闪烁晶体阵列探测器及采用该探测器的PET-MR系统

摘要

本发明提出一种提高可见光的接收效率的闪烁晶体阵列探测器，用于PET-MR成像系统。该闪烁晶体阵列探测器包括闪烁晶体阵列和雪崩光电二极管阵列。雪崩光电二极管阵列包括多个雪崩光电二极管子阵列，每一雪崩光电二极管子阵列包括多个雪崩光电二极管。闪烁晶体阵列包括多个闪烁晶体，每一闪烁晶体具有与多个雪崩光电二极管子阵列中的一个耦合的耦合面及多个与耦合面相邻的相邻面。闪烁晶体的多个相邻面中至少一个相邻面与耦合面之间成锐角，可以减少可见光在闪烁晶体内反射的次数，提高可见光的接收效率，进而保证PET-MR成像系统在图像重建时的图像质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于PET（Positron Emission Computed Tomography,正电 子发射计算机断层扫描）成像系统的闪烁晶体探测器，尤其涉及一种用于 PET-MR成像系统中的闪烁晶体阵列探测器及采用该闪烁晶体阵列探测器的 PET-MR系统。

背景技术

PET-MR成像系统（正电子发射计算机断层扫描-磁共振成像系统）是将 PET（Positron-Emission Computed Tomography,正电子发射断层扫描仪）与 MR(Magnetic Resonance,核磁共振扫描仪)技术融合而成的一种分子水平的功 能显像加结构显像的系统，其是借助于高场超导MR的高分辨率和PET的高灵 敏度实现解剖结构显像和功能成像的互补，实现MR的功能成像与PET功能成 像的强强联合与交叉验证，实现对一些复杂疾病的诊断与监控。

目前PET-MR系统发展有同室布置PET-MR系统、同机融合PET-MR系 统及异室布置PET-MR系统三种技术状态。针对同室布置PET-MR系统和同机 融合PET-MR系统而言，因目前PET成像系统采用的探测器大多是由如图1 所示的闪烁晶体阵列模块11与光电倍增管(Position Sensitive Photomultiplier  Tube,PSPMT)12耦合而成的，MR系统中的静态磁场和高频开关的梯度场会对 光电倍增管产生电磁干扰，影响PET系统的图像质量，进而影响PET-MR系统 的图像质量。

在PET-MR成像系统中采用了一种受磁场干扰较小的闪烁晶体阵列探测器 来减小MR系统对PET系统的电磁影响。该闪烁晶体阵列探测器采用位置灵敏 雪崩光电二极管(Position Sensitive Avalanche Photodiode，PSAPD)来适用强磁 场的环境，如图2所示。该闪烁晶体阵列探测器包括闪烁晶体阵列21及光耦 合至闪烁晶体阵列21上的片状的雪崩光电二极管阵列22。闪烁晶体阵列21是 由多个闪烁晶体31构成的，如图3A及图3B所示。每个闪烁晶体31均具有一 个光入射面31a及一个与雪崩光电二极管阵列22耦合的耦合面31b、31c。由 于闪烁晶体阵列21的闪烁晶体31呈长方体状设置，会使得由入射γ光在闪烁 晶体里诱导产生的特定波段400nm-550nm的荧光在传输过程中因光程过长而 耗损掉，进而造成闪烁晶体阵列探测器的光转换率降低，影响图像质量。

为解决上述问题，本发明提供一种改进的闪烁晶体阵列探测器及采用该闪 烁晶体阵列探测器的PET-MR成像系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高可见光的接收效率的PET系统用闪烁 晶体阵列探测器及采用该闪烁晶体阵列探测器的PET-MR成像系统。

为实现上述目的，本发明提出一种闪烁晶体阵列探测器，用于正电子发射 计算机断层扫描成像系统中，该闪烁晶体阵列探测器包括闪烁晶体阵列和雪崩 光电二极管阵列，所述雪崩光电二极管阵列包括多个雪崩光电二极管子阵列， 每一雪崩光电二极管子阵列包括多个雪崩光电二极管，所述闪烁晶体阵列包括 多个闪烁晶体，每一闪烁晶体具有与多个雪崩光电二极管子阵列中的一个耦合 的耦合面及多个与耦合面相邻的相邻面。其中所述闪烁晶体的多个相邻面中至 少一个相邻面与所述耦合面之间成锐角。

优选地，本发明进一步界定，所述耦合面为所述闪烁晶体的表面中面积最 大的面。

优选地，本发明进一步界定，所述闪烁晶体具有顶面、底面及连接顶面与 底面的多个侧面，所述耦合面为闪烁晶体的多个侧面中的一个侧面，位于闪烁 晶体的侧面的相邻面与所述耦合面之间形成的角度介于45~84度之间。

