CN110383109A - 闪烁检测器以及相关联的闪烁检测器环和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了光子传感器在基于闪烁晶体的伽马射线检测器上的新颖布置，该伽马射线检测器利用了闪烁光在闪烁检测器衬底内的全内反射。本发明提供了改善的空间分辨率(包括相互作用深度(DOI)分辨率)，同时保留能量分辨率和检测效率，这在小动物或人的正电子发射断层造影术(PET)或依赖于高能量伽马射线检测的其他技术中尤其有用。此外，新的几何结构有助于减少所需的读出信道的总数目，且消除了进行复杂和重复的切割和抛光操作以形成像素化晶体阵列的需要，该需要是当前PET检测器模块中的标准。

Description

闪烁检测器以及相关联的闪烁检测器环和方法
相关申请的交叉引用
本文件要求享有于2016年10月28日提交的美国临时专利申请号62/414,469的优先权，该美国临时专利申请的内容通过引用纳入本文。关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明是在由NIH授予的批准号P41EB002035的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
背景技术
正电子发射断层造影术(Positron Emission Tomography，PET)已经成为一种成熟且可靠的技术。由于它能够监测葡萄糖的新陈代谢和特定器官和组织内其他靶向放射性示踪剂的摄取，所以在神经学和肿瘤学中具有广泛应用。与其他替代选项(功能性MRI、CT和SPECT)相比，PET的灵敏度高出几个数量级，这提供更可靠的结果(更低的噪声、更好的空间分辨率、更好的对比噪声比等)。
图1示出了常规的PET检测器100。它包括像素化闪烁体块和相关联的光子检测传感器(例如，光电倍增管(photomultiplier tube)或硅光电倍增器)。如果伽马射线光子在一个像素内部相互作用，则产生可见闪烁光子且所述可见闪烁光子经由通过晶体表面的反射传播到光子传感器。根据通过光子传感器检测到的光的比例，可以估计伽马射线光子的能量、相互作用像素和相互作用时间。
图2描绘了由数百个PET检测器100所形成的检测器环200。在医疗实践中，检测器环200围绕患者。图3A例示了PET的理想化型式，其中放射性原子发射正电子301，该正电子301在行进任一距离之前遇到一个电子，导致在湮灭位置303处发生湮灭事件。湮灭导致发射两个伽马射线光子305(1，2)，所述两个伽马射线光子从湮灭位置303在相反的方向上共线行进。
图3B描绘了放射科医师遇到的非理想PET场景，其中由一个放射性原子发射一个正电子，且在该正电子行进一短距离307(在下面的限制1中提及正电子射程)之后，它与一个电子结合，导致湮灭。该电子和正电子结合且转换成从湮灭位置发射的两个伽马射线光子309(1，2)。然而，所述两个伽马射线光子不在完全相反的方向上行进。更确切地说，在所述两个伽马射线光子的方向之间通常存在从180°的非常小的角偏离。这被称为限制1中所提及的非共线性效应。
如果检测到两个伽马射线光子，则湮灭位置通常位于沿着连接检测器环上的两个伽马射线光子的相互作用位置的线的某处。此线被称为响应线(LOR)。通过收集足够的响应线，可以通过某些算法(诸如，滤波反投影(FBP)或最大似然估计(MLE))来重新构建标记某个器官或肿瘤的同位素图的图像。
图4(图片a、b和c)示出了正电子射程、非共线性和相互作用深度(DOI)对LOR的准确估计的影响。根据图4图片c，当DOI信息不可用时，LOR通常被指派到闪烁晶体的固定位置。然而，这可能由于视差误差而导致错误地指派的LOR。如果准确的DOI信息可用，则可以确定真实的LOR。
与传统的SPECT技术相比，PET具有高得多的灵敏度，因为它不需要准直器。与功能性MRI或CT相比，灵敏度通常高出几个数量级。然而，PET技术仍然具有一些限制。这些限制包括：
限制1：正电子射程和非共线性使空间分辨率降低。因为由于正电子在与一个电子结合之前行进一小距离(正电子射程效应)而造成湮灭位置与放射性同位素的位置不同，所以在重新构建的图像中存在误差或模糊。此外，由于非共线性效应，湮灭位置进一步偏离理想的响应线。
限制2：使像素化晶体的横截面变小可能是非常具有挑战性的。由于伽马射线光子的高能量，所以它们非常难以停止。应利用较厚的晶体来有效率地使大部分伽马射线光子停止。然而，这使像素化晶体的纵横比变低。像素的节距尺寸越小，光子行进到光子传感器所需的反射次数越多，由于由反射造成的损失，这将减少光输出量。
限制3：相互作用深度估计对于准确测量是至关重要的。相互作用深度是重要的，因为它影响视场的边缘处的空间分辨率。如图5中所示出的，如果位于检测器环的相对侧上的两个检测器元件同时检测到两个伽马射线光子，则湮灭位置在区域a内。然而，如果右侧上的两个检测器元件同时检测到两个伽马射线光子，则湮灭位置在区域b内。与区域a内的湮灭相比，区域b内的湮灭由于缺乏相互作用深度信息而产生更大的模糊性。此外，如在图5的右侧中的标绘图中可以看到的，重新构建的空间分辨率随着DOI分辨率变差而变差(最小可分辨特征的尺寸增大)，且由于空间分辨率随着距视场的中心的距离的增大而减小，此效果是明显的。
限制4：制造像素化晶体的成本极其高。因为像素化晶体需要在个体像素之间进行特殊表面处理(隔离、抛光)，所以制造这样的晶体的成本很高。此外，如果像素小于大约1mm，则特殊处理的难度将驱动成本甚至更高。
限制5：灵敏度由于由晶体像素化造成的死区间隙而降低。由于多像素，所以需要间隙来适当地隔离闪烁光子以免传播到邻近的像素内。此间隙将降低检测器对伽马射线光子的检测效率。尤其是对于较小的像素节距，因为间隙宽度几乎保持恒定，所以间隙宽度/像素节距的部分将更大且检测效率甚至更低。
发明内容
本发明提供了改善的基于闪烁晶体的伽马射线检测器、堆叠式检测器，以及PET检测器环和阵列，它们利用了闪烁检测器衬底内的全内反射。本文所描述的检测器和方法提供了改善的空间分辨率(包括相互作用深度(DOI)分辨率)，同时保留能量分辨率和检测效率，这在小动物或人的正电子发射断层造影术(PET)或依赖于高能量伽马射线检测的其他技术中尤其有用。此外，本发明的实施方案减少了所需的读出信道的总数目，且减少了进行复杂且重复的切割和抛光操作以形成像素化晶体阵列的需要，该需要是当前PET检测器模块中的标准。
本发明的一个实施方案提供了一种闪烁检测器，该闪烁检测器包括：一个闪烁体衬底，该闪烁体衬底具有一个内部，该内部由具有前周界的前表面、与该前表面相对且具有后周界的后表面以及位于该前周界和该后周界之间的边缘表面定界；以及，多个光电检测器，每个光电检测器具有一个相应的光敏区域，该光敏区域与该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信。可选地，所述光敏区域中的一个或多个面向该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域。可选地，该前表面和后表面是平面表面或大体上平面表面。该前表面和后表面还可以彼此大体上平行，尽管这两个表面之间的曲率可以帮助增大到达该衬底的边缘处的光电检测器的光子的数目(例如，如果这两个表面是相对于彼此略微凹面的，则光子到达所述边缘所需的反射次数可以减小)。可选地，该前表面和后表面是平面表面或大体上平面表面，但是彼此不平行。可选地，至少一部分所述闪烁检测器的前表面、后表面或前表面和后表面具有非平面表面和/或彼此不平行。至少一部分所述闪烁检测器的前表面和后表面可以彼此独立地具有凹面形状或凸面形状。例如，对于至少一部分所述闪烁检测器，前表面可以是凹面的，且后表面可以是凸面的，或前表面是凸面的，且后表面是凹面的。
在一个实施方案中，例如，该闪烁体衬底具有一均匀厚度，该均匀厚度在0.1mm和25mm之间、在0.5mm和20mm之间、在0.5mm和10mm之间，或在1mm和4mm之间，尽管该厚度由期望的DOI决定。
可选地，该前周界具有几何学上类似于该后周界的后形状的前形状；然而，在某些实施方案中，该前周界的形状可以不同于该后周界的形状。该前周界和后边界的形状可以是多边形。可选地，该闪烁检测器具有圆形形状、椭圆形形状、三角形形状、矩形形状、六边形形状或八边形形状。
在又一实施方案中，该闪烁衬底在闪烁体材料的发射峰(emission maximum)处具有超过1.1、超过1.4或超过1.8的折射率。该前表面和后表面还可以包括光学反射表面，包括但不限于高反射率反射镜，以便于光子的运送而没有全内反射(TIR)。该闪烁衬底既可以包括有机闪烁体衬底，也可以包括无机闪烁体衬底。
合适的光电检测器包括但不限于硅光电倍增器(SiPM)、光电倍增管(PMT)和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。所述光电检测器还可以包括雪崩光电二极管(APD)。在一个实施方案中，所述光电检测器包括SiPM、APD或其组合。在一个实施方案中，所述光电检测器包括SiPM。
本发明的一个实施方案提供了多个闪烁检测器，所述多个闪烁检测器被布置成一个堆叠件，所述多个闪烁检测器包括第一闪烁检测器和第二闪烁检测器，该第一闪烁检测器的后衬底表面与该第二闪烁检测器的前衬底表面邻近、相对且可选地在空间上分离。在又一些实施方案中，该堆叠件包括两个或更多个、三个或更多个、四个或更多个、五个或更多个、六个或更多个、七个或更多个、八个或更多个、九个或更多个、十个或更多个、十五个或更多个、或二十个或更多个闪烁检测器。在又一实施方案中，光学不透明材料或光学反射材料被定位在两个或更多个所述闪烁检测器的多部分之间，以减少不同闪烁检测器之间的光透射，从而限制不同检测器之间的光学串扰。合适的光学不透明材料包括但不限于薄金属层(诸如，铝箔)、陶瓷、塑料、布和纸。光学不透明材料可以被涂敷、被染色或以其他方式着色为黑色或其他颜色，以便减少或消除光透射。
闪烁检测器层的堆叠或平铺可以被偏移一小距离，以补偿检测器层之间的间隙。例如，该第二闪烁检测器可以相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于与该第一闪烁检测器的前衬底表面垂直的轴线与该第一闪烁检测器的中心区域对准。替代地，该第二闪烁检测器可以相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于与该第一闪烁检测器的前衬底表面垂直的轴线从该第一闪烁检测器的中心区域横向偏移。替代地，该第二闪烁检测器相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于与该第一闪烁检测器的衬底表面垂直的轴线与该第一闪烁检测器的边缘表面对准。
