正電子發射斷層掃描儀的製作方法
2023-06-15 11:26:56
專利名稱：正電子發射斷層掃描儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種正電子發射斷層(PET)照相機或掃描儀。
背景技術：
PET掃描儀在醫用物理學領域是公知的。這些掃描儀通過檢測從注入人體的放射性物質發出的輻射產生人體圖象。每臺掃描儀由圍繞可動的患者平臺而排列成環形結構的輻射檢測器(通常稱為閃爍器)構成。圖1示出了具有檢測器環10和患者平臺12的典型結構。每一閃爍器包括晶體和與之相關聯的位於環上相對位置的晶體。許多已知的照相機使用Bi4Ge3O12(BGO)作為閃爍檢測器，如美國專利4,843,245和EP0,437,051B中教導的那樣。每一閃爍器與光電倍增管相連，光電倍增管又與電子讀出器相連。
在掃描過程中，將患者放置在檢測環中央的可動工作檯上，給患者注射放射性物質，放射性物質標記有衰變時間短暫的β+放射性原子，比如碳-11，氟-18，氧-15或氮-13。在放射性同位素的核子衰變過程中發出正電子，當發射出的正電子遇到電子，碰撞產生兩個能量均為511KeV、但傳播方向相反的γ射線。利用在檢測環直徑方向上設置的閃爍器同時檢測所產生的γ射線，可以檢側在其上發生衰變的軌道。閃爍器晶體使γ射線轉換為光子發送到光電倍增管，光電倍增管將光子轉換成電信號並將其放大，然後這些電信號經過計算機處理以產生所關心的人體部位(比如腦，胸部，肝臟)的三維空間圖象。
PET掃描的優點在於能夠精確地確定放射性核位置和量化人體的生理學過程，能夠這樣做是由於從患者身體發射出的兩個γ光子朝相反的方向傳播。另一個優點在於PET掃描儀使用與人體內可以找到的化合物相同或類似的生物化合物，比如碳，氮，氧。這意味著PET放射性核能直接用人體使用的生物學物質代替。並且，它意味著PET跟蹤器不像其它一些掃描儀那樣只是模仿生物學路徑，而是真正遵循生理學和新陳代謝的過程。這是有利的。相反，其它核醫學成像技術需要標記有一般在人體內找不到的放射性核素的化合物。這些改變的化合物只近似於人體內真正的分布。
由於PET固有的許多優點，人們希望改善其性能，從而增加所掃描圖像的精度，由此幫助臨床醫生。為此，目前許多團體在做這項工作以改善這類掃描儀的特性。
PET照相機最重要的特性是它的空間解析度和靈敏度。傳統的PET照相機能在發射光譜的半極大全寬度(FWHM)時提供的空間解析度在4-6mm範圍內。更好的空間解析度需要大量的尺寸減小的閃爍檢測器，因此，需要大量的光電探測器和與之相連的電子讀出裝置。而這將增加成本。同時人們對人體PET儀器的新需求，比如對精確的腦部成像的需求，要求精度高於2mm的空間解析度。
用於PET掃描儀重建的圖象解析度的綜合公式表達如下=1.25(d/2)2+(0.0022D)2+r2+b2]]>其中Γ是重建的圖象解析度，單位為毫米FWHM；d是檢測器尺寸；D是檢測器陣列直徑，全身PET掃描儀通常是600-800mm，腦部PET是250-300mm(包括D的NB考慮了由於正電子衰變引起的光子非共線性)；r是有效正電子範圍(從用於18F的0.5mm到用於82Rb的4.5mm)，以及b是附加因數，從碰撞點識別方案中導出(Anger Logic或「真正的」位置靈敏的光電探測器，即多個光電倍增管信號間的相似率(analog ratios))。假設對於位置靈敏光電探測器b為0，則對於腦部PET在d＝1毫米時可以實現Γ＝1mm的解析度(使用18F)。
