用于硅光电倍增管和其他单光子计数器的温度补偿电路

摘要

一种PET扫描器(8)，包括围绕成像区域(12)的探测器模块(10)环。每个探测器模块包括至少一个探测器像素(24、34)。每个探测器像素包括闪烁体(20、30)，该闪烁体光学耦合至在Geiger模式下在击穿区域中偏置的一个或多个传感器APD(54)。传感器APD响应于来自闪烁体的、与单个入射辐射光子相对应的光而输出脉冲。也在Geiger模式下在击穿区域中偏置的参考APD(26、36)被光学屏蔽于光并输出温度相关信号。至少一个温度补偿电路(40)基于温度相关信号而调整施加至传感器APD的偏置电压。

说明书

本发明涉及核辐射探测器领域。其特别与用于诸如单光子发射计算机 断层摄影(SPECT)成像器、正电子发射断层摄影成像器、平面X射线成 像器等的采用辐射透射或放射性药物的核医学成像器的辐射探测器一起应 用，并且，将特别对其进行参考而描述。将意识到，本发明还可以应用于 其他辐射成像模态，并且，可以应用于诸如天文学和机场行李筛查的采用 辐射探测器的系统及方法中。

在单光子发射计算机断层摄影(SPECT)中，将放射性药物施予至成 像受试者，并且，一般被称为伽马相机的一个或多个辐射探测器用于探测 经由由于放射性衰变事件而引起的辐射发射的放射性药物。典型地，每个 伽马相机包括辐射探测器阵列和设置在辐射探测器阵列的前面的蜂窝式准 直器。蜂窝式准直器定义直线或小角度锥形视线，从而所探测的辐射包括 投影数据。如果伽马相机遍及角度视野的范围而移动，例如，遍及180°或 360°的角度范围，那么，能够使用滤波反投影、期望最大化或另一成像技 术来将得到的投影数据重建成成像受试者中的放射性药物分布的图像。有 利地，能够将放射性药物设计为集中在所选择的组织中，以提供那些所选 择的组织的优先成像。

在正电子发射断层摄影(PET)中，将放射性药物施予至成像受试者， 其中，放射性药物的放射性衰减事件产生正电子。每个正电子与电子相互 作用，以产生发射两个相对指向的伽马射线的正电子-电子湮没事件。使用 符合探测器电路，围绕成像受试者的辐射探测器阵列环探测与正电子-电子 湮没相对应的符合的相对指向的伽马射线事件。连接两个符合探测的响应 线(LOR)包含正电子-电子湮没事件的位置。这样的响应线与投影数据相 似并且，能够重建以产生二维或三维图像。在飞行时间PET(TOF-PET) 中，两个符合γ射线事件的探测之间的微小的时间差用于沿着LOR(响应 线)定位湮没事件。

在平面X射线成像中，辐射源照射成像受试者，并且，设置在成像受 试者的相对侧的辐射探测器阵列探测透射的辐射。由于成像受试者中的组 织对辐射的衰减，因此所探测的辐射提供成像受试者中的骨骼或其他硬的 辐射吸收结构的二维平面表示。这样的基于透射的成像在透射计算机断层 摄影成像中得到了改进，在透射计算机断层摄影成像中，使X射线管或其 他辐射源绕成像受试者旋转，以提供遍及扩展的角度范围的透射视角或投 影数据，例如，遍及180°或360°的跨度的角度视角。使用滤波反投影或另 一图像重建技术，将辐射投影数据重建成二维或三维图像表示。

SPECT、PET以及其他基于辐射的医学成像所共有的一个需求为紧凑 且鲁棒的辐射探测器模块。这样的辐射探测器模块也在诸如天文学和行李 筛查的其他区域中使用。过去，SPECT和PET辐射探测器模块典型地包括 与闪烁体晶体光学耦合的光电倍增管(PMT’s)的阵列。闪烁体晶体将所吸 收的辐射粒子转换成由光电倍增管测量的光爆发。光电倍增管稳定，并提 供高增益(～10⁶)特性，但光电倍增管庞大，易碎，要求高电压，并且， 对磁场非常敏感。在某些辐射探测系统中，光电倍增管已被产生与光爆发 的强度成比例的模拟信号的光电二极管取代。虽然光电二极管在高光情形 下提供光电倍增管的具有成本效益的低电压的替代物，但光电二极管在低 光(低伽马射线通量)感测应用中未提供足够的增益，因而导致较差的信 噪比。

