專利名稱：用于使用單片檢測器檢測和成像輻射的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及檢測和成像系統(tǒng)，并且更具體涉及用于使用單片檢測器檢測和成像輻射的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在核醫(yī)療領(lǐng)域，在病人注射放射藥物后，病人身體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或功能的圖像通過使用成像系統(tǒng)產(chǎn)生，以檢測從體內(nèi)發(fā)射的輻射。作為典型的方式，成像系統(tǒng)使用一個或更多基于閃爍器的檢測器以檢測輻射。計算機系統(tǒng)通常控制檢測器以獲得數(shù)據(jù)，并且隨后處理獲得的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生圖像。核醫(yī)療成像技術(shù)包括單光子發(fā)射計算機斷層掃描[Single-Photon Emission Computed Tomography(SPECT)]和正電子發(fā)射斷層掃描[Positron Emission Tomography(PET)]。SPECT成像是基于從身體發(fā)射的單伽馬射線的檢測，而PET成像是基于伽馬射線對的檢測，該射線對由于電子-正電子湮滅在相反方向同時發(fā)射。因此，PET成像通常稱為“同時”成像。至少一些已知核醫(yī)療成像系統(tǒng)使用基于檢測器的小數(shù)目例如兩個的單片或連續(xù)閃爍器晶體。其它已知系統(tǒng)使用由許多閃爍晶體的格網(wǎng)組成的檢測器，有時稱為“塊檢測器”如許多專用的PET系統(tǒng)。
在核醫(yī)療成像系統(tǒng)中，能夠?qū)Ω咔逦群透蠓秶鷪D像質(zhì)量起作用一個因素是閃爍塊的光學(xué)分割，特別是由于大體積閃爍器需要成本效率高的制作過程。作為典型的方式，為了充分控制光學(xué)光子傳播模式，PET閃爍檢測器使用一些象素或分割等級，從而獲得2D位置分辨率。已知帶分割晶體的PET檢測塊在分辨率方面可以被自然地限制為晶體的尺寸，作為典型的方式，其用于人體臨床掃描器的該晶體為4-8mm。為了獲得3D分辨率，一些已知的PET檢測器既在伽馬射線進(jìn)入面又在該射線射出面檢測伽馬相互作用閃爍器的光；當(dāng)這個技術(shù)可以潛在地達(dá)到3D分辨時，這些檢測器仍然利用分割的閃爍器晶體，并且因此，它們的分辨率受到成本效率高地制造小閃爍器晶體塊的能力的限制。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，提供一種使用單片檢測器檢測和成像輻射的方法。該方法包括提供單片閃爍器以與入射輻射相互作用，并且在相互作用的位置產(chǎn)生許多光子，光學(xué)地將許多光傳感器連接至單片閃爍器以檢測在相互作用位置產(chǎn)生的光子，并且配置每個光傳感器，從而傳送表示每個光傳感器檢測到的光量，表示光傳感器相對于相互作用位置覆蓋的立體角，以及表示用于確定相互作用的三維位置的閃爍器光學(xué)傳遞特性的信號。
在另一方面，提供通過在相互作用位置發(fā)生的閃爍現(xiàn)象(event)來檢測和成像入射輻射的輻射檢測器。該檢測器包括具有許多表面的單片閃爍器和許多光傳感器，其中閃爍器產(chǎn)生許多用于各輻射作用的光子，各光傳感器分別光學(xué)連接至所述用于確定相互作用的三維位置的表面。


圖1是示范性的正電子發(fā)射斷層掃描系統(tǒng)的透視圖。
圖2是示范性的檢測器的部分分解圖，該檢測器可用于示于圖1的系統(tǒng)。
圖3示出了示范性的檢測器，該檢測器包括光學(xué)連接至單個光傳感器的單個單片閃爍器晶體。
圖4示出檢測器的另一示范性實施例，該檢測器包括光學(xué)連接至兩相對的光傳感器的單個的單片閃爍器晶體。
