CN103518145A - 用于pet的优化闪烁体晶体 - Google Patents

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H·K·维乔雷克
A·托恩
S·库克
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Abstract

当在闪烁体晶体阵列中采用镜面反射材料时，通过粗糙化多个预制抛光闪烁体晶体中每个的至少一侧（16），缓和所述晶体中因重复内反射造成的光捕获。镜面反射材料（30）被施加（沉积、包裹等）到布置在阵列中的经粗糙化的晶体。每个晶体阵列均被耦合到硅光探测器（32），以形成探测器阵列，所述探测器阵列能够被安装在针对功能性扫描器等的探测器中。

Description

用于PET的优化闪烁体晶体
技术领域
本申请具体而言应用于正电子发射断层摄影（PET）成像***。然而，将认识到，所描述的技术也可以应用于单光子发射计算机断层摄影（SPECT）以及其他诊断***，其他成像***，或其他成像技术。
背景技术
PET、SPECT以及其他基于辐射的医学成像模态对小巧且鲁棒的辐射探测器模块具有共同的需求。在过去，SPECT和PET辐射探测器模块通常包括使用中间光引导层与闪烁体晶体光学耦合的光电倍增管（PMT）的阵列。闪烁体晶体将吸收的辐射粒子转换成使用Anger逻辑通过光电倍增管探测并定位的光猝发。在一些辐射探测***中，已由产生与光猝发的强度成比例的模拟信号的光电二极管代替了光电倍增管。光电二极管在强光的情形中，提供对光电倍增管的低成本、低电压的替代。已开发出硅光电倍增器（SiPM）探测器，其包含了光电倍增管的高增益和稳定性以及模拟光电二极管的低成本、低电压性质。
目前的PET***是从LYSO（硅酸镥钇）晶体的阵列构建的，每个晶体均分别以PTFE带覆盖，以防止光损耗以及晶体之间的串扰。然而，通过这些薄漫反射体层到相邻像素的串扰约为10%。针对固态探测器，更好的反射体是期望的以减少串扰，并将读出限制到非常少数的探测器像素，由于这种探测器的暗计数率而是必须的。
本申请涉及新型且改进的***与方法，其方便改善闪烁体晶体性能，这克服了上文提及的问题以及其他问题。
发明内容
根据一个方面，用于核扫描器的辐射探测器阵列包括：闪烁体晶体的至少一个阵列，每个晶体具有至少一个经处理的表面，所述表面被处理以散射入射光；包裹每个闪烁体晶体的反射体层；以及耦合到每个阵列的至少一个光探测器。
根据另一个方面，一种增强探测器阵列中的光探测的方法，包括：粗糙化多个预制抛光闪烁体晶体中每个的至少一侧；到经粗糙化的晶体施加反射体材料；并且将所述晶体布置在阵列中。所述方法还包括将多个阵列中对每个光学耦合到光探测器的阵列，以形成探测器阵列，并且将所述探测器阵列安装在探测器模块中。
根据另一个方面，一种增强功能性扫描器探测器阵列中的光探测的方法，包括：在一个或多个闪烁晶体处接收辐射，每个晶体具有经粗糙化的侧面；并且在所述晶体中将所述辐射转换成光。所述方法还包括：通过所述经粗糙化的侧面反射掉所述光，缓和所述晶体中的重复内光反射，从而减少内反射；将所述光转换成电信号：将所述电信号转换成数字数据；将所述电信号重建成图像；并且显示所重建的图像。
一个优点在于改善了光探测。
另一个优点在于提高了闪烁体光输出效率。
本领域普通技术人员在阅读和理解以下详细描述后，将认识到本创新的进一步优点。
附图说明
本创新可以采取各种部件与部件的布置，以及各种步骤与步骤的安排的形式。附图是出于图示各个方面的目的而提供的，并且不得被解释为对本发明的限制。
图1图示根据本文描述的一个或多个方面的闪烁体晶体，其方便缓和晶体中的光捕获发生。
