专利名称：用于混合pet-mr系统的热稳定的pet探测器的制作方法
用于混合PET-MR系统的热稳定的PET探测器
本申请涉及诊断成像技术领域。本发明尤其适用于混合正电子发射断 层摄影-磁共振(PET-MR)系统，其中PET探测器元件与MR系统的发热 元件靠得很近，并且将要具体参考这样的混合PET-MR系统来对本发明进 行描述。由于PET探测器元件自身也产生热量，因此本申请不限于混合系 统，而是可以用于独立的PET系统、PET/CT (计算断层摄影)系统或者除 了PET之外的核医学系统，例如单光子发射计算断层摄影(SPECT)系统。
在孔径型MRI系统中，大螺线管主磁体沿着孔径的轴产生磁场。通常， 主磁体越靠近成像区域，设计的成本效率越高。从主磁体向里通常是梯度 线圈、匀场线圈(有时内置入梯度线圈组件中)、射频(RF)屏蔽和RF线 圈。这些线圈，或MR孔径部件占据更多空间。因此，即使在将PET探测 器系统引入MR系统的孔径中之前，空间也非常珍贵。PET探测器必须要 靠近MR孔径部件。也可以利用垂直场开放式MR系统构建PET-MR系统。 同样的空间限制也适用于这种系统。
梯度线圈尤其会产生大量的热。在MR扫描期间，梯度线圈平均消耗 大约15 kW，峰值水平更高。这可能会导致梯度线圈温度升高，可以使用 水冷却来将梯度线圈的温度限制到大约70°C。 RF线圈也会发热。在受脉冲 作用时，RF线圈和梯度线圈还会产生杂散场，这种时变的杂散场可能与PET 探测器的诸如为特定目的建造的RF屏蔽的金属部件交互作用，并且产生额 外的热量。
自己发热的PET探测器元件通常用空气冷却。由于光探测器对热敏感 (温度每升高10°C，暗噪声就加倍)，将光探测器冷却到与之如此靠近的梯 度线圈的工作温度以下的温度限制了暗噪声。不过，由于空间非常宝贵， 因此PET-MR混合系统中冷却成为一个问题。主磁体内部发热元件的密度 非常高，而可用于冷却系统的空间则极小。
本申请提供了一种克服上述问题和其他问题的用于MR设备孔径内的PET元件的新型改进冷却系统。
根据一个方面，提供了一种诊断成像设备。磁共振部分包括主磁线圈、 梯度线圈组件和RF线圈组件。主磁线圈在该设备的成像区域中产生主磁 场。梯度线圈组件在主磁场上叠加梯度磁场。匀场线圈可以位于梯度线圈 组件之内和/或附近。匀场线圈叠加校正磁场以改善主磁场的均匀性，包括 受检者体内的主磁场扰动。RF线圈组件至少向成像区域中发射RF信号。 正电子发射断层摄影部分包括流体冷却的探测器阵列，其用于探测指示核 衰变事件的辐射。探测器阵列在温度上接近梯度线圈组件并通过对流体冷 却的探测器阵列的流体冷却而将该探测器阵列维持在比温度接近的梯度线 圈组件更低的温度。至少一个重建处理器从源于成像区域的探测信号产生 图像表示。显示器显示重建图像表示。
根据另一方面，提供了一种诊断成像方法。在成像区域中产生主磁场。 在主磁场上叠加梯度场。还可以叠加额外的匀场场。在成像区域中的受检 者体内诱发磁共振。探测磁共振。 一般在诊断成像扫描之前的某一时候向 受检者体内引入放射药剂。利用探测器阵列探测指示放射性衰变事件的辐 射。利用流体冷却剂冷却探测器阵列。将探测到的磁共振和辐射中的至少 一个重建成受检者的图像表示。显示图像表示。应当领会到的是，这些步 骤的其他顺序同样可行并且已经预见到有这些步骤的其他顺序。
根据另一方面，公开了一种辐射探测器，其包括闪烁体；被布置成 通过与感兴趣辐射交互作用来探测闪烁体中产生的闪烁的光探测器；被配 置成接收并处理指示从光探测器接收的感兴趣辐射的电信号的电子器件； 与电子器件热连通并被配置成传输流动的冷却剂流体的第一冷却剂路径； 与光探测器热连通并被配置成传输流动的冷却剂流体的第二冷却剂路径； 以及布置于第一和第二冷却剂路径之间使得第一和第二冷却剂路径可以处 于不同温度的热障。
根据另一方面，公开了一种成像系统，其包括第一模态成像系统， 其界定孔径并被配置成从孔径内部采集第一模态成像数据；以及正电子发 射断层摄影(PET)成像系统，其包括与第一模态成像系统的孔径共轴布置 的根据紧前方段落所述的大致环状的辐射探测器阵列。根据另一方面，公开了一种辐射探测器，其包括闪烁体；被布置成
通过与感兴趣辐射交互作用来探测闪烁体中产生的闪烁的光探测器；被配 置成接收并处理指示从光探测器接收的感兴趣辐射的电信号的电子器件； 热沉；以及与热沉和光探测器热连通的密封的热管。密封的热管包含工作 流体和芯吸材料或结构，配置该热管使得工作流体在密封热管内经历蒸发/ 凝结循环以从光探测器向热沉传递热量。
根据另一方面，公开了一种成像系统，其包括磁共振扫描器，其界 定孔径并被配置成从孔径内部采集磁共振数据；以及正电子发射断层摄影 (PET)成像系统，其包括与所述孔径共轴布置的根据紧前方段落所述的大 致环状的辐射探测器阵列，以从孔径内部采集PET数据。
一个优点在于PET探测器元件的冷却机制得到改善。
另一个优点在于探测器元件的冷却机制紧凑。
另一个优点在于梯度线圈和PET探测器元件有独立的冷却系统。
在阅读并理解说明书的基础上，本领域的普通技术人员将会理解本发 明的其他优点。
