專利名稱：快速輻射探測器的制作方法
快速輻射探測器本申請涉及輻射探測器。本發(fā)明尤其適用于正電子發(fā)射斷層攝影(PET)、單光子發(fā)射計算機斷層攝影(SPECT)和受益于使用相對較高速 電離輻射探測器的其他系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及受益于探測器部件改善的光譜 匹配的應(yīng)用?；陂W爍體的電離輻射探測器包括與光電探測器光學(xué)連通的閃爍體。 響應(yīng)于被探測器接收到的輻射，閃爍體產(chǎn)生具有相對較低能量的光子。所 產(chǎn)生的光子又被光電探測器接收，光電探測器產(chǎn)生表示所接收輻射的電信 號。閃爍探測器的性能受到各種因素影響，包括閃爍體和光電探測器的特 性。例如， 一般希望閃爍體在將期望能量的被接收輻射轉(zhuǎn)換成光子方面效 率相對較高。作為另一范例，在很多情況下閃爍體的速度可能會限制探測 器系統(tǒng)的最大計數(shù)速率和飛行時間探測器系統(tǒng)中的測量精度。閃爍探測器的性能還受到閃爍體和光電探測器之間交互作用的影響。 例如，通常選擇給定探測器系統(tǒng)中使用的閃爍體和光電探測器，使得光電 探測器對于閃爍體發(fā)射的波長(一個或多個)的光子較為敏感。不過，將 要認(rèn)識到，可用的閃爍體材料和光電探測器的相對性能特性可能對于給定 應(yīng)用而言不到最佳性能。閃爍探測器獲得廣泛接受的一種應(yīng)用是在正電子發(fā)射計算機斷層攝影 (PET)系統(tǒng)中。例如，在醫(yī)學(xué)中，醫(yī)學(xué)專業(yè)人士在疾病診斷和治療方面使 用來自PET掃描的信息。實際上，已經(jīng)使PET掃描儀對諸如癌癥和心臟病 的疾病診斷和治療以及諸如分子成像和治療的緊急領(lǐng)域中做出重要貢獻(xiàn)， 且預(yù)計其繼續(xù)會做出重要貢獻(xiàn)。在PET系統(tǒng)中，使用探測器探測引入患者解剖體內(nèi)的放射性示蹤劑衰 變導(dǎo)致的正電子湮沒的符合511千電子伏(keV) Y射線特征。PET系統(tǒng) 常規(guī)上使用與諸如光電倍增管(PMT)的光電探測器光學(xué)連通的諸如鍺酸鉍(BGO)或鉈激活碘化鈉(Nal: Tl)的閃爍體。使用掃描期間探測到的 來自很多次湮沒的信息來產(chǎn)生表示相關(guān)病理的圖像。近來，己經(jīng)有了相對較快的閃爍體，例如鈰激活的氧正硅酸镥(LSO) 和氧正硅酸镥釔(LYSO)。這些閃爍體通常具有大約30到70納秒(ns) 量級的閃爍衰變時間，被用在飛行時間PET掃描儀中，測量符合511keV Y 射線的到達(dá)時間差異。再將這一額外的飛行信息時間用于估計各種正電子 湮沒沿沿其相應(yīng)的符合線的位置?？梢詫w行時間掃描儀提供的額外位置 信息用于針對給定成像時間或示蹤劑劑量產(chǎn)生質(zhì)量相對較高的圖像。雖然如此，仍然有改進(jìn)的空間。對于飛行時間PET掃描儀而言或在其 他飛行時間探測系統(tǒng)中，例如，常常希望提高飛行時間測量的精度。在對 計數(shù)速率敏感的應(yīng)用中，在很多情況下可以使用相對更快的探測器來提高 最大計數(shù)速率。在其他情況下，可能希望改善閃爍體和光電探測器之間的 交互，或者在選擇閃爍體和/或光電探測器方面提供額外的靈活性。本申請的各個方面解決了這些問題和其他問題。根據(jù)一個方面， 一種設(shè)備包括閃爍體，所述閃爍體響應(yīng)于接收的輻射 產(chǎn)生光子；波長移動器，所述波長移動器具有從閃爍體接收光子的第一主 表面。波長移動器產(chǎn)生波長比所接收光子相對更長的光子。該設(shè)備還包括 與波長移動器可操作地連通的波長選擇性干涉濾波器以及與波長移動器的 第二主表面光學(xué)連通的光電探測器。光電探測器產(chǎn)生表示波長移動器產(chǎn)生 的光子的電信號。根據(jù)另一方面， 一種方法包括響應(yīng)于接收的電離輻射產(chǎn)生第一光子； 響應(yīng)于所述第一光子產(chǎn)生經(jīng)波長移動的光子；沿所述波長移動器的方向反 射第一光子和經(jīng)波長移動的光子中的至少一種；以及產(chǎn)生表示所述經(jīng)波長 移動的光子的電信號。根據(jù)另一方面， 一種設(shè)備包括閃爍體，其具有少于大約20到25ns的發(fā) 光衰變時間；光電探測器；以及在光學(xué)上設(shè)置在閃爍體和光電探測器之間 的光譜匹配器。光譜匹配器減小閃爍體產(chǎn)生的光子和光電探測器的光譜靈 敏度之間的光譜失配。在閱讀并理解以下詳細(xì)說明的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解本發(fā)明的其他方面。
