CN204118095U - 光电转换器、探测器及扫描设备 - Google Patents
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Abstract
一种光电转换器，其包括硅光电倍增管阵列及与硅光电倍增管阵列耦合的光导，硅光电倍增管阵列为i×j个硅光电倍增管在水平面上拼接而成，i和j都是大于或等于2的整数。一种探测器，其包括闪烁晶体、光导、硅光电倍增管。一种扫描设备，其包括探测装置和机架，所述探测装置包括探测器，所述探测器包括所述的光电转换器。本实用新型主要采用硅光电倍增管的光电转换方案，因为硅光电倍增管体积小巧，排列紧实，适当尺寸与个数的硅光电倍增管搭配适合形状的光导后，可搭建高空间分辨率的PET探测器，最终提高整个PET系统的空间分辨率，并且很适合搭建具有DOI和TOF性能的PET探测器，能用于PET/MRI、成本低廉。
Description
技术领域
本实用新型涉及核医学成像技术领域，特别是涉及一种光电转换器、具有该光电转换器的探测器及具有该探测器的扫描设备。
背景技术
正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，以下简称PET)探测器是PET成像设备中的关键装置，其主要功能是获得PET系统中γ光子沉积时的位置、时间和能量信息。PET探测器的性能直接决定了整个PET成像系统的性能，为了提高系统成像性能，希望所使用的正电子发射断层成像探测器具有高空间分辨率、好的时间分辨率、好的能量分辨率、高计数率等特性。
PET探测器中光电转换器的功能是将前端闪烁晶体输出的闪烁光子转化为对应的电脉冲，并进行倍增放大得到电子学系统可以处理的电脉冲信号。现有的PET探测器，其中光电转换器件通常采用光电倍增管、雪崩光电二极管、位置敏感型光电倍增管。
光电倍增管一般通过光电面将闪烁光子转化为光电子，然后通过多个倍增极对光电子进行倍增，最后从阳极输出电脉冲信号，光电倍增管增益一般为106左右。光电倍增管具有高增益、低噪声、快的时间响应等优点，这造就了大部分的临床PET光电转换器件均选择了光电倍增管。但其体积一般较大，这可能限制PET探测器的空间分辨率以及PET系统结构设计的灵活性；光电倍增管无法在磁场中正常工作，难以作为PET/MRI双模成像系统的光电转换器件。
雪崩光电二极管首先通过光阴极将闪烁光子转化为光电子，利用光电二极管的雪崩效应来对光电子进行倍增得到电脉冲信号，雪崩光电二极管可以在磁场中正常工作，在PET/MRI双模成像中系统表现出一定的潜力。雪崩光电二极管体积较小，可以用来设计空间分辨率更好的PET探测器，已经有人通过雪崩光电二极管来设计对空间分辨率要求更高的小动物PET(MélanieBergeron，Jules Cadorette,，Beaudoin，MartinD.Lepage，GhislainRobert，Vitali Selivanov，Marc-André Tétrault，Nicolas Viscogliosi，Jeffrey P.Norenberg，RéjeanFontaine，and Roger Lecomte，“Performance Evaluation ofthe LabPET APD-Based Digital PET Scanner，”IEEE TRANSACTIONS ONNUCLEAR SCIENCE,VOL.56,NO.1,FEBRUARY 2009)。但是雪崩光电二极管有着天然的缺陷，增益不够高，大概104，噪声较大，会影响PET探测器的性能。
