用于X射线或伽马射线探测器的探测器组件的制作方法

本发明涉及一种用于探测x射线或伽马射线的探测器组件和探测器，具体但不排除地，本发明涉及一种提供闪烁晶体像素内部相互作用点的更精确定位的、用于探测x射线或伽马射线的闪烁探测器组件。

背景技术：

正电子放射断层造影术(pet)是在核医学中经常使用的成像技术。在pet中，生理机能相关的化合物以正电子发射同位素进行标记。在某一时间点，放射性同位素发射正电子，并且该正电子具有数百kev的动能。正电子在人体组织中的范围通常小于1mm。在停止移动之后，正电子湮没成两个几乎背靠背的511kev的伽马射线。511kev的伽马射线在人体中的平均自由路径为约10cm。在许多情况下，上述两个伽马射线将在不经历散射的情况下离开身体，即，它们的原始方向不改变。

pet扫描仪基本上是环绕患者以探测例如511kev的伽马射线的探测器。如果同时探测到两个511kev伽马射线，则这些伽马射线很可能来自同一湮没事件。因此，可以认为湮没和含有放射性同位素的分子位于连接两个探测点的线上的某处。此线称为“响应线”(lor)。通过以这种方式观察大量的正电子湮没，能够获得湮没事件的、与经标记的分子体内的三维分布相同的三维分布。

商用pet扫描仪通常使用闪烁晶体和光电探测器来探测伽马射线。当伽马射线在闪烁晶体中相互作用时，产生短暂且微弱的光信号。光发射可处于光谱的可见光范围中、处于紫外线或红外线中。pet中常用的闪烁体材料为bgo(bi4ge3o12)、lso(lu2sio5:ce)；lyso(lu2-2xy2xsio5:ce)；gso(gd2sio5:ce)和nai:tl。pet扫描仪中所使用的闪烁体的最重要的性质是其必须具有短的衰减时间、具有对x射线和伽马射线的大的阻止能力和良好能量分辨率。短衰减时间是重要的，因为其允许良好的时间分辨率，并且其确保所探测到的两个伽马射线真正来自同一湮没事件，而不是来自两个无关的湮没事件。阻止能力是重要的，因为其确保较高的探测效率，并因此确保观察到大部分的湮没事件。良好的能量分辨率允许拒绝这些伽马射线之一在被探测到之前经历康普顿散射的事件。

虽然市售的pet扫描仪能够提供人体内过程的三维图像，但它们并不总是提供如期望的精确图像。

技术实现要素：

本发明人已认识到，需要一种用于对闪烁晶体像素内部的相互作用点进行更精确定位的改进的探测器组件和探测器。

因此，根据本发明的一方面，提供一种用于x射线或伽马射线探测器的探测器组件，该探测器组件包括：具有多个闪烁晶体像素的闪烁晶体，其中每个闪烁晶体像素的一个维度比其它两个维度更大，并且其中每个闪烁晶体像素具有一个或多个光出射面；以及与每个闪烁晶体像素的光出射面中的至少一个相关联的光电探测器，其中第一闪烁晶体像素和第二闪烁晶体像素彼此相邻地布置，其中第一闪烁晶体像素的x射线或伽马射线的相互作用引起至少一个光子的产生，并且所产生的至少一个光子的光学串扰发生在第一闪烁晶体像素与第二闪烁晶体像素之间，使得在使用中在与第二闪烁晶体像素的光出射面相关联的光电探测器处探测到第一闪烁晶体像素内的x射线或伽马射线的相互作用。

闪烁晶体划分成两个或更多个闪烁晶体像素，每个闪烁晶体像素具有一个或多个光出射面。光出射面或光出射侧是闪烁晶体像素的、在x射线或伽马射线撞击闪烁晶体时产生的光学光子(或二次产生光子)通过其出射的面。

在一些示例中，每个闪烁晶体像素可具有一个光出射面，或者每个闪烁晶体像素可具有两个光出射面。闪烁晶体像素的一个维度比其它两个维度更大。在一些优选示例中，一个或多个光出射面可以定位在闪烁晶体像素的具有较大尺寸的端部处。例如，在闪烁晶体像素为具有尺寸a、b和c(其中a>b并且a>c)的长方体的示例中，一个或多个光出射面可定位在面bxc处。