本發(fā)明可以具體化成各種組件和組件布置以及各種步驟和步驟的布 置。附圖僅用于例示優(yōu)選實施例，不應(yīng)視為限制本發(fā)明。
圖l是輻射探測器的截面圖2示出了輻射探測器；
圖3示出了正電子發(fā)射斷層攝影設(shè)備。
參考

圖1，輻射探測器100包括閃爍體102，閃爍體102響應(yīng)于在探測 器的輻射敏感面106接收的電離輻射104而產(chǎn)生閃爍光子。閃爍體102產(chǎn) 生的光子的能量低于輻射104的能量，發(fā)射光子的光子發(fā)射譜以及(因此) 光譜特性是選擇用于閃爍體102的材料的函數(shù)。在很多情況下，相對較快 的閃爍體材料表現(xiàn)出在光譜的紫外(UV)或深UV (DUV)部分中的峰值 光子發(fā)射，例如短于大約350納米(nm)。
諸如一個或多個光電倍增管(PMT)、光電二極管或硅光電倍增管 (SiPM)的光電探測器IIO產(chǎn)生表示光電探測器接收的光子的電信號。在 一種實現(xiàn)方式中，光電探測器100在一般長于閃爍體的光子發(fā)射譜的波長 處具有最高靈敏度，例如在光譜的可見部分中(即大約400到700nm之間) 和/或在光譜的近紅外部分中(即在直到大約1100nm的波長處)。
在閃爍體104和光電探測器110之間設(shè)置波長移動器或下變頻器112。 波長移動器112接收閃爍體104產(chǎn)生的相對較短波長的光子并產(chǎn)生相對較 長波長的光子，以便由光電探測器110探測。
設(shè)置在閃爍體102和波長移動器112之間的第一波長選擇性濾波器114 允許閃爍體102產(chǎn)生的波長的光子通過第一濾波器114到達(dá)波長移動器 112，同時將波長移動器112產(chǎn)生的波長的光子反射回波長移動器112。設(shè) 置在波長移動器112和光電探測器110之間的第二波長選擇性濾波器116 允許波長移動器112產(chǎn)生的波長的光子通過第二濾波器116到達(dá)光電探測 器110，同時將閃爍體102產(chǎn)生的波長的光子反射回波長移動器112。
可以基于應(yīng)用特異性要求，例如要探測的輻射104的能量或能量范圍、 所需的探測器100的速度、性能和成本等選擇用于閃爍體102、光電探測器110、波長移動器112和濾波器114、 116的適當(dāng)材料及其性質(zhì)。在一個這種 范例中， 一種特定的閃爍體材料102 (或這種材料的類)由于其速度、發(fā)光 效率、阻擋能力、物理或機械性質(zhì)或其他特性而可以尤其適用于給定應(yīng)用。 作為另一個范例，光電探測器110可以具有適用于該應(yīng)用的速度、效率或 其他特性。實際上，在一些情況下可能希望優(yōu)化特定閃爍體102或光電探 測器110的設(shè)計或閃爍體102/光電探測器110組合的設(shè)計，以滿足特定應(yīng) 用的要求。
不過，閃爍體102的光子發(fā)射譜和另一適當(dāng)光電探測器110的光譜靈 敏度之間的對應(yīng)關(guān)系可能欠佳。因此，可以配置波長移動器112來減輕光 譜的失配。類似地，可以基于閃爍體102、波長移動器112和/或光電探測 器110的光譜特性選擇濾波器114、 116的性能特性。盡管通?？梢灶A(yù)期濾 波器114、 116會更有效地利用來自閃爍體102的光子，但也可以省略濾波 器114、 116之一或兩者。
在適用于高速511keV Y幅射探測器的一種示范性實現(xiàn)方式中，閃爍體 102包括將鑭系元素用作激活離子的陶瓷氧化物或鹵化物，鑭系元素例如是 鈰(Ce)、鐠(Pr)或釹(Nd)中的至少一種。當(dāng)峰值光子發(fā)射位于深紫外(DUV) 區(qū)域大約200到300nm之間時，Ce3+、 Pr3+和Nd3+離子的d-f發(fā)射的特 征衰變時間例如在大約10和20ns之間。因此，通?？梢灶A(yù)期摻雜了這些材 料的閃爍體具有相對較快的發(fā)光衰變時間，例如不到大約20到25ns。這種 閃爍體也可以具有不到大約lns的發(fā)射上升時間，在一些情況下具有不到 500皮秒(ps)的發(fā)射上升時間。
光電探測器110在電磁波譜的可見部分中具有最高靈敏度，對于閃爍 體102產(chǎn)生的DUV光子相對不敏感。
波長移動器112包括陶瓷薄膜轉(zhuǎn)換器，將閃爍體104發(fā)射的DUV光子 轉(zhuǎn)換成可見光。更具體而言，波長移動器包括嵌入于多孔陶瓷材料中的諸 如有機染料分子的有機材料。盡管有機閃爍伴通常能夠相對較快且有效地 發(fā)光，但在暴露于DUV輻射時它們可能不穩(wěn)定。因此，可以將有機材料嵌 入陶瓷或其他無機層中，它們改善了轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定性。
