像素化pet檢測器中改進的光檢測的製作方法
2023-05-04 22:19:11
專利名稱：像素化pet檢測器中改進的光檢測的製作方法
技術領域：
本申請涉及診斷成像領域。本申請在核成像領域發現具體應用。儘管 參照正電子發射斷層掃描(PET)來進行描述，但是應當理解本申請總體上 更加涉及像素化檢測器，在該像素化檢測器中閃爍器(scintillator)材料的 陣列被耦合到光電檢測器陣列，諸如在單光子發射計算斷層照相(SPECT) 中。本申請還適用於高能物理實驗以及在天文學和天體物理學中。
背景技術：
在過去的核成像設備中，伽馬輻射檢測器使用將入射伽馬輻射轉換為 光的閃爍器，隨後所述光由光電倍增器(PMT)檢測。由於光電倍增器的 若干缺點，有興趣利用固態光傳感器來替代它們，諸如在蓋革(Gdger)模 式下驅動的雪崩光電二極體，例如所謂的矽光電倍增器(SiPM)。典型的 SiPM比典型的PMT具有更好的計時(timing)和能量解析度。隨著飛行時 間PET (TOF-PET)掃描器變得更為流行，下至納秒範圍的精確計時變得 更加重要。但是採用這種新技術存在嚴重的障礙。
通常，諸如溴化鑭這樣的閃爍器具有大約4x4mm的光發射面。目前， 製造這樣大的SiPM在成本上是驚人的。典型的SiPM以3x3 mm或較小尺 寸來製造更加可靠。這是因為像素出現壞部分的概率隨像素麵積按比例地 增加。例如與生產一個良好的4x4mm的SiPM相比，生產四個良好的2x2 mm的SiPM更為容易。2x2 mm的SiPM比4x4 mm閃爍器的輻射發射面具 有更小的輻射接收面。如果2x2 mm的SiPM與4x4 mm的閃爍器的陣列耦 合，那麼會存在對由SiPM之間的閃爍器輸出的光沒有響應的死區(dead space)o
SiPM之間的這一死區的後果是由閃爍器發射的一些光將不會被SiPM 收集到。在被耦合到2x2 mm的SiPM的4x4 mm閃爍器的例子中，收集效 率相對於4x4mm的SiPM減少到25。/。，損失了四分之三的光輸出。在耦合到4x4 mm閃爍器的3x3 mm的SiPM的情況下，該效率為56%。這一減少 的檢測效率使空間、能量和時間解析度下降了大約面積分數(areafraction) 的平方根，即對於2x2 mm的SiPM來說下降了因數2並且對於3x3 mm的 SiPM來說下降了因數1.34。
SiPM的另一缺點在於它們對於紅綠波長更為敏感而對如由絕大部分 目前閃爍器發射的藍光波長不那麼敏感。
發明內容
本申請提供了克服以上所提及的問題及其它問題的新且改進的輻射檢 測設備及其製造方法。
依照一個方面，提供了一種輻射檢測器。該檢測器包括閃爍器，其響 應於由特徵能級的輻射的撞擊來發射光。該閃爍器具有第一面積的光輸出 面。檢測器還包括固態光電倍增器，其具有被光耦合到閃爍器的第二面積 的光接收面。光接收面小於閃爍器的光輸出面。反射材料設置在閃爍器光 輸出面中未光耦合到固態光電倍增器光接收面的部分。
依照另一方面，提供了一種診斷成像的方法。受試對象被放置在診斷 成像設備的成像區域中。給受試對象注射放射性藥物。利用檢測器陣列來 檢測由放射性藥物引起的輻射。檢測器陣列包括多個單獨的檢測器。每個 檢測器包括閃爍器，其響應於被光耦合到固態光電倍增器的特徵能級的輻 射的撞擊來發射光。每個光電倍增器具有小於每個閃爍器的輻射發射面的 輻射接收面。由閃爍器產生的、最初並未被光電倍增器接收的光被反射回 到所述光電倍增器。所接收的輻射被重構為受試對象的至少一部分的圖像 表示。