在又一实施方案中，多个闪烁检测器堆叠件可以彼此邻近布置。一个给定的堆叠件内的闪烁检测器可以具有不同的横向长度，以允许多个堆叠件以非线性几何结构彼此邻近布置。
本发明的一个实施方案提供了一种正电子发射断层造影术(PET)检测器环，该PET检测器环具有多个闪烁检测器，所述闪烁检测器包括一个闪烁体衬底和多个光电检测器。用于每个闪烁检测器的闪烁体衬底具有一个内部，该内部由具有前周界的前表面、与该前表面相对且具有后周界的后表面以及位于该前周界和后周界之间的边缘表面定界。所述多个光电检测器中的每个光电检测器被布置在该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域上，且每个区域具有包括该内部的一部分的视场。在一个实施方案中，该PET检测器环包括两个或更多个、三个或更多个、四个或更多个、五个或更多个、六个或更多个、七个或更多个、八个或更多个、九个或更多个、十个或更多个、十五个或更多个、二十个或更多个、五十个或更多个、或一百个或更多个闪烁检测器。所述多个闪烁检测器的至少第一子多个闪烁检测器形成第一阵列，该第一阵列具有：(i)第一凹面向内表面，且包括所述第一子多个闪烁检测器的每个前表面；以及，(ii)第一凸面向外表面，且包括所述第一子多个闪烁检测器的每个后表面。第二阵列可以在空间上从该第一阵列偏移，使得在该第一阵列的邻近的闪烁检测器的光检测器之间所透射的光子入射在该第二阵列的闪烁检测器的衬底上。
在又一实施方案中，所述多个闪烁检测器包括形成第二阵列的第二子多个闪烁检测器，该第二阵列具有：(i)第二凹面向内表面，与该第一凸面向外表面相对，且包括所述第二子多个闪烁检测器的每个前表面；以及，(ii)第二凸面向外表面，包括所述第二子多个闪烁检测器的每个后表面。
在又一些实施方案中，所述闪烁检测器、堆叠件和检测器环的衬底包括多个光学散射体(在本文中也被称为光学屏障)。光学散射体可以是对该衬底的内部或该衬底的表面上的任何包括、处理或修改，其中包括、处理或修改能够吸收或重新引导向光，以再成形平均检测器响应函数(MDRF)。例如，所述光学散射体可以包括但不限于通孔、盲孔、位于前表面上的物体、位于后表面上的物体、具有通过激光蚀刻或激光雕刻所生成的改良的光学属性的容积或其组合。所述光学散射体可以具有任何形状或图案，只要它们能够再成形MDRF即可。在某些实施方案中，所述多个光学散射体中的每个光学散射体可以具有超过对应于闪烁体材料的发射峰的波长的量度(extent)。在某些实施方案中，所述光学散射体可以利用瑞利(Rayleigh)散射，其中形成所述光学散射体的粒子的尺寸小于光波长的尺度。在某些实施方案中，所述光学散射体的尺度或尺寸可以接近闪烁发射峰的波长，在此情况下，某些干涉图案可以形成在检测器的边缘上，这有助于确定伽马射线光子的定位。例如，具有接近发射波长的尺寸或间隔的多个小光学散射体可以创建与由光学透镜所形成的干涉类似的干涉。此“虚拟”透镜可以被用来再成形检测器的MDRF，这有助于增大用于确定伽马射线光子的位置的能力。
本文所描述的闪烁检测器、堆栈件和检测器环还可以包括：一个存储器，存储非暂时性计算机可读指令；以及，一个微处理器，适于执行所述指令，以基于多个电信号幅度以及所述多个光电检测器的相应的多个位置来估计闪烁事件相互作用位置在该衬底的平面中的横向坐标。可选地，该微处理器被配置为接收由来自所述多个光电检测器的一个或多个闪烁事件所生成的电信号，且被配置为基于多个电信号幅度以及所述多个光电检测器的相应的多个位置来估计闪烁事件相互作用位置在所述多个闪烁检测器中的至少一个闪烁检测器的衬底的平面中的横向坐标。可选地，该微处理器还被配置为基于所述多个电信号以及该堆叠件内的多个光电检测器的相应的多个位置来估计闪烁事件相互作用位置的深度坐标。
本发明的一个实施方案提供了一种用于确定闪烁事件的相互作用位置的方法，该闪烁事件由于电磁辐射入射在衬底的前表面上而在衬底中发生。此方法包括检测来自伽马射线相互作用事件的光的步骤以及估计相互作用位置的横向坐标的步骤。
检测步骤包括用多个光电检测器检测来自伽马射线相互作用事件的闪烁光，闪烁伽马射线相互作用事件产生相应的多个电信号幅度，所述多个光电检测器被布置在围绕该衬底的周界的相应的区域处，且具有与该衬底的边缘表面进行光学通信的光敏区域，该边缘表面被定位在该衬底的该前表面以及与该前表面相对的后表面之间。在又一实施方案中，所述光敏区域中的一个或多个面向该衬底的一个表面边缘。
估计步骤包括基于所述多个电信号幅度以及相应的区域来估计相互作用位置在该衬底的平面中的横向坐标。在又一实施方案中，估计步骤包括将所述多个电信号幅度与围绕衬底周界的相应的区域处的多个光电检测器的平均检测器响应函数进行比较。在一个实施方案中，比较步骤包括执行最大似然估计、最小二乘估计、迭代估计、LN范数比较(其中N是0、1、2...及其组合)或Anger方法中的至少一个。例如，最小二乘法近似等于使电信号和参考数据(MDRF)之间的L2范数最小化。
可选地，该衬底是多个堆叠式闪烁体衬底中的一个，每个闪烁体衬底具有：(a)一个相应的边缘表面；以及，(b)相应的多个光电检测器，所述光电检测器具有与相应的边缘表面进行光学通信的光敏区域，该闪烁事件在所述多个闪烁体衬底的一个闪烁体衬底中发生。该方法还包括：从来自所述光电检测器的零电信号幅度和非零电信号幅度确定(i)所述多个衬底中含有闪烁事件的一个衬底，以及(ii)在垂直于该衬底的平面的方向上，闪烁事件的相关联的相互作用深度。在又一实施方案中，该衬底的光敏区域中的一个或多个光敏区域将面向该衬底的相应的边缘表面。
附图说明
图1例示了常规的正电子发射断层造影术(PET)检测器。
图2例示了由多个图1的PET检测器所形成的检测器环。
图3A和图3B分别例示了具有零正电子射程且不具有非共线性效应的PET响应线，以及具有非零正电子射程且具有非共线性效应的PET响应线。
图4(图片a、b和c)分别示出了正电子射程、非共线性和相互作用深度(DOI)信息对正确的响应线上的湮灭位置的准确估计的重要性。
图5例示了图2的检测器环内的两个可能的正电子-电子湮灭区域，由于缺少相互作用深度(DOI)信息而导致不同的测量模糊性。
图6是示出了作为相互作用深度(DOI)分辨率的函数的重新构建的图像的空间分辨率的标绘图。
图7示出了一个实施方案中不具有任何光学散射体的闪烁检测器。
图8示出了一个实施方案中具有多个光学散射体的图7的闪烁检测器的一个实施例。
图9示出了一个实施方案中包括一个光扩散体的图7的闪烁检测器的一个实施例。
图10是一个实施方案中的堆叠式闪烁检测器的横截面视图。
图11是一个实施方案中的堆叠式闪烁检测器的图形投影。
图12示出了本发明的一个实施方案中的PET检测器环。
图13示出了在闪烁晶体的板坯内闪烁光子的全内反射的又一例示。
图14示出了硅光电倍增器的光谱反射率曲线。
图15示出了由硅酸钇镥(LYSO)所形成的薄层检测器的仿真平均检测器响应函数(MDRF)。
图16示出了从图15的MDRF导出的经估计的相互作用位置。由于分辨率较差，因此不能够分辨中心点。
图17示出了本发明的一个实施方案中具有光学屏障的薄层LYSO检测器的仿真MDRF。棒的阴影再成形MDRF。
图18示出了从图17的MDRF导出的经估计的相互作用位置。由于改善的空间分辨率，因此中心点是更可分辨的。
图19例示了本发明的一个实施方案中具有激光蚀刻的(或激光雕刻的)光学屏障的薄层LYSO检测器的仿真MDRF。
图20示出了从图19的MDRF导出的经估计的相互作用位置。
图21和图22分别描绘了常规的模块化检测器和像素化检测器。
图23和图24例示了检测器封装件，其中闪烁检测器包括板坯衬底，该板坯衬底具有定位在闪烁体的后衬底表面后面的光子传感器以及光导引件衬底表面而不是侧边缘。
图25和图26分别例示了图23的检测器封装件的MDRF和相互作用位置估计。
图27和图28例示了本发明的实施方案中的堆叠式闪烁检测器的横截面视图，其中每个堆叠件中的闪烁检测器彼此横向偏移。
图29和图30是本发明的实施方案中的堆叠式闪烁检测器(分别是对准的和偏移的)的横截面视图，其中闪烁检测器是弯曲的。
图31是一个实施方案中的堆叠式闪烁检测器的横截面视图，其中多个锥形闪烁检测器以不同于平坦平面配置的配置彼此横向相邻布置。
图32是一个实施方案中被布置成形成PET检测器环的十二个堆叠式闪烁检测器的平面视图。
图33A-图33E例示了在相应的实施方案中具有不同形状和表面曲率的闪烁衬底的横截面视图。
图34是一个实施方案中被配置成与图7-图11的每个中的一个或多个闪烁体检测器操作的PET扫描器的示意性框图。
图35是例示了一个实施方案中用于确定伽马射线相互作用事件的相互作用位置的方法的流程图。
图36是通过狭缝仿真的投影图像，该狭缝的宽度对应于用来照射不具有光学屏障的闪烁检测器的一个实施方案的伽马射线光子束的宽度。
图37是图36的投影图像的分布图。
图38是通过狭缝仿真的投影图像，该狭缝的宽度对应于用来照射具有钻孔光学屏障的闪烁检测器的一个实施方案的伽马射线光子束的宽度。
图39是图38的投影图像的分布图。
图40包括一个实施方案中的样机检测器的部件的照片。
图41例示了图40的样机检测器在缺少光学屏障时所测量的MDRF。
图42是一个狭缝的测量投影图像，该狭缝的宽度等于用来评估图40的样机检测器在缺少光学屏障时的定位性能的伽马射线光子束的宽度。
图43是图42的投影图像的分布图。
图44例示了图40的样机检测器在包括闪烁晶体中的钻孔光学屏障时所测量的MDRF。
图45是一个狭缝的测量投影图像，该狭缝的宽度等于用来评估图40的样机检测器在该检测器包括光学屏障时的定位性能的伽马射线光子束的宽度。
图46是图44的投影图像的分布图。
图47是使用晶体CsI(TI)、通过137Cs的泛光图像(flood image)的位置校正的(下面所描述的方法)能量谱。
图48例示了对于设定到1.5的边缘光学凝胶/SiPM窗口的折射率的MDRF以及对应的点网格图像。
图49例示了对于设定到1.82的边缘光学凝胶/SiPM窗口的折射率的MDRF以及对应的点网格图像。
图50例示了对于设定到1.5的边缘光学凝胶/SiPM窗口的折射率但在闪烁晶体中具有光学屏障的MDRF以及对应的点网格图像。
具体实施方式
