闪烁检测器以及相关联的闪烁检测器环和方法技术

本发明专利技术提供了光子传感器在基于闪烁晶体的伽马射线检测器上的新颖布置，该伽马射线检测器利用了闪烁光在闪烁检测器衬底内的全内反射。本发明专利技术提供了改善的空间分辨率(包括相互作用深度(DOI)分辨率)，同时保留能量分辨率和检测效率，这在小动物或人的正电子发射断层造影术(PET)或依赖于高能量伽马射线检测的其他技术中尤其有用。此外，新的几何结构有助于减少所需的读出信道的总数目，且消除了进行复杂和重复的切割和抛光操作以形成像素化晶体阵列的需要，该需要是当前PET检测器模块中的标准。

Scintillation detector and associated scintillation detector rings and methods

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】闪烁检测器以及相关联的闪烁检测器环和方法相关申请的交叉引用本文件要求享有于2016年10月28日提交的美国临时专利申请号62/414,469的优先权，该美国临时专利申请的内容通过引用纳入本文。关于联邦政府资助的研究或开发的声明本专利技术是在由NIH授予的批准号P41EB002035的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
技术介绍
正电子发射断层造影术(PositronEmissionTomography，PET)已经成为一种成熟且可靠的技术。由于它能够监测葡萄糖的新陈代谢和特定器官和组织内其他靶向放射性示踪剂的摄取，所以在神经学和肿瘤学中具有广泛应用。与其他替代选项(功能性MRI、CT和SPECT)相比，PET的灵敏度高出几个数量级，这提供更可靠的结果(更低的噪声、更好的空间分辨率、更好的对比噪声比等)。图1示出了常规的PET检测器100。它包括像素化闪烁体块和相关联的光子检测传感器(例如，光电倍增管(photomultipliertube)或硅光电倍增器)。如果伽马射线光子在一个像素内部相互作用，则产生可见闪烁光子且所述可见闪烁光子经由通过晶体表面的反射传播到光子传感器。根据通过光子传感器检测到的光的比例，可以估计伽马射线光子的能量、相互作用像素和相互作用时间。图2描绘了由数百个PET检测器100所形成的检测器环200。在医疗实践中，检测器环200围绕患者。图3A例示了PET的理想化型式，其中放射性原子发射正电子301，该正电子301在行进任一距离之前遇到一个电子，导致在湮灭位置303处发生湮灭事件。湮灭导致发射两个伽马射线光子305(1，2)，所述两个伽马射线光子从湮灭位置303在相反的方向上共线行进。图3B描绘了放射科医师遇到的非理想PET场景，其中由一个放射性原子发射一个正电子，且在该正电子行进一短距离307(在下面的限制1中提及正电子射程)之后，它与一个电子结合，导致湮灭。该电子和正电子结合且转换成从湮灭位置发射的两个伽马射线光子309(1，2)。然而，所述两个伽马射线光子不在完全相反的方向上行进。更确切地说，在所述两个伽马射线光子的方向之间通常存在从180°的非常小的角偏离。这被称为限制1中所提及的非共线性效应。如果检测到两个伽马射线光子，则湮灭位置通常位于沿着连接检测器环上的两个伽马射线光子的相互作用位置的线的某处。此线被称为响应线(LOR)。通过收集足够的响应线，可以通过某些算法(诸如，滤波反投影(FBP)或最大似然估计(MLE))来重新构建标记某个器官或肿瘤的同位素图的图像。图4(图片a、b和c)示出了正电子射程、非共线性和相互作用深度(DOI)对LOR的准确估计的影响。根据图4图片c，当DOI信息不可用时，LOR通常被指派到闪烁晶体的固定位置。然而，这可能由于视差误差而导致错误地指派的LOR。如果准确的DOI信息可用，则可以确定真实的LOR。与传统的SPECT技术相比，PET具有高得多的灵敏度，因为它不需要准直器。与功能性MRI或CT相比，灵敏度通常高出几个数量级。然而，PET技术仍然具有一些限制。这些限制包括：限制1：正电子射程和非共线性使空间分辨率降低。因为由于正电子在与一个电子结合之前行进一小距离(正电子射程效应)而造成湮灭位置与放射性同位素的位置不同，所以在重新构建的图像中存在误差或模糊。此外，由于非共线性效应，湮灭位置进一步偏离理想的响应线。限制2：使像素化晶体的横截面变小可能是非常具有挑战性的。由于伽马射线光子的高能量，所以它们非常难以停止。应利用较厚的晶体来有效率地使大部分伽马射线光子停止。然而，这使像素化晶体的纵横比变低。像素的节距尺寸越小，光子行进到光子传感器所需的反射次数越多，由于由反射造成的损失，这将减少光输出量。限制3：相互作用深度估计对于准确测量是至关重要的。相互作用深度是重要的，因为它影响视场的边缘处的空间分辨率。如图5中所示出的，如果位于检测器环的相对侧上的两个检测器元件同时检测到两个伽马射线光子，则湮灭位置在区域a内。然而，如果右侧上的两个检测器元件同时检测到两个伽马射线光子，则湮灭位置在区域b内。