图2图示根据本文描述的各个方面的***，其采用经粗糙化的闪烁体晶体。
图3图示了示出在镜面反射体材料上的反射率测量结果的图，所述镜面反射体材料例如为3M VikuitiTM增强镜面反射体（ESR）。
图4图示了示出在“蓝色增强”VikuitiTM材料上的透射测量结果的图。
图5图示了示出在22×4×4mm固态PET晶体中的自由路径长度的蒙特卡洛模拟的图表。
图6图示了示出对一个（顶、底或侧）表面的粗糙化缓和了在这种反射体结构中的光子捕获的图。
图7为示出在不同长度的闪烁晶体上测量的能量分辨率的图。
图8示出根据本文描述的各个方面，通过粗糙化闪烁体晶体的一侧以缓和在所述晶体中捕获光来提高所述闪烁体晶体中的效率的方法。
图9图示根据本文描述的一个或多个方面，在减少用于采集扫描数据的闪烁体晶体中的重复内光反射的同时，生成图像的方法。
具体实施方式
当闪烁体晶体的全部侧均为镜面反射性时，光能够被捕获，在前后或在侧壁间反弹，而不能离开所述闪烁体。例如，当采用具有矩形晶体的镜面反射体时，光能够被捕获在形成的反射体结构中。在这种情况中，在所述晶体中生成的光子的仅一部分被透射到被光学耦合到没有被所述反射体覆盖的闪烁体的底表面的探测器中。由于所述晶体（n=1.82）内部的全反射，绝大部分的光能够在所述晶体的六个表面中的其他五个之间的螺旋轨迹上被“无限地”反射。本创新通过粗糙化或磨砂用于PET探测器闪烁晶体阵列中的闪烁体晶体的一个或多个表面，而克服了前述问题。
图1图示了根据本文描述的一个或多个方面的闪烁体晶体10，其方便缓和在所述晶体中的光捕获发生。例如，一旦光子进入闪烁晶体，其可以从所述晶体的侧壁被内部反射。粗糙化一个或多个表面（例如顶、底或侧）减少了在这种反射体结构中的光子捕获。尽管具有周围反射体的抛光闪烁体晶体的光输出随着晶体长度增加而降低，但对一侧表面的磨削使长（例如具有大致1.5：1或更大，2.5：1或更大，3.5：1或更大等的长宽比）晶体的光输出增加了大致25%，高达以短得多的晶体可获得的值。长晶体具有更强的辐射阻挡能力，并且尤其有利于例如在PET中采用的那些高能量。
晶体10包括顶表面12、与所述顶表面相对且面向正被扫描的受试者的底表面（在图1中不可见），以及四个侧表面14。所述侧表面之一为在图1中经粗糙化的表面16。然而，将认识到，所述经粗糙化的表面不限于为侧表面，而是可以为顶表面或底表面。所描述的技术采用粗糙的（磨削的、磨砂的、化学蚀刻的、喷砂的，等等）闪烁体顶表面、侧表面或底表面，以用于对来自所述闪烁体晶体的光的有效收集。在一个实施例中，光输出通过利用SiC-150纸进行磨削而得以改善，而无论磨削的方向。
在一个实施例中，所述闪烁体晶体为硅酸镥钇（LYSO）。也预见到其他闪烁体，例如硅酸镥（LSO）、硅酸镥钆（LGSO）、硅酸镥钆钇（LGYSO）等。也能够采用诸如溴化镧（LaBr）的较低密度闪烁体，或诸如锗酸铋（BGO）闪烁体的较高密度闪烁体。
经粗糙化的晶体10能够被应用于，例如功能性扫描器探测器中的阵列中。一般地，晶体长度是闪烁材料阻挡能力的函数。例如，当使用针对PET的LYSO闪烁材料时，可以采用10-25mm长晶体。当使用LaBr闪烁材料时，可以采用20-35mm晶体。在另一范例中，可以当使用BGO闪烁材料时采用5-20mm长晶体。将认识到，晶体长度的前述范例本质上为说明性的，并且意图说明随着闪烁体阻挡能力增加，晶体长度能够被减小。
在一个实施例中，所述晶体被抛光为光滑的，并之后在一侧上被粗糙化。能够通过砂磨、磨削（湿法或干法）、利用丝锯等切割或锯、喷砂、在一侧上沉积额外的晶体材料（例如喷溅）、或任意其他合适的技术，执行粗糙化。在另一实施例中，不是在所有侧面抛光所述晶体并在一侧上进行粗糙化，而是能够仅在五侧抛光所述晶体，并将第六面从初始切割保留为粗糙的。
