CN107320121B - 正电子发射断层成像光子探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正电子发射断层成像光子探测装置,包括由多个探测单元组成的探测阵列，所述探测单元包括至少一个闪烁体器件，且至少一个光电转换器件耦合于每一所述闪烁体器件，每一所述光电转换器件分别连接有探测事件的能量信号读出电路及时间信号读出电路。本发明所提供的光子探测装置，具有时间探测精度较佳且成本较低的优点。
Description
【技术领域】
本发明涉及正电子发射断层成像技术领域，尤其涉及一种用于正电子发射断层成像的光子探测装置。
【背景技术】
随着PET(Positron Emission Tomography，正电子发射断层扫描)成像技术的发展，PET扫描设备在医疗领域已得到了广泛的应用。PET扫描设备是一种先进的医疗诊断成像设备，已成为肿瘤、心、脑疾病诊断与病理研究中不可缺少的重要设备。在PET扫描中，首先对患者注射放射性药物，所述放射性药物是由放射性核素与葡萄糖、胆碱、乙酸等人体代谢所需的化合物合成的示踪剂，这些放射性核素将质子转化成中子，并释放出正电子和微中子。正电子的质量与电子相等，正电子的电量与电子的电量相同，只是符号相反。这种正电子在人体组织中运行很短距离后，即与周围物质中的电子相互作用，发生湮灭辐射，发射出方向相反、能量相等(511keV)的两个光子，对这些高穿透性的光子进行符合探测，并用分析或统计的方法重建湮灭事件发生的位置构成了PET的基础。
将TOF(Time Of Flight，飞行时间)技术应用在PET上，是对常规PET成像技术的进一步改进。由于光子的传输是以光速进行的，正电子发生湮灭的位置不同，则同一湮灭事件所产生的光子对到达探测器的时间是不同的，TOF技术通过测量光子对的两个光子到达探测器环的时间差，可以根据光速估计出湮灭事件在由符合探测所确定的符合线上的大致位置，因此能够直接确定放射性核素(示踪剂)在脏器、组织中的分布，明显提供采集灵敏度和图像分辨率。
PET的光子探测装置包括PET前端电路。已知技术中：PET前端电路是使用PMT(PhotoMultiplier Tube，光电倍增管)阵列来探测光子到达探测器晶体(闪烁体)的荧光，并进行湮灭事件的解码，但由于PMT的供电需要使用高压，并且每个PMT作为单独的个体进行安装和维护，使得PET的稳定性较差且安装复杂；较新型的PET前端电路是基于SIPM(Silicon Photomultipliers，硅光电倍增管)阵列来探测晶体的荧光，每个SIPM单独与一根晶体耦合，来记录湮灭事件的发生，所以当探测器晶体数量多时，对应的SIPM使用数量将随之增加，而后端电路需要处理的信号也随之增加，导致后端电路的规模十分庞大；另外由于SIPM的尺寸限制了探测器晶体的尺寸，导致晶体的尺寸不能随意更改；改进型的PET前端电路是基于SIPM阵列来探测晶体的荧光，每四个SIPM与一个晶体Block耦合，但是由于SIPM的衰减时间较长，信号较慢，导致整个前端电路的死时间过长，导致TOF性能(时间探测精度)不佳。
因此，有必要提供一种新的时间探测精度较佳且成本较低的光子探测装置。
【发明内容】
本发明解决的是现有的正电子发射断层成像光子探测装置时间探测精度不佳的问题。
为解决上述问题，本发明提出一种用于正电子发射断层成像的光子探测装置,包括由多个探测单元组成的探测阵列，所述探测单元包括至少一个闪烁体，且至少一个光电转换器件耦合于每一所述闪烁体，每一所述光电转换器件连接有探测事件的能量信号读出电路及时间信号读出电路。
本发明一种实施方式中，耦合于同一闪烁体的所述光电转换器件连接于同一时间信号读出电路。
本发明一种实施方式中，所述探测单元中，4个所述光电转换器件耦合于同一闪烁体。