依照另一方面，提供了一種用於構造輻射檢測器陣列的方法。在襯底 上將矽光電倍增器或光電二極體設置成陣列。光電倍增器或光電二極體的 輻射接收面被光耦合到閃爍器的光發射面。光發射面均具有比其所耦合的 輻射接收面更大的表面面積。反射材料設置在光電倍增器或光電二極體之 間的空間中以增加在光電倍增器的輻射接收面上所接收的光。
一個優點在於更高效的光利用。
另 一優點在於優異的計時特性。20 另一優點在於更可靠的固態光檢測。
當閱讀並理解以下具體實施方式
時，本領域普通技術人員將理解本發 明更進一步的優點。
本發明可以採用各種組件和組件配置以及採用各種步驟和步驟配置的 形式。附圖只用於圖示優選實施例的目的並且不應當被解釋為限制本發明。
圖1是依照本申請的診斷成像裝置的示意圖2是依照本申請的閃爍器和相關聯的光電倍增器的陣列的示圖3A是閃爍器陣列的底視圖並且圖3B是由反射材料和護環包圍的光
電倍增器的匹配陣列的俯視圖4示出了在單個閃爍器中光的內反射；
圖5是示例性光電倍增器隨時間變化的電流響應曲線圖6示出包括被結合到純淨的撓性箔(foil)襯底的下側的光電倍增器
的實施例；
圖7示出除了在光電倍增器上方的撓性箔襯底中有孔之外與圖6類似 的實施例。
具體實施例方式
參照圖1，診斷成像設備IO包括外殼12和受試對象支架14。檢測器 陣列16被封閉在外殼12內。檢測器陣列16包括多個單獨的檢測器元件18。 陣列16被布置為使得檢測器元件18均勻地分布在成像區域20周圍。檢測 器陣列16可以是檢測器18的環、多個環或彼此相對布置的分立平板。無 論檢測器18的實際布置或排列如何，優選排列所述檢測器使得每個檢測器 在成像區域的範圍內具有多個對應的檢測器以便於重合檢測(coincidence detection)。在正電子發射斷層掃描(PET)中，伽馬射線對由成像區域中 的正電子湮滅事件產生並且在相對方向上傳播。如果一個伽馬射線比另一 個伽馬射線傳播得更遠以到達檢測器，那麼利用在檢測之間的略微延遲(納 秒數量級)將這些伽馬射線檢測成對。
在PET掃描開始之前，給受試對象注射放射性藥物。放射性藥物包含被耦合到標籤分子的放射性元素。標籤分子與待成像的區域相關聯，並且 趨向於通過正常機體過程採集該區域。例如，迅速繁殖的癌細胞趨向於消 耗異常高的能量來複製自身。因此，放射性藥物可以被連結到諸如葡萄糖
之類的分子，在這樣的區域中採集並且在圖像中表現為"熱點(hotspot)"，
細胞通常代謝所述葡萄糖以產生能量。其它技術監視流入循環系統中的標 籤分子。
對於PET成像來說，所選擇的放射性同位素髮射正電子。正電子在湮
滅反應中湮滅之前僅能移動非常短的距離(納米數量級)，所述湮滅反應產 生兩個反向的伽馬射線。伽馬射線對以光速在相反的方向上傳播以撞擊相 對的檢測器對。
當伽馬射線的上升沿撞擊檢測器陣列16時，產生時間信號。觸發處理 器22監視每個檢測器18的能量峰值，例如在脈衝下的積分面積，每個已 接收伽馬射線的能量的特性。觸發處理器22檢査時鐘23並且利用上升沿 收到印記的時間來為每個所檢測的伽馬射線作印記。時間戳首先由事件驗 證處理器24用來確定哪些伽馬射線是定義響應線(LOR)的對。因為伽馬 射線以光速傳播，所以如果所檢測的伽馬射線到達相隔幾個納秒以上，那 麼它們可能不是由相同的湮滅事件產生因而被丟棄。由於基本上同時的事 件中的微小差異可以用來沿著LOR進一步定位湮滅事件，所以在TOF-PET
中計時是特別重要的。隨著計算機處理器時鐘速度變得更快，沿著其LOR 可以定位事件的精度更高。在SPECT照相機中，通過準直來確定每個所檢 測伽馬射線的LOR或軌跡。
LOR被存儲在事件存儲緩衝器34中，並且重構處理器36使用濾波反 投影或其它適當的重構算法將所述LOR重構為受試對象的圖像表示。該重 構隨後可以在顯示設備38上向用戶顯示、列印、保存以供稍後使用等。
