在、时间或者持续时间、和/或发射光的幅度或幅度轮廓进行特别简单的检测(双择检测)。例如在PET设备中需要这种检测变量，以便对特定能级的γ量子的并发率进行检测。此外，光电检测器装置还用于根据发射光的光谱特征区分它们。光谱特性例如可以包括发射光的整个光谱组成(也就是说作为波长函数的强度)或者只包括光谱的特征要素(例如最大发射的波长)。

上述检测器元件可通过所产生的发射光的光谱或者波长检测转换装置内吸收辐射量子的位置。这尤其可以用在PET设备中以通过确定交互作用深度(DOI)来提高成像质量。其有利特征是可能以相对较小的努力根据光谱特征对发射光进行必要区分，而同时具有高准确度。

根据该检测器元件的优选实施例，转换装置包括两个或更多独立部件，每个部件包括不同材料，其中上述的每种材料对辐射量子的吸收起反应，产生具有与其它材料不同的各自的光谱组成的发射光。因此能够根据在光电检测器装置外部检测到的发射光的光谱特性推断出在转换装置的那种材料或哪个部件中产生的发射光。因此可以按照将转换装置分为不同部分的几何划分确定辐射吸收的位置。

如上所述，在转换装置具有不同材料的多部分结构的情况下，各种材料中由辐射量子所造成的发光的最大发射优选地有超过20nm的差别，特别推荐超过50nm的区分。这种最大发射的间距允许相对可靠地区分不同的发光。

此外，优选地将上述多部分转换装置的各种材料选择为每种材料在其他材料的发光的主要光谱范围中呈现低吸收力。因此在材料之一吸收辐射量子的情况下产生的光可以以相对小的衰减穿过其它材料。这使得可以将光电检测器置于转换单元之外，以使其尽量少地受要检测的外部辐射影响。

根据转换装置的另一个实施例，后者包括具有连续可变的发射特性的材料。在这种情况下，不但能将发光的起源位置指定到转换装置的独立分区，而且在理论上能将其精确的指定到转换装置之内的一点或一个区域(具有相同发射特性)。指定的准确度实际上取决于在不同位置所产生的发射光在技术上的可分辨率。具有连续可变发射特性的材料例如是通过连续改变所掺杂的基本材料而产生的。此外切实可行的是连续改变材料内部影响发光的其他物理变量或参数(例如电场或磁场；材料密度；晶体结构等等)。

原则上可以将该光电检测器装置安装在相对于转换装置的一个或多个位置上，以便可对发射光进行检测。但是，优选地将光电检测器装置安装在相对于所要检测的辐射量子的入射方向而言位于转换装置的下游的位置。在这种情况下，辐射量子首先照射转换装置，在那儿被尽可能地吸收，。因此辐射量子不会照射到或者只是最低限度的照射到光电检测器装置，因而对其只导致最小干扰。另一方面，对于光电检测器装置也有利的是不会影响或衰减所要检测的辐射。

具有区分发射光的光谱特性的期望能力的光电检测器装置可采用多种形式。优选地，光电检测器装置包括至少两个光电传感器。通常，光电检测器装置包括与要区分的发光的类型(也就是说转发装置中的位置)数目相同的光电传感器。光电传感器可以每个都呈现不同的光谱灵敏度，这可以通过例如材料性质(掺杂等)实现。此外，可以将具有不同光谱传导率的过滤器安置在光电传感器的上游，其中在这种情况下所有光感测器可以具有相同的光谱灵敏度。此外，可以将光电传感器安排成相对于所要检测的辐射量子的入射方向或发射光的辐射方向而言彼此相邻或一个位于另一个之后。

在具有至少两个光电传感器的光电检测器装置的优选实施例中，光电传感器被安排为相对于发射光的辐射方向而言一个位于另一个之后，以便发射光的光子(至今未吸收的)可按时间依次穿过它们。此外上述光电传感器分别与一计算单元相连，该计算单元被装配用来根据两个光电传感器上的信号检测的分布确定发射光的光谱特性。因为下述事实而使后者成为可能，即不同波长的光子呈现出每单位长度不同的吸收概率，使得它们在单个光电传感器中被以不同的概率吸收。利用这种检测方法，光电传感器可具有相同的光谱灵敏度，也就是说，光电传感器例如可由相同材料组成。

在光电检测器装置的另一个可能实施例中，光电检测器包括一个光学系统以及至少两个光电传感器，其中安装光学系统是为了根据波长将来自于转换装置的发射光引导至不同的光电传感器。因为对发射光的光谱区分受到光学系统的影响，因此光电传感器本身可具有相同结构。