现代硬X射线检测器和伽马射线检测器通常采用基于闪烁的技术或基于半导体的技术。在过去二十年期间，在室温半导体检测器(诸如，CdZnTe)的领域已经取得了很大进展，但是与闪烁检测器相比仍然存在主要挑战。这些挑战包括大面积检测器的高制造成本(Takahashi,Tadayuki和Shin Watanabe."Recent progress in CdTe and CdZnTedetectors."Nuclear Science,IEEE Transactions on 48.4(2001):950–959)、相对低的检测效率(Chen,H.,等人"CZT device with improved sensitivity for medicalimaging and homeland security applications."SPIE Optical Engineering+Applications.International Society for Optics and Photonics,2009)、相对差的时序分辨率(Meng,Ling J.和Zhong He."Exploring the limiting timing resolution forlarge volume CZT detectors with waveform analysis."Nuclear Instruments andMethods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectorsand Associated Equipment 550.1(2005):435–445)以及复杂的读出ASIC(Peng,Hao和Craig S.Levin."Recent developments in PET instrumentation."CurrentPharmaceutical Biotechnology 11.6(2010):555)。因此，闪烁检测技术在现代临床和临床前SPECT***和PET***中仍占主导地位。然而，如本文所描述的，仍然可以增强闪烁体检测器的性能。大多数闪烁检测器应用单片晶体或像素化晶体，然后将光子传感器附接在前表面或后表面上，以收集光且使用信息来计算事件的位置、能量和相互作用时间。最近，硅光电倍增器(SiPM)在实现更紧凑的尺寸、更小的暗计数率、更少的串扰、更高的光子检测效率、更高的增益和更宽的光谱响应方面取得了很大进展。这些进步实现如本文所描述的新的闪烁检测器几何结构。例如，单片闪烁晶体的薄边缘可以被用作光子读出表面。
例如，图7例示了闪烁检测器700的图形投影，其中闪烁检测器700包括闪烁体衬底715和多个光电检测器710。闪烁体衬底715具有边缘表面706。每个光电检测器710具有与边缘表面706的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信的光敏区域。
图7包括用于光电检测器710(1)和710(3)的插图编号，其中至少为了例示边缘表面706(2)，光电检测器710(1)和710(3)之间的光电检测器710(2)在空间上与闪烁体衬底715分离。图7包括定义方向x、y和z的坐标系798。在本文中，除非另有说明，否则对由x、y或z中的至少一个所表示的方向或平面的引用指的是坐标系798。闪烁检测器700还可以包括读出电路和数据处理单元，所述数据处理单元通信地耦合至多个光电检测器。
边缘表面706位于闪烁体衬底715的前表面715F和后表面715B之间，所述边缘表面例如平行于x-y平面。前表面715F和后表面715B中的每个可以是平面、凹面和凸面中的一种。闪烁体衬底715在相应的方向x、y和z上具有空间尺度715X、715Y和715Z。空间尺度715X和715Y例如在二十毫米和一百毫米之间。空间尺度715Z例如在两毫米和十毫米之间。在一个实施方案中，空间尺度715X、715Y和715Z分别是15-150mm、15-150mm和0.5-20mm。在一个实施方案中，空间尺度715X、715Y和715Z分别是50.4mm±Δ、50.4mm±Δ和3.0mm±δ，其中Δ＝5mm且δ＝2mm。在一个实施方案中，空间尺度715X、715Y和715Z分别是27.4mm±Δ、27.4mm±Δ和3.0mm±δ。
用于闪烁体衬底715的候选材料包括但不限于硅酸钇镥(LYSO)、硅酸镥(LSO)、碘化铯(CsI)、碘化钠(NaI)、溴化镧(III)(LaBr3)、钇铝钙钛矿(YAP)、钇铝柘榴石(YAG)、锗酸铋(BGO)、铕活化的氟化钙、镥铝石榴石、掺杂铈的硅酸钆、钨酸镉、钨酸铅、钠和铋的双钨酸、用碲活化的硒化锌(ZnSe(Te))、以及组合。
每个光电检测器710可以是本领域已知的光电检测器，例如，光子传感器。光子传感器的类型包括但不限于光电倍增器，诸如，硅光电倍增器和光电倍增管。在一个实施方案中，闪烁体衬底715是单片的。光电检测器710可以经由胶粘剂(诸如但不限于光学凝胶)或通过室温硫化(RTV)硅树脂而被附接到边缘表面706。在又一实施方案中，光传感器包括一层窗口材料，诸如，硅树脂环氧树脂。在一个实施方案中，胶粘剂、窗口材料或其组合的折射率应在光子传感器材料的折射率和闪烁晶体的折射率之间。
边缘表面706可以在其上具有薄膜涂层，该薄膜涂层位于光电检测器710和边缘表面706之间。该薄膜涂层可以具有角依赖的透射率和角依赖的反射率中的至少一个，其可以被设计为再成形检测器700的MDRF，从而提高闪烁定位的准确性。用于该薄膜涂层的候选材料包括但不限于金属、陶瓷材料、陶瓷、合金及其组合。在某些实施方案中，该薄膜涂层对反射属性、折射属性(诸如，角依赖性)和偏振属性具有影响。
一个或多个边缘表面706也可以具有表面粗糙度。表面粗糙度可以减少由于闪烁体衬底715的边缘处的全内反射所造成的测量不准确性，例如，高偏差和方差。表面706的一部分或全部可以具有图案化的表面粗糙度，诸如交叉影线、影线或条纹，如边缘表面706(4)的区域中所例示的，该图案化的表面粗糙度可以位于检测器710下方和/或位于邻近的检测器710之间。影线或条纹可以相对于表面715F和715B中的至少一个以一角度(例如，90°)定向。在一个实施方案中，该表面粗糙度足以使每个边缘表面706成为朗伯(Lambertian)表面。在一个实施方案中，该表面粗糙度具有高于发射峰的波长的Ra值。如本领域中已知的，“Ra”指的是平均粗糙度，且是从平均线的轮廓高度偏差的绝对值的算术平均值。
至少一个光电检测器710可以被附接到闪烁体衬底715，使得它的光敏区域面向边缘表面706。光电检测器710可以包括在空间上与闪烁体衬底715分离且与边缘表面706的一个区域进行光学通信的光电检测器。例如，检测器710(2)可以经由光学耦合器708与边缘表面706(1)光学通信。光学耦合器708可以包括波导，诸如光纤、棱镜、透镜、反射镜或其组合。
图8例示了闪烁检测器800的图形投影，该闪烁检测器包括闪烁体衬底815和光电检测器710。闪烁检测器800和闪烁体衬底815分别是闪烁检测器700和闪烁体衬底715的实施例。闪烁体衬底815包括一个或多个光学散射体820。光学散射体820是能够反射、折射、吸收或散射有助于成形MDRF的光子的任何物体，包括但不限于钻入闪烁体衬底815的通孔或盲孔、激光蚀刻部位或附接在闪烁体衬底815的前表面和/或后表面上的光子散射体。当光学散射体820是通孔或盲孔时，它们可以衬有聚合物涂层，诸如含氟聚合物。
在x-y平面中，一个光学散射体可以具有一个闭合形状的横截面。该闭合形状例如是圆锥形截面、多边形、凹面形状和凸面形状中的至少一种。每个光学散射体具有宽度820W，该宽度例如是2.0±1.0mm。在一个实施方案中，每个光学散射体820是具有2.0±0.5mm的直径的圆柱形孔。
闪烁体衬底815可以包括与一个边缘表面相距距离824的至少一个***光学散射体822。在一个实施方案中，***光学散射体822被用来增加边缘附近的空间分辨率。
图9是闪烁检测器900的平面视图，该闪烁检测器包括闪烁体衬底915、光电检测器710和光扩散体918。闪烁检测器900是闪烁检测器700的一个实施例。闪烁体衬底915可以是闪烁体衬底715或815，且具有边缘表面906，所述边缘表面906等同于闪烁体衬底715的边缘表面706。光扩散体918至少部分地围绕边缘表面906和检测器710之间的闪烁体衬底915。光扩散体918可以在z方向上具有一厚度，该厚度等于闪烁体衬底715的边缘表面706处的前表面715F和后表面715B之间的距离。光扩散体918在x方向和y方向上具有厚度918X和918Y。在一个实施方案中，918X和918Y的最小值和最大值将取决于衬底915的尺寸，且通常将不超过0.25W，其中W是衬底915的宽度(如果它是正方形)。在一个实施方案中，光扩散体918包括具有良好透射属性或光学耦合属性的玻璃、聚合物或其他透明材料。
由于全内反射效应以及由于典型闪烁体晶体()和空气(n＝1)之间的大折射率差异，如果前表面和后表面被很好地抛光，则至少83％的光子将几乎没有损失地运送到薄板坯的边缘。用本文所描述的一个实施方案，具有n＝1.1的较低折射率的闪烁体晶体仍然将产生41.6％的光子被运送到闪烁体衬底715的边缘。
因为光电检测器710(将硅光电倍增器(SiPM)看作光电检测器下文的实施例)被附接在边缘表面706上，一旦闪烁光子到达边缘，光电检测器710将吸收一部分闪烁光子且生成与所吸收的光子的数目成比例的信号。所述信号的总和给出能量信息(如果光电检测器被很好地校准)，而不同SiPM之间的信号幅度差异给出位置信息。例如，如果伽马射线光子在闪烁体衬底715内部且在与光电检测器710(1)接近(例如，最接近)的位置处相互作用，则与其他光电检测器710相比，光电检测器710(1)将可能产生相对较大的信号输出；此信号差异指示相互作用发生在接近光电检测器710(1)的位置处。
光学屏障820的技术益处在于它们将通过闪烁光子的反射/偏转在光电检测器710上投射阴影。即使当相互作用位置相对于一个或多个光学屏障820略微移动时，光学屏障在薄表面上的阴影位置也将移动相当大的距离。阴影的相当大偏移将产生由在阴影被投射到的地方的光电检测器710所生成的信号幅度的相当大改变。因此，将大大增强横跨闪烁体衬底815的平面的空间分辨率。此外，由于光子被很好地限制在闪烁体衬底815内，所以由阴影创建的对比度相当大，这意味着将薄板坯边缘读出技术与光学散射体820结合是合适的。