參照圖2，示出了檢測器陣列16的一部分。當伽馬射線40撞擊檢測器 陣列16時，它與一個單獨的檢測元件18相互作用。首先，伽馬射線40通 過光反射、伽馬射線透射的頂層42並且撞擊閃爍器44。閃爍器44將伽馬 射線40轉換為包括多個光子的光猝發(burst)。 一些光子通過閃爍器44的 光發射面46並且擊中諸如SiPM這樣的固態光電倍增器48。閃爍器的光發 射面46的表面面積比光電倍增器48的光接收面50的表面面積更大，例如4x4 mm相比2x2 mm。結果，在沒有將入射光轉換為電流或電勢的光電倍 增器之間存在死區51。這還可以參見匹配的圖3A和3B。
只有來自閃爍猝發的一小部分光直接撞擊光電倍增器。再次參照圖2， 光反射材料52設置在光電倍增器48之間的死區51中。反射材料52優選 為白色材料。反射材料52可以是最初在光電倍增器之間流動的液體物質並 且稍後固化。反射材料52還可以使用膠印技術印刷到襯底54上或者被施 加到閃爍器的光發射面。利用在適當位置的反射材料52，在死區中試圖離 開閃爍器44的輻射發射面46的光子被反射回到閃爍器44中並且最終返回 到光電倍增器48。光電倍增器48和反射材料52優選被直接施加到襯底54， 諸如印刷電路板、陶瓷襯底或撓性箔。襯底上還安裝有反射護環56，用於 分離每個光電倍增器48以防止光電倍增器之間的串擾(cross-talk)。
在閃爍器44和光電倍增器48之間布置有折射率匹配材料58層，諸如 光學耦合脂。當光到達材料之間的邊界並且所述材料具有不同的折射率時， 一些光將被透射而一些光被反射。因為在閃爍器44和SiPM之間不希望出 現反射，所以插入折射率匹配層58以使反射最小化。然而無論何處，希望 反射將儘可能多的閃爍光引導到光電倍增器48中。因此，閃爍器44本身 被包裹在反射層60中。依照這種方式，由反射表面52反射的光被反射頂 層42和反射側層60反射到光電倍增器48。
優選地，光電倍增器48是固態矽光電倍增器(SiPM)，但是應當理解 光電二極體也是可行的，並且確定可設想的。SiPM對可見光的綠光和更長 波長最為敏感。典型情況下，示例性的溴化鑭閃爍器，像許多通常使用的 閃爍器一樣發射較短的藍光波長的光。也可以設想其它閃爍器，諸如鎢酸 鎘、(CdW)鉍鍺氧化物、(BGO)正矽酸禮、(GSO)摻鈽正矽酸鑥、(LSO) 摻鈰正矽酸鑥釔、(LYSO)硫酸鉛、氟化鈰、摻鈰氟化鑭等。SiPM48仍然 可以檢測藍光波長，但是可以更有效地檢測綠光或更長波長。至少在閃爍 器44和反射塗層60之間閃爍器44的垂直側設置波長偏移材料62以將所 發射的光從光譜的藍光部分偏移到綠光部分。當被施加到閃爍器的表面時， 波偏移材料可選地具有促進內部反射的折射率或反射率。在圖4中示出了 單個閃爍器44的視圖。藍光的一部分經由全內反射被發送到光發射面46， 而藍光的其它部分被波長偏移器62偏移為綠光。閃爍器44和反射器60之間的空氣間隙確保藍光的一部分經由全內反射達到光發射面46，而沒有由
于波長偏移層62的折射率或反射率所導致的波長偏移。經由全內反射的發
送是高效的並且實現良好的計時。被波長偏移的光經由數量增加的反射到
達光發射面46。波長偏移材料62還可以被施加到反射材料52、 42和/或62 並且在閃爍器和反射器之間的區域可以是波導材料。
這類波長偏移的己知缺點是其減慢了響應，這影響了時間解析度。為 了解決這一缺點，輻射發射面46並不塗覆波長偏移材料，使得未偏移的閃 爍光具有到光電倍增器的直接路徑。參照圖5，這產生具有急劇上升沿66 的初始藍光峰值部分64，即用於產生準確的時間戳的優異的時間解析度和 較弱的能量解析度。較低幅度的藍光峰值部分後面是較大的綠光峰值部分 68，其具有優異的能量解析度，但是較弱的時間解析度。因此，通過省去 閃爍器的輻射發射面46上的偏移材料62來保持時間解析度。同時，保持 能量解析度。