在另一实施例中，所述晶体被抛光为光滑的并被布置在阵列中。一旦被定位在所述阵列中，则粗糙化所有晶体的顶表面或底表面。
图2图示根据本文描述的各个方面，采用经粗糙化的闪烁体晶体10的***20。所述***包括扫描器22（例如PET、SPECT、多模态扫描器等），其具有一个或多个探测事件的探测器模块24，所述事件被重建处理器26重建成解剖图像，所述解剖图像在诸如计算机上的监视器、工作站等的用户接口28上被呈现或以其他方式输出给观看者。探测器24包括经粗糙化的闪烁体晶体10的阵列，尽管出于说明的目的，仅示出一个经粗糙化的晶体10，其中经粗糙化的表面16面向页面平面之外。在一个实施例中，所述探测器模块为固态探测器模块。每个经粗糙化的晶体10在除了光学耦合到光探测器32的表面或表面部分以外的所有表面上被包裹在镜面反射体层30（例如，3M的VikuitiTM或某种其他合适的镜面反射体材料）中。一个或多个经粗糙化的晶体10被布置在阵列（例如，1×1、2×2、3×3、4×4等）中，所述阵列被耦合到一个探测器32或探测器32的阵列，探测器32配准（一个或多个）所述晶体中的闪烁事件，并将闪烁事件数据（例如，幅度、时间戳等）传输到所述探测器模块，以进一步传输到重建处理器，以存储并重建于扫描受试者的图像中。在一个实施例中，闪烁体16经由光引导34被耦合到（一个或多个）光探测器32。将认识到，根据一个实施例，光探测器32包括光电二极管。在另一实施例中，光探测器32包括硅光电倍增器（SiPM）设备。
镜面反射体30包括具有不同折射率的极薄聚合物材料的多个层，例如在一个实施例中为40-100层。当利用例如具有在430nm处的峰值光输出的LYSO晶体工作时，所述镜面反射体被优化，以反射在400-550nm范围内的光。在其他实施例中，所述镜面反射体被优化，以反射处在涵盖所采用的特定晶体的峰值光输出的范围内的光。
在一个实施例中，所述镜面反射体为由3M制造的VikuitiTM产品。在另一实施例中，所述镜面反射体包括不同材料的多个交替的层，所述不同材料中的每种具有不同的反射角。
在扫描器22中采用所描述的闪烁体晶体10，每个均具有经粗糙化的侧面，扫描器22可以为功能性扫描器。在一个实施例中，所述功能性扫描器为PET扫描器。如在本领域已知的，当电子与正电子相遇时，它们湮灭，从而根据动量守恒原理，发射两个方向相反的511keV伽马射线。在PET数据采集中，假设两个基本上同时的511keV伽马射线探测事件源自于相同的正电子-电子湮灭事件，该湮灭事件因此位于沿连接两个基本上同时的511keV伽马射线探测事件的“响应线”（LOR）的某处。该响应线有时也被称作投影，并且所收集的PET数据被称作投影数据。在常规PET中，基本上同时的511keV伽马射线探测事件被定义为发生在选定的短时间窗口内，例如在彼此的三纳秒以内的两个511keV伽马射线探测事件。由于相对于所述探测器元件的多变的湮灭位置，在基本上同时的伽马光子探测事件之间出现小（最高三纳秒）的时间差。
在另一实施例中，所述PET扫描器为飞行时间（TOF）PET扫描器。TOF PET成像利用对相对于探测器元件的多变湮灭位置的固有小时间差，以进一步沿响应线定位正电子-电子湮灭事件。一般地，湮灭事件发生在沿投影的在更近于首先发生的伽马射线探测事件的点处。如果两个伽马射线探测事件在探测器的时间分辨率以内同时发生，则湮灭事件发生在投影的中点。