图10是堆叠式闪烁检测器1070的横截面视图。闪烁检测器1070包括一堆闪烁检测器1000(1-N)，其中N是正整数。每个闪烁检测器1000例如是闪烁检测器700，且包括相应的闪烁体衬底1015(1-N)，所述闪烁体衬底中的每个是闪烁体衬底715的一个实施例。每个闪烁体衬底1015可以由不同的闪烁晶体形成。例如，“奇数”闪烁衬底1015(1、3、......)可以由第一闪烁晶体形成，且“偶数”闪烁衬底1015(2、4、......)可以由第二闪烁晶体形成。图11例示了闪烁检测器1170的图形投影，该闪烁检测器是闪烁检测器1070的一个实施例，其中N＝6。邻近的闪烁体衬底1015分离开一距离1015D，该距离例如在一毫米和五毫米之间。
相比于单个闪烁检测器1000，堆叠式闪烁检测器1070和1170能够检测更多的闪烁事件。在闪烁检测器1070中，直接确定伽马相互作用发生在哪个层中。这给出相互作用深度(DOI)信息。因此，这使该检测器成为3D伽马射线检测器。可以组合光电检测器710的一些读数，以减少读出的总数目而不相当大地影响结果。出于例示目的，闪烁检测器1170被例示为具有六个闪烁检测器1000(大约10-20mm的闪烁材料)，且在不脱离本发明的范围的前提下，可以包括更多或更少的闪烁检测器700。
图12是PET检测器环1280的平面视图。PET检测器环1280包括第一多个闪烁检测器1200，所述第一多个闪烁检测器被布置成形成由虚线圆圈1282所围住的内环。每个闪烁检测器1200例如是闪烁检测器700或堆叠式闪烁检测器1070。
PET检测器环1280还可以包括第二多个闪烁检测器1200，所述第二多个闪烁检测器被布置成形成在虚线圆圈1282和1284之间所围住的外环。内环和外环可以具有共同的中心1286。外环中的闪烁检测器1200可以围绕共同的中心1286共同旋转一角度θ，使得传播通过内环中的检测器1200之间的间隙的光子也传播通过外环中的检测器1200。
每个闪烁检测器1200具有与前表面1202相对的后表面1204。表面1202和1204例如是闪烁体衬底715的前表面715F和后表面715B。表面1202和1204可以是平面的和平行的。替代地，表面1202和1204可以各自是相应的圆柱形表面的一部分。例如，所述圆柱形表面可以是同心的并且具有共同的曲率中心，该曲率中心是穿过共同的中心1286并且正交于图12的平面的轴线。
本文的实施方案能够利用闪烁晶体的薄板坯来获取每个光子的相互作用位置和能量信息；不需要将该晶体像素化，这解决了背景技术中所描述的限制2、4和5。将多个相同的闪烁晶体板坯层堆叠在一起增加了检测器停止功率，这便于确定哪个层发生光子相互作用(直接读出)，且可以获得相互作用深度。相互作用深度分辨率取决于闪烁晶体的厚度，这使得易于实现大约一毫米的相互作用深度分辨率。因此，本文的实施方案克服了上文所描述的限制3。此外，传统的像素化检测器有可能错误地解码像素，错误地将相互作用事件从某个像素指派到邻近的像素。相反，本文的实施方案克服了此弱点，因为不需要像素解码。此外，本发明的实施方案也不含有像素间隙，这导致伽马射线灵敏度增大。在附加的实施方案中，本发明的闪烁检测器被用来检测带电粒子对光子的散射(即，康普顿(Compton)散射)。
实施例1
对单片闪烁晶体的侧读数的分析。描述了一种使用薄单片闪烁晶体的侧表面用于读出闪烁光子的方法。对50.8mm×50.8mm×3mm的LYSO晶体执行蒙特-卡罗(Monte-Carlo)仿真，其中在四个侧表面中的每个上附接五个硅光电倍增器。用511keV伽马射线，2.10mm的X-Y空间分辨率被预测具有9％的能量分辨率。还探索了光学屏障的添加，以改善X-Y空间分辨率。786μ8的X-Y空间分辨率被预测具有9.2％的能量分辨率。多个层可以被堆叠在一起，且读出信道可以被组合。可以直接读出相互作用深度(DOI)信息。此方法为正电子发射断层造影术(PET)提供有吸引力的检测器模块设计。
图13例示了闪烁检测器1300的闪烁体衬底1315内的闪烁事件1301(或等同地，伽马射线相互作用事件)。闪烁体衬底1315与其周围的介质(例如，空气)相比具有高折射率(例如，超过1.7)。闪烁体衬底1315例如是闪烁体衬底715、815和915中的一个。类似地，闪烁检测器1300例如是闪烁检测器700、800和900中的一个。
如果衬底1315不具有表面涂层，则大部分闪烁光子将由于全内反射(TIR)而被顶表面1315F和后表面1315B反射。仅一小部分入射角度小于临界角度θc的闪烁光子有可能逃逸。对于由具有单一折射率的介质围绕的LYSO晶体，在感兴趣的伽马射线频率下θc＝33.8°。大多数(>80％)光子将以大于临界角度的角度撞击在前表面和后表面上，且将经由TIR传播到闪烁体的边缘。
在这些仿真中，到达四个薄侧的光子由附接到它们的光子传感器收集。光子传感器信号的幅度中的信息允许估计伽马射线的位置和能量信息。
图15和图16例示了闪烁衬底700的蒙特卡罗仿真的结果。该仿真部分地基于图14中所示出的光谱仪的光谱反射率，如下文所描述的。仿真的闪烁体衬底是50.8mm×50.8mm的LYSO板坯，该板坯具有三毫米的厚度。五个硅光电倍增器(SiPM)被附接在薄板坯的每个侧表面上，因此存在总共二十个SiPM。光谱平均光子检测效率(PDE)被选择为20％。暗电流速率被选择为1.0MHz/mm2，SiPM的过量噪声因数(ENF)被假设为1.21。这些参数是在由若干制造商所提供的性能参数的限制内保守地选择的。
由于SiPM的窗口材料、硅衬底、光学凝胶和闪烁晶体的折射率差异，到达闪烁晶体的侧表面的光子的一部分将被反射。所反射的光子对相互作用位置估计是有害的。为了测量SiPM的反射率，在Cary 5000光谱仪中扫描Hamamatsu 11827-3344MG。光谱反射率曲线被示出在图14中。仿真中的反射率被选择为0.4作为保守估计，且反射的类型被选择为镜面反射。
通过横跨50.8mm×50.8mm闪烁体区域(深度＝3.0mm)，在252×252点的矩阵中仿真与LYSO闪烁体表面正交的511keV伽马射线束的扫描来获得平均检测器响应函数(MDRF)，其中步长尺寸为0.2mm。图15例示了仿真的MDRF、MDRF 1500，其包括二十个50.8mm×50.8mm帧。每个帧对应于二十个SiPM中的一个，每个SiPM被连接到检测器的四个侧中的一个。
平均检测器响应函数(MDRF)被用来通过最大似然估计寻找伽马射线相互作用位置和能量。如果通过紧密准直的束对检测器采样，则在例如具有2.5mm间隔的20×20正方形阵列的位置处，所估计的相互作用位置被示出为在图16的点网格图像1600中。可以使用最大似然估计从MDRF 1500导出点网格图像1600(Hesterman,Jacob Y.等人"Maximum-Likelihood Estimation With a Contracting-Grid Search Algorithm."IEEETransactions on Nuclear Science 57.3(2010):1077–1084)。
由FWHM定义的点网格图像1600中的点的平均空间分辨率是1.49mm，且在x、y方向上的偏差的平均绝对值分别是56μ6和52μ2。然而，平面中心附近的点不能够被分辨。如在此上下文中所使用的，“偏差”指的是在检测器平面上的不同位置处在许多事件上求平均的真实位置和估计位置之间的差异。
此检测器的能量分辨率由等式 给出。符号δ表示通过以光子数目为单位所估计的能量归一化的每个分量的标准偏差的2.355倍。δsc是闪烁晶体的固有分辨率，δp是转移分辨率，δst是统计分辨率，且δn是由暗电流速率引起的能量偏差。对于此仿真，δsc≈7.8％、δp≈0.91％,因为MDRF是相当均匀的,δn≈1.43％、且ENF表示过量噪声因数。
可以引入光学屏障820(在本文中也被称为光学散射体)，以改善相互作用位置估计。它们可以是机械地钻穿附接在两个主表面上的闪烁体、光子吸收体或散射体(用于破坏TIR条件)的孔或甚至可以是激光蚀刻图案。由于闪烁光子的阻挡或重新引导，将创建阴影。在晶体层的平面中所创建的光学屏障可以导致改善的空间分辨率。例如，在晶体层内部在4×4网格中添加反射率为0.95的16平方2-mm朗伯棒导致改型的MDRF 1700，如图17中示出的。
如图18中示出的，改型的MDRF产生改善的空间分辨率，但是由于包括所述棒，所以以降低灵敏度为代价(降低大约2.48％)。平均空间分辨率为786μm，在X、Y方向上的偏差的平均绝对值分别是23μm和22μm，且ΔE/E≈9.2％。由于棒屏障引起的光子损失和不均匀性，所以能量分辨率比不具有屏障的能量分辨率差。
激光蚀刻可以创建朗伯表面，以形成光学屏障图案。例如，可以在晶体层内部、在图17的相同位置处创建4×4网格的2-mm直径的棒，导致图19的MDRF 1900。如图19中示出的，与图17相比，不存在死区，因此可以确定棒区域内的伽马射线相互作用位置。20×20扫描的相互作用位置估计被示出在图20中。激光蚀刻的屏障产生867μm的改善的平均空间分辨率，在x、y方向上的偏差的平均绝对值分别是30μm和33μm，ΔE/E≈9.4％。
图21和图22分别描绘了常规的模块化检测器2100和像素化检测器2200。这些常规的检测器具有几个重要的限制。例如，传统的模块化摄像机中的晶体层具有有限厚度，这对于较高的能量射线导致较低的检测效率。此外，难以对相互作用深度(DOI)进行校准。X-Y分辨率与DOI位置耦合，且通常在边缘或拐角处被偏置。像素化检测器模块(诸如，在PET检测器中所使用的)通常具有用于切割和处理晶体表面的较高成本，且制造小像素化晶体的阵列可能是非常具有挑战性的。此外，实现DOI信息很复杂，且由于像素之间的间隙，所以存在灵敏度损失。
然而，本发明的改善性能不仅仅是由于使用了闪烁材料的板坯。沿着闪烁检测器的边缘定位光子传感器提供了附加的益处。图23和图24是检测器封装件2300的示意图，其中闪烁检测器包括板坯衬底，该板坯衬底具有定位在后衬底表面后面的光子传感器。此配置产生图25的MDRF 2500和图26的点网格图像2600。图23-图26例示了在单片晶体检测器中所看到的定位由于较大的点扩散函数而相对较差。附加地，在每个PMT的中心处的定位降级(不能够被分辨)，且接近检测器边缘的定位具有较差的空间分辨率。
图27例示了堆叠式闪烁检测器2780，该堆叠式闪烁检测器包括一堆闪烁检测器700(7-12)。闪烁检测器700(8-12)从闪烁检测器700(7)水平偏移相应的距离2752(8-12)。任何两个距离2752可以相等。
图28例示了堆叠式闪烁传感器2880，该闪烁传感器包括多个闪烁检测器2800，所述闪烁检测器各自是闪烁检测器700的实施例。闪烁检测器2800在z方向上堆叠。如图28中示出的，每行中的闪烁检测器2800在x方向上与不同行中的闪烁检测器横向偏移。每个闪烁检测器2880包括多个光电检测器710。