固態光電倍增器48的其它配置也是可行的選擇。參照圖6， SiPM 48 設置在純淨的撓性箔襯底70的下方。將SiPM 48設置在撓性箔70下方有 利於突起(bump)結合到箔70。進一步設置折射率匹配材料58以減小由 於反射造成的光損失。在SiPM 48之間的死區中進一步設置反射材料52。 如圖7的實施例中所示，在撓性箔或其它襯底70中切出孔72。孔72位於 固態光電倍增器48上方。使襯底70的相對表面是可反射的以便將光反射 回到耦合的閃爍器44。孔72填充有光耦合材料58以在閃爍器44和SiPM 48 之間提供不反射耦合。
在又一可行的配置中，可以使用多個分立的光電倍增器接收來自單個 閃爍器的閃爍。例如，可以使用四個2x2mm光電倍增器接收來自4x4mm 閃爍器的光。
已經參考優選實施例描述了本發明。當閱讀並理解之前的詳細描述時 可以對其進行進一步修改和改變。本發明意在被構造為包括所有落入在所 附權利要求或其等價物的範圍之內的所有這種改變和修改。
權利要求
1、一種輻射檢測器(18)，包括a)閃爍器(44)，其響應於特徵能級的輻射的撞擊來發射光，所述閃爍器(44)具有第一面積的光輸出面(46)；b)固態光電倍增器(48)，其具有光耦合到所述閃爍器(44)的第二面積的光接收面(50)，所述固態光電倍增器的所述光接收面(50)小於所述閃爍器(44)的所述光輸出面(46)；以及c)反射材料(52)，設置為面對該閃爍器光輸出面(46)中未光耦合到所述固態光電倍增器光接收面(50)的部分。
2、 如權利要求1所述的檢測器，還包括反射層(42、 60)，其包裹所述閃爍器(44)以將由所述閃爍器(44) 發射的光反射回到所述閃爍器(44)中。
3、 如權利要求2所述的檢測器，還包括波長偏移材料(62)，其設置在所述閃爍器(44)與至少一部分所述反 射層(42、 60)之間，用於將由所述閃爍器(44)發射的光的波長偏移至 所述固態光電倍增器(48)更為敏感的波長。
4、 如權利要求3所述的檢測器，其中，所述閃爍器(44)包括發射具 有藍光波長的光的溴化鑭，並且所述固態光電倍增器(48)為矽光電倍增 器，其對紅光到綠光波長的光最為敏感，所述波偏移器將光從藍光偏移至 綠光或紅光。
5、 如權利要求2所述的檢測器，還包括集成到所述反射層(42、 60)中的波長偏移材料(62)，用於將被反射 的所發射的光的波長偏移至所述光電倍增器(48)更為敏感的波長。
6、 一種檢測器陣列，包括排列成陣列的多個如權利要求1所述的固態光電倍增器。
7、 如權利要求6所述的檢測器陣列，其中所述光電倍增器安裝在襯底 (70)上，所述襯底(70)包括印刷電路板、陶瓷襯底和撓性箔中的至少一個。
8、 如權利要求7所述的檢測器陣列，其中所述光電倍增器(48)從與 所述閃爍器相對的所述襯底的一側鄰近所述襯底(70)中的孔洞設置，並 且光耦合填充物設置在所述閃爍器(44)的所述光發射面(46)與所述固 態光電倍增器的所述光接收面(50)之間。
9、 如權利要求6所述的檢測器陣列，還包括反射護環(56)，位於每個固態光電倍增器(48)的周圍以防止光電倍 增器之間的光串擾。
10、 如權利要求6所述的檢測器陣列，其中所述固態光電倍增器(48) 是基於矽的光電倍增器(SiPM)。
11、 如權利要求6所述的檢測器陣列，其中閃爍器(44)與固態光電 倍增器(48)的比率為1:1。
12、 如權利要求ll所述的檢測器陣列，其中所述第一面積至少為所述 第二面積的兩倍。