假設上述等式是精確的，為了滿足對PET照相機的空間解析度和靈敏度的需求增長，照相機將必須由具有高阻止本領的長而薄的檢測器組成，然而，這實際上降低了視場末端的空間解析度，這是不利的。為了克服該問題並避免空間解析度的降低，需要使用具有交互作用深度(DOI)確定能力(即，沿檢測器單元確定交互作用坐標的能力)的檢測器。最方便的實現這些的方法是使用多層檢測器，其中這些層由不同閃爍屬性的材料組成，由於這些層有不同的特性，當檢測到γ射線時，有可能識別被碰撞的層，因而更精確的確定交互作用點。
許多多層檢測器是公知的。比如美國專利4,843,245記載了使用鄰近BGO和GSO(Gd2SiO5)晶體的多層閃爍器。EP0,219,648記載了使用一個三層閃爍器，其中內層為BaF2，中間層為GSO，外層為BGO。WO99/24848也公開了使用多層檢測器，尤其是「層狀閃爍體」檢測器，其中不同的檢測器層由具有不同的衰變時間的不同閃爍器組成，在WO99/24848中記載的層狀閃爍體有兩層，即BGO和Lu2SiO5:Ce(LSO)。
另一種公知的多層檢測器使用LSO和GSO的組合，其中，碰撞層的確定通過使用脈衝形狀鑑別來實現，其能實現是因為LSO和GSO層的衰變時間常數有很大的差異。不幸地是，GSO的光電吸收係數遠小於LSO的光電吸收係數，這意味著GSO的阻止本領受到限制，這給碰撞層的確定帶入了不確定度。
在另一種公知的PET中，閃爍檢測器由具有不同的鈰濃度的「快」和「慢」的LSO閃爍器組成。當使用LSO和GSO檢測器時，用脈衝形狀鑑別確定碰撞層，然而，這種特定裝置的缺點是快和慢LSO的衰減時間常數的差別只有10％(在平均值為40ns下4-5ns)，因此，以任何可信度確定碰撞層將變得困難。
除了公知的PET掃描儀空間解析度的限制外，PET掃描儀視場末端的空間解析度上還有幾何限制。這就是當γ射線軌道穿過幾個閃爍檢測器時產生的所謂徑向延長變形。
發明概述本發明的目的是為PET照相機提供改善的閃爍檢測器以及改進的PET照相機。
本發明的各個方面定義在獨立權利要求中，一些優選的特徵定義在從屬權利要求中。
根據本發明的一個方面，提供了一種正電子發射斷層照相機或掃描器，它包括患者區域；用於從患者區域的相對側檢測輻射的檢測環，它包括多個直接朝向患者區域的閃爍檢測器，當輻射入射其上時，閃爍檢測器發出光線；以及轉換裝置，光耦合到閃爍檢測器上，用於將閃爍檢測器發射的光轉換成電脈衝，其中的閃爍檢測器包括LuAlO3:Ce(LuAP)。
LuAP可以包含釔以便形成LuYAP。釔的含量可以為0％-30％原子百分比的鑥含量。
優選地，閃爍檢測器還包括LSO。在這種情況下，提供用於確定檢測到的輻射是入射在LuAP上還是LSO上的裝置。該確定裝置可分析電信號來確定脈衝形狀，脈衝形狀指示探測到輻射的層。
可以在每一閃爍檢測器和與之相連的轉換裝置間設置波分器，波分器和轉換裝置最好相對於閃爍器偏移，以便每一波分器和每一轉換裝置橫跨兩個相鄰的閃爍器。因此，每一波分器可以包括玻璃濾光器和/或幹涉濾光器和/或衍射光柵和/或稜鏡和/或衍射微型光學陣列和/或折射微型鏡片(micro optic)陣列。
