【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于正電子發(fā)射斷層成像的光子探測裝置。

背景技術(shù)：

隨著pet(positronemissiontomography，正電子發(fā)射斷層掃描)成像技術(shù)的發(fā)展，pet掃描設(shè)備在醫(yī)療領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。pet掃描設(shè)備是一種先進(jìn)的醫(yī)療診斷成像設(shè)備，已成為腫瘤、心、腦疾病診斷與病理研究中不可缺少的重要設(shè)備。在pet掃描中，首先對(duì)患者注射放射性藥物，所述放射性藥物是由放射性核素與葡萄糖、膽堿、乙酸等人體代謝所需的化合物合成的示蹤劑，這些放射性核素將質(zhì)子轉(zhuǎn)化成中子，并釋放出正電子和微中子。正電子的質(zhì)量與電子相等，正電子的電量與電子的電量相同，只是符號(hào)相反。這種正電子在人體組織中運(yùn)行很短距離后，即與周圍物質(zhì)中的電子相互作用，發(fā)生湮滅輻射，發(fā)射出方向相反、能量相等(511kev)的兩個(gè)光子，對(duì)這些高穿透性的光子進(jìn)行符合探測，并用分析或統(tǒng)計(jì)的方法重建湮滅事件發(fā)生的位置構(gòu)成了pet的基礎(chǔ)。

將tof(timeofflight，飛行時(shí)間)技術(shù)應(yīng)用在pet上，是對(duì)常規(guī)pet成像技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)。由于光子的傳輸是以光速進(jìn)行的，正電子發(fā)生湮滅的位置不同，則同一湮滅事件所產(chǎn)生的光子對(duì)到達(dá)探測器的時(shí)間是不同的，tof技術(shù)通過測量光子對(duì)的兩個(gè)光子到達(dá)探測器環(huán)的時(shí)間差，可以根據(jù)光速估計(jì)出湮滅事件在由符合探測所確定的符合線上的大致位置，因此能夠直接確定放射性核素(示蹤劑)在臟器、組織中的分布，明顯提供采集靈敏度和圖像分辨率。

pet的光子探測裝置包括pet前端電路。已知技術(shù)中：pet前端電路是使用pmt(photomultipliertube，光電倍增管)陣列來探測光子到達(dá)探測器晶體(閃爍體)的熒光，并進(jìn)行湮滅事件的解碼，但由于pmt的供電需要使用高壓，并且每個(gè)pmt作為單獨(dú)的個(gè)體進(jìn)行安裝和維護(hù)，使得pet的穩(wěn)定性較差且安裝復(fù)雜；較新型的pet前端電路是基于sipm(siliconphotomultipliers，硅光電倍增管)陣列來探測晶體的熒光，每個(gè)sipm單獨(dú)與一根晶體耦合，來記錄湮滅事件的發(fā)生，所以當(dāng)探測器晶體數(shù)量多時(shí)，對(duì)應(yīng)的sipm使用數(shù)量將隨之增加，而后端電路需要處理的信號(hào)也隨之增加，導(dǎo)致后端電路的規(guī)模十分龐大；另外由于sipm的尺寸限制了探測器晶體的尺寸，導(dǎo)致晶體的尺寸不能隨意更改；改進(jìn)型的pet前端電路是基于sipm陣列來探測晶體的熒光，每四個(gè)sipm與一個(gè)晶體block耦合，但是由于sipm的衰減時(shí)間較長，信號(hào)較慢，導(dǎo)致整個(gè)前端電路的死時(shí)間過長，導(dǎo)致tof性能(時(shí)間探測精度)不佳。

因此，有必要提供一種新的時(shí)間探測精度較佳且成本較低的光子探測裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的是現(xiàn)有的正電子發(fā)射斷層成像光子探測裝置時(shí)間探測精度不佳的問題。

為解決上述問題，本發(fā)明提出一種用于正電子發(fā)射斷層成像的光子探測裝置,包括由多個(gè)探測單元組成的探測陣列，所述探測單元包括至少一個(gè)閃爍體，且至少一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器件耦合于每一所述閃爍體，每一所述光電轉(zhuǎn)換器件連接有探測事件的能量信號(hào)讀出電路及時(shí)間信號(hào)讀出電路。