本发明可以具体化成各种的部件和部件的布置，并且可以具体化成各 种的步骤和步骤的安排。附图仅用于举例说明优选实施例，不应视为限制 本发明。
图1是根据本申请的组合PET/MR扫描器的示意图2是图1的扫描器孔径的截面图，其具体示出了梯度元件和RF元件
之间的探测器阵列；
图3是图1的扫描器孔径的截面图，其具体示出了分离式梯度元件的
各部分之间的探测器阵列；
图4是示出了通过平行流道的冷却液流动方向的示意图5是示出了为电子器件和光探测器提供差异冷却的探测器冷却配置
的示意图6是示出了采用热管的探测器冷却配置的示意图； 图7是示出了图6的探测器冷却配置的热管阵列以及与流体冷却的热 沉的连接的平面图的示意图；200880023164.9
说明 但在热管两端包括通往热沉的热耦合的探测 器冷却配置的示意图。
参照图1，描绘出组合或混合的磁共振(MR)和PET数据采集系统10 的实施例。该组合或混合系统10能够例如从至少部分交迭(如图所示)或 空间上相邻的MR和PET空间区域采集MR数据和PET数据这两者。应当 理解的是，多模态系统对于图像在时间和空间上进行对齐或配准是理想的； 还可预见到的是由相距很远或置于空间上很远的不同扫描器来拍摄图像， 采用类似的方式拍摄图像也是可行的。图示的扫描器10为集成系统，但是 其他扫描器倾向同样是看似可行的，例如并排式系统、插入式系统等。所 示的磁共振扫描器包括环状磁体12，所述环状磁体包括多个导体线圈绕组 (图1中用带有交叉线的方框示意性地描绘出)，所述线圈绕组在成像区域 14之内产生静磁场Bo。磁体12可以是超导性质的或电阻性质的；在前一 种情况下，磁体12通常置于低温杜瓦或其他冷却系统(未示出)中。图示 的磁体12为螺线管磁体，其具有通过成像区域14的相对水平的Bo场。尽 管将Bo场的极性示为从右到左，但是相反极性也是适当的。在其他实施例 中，磁体12可以具有C形形态或者其取向用以产生垂直或其他取向的静磁 场的其他形态。
磁共振扫描器还包括磁场梯度组件，在图1的例示性实施例中，磁场 梯度组件包括梯度线圈绕组16，梯度线圈绕组16响应于对选定梯度线圈绕 组16的选择性励磁，协同在静磁场B。上叠加磁场梯度。任选地，磁场梯 度线圈、磁体或两者可以包括未示出的用于形成、稳定和动态调节磁场的 其他特征，例如被动铁磁匀场、主动匀场线圈等。磁共振扫描器还包括射 频激励和接收系统18。该射频系统包括至少一个可以以适当的射频进行励 磁从而在置于成像区域14中的受检者体内激励磁共振的部件，例如图示的 全身射频线圈18。线圈18还可以充当用以接收或探测RF激励之后从成像 区域14发出的磁共振的射频接收机。在一些实施例中，可以将不同线圈用 于激励和接收操作。例如，可以使用内置线圈18激励磁共振，可以在成像 区域14中的受检者上方、身上或附近定位不同的局部线圈或专用接收线圈 (未示出)以探测磁共振。可以预见到利用内置线圈、局部线圈或两者的不同组合以不同方式配置同一磁共振扫描器。
在磁共振采样存储器20中存储接收到的磁共振样本。磁共振重建处理 器22应用适当的重建算法以重建磁共振样本，进而形成重建图像，并将重 建图像存储于磁共振图像存储器24中。重建处理器22应用与产生磁共振 数据时采用的选定空间编码相称的重建算法。例如，傅里叶变换重建算法 可能适于重建笛卡儿编码的磁共振数据。任选地，在数据存储和完成重建 之前，可以在线(in-line)进行MR重建的一部分。
继续参照图1，图示的组合或混合MR和PET数据采集系统IO还包括 用于进行PET数据采集的辐射探测器。在图l的例示性范例中，环状阵列 的辐射探测器30包围着混合系统的孔径。如下文所述，图示的阵列30包 括闪烁体层和一层基于电子倍增管的光子探测器，不过，可以预见到其他 探测器配置，例如设置于成像区域14附近的平面探测器阵列。还预见到固 态辐射探测器和固态光学探测器。辐射探测器阵列30被配置为探测由正电 子-电子湮灭事件发射的511keV的伽马射线。在PET数据采集中，假设有 两个基本同时的511 keV伽马射线探测事件源于同一正电子-电子湮灭事 件，该正电子-电子湮灭事件位于沿着连接两个基本同时的511 keV伽马射 线探测事件的"响应线"(LOR)的某处。有时也将这条响应线称为投影或 射线，将搜集的PET数据称为投影数据。
在常规PET中，将基本同时的511 keV伽马射线探测事件定义为彼此 发生在选定短时间窗口之内，例如四纳秒之内的两个511 keV伽马射线探测 事件。未发生在视场(FOV)中心的任何正电子湮灭都将具有到达相对探 测器元件的小时差，该时差正比于伽马射线的行进时间差，在FOV的边缘 处大约为四纳秒。相关技术，即所谓的飞行时间PET或TOF-PET，利用这 种小时差，以亚纳秒精度进一步沿着LOR定位正电子-电子湮灭事件。
混合系统10的辐射探测器阵列30用于采集PET或TOF-PET数据。由 PET数字化单元32和单粒子(singles)处理单元34处理伽马射线探测事件， 其中，PET数字化单元32对探测事件进行时间到数字转换(TDC)和模数 转换(ADC)，单粒子处理单元34进行聚合、能量估计、时间标记和定位。 单粒子处理单元34任选地滤除掉针对预期的511 keV伽马射线能量的选择 能量窗口之外的探测。在一些实施例中，辐射探测器是像素化的。在其他