本发明一种实施方式中，所述闪烁体为立方体，所述4个光电转换器件耦合于所述闪烁体的同一面。
本发明一种实施方式中，所述能量信号读出电路包括行信号读出通道及列信号读出通道，通过该通道分别读出能量信号的行、列信息，确定所述探测事件在所述探测阵列中的位置信息。
本发明一种实施方式中，所述能量信号读出电路包括有第一微分电路，通过所述第一微分电路对每一行、列信号进行求和、解码以获得所述位置信息。
本发明一种实施方式中，所述时间信号读出电路包括有第二微分电路，通过所述第二微分电路对所述耦合于同一闪烁体的所述光电转换器件的时间信号进行加快。
本发明一种实施方式中，所述光电转换器件为SIPM器件。
本发明一种实施方式中，所述闪烁体为LYSO晶体。
本发明相比现有技术有如下的有益效果：将探测事件的能量信息与时间信息分开处理，使得原本上升沿慢、衰减时间长的信号变得很快，大大减少了探测事件的堆积，使得探测装置在高计数下依然拥有较好的时间精度，提高了探测装置的TOF性能。
【附图说明】
图1是正电子发射断层成像光子探测装置结构示意图；
图2是本发明一实施例的闪烁体阵列示意图；
图3是本发明一实施例的探测阵列结构示意图；
图4是本发明一实施例的能量信号读出电路结构示意图；
图5是本发明一实施例的时间信号读出电路结构示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图1是正电子发射断层成像光子探测装置结构示意图，作为说明性示例描述，在正电子发射断层扫描(PET)中，放射性药物被注入成像对象，其放射性衰变事件产生正电子。每个正电子与电子相互作用以产生两个相反指向的伽马(γ)光子。该伽马光子被探测装置侦测并由***进行符合校验，并被进行响应线计数以重建图像。本发明提出的用于正电子发射断层成像的光子探测装置,即包括由多个探测单元100组成的探测阵列。如图1所示，该探测阵列环形布置于被检对象周围，当组成探测阵列的探测单元探测到光子事件200后，即将探测光子的能量信息、时间信息、位置信息进行收集、转换并反馈***进行后续处理。
探测单元100可由闪烁体器件与光电转换器件耦合组成，当伽马光子进入探测器后，如果与闪烁体器件发生相互作用，便会产生荧光，荧光通过光电转换器件转变为电信号(倍增放大)。闪烁体器件可由闪烁晶体或闪烁晶体阵列组成。根据本发明的一个实施例，如图2所示，闪烁体器件101由闪烁晶体阵列组成，该阵列一般是把多个闪烁晶体，通过外加反射层，并通过光学胶水粘结组装而成。一般情况，单个闪烁晶体都设计成规则的长方体。为了将其与光电转换装置结合，需要把闪烁晶体阵列的一个表面做得相对平整，通过研磨加工以进行与光电转换器件的光学耦合。材料方面，闪烁晶体阵列可为BGO(锗酸铋)晶体阵列、或LYSO(硅酸钇镥)晶体阵列、或LSO(硅酸镥)晶体阵列等。光电转换器件可为PMT(光电倍增管)、APD(雪崩光电二极管)或SIPM(硅光电倍增管)。其中，LYSO闪烁晶体具有高光输出、快速衰减时间、探测效率高、成本低等特点，SIPM相比其它光电转换器件具有高增益、低工作电压、抗干扰能力强等特点，二者的组合可作为本发明的一种优选实施方式。
如图3(a)、(b)所示，在根据本发明的一个实施例中，探测阵列的每一探测单元由4个光电转换器件(如SIPM)耦合在一个闪烁体器件的同一个平整面内(可为LYSO闪烁晶体阵列)构成，根据该实施例的变化例，亦可为其它数量的光电转换器件耦合同一闪烁体器件，例如，选取9:1、16：1等比例进行耦合等，亦可为N:1的比例进行耦合，其中N＝a×b，a，b为该闪烁晶体阵列中单晶体柱的行数和列数，如图3(c)所示。在相同闪烁体器件的尺寸前提下，光电转换器件与闪烁体器件越高比例的耦合，越有利于提高探测器的灵敏度，使其抗堆积性能越好。