图29例示了堆叠式闪烁传感器2980A，该闪烁传感器包括位于两个弯曲的行2983和2984中的多个闪烁检测器2900。每个闪烁检测器2900是闪烁检测器700的一个实施例。每个闪烁检测器2900包括多个光电检测器710。每个闪烁检测器2900具有前表面2902和后表面2904，在此实施例中，该前表面和后表面具有相同的相应的凹度。每行(例如，行2983)中的每个光电检测器710与不同的行(例如，行2984)中的相应的光电检测器710对准。例如，光电检测器710(291)与光电检测器710(292)对准。
图30例示了堆叠式闪烁传感器3080，该闪烁传感器包括位于两个弯曲的行3083和3084中的多个闪烁检测器3000。行3083中的闪烁检测器3000相对于与第一闪烁检测器(未示出)垂直的前衬底表面的轴线从行3084中的闪烁检测器3000横向偏移。
图31例示了堆叠式闪烁传感器3175，该闪烁传感器包括位于三个弯曲的或成角度的行3181-3183中的多个闪烁检测器3100。每个闪烁检测器3100包括围绕闪烁体衬底3115的多个光电检测器710。闪烁体衬底3115是闪烁体衬底715的一个实施例，且具有梯形横截面，这便于将同一行中的邻近的闪烁检测器3100定向。闪烁体衬底3115具有前表面3115F和后表面3115B，该前表面和该后表面在图31的实施方案中是平面的。
图32是布置成形成PET检测器环3280的十二个堆叠式闪烁检测器3270的平面视图。每个堆叠式闪烁检测器3270包括四个闪烁检测器3100，且是图11的堆叠式闪烁检测器1170的一个实施例。堆叠式闪烁检测器3270被布置成形成由最内部闪烁检测器3100的十二个前表面3115F所限定的孔3210。当表面3115F是平面的时，孔3210是多边形孔。在不脱离本发明范围的前提下，PET检测器环3280可以包括少于或多于十二个堆叠式闪烁检测器3270。
图33A-图33E是不同可能的闪烁衬底3315A-3315E的横截面视图，所述闪烁衬底是闪烁衬底715的实施例。每个闪烁衬底3315具有相对的表面3302和3304，所述相对的表面彼此独立地可以是平面的、凹面的或凸面的。每个闪烁衬底3315具有边缘表面3306，当闪烁衬底3315是闪烁检测器700的一部分时，边缘表面3306与光电检测器710光学通信。应理解，图33A-图33E是非限制性实施例，且具有不同或改型横截面的闪烁衬底也是适合的且被本发明所包含。
图34是PET扫描器3490的示意性框图。PET扫描器3490包括通信地耦合至数据处理器3402的闪烁检测器3400。数据处理器3402包括通信地耦合至存储器3460的微处理器3432，该存储器存储软件3420。当执行软件3420的机器可读指令时，微处理器3432执行本文所描述的PET扫描器3490的功能。
闪烁检测器3400例如是闪烁检测器700、800、900、1070、1170、2800、2900、3000、3100和3270中的一个。闪烁检测器3400包括闪烁体衬底715和多个光电检测器710(1-N)，每个光电检测器与位于闪烁体衬底715的边缘表面706中的一个边缘表面上的相应的多个边缘区域位置3412(1-N)中的一个边缘区域位置进行光学通信。边缘区域位置3412被存储在数据处理器3402的存储器3460中，且可以是不同的且不重叠的。
存储器3460可以是暂时的和/或非暂时的，且可以包括易失性存储器(例如，SRAM、DRAM或其任何组合)和非易失性存储器(例如，FLASH、ROM、磁性介质、光学介质或其任何组合)中的一个或两个。存储器3460的部分或全部可以被集成到微处理器3432内。
存储器3460还存储与闪烁检测器3400相关联的检测器参数3405。检测器参数3405的实施例包括检测器MDRF(例如，MDRF 1500、1700、1900和2500)，且在一些实施方案中包括网格点图像(例如，网格点图像1600和2600)以及从网格点图像所导出的分辨率图。检测器参数3405还可以包括检测器几何结构，诸如，闪烁体衬底715和检测器710的空间尺度。软件3420包括估计器3422，该估计器可以包括以下估计方法中的至少一个：最大似然、收缩网格最大似然搜索、最小二乘、迭代、LN范数比较(其中N是0、1、2...)和Anger方法。在一个实施方案中，在估计伽马射线相互作用位置之前应用能量窗口或时序重合窗口(timingcoincidence window)。这些窗口限制也被存储在存储器3460内。在一个实施方案中，似然阈值(下限，如果使用最大似然估计)、LN范数阈值(上限，如果使用LN范数比较)也被存储在存储器3460内。
在一个使用场景中，闪烁事件3401发生在衬底715中，如图34所例示的。当PET扫描器3490检测到闪烁事件3401时，闪烁检测器3400的检测器710(1-N)生成相应的电信号幅度3400D(1-N)，数据处理器3402接收电信号幅度3400D(1-N)且将其存储在存储器3460内。估计器3422由检测器参数3405、边缘区域位置3412和电信号幅度3400D生成闪烁事件的横向坐标3491。
图35是例示了用于确定发生在衬底中的伽马射线相互作用事件的相互作用位置的方法3500的流程图，该伽马射线相互作用事件由入射在该衬底的前表面上的电磁辐射造成。方法3500包括步骤3510、3520、3522和3524中的至少一个。方法3500例如由执行软件3420的计算机可读指令的微处理器3432实施。
步骤3510包括用多个光电检测器检测来自伽马射线相互作用事件的光，伽马射线相互作用事件导致相应的多个电信号幅度。所述多个光电检测器中的每个具有一个相应的光敏区域，所述光敏区域与衬底的边缘表面的相应的多个区域中的一个区域光学通信，衬底的边缘表面的相应多个区域中的一个区域定位在衬底的前表面的前周界和衬底中与该前表面相对的后表面的后周界之间。在步骤3510的一个实施例中，闪烁检测器3400检测来自闪烁体检测器3400内已经发生的闪烁事件3401的光。
步骤3520包括基于多个电信号幅度和相应的区域来估计相互作用位置在该衬底的平面中的横向坐标。在步骤3520的一个实施例中，估计器3422由电信号幅度3400D生成横向坐标3491。
步骤3520可以包括步骤3522，步骤3522为将多个电信号幅度与围绕衬底周界的相应的区域处的多个光电检测器的平均检测器响应函数进行比较。在步骤3520的一个实施例中，估计器3422由平均检测器参数3405、电信号幅度3400D以及可选地边缘区域位置3412生成横向坐标3491。
步骤3522可以包括步骤3524，步骤3524为执行最大似然估计、最小二乘估计、迭代估计、LN范数比较(其中N可以是0、1、2、3、4、5...，以及L1与L2、L2与L4等的组合)以及Anger方法中的至少一个。在步骤3522的一个实施例中，估计器3422使用最大似然估计、最小二乘估计、迭代估计和Anger方法中的至少一个来由检测器参数3405、边缘区域位置3412和电信号幅度3400D生成横向坐标3491。
实施例2
CsI/LYSO检测器层的仿真。本部分描述了通过实验测试的晶体的仿真。闪烁晶体的几何结构被设定为27.4mm×27.4mm×3mm。十六个SiPM被附接至该闪烁晶体的边缘，其中每个边缘上具有4个SiPM。研究了影响空间分辨率的几个因素：
I.伽马射线光子能量和闪烁体材料(对于CsI(TI)为662keV vs对于LYSO为51keV)；
II.光学屏障(具有/不具有)；
III.光学凝胶&SiPM窗口折射率(1.5vs 1.82)。
根据Hamamatsu S13360-6050PE MPPC数据表，暗计数率被设定为2MHz/SiPM。基于它们的公布的衰变时间(Mao R,Zhang L,Zhu,R.Optical and Scintillation Propertiesof Inorganic Scintillators in High Energy Physics.IEEE Transactions onNuclear Science.2008；55(4):2425-2431)，读出成形时间对于CsI(TI)被设定为4μ定且对于LYSO被设定为150ns。研究了光学凝胶/SiPM窗口材料的折射率，以评估边缘边界处反射率的影响。仿真分辨率(通过一窄束伽马射线光子在20×20个位置处评估)被示出在表I中。
表I.基于仿真数据影响空间分辨率的因素
*整个：整个检测器区域(27.4mm×27.4mm)的平均空间分辨率
*中心：中心区域(15mm×15mm)的平均空间分辨率
*边缘耦合指数：光学凝胶和SiPM窗口材料的折射率
还仿真了662keV伽马光子的狭缝束，以验证下文所描述的实验。仿真束的宽度为0.44mm(高斯分布的FWHM)。对于不具有光学屏障和具有光学屏障的检测器，所得到的投影图像分别被示出在图36-图37以及图38-图39中。图36是通过宽度为0.44mm的狭缝仿真的投影图像。图37是在不具有光学屏障的样机检测器(27.4mm×27.4mm×3mm CsI(TI)，具有十六个SiPM)上、具有所指示的FWHM的图36的投影图像的分布。图38是通过宽度为0.44mm的狭缝仿真的投影图像。图39是在具有钻孔光学屏障的样机检测器上、具有所指示的FWHM的图38的投影图像的分布。
实验验证
图40包括样机检测器4001和4002的部件的照片。样机检测器包括下面的部件，所述部件在图40中被标记为(a)到(e)：
(a)十六个Hamamatsu S13360-6050PE MPPC(SiPM)；
(b)CsI(TI)闪烁晶体：尺度为27.4mm×27.4mm×3mm的CsI(TI)晶体(从Proteus获得，如在检测器4001中那样不具有机械孔，且如在检测器4002中那样具有机械孔)；
(c)前置放大器电路；
(d)放大器和模-数转换电路；
(e)FPGA数据采集电路(AiT 16信道读出电路)。
标记为(f)的照片是样机检测器4001或4002。
为了方便起见，闪烁体被选择为CsI(TI)(没有来自晶体的本底放射性(background activity)和低吸湿性)。通过用来自137Cs源的662keV光子的交叉狭缝准直束扫描检测器来获得MDRF。用增强量子成像检测器(iQID)摄像机(Miller BW,Gregory SJ,Fuller ES,Barrett HH,Barber HB,Furenlid LR.The iQID camera:An ionizing-radiation quantum imaging.Nucl Instrum Methods Phys Res A.2014；11(767):146-152)测量检测器表面上的束尺寸为大约0.44mm×0.44mm(FWHM)。由于AiT读出电子设备中的有限动态范围，所以仅检测器的中心区域被校准(15.0mm×15.0mm)且被用于成像。