優選地，轉換裝置包括光電倍增管，比如，位置敏感光電倍增管或雪崩光電二極體或PIN光電二極體。
根據本發明的另一個方面，提供了正電子發射斷層照相機或掃描器，它包括多個閃爍器，其中閃爍器由LuAlO3:Ce(LuAP)組成。
LuAP可包含釔以形成LuYAP。釔的含量可以在鑥含量0％-30％原子百分比的範圍內。每一閃爍檢測器最好包括LSO層。
根據本發明的又一方面，提供了一種用於PET掃描儀中的閃爍器，該閃爍器包括LuAP。
LuAP可以包含釔以形成LuYAP。釔的含量可以在鑥含量0％-30％的範圍內。每一閃爍檢測器最好還包括LSO層。
根據本發明的另一方面，提供了一種正電子發射斷層照相機或掃描器，它包括多個朝向患者區域的閃爍檢測器，當輻射入射其上時，閃爍檢測器發出光線，閃爍檢測器包括兩種不同的閃爍材料層，每一層發出不同的閃爍光；以及轉換裝置，光耦合到閃爍檢測器上以將閃爍檢測器發出的光轉換為電脈衝，其中光學元件被設置在閃爍檢測器和轉換裝置間的光路中，該光學元件以一種方式影響從閃爍檢測器的一層來的光線並以另一種方式影響從閃爍檢測器的另一層來的光線。
這種結構的優點在於由於光學元件的存在，從每一閃爍層發射出的閃爍光被以不同的方式影響，這意味著能更容易識別出閃爍碰撞層。
下面參照附圖，僅通過舉例的方式描述體現本發明的各種照相機和閃爍器，在附圖中圖2(a)是用於PET中的第一檢測器的側視圖；圖2(b)是沿圖2(a)的箭頭A方向的主視圖；圖3是包括LSO、LuAP、GSO閃爍器的各種閃爍器特性的表；圖4是在Eγ＝511keV下，基於LSO、LuAP、GSO閃爍器的PET掃描儀的計算的相對靈敏度相與晶體厚度關係的曲線圖；圖5是LSO和LuAP的發射光譜圖；圖6是PET中使用的第二檢測器的方塊圖。
具體實施例方式
體現本發明的PET使用包括基於鑥的晶體的閃爍器。具體地說，體現本發明的閃爍器使用LuAP或LuYAP，在下文中，只取首字母的詞LuAP可以代表LuAP或LuYAP。該原料有許多使之用作閃爍器的特性。
圖2(a)和(b)示出了用於PET掃描儀的兩種閃爍器，各包括LSO14，16的內層和LuAP18，20的層。每一LSO和LuAP層的厚度優選小於20mm。與每一LuAP層18，20相鄰並與其光耦合的是光電探測器22，24，用於檢測從LSO14，16或LuAP18，20發射出的光線。光電探測器22，24可以為任何合適的類型，但典型地包括光電倍增器或雪崩光電二極體。利用電子讀出器處理(未表示出來)從光電探測器22，24來的信號。實際上，根據PET掃描器的常規布局，圖2中以環形結構繞患者平臺提供多個閃爍器和光電探測器。利用從光電探測器來的信號，能構建所掃描的組織的圖象。
圖2(a)和(b)中掃描儀LuAP的使用帶來了各種好處。這是因為LuAP晶體的優良特性。
圖3的表中是LuAp，LSO和GSO的相關屬性，從中我們可以看到在511keV時，LuAP的光電吸收係數是0.31，它與光電吸收係數是0.30的LSO相當。相反，GSO的光電吸收係數只有0.18。這意味著GSO的有效阻止本領明顯小於LSO或LuAP。並且，LuAP衰減60％的發射光的衰減常數是11ns，而LSO是40ns，這是相當大的差異。對於圖2的LSO/LuAP閃爍器這是有利的，因為它意味著可以利用脈衝寬度鑑別來精確確定碰撞層。圖2的LSO/LuAP閃爍器進一步的優點在於對於LSO閃爍光LuAP是透明的。這意味著從內部LSO層發射的光能基本上無阻礙地通過LuAP而到達光電探測器，這提高了探測過程的靈敏度。