与区域a内的湮灭相比，区域b内的湮灭由于缺乏相互作用深度信息而产生更大的模糊性。此外，如在图5的右侧中的标绘图中可以看到的，重新构建的空间分辨率随着DOI分辨率变差而变差(最小可分辨特征的尺寸增大)，且由于空间分辨率随着距视场的中心的距离的增大而减小，此效果是明显的。限制4：制造像素化晶体的成本极其高。因为像素化晶体需要在个体像素之间进行特殊表面处理(隔离、抛光)，所以制造这样的晶体的成本很高。此外，如果像素小于大约1mm，则特殊处理的难度将驱动成本甚至更高。限制5：灵敏度由于由晶体像素化造成的死区间隙而降低。由于多像素，所以需要间隙来适当地隔离闪烁光子以免传播到邻近的像素内。此间隙将降低检测器对伽马射线光子的检测效率。尤其是对于较小的像素节距，因为间隙宽度几乎保持恒定，所以间隙宽度/像素节距的部分将更大且检测效率甚至更低。
技术实现思路
本专利技术提供了改善的基于闪烁晶体的伽马射线检测器、堆叠式检测器，以及PET检测器环和阵列，它们利用了闪烁检测器衬底内的全内反射。本文所描述的检测器和方法提供了改善的空间分辨率(包括相互作用深度(DOI)分辨率)，同时保留能量分辨率和检测效率，这在小动物或人的正电子发射断层造影术(PET)或依赖于高能量伽马射线检测的其他技术中尤其有用。此外，本专利技术的实施方案减少了所需的读出信道的总数目，且减少了进行复杂且重复的切割和抛光操作以形成像素化晶体阵列的需要，该需要是当前PET检测器模块中的标准。本专利技术的一个实施方案提供了一种闪烁检测器，该闪烁检测器包括：一个闪烁体衬底，该闪烁体衬底具有一个内部，该内部由具有前周界的前表面、与该前表面相对且具有后周界的后表面以及位于该前周界和该后周界之间的边缘表面定界；以及，多个光电检测器，每个光电检测器具有一个相应的光敏区域，该光敏区域与该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信。可选地，所述光敏区域中的一个或多个面向该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域。可选地，该前表面和后表面是平面表面或大体上平面表面。该前表面和后表面还可以彼此大体上平行，尽管这两个表面之间的曲率可以帮助增大到达该衬底的边缘处的光电检测器的光子的数目(例如，如果这两个表面是相对于彼此略微凹面的，则光子到达所述边缘所需的反射次数可以减小)。可选地，该前表面和后表面是平面表面或大体上平面表面，但是彼此不平行。可选地，至少一部分所述闪烁检测器的前表面、后表面或前表面和后表面具有非平面表面和/或彼此不平行。至少一部分所述闪烁检测器的前表面和后表面可以彼此独立地具有凹面形状或凸面形状。例如，对于至少一部分所述闪烁检测器，前表面可以是凹面的，且后表面可以是凸面的，或前表面是凸面的，且后表面是凹面的。在一个实施方案中，例如，该闪烁体衬底具有一均匀厚度，该均匀厚度在0.1mm和25mm之间、在0.5mm和20mm之间、在0.5mm和10mm之间，或在1mm和4mm之间，尽管该厚度由期望的DOI决定。可选地，该前周界具有几何学上类似于该后周界的后形状的前形状；然而，在某些实施方案中，该前周界的形状可以不同于该后周界的形状。该前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种闪烁检测器，包括：一个闪烁体衬底，该闪烁体衬底具有一个内部，该内部由具有前周界的前表面、与该前表面相对且具有后周界的后表面以及位于该前周界和该后周界之间的边缘表面定界；以及多个光电检测器，每个光电检测器具有一个相应的光敏区域，该光敏区域与该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.28 US 62/414,4691.一种闪烁检测器，包括：一个闪烁体衬底，该闪烁体衬底具有一个内部，该内部由具有前周界的前表面、与该前表面相对且具有后周界的后表面以及位于该前周界和该后周界之间的边缘表面定界；以及多个光电检测器，每个光电检测器具有一个相应的光敏区域，该光敏区域与该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信。2.根据权利要求1所述的闪烁检测器，该前表面是平面表面，且该后表面是与该前表面大体上平行的平面表面。3.根据权利要求1所述的闪烁检测器，该前表面和后表面具有非平面表面。4.根据权利要求1或3所述的闪烁检测器，该前表面不平行于该后表面。5.根据权利要求1、3或4所述的闪烁检测器，该前表面和后表面彼此独立地具有凹面形状或凸面形状。6.根据权利要求5所述的闪烁检测器，其中该前表面是凹面的，且该后表面是凸面的。7.根据权利要求5所述的闪烁检测器，其中该前表面是凸面的，且该后表面是凹面的。8.根据权利要求1-7中任一项所述的闪烁检测器，该闪烁体衬底具有一均匀厚度，该均匀厚度在一毫米和四毫米之间。9.根据权利要求1-8中任一项所述的闪烁检测器，该前周界具有几何学上类似于该后周界的后形状的前形状，该前形状是多边形。