实验实例1：不具有光学屏障
不具有光学屏障的CsI(TI)晶体所测量的MDRF被示出在图41中。图41例示了不具有光学屏障的样机检测器4001所测量的MDRF，该MDRF是通过在横跨该检测器的规则位置阵列中扫描662-keV伽马射线光子(0.44mm×0.44mm，FWHM)的细束所创建的。
宽度为0.44mm的662-keV光子的狭缝投影(高斯分布的FWHM，如用iQID摄像机所测量的)被用来评估定位性能。所得到的投影图像和横截面分布分别被示出在图42和图43中。图42是通过宽度为0.44mm的狭缝所测量的投影图像。图43是在不具有光学屏障的样机检测器(27.4mm×27.4mm×3mm CsI(TI)，具有十六个SiPM)上、具有所指示的FWHM的图42的投影图像的分布。
实验实例2：具有光学屏障
具有通过机械钻孔(所述孔衬有铁氟龙)所创建的光学屏障，可以大大改善分辨率。图44例示了当闪烁晶体包括钻孔光学屏障时，样机检测器4002所测量的MDRF。该MDRF是通过横跨该检测器的中心区域扫描662-keV伽马光子的细束所创建的。
再次，通过宽度为0.44mm(FWHM)的662-keV光子的狭缝束来评估性能。所得到的投影图像和横截面分布分别被示出在图45和图46中。通过137Cs的泛光图像的位置校正的(下文所描述的方法)能量谱被示出在图47中。
蒙特-卡洛仿真指示，即使不具有光学屏障(平均FWHM是1.49mm)，PET块检测器尺寸设计(50.8mm×50.8mm×3mm的LYSO晶体)也能够提供合理的空间分辨率，且具有钻孔光学屏障(平均FWHM是0.56mm)或激光蚀刻图案光学屏障(平均FWHM是0.62mm)，PET块检测器尺寸设计(50.8mm×50.8mm×3mm的LYSO晶体)也能够提供优异的空间分辨率。值得提及的是，机械钻孔光学屏障的引入将略微降低灵敏度，灵敏度降低在此仿真中小于2％，而大多数检测效率损失是由于不同的检测器模块之间的间隙，因为SiPM和相关联的读出电路将占据间隙。例如，对于50.8mm×50.8mm的晶体区域，在检测器模块之间具有3mm的间隙，灵敏度降低是大约11％。因此，最小化灵敏度损失的关键是最小化检测器模块之间的间隙。
又一蒙特-卡洛仿真显示，光学凝胶/SiPM窗口材料的折射率对检测器的空间分辨率具有很大影响。光子是否有可能在检测器边缘界面处通过不期望的TIR反射是由光子从闪烁晶体至SiPM的硅衬底的路径上的最小折射率确定的。如表I示出的，如果光子路径上的最小折射率是1.5，则总空间分辨率将降低几百um。然而，中心区域空间分辨率实际上可能由于由边缘处TIR所创建的、中心区域中的MDRF中的相对更陡峭的梯度特征而改善。
为了理解此效果，比较了对于1.5和1.82的最小折射率，检测器(不具有光学屏障)的仿真中心区域MDRF，如图48-图50中示出的。图48例示了对于设定为1.5的边缘光学凝胶/SiPM窗口的折射率的MDRF 4810以及对应的点网格图像4820。图49例示了对于设定为1.82的边缘光学凝胶/SiPM窗口的折射率的MDRF 4910以及对应的点网格图像4920。图50例示了对于设定为1.5的边缘光学凝胶/SiPM窗口的折射率但在闪烁晶体中具有光学屏障的MDRF5010以及对应的点网格图像5020。
如果光学凝胶/SiPM窗口材料具有1.5的较低折射率，且连接伽马射线相互作用位置和SiPM的中心的线超过TIR临界角度，则观察到MDRF值的急剧下降。然后，空间分辨率将在接近每个SiPM和晶体的拐角区域处更差。如果光学凝胶/SiPM窗口材料具有1.82的较大折射率，则不存在TIR，且所有MDRF的位置依赖性是由于相对于伽马射线相互作用位置处的闪烁光子的原点，SiPM的区域所对向的立体角度。如果添加接近晶体边界的光学屏障，则可以改善接近晶体边界的空间分辨率。总的来说，晶体-SiPM耦合层处的高反射率可以降低晶体边缘附近的空间分辨率，但是光学屏障可以帮助抵消此效果，如图48-图50中示出的。
实验结果证明了此检测器设计的潜力。基于狭缝投影图像计算不具有光学屏障的晶体的空间分辨率。通过沿着图42的竖直方向求和，所得到的分布图示出在图43中。FWHM被测量为0.80mm。假设狭缝的线扩展函数近似于高斯分布，则空间分辨率(FWHM)被估计为：δ＝(0.802-0.442)0.5＝0.67mm。为了比较，不具有光学屏障(图35-图36)的样机检测器的仿真狭缝图像产生δ仿真≈0.65mm的空间分辨率。实验结果与仿真所预测的结果非常接近。
对具有光学屏障的检测器，重复该程序。具有光学屏障的样机检测器的空间分辨率被测量为：δ实验≈0.34mm，而仿真分辨率被预测为：δ仿真≈0.31mm。所测量的空间分辨率比通过仿真所预测的分辨率略微更差，这是预期的，因为仿真不包括所有电子噪声源。
通过将检测器暴露于137Cs源而没有准直来测量具有光学屏障的样机检测器的能量分辨率。首先获取泛光图像，且使用所测量的MDRF估计该泛光图像中的每个事件的位置。每个事件的求和-SiPM-信号值也根据其估计位置而被丢弃。然后，每个位置处的平均能量被计算且被存储在61×61矩阵(0.25mm步长)中。此矩阵被用于位置依赖能量校正。获取第二泛光图像，该第二泛光图像生成包括位置依赖校正的能量谱(图47)。在662keV下，FWHM能量分辨率(ΔE/Ε)被估计为6.4％，这对于CsI(TI)检测器是非常好的(参见Kazuch等人,Non-Proportionality and Energy Resolution of CsI(Tl).IEEE Transactions onNuclear Science.2007；54(5):1836-1841；and Becker等人,Small Prototype GammaSpectrometer Using CsI(Tl)Scintillator Coupled to a Solid-StatePhotomultiplier.IEEE Transactions on Nuclear Science.2013；60(2):968-972))。
讨论
以上实施例中所描述的边缘读出检测器设计在光学屏障的帮助下可以容易地达到<1mm分辨率，而同时经由多层实现良好的伽马射线检测效率，从而避免了空间分辨率和伽马射线检测灵敏度之间的通常折衷方案。由于大部分光子到达晶体边缘，所以此设计的能量分辨率也是优异的。此外，由于单片设计，没有反射材料的像素间隙，这进一步增加了伽马射线检测灵敏度。直接DOI估计使该设计比传统的PET检测器甚至更有利，且原则上可以识别由康普顿散射所引起的横跨不同层的多位置能量沉积事件。第一相互作用位置常常可以由康普顿运动学来估计，康普顿运动学可以帮助改善空间分辨率。由于非像素化设计，减少了闪烁体切割和表面处理的努力。当配备快速时序电子设备时，检测器设计还能够对于高能量伽马射线光子作为高灵敏度康普顿摄像机工作。此外，可以平铺多个模块，以生成用于SPECT的摄像机。
除了以上之外，可以利用附加的特征或操作条件来改善检测器性能。例如，当组合多个层时，可以存在大量读出信道。图11示出了6层设计，其中对于一个完整的检测器模块，可以存在总共120个读出信道。因此，如果需要，可以减少读出的数目，或可以利用紧凑的基于FPGA的读出电路来处理大量的光传感器。当使用光学屏障时，MDRF含有许多可以创建局部似然最大值的尖锐特征。因此，可以进一步利用算法来快速且准确地执行每个事件的位置估计。此外，由于添加了多个SiPM的信号以产生用于时间戳的脉冲，所以不同信道中的噪声也将被添加在一起，从而潜在地影响重合时序分辨率。如果需要，可以通过冷却来抑制或减少来自暗计数和电路的噪声。检测器模块之间的间隙也应被最小化，以保留检测效率。这可以通过使SiPM和前置放大器更薄来实现。
在以上实验中所描述的边缘读出检测器设计表现出许多吸引人的特征。这些特征包括优异的空间分辨率、良好的能量分辨率以及恢复DOI信息的能力。减少的制造努力对于临床应用(包括但不限于人脑PET)是进一步吸引人的。
特征的组合
在不脱离本发明的范围的前提下，可以以多种方式组合上文所描述的特征以及下文所要求保护的特征。下面的实施例例示了一些可能的、非限制性组合：
(A1)一种闪烁检测器，该闪烁检测器包括一个闪烁体衬底和多个光电检测器。该闪烁体衬底包括由具有前周界的前表面、与该前表面相对且具有后周界的后表面以及位于该前周界和该后周界之间的边缘表面所定界的内部。所述多个光电检测器中的每个光电检测器具有一个相应的光敏区域，该光敏区域面向或以其他方式与该边缘表面的相应的多个区域中的一个多个区域进行光学通信。
(A2)在由(A1)所表示的闪烁检测器中，该前表面可以是平面表面，且该后表面是与该前表面大体上平行的平面表面。
(A3)在由(A1)和(A2)中的一个所表示的任何闪烁检测器中，该闪烁体衬底可以具有0.5毫米和二十毫米之间的均匀厚度，可选地一毫米至四毫米之间的均匀厚度。
(A4)在由(A1)至(A3)中的一个所表示的任何闪烁检测器中，该前周界可以具有几何学上类似于该后周界的后形状的前形状，该前形状是多边形。
(A5)在由(A1)至(A4)中的一个所表示的任何闪烁检测器中，该闪烁检测器可以具有矩形形状、六边形形状和八边形形状中的一个。
(A6)在由(A1)至(A5)中的一个所表示的任何闪烁检测器中，该衬底可以包括一种闪烁体材料，且在该闪烁体材料的发射峰处可以具有超过1.1的折射率。
(A7)在由(A1)至(A6)中的一个所表示的任何闪烁检测器中，所述多个光电检测器中的每个可以被附接至该闪烁体衬底。
(A8)在由(A1)至(A7)中的一个所表示的任何闪烁检测器中，所述多个光电检测器中的每个可以包括硅光电倍增器、光电倍增管、雪崩光电二极管、互补金属-氧化物半导体或其组合。
(A9)在由(A1)至(A8)中的一个所表示的任何闪烁检测器中，所述多个光电检测器中的每个可以包括硅光电倍增器。
(A10)由(A1)至(A9)中的一个所表示的任何闪烁检测器，还可以包括一个存储器和一个微处理器。该存储器存储非暂时性计算机可读指令。该微处理器适于执行所述指令以基于多个电信号幅度和所述多个光电检测器的相应的多个位置来估计闪烁事件相互作用位置在该衬底的平面中的横向坐标。
(A11)在由(A1)到(A10)中的一个所表示的任何闪烁检测器中，该衬底可以包括多个光学散射体。