14实施例中，由诸如Anger逻辑等的块读出算法应用聚合以提供定义投影的 伽马射线探测事件的进一步空间局限化约束。符合探测处理器36采用时间 加窗来识别基本同时发生并因此可能对应于共同的正电子电子湮灭事件 (并因此定义投影或响应线)的伽马射线探测事件。
对于TOF处理而言，使用识别出的基本同时或符合的探测事件之间的 时间差沿着响应线在空间上估计正电子电下湮灭事件。
在PET数据存储器38中存储所得的PET或TOF PET数据。应当理解 的是，可以在符合确定之前或之后存储PET数据。PET重建处理器40利用
适当的重建算法处理投影或局域化投影数据以产生重建图像，并将重建图 像存储于PET图像存储器42中。例如，可以采用最大似然期望最大化 (ML-EM)、除ML-EM之外的滤波反投影算法或迭代重建算法。图1的系 统包括用于PET的连续辐射探测器阵列30，其完全包围了受检者。环绕不 完全可能导致由于"缺失"投影或响应线造成的成像伪影。例如，可能会 丢失某些投影，从而无法得到正常由这种投影提供的关于相关位置的信息。 有利地，如果采集并重建飞行时间PET数据，那么即使在环绕不完全的情 况下，飞行时间局限化也提供了补偿所损失信息的附加信息。然而，还有 其他补偿不完全环绕的方式，本申请中当然也预见到其他探测器配置。
任选地，同时进行MR和PET采集。替换地或附加地，可以顺序地(例 如先是MR随后是PET，或反之)或可以交织地进行MR和PET采集。图 像配准处理器50在空间上配准重建的MR和PET图像，并且任选地在时间 上配准重建的MR和PET图像。如果创建出共同配准的图像，就把这些图 像存储在共同配准图像存储器52中。在显示装置54上适当显示这样配准 的图像，利用适当的二维或三维绘制软件进行绘制，或以其他方式处理。
提供第一冷却系统56以在梯度线圈16工作在最大平均功率水平时将 该梯度线圈冷却到大约70°C或更低。探测器阵列30在温度上接近梯度线 圈16，这是因为梯度线圈与探测器阵列30充分靠近，足以使热量从梯度线 圈传导到探测器阵列30。提供第二冷却系统58以将探测器阵列30冷却到 大约30。C或更低，更希望冷却到大约20。C，尽管其与梯度线圈16温度接 近。
现在参照图2，提供了成像孔径的放大图。如前所述，在一个实施例中，探测器阵列30绕着成像孔径的纵轴延伸360。。可以说对于RF线圈18、梯 度线圈16和主磁体12是同样情况。在图2的实施例中，探测器阵列30位 于梯度线圈16和用于RF线圈18的RF屏蔽60之间。在分离式梯度线圈 实施例中，如图3所示，探测器阵列30可以位于梯度线圈16的各部分之 间。还预见到有探测器阵列30的其他位置，例如根据需要插入孔径并从中 移除的可移除系统。
在图2和3的实施例中的任一个中，探测器阵列30与梯度线圈16靠 得很近。主动冷却使得探测器阵列30保持不与梯度线圈16达到热平衡。 为了使探测器阵列30保持在可接受的工作温度，如图4所示，为探测器阵 列30提供闭路流体冷却系统58。图4是探测器阵列30的截面特写图。探 测器阵列30主要包括闪烁层62、光探测器元件64和相关联的电子器件66。 探测器阵列30全部封装在RF屏蔽壳68之内。屏蔽壳68防止来自RP线 圈18的激励脉冲和来自成像区域14的磁共振信号在探测器阵列30中产生 假信号。而且，RF屏蔽防止由PET探测器产生的无关信号被MRRF线圈 感测到。如前所述，所有孔径部件，包括探测器阵列30，都绕着孔径延伸 360。。
梯度线圈的温度范围从不运行时的室温或稍冷直到运行期间的70°C。 周围的孔径空间同样地升高温度。此外，PET探测器的电子器件66会产生 热量。沉积在周围的RF屏蔽材料中的来自脉冲MR场的杂散场能量还产生 额外的热量。于是，为了防止所有这些热源对探测器阵列的运行产生不利 影响，向PET探测器阵列30应用流体冷却系统58。让探测器的至少一个 表面进行冷却。在一个实施例中，对最靠近电子器件和梯度线圈的表面进 行流体冷却，并使探测器的端部绝热。在另一个实施例中，对周向表面和 端面都进行流体冷却。在又一个实施例中，如图4所示，对探测器所有可 触及的侧面进行流体冷却。通过传导通道70引导冷却流体。通道70由高 导热非铁材料，例如铜、铝或不锈钢制造。由于探测器阵列30本身是被封 住的，因此从探测器向外传导热量的通道70也被RF屏蔽材料68封住。可 以在RF屏蔽68之外使用不同的磁性惰性材料。具体而言，输送通道72可 以由绝热材料制造或包封，使得冷却流体不会从探测器阵列30上游的部件 带走热量，那样会在从探测器阵列30本身去除热量方面变得效率不高。在一个实施例中，输送通道在RF屏60和梯度线圈16之间延伸。