無機層可以包括其中并入了有機材料的沸石或其他多孔材料。適當(dāng)材 料的另一個范例包括分層材料，例如通過插入在其中并入了有機材料的粘土質(zhì)礦物。
有機發(fā)光轉(zhuǎn)換器應(yīng)當(dāng)具有不到大約lns，優(yōu)選不到500ps的衰變時間， 以實現(xiàn)飛行時間PET中良好的定時特性。
還可以構(gòu)造探測器和轉(zhuǎn)換層，使得轉(zhuǎn)換層可移除地附著到探測器且可 以容易更換。這降低了對有機轉(zhuǎn)換器光穩(wěn)定性的要求。
此外，轉(zhuǎn)換層還可以包括有機層，該有機層包含有機發(fā)光轉(zhuǎn)換器。
可以將第一和第二濾波器114和116實現(xiàn)為干涉濾波器。這種濾波器 通常包括多層具有不同折射率的電介質(zhì)材料(例如相對較高和較低折射率 的交替層)，基于期望的濾波器特征和分別由閃爍體和有機轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的光 子的能量差異選擇各層的數(shù)量和特性。在本范例中，第一濾波器114將被 配置成相對透射由閃爍體102產(chǎn)生的DUV光子，而通常反射由波長移動器 112產(chǎn)生的可見光子。類似地，第二濾波器116將被配置成相對透射可見光 子，而一般反射DUV光子。
想到了一些變化。例如，圖1示出各層102、 110、 112、 114、 116大致 平坦，其主表面處于光學(xué)連通狀態(tài)。盡管為了例示簡單，各層被示為具有 均勻厚度，但各層的相對厚度可以變化。在一個這種范例中，可以預(yù)期閃 爍體102具有比濾波器114、 116或其他層更大的厚度。
圖2中示出了另一種示范性探測器100的配置。如圖所示，將濾波器 114、 116、波長移動器112和光電二極管110設(shè)置到閃爍體102的第一側(cè) 202，第一側(cè)202基本垂直于探測器100的接收面106。由諸如鉛、鉭等適 當(dāng)材料制造的輻射屏蔽204將各部件與入射輻射104屏蔽開。也可以在閃 爍體的第二側(cè)206、第三側(cè)208、第四側(cè)210和其他側(cè)中的一個或多個上涂 布或以其他方式覆蓋對閃爍體102發(fā)射的波長的光子進(jìn)行反射的材料。也 可以將各部件112、 112、 116、 116、 IIO定位于各側(cè)中的一個或多個上。
還要注意，波長移動器112可以距閃爍體102相對較遠(yuǎn)地設(shè)置，或者 光電探測器110可以距波長移動器112相對較遠(yuǎn)地定位，在其間插置適當(dāng) 的光導(dǎo)管或其他光學(xué)透射器件。
也可以基于應(yīng)用特異性要求選擇輻射接收面106的面積，并相應(yīng)地構(gòu) 造探測器100。為了提高空間分辨率，例如，可以將閃爍體102、濾波器114、 116以及波長移動器112配置為與密集堆積的或其他陣列的相對較大光電探測器iio光學(xué)連通的多個相對較小探測器部分。
對于計算機斷層x射線攝影(CT)或其他x射線探測應(yīng)用而言，在光 譜中的例如綠色部分發(fā)光的熒光體與在紅外(IR)區(qū)域具有峰值靈敏度的 光電二極管光學(xué)連通。在這種情況下，將波長移動器112配置成減小它們 間的光譜失配。
當(dāng)然，以上范例是非限制性的，可以想到其他配置、材料和應(yīng)用。 現(xiàn)在將結(jié)合圖3描述操作。
在302，閃爍體102產(chǎn)生能量相對低于探測器100接收的輻射104的能 量的光子。
波長移動器112產(chǎn)生經(jīng)波長移動的光子，經(jīng)波長移動的光子的波長比 閃爍光子的波長更長。
在探測器包括第二濾波器116的情況下，在步驟306將到達(dá)第二濾波 器116的至少一些閃爍光子反射回波長移動器112。
在探測器包括第一濾波器114的情況下，在步驟308將到達(dá)第一濾波 器114的至少一些經(jīng)波長移動的光子反射回光電探測器110。
在310，由光電探測器110探測經(jīng)波長移動的光子。
圖4示出了利用諸如上文所述的探測器100的示范性醫(yī)學(xué)飛行時間 PET成像系統(tǒng)400。如圖所示，PET系統(tǒng)400包括掃描架402和多個圍繞檢 查區(qū)域408大致設(shè)置成圓柱或環(huán)形布置的探測器100。
對象支撐416支撐著要在檢查區(qū)域408中成像418的患者病人或其他 對象。對象支撐416有利地可配合PET系統(tǒng)100的操作相對于檢查區(qū)域408 活動，以便幫助定位對象418并根據(jù)需要允許在多個分立或連續(xù)移動的軸 向位置上掃描對象418。