圖5示出檢測器的示范性實施例，該檢測器包括光學(xué)連接至兩相對的光傳感器和至第三光傳感器的單個單片閃爍器晶體，各光傳感器光學(xué)連接至在兩相對的光傳感器間延伸的晶體表面。
圖6示出檢測器的示范性可替換實施例，該檢測器包括光學(xué)連接至三個彼此相鄰的光傳感器的單個單片閃爍器晶體。
圖7是示于圖6的檢測器中的示范性閃爍現(xiàn)象圖。
具體實施例方式
正電子是貝塔(β+)粒子，該正電子在某些可使用回旋加速器或其它裝置制備的放射性核素的衰變中放射。最經(jīng)常用于診斷成像的放射性核素為氟-18(18F)、碳-11(11C)、氮-13(13N)、和氧-15(15O)放射性核素通過將其與例如氯脫氧葡萄糖(FDG)或二氧化碳等物質(zhì)結(jié)合，作為稱作“放射藥物”的放射性示蹤劑使用。對于放射藥物的一個平常的使用是在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。
在成像過程中，放射藥物可以注射入病人體內(nèi)，在體內(nèi)該放射藥物在待成像的器官、脈管或其它感興趣的身體部分中積聚。已知特定放射藥物在某些器官中變得集中或，在脈管的情況中，該特定放射藥物將不會由脈管壁吸收。積聚過程通常包括如葡萄糖代謝、脂肪酸代謝和蛋白質(zhì)合成等過程。在下文中，為了簡化這個解釋，包括脈管的待成像器官通常稱為“感興趣器官”，并且本發(fā)明將相對假定的感興趣器官進(jìn)行描述。
在放射藥物在感興趣器官中變得集中后，并且當(dāng)放射性核素衰變，該放射性核素發(fā)射正電子。在正電子遭遇電子前，該正電子行進(jìn)非常短的距離，并且，當(dāng)正電子遭遇電子時，該正電子湮滅并轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子，或伽馬射線(gamma rays)。湮滅現(xiàn)象通過有關(guān)醫(yī)學(xué)成像，并且特別是有關(guān)使用光子發(fā)射斷層掃描[photon emission tomography(PET)]的醫(yī)學(xué)成像的兩個特性顯示其特征。第一，每個伽馬射線在湮滅上具有約511keV的能量。第二，兩條伽馬射線指向基本上相反的方向。
在PET成像中，如果湮滅的位置能夠在三維確定，那么在感興趣器官中的放射藥物集中的三維圖像能夠為觀察而重建。為了檢測湮滅位置，使用PET相機。典型的PET相機包括許多檢測器和處理器，該處理器包括重合檢測電路。
重合電路主要確定對應(yīng)于檢測器的同時脈沖對，該檢測器主要在成像區(qū)的對邊上。該同時脈沖對顯示湮滅發(fā)生在相關(guān)的一對檢測器間的直線上。在幾分鐘的收集期間記錄了數(shù)百萬的湮滅，每個湮滅與唯一的檢測器對相關(guān)。在收集期間后，記錄的湮滅數(shù)據(jù)可以用于重建感興趣器官的三維圖像。
作為這里使用的在前沒有數(shù)詞限定的元件或步驟應(yīng)當(dāng)理解為不排除單數(shù)或復(fù)數(shù)的元件或步驟，除非明確地表達(dá)出這種排除。此外，提及的本發(fā)明的“一個實施例”不意味排除也結(jié)合所述技術(shù)特征的其它另外作為在這里使用的短語“重建圖像”不意味排除代表圖像的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的實施例，也不排除可視圖像。因此，作為在此使用的術(shù)語“圖像”廣義地既表示可視圖像，代表可視圖像的數(shù)據(jù)，又表示可以用于以不能轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢晥D像形式的關(guān)于放射性核素分布的推斷的數(shù)據(jù)。然而，許多實施例產(chǎn)生(或設(shè)置成產(chǎn)生)至少一個可視圖像。