本發(fā)明一種實(shí)施方式中，耦合于同一閃爍體的所述光電轉(zhuǎn)換器件連接于同一時(shí)間信號(hào)讀出電路。

本發(fā)明一種實(shí)施方式中，所述探測單元中，4個(gè)所述光電轉(zhuǎn)換器件耦合于同一閃爍體。

本發(fā)明一種實(shí)施方式中，所述閃爍體為立方體，所述4個(gè)光電轉(zhuǎn)換器件耦合于所述閃爍體的同一面。

本發(fā)明一種實(shí)施方式中，所述能量信號(hào)讀出電路包括行信號(hào)讀出通道及列信號(hào)讀出通道，通過該通道分別讀出能量信號(hào)的行、列信息，確定所述探測事件在所述探測陣列中的位置信息。

本發(fā)明一種實(shí)施方式中，所述能量信號(hào)讀出電路包括有第一微分電路，通過所述第一微分電路對(duì)每一行、列信號(hào)進(jìn)行求和、解碼以獲得所述位置信息。

本發(fā)明一種實(shí)施方式中，所述時(shí)間信號(hào)讀出電路包括有第二微分電路，通過所述第二微分電路對(duì)所述耦合于同一閃爍體的所述光電轉(zhuǎn)換器件的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行加快。

本發(fā)明一種實(shí)施方式中，所述光電轉(zhuǎn)換器件為sipm器件。

本發(fā)明一種實(shí)施方式中，所述閃爍體為lyso晶體。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：將探測事件的能量信息與時(shí)間信息分開處理，使得原本上升沿慢、衰減時(shí)間長的信號(hào)變得很快，大大減少了探測事件的堆積，使得探測裝置在高計(jì)數(shù)下依然擁有較好的時(shí)間精度，提高了探測裝置的tof性能。

【附圖說明】

圖1是正電子發(fā)射斷層成像光子探測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的閃爍體陣列示意圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的探測陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一實(shí)施例的能量信號(hào)讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明一實(shí)施例的時(shí)間信號(hào)讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。

圖1是正電子發(fā)射斷層成像光子探測裝置結(jié)構(gòu)示意圖，作為說明性示例描述，在正電子發(fā)射斷層掃描(pet)中，放射性藥物被注入成像對(duì)象，其放射性衰變事件產(chǎn)生正電子。每個(gè)正電子與電子相互作用以產(chǎn)生兩個(gè)相反指向的伽馬(γ)光子。該伽馬光子被探測裝置偵測并由系統(tǒng)進(jìn)行符合校驗(yàn)，并被進(jìn)行響應(yīng)線計(jì)數(shù)以重建圖像。本發(fā)明提出的用于正電子發(fā)射斷層成像的光子探測裝置,即包括由多個(gè)探測單元100組成的探測陣列。如圖1所示，該探測陣列環(huán)形布置于被檢對(duì)象周圍，當(dāng)組成探測陣列的探測單元探測到光子事件200后，即將探測光子的能量信息、時(shí)間信息、位置信息進(jìn)行收集、轉(zhuǎn)換并反饋系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。

探測單元100可由閃爍體器件與光電轉(zhuǎn)換器件耦合組成，當(dāng)伽馬光子進(jìn)入探測器后，如果與閃爍體器件發(fā)生相互作用，便會(huì)產(chǎn)生熒光，熒光通過光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)(倍增放大)。閃爍體器件可由閃爍晶體或閃爍晶體陣列組成。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，如圖2所示，閃爍體器件101由閃爍晶體陣列組成，該陣列一般是把多個(gè)閃爍晶體，通過外加反射層，并通過光學(xué)膠水粘結(jié)組裝而成。一般情況，單個(gè)閃爍晶體都設(shè)計(jì)成規(guī)則的長方體。為了將其與光電轉(zhuǎn)換裝置結(jié)合，需要把閃爍晶體陣列的一個(gè)表面做得相對(duì)平整，通過研磨加工以進(jìn)行與光電轉(zhuǎn)換器件的光學(xué)耦合。材料方面，閃爍晶體陣列可為bgo(鍺酸鉍)晶體陣列、或lyso(硅酸釔镥)晶體陣列、或lso(硅酸镥)晶體陣列等。光電轉(zhuǎn)換器件可為pmt(光電倍增管)、apd(雪崩光電二極管)或sipm (硅光電倍增管)。其中，lyso閃爍晶體具有高光輸出、快速衰減時(shí)間、探測效率高、成本低等特點(diǎn)，sipm相比其它光電轉(zhuǎn)換器件具有高增益、低工作電壓、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，二者的組合可作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式。