分別使用LuAP、LSO、GSO閃爍器環的PET掃描儀的相對靈敏度在圖4中作為晶體厚度的函數表示出來。應該注意，檢測光吸收事件的二重吻合性的相對概率被當作PET環靈敏度的度量。
從圖4可以看出，使用GSO閃爍器的PET掃描儀的靈敏度遠低於使用LuAP閃爍器的掃描儀的靈敏度(同一尺寸的掃描儀相比)。因此，圖2中的雙層LSO/LuAP閃爍器能做得比傳統的同樣尺寸的LSO/GSO閃爍器更靈敏。可供選擇地，通過使用薄得多的LSO/LuAP閃爍器可以獲得相同的靈敏度。這是有利的，因為它意味著PET掃描儀的整個尺寸可以減小，從而減少相關的成本。特別是，對於由LSO/LuAP製成的雙層檢測器和對於由LSO/GSO製成的雙層檢測器，當LuAP層1.7倍薄於GSO層時可以獲得同樣等級的靈敏度，這表明由LSO/LuAP製成的PET掃描儀比由LSO/GSO製成的掃描儀在視場末端有更好的空間解析度，並且成本可能更低，因為需要的晶體量減少了。
圖5是LSO和LuAP的光譜發射圖。從中可以看出，LSO光譜的最大值為420nm，LuAP光譜的最大值為378nm。因此，如果圖2中的光電探測器檢測的光線為378nm，這表明碰撞了LuAP，如果檢測的光線為420nm，表明碰撞了LSO。這意味著除了利用脈衝寬度鑑別之外，還可以用圖2中閃爍器的發射光譜的選擇來識別碰撞層。這可以通過檢測到達光電探測器的光線「顏色」做到。圖6示出了適於檢測光線顏色的檢測器。
圖6示出了用於PET照相機的多個相似的閃爍器，每個都有LSO層26，28和LuAP層30，32。如前所述的那樣，LSO層26，28和LuAP層30，32的厚度每個都優選小於20mm，鄰近閃爍器的是多個波分元件34，36。每個波分元件相對於閃爍器偏移，所以它以相同量橫跨兩個相鄰閃爍檢測器。相鄰的波分器34和36有不同的透射係數，這意味著各閃爍器末端與兩個不同的波分器34和36相鄰。波分器34和36可以由彩色玻璃濾光器構成。在圖6的例子中，對於分別從LSO和LuAP層26和30發射的光線來說，濾光器34是透明的，濾光器36對於從LuAP層26的發射是透明的，但對於從LSO層26的發射是半透明的。因此，濾光器34以相同的程度影響從不同閃爍層來的光線，而濾光器36以一種方式影響從LuAP層來的光線，以另一種方式影響從LSO來的光線。
為了檢測從圖6的閃爍器來的閃爍光，光電探測器38和40光耦合到波分器34、36。每一光電探測器38、40相對於閃爍檢測器在物理上偏移，但與同它相連的波分器34、36基本上共線，所以它橫跨了兩個相鄰的閃爍檢測器。與每一光電探測器38、40耦合的是用於放大輸出的放大器42、44。來自放大器42、44的信號被輸出到模數轉換器46以進行處理。經處理的信號用於構建被掃描的物質的圖象。
為了提供PET掃描儀，根據常規的做法，圍繞患者平臺以環形結構提供圖6中的多個閃爍器和光電探測器。