冷却系统被配置成为PET探测器30提供高效冷却，同时节省空间。为 此目的，冷却通道70优选是焊接或以其他方式直接热连接到电路系统66 的细扁通道。还优选增加通道70而不会增加全体组件的体积，例如以互补 方式布置通道70，使得面对的电路板可以配合在一起，同时几乎不浪费它 们之间的空间。
以避免产生会耦合到梯度场的闭合传导路径这样的方式配置探测器阵 列30周围的冷却通道70。在一个实施例中，这是通过主要沿着跨越电子器 件承载电路系统66的轴向方向以曲曲折折的方式延伸通道来实现的。在冷 却侧面时，冷却通道可以放射状地延伸。避免环状通道减少了涡电流的产 生。为入口路径72和出口路径74在RF壳68中制造孔。可以利用波导实 现这些孔。可以提供冷却线路中的电介质断路器76以阻断通道传导路径。 换热器单元78向冷却流体提供流动和温度控制。换热器78还能够使冷却 流体降温到低于室温，以更有效地从探测器阵列30去除热量。可以在成像 室或相邻房间之内对换热器78自身进行空气冷却。另一个选择是使换热器 78与更大的冷却系统(例如楼宇的总冷却系统)接口连接。可以将来自冷 却剂的热量转移到另一流体道并排到屋顶空调压縮机外等。
在一个实施例中，冷却流体是具有期望的热运移特性且导电性最小的 纯水或去离子水。冷却剂的流速正比于电子器件总功耗，反比于出口-入口 温度差。流动路径可以包括并联路径，以使每次循环累积的温升最小并实 现总体的压降。单个路径可能容纳较低体积和流动能力，而压降增大，但 探测器阵列30在流动路径末端处的部分以及在流动路径开始处的部分可能 得不到冷却，这意味着更下游的探测器部件可能无法被冷却到与上游部件 相同的温度。这可能会主要导致不均匀的图像伪影。局部措施，例如热沉， 能够提供从电子器件66离开到达流体通道70的导热路径。或者，可以将 其他冷却剂流体，例如致冷剂、液态氮、强制通风等用作通道70中的流体 冷却剂，应当理解的是，本申请中使用的"流体"包括所有这些。在使用 比室温更冷的冷却剂时，可以通过孔径提供空气流以辅助防止凝结。
在另一实施例中，可以将导热介电油用作冷却剂。在该实施例中，介 电冷却剂可以与电子器件66和探测器元件直接接触，而不是通过通道壁间接接触。在这种浸没冷却实施例中，整个探测器阵列30都包封在流体密封 的封闭室中，例如柱形或椭圆形轮廓的包壳中。这种方法会省掉很多流体 通道和热沉。封闭室中可以包括挡扳以降低不均匀流速和热点的可能。
在又一实施例中，使用珀耳帖冷却来冷却探测器阵列30。可以将此用 作独立方法，或可以使用选择性珀耳帖冷却，作为上述一种或多种其他方 法的补充来冷却故障点。在图3的分离式梯度线圈配置中，有利的是，布 置冷却器56和相关联的梯度冷却线路以从内到外，即从临近分离式梯度线 圈的间隙的区域到分离式梯度线圈的外部末段来冷却分离式梯度线圈。这 是有利的，因为梯度线圈将是最冷的，在临近探测器阵列30的间隙附近具 有最稳定的温度。任选地，冷却线路还在间隙附近集中，以进一步提高最 靠近探测器阵列30的梯度线圈冷却效率。
在又一实施例中，使用公共流体冷却系统来冷却梯度线圈16和探测器 阵列30这两者。该实施例的一个优点是既节约成本又节省空间。然而，缺 点在于探测器阵列30的温度会受到梯度线圈16温度的影响。冷却流体可 以将探测器阵列冷却到更低温度，冷却流体离开探测器阵列去冷却或帮助 冷却梯度线圈16。也可以利用分立的电路，使得仅有换热器78的一部分被 共享。在双冷却系统环境中，可以使用绝热体80至少部分地将梯度线圈16 与探测器阵列30隔热开。通过这种方式，可以为每个冷却系统设置单独的 基准。利用组合冷却系统，可以将梯度线圈16冷却到探测器阵列30的期 望工作温度，由于梯度线圈16的热质量更大，这将要耗费大得多的精确冷 却。另一选项是让组合冷却系统针对PET探测器阵列和其他需要冷却的元 件具有独立的换热器。
参照图5，示出了为电子器件66和光探测器64提供差异冷却的探测器 冷却配置。电子器件例如可以包括时间到数字转换器(TDC)元件、模数 转换器(ADC)元件、现场可编程门阵列(FPGA)或其他逻辑元件、低漏 失(LDO)稳压器等。这些部件产生大量要被去除的热量，但只要电子器 件66维持在图5中示为Te的适当低工作温度，电子器件66的性能一般与 温度没有强烈相关性。于是，靠近并冷却电子器件66的第一冷却路径90 用于提供图5中示为Fe的较高冷却剂流体流速，以实现高的热传递。
诸如硅光电倍增器(SiPM)元件或光电倍增管的光探测器64具有强烈依赖于温度的工作特性。例如，对于一些SiPM探测器而言，温度每升高
1°C，增益增大大约5-10%。然而，光探测器64—般输出比电子器件66少 很多的热量。于是，靠近并冷却光探测器64的第二冷却路径92用于提供 图5中示为Fd的较低流量，所述第二冷却路径将光探测器66维持在基本不 随时间变化的精确温度Td。
一方面布置电子器件66和关联的冷却路径90，另一方面布置光探测器 64和关联的冷却路径92，使得其彼此基本隔热。这可以通过一方面设置于 电子器件66和关联的冷却路径卯之间，另一方面设置于光探测器64和关 联的冷却路径92之间的被动绝热材料94，例如绝热介电材料或空气间隙实 现。附加地或替代地，这可以通过由隔离冷却路径96提供的主动隔热来实 现，隔离冷却路径96中有以流量Fi流动的冷却剂流体。