另外本发明涉及一种通过对γ量子的检测产生图像的设备。该设备尤具体可以是PET设备，利用该设备检测来自以电子湮灭正电子的处理的γ量子以便确定身体中辐射性核素的分布湮灭。所述设备包括至少一个上述类型的检测器元件，也就是说具有用于将γ量子转换成发射光的转换装置，所述发射光的光谱组成取决于其起源位置，并且具有用于对所述发射光进行检测及光谱区分的光电检测器装置。此外，该设备包括一个计算部件，该计算部件被安装用来在重建图像的过程中考虑检测器元件内部的γ量子的检测地点。通常，该设备包括例如以圆柱形曲面上的阵列的方式分布的多个检测器元件，以便特定检测器元件的响应会产生二维空间分辨率。此后由于发射光谱所造成的响应检测器元件内部的可能附加空间分辨率与第三空间纬度有关。

最后，本发明还涉及用于对辐射量子进行检测的方法，尤其是对γ量子进行检测的方法，该方法包括下述步骤：

a)将γ量子转换成发射光，其中发射光的光谱组成取决于转换位置。这具体是指存在至少两个不同位置，在该位置对γ量子进行转换会具有不同光谱组成的发射光。

b)对上述发射光进行检测，其中同时根据光谱特性识别发射光。该方法允许根据所产生的发射光的光谱特性来对γ量子进行检测并且同时确定其吸收位置。如关于检测器元件及设备已说明的，该方法尤其可生产出具有改善的成像质量的PET装置。

参考附图所示出的实施例的示例进一步描述本发明，但是并不限制本发明。在附图中：

图1给出了根据本发明的PET设备中两个γ对的轨迹的略图；

图2示出了根据发明的具有两个不同材料的转换单元的一种检测器元件；

图3示出了根据本发明的具有连续可变转换单元的一种检测器元件；

图4示出了根据本发明的具有四个不同材料的转换单元的一种检测器元件；

图5示出了根据本发明的一种检测器元件，其具有彼此相邻排列的两个光电传感器和连接在传感器上游的光谱过滤器；

图6示出了根据本发明的一种检测器元件，其具有彼此相邻排列的具备不同光谱灵敏度的两个光电传感器；

图7示出了根据本发明的一种检测器元件，其具有一个排列在另一个之后的两个光电传感器；

图8示出了根据本发明的具有波长相关镜的一种检测器元件；

图9示出了根据本发明的一种检测器元件，其具有用于以波长相关的方式将光引导到光电传感器上的透镜。

下面参考示例性实施例并且基于在PET(正电子放射型断层扫描)设备中的应用来对本发明进行说明，但是并不将本发明局限于这个应用。附图中相同组件使用相同的参考数字。

图1给出了PET设备的基本组件的截面示意图。用于记录测量数据的该设备的部件5包括一检测器环4，其由各γ辐射检测器元件1组成，该检测器环与示意性示出的计算单元2(例如微型计算机)相连。患者3位于沿着检测器环4中心轴的床上。注入到该患者体内的放射性同位素在其中放射性的衰减，发射出正电子。每个正电子与位于其起源点附近的电子一起经受湮灭，其中产生一对等能级的实际上具有相反的飞行线路的γ量子(大约511keV)。图1示出了身体3中两个这样的代表性湮灭过程，这两个过程分别产生了γ量子对γ₁和γ′₁以及γ₂和γ′₂。事实上同时通过检测器环4的不同检测器元件1检测一对γ量子，由此可计算γ对的轨迹。此后可以通过公知的层析重建方法来计算身体3中辐射性核素的分布的三维图像。

检测器元件1包括用于将γ量子转换成可见发射光的通常几厘米厚的转换材料。在更新近的PET检测器中，使用大量相对小的闪烁器晶体(转换元件)代替少量的大弯晶(参见图1)。对于远离检测器环4的中心轴发出的γ对γ₂和γ′₂而言，情况可能是：γ量子穿过转换元件之一，并且只作用于第二个或者随后一个转换元件。因为目前所使用的检测器不能确定在发射了γ量子转换的转换元件中的“交互作用深度”，因此对远离中心轴的γ轨线的计算常出现相对高的不准确性。这导致在患者的边缘区域中重建三维图像成为问题。

为了解决这个问题，提出了下面参考多个示例性实施例说明的检测器元件1的结构，利用该结构可建立γ量子的交互作用深度。此外，当然计划检测器元件可如常提供与所检测的γ量子的时间及能级有关的信息。