位置敏感型光电倍增管具备所有光电倍增管的优点，而且能够实现较高的空间分辨率，有研究组已经通过位置敏感型光电倍增管实现了对空间分辨率要求更高的小动物PET(Qingguo Xie,Yuanbao Chen,Jun Zhu,Jingjing Liu,Xi Wang,Xin Chen,Ming Niu,Zhongyi Wu,Daoming Xi,Luyao Wang,PengXiao,Chin-Tu Chen,Chien-Min Kao“Implementation ofLYSO-PSPMT BlockDetector with an All-Digital DAQ System,”in IEEE Transactions on NuclearScience,pp.1487-1494,2013)，并达到了较好的系统性能。但是位置敏感型光电倍增管价格十分昂贵，会增加PET系统的成本。
近年来，一种成本低廉的硅光电倍增管引起了人们的注意，硅光电倍增管由运行在盖革模式下的雪崩光电二极管微像素单元阵列组成，增益为106，该增益与光电倍增管媲美，噪声较低，体积小，对磁场不敏感，且其时间性能良好，大量生产时价格低廉，适合用来搭建PET探测器(Qingguo Xie,RobertG.Wagner,Gary Drake,Patrick DeLurgio,Yun Dong,Chin-Tu Chen,Chien-MinKao,“Performance Evaluation ofMulti-Pixel Photon Counters forPET Imaging,”in Conference Record ofthe 2007 IEEE Nuclear Science Symposium,vol.2,pp.969-974,2007)。采用硅光电倍增管作为光电转换器件，对比传统体积较大光电倍增管，硅光电倍增管体积小巧，排列紧实，适合搭建高空间分辨率PET探测器，最终提高整个PET系统的空间分辨率；硅光电倍增管体积小巧，很方便搭建多种探测器结构，并且很适合搭建具有沉积深度(Depth ofInteraction，简称DOI)探测能力的PET探测器，相对于体积较大的光电倍增管，大大提高了PET系统结构搭建的灵活性；硅光电倍增管具有良好的时间性能，可以搭建具有飞行时间(Time-of-Flight，简称TOF)能力的PET探测器，提高PET图像质量；硅光电倍增管增益高，工作状态不受磁场影响，是PET/MRI方案中核心光电转换器件的最佳选择。光电倍增管尤其是位置敏感型光电倍增管成本一直居高不下，硅光电倍增管大量生产时价格低廉，可大幅度降低PET系统的成本。
硅光电倍增管具有与光电倍增管媲美的增益，又具有雪崩光电二极管体积小、对磁场的不敏感的优点，且其时间性能良好。硅光电倍增管兼具了光电倍增管和雪崩光电二极管的优点，如果正电子发射断层成像探测器利用硅光电倍增管作为光电转换器件并能够较好的实现位置分辨，便可以基于硅光电倍增管设计并搭建空间分辨率更高的、具有DOI和TOF性能的、能用于PET/MRI的、成本低廉的正电子发射断层成像探测器。
因此，有必要提供一种新型的应用硅光电倍增管的光电转换器，以克服现有技术中探测器的缺陷。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种空间分辨率更高的光电转换器、具有该光电转换器的探测器及具有该探测器的扫描设备。
本实用新型一个目的在于提供一种空间分辨率更高的光电转换器，其包括硅光电倍增管阵列，所述硅光电倍增管阵列为i×j个硅光电倍增管在水平面上拼接成，所述i为水平面上长度方向的硅光电倍增管个数，所述j为水平面上宽度方向的硅光电倍增管个数，所述i和j都是大于或等于2的整数。
本实用新型另一个目的在于提供一种具有该光电转换器的探测器，该探测器包括闪烁晶体、电子学系统，所述探测器具有所述的光电转换器，所述闪烁晶体、光导、硅光电倍增管阵列依次按顺序通过光学耦合剂进行耦合。
本实用新型另一个目的在于提供一种具有该探测器的扫描设备，该扫描设备包括探测装置和机架，所述探测装置安装于所述机架上，所述探测装置包括所述的探测器。