光电探测器可与探测器组件的一个或多个闪烁晶体像素的光出射面相关联，并且优选地，与特定光出射面相关联的光电探测器总是定位在所述光出射面处或紧密接近于所述光出射面。换句话说，不同于每个闪烁晶体像素需要至少两个光电探测器的当前探测器组件，本发明的探测器组件可包括与闪烁晶体像素相同数量的光电探测器，或者包括与闪烁晶体像素相比更少数量的光电探测器。这种配置的优点在于系统的总成本降低。此外，闪烁晶体像素与探测对象之间存在过多的光电探测器及其相关联电子器件增加在到达闪烁晶体像素之前的光子相互作用的机会，并且因此探测器组件的灵敏度降低，其结果图像质量下降。因此，这是为什么本发明的布置提供包括探测器组件的整体探测器的更优效率和改善的图像质量的一个原因。

所产生的至少一个光子的光学串扰在探测器组件中发生在彼此相邻的第一闪烁晶体像素与第二闪烁晶体像素之间，使得在使用中在与该第二闪烁晶体像素的光出射面相关联的光电探测器处探测到第一闪烁晶体像素内的伽马射线或x射线的相互作用(其引起至少一个光子的释放)。因此，doi信息可通过仅从闪烁晶体像素的一端读取光而获得，因为光学串扰使到达第一闪烁晶体像素的、与光电探测器所定位的端部相对的端部处的光通过相邻的闪烁晶体像素返回到光电探测器侧，并且在与第二闪烁晶体像素的光出射面相关联的光电探测器上给出信号。相应地，由于识别出光子相互作用在沿着闪烁晶体像素的长度的哪个位置发生是可能的，因此能够通过光电探测器实现更精确的像素读取。

例如，当该探测器组件在用于诸如pet扫描仪、ct扫描仪、伽马相机等应用的x射线或伽马探测器中使用时，多个闪烁晶体像素可形成环形探测器，其中每个闪烁晶体像素与至少两个其它闪烁晶体像素相邻。通过这种方式，多个闪烁晶体像素可在使用中环绕或部分地环绕患者或动物。替换地，多个闪烁晶体像素可线性地布置或跨越表面布置，并且例如所构成的探测器的该配置对如x射线安全性等某些断层摄影应用可能尤其有利。替换地，多个闪烁晶体像素可形成单个探测器或者两个或更多个探测器或形成不同的形状。

光电探测器可以是具有内部增益的固态光电探测器。光电探测器还可以是硅光电倍增管、多像素光子计数器或数字硅光电倍增管。

闪烁晶体像素可以以如下方式略微吸收光：即，到达晶体的一个或每个光出射端的光量取决于x射线或伽马射线的相互作用点的、沿着闪烁晶体像素的长度的位置。

探测器组件还可至少在第一闪烁晶体像素与第二闪烁晶体像素之间还包括反射材料，该反射材料覆盖第一闪烁晶体像素与第二闪烁晶体像素之间的共同侧的一部分或全部。反射材料可优选地为全反射的。

如果反射材料布置成覆盖第一闪烁晶体像素与第二闪烁晶体像素之间的共同侧的一部分，则可通过在无反射材料的间隙中的光的泄漏产生光学串扰。在该情况下，优选的是，共同侧的未覆盖部分位于或基本上朝向闪烁晶体像素的、与光电探测器所定位的端部相对的端部。无反射材料的间隙可以由透明材料填充。

如果反射材料布置成覆盖第一闪烁晶体像素与第二闪烁晶体像素之间的全部共同侧，则优选的是，透明材料片设置在晶体阵列的、远离光电探测器所定位的光出射面的端部处和/或第一闪烁晶体像素和第二闪烁晶体像素可以以某种方式经光学抛光，以使得光学串扰产生，如在下文中将进一步详细解释。

除提供反射材料以外附加地或与其替换地，探测器组件还可包括位于晶体阵列的、远离光电探测器所定位的光出射面的端部处的透明材料片，以允许第一闪烁晶体像素与第二闪烁晶体像素之间的光学串扰。

除提供反射材料和提供透明材料片以外附加地或与其替换地，第一闪烁晶体像素与第二闪烁晶体像素之间的共同侧没有任何部分或仅一部分可经光学抛光，以允许第一闪烁晶体像素与第二闪烁晶体像素之间的光学串扰。

可能优选的是，相邻的闪烁晶体像素之间的光学串扰发生在闪烁晶体像素的、远离光电探测器所定位的光出射面的端部处。其优点在于，信号比光学串扰发生在闪烁晶体像素的接近光电探测器的端部处时行进地更远且更长的时间段。