在另一实施例中，所述功能性扫描器为单光子发射计算机断层摄影（SPECT）扫描器。在SPECT成像中，一种或多种放射性药物或放射性同位素被施予成像受试者，从而发射辐射从成像受试者发射，如在上文讨论的。绕所述受试者旋转被安装到旋转机架的探测器头，以从多个方向探测辐射，每个方向均由被耦合到所述探测器头的准直器限定。所述探测器头可以在沿旋转周期的多个离散或连续位置进行扫描的旋转周期中绕成像受试者旋转。或者，所述探测器头可以在较小的弧度上旋转或绕所述受试者进行多个旋转周期。由所述探测器头接收的发射数据、投影数据或测量正弦图被重建，以生成SPECT图像。用于重建发射数据的重建技术可以包括但不限于迭代重建、基于傅立叶变换的重建、滤波反投影、或某种其他合适的重建技术。
在另一实施例中，所述功能性扫描器（SPECT、PET，它们的变体等）被包括在多模态扫描器设备中，所述多模态扫描器设备包括所述功能性扫描器以及额外的成像设备，所述额外的成像设备例如为磁共振（MR）成像器、计算机断层摄影（CT）扫描器等。
或者，将认识到，根据本文描述的一个或多个实施例，在其中采用闪烁晶体的扫描器探测器（PET、SPECT等）为固态探测器。
图3图示图50，其示出在诸如3M VikuitiTM增强镜面反射体（ESR）的镜面反射体材料上的反射率测量结果（蓝色曲线）。该范例中的所述镜面反射体为65μm薄的100%聚合物膜反射体，其被指定为在整个可见光谱上98.5%是反射性的，而无论入射角度。使用多层光学膜技术，所述镜面反射体包括在非吸收性聚合物材料上。针对垂直入射的在400-500nm范围内大致为100%的反射率显著优于VM2000（黑色曲线54），VM2000为在图50中示出的之前的3M产品，以用于对比。
图4示出图60，其示出在“蓝色增强”VikuitiTM材料上的透射测量结果（曲线62）。该反射体材料显示低达至少350nm的小于0.5%的透射，并因此理想地适于作为UV和可见光反射体。
图5图示图表70，其示出在22×4×4mm固态PET晶体中对自由路径长度的蒙特卡洛模拟。路径长度范围从0mm直到150mm，150mm是22mm的晶体长度的若干倍。这种长光学路径长度可能在残余吸收的状态中无意地结束，并由此降低可获得的光输出。
图6图示图80，其示出对一个（顶、底，或侧）表面的粗糙化缓和了在这种反射体结构中对可见光子的捕获。尽管包裹在反射材料中的抛光闪烁晶体的光输出随着晶体长度增加显著减小，但对一侧表面的磨削使长晶体的光输出增加了大致25%，即高达以短得多的晶体可获得的值。在图80中，圆点表示抛光晶体数据。方点表示针对以反射材料包裹的抛光晶体的数据点。“星数据”点针对一侧被磨砂并且以反射材料包裹的抛光晶体。在图6的图示中，具有反射体和磨砂表面的22mm长晶体具有与仅具有反射（非粗糙化的）表面的5mm晶体相同的光输出。
图7为示出在不同长度的闪烁材料上测量的能量分辨率的图90。除了增强的光输出以外，经由对一个晶体表面的磨砂，使在这种晶体上测量的能量分辨率增加到9-9.5%的值，能量分辨率在抛光晶体的情况中强烈依赖于晶体长度。在图90中，圆点表示针对以反射材料包裹的抛光晶体的数据点。“星”数据点针对一侧被磨砂并且以反射材料包裹的抛光晶体。方点表示利用K-荧光峰的分离评价的数据，其只能够以适当高的能量分辨率实现。
图8图示根据本文中描述的各个方面，通过粗糙化闪烁体晶体的一侧以缓和在晶体中捕获光而提高在所述闪烁体晶体中的效率的方法。在100，粗糙化多个抛光闪烁体晶体中每个的一侧或多侧。能够通过，例如，砂磨、磨削、切割、磨砂、施加研磨液、沉积额外的晶体材料、或任意其他合适的技术，执行粗糙化。在一个实施例中，使用湿法砂磨技术粗糙化所述晶体表面，所述湿法砂磨技术采用150粒度碳化硅（SiC）磨料。将认识到，每个晶体的超过一侧可以被粗糙化。在102，向每个晶体除光输出表面或表面部分以外的所有表面施加镜面反射体材料。例如，所述镜面反射体材料能够被直接沉积在所述晶体上，经由蒸发过程施加，包裹所述晶体，或以其他方式被施加到所述晶体。所述镜面反射体材料被优化、设计、选择等，以反射处在包含或涵盖正被使用的晶体材料的峰值光输出波长的范围内的光。例如，如果使用LYSO晶体，则所述镜面反射体被选择或优化为反射例如在350nm-500nm的范围内的光，因为LYSO的峰值输出波长大致为430nm。