闪烁体62—般不需要冷却。然而，闪烁体62被布置得非常靠近光探 测器64，而光探测器必需要保持在稳定温度。因此，在图5的实施例中， 在闪烁体62周围设置附加的被动绝热材料98，使得被动绝热体94、 98大 致包含包括光探测器64的稳定温度区域。探测器温度管理系统作为整体被 适当地包含在围绕探测器模块的外部容器100中，其一侧具有将冷却剂流 体流Fe、 Fd、 Fi分配到冷却路径90、 92、 96中的冷却剂流体入口 102，而 在相对的一侧具有从探测器模块排出冷却剂流体流Fe、 Fd、 F'的冷却剂流体 出口 104。用冷却路径90、 92、 96的流体流阻(或等价地，流体流导)适 当地定义相应的冷却剂流体流Fe、 Fd、 Fi的不同相对流速。任选地，设置一 个或多个温度传感器106以测量光探测器64的温度，控制流入入口 102(或 者，流出出口104)，以将温度传感器106维持在期望的温度读数。或者， 可以将温度传感器布置成测量冷却光探测器64的冷却剂流体路径92的温 度Td，因为该温度Td应当接近光探测器64的温度。基于探测器温度(或 大致地基于温度Td)控制冷却剂流体流是有利的，因为这是应当维持稳定 的关键温度。
尽管未图示出，但还可以预见到提供主动阀门控制，例如可以从外部 控制的或温度反馈控制的阀门控制，来调节进入冷却路径90、 92、 96的相 对流速Fe、 Fd、 R。此外，尽管未图示出，但可以预见到提供围绕电子器件 66和关联的流动路径90的被动绝热材料。在可预见到的另一变型中，针对每个单个平面利用逆流设置以降低模
块之内的温度梯度，从而修改图5中所示的模块的冷却。这可以通过将入 口 102和出口 104放置在探测器模块的同一侧来实现。预计使用逆流设置 将把热梯度降低l-2个数量级，可以预计这会改善温度稳定性。或者，可以 将冷却级联起来，因为估计由光探测器64实际产生的热量比电子器件66 产生的热量低100倍。在逆流或级联设计的任一种中，有利的是首先冷却 光探测器64然后冷却电子器件66，例如，首先使冷却剂流经靠近光探测器 64的冷却路径92，然后流经靠近电子器件66的冷却路径90。冷却剂流体 流的这种布置促进靠近光探测器64的温度Td与靠近电子器件66的温度Te 相比更精确且更低。电子器件66的温度Te是由于大部分热量的耗散，但电 子器件的温度不必一定是精确的，其可以由流经光探测器64附近之后的冷 却剂流体冷却。
作为图5设计的另一变型，参考图5所示的插图II，微型珀耳帖元件 108能够在冷却路径92和光探测器64之间提供主动可控热阻。例如，标准 的珀耳帖元件适当地基于碲化铋(Bi2Te3)和硒化铋(Bi2Se3)。可以使用类 似于用于利用基于硅的珀耳帖元件冷却半导体的布置(例如在Mathews等 人的美国专利No.6800933中所述，该专利文献以引用方式并入本文中)， 其中微型珀耳帖装置设置于光探测器64中使用的绝缘体上半导体(SOI) 衬底顶部的不敏感区中。也可以在光探测器64背上安装的独立装置中实现 这些结构。在这种方式中，可以调谐局部温度梯度并将其控制在大约0.1。C 或更小之内，以便确保每个光探测器元件有精确恒定的温度。在这些实施 例中，冷却介质的温度不必一定与光探测器的温度一样低，从而消除了凝 结且无需成本高昂地将介质冷却到室温以下。
图5的辐射探测器系统采用了冷却剂流体。冷却剂流体例如可以是去 离子水、强制通风、致冷剂等。在这种实施例中，例如，利用诸如焊接连 接的永久连接或诸如螺纹耦合或快速断开连接的可拆除连接器将入口 102 和出口 104适当地与外部供应和返回线路(例如图4的线路72、 74)连接。
参照图6和7，在另一个实施例中，使用一个或多个热管，例如图示的 平行线性阵列的热管110，来提供从辐射探测器模块的各部件到一个或多个 由诸如导热陶瓷、氧化铝、氮化铝等导热材料制成的热沉112的热传递。还可以为热沉112使用诸如铜的导热金属，但应当将其层压或以其他方式 配置，以抑制涡电流的形成。任选地，冷却流体道114通过热沉112，以去 除热管110传输到热沉112中的热量。
每个热管110包括密封的内部体积120，该内部体积包含至少一种工作 流体，例如水、像酒精的溶剂等，或者包含工作流体的混合物。在内部体 积120的内表面上设置芯吸材料或结构122或另一种支持毛细现象或毛细 作用的材料或结构，芯吸材料或结构由表面上形成有槽的多孔性材料构成。
在工作中，工作流体在靠近热管110远离热沉112的末端124处或在 沿着热管110的其他"热点"处蒸发。从热点向蒸发的工作流体传递汽化 热，以箭头126示意性示出了这一点。由于蒸汽浓度梯度的原因，蒸发的 工作流体126向热沉112移动。蒸发的工作流体126在靠近热管110临近 热沉112的末端128处凝结。工作流体在近端128凝结从凝结工作流体向 热沉112转移了凝结热。通过与芯吸材料或结构122相关联的毛细现象或 毛细作用向热管110的远端向回抽吸凝结的工作流体。当工作流体再次在 热点蒸发时，完成传热循环。有利地，芯吸材料或结构122中的毛细力导 致的凝结液体回流与热管110的空间位置无关。