第一闪烁晶体像素中的光信号的幅度与第二像素中的光信号的幅度之比可取决于第一闪烁晶体像素中的x射线或伽马射线的相互作用点的相互作用深度。doi可从可测量的量r获得，r定位为：

根据本发明的第二方面，提供一种x射线或伽马射线探测器，该探测器包括至少两个如上所述的探测器组件。

两个探测器组件可探测在闪烁晶体像素内相互作用的互补的x射线或伽马射线。

附图说明

下面将仅以示例的方式描述本发明的某些优选实施方式，并参照附图与比较示例进行对比，其中：

图1示出pet扫描仪的原理；

图2示出允许减少pet扫描仪中的光电探测器数量和读出通道数量的块探测器组件的原理；

图3示出pet扫描仪中的相互作用深度效应；

图4示出本发明的示例性探测器组件的操作；

图5示出本发明的另一示例性探测器组件的操作；

图6示出根据本发明示例性探测器组件的不同信号的相互作用深度分辨率；以及

图7示出可通过本发明示例性探测器组件获得的相互作用深度分辨率。

具体实施方式

在pet扫描仪的最简单几何结构中，pet扫描仪由一个或多个闪烁体块环组成，每个闪烁体块环配备有环绕患者的光电探测器。图1中示出了用于人类患者11的典型的pet扫描仪10。为增强光线收集，闪烁体晶体的侧面通常利用光学质量抛光进行抛光。在闪烁体环12的外侧上，每个闪烁体晶体13具有其自己的光电探测器14。线表示源自几个湮没事件的伽马射线的飞行方向。这些伽马射线在闪烁体块中相互作用。如果两个伽马射线在两个闪烁体块13中同时相互作用，则最可能的是，正电子湮没发生在沿着连接两个闪烁材料块的中心的线的某处。如果511kev伽马射线15之一在闪烁体块中的一个中相互作用，则该相互作用点上的位置精确度与闪烁晶体的大小相等。因此，使用大量小闪烁晶体是正常的，其中每个闪烁晶体配备有其自己的光电探测器。某些pet系统确实使用该方案。

然而，为降低成本，大多数商用pet扫描仪使用光电探测器比晶体少的系统。图2中示出该方法的可能实现。在该设计中，在一个大的闪烁体晶体20中切割出槽，使其划分为64个单独的晶体像素21，并且该闪烁体块20仅与四个光电倍增管22、23、24、25接触。这些槽然后以某些材料填充以减少邻近晶体像素之间的光学串扰。在闪烁体中切割的槽并不一直延伸到闪烁体晶体块20的底部。通过这种方式，光可分布在四个光电倍增管22、23、24、25上，其中光的分布取决于伽马射线相互作用所处的、闪烁体晶体20的位置。根据光电倍增管22、23、24、25中的信号的幅度，可以如下计算量x和y：

量x和y是发生相互作用的闪烁体晶体块20的位置的(x,y)平面中的近似位置。(x,y)的测量值与晶体的真实位置之间的映射必须通过实验确定。

在正电子放射断层造影术中限制图像分辨率的因素之一是所谓的“相互作用深度”(doi)效应。图3中示出了该效应，并且还给出了示例性尺寸。在该图中，假定由一个光子的湮没产生的两个伽马射线分别在晶体31、32中相互作用。这些晶体31,32通过从记录来自晶体31、32的光信号的光电探测器33、34接收的信号来识别。通常不知道相互作用发生在沿着晶体长度31、32的长度的哪个位置。如果正电子湮没远离扫描仪的中心发生，则这会引入对连接两个伽马相互作用点的线的位置的大的不确定性，并由此引入对正电子湮没点的位置的大的不确定性。这又导致图像质量的相当大的下降。

避免因doi效应引起的分辨率下降的一种可能的方法是将光电探测器布置在晶体的两端上。如果晶体被完全地抛光并在其长侧面上覆盖高反射箔，则在两端处收集到的光量不依赖于伽马射线的相互作用点的、沿着晶体的长度的位置。然而，如果晶体的侧面不完全地抛光，则在两端处收集到的光量取决于伽马或x射线的、沿着晶体的长度的相互作用点。