當圖6中LuAP檢測器30被碰撞時，從光電探測器38、40產生的電脈衝振幅相等。這是因為波分器34、36對於LuAP閃爍光都是透明的。相反，當LSO檢測器26被碰撞，光電探測器38產生的電脈衝振幅高於光電探測器40產生的電脈衝振幅。這是因為波分器34對於LSO閃爍光是透明的，而波分器36對於其只是半透明的。因此，通過比較光電檢測器檢測到的電脈衝振幅就可以識別碰撞層。
雖然圖6中的波分器34、36包括玻璃濾光器，但是等效地它們也可以是幹擾濾光器和/或衍射光柵和/或稜鏡和/或衍射微型鏡片陣列和/或折射微型光學陣列中的任何一個或多個。
總之，本發明在於使用新的高靈敏度晶體LuAP或LuYAP，在將它們應用於PET照相機時，由於減小的閃爍檢測器尺寸，能提供更好的圖象清晰度。這種PET成本更低，更靈敏，並且空間解析度具有相對較低的角部降低，因此，允許檢測器環的直徑減小，從而減少整個照相機的成本。而且，在雙層結構中，LSO和LuAP衰變時間常數(對於60％的發射光分別為40ns和11ns)的巨大不同使脈衝形狀鑑別成為有益的選擇，它允許有效碰撞層的確定。
本領域的普通技術人員會理解到，在不脫離本發明的前提下，可以對所公開的結構進行改變。因此，通過舉例而不是為了限制描述了具體實施例。本領域的普通技術人員將會清楚可以做出微小的改進而不需要對上述的操作做過大的改動。
權利要求
一種正電子發射斷層照相機或掃描儀包括患者區域；用於檢測來自患者區域相對側的輻射的檢測器環，該環包括多個朝向患者區域的閃爍檢測器，當輻射入射其上時，所屬閃爍檢測器發射光線；光耦合到閃爍檢測器的轉換裝置，用於將閃爍檢測器發射的光線轉換成電脈衝；其中閃爍檢測器包括LuAP。
2.根據權利要求1的正電子發射斷層照相機或掃描儀，其中閃爍檢測器包括另一層閃爍晶體，優選的是LSO。
3.根據權利要求2的照相機或掃描儀，其中確定裝置用於確定被探測到的輻射是入射在LuAP上還是另一層閃爍材料，優選是LSO上。
4.根據權利要求3的照相機或掃描儀，其中確定裝置能分析電信號以確定脈衝形狀，所述脈衝形狀表示其中檢測到輻射的層。
5.根據權利要求2至4中任一項的照相機或掃描儀，其中在每一閃爍探測器和與之相連的轉換裝置之間設置有光學元件，該光學元件以一種方式影響來自LuAP的光線，以另一種方式影響來自另一閃爍晶體層的光線。
6.根據權利要求5的照相機或掃描儀，其中光學元件和轉換裝置相對於閃爍器偏移，以便每一光學元件和每一轉換裝置橫跨兩個鄰近的閃爍器。
7.根據權利要求5或6的照相機或掃描儀，其中所述光學元件為波分器，優選包括玻璃濾光器和/或幹擾濾光器和/或衍射光柵和/或稜鏡和/或衍射微型光學陣列和/或折射微型鏡片陣列。
8.根據上述任一權利要求的照相機或掃描儀，其中轉換裝置包括光電倍增管。
9.根據權利要求8的照相機或掃描儀，其中光電倍增管是位置敏感的。
10.根據上述任一權利要求的照相機或掃描儀，其中轉換裝置包括光電二極體和/或雪崩光電二極體。
11.根據權利要求10的照相機或掃描儀，其中光電二極體和/或雪崩光電二極體由矽構成。
12.一種正電子發射斷層照相機或掃描儀包括患者區域；用於檢測來自患者區域區相對側的輻射的檢測器環，該環包括多個朝向患者工作區的閃爍檢測器，當輻射入射其上時，這些閃爍檢測器發射光線；轉換裝置，光耦合到閃爍檢測器，用於將閃爍檢測器發射的光線轉換成電脈衝；其中閃爍檢測器包括LuYAP。
13.根據權利要求12的正電子發射斷層照相機或掃描儀，其中閃爍檢測器包括另一層閃爍晶體，優選是LSO。