10.根据权利要求9所述的闪烁检测器，该闪烁检测器具有圆形形状、椭圆形形状、三角形形状、矩形形状、六边形形状或八边形形状。11.根据权利要求1-10中任一项所述的闪烁检测器，该衬底包括一种闪烁体材料，且在该闪烁体材料的发射峰处具有超过1.1的折射率。12.根据权利要求1-11中任一项所述的闪烁检测器，所述多个光电检测器中的每个光电检测器被附接至该闪烁体衬底。13.根据权利要求1-12中任一项所述的闪烁检测器，所述多个光电检测器中的每个光电检测器包括一个雪崩光电二极管。14.根据权利要求1-13中任一项所述的闪烁检测器，所述多个光电检测器中的每个光电检测器是一个硅光电倍增器。15.根据权利要求1-14中任一项所述的闪烁检测器，还包括：一个存储器，该存储器存储非暂时性计算机可读指令；以及一个微处理器，该微处理器适于执行所述指令，以基于多个电信号幅度和所述多个光电检测器的相应的多个位置来估计伽马射线相互作用事件位置在该衬底的平面中的横向坐标。16.根据权利要求1-15中任一项所述的闪烁检测器，该衬底包括多个光学散射体。17.根据权利要求16所述的闪烁检测器，该衬底包括一种闪烁体材料，所述多个光学散射体中的每个光学散射体具有一个类似于或超过与该闪烁体材料的发射峰对应的波长的量度。18.根据权利要求16所述的闪烁检测器，所述多个光学散射体包括通孔、盲孔、位于该前表面上的物体、位于该后表面上的物体、具有通过激光蚀刻或激光雕刻所生成的改型的光学属性的容积或其组合。19.根据权利要求1-18中任一项所述的闪烁检测器，每个光敏区域面向该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域。20.根据权利要求1-18中任一项所述的闪烁检测器，所述多个光电检测器包括第一光电检测器，所述多个区域包括与第一检测器进行光学通信的第一区域，且还包括：波导、透镜、棱镜或反射镜，位于该第一区域和该第一光电检测器之间，被配置为将入射在该第一区域上的光耦合到该第一光电检测器。21.一种堆叠式闪烁检测器，包括：多个闪烁检测器，被布置成一个堆叠件，每个闪烁检测器包括：一个闪烁器衬底，具有一个内部，该内部由具有前周界的前衬底表面、与该前衬底表面相对且具有后周界的后衬底表面以及位于该前周界和后周界之间的边缘表面定界；以及多个光电检测器，每个光电检测器具有一个相应的光敏区域，该光敏区域与该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信；多个闪烁检测器，包括第一闪烁检测器和第二闪烁检测器，该第一闪烁检测器的后衬底表面与该第二闪烁检测器的前衬底表面邻近、相对且在空间上分离。22.根据权利要求21所述的堆叠式闪烁检测器，该第二闪烁检测器相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于与该第一闪烁检测器的前衬底表面垂直的轴线与该第一闪烁检测器的中心区域对准。23.根据权利要求21所述的堆叠式闪烁检测器，该第二闪烁检测器相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于与该第一闪烁检测器的前衬底表面垂直的轴线从该第一闪烁检测器的中心区域横向偏移。24.根据权利要求21所述的堆叠式闪烁检测器，该第二闪烁检测器相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于与该第一闪烁检测器的衬底表面垂直的轴线与该第一闪烁检测器的边缘表面对准。25.根据权利要求21-24中任一项所述的堆叠式闪烁检测器，还包括：一个微处理器，被配置为接收由来自所述多个闪烁检测器中的至少一个闪烁检测器的多个光电检测器的一个或多个伽马射线相互作用事件所生成的电信号，且被配置为基于多个电信号幅度和所述多个光电检测器的相应的多个位置来估计伽马射线相互作用事件位置在所述多个闪烁检测器中的至少一个闪烁检测器的衬底的平面中的横向坐标。26.根据权利要求25所述的堆叠式闪烁检测器，该微处理器还被配置为基于所述多个电信号和该堆叠件内的多个光电检测器的相应的多个位置来估计闪烁事件相互作用位置的深度坐标。27.根据权利要求21-26中任一项所述的堆叠式闪烁检测器，所述闪烁检测器中的一个或多个各自包括多个光学散射体。28.根据权利要求27所述的堆叠式闪烁检测器，所述多个光学散射体包括通孔、盲孔、位于该前表面上的物体、位于该后表面上的物体、具有通过激光蚀刻或激光雕刻所生成的改型的光学属性的容积或其组合。29.根据权利要求21-28中任一项所述的堆叠式闪烁体检测器，所述多个闪烁检测器包括两个或更多个闪烁检测器。30.根据权利要求21-29中任一项所述的堆叠式闪烁体检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·弗伦利德，李鑫，
申请(专利权)人：代表亚利桑那大学的亚利桑那校董会，
类型：发明
国别省市：美国,US