專利名稱：一種正電子掃描成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輻射成像探測(cè)技術(shù)范圍，特別涉及一種正電子掃描成像裝置。
背景技術(shù)：
目前在正電子掃描成像(PET)輻射成像領(lǐng)域里，普遍采用的高位置分辨面陣探測(cè)器，通常為半導(dǎo)體或晶體位置靈敏探測(cè)器。這些探測(cè)器本身工藝和技術(shù)復(fù)雜、不易做成大面積探測(cè)器、配套電子學(xué)路數(shù)多且價(jià)格昂貴，這些因素都制約了它們?cè)诖竺娣e、大立體角PET中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種正電子掃描成像裝置(PET)，這種裝置由一對(duì)或多對(duì)兩兩相對(duì)設(shè)置的二維面陣位置靈敏輻射探測(cè)器A、A’、B、B’……構(gòu)成。輻射源為被檢物體內(nèi)部正負(fù)電子對(duì)湮滅后發(fā)射出的反向運(yùn)動(dòng)的光子對(duì)。一對(duì)或多對(duì)探測(cè)器單元系統(tǒng)的有效探測(cè)空間構(gòu)成了整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)的靈敏區(qū)，被測(cè)物體位于探測(cè)系統(tǒng)的靈敏區(qū)。
所述二維面陣輻射探測(cè)器的結(jié)構(gòu)是由絕緣絲隔開的單層或多層等厚的工作氣體空間構(gòu)成，即在PCB板8上設(shè)置具有X、Y二維電荷收集能力的信號(hào)收集絲11、添加有金屬原子的阻性材料板9、絕緣絲7及金屬電極板10。在絕緣絲7、和兩塊阻性材料板9之間為工作氣體層。
所述工作氣體為氟利昂和異丁烷的混合氣體，或者是氟利昂、異丁烷和六氟化硫的混合氣體，或者是甲烷和二氧化碳的混合氣體。
所述探測(cè)器選擇為平面構(gòu)造或曲面構(gòu)造。
所述為增加探測(cè)器單元對(duì)較高能量γ射線的探測(cè)效率，將多層這種探測(cè)器工作單元結(jié)構(gòu)疊加在一起，使得工作氣隙為一層、兩層、甚至幾百層。
所述每層工作氣隙的厚度為100微米～3毫米。
所述阻性材料的電阻率為105Ω·cm-1013Ω·cm，阻性材料的厚度為200微米到4毫米，并且其表面要求平整。
所述阻性材料為玻璃、陶瓷或電木。
所述為增加探測(cè)器對(duì)γ光子射線的探測(cè)效率，在探測(cè)器整塊金屬板10的表面附著一層重金屬材料鉛，這層鉛的厚度從10微米到3毫米。
所述為提高探測(cè)器的探測(cè)效率，單獨(dú)或同時(shí)把阻性材料9換成含重金屬鉛的阻性材料。其中含重金屬鉛的比例為10％-70％。
所述探測(cè)器系統(tǒng)的有效探測(cè)面積為從幾平方厘米到幾平方米。由相對(duì)布置的每一對(duì)探測(cè)器組的面陣決定。
所述每一個(gè)探測(cè)單元設(shè)計(jì)成幾平方厘米大小，或達(dá)到幾平方米大小的面積，甚至更大；利用這些探測(cè)單元，搭建成具有不同探測(cè)靈敏區(qū)域和不同探測(cè)器覆蓋立體角的探測(cè)器系統(tǒng)。
所述信號(hào)收集絲為金屬線條，一種二維信號(hào)收集絲11的布置方式為把一個(gè)方向的金屬線條放在PCB板8上，另一方向的金屬線條附著在阻性材料9表面，這兩組信號(hào)收集絲相鄰，并用絕緣材料分開。
本發(fā)明的探測(cè)器系統(tǒng)具有特點(diǎn)第一個(gè)特點(diǎn)就是有效探測(cè)面積大，由于采用大面積的面陣探測(cè)器系統(tǒng)，在檢測(cè)被檢物體時(shí)，可以在很大的立體角范圍內(nèi)測(cè)量和掃描被檢物體全部區(qū)域的圖像，可以大大縮短被檢物體掃描時(shí)間，提高檢測(cè)效率。
第二個(gè)特點(diǎn)是探測(cè)器時(shí)間相應(yīng)快，探測(cè)器死時(shí)間短，可以承受高頻率的射線輻照，從而大大縮短成像時(shí)間，提高系統(tǒng)的工作效率。同時(shí)探測(cè)器系統(tǒng)極高的時(shí)間分辨本領(lǐng)(小于100ps)可以測(cè)量到正電子淹沒的區(qū)域，從而大大降低了本底水平，極大地提高成像質(zhì)量。