从上述技术方案可以看出，本实用新型主要采用硅光电倍增管的光电探测方案，因为硅光电倍增管体积小巧，排列紧实，适当尺寸与个数的硅光电倍增管搭配适合形状的光导后，使闪烁晶体的光子在光导产生扩散，利用丰富的空间信息，可搭建高空间分辨率PET探测器，最终提高整个PET系统的空间分辨率，并且很适合搭建具有DOI和TOF性能的PET探测器，能用于PET/MRI、成本低廉。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、采用硅光电倍增管的光电探测系统方案，对比传统较大体积光电倍增管的方案，硅光电倍增管体积小巧，排列紧实，适当尺寸与个数的硅光电倍增管搭配适合形状的光导后，可搭建固有空间分辨率很高的PET探测器，最终提高整个PET系统的空间分辨率。
2、硅光电倍增管具有与光电倍增管媲美的增益(106)可以接受的噪声，对比传统的光电转换器件雪崩光二极管，其增益只有104，噪声较大，使得由雪崩光电二极管组成的PET探测器性能较低。
3、硅光电倍增管体积小巧，很方便搭建多种探测器结构，并且很适合搭建具有DOI探测能力的PET探测器，相对于体积较大的光电倍增管，大大提高了PET探测器结构搭建的灵活性。
4、硅光电倍增管具有良好的时间性能，可以搭建具有TOF能力的PET探测器，提高PET图像质量。
5、传统PET探测器中广泛使用的光电倍增管无法在磁场中正常工作，使得研发PET/MRI双模成像系统存在光电转换器件困难，硅光电倍增管增益高，工作状态不受磁场影响，是PET/MRI方案中核心光电转换器件的最佳选择。
6、光电倍增管尤其是位置敏感型光电倍增管由于生产过程过于复杂，成本一直居高不下，硅光电倍增管大量生产时价格低廉，可大幅度降低搭建PET系统的成本。
7、采用三种电子学预处理电路既可以有效的减少基于硅光电倍增管搭建的PET探测器的通道数，又不丢失γ光子沉积的位置、能量、时间信息，使得基于硅光电倍增管搭建的PET探测器更易于工程实现。
附图说明
图1为本实用新型光电转换器第一实施例的立体示意图；
图2为本实用新型光电转换器第二实施例的立体示意图；
图3为本实用新型光电转换器第三实施例的立体示意图；
图4为本实用新型4个通道的硅光电倍增管信号通过电阻网络如何最后产生4路加权信号的示意图；
图5为本实用新型16个通道的硅光电倍增管信号通过更加简单明了的电阻网络如何最后产生4路加权信号的示意图；
图6为本实用新型16个通道的硅光电倍增管信号通过同时取硅光电倍增管的阴极和阳极信号如何最后产生8路加权信号的示意图。
具体实施方式
硅光电倍增管具有与光电倍增管媲美的增益，又具有雪崩光电二极管体积小、对磁场的不敏感的优点，且其时间性能良好、大量生产时价格低廉。硅光电倍增管兼具了光电倍增管和雪崩光电二极管的优点，充分利用这些优点，配合相应的光导设计，使闪烁晶体的光子在光导中产生扩散，利用这丰富的空间分布信息，配合后端的电子学设计以及位置读出算法，可以更加准确的获得γ光子沉积位置信息，使PET探测器空间分辨率突破硅光电倍增管尺寸限制。
基于以上分析，本实用新型公开了一种空间分辨率更高、具有DOI和TOF性能、能用于PET/MRI、成本低廉的光电转换器、具有该光电转换器的探测器及具有该探测器的扫描设备。
所述扫描设备包括探测装置和机架，所述探测装置安装于所述机架上，所述探测装置包括探测器。
所述探测器包括闪烁晶体、电子学系统、光电转换器，所述光电转换器包括硅光电倍增管阵列及与硅光电倍增管阵列耦合的光导，所述闪烁晶体、光导、硅光电倍增管阵列依次按顺序通过光学耦合剂进行耦合。硅光电倍增管体积小巧，很方便搭建多种探测器结构，并且很适合搭建具有DOI探测能力的PET探测器，相对于体积较大的光电倍增管，大大提高了PET探测器结构搭建的灵活性，且硅光电倍增管具有良好的时间性能，可以搭建具有TOF能力的PET探测器，提高PET图像质量。