图2给出了根据本发明的检测器元件1的第一实施例的结构略图，该检测器元件可以用在根据图1的PET设备中。检测器元件1具有多层结构，其包括依次排列在γ辐射入射方向上的下列部件：

a)转换装置10，其具有：

-第一转换单元(闪烁晶体)11；

-(可选的)机械和/或光连接层21，例如光胶粘剂或者油脂；

-第二转换单元(闪烁晶体)12；

-另一(可选的)连接层22；

b)光电检测器装置30，用于对可见光进行检测，下面参考图5至9对光电检测器装置30的可能实施例进行更加详细的说明。

检测器元件1的本质特征是将第一转换单元11和第二转换单元12构造成在吸收伽马量子γ时发射具有不同波长λ₁或λ₂的可见光。更确切地说，在两个晶体11和12中吸收γ量子时所发射出的光量子的波长分布或者光谱不同。此外，不但根据时间和包含在其中的能量对来自光电检测器装置的发射光进行检测，而且根据波长λ₁或λ₂对其进行区分。因此光电检测器装置30可以根据发射光的波长识别发射光起源自哪个转换单元(11或12)。这反过来允许推导出关于关于检测器元件1中的γ量子的交互作用深度的结论。

闪烁晶体11和12可以分别包括相同的基础材料，其被不同的掺杂以实现所期望的不同发射特性。然而，同样，闪烁晶体11和12可以分别由完全不同的材料组成。唯一的重要因素是使两个晶体11，12对于γ量子吸收的发射光谱尽可能不同，以便可区分两个晶体。此外有利的是，上部晶体11中所产生的光量子能够以尽可能小的衰减(吸收)穿过下部晶体12，使得在光电检测器装置30中可以以较好信噪比检测它们。

尤其可以从下列材料的列表中选择具有尽可能不同的最大发射波长的适当转换材料，其中在括弧中示出了每一种的最大发射波长：

YAG(550nm)，

BGO(480nm)，

GSO(440nm)，

LSO(420nm)，

NaI:Tl(410nm)，

LuAP(365nm)。

不消说当选择材料时还应当考虑诸如光强度这样的其他标准。因此一个优选的材料组合是例如GSO和NaI:Tl。

图3示出了检测器元件的一种替代结构，在所述结构中一片转换单元10被通过连接层21安装在光电检测器装置30之上。闪烁层10的组成和/或掺杂在γ辐射的入射方向上以如下方式变化，即不同深度处的γ量子的吸收会导致具有不同光谱组成的发射光。因此如图2所示的转换层10之内的发射光谱的理想恒定变化可相对精确的确定交互作用深度，以区分(两个)分立区域，但是转换层之内发射光谱的变化并不局限于此。

图4显示了图2中的装置的进一步改进，其中光电检测器装置30上提供了一列四个不同的闪烁晶体11、12、13以及14。各种部件又可选地与适当连接层21、22、23以及24机械和光学地相耦合。如果所有四个闪烁晶体11-14具有不同地发射光谱(并且尽可能少的吸收彼此的发射)，则可以利用这样一个装置准确地将交互作用深度确定到四个不同区块中的一个。根据潜在应用的需要，闪烁晶体11-14可显示相同或者不同厚度。此外，显然原则上也可利用其他数目的层来实现这样一个多层结构。

图5至9给出了之前只概括示出的光电检测器装置30的多种可能实施例。图5至8只以根据图2的两部分版本的例子示出了转换装置10，但是显然其中还可提供图3或图4中分别的连续装置或多部装置或者任何其它的期望结构的转换装置。可以修改所示光电检测器装置30中的不同光电传感器的数目与所要区分的作用深度的数目相对应(闪烁晶体数目)。

在图5中，光电检测器装置30包括两个光电传感器31和32，其中在光电传感器31，32中每一个和转换装置10之间都安装有分别具有不同光谱传导性能的滤色镜71和72。每一个过滤器分别只允许来自于两个转换单元11或12之一的光穿过光电传感器31或32。因此，例如，光电传感器31的响应可以暗示γ量子的吸收在第一转换单元11中发生，并且光电传感器32的响应可以暗示γ量子的吸收在在第二转换单元12发生。光感测器本身可以具有类似结构，因为它们的不同频谱性能是分别通过过滤器71或72来实现的。

图6示出了相对于图5而改进的一种检测器元件，其中光电检测器装置30是由不同光谱灵敏度的两个光电传感器31和32组成的，当朝着γ量子的入射方向观看时这两个光电传感器彼此相邻排列。

图7示出了光电检测器装置30的一个实施例，其中当朝着γ辐射的入射方向观看时光电传感器31和32一个排列在另一个之后。光电传感器31，32具体可以是光电二极管层。如图6所示，光电传感器31，32可以包括不同的光谱灵敏度，或者他们也可以具有相同的光谱灵敏度。在这种情况下，根据不同波长的光子具有每单位长度不同吸收概率的事实来对发射光进行光谱区分。例如，统计上存在这样的情况，在较深的层中吸收短波光子的概率高于吸收长波光子。因此与上部光电传感器31相比较，在下部光电传感器32中可更强烈的检测到最大发射具有较短波长的光脉冲，反之亦然。因此可利用统计法来根据起源地点(转换单元11或12)对光脉冲进行区分。该装置的优点在于只损失很小数目的光子用于检测，这样可实现好的信噪比。