在104，所述晶体被布置在阵列（例如，依赖于在其中采用所述晶体的探测器阵列的具体应用，为包括一个晶体的1×1阵列，包括四个晶体的2×2阵列等）中。在106，晶体的每个阵列均被耦合到光探测器（例如，硅光电倍增器等）的阵列，并且形成包括多个所述晶体阵列以及它们各自的光探测器的探测器阵列。能够以1：1比率耦合闪烁体和光探测器。然而，也预见到具有比闪烁体更少或更多的光探测器。在108，所述探测器阵列能够被安装到在诸如PET扫描器、SPECT扫描器、多模态扫描器等的功能性扫描器中采用的探测器模块。在110，扫描受试者。在112，接收扫描数据。在114，将所述扫描数据重建成图像。在116，将所重建的图像呈现给用户或观看者。
图9图示了根据本文描述的一个或多个方面，在减少用于采集扫描数据的闪烁体晶体中的重复内光反射的同时，生成图像的方法。在130，（例如使用PET扫描器、SPECT扫描器等）扫描受试者。在132，在闪烁晶体处接收从所述受试者发射的辐射。在134，将所述辐射转换为所述晶体内的光。在136，使用在每个晶体上经粗糙化的光散射表面，减少每个晶体内的光的重复内反射。使用本文中描述的技术中的一种或多种，粗糙化所述光散射表面。在138，将所述光转换成电信号数据。在139，将所述电信号数据转换成数字数据。在140，将所述数字数据重建成所述受试者的图像。在142，向观看者显示所重建的图像。
已参考若干实施例描述了本创新。他人在阅读和理解前文的详细描述后可以做出修改和变化。本创新旨在被解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落入权利要求书及其等价要件的范围内。

Claims (21)

1.一种用于核扫描器的辐射探测器阵列，包括：
闪烁体晶体（10）的至少一个阵列，每个晶体（10）具有至少一个经处理的表面（16），所述表面被处理以散射入射光；
反射体层（30），其包裹每个闪烁体晶体；以及
至少一个光探测器（32），其被耦合到每个阵列。
2.根据权利要求1所述的探测器阵列，其中，所述闪烁体晶体包括以下中的一种或多种：
硅酸镥钇（LYSO）晶体；
硅酸镥（LSO）晶体；
硅酸镥钆（LGSO）晶体；
硅酸镥钆钇（LGYSO）晶体；以及
溴化镧（LaBr）晶体。
3.根据前述权利要求中任一项所述的探测器阵列，其中，所述光探测器为硅光电倍增器（SiPM）设备。
4.根据前述权利要求中任一项所述的探测器阵列，其中，所述反射体层（30）包括镜面反射体，所述镜面反射体被优化以反射处在涵盖所述闪烁体晶体的峰值光输出波长的范围内的光。
5.根据前述权利要求中任一项所述的探测器阵列，其中，所述闪烁体晶体具有第一面、第二面以及四个侧面，所述第一面被光学耦合到所述光探测器，所述第二面与所述第一面相对并且被设置为朝向待检查的对象。
6.根据权利要求5所述的探测器阵列，其中，每个侧面具有长度和宽度，所述长度在所述第一面与所述第二面之间，所述长度为所述宽度的至少2.5倍。
7.根据前述权利要求中任一项所述的探测器阵列，其中，至少一个经粗糙化的侧面为所述晶体的辐射接收侧。
8.根据前述权利要求中任一项所述的探测器阵列，其中，所述至少一个经粗糙化的侧面为所述晶体的被光学耦合到所述光探测器的侧面。