所述硅光电倍增管阵列为i×j个硅光电倍增管在水平面上拼接成，所述i和j都是大于或等于2的整数，所述闪烁晶体、光导、硅光电倍增管阵列依次按顺序通过光学耦合剂进行耦合。来自于闪烁晶体的闪烁光子经由光导时，发生光扩散，根据耦合在光导下各个硅光电倍增管收到的数目的光子的分布，结合位置算法，可以准确的获得γ光子在闪烁晶体中沉积的位置。通过采用硅光电倍增管的光电探测系统方案，对比传统较大体积光电倍增管的方案，硅光电倍增管体积小巧，价格低廉、排列紧实，搭建PET探测器时，可以提高探测器的空间分辨率，最终可以提高系统的成像质量；同时，硅光电倍增管具有与光电倍增管媲美的增益(106)可以接受的噪声，对比传统的光电转换器件雪崩光二极管，其增益只有104，噪声较大，使得由雪崩光电二极管组成的PET探测器性能较低。
如图1所示，该探测器包含将γ光子转化为闪烁光子的闪烁晶体1、将闪烁光子转换为电脉冲信号的光电转换器2以及根据电脉冲信号来计算γ光子的沉积位置、能量、时间信号的电子学系统3。其中，光电转换器2包括光导4及与光导4耦合硅光电倍增管阵列5，闪烁晶体1、光导4、硅光电倍增管阵列5依次按顺序通过光学耦合剂进行耦合。光学耦合剂可以是光学胶水。
所述光导为光纤或完全切割的透明元件或不完全切割的透明元件或连续的透明元件。所述透明元件的材料为普通无机玻璃或有机玻璃或闪烁晶体。
所述闪烁晶体包括单个晶体条组成的阵列晶体，或者未完全切割的阵列晶体，或者未切割的连续晶体，或者连续晶体与阵列晶体组合的多层晶体。
所述闪烁晶体为无机闪烁晶体，其材料为锗酸铋、硅酸镥、溴化镧、硅酸钇镥、硅酸钇、氟化钡、碘化钠、碘化铯。
现有技术中，不同厂商对自己公司生产的硅光电倍增管都有各自不同的命名，大致有如下几种叫法：硅光电倍增器(silicon photomultiplier，SiPM)、多像素光子计数器(multi-pixel photon counter，MPPC)、盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-mode avalanche photodiode，G-APD)、数字硅光电倍增器(digital silicon photomultiplier，dSiPM)，虽然叫法不同，但是实际上他们均是指本实用新型所述的硅光电倍增管，其原理功能均相同。本实用新型描述的硅光电倍增管只是一个统称，本实用新型的保护范围并不会因为叫法的不同而出现不同的保护范围，即他人不可以主观上认为改变命名就与本实用新型属于不同的实用新型创造。本实用新型所揭示的硅光电倍增管的实际保护的范围囊括现有技术中各大厂商对硅光电倍增管的不同叫法所指定的产品。
所述单颗硅光电倍增管探测面积在1×1mm2至6×6mm2之间，微像素单元面积在25×25um2至100×100um2之间。
所述光导的形状包括圆锥体、圆柱体，长方体、正方体及类锥形多面体，当然光导也可以是其他形状，在此不再一一进行列举。所述光导包括光纤、完全切割的透明元件、不完全切割的透明元件、连续的透明元件或其他透明元件，所述透明元件的材料包括普通无机玻璃、有机玻璃、闪烁晶体。所述的光导包括P层，所述P的范围在0至4层之间，所有光导加起来的厚度在0.1mm至50mm之间。如图1至图2所示，图中仅显示了光导层数m均等于1，均为连续的透明元件的情况。
所述光电转换器包括i×j硅光电倍增管在水平面上拼接成的硅光电倍增管阵列，其中i为水平面上长度方向的硅光电倍增管个数，i为大于或等于2的整数，j为水平面上宽度方向的硅光电倍增管个数，j为大于或等于2的整数；对于一次γ光子沉积事件，光电转换器将会产生k路电脉冲信号，其中k为大于或等于4的整数。所述电子学系统通过处理k路电脉冲信号获得γ光子能量、位置、时间信息。所述处理电信号得到γ光子的位置、能量及时间信息的电子学系统对于k路电脉冲信号不做预处理，直接对k路电脉冲信号一对一读出，使用最大似然估计法、人工神经网络定位算法计算γ光子沉积位置。
所述处理电信号得到γ光子的位置、能量及时间信息的电子学系统对于k路电脉冲信号也可以进行预处理，减少电子学通道数，预处理电路包括：Anger电路，离散正比(discretized proportional counter，DPC)电路，十字交叉(cross-wire)电路，得到m路电脉冲信号，m为大于或等于4，小于或等于k的整数。如图4至图6所示，图中仅分别显示了Anger电路，DPC电路，cross-wire电路的情况。采用三种电子学预处理电路既可以有效的减少基于硅光电倍增管搭建的PET探测器的通道数，又不丢失γ光子沉积的位置、能量、时间信息，使得基于硅光电倍增管搭建的PET探测器更易于工程实现。