在晶体的两端上布置光电探测器具有若干缺点。光电探测器以及相关联的电子器件表示pet扫描仪的大部分成本。因此，此方法极大地增加这种系统的成本。此外，在闪烁晶体与患者之间存在光电探测器及其相关联电子器件增加伽马射线在到达闪烁晶体之前在某处相互作用的机会，从而降低灵敏度并影响图像质量。

因此，本发明的目的在于提供一种在仅从晶体的一端读取晶体光的同时获得doi信息的方式。这可通过在与光电探测器相对的侧面上的邻近晶体之间引起光学串扰来实现。这种光学串扰将使到达第一闪烁晶体像素的相对端部的光通过邻近闪烁晶体像素返回到光电探测器侧，并且在与邻近闪烁晶体像素相关联的光电探测器上给出信号。如果例如通过晶体的略微不抛光的一个或多个侧面(优选地为长侧面的一个或多个侧面)来使晶体稍微吸收光，则到达晶体的一个或每个光出射面或光出射端的光量取决于x射线或伽马射线的相互作用点的、沿着闪烁晶体像素的长度的位置。

在闪烁晶体包括两个光出射面或两个光出射侧的示例中，两端处的脉冲幅度之比可以与相互作用的、沿着闪烁晶体像素的位置有关。此外，通过这种方式返回到邻近光电探测器的光量将取决于x射线或伽马射线的相互作用的、沿着闪烁晶体像素的长度的位置。发生相互作用的闪烁晶体像素中的光量与所有其它像素中的光量之比将取决于x射线或伽马相互作用的doi。

原则上，可以使用任何光电探测器。例如，可以使用光电倍增管。然而，光电倍增管并不非常实用，并且该想法并未在任何商用pet系统中使用。难以使用光电倍增管的原因在于：在光电倍增管中，在晶体与光电阴极之间总是存在至少2mm厚度的玻璃。光在该玻璃中的传播使得极难正确地获得doi并获得发生相互作用的晶体。然而，光电探测器(如sipm)实用得多。此外，借助sipm，如果存在比光电探测器更多的闪烁晶体，则还可以使用光共享来识别发生相互作用的晶体。

引起期望的光学串扰的最直接的方式是在闪烁晶体阵列上在与光电探测器相对的侧面上放置透明材料板(例如玻璃板)。透明材料板应优选地光学耦合至闪烁晶体。这种光学耦合可通过在闪烁晶体与透明材料板之间应用一些透明胶或透明油脂来实现。图4中示出了根据本发明示例的这种探测器组件的示例。在图4中，示出了探测器组件40。探测器组件40具有放置于光电探测器42的4x4阵列上的闪烁晶体像素41的8x8阵列，其中4x4阵列的光电探测器42可以是sipm阵列。在本发明的该示例性实现中，通过将透明材料片43放置在闪烁晶体像素41阵列的与光电探测器42侧相对的侧面上来获得光电探测器42的相对侧面上的光串扰。透明材料可以是一片或多个单独片；透明材料能够覆盖相对侧面的整个表面或仅覆盖其一部分。透明材料可光学耦合至闪烁晶体，或者透明材料可在无光学接触的情况下按压在闪烁晶体上。

图5中示出了根据本发明示例的探测器组件50的另一可能实现。在本发明的该示例性实现中，闪烁晶体像素51、52被胶合在一起，其中反射材料53(其可以是全反射材料)位于相邻晶体像素51、52之间的间隙中，从而防止光泄漏至相邻晶体像素51、52。仅在分离间隙的一小部分中，在闪烁晶体像素51、52的与光电探测器54、55相对的一侧，间隙56中无反射材料，从而允许一些光泄漏到邻近闪烁晶体像素51、52。光泄漏到邻近闪烁晶体像素51、52的间隙56应优选地以透明材料填充。

在图4和图5每个图中，闪烁晶体像素41、51、52的一个维度比其它两个维度更长。此外，由于需要最小长度的晶体像素用于吸收，有利的是将闪烁晶体像素布置成使产生的光子行进跨越最长的尺寸；通常，为吸收511kev的光子，需要最长尺寸为1.5cm或2cm的铈掺杂的硅酸钇镥(lyso；ceriumdopedlutetiumyttriumorthosilicate)或铈掺杂的硅酸镥(lso；ceriumdopedlutetiumoxyorthosilicate)晶体像素，以实现足够空间分辨率。