优选地，本发明进一步界定，所述闪烁晶体具有顶面、底面及连接顶面与 底面的多个侧面，所述耦合面为所述闪烁晶体的多个侧面中的一个侧面，位于 闪烁晶体顶面或底面的相邻面与所述耦合面之间形成的角度介于87~88度之 间。

优选地，本发明进一步界定，所述多个相邻面中至少一个面设有光反射膜。

优选地，本发明进一步界定，所述光反射膜通过粘贴、喷涂、化学沉积或溅 射镀膜的方式设于闪烁晶体的相邻面。

优选地，本发明进一步界定，所述雪崩光电二极管阵列呈片状，所述闪烁 晶体阵列中位于同一排的多个闪烁晶体的耦合面位于同一平面。

本发明还提出一种包括上述闪烁晶体阵列探测器的正电子发射-磁共振成像 系统。

本发明的闪烁晶体阵列探测器的闪烁晶体的耦合面与相邻面之间成锐角 设置，可以减少可见光在闪烁晶体内反射的次数，提高可见光的接收效率，进 而保证PET-MR成像系统在图像重建时的图像质量。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发 明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1所示为现有的一种PET成像系统用闪烁晶体阵列探测器示意性的立体 图。

图2所示为现有的一种PET-MR成像系统用的闪烁晶体阵列探测器的示意 性的立体图。

图3A为图2所示的闪烁晶体阵列探测器中的一种闪烁晶体的示意性的立 体图。

图3B为图2所示的闪烁晶体阵列探测器中的另一种闪烁晶体的示意性的 立体图。

图4所示为本发明的闪烁晶体阵列探测器的示意性的立体图。

图5为本发明闪烁晶体阵列探测器的雪崩光电二极管子阵列的示意性的电 路图。

图6为图4所示的闪烁晶体阵列探测器的闪烁晶体与反射膜的示意性的立 体分解图。

图7A为图6所示的闪烁晶体阵列探测器的闪烁晶体的示意性的立体图。

图7B为图7A所示的闪烁晶体阵列探测器的闪烁晶体的示意性的主视图， 其中闪烁晶体上未设反射膜。

图7C为图7A所示的闪烁晶体阵列探测器的闪烁晶体的示意性的俯视图， 其中闪烁晶体上未设反射膜。

图8A为本发明的闪烁晶体阵列探测器的闪烁晶体未进行倒角加工的示意 性的立体图。

图8B为本发明的闪烁晶体阵列探测器的闪烁晶体进行倒角加工后的示意 性的立体图。

图9A、图9B分别为光在现有的闪烁晶体阵列探测器的闪烁晶体及本发明 的闪烁晶体阵列探测器的闪烁晶体中传输的示意性的路径图。

具体实施方式

如图4至图6所示，本发明的闪烁晶体阵列探测器400，用于PET成像系 统或PET-MR成像系统，其包括闪烁晶体阵列410及与闪烁晶体阵列410耦合 的雪崩光电二极管阵列420。闪烁晶体阵列410由行（图4中x方向）和列（图 4中y方向）上的多个闪烁晶体401组成。每一闪烁晶体401均具有顶面、与 顶面相对设置的底面及若干连接顶面与底面的侧面。雪崩光电二极管阵列420 呈片状，用于和位于同一排的闪烁晶体（如401A-401H）耦合。雪崩光电二极 管阵列420可包括多个如图5所示的雪崩光电二极管子阵列421。如图5所示， 每一雪崩光电二极管子阵列421具有多个雪崩光电二极管D。

如图5所示，每个雪崩光电二极管子阵列421包括多个微电路单元422， 每一个微电路单元422包括一个雪崩光电二极管D（如D1,D2，...,Dn）和一个 淬灭电阻R（如R1,R2，...,Rn），加上反向偏压后，雪崩光电二极管工作在接 近击穿的状态下。当有光子打在闪烁晶体阵列探测器400的探测面上，雪崩光 电二极管D内部产生大量电子，输出一个电脉冲。这时为防止雪崩光电二极管 被击穿，其内部电阻导通，开始放电，雪崩光电二极管回到初始状态，等待下 一个光子打过来。各个微电路单元422被并联在一起，产生的电脉冲被累加起 来，形成电流输出，输出电流的大小能够反映入射光的强度。另外，经过信号 处理可以知道输出电流电流的来源，从而获得其耦合对应的闪烁晶体的信息。