如圖3(a)、(b)所示，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，探測陣列的每一探測單元由4個(gè)光電轉(zhuǎn)換器件(如sipm)耦合在一個(gè)閃爍體器件的同一個(gè)平整面內(nèi)(可為lyso閃爍晶體陣列)構(gòu)成，根據(jù)該實(shí)施例的變化例，亦可為其它數(shù)量的光電轉(zhuǎn)換器件耦合同一閃爍體器件，例如，選取9:1、16：1等比例進(jìn)行耦合等，亦可為n:1的比例進(jìn)行耦合，其中n＝a×b，a，b為該閃爍晶體陣列中單晶體柱的行數(shù)和列數(shù)，如圖3(c)所示。在相同閃爍體器件的尺寸前提下，光電轉(zhuǎn)換器件與閃爍體器件越高比例的耦合，越有利于提高探測器的靈敏度，使其抗堆積性能越好。

當(dāng)探測到光子事件后，探測單元的光電轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生的電信號(hào)可用于確定光子能量(能量信號(hào)，即陽極信號(hào))信息及事件發(fā)生時(shí)間信息(時(shí)間信號(hào)，即快信號(hào))，以及確定產(chǎn)生電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器件在探測矩陣中的位置信息。能量信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)幅度較大，但讀出較慢。時(shí)間信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)幅度小，但讀出較快。根據(jù)這一差別，本發(fā)明將每一所述光電轉(zhuǎn)換器件分別連接有探測事件的能量信號(hào)讀出電路及時(shí)間信號(hào)讀出電路，以實(shí)現(xiàn)將能量(位置)信號(hào)與時(shí)間信號(hào)分別獨(dú)立讀出，提高探測裝置的時(shí)間精度。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中能量信號(hào)讀出電路的結(jié)構(gòu)示意。探測事件的能量信號(hào)讀出電路即陽極信號(hào)讀出電路，其用于確定光電轉(zhuǎn)換器件探測到的光子能量大小，進(jìn)一步地，探測陣列中的每一光電轉(zhuǎn)換器件(如耦合于同一閃爍體器件的sipm102a、102b、102c及102d)，均連接有行信號(hào)讀出電路及列信號(hào)讀出電路，每一行讀出電路分別包括有行微分電路(微分加法器103 及adc信號(hào)轉(zhuǎn)換器件105)，每一列讀出電路分別包括有列微分電路(微分加法器104及adc信號(hào)轉(zhuǎn)換器件106)，通過所述行、列微分電路對(duì)每一行、列信號(hào)進(jìn)行微分求和及信號(hào)轉(zhuǎn)換，并通過解碼單元107(decoding單元)進(jìn)行解碼及計(jì)算等操作，在獲得能量信號(hào)的同時(shí)還可獲得所述探測事件在探測矩陣中的位置信息。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中時(shí)間信號(hào)讀出電路的結(jié)構(gòu)示意。在此實(shí)施例中，根據(jù)時(shí)間信號(hào)幅度小、讀出快的特點(diǎn)，將耦合于同一閃爍體器件的所述光電轉(zhuǎn)換器件連接于同一時(shí)間信號(hào)讀出電路(如耦合于同一閃爍體器件的sipm102a、102b、102c及102d，其共用同一時(shí)間信號(hào)讀出電路)，并進(jìn)一步地，每一時(shí)間信號(hào)讀出電路獨(dú)立地連接有微分電路(微分單元108)，通過該微分電路對(duì)所述耦合于同一閃爍體的所述光電轉(zhuǎn)換器件的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行加快，經(jīng)過比較器109產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)后，將觸發(fā)信號(hào)傳輸給tdc單元110(時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，time-to-digitalconverter)，計(jì)算出發(fā)生在該閃爍體器件的事件的時(shí)間信息。

本發(fā)明根據(jù)探測事件在光電轉(zhuǎn)換器件的能量信號(hào)及時(shí)間信號(hào)的電子學(xué)差異，針對(duì)每一光電轉(zhuǎn)換器件分別設(shè)計(jì)了互相獨(dú)立的能量信號(hào)讀出電路及時(shí)間信號(hào)讀出電路，并通過微分電路的加入，提高了整個(gè)探測裝置的時(shí)間精度及tof性能。

本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。