第三個(gè)特點(diǎn)是探測(cè)器系統(tǒng)采用氣體探測(cè)器單元搭建而成，具有成本低、性能穩(wěn)定、易于維護(hù)等特點(diǎn)。該探測(cè)器的第四個(gè)特點(diǎn)是可以做成大覆蓋區(qū)域的全系統(tǒng)掃描系統(tǒng)，例如人體全身掃描系統(tǒng)，對(duì)輻射的測(cè)量效率高，可以大大縮短掃描時(shí)間。


圖1為用于探測(cè)511keV γ光子輻射的二維輻射位置靈敏探測(cè)器系統(tǒng)。
圖2為用于探測(cè)511keV γ光子輻射的二維面陣輻射探測(cè)器單元的典型構(gòu)造圖。
圖3為圖2的D部放大圖。
圖4為覆蓋面大的人體全身PET掃描裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明為一種正電子掃描成像裝置(PET)，如圖1所示用于探測(cè)511keVγ光子輻射的二維輻射位置靈敏探測(cè)器系統(tǒng)示意圖。該裝置由相對(duì)設(shè)置的二維面陣位置靈敏輻射探測(cè)器A(1)和靈敏輻射探測(cè)器A’(3)、靈敏輻射探測(cè)器B(2)和靈敏輻射探測(cè)器B’(4)構(gòu)成。輻射源為被檢物體內(nèi)部正負(fù)電子對(duì)湮滅后發(fā)射出的反向運(yùn)動(dòng)的光子對(duì)(6)；一對(duì)或多對(duì)探測(cè)器單元系統(tǒng)的有效探測(cè)空間構(gòu)成了整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)的靈敏區(qū)，被測(cè)物體位于探測(cè)系統(tǒng)的靈敏區(qū)(5)內(nèi)(如圖4所示)；本實(shí)施例為2對(duì)。
下面分別對(duì)構(gòu)成探測(cè)器系統(tǒng)的幾個(gè)主要部分進(jìn)行原理性描述。
1、二維面陣輻射探測(cè)器，圖2所示為用于探測(cè)輻射的二維面陣輻射探測(cè)器單元靈敏探測(cè)區(qū)域的一種典型構(gòu)造，圖中繪出多層工作氣體結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中可以調(diào)整探測(cè)器的層數(shù)。所述探測(cè)器靈敏探測(cè)單元由絕緣絲7隔開的單層或多層等厚的工作氣體空間構(gòu)成，工作氣體成分可以有多種選擇，通常包括氟利昂和異丁烷等氣體。構(gòu)成每一層工作氣體的兩個(gè)表面分別是表面平整的整塊金屬板10和具有X、Y二維電荷收集能力的信號(hào)收集絲11，信號(hào)收集絲11和整塊金屬板10分別附在PCB板8的表面(如圖3所示)，信號(hào)收集絲11構(gòu)成的二維電荷收集表面與整塊金屬板10表面相對(duì)放置。在整塊金屬板10上加載正或負(fù)的工作高壓，在具有X、Y二維電荷收集能力的信號(hào)收集絲構(gòu)成的平面上保持地電位或加載工作高壓，使兩個(gè)表面構(gòu)成的氣隙空間中維持很高的電場(chǎng)強(qiáng)度。為了減少電極之間的放電，在具有X、Y二維電荷收集能力的信號(hào)收集絲平面上、整塊金屬板電極表面上、或全部?jī)烧叩南鄬?duì)表面上粘貼具有較高電阻率(電阻率可以從105Ω·cm-1013Ω·cm)的表面平整的阻性材料9(例如玻璃、陶瓷或電木等)。根據(jù)不同的材料特性，這些阻性材料的厚度可以從200微米到4毫米變化。入射的γ光子射線6通過與工作氣體或構(gòu)成氣隙的探測(cè)器結(jié)構(gòu)材料相互作用，產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子(主要是電子)，能量足夠高的次級(jí)電子在工作氣體中進(jìn)一步電離出正負(fù)離子對(duì)(正離子和電子)。由于這些氣隙中維持有很高的電場(chǎng)強(qiáng)度，這些正負(fù)離子對(duì)在電場(chǎng)的作用下分離，分別向負(fù)正兩個(gè)電極平面運(yùn)動(dòng)，這些帶電粒子在運(yùn)動(dòng)的過程中不斷將其路徑上的氣體電離，產(chǎn)生更多的次級(jí)帶電粒子，即產(chǎn)生了氣體放大。大量的這些帶電粒子在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)在兩邊的極板上感應(yīng)出電荷信號(hào)。可以利用整塊金屬極板上收集到的感應(yīng)信號(hào)來判斷是否有粒子入射到該工作氣體層，利用具有X、Y二維電荷收集能力的信號(hào)收集絲上收集到的信號(hào)得到入射粒子在X、Y平面上的精確入射位置。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射粒子的位置信息的探測(cè)。