当探测到光子事件后，探测单元的光电转换器件产生的电信号可用于确定光子能量(能量信号，即阳极信号)信息及事件发生时间信息(时间信号，即快信号)，以及确定产生电信号的光电转换器件在探测矩阵中的位置信息。能量信号的特点是信号幅度较大，但读出较慢。时间信号的特点是信号幅度小，但读出较快。根据这一差别，本发明将每一所述光电转换器件分别连接有探测事件的能量信号读出电路及时间信号读出电路，以实现将能量(位置)信号与时间信号分别独立读出，提高探测装置的时间精度。
图4是根据本发明的一个实施例中能量信号读出电路的结构示意。探测事件的能量信号读出电路即阳极信号读出电路，其用于确定光电转换器件探测到的光子能量大小，进一步地，探测阵列中的每一光电转换器件(如耦合于同一闪烁体器件的SIPM 102a、102b、102c及102d)，均连接有行信号读出电路及列信号读出电路，每一行读出电路分别包括有行微分电路(微分加法器103及ADC信号转换器件105)，每一列读出电路分别包括有列微分电路(微分加法器104及ADC信号转换器件106)，通过所述行、列微分电路对每一行、列信号进行微分求和及信号转换，并通过解码单元107(Decoding单元)进行解码及计算等操作，在获得能量信号的同时还可获得所述探测事件在探测矩阵中的位置信息。
图5是根据本发明的一个实施例中时间信号读出电路的结构示意。在此实施例中，根据时间信号幅度小、读出快的特点，将耦合于同一闪烁体器件的所述光电转换器件连接于同一时间信号读出电路(如耦合于同一闪烁体器件的SIPM 102a、102b、102c及102d，其共用同一时间信号读出电路)，并进一步地，每一时间信号读出电路独立地连接有微分电路(微分单元108)，通过该微分电路对所述耦合于同一闪烁体的所述光电转换器件的时间信号进行加快，经过比较器109产生触发信号后，将触发信号传输给TDC单元110(时间数字转换器，Time-to-Digital Converter)，计算出发生在该闪烁体器件的事件的时间信息。
本发明根据探测事件在光电转换器件的能量信号及时间信号的电子学差异，针对每一光电转换器件分别设计了互相独立的能量信号读出电路及时间信号读出电路，并通过微分电路的加入，提高了整个探测装置的时间精度及TOF性能。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (3)
1.一种正电子发射断层成像光子探测装置,包括由多个探测单元组成的探测阵列，其特征在于：所述探测单元包括至少一个闪烁体器件，且至少一个光电转换器件耦合于每一所述闪烁体器件，每一所述光电转换器件分别连接有互相独立的探测事件的能量信号读出电路和时间信号读出电路；
耦合于同一所述闪烁体器件的所述光电转换器件，连接于同一时间信号读出电路；
所述时间信号读出电路包括有微分电路，通过所述微分电路对所述耦合于同一闪烁体的所述光电转换器件的时间信号进行加快；
所述能量信号读出电路包括行信号读出通道及列信号读出通道，通过该通道分别读出能量信号的行、列信息，确定所述探测事件在所述探测阵列中的位置信息；
所述光电转换器件为SIPM器件；所述闪烁体器件为若干闪烁晶体柱组成的晶体阵列，所述闪烁晶体柱为LYSO晶体。
2.根据权利要求1所述的光子探测装置，其特征在于，所述探测单元中，4个所述光电转换器件耦合于同一闪烁体器件。
3.根据权利要求2所述的光子探测装置，其特征在于，所述晶体阵列具有至少一个平整面，所述4个光电转换器件耦合于所述闪烁体器件的该平整面。
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- 2016-04-29 CN CN201610279904.1A patent/CN107320121B/zh active Active
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