9.根据前述权利要求中任一项所述的探测器阵列，其中，所述晶体的所述至少一个经粗糙化的侧面为所述晶体的长侧，所述长侧为毗邻辐射接收侧的侧面和被光学耦合到所述光探测器的侧面。
10.根据前述权利要求中任一项所述的探测器阵列，其中，所述至少一个经粗糙化的侧面（16）的粗糙度大致等于通过利用150粒度砂纸磨砂得到的粗糙度。
11.一种核扫描器，包括：
根据权利要求1至10中任一项所述的辐射探测器阵列；
重建处理器，其将来自所述光探测器的输出信号重建成图像；以及
显示设备，其显示所重建的图像。
12.一种增强探测器阵列中的光探测的方法，包括：
粗糙化多个预制抛光闪烁体晶体中每个的至少一侧；
向经粗糙化的晶体施加反射体材料；
将所述晶体布置在阵列中；
将多个阵列中的每个光学耦合到光探测器的阵列，以形成探测器阵列；并且
将所述探测器阵列安装在探测器模块中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述闪烁体晶体包括以下中的一种或多种：
硅酸镥钇（LYSO）晶体；
硅酸镥（LSO）晶体；
硅酸镥钆（LGSO）晶体；
硅酸镥钆钇（LGYSO）晶体；以及
溴化镧（LaBr）晶体。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，其中，所述光探测器为硅光电倍增器（SiPM）设备。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述反射体层（30）包括镜面材料，所述镜面材料被优化以反射处在涵盖所述闪烁体晶体的峰值光输出波长的范围内的光。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，粗糙化多个预制抛光闪烁体晶体中每个的至少一侧包括以下中的至少一种：
湿法砂磨每个晶体的所述至少一侧；
干法砂磨每个晶体的所述至少一侧；
喷砂每个晶体的所述至少一侧；
磨削每个晶体的所述至少一侧；
将每个晶体的所述至少一侧暴露于磨砂剂；以及
将额外的晶体材料喷溅到每个晶体的所述至少一侧上。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，所述闪烁体晶体具有第一面、第二面以及四个侧面，所述第一面被光学耦合到所述光探测器，所述第二面与所述第一面相对并且被设置为朝向待检查的对象。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中，每个侧面具有长度和宽度，所述长度在所述第一面与所述第二面之间，所述长度为所述宽度的至少2.5倍。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，其中，所述至少一个经粗糙化的侧面的粗糙度大致等于通过利用150粒度砂纸砂磨得到的粗糙度。
20.根据权利要求12至19中任一项所述的方法，还包括：
利用所述光探测器，将来自所述闪烁晶体的光转换成信号；
将所述信号重建成图像；并且
将所重建的图像显示在显示设备上。
21.一种增强功能性扫描器探测器阵列中的光探测的方法，包括：
在一个或多个闪烁晶体处接收辐射，每个晶体具有经粗糙化的侧面；
在所述晶体中将所述辐射转换成光；
通过所述经粗糙化的侧面反射掉所述光，缓和所述晶体中的重复内光反射，从而减少内反射；
将所述光转换成电信号；
将所述电信号转换成数字数据；
将所述数字数据重建成图像；并且
显示所重建的图像。
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