为了用在包括MR部件的混合系统中，热管110优选由非磁性且不导 电材料制成，例如高热导率陶瓷，例如氮化铝或氧化铝。如果使用金属或 其他导电材料，则应当将它们进行层压，从而在不导电基质材料中布置成 复合材料，或者以其他方式配置成抑制涡电流的形成。如图6和7所示， 该阵列的热管110大致是平坦的，并设置于光探测器64和相关联的电子器 件66之间，以冷却这两者。由于蒸发的工作流体126被迅速转移，因此在 较热的电子器件66和较冷的光探测器64之间存在固有的温度隔离。
有利地，热管110和热沉112之间的连接可以通过导热表面接触130 实现，任选地由压力配合、螺纹连接等加以增强，不必在热沉112和热管 110之间有冷却流体流动，因此其间不包括流体连接。有利地，热管110是 永久密封单元，在安装或拆卸辐射探测器模块时不打开热管110。
另一个优点在于，热管110外部的温度基本受到工作流体蒸发温度的 控制且沿着热管110基本恒定。蒸发温度是一种或多种冷却介质的函数。
参照图8，为了进一步降低热梯度，应当预见到使每个热管110都与一
21个以上的热沉112进行热连通，例如如图8所示在热管110的两端都具有 热沉112。还应当预见到布置交叉线性阵列的热管，或使用大致平坦的热管， 或采用其他热管几何形状以增强热量去除和温度稳定性。
图8的实施例还包括集成为单层的光探测器64和电子器件66，例如单 片集成在硅衬底材料的单个公共层上或中。例如参见WO 2006/111883A2 (2006年10月26日公开，该专利文献以引用方式并入本文)，其涉及一种 用于飞行时间PET的数字硅光电倍增管(SiPM)，其中数字SiPM包括单片 方式形成于公共硅衬底中或上的探测器阵列层和浸没式(buried) CMOS数 字处理电路层。在图8的实施例中，热管110在内部体积120远离和靠近 被冷却元件64、 66处的内表面上都设置有芯吸材料或结构122。然而，由 于在图8的实施例中，被冷却元件64、 66—起设置于热管110—侧，因此 可以预见到仅在靠近被冷却元件64、66的内表面上设置该芯吸材料或结构。
作为另一种变型，尽管在图6-8所示的实施例中，热管110与被冷却元 件64、 66直接接触或靠得很近，在其他实施例中，热管可以设置于一块导 热陶瓷材料或不导电合成材料中，该材料又与被冷却元件64、 66密切热接 触。
尽管在合并有磁共振成像的混合成像系统的举例说明性上下文中进行 了描述，但是应当领会到，还可以预见到将参考图4-8公开的辐射探测器模 块冷却配置用在采用辐射探测器的其他成像系统中，例如用在独立的PET 成像系统、PET/CT (计算断层摄影)成像系统、伽马照相机等中。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读并理解说明书的基础上， 他人可以想到各种修改和变更。只要所有这些修改和变更属于权利要求书 或其等价情形的范围内，那么本发明意在被理解为包括所有这种修改和变更。
权利要求
1、一种诊断成像设备，包括磁共振部分，其包括用于在所述设备的成像区域(14)中生成主磁场的主磁线圈组件(12)；用于在所述主磁场上叠加梯度磁场的梯度线圈组件(16)；用于至少向所述成像区域中发射RF信号的RF线圈组件(18)；正电子发射断层摄影部分，其包括流体冷却的探测器阵列(30)，其用于探测指示核衰变事件的辐射的，所述探测器阵列在温度上接近所述梯度线圈组件，并通过对所述流体冷却的探测器阵列进行流体冷却使所述探测器阵列维持在比温度接近的所述梯度线圈组件更低的温度；至少一个重建处理器(22，40)，其用于根据源于所述成像区域的探测信号产生图像表示；以及显示器(54)，其用于显示所重建的图像表示。
2、 根据权利要求1所述的诊断成像设备，还包括RF屏蔽壳(68)，其包封所述探测器阵列并使所述阵列对RF信号屏蔽。
3、 根据权利要求1所述的诊断成像设备，其中，流体冷却剂包括水和 介电油中的一种。
4、 根据权利要求1所述的诊断成像设备，其中，冷却剂环路(58)包 括柱形包壳。
5、 根据权利要求1所述的诊断成像设备，其中，冷却剂环路(58)包 括多个大致平行于所述主磁场延伸的通道。
6、 根据权利要求4所述的诊断成像设备，还包括-所述冷却剂环路中的至少一个电介质断路器(76)，所述电介质断路器 阻断涡电流路径。
7、 根据权利要求1所述的诊断成像设备，还包括包封所述探测器阵列的闭路冷却剂环路(58)，所述探测器阵列浸没在 导热介电油中。
8、 根据权利要求1所述的诊断成像设备，其中，所述探测器阵列(30) 包括围绕所述成像区域延伸的大致环状的辐射探测器阵列(64);设置于所述大致环状阵列(64)和所述梯度线圈组件(16)之间的探 测器电子器件(66);至少在所述探测器电子器件(66)和所述梯度线圈组件(16)之间界 定的冷却流体路径。
9、 根据权利要求8所述的诊断成像设备，还包括 设置于所述冷却流体路径和所述梯度线圈阵列(16)之间的绝热体(80)。