为了解决这些困难，已开发硅光电倍增管(SiPM)探测器，该探测器 将光电倍增管的高增益和稳定性与模拟光电二极管的具有成本效益且低电 压的性质一起并入。SiPM探测器使用各自光学耦合至相应的闪烁晶体的小 雪崩光电二极管(APD)的像素化阵列。APD在击穿区域中偏置。在该区 域中，APD变得对单载波敏感。这些载波、电子和/或空穴能够是热生成的， 因而导致引起噪声的暗计数，或者，是通过二极管的敏感区域中的单个或 多个光子的吸收而光生成的。电子和空穴这两者都能够启动二极管的击穿， 从而产生强输出信号。在击穿事件之后，定位成接近每个二极管的无源或 有源充电电路将二极管重新设置成敏感状态。在模拟SiPM中，输出信号 包括大量无源猝灭的二极管的累积电荷。相反，数字SiPM单独地基于电 压脉冲而探测击穿事件，其中，电压脉冲由逻辑门数字化，并且，由定位 成接近APD的数字计数器计数。

在数字Geiger模式下，APD响应于来自相应的闪烁晶体中的辐射事件 的光的光子而击穿，并且，产生输出脉冲。对用作二元1’s的输出脉冲进行 计数，以确定由撞击相应的闪烁体的辐射事件而生成的光子的数量。该光 子计数与所探测的辐射事件的能量相对应。

虽然对单个光子事件敏感，但每个APD的击穿电压受到运行温度的影 响。假设是在恒定的偏置条件下，则温度引起的击穿电压的漂移导致相应 的过电压的变化。光子探测受到过电压的变化的影响，因为：(1)在击穿 期间产生的电荷脉冲与二极管电容和过电压的乘积成比例，并且，(2)过 电压确定设备内侧的场强，因而导致光子探测概率的漂移。将所探测的光 子作为测量的电荷信号计数的模拟SiPM受到这两个因素的影响，并且， 变得对温度非常敏感。相反，在电压感测数字SiPM中，电压脉冲必须超 过将被探测的门级阈值，并且，所以，该类型的SiPM仅受到光子探测概 率的漂移的影响。然而，光子探测概率的漂移仍然可能降低探测器的能量 分辨率。由于暗电流率(DCR)每8℃加倍，为了减少传感器的噪声(DCR) 且避免由于APD中的温度变化而导致的误差，因而作出提议以冷却探测器。 对于空气冷却，穿过探测器而提供空气流动通道增加了体积。即使利用空 气冷却，也可能发生温度波动。液体冷却可能更有效，但增加了系统复杂 性。即使利用液体冷却，也可能发生某些波动。

本申请预期克服上面提及的问题及其他的新的且改进的核成像探测器 模块装置及方法。

根据一个方面，提供一种用于在诊断成像中使用的辐射探测器模块。 该模块具有至少一个探测器像素，每个探测器像素包括闪烁体，闪烁体光 学耦合至在Geiger模式下在击穿区域中偏置的一个或多个雪崩光电二极 管。传感器雪崩光电二极管配置为响应于来自闪烁体的、与单个入射辐射 光子相对应的光而输出脉冲。至少一个参考探测器配置为输出温度相关信 号。至少一个温度补偿电路配置为基于温度相关信号而调整施加至传感器 雪崩光电二极管的偏置电压。

根据另一个方面，提供一种PET扫描器。该扫描器包括围绕成像区域 的如上所述的多个辐射探测元件。符合探测器探测成对的所探测的辐射事 件，并且，确定与符合对相对应的响应线。重建处理器将响应线重建成图 像表示。

根据另一个方面，提供一种补偿辐射探测器的温度变化的方法。从传 感器雪崩光电二极管生成输出脉冲，该传感器雪崩光电二极管响应于来自 相关联的闪烁体的、令一个或多个传感器雪崩光电二极管击穿的光而在 Geiger模式下在击穿区域中偏置。根据传感器雪崩光电二极管的所感测的 温度而生成温度相关信号。基于温度相关信号而调整施加至传感器雪崩光 电二极管的偏置电压。