在典型的PET成像檢查中，向患者418的解剖體內(nèi)引入適當(dāng)?shù)闹T如 FDG的正電子發(fā)射示蹤劑。隨著示蹤劑衰變，產(chǎn)生正電子。在所謂的正電 子湮沒事件中所產(chǎn)生的正電子與電子反應(yīng)，由此產(chǎn)生符合的一對511 keV .Y射線，該Y射線沿著基本沿符合線452相反的方向行進(jìn)。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)420產(chǎn)生表示由探測器100探測的各種Y光子的信息。 這種數(shù)據(jù)可以包括諸如探測到Y(jié)光子的位置、光子能量、接收到光子的時 間等信息。符合/飛行時間探測器422從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)420接收信息并識別表示正 電子湮沒事件的時間上并發(fā)的Y光子，且測量符合光子的飛行時間，從而 為各種湮沒事件產(chǎn)生飛行時間數(shù)據(jù)。
重建器429例如利用適當(dāng)?shù)牡蚍治鲋亟ㄋ惴ㄖ亟ㄊ录?shù)據(jù)以產(chǎn)生 表示探測到的湮沒的圖像數(shù)據(jù)。
工作站計算機充當(dāng)操作控制臺428，并包括諸如監(jiān)視器或顯示器的人類 可讀輸出器件以及諸如鍵盤和/或鼠標(biāo)的輸入器件?？刂婆_128上駐留的軟 件允許操作員通過建立期望的掃描協(xié)議、發(fā)起和終止掃描、觀察和以其他 方式操縱圖像數(shù)據(jù)以及以其他方式與掃描儀400交互來控制掃描儀400的 運行。
盡管圖4重點放在了 PET系統(tǒng)，系統(tǒng)400還可以包括一個或多個額外 的成像設(shè)備，例如在混合PET/CT、 PET/MR中或其他系統(tǒng)中。還要認(rèn)識到， 圖4是探測器100的一種應(yīng)用的非限制性范例，也可以想到必需要探測非 符合輻射或除511 keV Y輻射之外的輻射的其他醫(yī)學(xué)和非醫(yī)學(xué)應(yīng)用。 一個 這樣的范例是放射性材料探測系統(tǒng)，例如對于安全檢查應(yīng)用中使用的掃描 儀來說。
已經(jīng)參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。在閱讀和理解前述詳細(xì)說明的前 提下，其他人可以想到各種修改和變化。只要修改和變化落入所附權(quán)利要 求或其等價要件的范圍內(nèi)，本發(fā)明意在被視為包括所有這種修改和變化。
權(quán)利要求
1、一種設(shè)備，其包括閃爍體(102)，所述閃爍體響應(yīng)于接收的輻射產(chǎn)生光子；波長移動器(112)，其具有從所述閃爍體接收光子的第一主表面，其中，所述波長移動器產(chǎn)生波長比所接收光子相對更長的光子；波長選擇性干涉濾波器(114，116)，其與所述波長移動器可工作地連通；光電探測器(110)，其與所述波長移動器的第二主表面光學(xué)連通，其中所述光電探測器產(chǎn)生表示由所述波長移動器產(chǎn)生的光子的電信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述波長選擇性干涉濾波器(114) 設(shè)置在所述閃爍體和所述波長移動器之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述波長選擇性干涉濾波器(116) 設(shè)置在所述波長移動器和所述光電探測器之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述閃爍體在大約200到350nm 之間的波長處具有峰值光子發(fā)射。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述光電探測器在大約400到 1100nm之間具有峰值靈敏度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述閃爍體包括從包括釹和鐠 的組中選擇的激活劑。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述閃爍體具有少于大約25ns 的發(fā)光衰變時間。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述波長移動器包括有機發(fā)光2材料。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述波長移動器具有少于lns 的發(fā)射衰變時間。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括圍繞檢查區(qū)域(408)設(shè)置成大 致圓柱形布置的多個探測器。