14.根據權利要求13的照相機或掃描儀，其中確定裝置用於確定被探測到的輻射是入射在LuYAP上還是另一層閃爍晶體，優選是LSO上。
15.根據權利要求14的照相機或掃描儀，其中確定裝置能分析電信號以確定脈衝形狀，所述的脈衝形狀表示其中檢測到輻射的層。
16.根據權利要求12至15中任一項的照相機或掃描儀，其中在每一閃爍探測器和與之相連的轉換裝置之間設置有光學元件，該光學元件以一種方式影響來自LuYAP的光線，以另一種方式影響來自另一閃爍晶體層的光線。
17.根據權利要求16的照相機或掃描儀，其中光學元件和轉換裝置相對於閃爍器偏移，以便每一波分器和每一轉換裝置橫跨兩個鄰近的閃爍器。
18.根據權利要求16或17的照相機或掃描儀，其中所述光學元件包括玻璃濾光器和/或幹擾濾光器和/或衍射光柵和/或稜鏡和/或衍射微型光學陣列和/或折射微型鏡片陣列。
19.根據權利要求12-18之一的照相機或掃描儀，其中轉換裝置包括光電倍增管。
20.根據權利要求19的照相機或掃描儀，其中光電倍增管是位置敏感的。
21.根據權利要求12-20之一的照相機或掃描儀，其中轉換裝置包括光電二極體和/或雪崩光電二極體。
22.根據權利要求21的照相機或掃描儀，其中光電二極體和/或雪崩光電二極體由矽構成。
23.一種正電子發射斷層照相機或掃描儀包括多個閃爍器，其中閃爍器包括LuAlO3:Ce(LuAp)。
24.根據權利要求23的照相機或掃描儀，其中閃爍器還包括位於LuAP附近的LSO層。
25.一種正電子發射斷層照相機或掃描儀包括多個閃爍器，其中閃爍器包括LuYAlO3:Ce(LuAp)。
26.根據權利要求25的照相機或掃描儀，其中閃爍器還包括位於LuYAP附近的LSO層。
27.在前述任一權利要求的PET照相機或掃描儀中使用的閃爍器，其中閃爍器包括LuAP。
28.在權利要求1-27之一的PET照相機或掃描儀中使用的閃爍器，其中閃爍器包括LuYAP。
29.一種正電子發射斷層照相機或掃描儀包括多個朝向患者區域的閃爍檢測器，當輻射入射其上時，閃爍檢測器發射光線，所述閃爍器檢測器包括兩種不同的閃爍材料層，每一層發射不同的閃爍光；和轉換裝置，光耦合到閃爍檢測器，用於將閃爍檢測器發射的光線轉換成電脈衝；其中光學元件被設置在閃爍探測器和轉換裝置間的光路上，所述光學元件以一種方式影響來自一閃爍檢測器層的光線，以另一種方式影響來自另一閃爍檢測器層的光線。
30.根據權利要求29的照相機或掃描儀，其中光學元件橫跨兩個鄰近的閃爍檢測器。
31.根據權利要求30的照相機或掃描儀，其中鄰近所述光學元件是覆蓋閃爍層的一部分的第二光學元件，所述閃爍層的一部分也被所述光學元件覆蓋，其中所述第二光學元件以同樣的方式影響來自不同閃爍層的光線。
32.根據權利要求29至31之一的照相機或掃描儀，其中所述光學元件包括玻璃濾光器和/或幹擾濾光器和/或衍射光柵和/或稜鏡和/或衍射微型光學陣列和/或折射微型鏡片陣列。
全文摘要
正電子發射照相機(PET)包括多個閃爍器，其中閃爍器包括基於LuAlO
文檔編號G01N1/00GK1520521SQ02812812
公開日2004年8月11日 申請日期2002年6月13日 優先權日2001年6月26日
發明者L·保羅, L 保羅 申請人:歐洲核子研究組織