圖1是示范性的正電子發(fā)射斷層掃描系統(tǒng)10的透視圖。該系統(tǒng)10包括臺架12，該臺架連接至基座16支撐的U形固定架14。為診斷成像操作的許多檢測器20位于環(huán)22上的圓柱形陣列中，該檢測器20的面設(shè)定用于接收病人身體25的預(yù)定部分的圓柱形開口24。從檢測器20的信號輸出傳輸?shù)接糜诜治龊惋@示的監(jiān)測站26。該站26包括計算機，該計算機用于處理傳輸?shù)男盘枺栽诙鄠€檢測器20的觀察區(qū)內(nèi)產(chǎn)生病人的斷層掃描圖像。系統(tǒng)10包括病床28，該病床包括滑座30，用于將病人25的選定身體部分移入和移出開口24。在掃描期間，病人25可以定位在檢測器20的圓柱形陣列的中心軸29上。這種幾何安置使那些從病人25內(nèi)部的正電子輻射可以撞擊多個用于產(chǎn)生PET掃描數(shù)據(jù)的檢測器20。
圖2是檢測器20的部分分解圖，該檢測器可用于系統(tǒng)10(示于圖1)。在典型的實施例中，檢測器20包括單片閃爍器晶體200。在此使用的單片是指閃爍器檢測器沒有被物理分割，并且由貫穿晶體的基本上單個閃爍器檢測器構(gòu)成。在一個實施例中，光學(xué)傳遞特性通過晶體體積變化，從而第一部分與各部分間沒有物理分界面的晶體的第二部分相比具有不同的光學(xué)傳遞特性。在另一個實施例中，光學(xué)傳遞特性可以通過晶體200連續(xù)地變化。同樣地，自然地形成光發(fā)散作用，開最優(yōu)化閃爍器光學(xué)傳遞和不需要物理分割閃爍器的表面特性的閃爍器制作技術(shù)，可以用于單片閃爍器200中，以方便檢測由輻射相互作用產(chǎn)生的光和定位在三維中相互作用的位置。第一光傳感器204光學(xué)連接至閃爍器200的第一表面。第二光傳感器206光學(xué)連接至閃爍器200的第二表面。一般地，連接至閃爍器200的光傳感器可以是位置敏感型和/或非位置敏感型。在示范性的實施例中，光傳感器204為位置敏感雪崩光電二極管(PSAPD)。同樣地，光傳感器204基于從相互作用接受的光子能夠確定相互作用的位置的x-y坐標(biāo)。結(jié)合連接至晶體200不同表面的許多光傳感器204的輸出，可以確定z坐標(biāo)，或相互作用的位置的晶體200中的深度。在可替換的實施例中，光傳感器204為非位置敏感雪崩光電二極管。通過比較來自每個非位置敏感APD 204的輸出信號的相對強度，可以確定相互作用的位置的三維定位。在另一個可替換實施例中，光傳感器204為非位置敏感光電二極管。在其它可替換實施例中，光傳感器204可以既包括位置敏感也包括非位置敏感光傳感器類型。在另外可替換的實施例中，光傳感器204可以光學(xué)連接至閃爍器200的任何數(shù)量的面中的一個面，從而如果該光子沒有由閃爍器材料或在閃爍器表面吸收，那么來自各輻射相互作用的光子可以由至少一個光傳感器204檢測。
圖3-6是單片閃爍器檢測器20的許多典型實施例的示意圖，該檢測器可以用于系統(tǒng)10(圖1中示出)。圖3示出檢測器20，在一個實施例中該檢測器包括單個的單片閃爍器晶體200，單片閃爍器晶體200光學(xué)連接至單個的光傳感器204。圖4示出檢測器20的另一典型實施例，該檢測器包括光學(xué)連接至兩相對的光傳感器204的單個的單片閃爍器晶體200。在可替換實施例中，光傳感器204光學(xué)連接至晶體200的鄰近表面。圖5示出檢測器20的典型實施例，該檢測器包括光學(xué)連接至兩相對的光傳感器204的單個的單片閃爍器晶體200，和光學(xué)連接至晶體200的表面的第三光傳感器204，該晶體在兩相對的光傳感器204間延伸。圖6示出檢測器20的可替換的典型實施例，該檢測器包括光學(xué)連接至彼此相鄰的三個光傳感器204的單個的單片閃爍器晶體200。在其它可替換實施例中，晶體200的另外的表面光學(xué)連接至光傳感器，例如，但不限于四、五、六、或更多表面。另外，晶體200僅僅通過例子的方式表示為基本上呈立方體形，應(yīng)當(dāng)知道該晶體200可以包括任何數(shù)量的表面，其中，任何數(shù)量的表面可以連接至光傳感器。