基于上述構(gòu)思，在探測(cè)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，可以有很多選擇。為了增加探測(cè)器單元對(duì)較高能量γ光子射線的探測(cè)效率，可以將多層這樣的工作單元結(jié)構(gòu)疊加在一起，使得工作氣隙為一層、兩層、甚至幾百層。為了提高探測(cè)器位置測(cè)量精度，每層工作氣隙的厚度可以在100微米到3毫米的范圍內(nèi)變化。當(dāng)然也可以在兩個(gè)金屬電極10平面中間加設(shè)由多層阻性材料9分割得到的等厚的多個(gè)靈敏氣體層，這樣可以提高入射粒子的探測(cè)效率。通常構(gòu)成工作氣隙的結(jié)構(gòu)材料為PCB板基材或柔性PCB板8基材(通常為聚酰氬胺)或其他高電阻率材料。為了增加探測(cè)器對(duì)γ光子射線的探測(cè)效率，可以在探測(cè)器整塊金屬板10的表面附著一層重金屬材料，例如鉛，這層鉛的厚度可以從幾十微米到幾毫米。同樣，為了提高探測(cè)器的探測(cè)效率，也可以單獨(dú)或同時(shí)把阻性材料換成含鉛等重金屬的阻性材料。為了結(jié)構(gòu)上或加工工藝上的方便，具有X、Y二維電荷收集能力的金屬線條平面可以設(shè)計(jì)成X、Y方向線條相互垂直或按照一定角度相交并由很薄的絕緣材料分割開，或X、Y方向信號(hào)收集條平行設(shè)置，只是在部分區(qū)域兩兩交叉。同樣原理的信號(hào)收集絲也可以設(shè)計(jì)為只把一個(gè)方向的信號(hào)收集絲放在這層極板上，另一方向的信號(hào)收集絲附著在阻性材料表面，這兩組信號(hào)絲相鄰，并用絕緣材料分開。
每一個(gè)探測(cè)單元可以根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)成幾平方厘米大小，或達(dá)到幾平方米大小的面積，甚至更大?？梢岳眠@些探測(cè)單元，搭建成具有不同探測(cè)靈敏區(qū)域和不同探測(cè)器覆蓋立體角的探測(cè)器系統(tǒng)。
在圖4所示的覆蓋面大的人體全身PET掃描裝置示意圖中人體放在靈敏探測(cè)區(qū)內(nèi)，輻射探測(cè)器配套電子學(xué)系統(tǒng)放置在每一對(duì)探測(cè)器組單元后面，將獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和圖像重建系統(tǒng)，然后予以圖像顯示。每一對(duì)探測(cè)器組單元數(shù)量根據(jù)探測(cè)器系統(tǒng)靈敏探測(cè)區(qū)域的大小或?qū)嶋H要求調(diào)整。探測(cè)器根據(jù)實(shí)際要求可以調(diào)整有效探測(cè)面積，從幾平方厘米到幾平方米均可。探測(cè)器根據(jù)實(shí)際需要，可以選擇平面構(gòu)造或曲面構(gòu)造(如圖4所示中陰影部分)。
2、輻射探測(cè)器配套電子學(xué)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)輻射探測(cè)器系統(tǒng)不同通道收集到的信號(hào)經(jīng)過電荷或電流靈敏前置放大器、主放大器以及甄別成形和數(shù)字化后被實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)記錄以便在線或離線數(shù)據(jù)分析。電子學(xué)系統(tǒng)也可以滿足記錄每一電子學(xué)通道信號(hào)時(shí)間信息的功能。