根据另一个方面，提供一种制作辐射探测器模块的方法。形成雪崩光 电二极管的阵列。将阵列的传感器雪崩光电二极管与闪烁体光学耦合。在 与传感器雪崩光电二极管相同的过程中将阵列的参考雪崩光电二极管形成 于同一衬底上。将参考雪崩光电二极管光学屏蔽。将参考雪崩光电二极管 与调整施加至传感器光电二极管的偏置电压的温度补偿电路连接。

一个优点在于由于探测器像素和参考雪崩光电二极管的热等量环境而 改进温度稳定性。

在阅读并理解下列详细的说明的基础上，更进一步的优点和益处将对 本领域普通技术人员显而易见。

本申请可以采取各种构件和构件的布置的形式，并且，可以采取各种 步骤和步骤的安排的形式。附图仅出于图解说明优选实施例的目的，并且， 不被解释为限制本申请。

图1示意地示出采用温度补偿电路的透射辐射系统；

图2示出具有参考二极管的辐射探测器模块的一个实施例的横截面视 图；

图3示出探测器模块之一的另一实施例的横截面视图；

图4是示出温度补偿电路之一的一般控制图；

图5示出辐射探测器模块的一个物理布局实施例的横截面视图，其中， 传感器APD和参考APD设置在光电二极管层中，并且，温度补偿电路和 数字电路设置在与光电二极管层分开并与光电二极管层电耦合的数字电路 层中；

图6示出具有传感器APD、参考APD以及温度补偿电路的辐射探测器 模块的另一个实施例的透视图；

图7示出辐射探测器模块的另一实施例的透视图，其中，参考APD设 置为与每个像素的角相邻；以及，

图8示出辐射探测器模块的另一实施例的透视图，其中，参考APD设 置在单个像素内的传感器APD之间的间隙中。

参考图1，PET或其他辐射断层摄影扫描器8包括取向为从成像区域 12接收辐射的多个辐射探测器模块10。在图1中，辐射探测器模块10布 置在沿着轴向方向的若干个相邻的环中；然而，能够使用辐射探测器模块 的其他布置。此外，将意识到，示意地图解说明多个辐射探测器模块10； 典型地，辐射探测器模块10安置在断层摄影扫描器8的壳体14内并且因 而不可从外侧看见。典型地，每个环包括数百或数千个辐射探测器模块10。 在一些扫描器中，仅提供辐射探测器模块10的单个环，在其他扫描器中， 提供辐射探测器模块10的高达五个或更多个环。应当意识到，能够使用探 测器头，以代替在图1中显示的探测器环结构。断层摄影扫描器8包括用 于将对象或人类患者定位在成像区域12中的受试者支撑16。任选地，支撑 16可沿与辐射探测器模块10的环大致垂直的轴方向线性地移动，以促进遍 及延长的轴向距离的三维成像数据的采集。

参考图2，像素化探测器模块10包括闪烁晶体20或其他闪烁体的阵列。 闪烁体被选择为以闪烁爆发的快速时间衰减提供对诱导辐射的高阻止能 力。一些合适的材料包括LSO、LYSO、MLS、LGSO、LaBr、CsI(Ti)以及 它们的混合物。应当意识到，能够使用其他闪烁体材料。光导22将闪烁体 晶体连接至与探测器像素24相对应的有源APD的阵列(例如，1000×1000 的阵列)。诸如参考APD的参考探测器26安装在有源探测器像素24中。 在所图解说明的实施例中，像素和参考APD形成于共同的衬底28上。响 应于被辐射撞击，闪烁体晶体发射爆发的光子。光子撞击探测器像素的 APD，令它们被击穿并发射脉冲。脉冲具有促进时间分辨率的尖前缘。当 辐射事件稀疏时，对来自每个APD的脉冲进行计数，并且，总和指示所接 收到的辐射量。将其输出结合以创建仍具有尖前缘的单个较高的幅度脉冲。