圖7是檢測器200中典型的閃爍作用700的圖。入射的伽馬射線702通過晶體200的許多表面中的一個進(jìn)入該晶體200。伽馬射線702可以源自PET成像系統(tǒng)中的正電子-電子湮滅，可以源自CT成像系統(tǒng)中的X射線(x-ray)源，可以源自在伽馬射線攝影機系統(tǒng)中的放射藥物，或可以是從其它源放射性衰變的結(jié)果。伽馬射線702與產(chǎn)生一個或更多光子的閃爍器材料相互作用，該光子從相互作用的位置704發(fā)射。然后各光子通過閃爍器材料傳播，在該材料中光子可以分散或完全吸收。到達(dá)外表面，如晶體200的表面706、表面708、和/或表面710的各光子可以撞擊光學(xué)連接至表面706、708、和710的許多光傳感器中的一個，例如分別為光傳感器712、714、和716。在典型的實施例中，各光傳感器為位置敏感APD 204。在可替換實施例中，各光傳感器為非位置敏感光傳感器。撞擊光傳感器712、714、和716的光子在各光傳感器712、714、和716中產(chǎn)生信號，該信號與撞擊光子的強度成比例，并且由各自的峰718、720、和722代表。撞擊各檢測器的光子通量強度表現(xiàn)為各響應(yīng)峰718、720、和722下的相關(guān)區(qū)域，并且與產(chǎn)生它的相互作用的位置的定位，和閃爍器材料的體積和表面光學(xué)傳遞特性相關(guān)。
伽馬射線相互作用的三維點由分別連接至表面706、708、和710的光傳感器712、714、和716上的相關(guān)信號確定。來自相互作用現(xiàn)象的光子到達(dá)光傳感器712、714、和716的概率由兩個基礎(chǔ)現(xiàn)象決定，即在各晶體體積中光的衰減(吸收和散射)，或和晶體200的端或側(cè)面相互作用中光的透射或吸收。由各光傳感器712、714、和716收集的光的數(shù)量決定由那些光傳感器產(chǎn)生的電信號的大小，并且對通過相對于相互作用的位置704的那些光傳感器覆蓋的立體角和閃爍器材料的光學(xué)傳遞特性敏感。如果相互作用的位置704靠近傳感器712發(fā)生，那么由光傳感器712產(chǎn)生的信號將增強，并且光傳感器714和716上的信號將減弱。在其它實施例中，利用覆蓋閃爍器200的3-6個側(cè)面的非位置靈敏傳感器，通過以沒有任何晶體分割的光傳感器的響應(yīng)為基礎(chǔ)的成三角的相互作用位置，來開發(fā)該立體角靈敏度。在其它實施例中，位置靈敏光傳感器在檢測器20中實現(xiàn)。由位置靈敏光傳感器提供的另外的信息用于便于改善撞擊重建清晰度，和/或便于減少光學(xué)連接至光傳感器的閃爍器200的側(cè)面的數(shù)量。在其它實施例中，表面和體閃爍器的光學(xué)傳遞特性隨立體角靈敏度一起開發(fā)，以便于改善和/或最優(yōu)化相互作用定位，和/或便于減少光學(xué)連接至光傳感器的閃爍器200的側(cè)面的數(shù)量。
雖然討論了關(guān)于PET成像系統(tǒng)的上述單片檢測器，但是該檢測器可以用于除PET外的需要閃爍塊的領(lǐng)域，例如，但不限于，核醫(yī)療學(xué)、手持成像探測器、CT檢測器、骨密度檢測計，和其它領(lǐng)域。
當(dāng)提供更簡單的不需要將單獨的晶體切成方塊和磨光的塊體設(shè)計(block design)時，上述單片檢測器是成本效率高的和高可靠元件，該元件用于使用單片檢測器檢測和成像輻射。更具體地，這里描述的方法和裝置便于使閃爍塊保持非分割，以節(jié)省成本并實現(xiàn)更高清晰度的檢測器。另外，上述方法和裝置便于采用新穎的閃爍器制作技術(shù)，該技術(shù)自然地形成光傳播功能，以及閃爍器光學(xué)傳遞特性和表面特性最優(yōu)化而不需要物理分割閃爍器，并且能夠使用當(dāng)前認(rèn)為不符合PET產(chǎn)品性能需求的閃爍器。結(jié)果，這里描述的方法和裝置便于以成本效率高和可靠的方式降低核成像系統(tǒng)的制造和材料成本。