11、 一種方法，其包括響應(yīng)于接收的電離輻射(104)產(chǎn)生第一光子； 響應(yīng)于所述第一光子產(chǎn)生經(jīng)波長移動的光子；沿波長移動器的方向反射第一光子和經(jīng)波長移動的光子中的至少一種；產(chǎn)生表示所述經(jīng)波長移動的光子的電信號。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，產(chǎn)生第一光子包括產(chǎn)生光譜 深紫外部分中的光子，并且產(chǎn)生波長移動的光子包括產(chǎn)生光譜可見部分中 的光子。
13、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，產(chǎn)生第一光子包括產(chǎn)生光譜 可見部分中的光子，并且產(chǎn)生經(jīng)波長移動的光子包括產(chǎn)生光譜紅外部分中 的光子。
14、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，反射包括利用波長選擇性干 涉濾波器(114)沿光電探測器(110)的方向反射所產(chǎn)生的經(jīng)波長移動的 光子。
15、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括沿所述波長移動器的方向反射 已通過波長移動器(112)的所產(chǎn)生的第一光子。
16、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，包括測量所接收的電離輻射的飛行 時間。
17、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，所接收的電離輻射包括表示 正電子湮沒的輻射，且所述方法包括使用迭代重建算法來產(chǎn)生表示所述正 電子湮沒的圖像數(shù)據(jù)。
18、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，產(chǎn)生第一光子包括利用鑭系 元素激活的陶瓷閃爍體(102)產(chǎn)生閃爍光子。
19、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，產(chǎn)生經(jīng)波長移動的光子包括 使用陶瓷薄膜轉(zhuǎn)換器(112)產(chǎn)生所述經(jīng)波長移動的光子，其中，所述陶瓷 薄膜轉(zhuǎn)換器包括有機染料。
20、 一種設(shè)備，其包括閃爍體(102),其具有少于大約20到25ns的發(fā)光衰變時間； 光電探測器(110);在光學(xué)上設(shè)置在所述閃爍體和所述光電探測器之間的光譜匹配器 (112)，其中，所述光譜匹配器減小所述閃爍體產(chǎn)生的光子和所述光電探 測器的光譜靈敏度之間的光譜失配。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述閃爍體產(chǎn)生深紫外光子， 并且所述光電探測器對電磁波譜的可見部分中的光子敏感。
22、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中，所述閃爍體摻雜有鐠、釹或鈽。
23、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，包括在光學(xué)上設(shè)置在所述光譜匹配 器和所述光電探測器之間的干涉濾波器(116)。
24、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中，所述光譜匹配器可輕易更換。
全文摘要
一種輻射探測器(100)包括閃爍體(102)、波長移動器(112)和光電探測器(110)。閃爍體(102)產(chǎn)生第一相對較短波長，例如紫外或深紫外波長的閃爍光子。光電探測器對光譜可見部分中的光子敏感。波長移動器減小閃爍體(102)和光電探測器(110)之間的光譜失配。
文檔編號G01T1/20GK101578534SQ200780049107
公開日2009年11月11日 申請日期2007年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
發(fā)明者C·R·龍達(dá) 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司