参考图3，在Anger逻辑的实施例中，每个探测器模块10’包括闪烁体 30，在诸如伽马辐射的辐射撞击闪烁体30时，该闪烁体30产生闪烁或光 的爆发。光的爆发由光导32传播至与每个探测器像素34相对应的若干个 APD。诸如APD的参考探测器36在共同的衬底38上形成于探测器像素光 电二极管中。在稀疏的辐射状况下，每个辐射事件令闪烁体晶体发射光的 若干个光子。接收光子的APD触发击穿并生成脉冲。根据生成脉冲的像素 的模式，能够使用Anger逻辑来确定闪烁事件的位置。

参考APD 26、36设置在相邻的探测器像素24、34之间的间隙中。参 考APD 26、36被屏蔽于由闪烁体生成的光子。屏蔽物能够是设置为使参考 APD 26、36屏蔽于光的金属或其他遮光罩。在一个实施例中，单个参考 APD与探测器模块的每个像素相关联并设置为与该像素相邻。在另一个实 施例中，多个参考APD 26、36布置为围绕单个像素的周边。参考APD的 输出值协同使用，以便进行准确的温度补偿。

传感器APD是在Geiger模式操作类型中偏置的合适的硅雪崩光电二极 管(APD)。该操作模式包括利用大于击穿电压的偏置电压来将APD反向 偏置，从而由于碰撞电离导致单光子能够触发自维持的雪崩电流。每个光 子106的数量级个电子的雪崩电流将继续流动，直到利用猝灭电路来降低偏 置电压为止，从而使传感器光电二极管恢复至运行状态。在一个实施例中， 猝灭电路是包括单个猝灭电阻的无源猝灭电路，该猝灭电阻由于大负载两 端的电压降而使得雪崩电流自猝灭。在将电压偏置降低至低于击穿电压之 后恢复，从而允许APD返回至运行或就绪状态。在另一个实施例中，由有 源猝灭电路减少缓慢恢复时间或死区时间，在该有源猝灭电路中，例如 CMOS或TTL的电子电路探测雪崩电流的上升沿，并且，通过将猝灭脉冲 应用于APD而迅速地降低偏置，然后快速地将电压偏置切换回Geiger模式 运行。光子计数器(未示出)对预定时间段内的雪崩电流的事例进行计数。

在一个实施例中，除了使参考APD屏蔽于从闪烁体20、30所产生的 光子的遮光帽之外，参考APD 26、36与构成像素24、34的传感器APD 相同。取代探测光子生成的电子空穴对，参考APD探测热生成的电子空穴 对或暗电流。每个参考APD 26、36类似地连接至有源或无源猝灭电路，以 便确保热生成的暗电流的高速探测。

热生成的电子空穴对由半导体内的生成重组过程而创建，并且，在没 有光子的情况下能够触发雪崩电流。如名称所提示地，热生成的电子空穴 对是温度相关的，温度变化引起击穿电压的变化，因为晶格振动直接与在 到达足以触发雪崩电流的能级之前令电子空穴对与晶格碰撞的温度成比 例。被称为暗电流的热生成的雪崩电流是作为引起错误触发的像素24、34 的传感器APD中的噪声源。能够通过降低温度而减少热生成的电子空穴对 的数量。能够以系统复杂性和成本为代价改进信噪比(SNR)。通过将恒定 的温度维持在+/-0.1°K之内，并且维持与恒定的温度相对应的预定的温度 偏移，从而能够防止由于击穿电压的温度诱发漂移而导致的传感器性能的 进一步退化。该控制系统温度的方法增加对冷却系统的需求并增加制造及 运行成本。