雖然依據(jù)各個特定實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將知道本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的修改。
權(quán)利要求
1.一種輻射檢測器(20)，該檢測器用于通過發(fā)生在相互作用的位置(704)的閃爍現(xiàn)象(700)檢測入射輻射，所述檢測器包括包括多個表面(706、708、710)的單片閃爍器(200)，所述閃爍器產(chǎn)生用于各輻射相互作用的多個光子；和多個光傳感器(712、714、716)，各光傳感器光學(xué)連接至所述用于確定相互作用的三維位置的相應(yīng)表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于，所述閃爍器包括由閃爍器材料形成的主體，所述主體具有多個基本上平的表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于，所述閃爍器包括單片閃爍器，以與入射輻射相互作用，所述閃爍器包括閃爍塊幾何尺寸、形狀，和確定的至少一個光學(xué)傳遞特性，以便于使用于檢測相互作用的三維位置的閃爍器最優(yōu)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測器，其特征在于，所述多個平表面分別光學(xué)連接至相應(yīng)的光傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于，所述多個光傳感器為非位置敏感的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于，所述多個光傳感器為位置敏感的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于，所述許多光傳感器為非位置敏感雪崩光二極管(APD)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于，所述許多光傳感器為位置敏感APD(PSAPD)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于，所述兩相鄰表面分別光學(xué)連接至相應(yīng)的光傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測器，其特征在于三個所述表面，四個所述表面，五個所述表面，和六個所述表面中的至少一個分別光學(xué)連接至相應(yīng)的光傳感器。
全文摘要
提供一種用于使用單片檢測器(20)檢測輻射的方法。該方法包括提供單片閃爍器(200)以與入射輻射相互作用，并且在相互作用的位置(704)產(chǎn)生許多光子，光學(xué)地將多個光傳感器(712、714、716)連接至單片閃爍器以檢測在相互作用位置產(chǎn)生的光子，并且使各光傳感器發(fā)送表示每個光傳感器檢測到的光量，表示光傳感器相對于相互作用位置覆蓋的立體角，以及表示用于確定相互作用的三維位置的閃爍器光學(xué)傳遞特性的信號。
文檔編號A61B6/00GK1550211SQ20041004321
公開日2004年12月1日 申請日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月14日
發(fā)明者J·W·勒布蘭克, F·H·揚森, R·A·湯普森, J W 勒布蘭克, 揚森, 湯普森 申請人:通用電氣公司