10、 根据权利要求9所述的诊断成像设备，其中，所述冷却流体路径 (70)和所述绝热体(80)设置于围绕所述探测器电子器件(66)的大致环状区域中。
11、 根据权利要求IO所述的诊断成像设备，其中，所述绝热体(80) 沿着所述探测器电子器件(66)和所述辐射探测器阵列(64)的侧面呈放 射状延伸。
12、 根据权利要求10所述的诊断成像设备，其中，所述探测器阵列位 于所述梯度线圈组件(16)和所述RF线圈组件(18)之间，RF屏(60) 在所述辐射探测器阵列(64)和所述RF线圈(18)之间延伸。
13、 根据权利要求12所述的诊断成像设备，其中，所述探测器阵列(30) 位于分离式梯度线圈系统中的梯度线圈(16)之间。
14、 根据权利要求10所述的诊断成像设备，其中，所述冷却流体路径 (70)还沿着所述探测器电子器件(66)和探测器元件阵列(64)的侧面呈放射状延伸。
15、 根据权利要求8所述的诊断成像设备，其中，所述冷却流体路径 (70)包括被布置成冷却所述探测器电子器件(66)的第一冷却路径(90)和被布置成冷却所述探测器元件(64)的第二冷却路径(92)。
16、 根据权利要求15所述的诊断成像设备，其中，第一冷却剂路径(90) 和第二冷却剂路径(92)由如下布置方式之一中的公共入口 (102)和公共 出口 (104)驱动(i)并联布置、(ii)逆流布置或(iii)级联布置，其中， 冷却剂流体经过所述第二冷却路径(92)然后进入所述第一冷却路径(90)。
17、 根据权利要求15所述的诊断成像设备，还包括 与所述第二冷却剂路径(92)和所述探测器元件(64)中的至少一个可操作地耦合的温度传感器(106)，控制流经所述第二冷却剂路径的流体 流(Fd)以维持由所述温度传感器指示的稳定温度。
18、 根据权利要求15所述的诊断成像设备，还包括 设置于所述第二冷却路径(92)和所述探测器元件(64)之间的热道中的珀耳帖元件(108)。
19、 根据权利要求8所述的诊断成像设备，还包括 与所述辐射探测器(64)热连通、以为所述辐射探测器(64)提供稳定温度的一个或多个热管(110)。
20、 根据权利要求8所述的诊断成像设备，其中，所述辐射探测器阵 列(30)包括如下之一固态探测器元件阵列(64);或与光探测器阵列(64)光耦合的闪烁体阵列(62)。
21、 根据权利要求1所述的诊断成像设备，还包括 既冷却所述梯度线圈(16)又冷却所述探测器阵列(30)的公共冷却剂回路。
22、 一种诊断成像方法，包括 利用磁共振扫描器探测磁共振；利用与所述磁共振扫描器温度接近的探测器阵列(30)探测指示放射 性衰变事件的辐射；利用流体冷却剂冷却所述探测器阵列(30);将探测到的磁共振和辐射中的至少一个重建成所述受检者的图像表 示；以及显示所述图像表示。
23、 根据权利要求22所述的方法，还包括利用使所述探测器阵列(30)对RF信号屏蔽的RF屏蔽(68)来对所 述阵列(30)进行屏蔽。
24、 根据权利要求22所述的方法，其中，利用流体冷却剂冷却所述探 测器阵列(30)的步骤包括将所述冷却剂泵送通过与所述探测器阵列(30)相邻的多个通道(70)。
25、 根据权利要求22所述的方法，还包括使冷却剂环路(58)的至少一个部分与叠加所述梯度场的梯度线圈(16) 进行隔热。
26、 根据权利要求22所述的方法，还包括利用所述流体冷却剂冷却所述探测器阵列(30)的探测器电子器件(66);使所述探测器阵列(30)与在所述主磁场上叠加所述梯度场的梯度线 圈组件(16)进行隔热。
27、 根据权利要求22所述的方法，还包括 利用所述流体冷却剂冷却所述梯度线圈(16)。
28、 根据权利要求22所述的方法，其中，所述冷却包括 利用流体冷却剂流经的第一冷却路径(90)冷却所述探测器阵列的电子器件(66);以及利用流体冷却剂流经的与所述第一冷却路径不同的第二冷却路径(92) 冷却所述探测器阵列的辐射探测器(64);其中，所述第一冷却路径(90)和所述第二冷却路径(92)都直接或 间接地从公共流体冷却剂入口 (104)接收流体冷却剂。
29、 根据权利要求28所述的方法，其中，级联所述第一冷却路径(90) 和所述第二冷却路径(92)，使得流体冷却剂流经所述第二冷却剂路径(92) 以冷却所述辐射探测器(64)，然后流经所述第一冷却剂路径(90)以冷却 所述电子器件(66)。
30、 根据权利要求22所述的方法，其中，所述冷却包括 在还包含芯吸材料或结构(122)的密封的热管(110)中设置所述流体冷却剂的至少一部分，所述密封的热管(110)可操作地与所述探测器阵 列(30)和至少一个热沉(112)耦合，使得所述密封的热管中的所述流体 冷却剂的蒸发/凝结循环从所述探测器阵列向所述热沉传递热量。
31、 根据权利要求22所述的方法，还包括利用微型珀耳帖元件(108)控制所述探测器阵列(30)和所述流体冷却剂之间的热阻。
32、 一种成像系统，包括正电子发射断层摄影部分； 磁共振部分；冷却系统，所述冷却系统共享用于冷却所述正电子发射断层摄影部分 和所述磁共振部分的至少一个部件。