图8示出了一个实施例，其中离开转换装置10的光照射在诸如多层介质镜这样的波长相关镜子50之上。镜子50反射具有第一波长λ₁的光，使其照射在第一光电传感器31上，同时具有另一波长λ₂的光可以穿过镜子50并且在镜后照射在第二光电传感器32上。因此通过镜子50可以将来自不同转换单元11，12的发射光引导到不同的λ光电传感器31，32上。光电传感器31，32本身可以具有类似的设计。

图9示出了根据本发明的检测器元件的另一个实施例，其中同样发生以波长相关方向将光引到不同的光电传感器上。转换装置10采用三部分结构，该结构有具有不同发射特性的三个转换层11，12，以及13。在伽马辐射γ的方向上将透镜60安排在转换装置的下游，该透镜60根据其波长λ₁，λ₂，λ₃使来自转换装置的发射光偏转不同角度。可提供按照波长相关方式影响折射或衍射的透镜系统或诸如棱镜的另一光学元件代替透镜60。光电检测器装置30此外包括同心排列的光电传感器31，32和33(例如光电二极管，光电倍增管、或者位于光电培增管内部的通道)，这些光电传感器每个都被置于环形面上，特定晶体11，12或13的主要波长的发射光被引导到其上。转换装置10与光学元件60之间还可选择性的提供诸如光波导这样的其他装置。

附图中所举例描述的实施例都具有在闪烁晶体与入射γ辐射之间没有其它干涉部件的优点。尤其是，所有光电传感器被置于闪烁体的下游并且因而不受辐射通量的影响。保持检测器元件的传统时间及能量分辨率的同时，该实施例还允许单独或可选地连续确定交互作用深度，其中根据该实施例，可实现很好的信噪比。

Claims (10)

1、一种用于对辐射量子尤其是伽马量子(γ)进行检测的检测器元件，该检测器元件包括：

a)转换装置(10)，用于将所吸收的辐射量子(γ)转换成发射光(λ₁，λ₂，λ₃)，其中发射光的光谱组成取决于其在转换装置中的起源点；

b)光电检测器装置(30)，安装该光电检测器是用来对来自转换装置的发射光进行检测并且根据其光谱特性对其进行区分。

2、如权利要求1所述的检测器元件，其特征在于转换装置(10)包括不同材料的至少两个部分(11，12，13，14)，其中该材料在吸收辐射量子(γ)时产生具有不同光谱组成的发射光(λ₁，λ₂，λ₃)。

3、如权利要求2所述的检测器元件，其特征在于所述材料(11，12，13，14)的发射光的最大发射波长相差超过20nm，优选超过50nm。

4、如权利要求2所述的检测器元件，其特征在于所述材料(11，12，13，14)对于其他各材料的发射光呈现出很低的光谱吸收能力。

5、如权利要求1所述的检测器元件，其特征在于转换装置(10)包括具有连续可变的发射特性的材料(15)。

6、如权利要求1所述的检测器元件，其特征在于光电检测器装置(30)包括至少两个光电传感器(31，32，33)，光电传感器优选呈现不同的光谱灵敏度。

7、如权利要求6所述的检测器元件，其特征在于至少两个光电传感器(31，32)在发射光方向上排列成一个位于另一个之后，并且其与一计算单元相连，其中安装该计算单元是用于根据两个光电传感器上的信号检测的分布来确定发射光的光谱特性。

8、如权利要求1所述的检测器元件，其特征在于光电检测器装置(30)包括光学系统(50，60)和各光电传感器(31，32，33)，其中光学系统根据波长将来自于转换装置(10)的发射光引导至不同光电传感器。

9、一种用于根据检测的γ量子(γ₁，γ′₁，γ₂，γ′₂)生成图像的设备，该设备包括至少一个如权利要求1所述的检测器元件(1)以及计算单元(2)，设置计算单元是用于在重建图像的过程中考虑到检测器元件(1)内部γ量子的检测地点。

10、一种用于对辐射量子进行检测的方法，尤其是对伽马量子(γ)进行检测的方法，该方法包括步骤：

a)将伽马量子(γ)转换成发射光(λ₁，λ₂，λ₃)，其中发射光的光谱组成取决于转换地点；

b)对发射光进行检测，同时对其光谱特性进行区分。

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