(A12)在由(A11)所表示的任何闪烁检测器中，其中该衬底包括一种闪烁体材料，所述多个光学散射体中的每个可以具有超过与该闪烁体材料的发射峰对应的波长的量度，或可以具有接近与最大发射对应的波长的大小或量度。
(A13)在由(A11)和(A12)中的一个所表示的任何闪烁检测器中，所述多个光学散射体包括通孔、盲孔、该前表面上的物体、该后表面上的物体、具有通过激光蚀刻或激光雕刻所生成的改型的光学属性的容积或其组合。
(B1)一种堆叠式闪烁检测器，该堆叠式闪烁检测器包括多个由(A1)所表示的闪烁检测器，所述闪烁检测器被布置成一个堆叠件。所述多个闪烁检测器包括第一闪烁检测器和第二闪烁检测器，该第一闪烁检测器的后衬底表面与该第二闪烁检测器的前衬底表面邻近、相对且在空间上分离。该堆叠件可以包括两个或更多个、三个或更多个、四个或更多个、五个或更多个、六个或更多个、七个或更多个、八个或更多个、九个或更多个、十个或更多个、十五个或更多个、或二十个或更多个闪烁检测器。
(B2)在由(B1)所表示的堆叠式闪烁检测器中，该第二闪烁检测器可以相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于一轴线与该第一闪烁检测器的中心区域对准，该轴线与该第一闪烁检测器的前衬底表面垂直。
(B3)在由(B1)所表示的堆叠式闪烁检测器中，该第二闪烁检测器可以相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于一轴线从该第一闪烁检测器的中心区域横向偏移，该轴线垂直于该第一闪烁检测器的前衬底表面。
(B4)在由(B1)和(B3)中的一个所表示的任何堆叠式闪烁检测器中，该第二闪烁检测器可以相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于一轴线与该第一闪烁检测器的边缘表面对准，该轴线垂直于该第一闪烁检测器的前衬底表面。
(B5)由(B1)至(B4)中的一个所表示的任何堆叠式闪烁检测器，还可以包括一个微处理器，该微处理器被配置为接收由来自所述多个闪烁检测器中的至少一个闪烁检测器的多个光电检测器的一个或多个闪烁事件所生成的电信号，且被配置为基于多个电信号幅度和所述多个光电检测器的相应的多个位置来估计所述多个闪烁检测器中的至少一个闪烁检测器的衬底的平面中的伽马射线相互作用位置的横向坐标。
(B6)在由(B5)所表示的任何堆叠式闪烁检测器中，该微处理器还可以被配置为基于多个电信号和该堆叠件内的多个光电检测器的相应的多个位置来估计闪烁事件相互作用位置的深度坐标。
(C1)一种PET检测器环，该PET检测器环包括多个由(A1)所表示的闪烁检测器。所述多个闪烁检测器中的至少第一子多个形成第一阵列，该第一阵列具有：(i)第一凹面面向内的表面，且包括所述第一子多个的每个前表面；以及(ii)第一凸面面向外的表面，且包括所述第一子多个的每个后表面。
(C2)在由(C1)所表示的PET检测器环中，所述多个闪烁检测器可以包括形成第二阵列的第二子多个闪烁检测器，该第二阵列具有：(i)第二凹面面向内的表面，其与该第一凸面面向外的表面相对，且包括所述第二子多个闪烁检测器的每个前表面；以及(ii)第二凸面面向外的表面，其包括所述第二子多个闪烁检测器的每个后表面。该PET检测器环可以包括两个或更多个、三个或更多个、四个或更多个、五个或更多个、六个或更多个、七个或更多个、八个或更多个、九个或更多个、十个或更多个、十五个或更多个、二十个或更多个、五十个或更多、或一百个或更多个闪烁检测器。
(C3)在由(C2)所表示的PET检测器环中，该第二阵列可以在空间上从该第一阵列偏移，使得在该第一阵列的邻近的闪烁检测器的光电检测器之间所传输的伽马射线光子入射在该第二阵列的闪烁检测器的一个衬底上。
(D1)表示一种用于确定由电磁辐射入射在衬底的前表面上造成在衬底中发生的闪烁事件的相互作用位置的方法。该方法包括以下步骤：用多个光电检测器检测来自导致相应的多个电信号幅度的伽马射线相互作用事件的闪烁光，所述多个光电检测器被布置在围绕该衬底的周界的一个相应的区域处，且具有一个与该衬底的边缘表面进行光学通信的光敏区域，该边缘表面被定位在该衬底的该前表面和该衬底中与该前表面相对的后表面之间。该方法还包括以下步骤：基于所述多个电信号幅度和相应的区域来估计相互作用位置在该衬底的平面中的横向坐标。
(D2)在由(D1)所表示的方法中，该衬底可以是多个堆叠式闪烁体衬底中的一个。每个闪烁体衬底具有：(a)一个相应的边缘表面；以及(b)相应的多个光电检测器，所述光电检测器具有一个与该相应的边缘表面进行光学通信的光敏区域，伽马射线相互作用事件发生在所述多个闪烁体衬底中的一个中，该方法还包括从来自所述光电检测器的零电信号幅度和非零电信号幅度确定(i)所述多个衬底中的一个以及(ii)在垂直于该衬底的该平面的方向上，伽马射线相互作用事件的相关联的相互作用深度。
(D3)在由(D1)和(D2)中的一个所表示的任何方法中，估计步骤可以包括将所述多个电信号幅度与围绕衬底周界的相应的区域处的多个光电检测器的平均检测器响应函数比较。
(D4)在由(D3)表示的方法中，比较步骤可以包括执行最大似然估计、最小二乘估计、迭代估计、LN范数比较(其中N是0、1、2...)和Anger方法中的至少一个。
现在出于清楚理解的目的，已经通过例示和实施例的方式相当详细地充分描述了本发明，对于本领域普通技术人员来说将明显的是，在不影响本发明的范围或其具体实施方案的前提下，可以通过在宽且等同的条件范围、配方范围和其他参数范围内修改或改变本发明的情况下来执行本发明，且这样的修改或改变意在被包含在所附权利要求的范围内。
当本文公开了一组材料、组合物、成分或化合物时，应理解，分别公开了这些组以及其所有子组的所有个体成员。除非另有说明，否则本文所描述或示例的每一个配方或成分组合可以被用来实践本发明。每当在说明书中给出一个范围(例如，温度范围、时间范围或组合物范围)时，所有中间范围和子范围以及给出的范围中所包括的所有个体值都意在被包括在本公开内容中。此外，一个给定范围内的端点将被包括在该范围内。在本公开内容和权利要求中，“和/或”意指附加地或替代地。此外，单数形式的术语的任何使用也包括复数形式。
如本文所使用的，“包括”与“包含”、“含有”或“其特征在于”同义，且是包含性的或开放式的，且不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。如本文所使用的，“由......组成”排除权利要求元件中未指定的任何元件、步骤或要素。如本文所使用的，“基本上由......组成”不排除不实质上影响权利要求的基本和新颖特性的材料或步骤。本文中对术语“包括”的任何记载，特别是在组合物的成分的描述中或在设备的元件的描述中，被理解为包含基本上由所述所记载的成分或元件组成以及由所述所记载的成分或元件组成的那些组合物和方法。
本领域普通技术人员将理解，除了具体示例的那些之外的起始材料、设备元件、分析方法、混合物和成分组合可以在实践本发明时采用，而无需借助于过度的实验。任何这样的材料和方法的所有本领域已知的功能性等同物都意在被包括在本发明中。已经采用的术语和表达被用作描述的术语而非限制的术语，且不意在使用这样的术语和表达来排除所示出的且所描述的特征或其部分的任何等同物，而是应认识到，多种修改可以在在所要求保护的本发明的范围内。可以在缺少本文未具体公开的任何一个元件或多个元件、一个限制或多个限制时适当地实践本文所例示性地描述的本发明。本文所使用的标题仅是为方便起见。
本文参考的所有出版物都以与本文不矛盾的程度纳入本文。本文所提供的一些参考文献通过引用纳入，以提供本发明的附加用途的细节。本说明书中所提及的所有专利和出版物指示本发明所属领域的技术人员的技术水平。本文所引用的参考文献通过引用整体纳入本文，以指示自其申请日期起的现有技术水平，且如果需要，本文可以采用此信息，以排除现有技术中的具体实施方案。
在不脱离本发明的范围的前提下，可以在以上方法和***中做出改变。因此，应注意，在以上描述中所含有的或在附图中所示出的内容应被解释为例示性的而不是限制性的。下面的权利要求意在涵盖本文所描述的所有一般特征和特定特征，以及本方法和***的范围的所有陈述，所述陈述作为语言问题可以被认为落在它们之间。
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Claims (54)

1.一种闪烁检测器，包括：
一个闪烁体衬底，该闪烁体衬底具有一个内部，该内部由具有前周界的前表面、与该前表面相对且具有后周界的后表面以及位于该前周界和该后周界之间的边缘表面定界；以及
多个光电检测器，每个光电检测器具有一个相应的光敏区域，该光敏区域与该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信。
2.根据权利要求1所述的闪烁检测器，该前表面是平面表面，且该后表面是与该前表面大体上平行的平面表面。
3.根据权利要求1所述的闪烁检测器，该前表面和后表面具有非平面表面。
4.根据权利要求1或3所述的闪烁检测器，该前表面不平行于该后表面。
5.根据权利要求1、3或4所述的闪烁检测器，该前表面和后表面彼此独立地具有凹面形状或凸面形状。
6.根据权利要求5所述的闪烁检测器，其中该前表面是凹面的，且该后表面是凸面的。
7.根据权利要求5所述的闪烁检测器，其中该前表面是凸面的，且该后表面是凹面的。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的闪烁检测器，该闪烁体衬底具有一均匀厚度，该均匀厚度在一毫米和四毫米之间。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的闪烁检测器，该前周界具有几何学上类似于该后周界的后形状的前形状，该前形状是多边形。
10.根据权利要求9所述的闪烁检测器，该闪烁检测器具有圆形形状、椭圆形形状、三角形形状、矩形形状、六边形形状或八边形形状。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的闪烁检测器，该衬底包括一种闪烁体材料，且在该闪烁体材料的发射峰处具有超过1.1的折射率。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的闪烁检测器，所述多个光电检测器中的每个光电检测器被附接至该闪烁体衬底。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的闪烁检测器，所述多个光电检测器中的每个光电检测器包括一个雪崩光电二极管。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的闪烁检测器，所述多个光电检测器中的每个光电检测器是一个硅光电倍增器。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的闪烁检测器，还包括：