3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和圖像重建系統(tǒng)探測(cè)器每一電子學(xué)通道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被記錄下來后，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后符合得到每一對(duì)入射511keVγ射線在相對(duì)的探測(cè)器組平面(或曲面)上分別對(duì)應(yīng)的X、Y方向的位置，以及511keVγ射線是和哪層工作氣體相互作用等位置信息。由于某一單個(gè)探測(cè)器每一個(gè)靈敏探測(cè)氣體間隙產(chǎn)生的氣體雪崩電荷在一條或多條信號(hào)收集條上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，可以采用電荷重心法得到入射粒子的精確位置。
上述探測(cè)器系統(tǒng)具有約幾十ps量級(jí)的極高時(shí)間分辨率，因此該裝置可以利用每對(duì)探測(cè)器測(cè)量得到的入射粒子的時(shí)間差這一信息，得到正電子發(fā)射的分布區(qū)域。在數(shù)據(jù)處理和圖像重建中傳統(tǒng)圖像重建算法只是考慮相對(duì)探測(cè)器上入射粒子位置的連線上所有點(diǎn)取為相同權(quán)重，增大了本底水平。本專利所述探測(cè)器測(cè)量得到的時(shí)間信息使得在圖像重建時(shí)在相對(duì)探測(cè)器組測(cè)量入射粒子位置的連線上按照時(shí)間差取其可能分布，而不是按相同權(quán)重計(jì)算。
上述探測(cè)器系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)寬度比現(xiàn)在常用的晶體探測(cè)器窄，因而在實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)應(yīng)的探測(cè)器組兩探測(cè)器的信號(hào)符合時(shí)間窗可以很窄，盡可能降低因?yàn)榕既环蠋淼谋镜子?jì)數(shù)。
由于上述探測(cè)器的快時(shí)間特性，可以利用相對(duì)探測(cè)器測(cè)量到信號(hào)的時(shí)間差來獲取輻射源的較為準(zhǔn)確的位置分布，因此可以利用這樣的探測(cè)器系統(tǒng)測(cè)量大型物體的正電子掃描圖像，例如可以制成覆蓋面大的人體全身PET掃描裝置。
4、圖像顯示和控制系統(tǒng)圖像顯示和控制系統(tǒng)包括不同參數(shù)、不同成像質(zhì)量的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)二維、三維圖像的顯示，便于在線檢查被檢物的狀況，同時(shí)控制系統(tǒng)可以調(diào)整探測(cè)器與被檢物體之間的相對(duì)位置，便于測(cè)量不同區(qū)域的正電子湮沒情況。
權(quán)利要求
1.一種正電子掃描成像裝置，其特征在于，該裝置由一對(duì)或多對(duì)兩兩相對(duì)設(shè)置的二維面陣位置靈敏輻射探測(cè)器A、A’、B、B’構(gòu)成；輻射源為被檢物體內(nèi)部正負(fù)電子對(duì)湮滅后發(fā)射出的反向運(yùn)動(dòng)的光子對(duì)；一對(duì)或多對(duì)探測(cè)器單元系統(tǒng)的有效探測(cè)空間構(gòu)成了整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)的靈敏區(qū)，被測(cè)物體位于探測(cè)系統(tǒng)的靈敏區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述二維面陣輻射探測(cè)器的結(jié)構(gòu)是由絕緣絲隔開的單層或多層等厚的工作氣體空間構(gòu)成，即在PCB板(8)上設(shè)置具有X、Y二維電荷收集能力的信號(hào)收集絲(11)、添加有金屬原子的阻性材料板(9)、絕緣絲(7)及金屬電極板(10)；在絕緣絲(7)、金屬電極板(10)和信號(hào)收集絲(11)之間為工作氣體層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述工作氣體為為氟利昂和異丁烷組成的混合氣體，或由氟利昂、異丁烷和六氟化硫組成的混合氣體，或由氬氣和二氧化碳組成的混合氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述探測(cè)器選擇為平面構(gòu)造或曲面構(gòu)造。