33、 根据权利要求32所述的成像系统，其中，所述冷却系统包括为液 体和致)^令剂之一的冷却剂。
34、 根据权利要求33所述的成像系统，其中，所述至少一个部件包括 共享的冷却剂。
35、 根据权利要求32所述的成像系统，其中，所述至少一个部件包括 共享的换热器(78)。
36、 根据权利要求32所述的成像系统，其中，所述至少一个部件包括 共享的热沉材料。
37、 一种成像系统，包括 磁共振部分；位于所述磁共振部分的孔径内的正电子发射断层摄影部分； 包封所述正电子发射断层摄影部分的磁共振屏蔽(68); 被引入所述磁共振屏蔽(68)中以至少冷却所述正电子发射断层摄影 部分的探测器阵列(30)的流体冷却系统。
38、 根据权利要求37所述的成像系统，其中，所述流体冷却系统冷却 所述磁共振部分的所述探测器阵列(30)和所述梯度线圈(16)。
39、 一种辐射探测器，包括 闪烁体(62);被布置成通过与感兴趣辐射交互作用来探测所述闪烁体中产生的闪烁 的光探测器(64);被配置成接收并处理指示从所述光探测器接收的感兴趣辐射的电信号 的电子器件(66);与所述电子器件热连通并被配置成传输流动的冷却剂流体的第一冷却 剂路径(90);与所述光探测器热连通并被配置成传输流动的冷却剂流体的第二冷却 剂路径(92);以及布置于所述第一冷却剂路径(90)和所述第二冷却剂路径(92)之间 使得所述第一和第二冷却剂路径可以处于不同温度(Te， Td)的热障(94， 96)。
40、 根据权利要求39所述的辐射探测器，其中，所述热障包括(i)被 动绝热材料(94)和(ii)流有冷却剂流体的隔离冷却路径(96)中的至少 一个。
41、 根据权利要求39所述的辐射探测器，其中，所述第二冷却剂路径 (92)被维持在基本稳定的较低温度(Td)，而所述第一冷却剂路径(90)被维持在较高温度(Te)。
42、 根据权利要求39所述的辐射探测器，还包括 设置于所述第二冷却路径(92)和所述光探测器(64)之间的微型珀耳帖元件(108)。
43、 一种成像系统，包括第一模态成像系统(10)，其界定孔径(14)并被配置成从所述孔径内 部采集第一模态成像数据；以及正电子发射断层摄影(PET)成像系统，其包括与所述第一模态成像系统的所述孔径共轴布置的根据权利要求39所述的大致环状的辐射探测器阵 列。
44、 一种辐射探测器，包括闪烁体(62);被布置成通过与感兴趣辐射交互作用来探测所述闪烁体中产生的闪烁的光探测器(64);被配置成接收并处理指示从所述光探测器接收的感兴趣辐射的电信号的电子器件(66);热沉(112);以及与所述热沉和所述光探测器热连通的密封的热管(iio)，所述密封的热管包含工作流体和芯吸材料或结构(122)，配置所述密封热管，使得所述工作流体在所述密封的热管内经历蒸发/凝结循环以从所述光探测器向所 述热沉传递热量。
45、 根据权利要求44所述的辐射探测器，其中，所述密封的热管(110) 与所述电子器件(66)热连通，使得在所述密封的热管内经历蒸发/凝结循 环的所述工作流体从所述电子器件向所述热沉传递热量。
46、 根据权利要求44所述的辐射探测器，其中，所述辐射探测器被配 置为包括所述闪烁体(62)、所述光探测器(64)、所述电子器件(66)和 所述热管(110)的模块，并且所述模块可操作地通过导热表面接触(130) 与所述热沉(112)的至少一部分相连接，所述导热表面接触(130)不需 要使冷却流体在所述热沉和所述热管之间流动。
47、 一种成像系统，包括磁共振扫描器(10)，其界定孔径(14)并被配置成从所述孔径内部采 集磁共振数据；以及正电子发射断层摄影(PET)成像系统，其包括与所述孔径共轴布置以 从所述孔径内部采集PET数据的根据权利要求44所述的大致环状的辐射探 测器阵列。
全文摘要
在混合PET-MR系统中，在孔径(14)中增加PET探测器元件(30)使其与梯度线圈(16)相靠近。供应流体冷却剂以传递来自PET探测器元件(30)的热量。绝热体(80)使流体冷却剂和PET探测器元件(30)与梯度线圈(16)绝热。在一些实施例中，第一冷却剂路径(90)与电子器件热连通，第二冷却剂路径(92)与光探测器热连通，而热障(94，96)被布置于第一和第二冷却剂路径之间，使得第一和第二冷却剂路径可以处于不同温度(T<sub>e</sub>，T<sub>d</sub>)。在一些实施例中，密封的热管(110)与热沉热连通，使得热管中的工作流体经历蒸发/凝结循环以从探测器元件向热沉传递热量。
文档编号G01T1/16GK101688916SQ200880023164
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月23日 优先权日2007年7月2日
发明者B·魏斯勒, G·D·德梅斯泰, J·J·格里斯默, M·A·莫里希, T·J·佐尔夫, V·舒尔茨 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司