所述电子学系统采用位置算法根据m个电脉冲信号计算出γ光子沉积位置，所述位置算法包括重心法、Anger-Logic法、最大似然估计法、人工神经网络定位算法。
所述电子学系统也可以采用时间算法根据m个电脉冲信号计算出γ光子沉积时间，所述时间算法为将m个电脉冲信号加和或者加权后加和获得一个加和电脉冲信号，提取加和电脉冲信号的时间信息作为γ光子的沉积时间。
所述求取时间的具体方法包括恒比甄别器(constant fractiondiscrimination，CFD)方法、边沿触发(leading edge discrimination，LED)方法、多电压阈值(multi-voltage threshold，MVT)方法、周期时间采样(regular-time sampling，RTS)方法。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一：
如图1所示：探测器包括闪烁晶体1、光电转换器2、电子学系统3。其中闪烁晶体1为由12×12个相同尺寸的闪烁晶体条在水平面拼接构成。闪烁晶体1的底面直接与光导4的顶面耦合，硅光电倍增管阵列5由4×4个相同尺寸的硅光电倍增管，其中光导仅有一层，外形为长方体，材料为玻璃，厚度13mm。电子学系统3中，首先采用DPC电路，将通道数从16降至4，然后采用Anger-Logic算法获得γ光子沉积位置；获取γ光子沉积时间信息的方法为将DPC电路输出的4路信号加和，提取加和信号的时间为γ光子的沉积时间。
实施例二：
如图2所示：探测器包括闪烁晶体1、光电转换器2、电子学系统3。其中闪烁晶体1为由12×12个相同尺寸的闪烁晶体条在水平面拼接构成。闪烁晶体1的底面直接与光导4的顶面耦合，硅光电倍增管阵列5由4×4个相同尺寸的硅光电倍增管，其中光导仅为一层，外形为类锥形六面体，上下面表面均为正方形，四个侧面为梯形，上下表面正方形面积并不相同，厚度13mm。电子学系统3中，首先采用cross-wire电路，将通道数从16降至8，然后采用最大似然估计法获得γ光子沉积位置；获取γ光子沉积时间信息的方法为将cross-wire电路输出的一个方向的4路信号加和，提取加和信号的时间为γ光子的沉积时间。
实施例三：
如图3所示：基于硅光电倍增管的位置敏感PET探测器包括闪烁晶体1、光电转换器2、电子学系统3。其中闪烁晶体1为由12×12个相同尺寸的闪烁晶体条在水平面拼接构成。闪烁晶体1的底面直接与光导4的顶面耦合，硅光电倍增管阵列5由4×4个相同尺寸的硅光电倍增管，其中光导仅为一层，外形为类锥形十面体，即一个长方体加上一个六面体(中间为连续光导)，整个十面体上下两个表面为正方形，表面面积并不相同，侧面是四个长方形加四个梯形，总厚度13mm。电子学系统3中，首先采用cross-wire电路，将通道数从16降至8，然后采用最大似然估计法获得γ光子沉积位置；获取γ光子沉积时间信息的方法为将cross-wire电路输出的一个方向的4路信号加和，提取加和信号的时间为γ光子的沉积时间。
如图4所示：Anger电路示意图，此处示意了4个通道的硅光电倍增管信号通过电阻网络如何最后产生4路加权信号，在每一个方向上通过不同电阻值配比对每个通道信号进行加权，然后利用重心法计算硅光电倍增管信号产生位置。按照该原理可以在不付出创造性劳动的情况下，扩展到16、64通道如何最后产生4路加权新号。
如图5所示：DPC电路示意图，此处示意了16个通道的硅光电倍增管信号通过更加简单明了的电阻网络如何最后产生4路加权信号，显然，在该电路中，每一路不同位置的硅光电倍增管信号都有不同的加权值，然后利用Anger-Logic算法产生位置。显然，该电路中电阻值仅仅是示意，按照该原理可以在不付出创造性劳动的情况下，仅仅改变部分电阻值或改变电阻的个数，便可以扩展到其它x×y路的硅光电倍增管通道信号如何最后产生4路加权新号的情况，x和y均为大于或等于2的整数。