参考图4，温度补偿电路40通过使用来自参考APD 26、36的暗电流 来调整电压偏置以维持像素24、34的传感器APD中恒定的击穿过量，从 而补偿温度变化。在一个实施例中，被围在不透光的壳体42中的屏蔽的参 考APD26、36电连接至有源猝灭电路44。由选通计数器46计算暗计数率， 该选通计数器46配置为在预定义的时间段期间对有源猝灭电路44的猝灭 脉冲进行探测并计数。在另一实施例中，选通计数器46配置为探测雪崩电 流的上升沿，而不是从有源猝灭电路44输出的猝灭脉冲。还应当意识到， 还能够使用其他类型的数字计数器，以代替选通计数器。选通计数器46将 代表暗计数率的数字值输出至控制器48的输入。在一个实施例中，控制器 采用查找表来将暗计数率与经调整的电压偏置互相参照。在另一个实施例 中，控制器使用控制回路算法来确定经调整的电压偏置。控制器48将代表 经调整的电压偏置的数字值输出至数模转换器50的输入，数模转换器50 将经调整的数字电压偏置值转换成模拟信号，并且，将经模拟调整的电压 偏置输出至例如电荷泵的可变电压源52。可变电压源52配置为基于控制器 48的输出而调整传感器APD 54两端的电压偏置。

参考图5，在一个实施例中，硅衬底28、38具有至少两层。第一层是 包括APD 54的光电二极管层60，所述APD 54布置成形成多个像素24、 34的每个的阵列。参考APD 26、36设置在相邻的像素24、34之间的例如 100μm的间隙的间隙中。在分隔层中，电连接至光电二极管层60的数字电 路层64包括负责以下的数字电路：输出诸如辐射探测器模块识别、像素识 别、时间戳以及光子计数的光子探测特异性信息。数字电路还可以包括数 字偏置电路、数字触发电路以及读出电路。在一个实施例中，一个或多个 温度补偿电路40也设置在数字电路层64中。在一个实施例中，针对每个 像素的APD而提供数字补偿电路。在另一个实施例中，一个温度补偿电路 调整除了参考APD之外的衬底28、38上的所有APD的偏置。

像素24、34以二维阵列布置，以定义辐射探测器模块10、10’的光敏 表面。散布在探测器像素中的为在相邻的像素24、34之间的间隙中设置的 参考APD26、36。能够使用各种物理布局。

在图6中所示的实施例中，温度补偿电路40设置在光电二极管层60 中的像素24、34之间的间隙中。

在图7中所示的实施例中，参考APD 26、36设置为与每个像素24、 34的角相邻。每个参考APD与暗电流速率计数器46相连。每个像素24、 34的控制器48对来自相应像素的角处的四个参考APD的计数器进行平均。 应当意识到，可以采用其他数学算法，例如梯度算子、平均自适应或异常 检测。

在图8所示的另一个实施例中，在每个像素24、34内，参考APD 26、 36设置在传感器APD 24、34之间。在另一个实施例中，与每个像素相对 应的阵列中的一个(或多个)APD被屏蔽于从来自闪烁体的光，并且，该 APD被用作参考APD。在另一个实施例中，参考探测器26、36是其他热 传感器，例如热敏电阻。

在另一个实施例中，扫描器是TOF-PET扫描器。控制器48还例如通 过访问时间校正查找表而针对与每个事件相对应的时间戳生成温度相关时 间校正。

在另一个实施例中，控制器48还例如通过访问光子计数校正查找表而 针对与每个事件相对应的光子计数生成温度相关光子计数校正。

再次参考图1，利用放射性药物来注射支撑16上的患者。由探测器模 块10的像素24、34的传感器APD 54探测辐射事件。时间戳与每个由时间 戳电路70感测到的闪烁事件相关联。符合探测器72确定符合对和由每个 符合对定义的LOR。重建处理器74将LOR重建成存储在图像存储器76 中的图像表示。在TOF-PET系统中，重建处理器还从时间戳电路70接收 每个LOR的飞行时间信息。

随着像素24、34的传感器APD 54探测辐射事件，每个探测器模块10 的一个或多个温度补偿电路40测量80来自其相应的参考APD的暗电流事 件并确定82暗计数率。确定84模块的传感器和参考APD的温度校正偏置 电压，并且，将温度校正偏置电压施加86至传感器APD和参考APD。在 TOF-PET扫描器中，确定88时间调整，并且，将时间调整应用于时间戳电 路。

已参考优选的实施例来描述本申请。在阅读并理解前面的详细说明的 基础上，其他人可以进行修改和变更。其意在将本申请解释为包括所有这 样的修改和变更，只要它们属于所附权利要求及其等同物的范围内。