为证明该想法的有效性，对图4中示出的几何结构进行了模拟，其结果显示在图6和图7中。在该模拟中，闪烁晶体像素的尺寸为1.53x1.53x15mm，并且透明材料是1mm厚的玻璃板。模拟是利用模拟软件geant4完成的。在模拟中，假定晶体像素之间的间隔利用vikuityesr反射箔填充。这种箔是高度反射的，但是仍允许一些光泄漏到邻近闪烁晶体像素。

在图6和图7中，doi可以从可测量的量r获得，r被定义为：

图6示出了参数r对不位于sipm阵列的边缘处的闪烁晶体像素之一的相互作用的真实doi的分布图。在该图中，我们看到doi与r的值之间的明显相关性。我们还看到相关带之外的若干个散布点。这些点因伽马相互作用所致，在伽马相互作用中，伽马射线首先在这些晶体中的一个中经历康普顿散射，并且随后在该阵列的另一晶体中相互作用。此类事件应被丢弃，因为从这些事件获得的位置信息不精确。

图7示出了能够由探测器内的图4的示例性探测器组件获得的doi分辨率。该图示出参数r的实验可测量值的不同值格的doi值的直方图。这16个直方图对应于从0.6到0.8的变量r的16个值格。水平轴以mm为单位给出doi值。我们可以看到，doi分辨率为约3mmfwhm。

将了解，虽然上文描述的本发明的一些示例指代优选示例和实施方式，但是这些示例的原理可应用到本发明的所有方面、示例和实施方式，包括权利要求中的任一项中限定的那些方面、示例和实施方式。此外，在单独的示例或实施方式的上下文中描述的特征可在单个示例或实施方式中以组合方式提供，并且相反地，在单个示例或实施方式的上下文中描述的特征也可单独地或以任何适当的子组合提供。

以下是根据本公开的特别优选的方面。

第1项.一种用于x射线或伽马射线的探测器，所述探测器包括具有至少两个闪烁晶体的多个闪烁晶体，并且其中所述闪烁晶体的一个维度比其它两个维度更大，并且具有一个或两个光出射侧；并且反射材料放置在闪烁晶体像素中的至少一些之间，所述反射材料覆盖两个相邻晶体之间的共同侧的一部分或全部；并且在所述光出射侧中的一个上具有光电探测器。

第2项.根据项1所述的用于x射线或伽马射线的探测器，其中所述光电探测器是具有内部增益的固态光电探测器。

第3项.根据项1或2所述的用于x射线或伽马射线的探测器，其中所述光电探测器是硅光电倍增管、多像素光子计数器或数字硅光电倍增管。

第4项.根据项1、2或3所述的用于x射线或伽马射线的探测器，其中所述闪烁晶体以如下方式略微吸收闪烁光：即，到达晶体的每个端部的光量取决于伽马射线的相互作用点的、沿着晶体的长度的位置。

第5项.根据项1、2、3或4所述的用于x射线或伽马射线的探测器，其中到达所述晶体的每个端部的闪烁光的吸收是通过使所述闪烁晶体的至少一个侧面的一部分或全部不经光学抛光来实现。

第6项.根据项1、2、3、4或5所述的用于x射线或伽马射线的探测器，其中光从一个像素泄漏至相邻像素，并且其中所述光泄漏主要存在于晶体阵列的、与光电探测器所处的光出射侧相对的侧面上。

第7项.根据项1、2、3、4、5或6所述的用于x射线或伽马射线的探测器，其中至相邻像素的光泄漏是通过将透明材料片放置在晶体阵列的、与光出射侧相对的侧面上而引起的。所述透明材料可以是一片或若干个单独的片；所述透明材料能够覆盖所述相对侧面的整个表面或者仅覆盖其一部分。所述透明材料能够光学耦合所述闪烁晶体，或者所述透明材料能够在无光学接触的情况下按压在闪烁晶体上。

第8项.根据项1、2、3、4、5或6所述的用于x射线或伽马射线的探测器，其中光泄漏至相邻像素是通过位于光电探测器的相对侧面处的晶体之间的分离间隙或间隙不以反射材料填充而引起的，从而允许一些光泄漏至相邻的闪烁晶体像素。

第9项.根据项1、2、3、4、5、6、7或8所述的用于x射线或伽马射线的探测器，其中伽马射线相互作用所处的、闪烁晶体像素中的光信号的幅度与一个或多个其它像素中的光信号的幅度之比取决于伽马射线相互作用所处的晶体中的伽马射线或x射线的相互作用点的doi。