如图6所示：cross-wire电路示意图，此处示意了16个通道的硅光电倍增管信号通过同时去硅光电倍增管的阴极和阳极信号如何最后产生8路加权信号，显然，该电路可以使x×y路的硅光电倍增管信号减少到x+y路，x和y均为大于或等于2的整数，然后利用最大似然估计法或者人工神经网络算法产生位置。显然，按照该原理可以在不付出创造性劳动的情况下，便可以扩展到其它x×y路的硅光电倍增管的情况，x和y均为大于或等于2的整数。
综上所述，与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：
1、采用硅光电倍增管的光电探测系统方案，对比传统较大体积光电倍增管的方案，硅光电倍增管体积小巧，排列紧实，适当尺寸与个数的硅光电倍增管搭配适合形状的光导后，可搭建固有空间分辨率很高的PET探测器，最终提高整个PET系统的空间分辨率。
2.硅光电倍增管具有与光电倍增管媲美的增益(106)可以接受的噪声，对比传统的光电转换器件雪崩光二极管，其增益只有104，噪声较大，使得由雪崩光电二极管组成的PET探测器性能较低。
3.硅光电倍增管体积小巧，很方便搭建多种探测器结构，并且很适合搭建具有DOI探测能力的PET探测器，相对于体积较大的光电倍增管，大大提高了PET探测器结构搭建的灵活性。
4.硅光电倍增管具有良好的时间性能，可以搭建具有TOF能力的PET探测器，提高PET图像质量。
5.传统PET探测器中广泛使用的光电倍增管无法在磁场中正常工作，使得研发PET/MRI双模成像系统存在光电转换器件困难，硅光电倍增管增益高，工作状态不受磁场影响，是PET/MRI方案中核心光电转换器件的最佳选择。
6.光电倍增管由于生产过程过于复杂，成本一直居高不下，硅光电倍增管大量生产时价格低廉，可大幅度降低搭建PET系统的成本。
7、采用三种电子学预处理电路既可以有效的减少基于硅光电倍增管搭建的PET探测器的通道数，又不丢失γ光子沉积的位置、能量、时间信息，使得基于硅光电倍增管搭建的PET探测器更易于工程实现。
Claims (10)
1.一种光电转换器，其特征在于：所述光电转换器包括硅光电倍增管阵列，所述硅光电倍增管阵列为i×j个硅光电倍增管在水平面上拼接成，所述i为水平面上长度方向的硅光电倍增管个数，所述j为水平面上宽度方向的硅光电倍增管个数，所述i和j都是大于或等于2的整数。
2.根据权利要求1所述的光电转换器，其特征在于：所述光电转换器还包括与硅光电倍增管阵列耦合的光导。
3.根据权利要求2所述的光电转换器，其特征在于：所述光导的形状为圆锥体或圆柱体或长方体或正方体或类锥形多面体。
4.根据权利要求2所述的光电转换器，其特征在于：所述光导为光纤或完全切割的透明元件或不完全切割的透明元件或连续的透明元件。
5.根据权利要求4所述的光电转换器，其特征在于：所述透明元件的材料为普通无机玻璃或有机玻璃或闪烁晶体。
6.根据权利要求2所述的光电转换器，其特征在于：所述光导包括P层，所述P的范围在0至4层之间。
7.根据权利要求6所述的光电转换器，其特征在于：所有所述光导加起来的厚度范围在0.1mm至50mm之间。
8.一种探测器，其包括闪烁晶体，其特征在于：所述探测器具有权利要求1至7任一所述的光电转换器，所述闪烁晶体、光导、硅光电倍增管阵列依次按顺序通过光学耦合剂进行耦合。
9.根据权利要求8所述的探测器，其特征在于：所述闪烁晶体为单个晶体条组成的阵列晶体，或者未完全切割的阵列晶体，或者未切割的连续晶体，或者连续晶体与阵列晶体组合的多层晶体。
10.一种扫描设备，其包括探测装置和机架，所述探测装置安装于所述机架上，所述探测装置包括探测器，其特征在于：所述探测器具有权利要求1至7任一所述的光电转换器。
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