请重点参阅图6、图7A、图7B及图7C所示，每一闪烁晶体401均具有 一个与雪崩光电二极管子阵列421耦合的耦合面401a及若干与耦合面401a相 邻的相邻面401b-401e。排列成同一排的多个闪烁晶体401（如401A-401H）的 耦合面401a位于同一平面。耦合面401a为闪烁晶体401表面中面积最大的面。 当将闪烁晶体401按图7A所示方向放置时，选定耦合面401a为闪烁晶体401 的侧面，闪烁晶体401位于顶面并与耦合面401a相邻的相邻面401b为光入射 面。当γ光从光入射面入射到闪烁晶体401内后，将被转换成可见光并在各个 相邻面401b-401e上反射，并最终射入耦合面401a。为了减少光在射入耦合面 401a之前在各个相邻面401b-401e间反射的次数，相邻面401b、401d与耦合 面401a之间夹角α介于45~84度之间。相邻面401c、401e与耦合面401a之间 的夹角β介于87~88度之间。在此，由于相邻面401c和401e较相邻面401b 和401d具有更大的面积，使其只需具有比90度略小的倾斜角即可。可以理解， 上述角度仅为举例目的，本领域技术人员可以在(0°,90°)的锐角范围内选取合理 的角度。一般而言，过小的角度（更接近0度）会降低单个闪烁晶体入射γ光 子的作用几率，而过大的角度（更接近90度），不能显著提升探测器效率。 对不同的闪烁晶体阵列探测器，合理的角度能够对探测效率有10%以上的提升。

相邻面401b-401e中的一个或多个面上以及与耦合面401a平行的表面401f 上设有光反射膜402，可以大幅度降低在闪烁晶体401内由入射γ光子作用产 生的可见光的透射损失，进而极大地提高闪烁晶体探测器400的探测效率。

本发明中的反射膜402也可由其他具有光反射性能的反射材料替换。为大 幅度降低可见光的透射损失，反射材料较佳的是高反射率的膜材料，尤其是对 350nm～550nm的光线有很高的反射率、很低的透射率和吸收率的材料。在一 实施例中，对垂直入射的可见光，反射膜的反射率最好大于90%。

下面详细介绍闪烁晶体阵列探测器的闪烁晶体的制造流程。首先提供多个 如图8A所示的呈长方体设置的闪烁晶体901。所述闪烁晶体901的侧面901a、 901c、901e、901f均呈矩形，顶面901b和底面901d也为矩形。侧面和顶面（或 底面）的长度比（宽度相同）在5:1以上。

接着选定闪烁晶体901的侧面901a为耦合面，并对与耦合面901a相邻的 的一个或多个相邻面901b-901e进行加工，以便加工出如图8B所示的倾斜的相 邻面901g-901j。其中相邻面901g、901i与耦合面901a之间的夹角α介于45~84 度之间、相邻面901h、901j与耦合面901a之间的夹角β介于87~88度之间。 加工的方法可以是进行精细研磨处理。在研磨过程中，闪烁晶体表面粗糙度在 几个微米左右。

接着在每一闪烁晶体901的除了耦合面901a以外的一个或多个面901g-901k 上覆盖反射材料。在许多情况下，反射材料的尺寸不一定需要和对应的面完全 吻合。也就是说，反射材料可只覆盖各个面的局部表面。在本发明的实施例中， 覆盖反射材料的方法包括粘贴，喷涂，化学沉积和溅射镀膜中的至少一种。

在单个闪烁晶体完成加工后，将多个闪烁晶体排列成一列，使各闪烁晶体 的耦合面位于同一平面，并将各雪崩光电二极管子阵列耦合到闪烁晶体的耦合 面上。最后，将多个闪烁晶体组合成闪烁晶体阵列。

图9A、9B为本发明的实施例与现有技术的闪烁晶体的光学性能的对比图。 在如图9A所示的现有闪烁晶体中，闪烁晶体中相同位置产生相同方向的可见 光线r，经过多次反射后依然不能到达耦合面1001。而在图9B所示的本发明 的闪烁晶体中，同样的可见光线r，经过一次反射后，就到达耦合面1002。

本发明的闪烁晶体阵列探测器400的闪烁晶体401的相邻面401b、401d 与耦合面401a之间的夹角α介于45~84度之间；相邻面401c、401e与耦合面 401a之间的夹角β介于87~88度之间，可减少光在闪烁晶体401内的反射次数， 使入射光尽快射至耦合面401a，进而提高闪烁晶体阵列探测器400的光接收效 率，减少光能耗散，进而尽快通过雪崩光电二极管D将光信号转换成电信号输 出，进而保证PET-MR成像系统在图像重建时的图像质量。可用于正电子发射 -磁共振成像系统，以提高系统中的探测器性能。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本 领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善， 因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。