13、 一種診斷成像裝置，包括如權利要求6所述的檢測器陣列(16)，被設置用於檢測來自受試對象 的輻射；以及重構處理器(36)，用於將所檢測的輻射事件重構為圖像表示。
14、 如權利要求13所述的診斷成像裝置，其中所述檢測器陣列(16)被設置用於從位置湮滅事件接收沿著響應線(LOR)在相反方向上傳播的反向的一對伽馬射線並且還包括-處理器或設備(22、 24)，用於確定在該對所檢測的伽馬射線的檢測之 間的時間間隔；以及其中所述重構處理器(36)將來自多個所檢測的伽馬射線對的所述LOR 和所述時間間隔重構為所述圖像表示。
15、 一種診斷成像的方法，包括將受試對象放置在診斷成像設備(10)的成像區域(20)中； 給所述受試對象注射放射性藥物；利用檢測器陣列(16)，檢測由所述放射性藥物引起的輻射，所述檢測 器陣列(16)包括多個單獨的檢測器(18)，所述檢測器均包括光耦合到固態光電倍增器(48)的閃爍器(44)，其響應於特徵能 級的輻射的撞擊來發射光，所述光電倍增器(48)具有小於所述閃爍器(44) 的輻射發射面(46)的輻射接收面(50);將由所述閃爍器(44)產生的、最初未被所述光電倍增器(48)接收 的光反射回到所述光電倍增器(48);以及將所接收的輻射重構為所述受試對象的至少一部分的圖像表示。
16、 如權利要求15所述的方法，還包括偏移由所述閃爍器(44)發射的至少一些光的所述波長，該波長已偏 移的所發射的光在所述光電倍增器的所述輻射接收面(50)上被接收之前 至少被反射一次。
17、 一種構造輻射檢測器陣列的方法，包括在襯底(70)上，將矽光電倍增器或光電二極體(48)設置成陣列， 每個光電倍增器具有光接收面；在閃爍器之間的空間中利用反射材料(60)將多個閃爍器(44)設置 成陣列以增加在每個所述閃爍器的光發射面(46)處發射的光；將所述襯底上的光電倍增器(50)的陣列的輻射接收面光耦合到閃爍器(44)的陣列的所述光發射面(46)，所述光發射面(46)均具有比其所 耦合的所述光電倍增器或光電二極體(48)的所述輻射接收面(50)更大 的表面面積。
18、 如權利要求17所述的方法，還包括將保護阱(56)設置在每個光電倍增器或光電二極體(48)周圍以防 止光電倍增器(48)之間的串擾。
19、 如權利要求17所述的方法，還包括將反射材料(52)設置在每個單獨的閃爍器(44)的所述光發射面的 一部分附近，所述部分未被光耦合到所述光電倍增器或光電二極體(48) 的其中之一的所述光接收面。
20、 如權利要求19所述的方法，還包括在每個閃爍器(44)與至少一部分所述反射材料(42、 52、 60)之間 設置波長偏移材料(62)，使得每個閃爍器從其光發射面(46)發射一個以 上波長的光。
21、 如權利要求20所述的方法，其中所述光電倍增器的所述光接收面 (50)的面積不大於所述閃爍器(44)的所述光發射面(46)的面積的9/16。
全文摘要
在核成像中，固態光電倍增器(48)正在取代傳統的光電倍增管。固態光電倍增器的一個當前問題是它們很難以製造一般閃爍器的尺寸進行製造。結果，光電倍增器具有比閃爍器(44)的光發射面(46)更小的光接收面(50)。本申請設想在固態光電倍增器(48)之間插入反射材料(52)。最初未進入光電倍增器(48)的光由反射材料(52)反射並且最終返回到光電倍增器(48)的輻射接收面(50)，而不會被浪費。
文檔編號G01T1/20GK101622552SQ200880007121
公開日2010年1月6日 申請日期2008年2月14日 優先權日2007年3月5日
發明者A·託恩, T·佐爾夫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司