一个存储器，该存储器存储非暂时性计算机可读指令；以及
一个微处理器，该微处理器适于执行所述指令，以基于多个电信号幅度和所述多个光电检测器的相应的多个位置来估计伽马射线相互作用事件位置在该衬底的平面中的横向坐标。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的闪烁检测器，该衬底包括多个光学散射体。
17.根据权利要求16所述的闪烁检测器，该衬底包括一种闪烁体材料，所述多个光学散射体中的每个光学散射体具有一个类似于或超过与该闪烁体材料的发射峰对应的波长的量度。
18.根据权利要求16所述的闪烁检测器，所述多个光学散射体包括通孔、盲孔、位于该前表面上的物体、位于该后表面上的物体、具有通过激光蚀刻或激光雕刻所生成的改型的光学属性的容积或其组合。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的闪烁检测器，每个光敏区域面向该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域。
20.根据权利要求1-18中任一项所述的闪烁检测器，所述多个光电检测器包括第一光电检测器，所述多个区域包括与第一检测器进行光学通信的第一区域，且还包括：
波导、透镜、棱镜或反射镜，位于该第一区域和该第一光电检测器之间，被配置为将入射在该第一区域上的光耦合到该第一光电检测器。
21.一种堆叠式闪烁检测器，包括：
多个闪烁检测器，被布置成一个堆叠件，每个闪烁检测器包括：
一个闪烁器衬底，具有一个内部，该内部由具有前周界的前衬底表面、与该前衬底表面相对且具有后周界的后衬底表面以及位于该前周界和后周界之间的边缘表面定界；以及
多个光电检测器，每个光电检测器具有一个相应的光敏区域，该光敏区域与该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信；
多个闪烁检测器，包括第一闪烁检测器和第二闪烁检测器，该第一闪烁检测器的后衬底表面与该第二闪烁检测器的前衬底表面邻近、相对且在空间上分离。
22.根据权利要求21所述的堆叠式闪烁检测器，该第二闪烁检测器相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于与该第一闪烁检测器的前衬底表面垂直的轴线与该第一闪烁检测器的中心区域对准。
23.根据权利要求21所述的堆叠式闪烁检测器，该第二闪烁检测器相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于与该第一闪烁检测器的前衬底表面垂直的轴线从该第一闪烁检测器的中心区域横向偏移。
24.根据权利要求21所述的堆叠式闪烁检测器，该第二闪烁检测器相对于该第一闪烁检测器定位，使得该第二闪烁检测器的中心区域相对于与该第一闪烁检测器的衬底表面垂直的轴线与该第一闪烁检测器的边缘表面对准。
25.根据权利要求21-24中任一项所述的堆叠式闪烁检测器，还包括：
一个微处理器，被配置为接收由来自所述多个闪烁检测器中的至少一个闪烁检测器的多个光电检测器的一个或多个伽马射线相互作用事件所生成的电信号，且被配置为基于多个电信号幅度和所述多个光电检测器的相应的多个位置来估计伽马射线相互作用事件位置在所述多个闪烁检测器中的至少一个闪烁检测器的衬底的平面中的横向坐标。
26.根据权利要求25所述的堆叠式闪烁检测器，该微处理器还被配置为基于所述多个电信号和该堆叠件内的多个光电检测器的相应的多个位置来估计闪烁事件相互作用位置的深度坐标。
27.根据权利要求21-26中任一项所述的堆叠式闪烁检测器，所述闪烁检测器中的一个或多个各自包括多个光学散射体。
28.根据权利要求27所述的堆叠式闪烁检测器，所述多个光学散射体包括通孔、盲孔、位于该前表面上的物体、位于该后表面上的物体、具有通过激光蚀刻或激光雕刻所生成的改型的光学属性的容积或其组合。
29.根据权利要求21-28中任一项所述的堆叠式闪烁体检测器，所述多个闪烁检测器包括两个或更多个闪烁检测器。
30.根据权利要求21-29中任一项所述的堆叠式闪烁体检测器，所述多个闪烁检测器包括四个或更多个闪烁检测器。
31.根据权利要求21-30中任一项所述的堆叠式闪烁体检测器，所述多个闪烁检测器包括八个或更多个闪烁检测器。
32.根据权利要求21-31中任一项所述的堆叠式闪烁体检测器，一个或多个闪烁体检测器的前衬底表面、后衬底表面或前衬底表面和后衬底表面这二者具有非平面表面。
33.根据权利要求21-32中任一项所述的堆叠式闪烁体检测器，一个或多个闪烁体检测器的前衬底表面不平行于该后衬底表面。
34.根据权利要求21-33中任一项所述的堆叠式闪烁体检测器，一个或多个闪烁检测器的前衬底表面和后衬底表面彼此独立地具有凹面形状或凸面形状。
35.根据权利要求34所述的堆叠式闪烁体检测器，其中对于一个或多个闪烁检测器，该前衬底表面是凹面的，且该后衬底表面是凸面的。
36.根据权利要求34所述的堆叠式闪烁体检测器，其中对于一个或多个闪烁检测器，该前衬底表面是凸面的，且该后衬底表面是凹面的。
37.根据权利要求21-36中任一项所述的堆叠式闪烁体检测器，每个光敏区域面向该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域。
38.根据权利要求21-36中任一项所述的堆叠式闪烁体检测器，所述多个光电检测器包括第一光电检测器，所述多个区域包括与该第一检测器进行光学通信的第一区域，且还包括：
波导、透镜、棱镜或反射镜，位于该第一区域和该第一光电检测器之间，被配置为将入射在该第一区域上的光耦合到该第一光电检测器。
39.一种正电子发射断层造影术(PET)检测器环，包括：
多个闪烁检测器，包括：
一个闪烁器衬底，具有一个内部，该内部由具有前周界的前表面、与该前表面相对且具有后周界的后表面以及位于该前周界和后周界之间的边缘表面定界，以及
多个光电检测器，每个光电检测器具有与该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信的相应的光敏区域，
至少所述多个闪烁检测器中的第一子多个闪烁检测器形成第一阵列，该第一阵列具有：(i)第一凹面向内表面，且包括所述第一子多个闪烁检测器的每个前表面；以及(ii)第一凸面向外表面，且包括所述第一子多个闪烁检测器的每个后表面。
40.根据权利要求39所述的PET检测器环，所述多个闪烁检测器包括形成第二阵列的第二子多个闪烁检测器，该第二阵列具有：(i)第二凹面向内表面，与该第一凸面向外表面相对，且包括所述第二子多个闪烁检测器的每个前表面；以及(ii)第二凸面向外表面，包括所述第二子多个闪烁检测器的每个后表面。
41.根据权利要求39或40所述的PET检测器环，该第二阵列在空间上偏离该第一阵列，使得在该第一阵列的邻近的闪烁检测器的光电检测器之间所传输的光子入射在该第二阵列的闪烁检测器的衬底上。
42.根据权利要求39、40或41所述的PET检测器环，所述闪烁检测器中的一个或多个各自包括多个光学散射体。
43.根据权利要求39、40、41或42所述的PET检测器环，所述多个光学散射体包括通孔、盲孔、位于前表面上的物体、位于后表面上的物体、具有通过激光蚀刻或激光雕刻所生成的改型的光学属性的容积或其组合
44.根据权利要求39-43中任一项所述的PET检测器环，至少一部分所述闪烁检测器的前表面、后表面或前表面和后表面具有非平面表面。
45.根据权利要求39-44中任一项所述的PET检测器环，对于至少一部分该闪烁检测器，该前表面不平行于该后表面。
46.根据权利要求39-45中任一项所述的PET检测器环，至少一部分所述闪烁检测器的前表面、后表面或前表面和后表面彼此独立地具有凹面形状或凸面形状。
47.根据权利要求46所述的PET检测器环，其中对于至少一部分所述闪烁检测器，该前表面是凹面的，且该后表面是凸面的。
48.根据权利要求46所述的PET检测器环，其中对于至少一部分所述闪烁检测器，该前表面是凸面的，且该后表面是凹面的。
49.根据权利要求39-48中任一项所述的PET检测器环，每个光敏区域面向该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域。
50.根据权利要求39-49中任一项所述的PET检测器环，所述多个光电检测器包括第一光电检测器，所述多个区域包括与该第一检测器进行光学通信的第一区域，且还包括：
波导、透镜、棱镜或反射镜，位于该第一区域和该第一光电检测器之间，被配置为将入射在该第一区域上的光耦合到该第一光电检测器。
51.一种用于确定伽马射线相互作用事件的相互作用位置的方法，所述伽马射线相互作用事件由于电磁辐射入射在衬底的前表面上而在衬底中发生，该方法包括：
用多个光电检测器检测来自伽马射线相互作用事件的光，所述伽马射线相互作用事件导致相应的多个电信号幅度，所述多个光电检测器中的每个光电检测器具有与该衬底的边缘表面的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信的相应的光敏区域，该边缘表面被定位在该衬底的前表面的前周界以及与该前表面相对的后表面的后周界之间；以及
基于所述多个电信号幅度和相应的区域来估计相互作用位置在该衬底的平面中的横向坐标。
52.根据权利要求51所述的方法中，该衬底是多个堆叠式闪烁体衬底中的一个堆叠式闪烁体衬底，每个堆叠式闪烁体衬底具有：(a)一个边缘表面；以及(b)多个光电检测器，所述光电检测器各自具有与该边缘表面的相应的多个区域中的一个区域进行光学通信的相应的光敏区域，该闪烁事件发生在所述多个闪烁体衬底中的一个闪烁体衬底中，该方法还包括：
从来自所述光电检测器的零电信号幅度和非零电信号幅度确定(i)所述多个衬底中的一个衬底以及(ii)在垂直于该衬底的该平面的方向上，闪烁事件的相关联的相互作用深度。
53.根据权利要求51或52所述的方法，估计步骤包括：
将所述多个电信号幅度与多个光电检测器在围绕衬底周界的相应的区域处的平均检测器响应函数进行比较。
54.根据权利要求51、52或53所述的方法，比较步骤包括：执行最大似然估计、最小二乘估计、迭代估计、LN范数比较和Anger方法中的至少一个。
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