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述為增加探測(cè)器單元對(duì)較高能量γ射線的探測(cè)效率，將多層這探測(cè)器工作單元結(jié)構(gòu)疊加在一起，使得工作氣隙為一層、兩層、甚至幾百層。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述每層工作氣隙的厚度為100微米～3毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述阻性材料是電阻率為105Ω·cm-1013Ω·cm的玻璃、陶瓷或電木；阻性材料的厚度為200微米到4毫米，并且其表面必須平整。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述為增加探測(cè)器對(duì)γ光子射線的探測(cè)效率，在探測(cè)器整塊金屬板的表面附著一層重金屬材料鉛，這層鉛的厚度從幾十微米到幾毫米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述為提高探測(cè)器的探測(cè)效率，單獨(dú)或同時(shí)把阻性材料換成含重金屬鉛的阻性材料；其中含重金屬鉛的比例為10％-70％。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述探測(cè)器系統(tǒng)的有效探測(cè)面積為從幾平方厘米到幾平方米；由相對(duì)布置的每一對(duì)探測(cè)器組的面陣決定。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述每一個(gè)探測(cè)單元設(shè)計(jì)成幾平方厘米大小，或達(dá)到幾平方米大小的面積，甚至更大；利用這些探測(cè)單元，搭建成具有不同探測(cè)靈敏區(qū)域和不同探測(cè)器覆蓋立體角的探測(cè)器系統(tǒng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述正電子掃描成像裝置，其特征在于，所述信號(hào)收集絲(11)為金屬線條，把一個(gè)方向的金屬線條放在PCB板(8)上，另一方向的金屬線條附著在阻性材料(9)表面，這兩組信號(hào)收集絲相鄰，并用絕緣材料分開。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于成像探測(cè)技術(shù)范圍的一種正電子掃描成像裝置。由一對(duì)或多對(duì)兩兩相對(duì)設(shè)置的二維面陣位置靈敏輻射探測(cè)器構(gòu)成。輻射源為被檢物體內(nèi)部正負(fù)電子對(duì)湮滅后發(fā)射出的反向運(yùn)動(dòng)的光子對(duì)。一對(duì)或多對(duì)探測(cè)器單元系統(tǒng)的有效探測(cè)空間構(gòu)成了整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)的靈敏區(qū)，被測(cè)物體位于探測(cè)系統(tǒng)的靈敏區(qū)；其二維面陣輻射探測(cè)器的結(jié)構(gòu)是由絕緣絲隔開的單層或多層等厚的工作氣體空間構(gòu)成。本發(fā)明由于采用大面積的面陣探測(cè)器系統(tǒng)，具有有效探測(cè)面積大，可以承受高頻率的射線輻照，從而大大縮短成像時(shí)間，降低了本底水平，極大地提高成像質(zhì)量，探測(cè)器系統(tǒng)采用氣體探測(cè)器單元搭建而成，具有成本低、性能穩(wěn)定、易于維護(hù)等特點(diǎn)；提高系統(tǒng)的工作效率和檢測(cè)效率。
文檔編號(hào)A61B6/00GK1920595SQ200610089230
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2006年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月10日
發(fā)明者岳騫, 程建平, 李元景 申請(qǐng)人:清華大學(xué)