專利名稱：一種可用于斷層掃描設(shè)備的光電探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電探測裝置，特別是利用閃爍晶體和光電探測元件來實(shí)現(xiàn)信號探測的、用于正電子或光子等斷層掃描裝置的光電探測裝置。
現(xiàn)有的利用伽瑪光子信號進(jìn)行探測成象的醫(yī)學(xué)影象設(shè)備有幾種，例如正電子斷層掃描裝置(下簡稱PET)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(下簡稱SPECT)等。以正電子斷層掃描裝置為例，大體可以分為兩種一種是傳統(tǒng)型，PET閃爍晶體和光電倍增管(下簡稱PMT)一一對應(yīng)，因此高分辨率的PET就需要幾于甚至上萬只PMT，每個PMT還需有后繼電路，成本非常昂貴，有關(guān)數(shù)據(jù)表明，PMT及其相關(guān)電子線路的成本占PET總成本的60％。第二種是近年來新出現(xiàn)的陣列編碼型，與第一種相反，閃爍晶體和PMT并非一一對應(yīng)，而是用大塊的閃爍晶體，并在閃爍晶體上劃痕以將每塊閃爍晶體分成幾十個小區(qū)域，通過改變PMT與閃爍晶體的對應(yīng)關(guān)系，以及巧妙利用光信號強(qiáng)度信息，就可以使所需PMT的數(shù)量大大減少，平均相當(dāng)于一大塊閃爍晶體只需要一個PMT與之對應(yīng)；(其詳細(xì)原理可參見[1]W.H.Digby，M.Dahlbom and E.J.Hoffma“Detector，Shielding andGeometric Design Facters for a High-resolution PET System”，IEEE N.S.Vol.37，No.2，April 1990，p664-670或者[2]Simon R.Cherry，et.“Acomparison of PET Detector Modules Employing，Rectangular and RoundPhotomultiplier Tubes”，IEEE N.S.，Vol.42，No.4，August 1995，p1064-1068)但這種方案有一個明顯的缺點(diǎn)是，由于把傳統(tǒng)PET中單純探測光信號的有無變成探測光信號的強(qiáng)度，所以把原來PMT的計(jì)數(shù)方式改變?yōu)榉忍綔y方式，使PMT的后繼電路變得極為復(fù)雜，從而電路的成本增加了，而且對PMT的性能要求也大大提高了。這兩方面的因素使該方案的優(yōu)越性受到了大大的削弱。到目前為止，如何減少PMT的數(shù)目以有效地降低PET的造價同時又不降低PET的性能一直是一個十分活躍的研究課題。其它類似的醫(yī)學(xué)影象設(shè)備也存在類似的問題。
由于閃爍晶體、PMT及其后繼電路都屬于PET的探測部分，所以類似PET這樣的斷層掃描設(shè)備中，問題的焦點(diǎn)在于探測部分，即只要能有效地降低探測系統(tǒng)的造價，就可以使總造價大大降低。而且，在PET等醫(yī)學(xué)影象設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)，通過對已探測到的信號進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理而獲得人體圖象是現(xiàn)有技術(shù)，只要能準(zhǔn)確有效地探測到足夠的信號，整個設(shè)備的方案就可以迎刃而解了。
本發(fā)明的目的就是為了解決以上問題，提出一種能夠使光電倍增管的數(shù)量大大減小而并不增加對光電倍增管和其后繼電路性能的要求的光電探測裝置，它用于PET等影象設(shè)備中，可以大大降低設(shè)備的造價。
本發(fā)明解決以上問題的方案是一種光電探測裝置，包括閃爍晶體、PMT等，其特征是閃爍晶體和PMT通過光導(dǎo)相連，其連接規(guī)律是將PMT分為n組，每組有m個PMT；在每一個閃爍晶體上耦合有光導(dǎo)器件，通過這些光導(dǎo)器件將閃爍晶體上的光信號引出并分成n束，這n束分支光導(dǎo)分別導(dǎo)接到n個分別處于不同的組的PMT中；PMT后面接有分析處理電路，完成對信號的處理，通過用所述m×n個PMT的亮與暗來對所述mn個閃爍晶體進(jìn)行編碼尋址；其中m、n是大于2的整數(shù)，mn的含義為m的n次方。
通過采用這種方案之后，就可以用m×n個PMT尋址mn個閃爍晶體。顯然，當(dāng)m＞2且n＞2時，PMT的數(shù)量就會少于閃爍晶體的數(shù)量。由此即可實(shí)現(xiàn)用少量的PMT對相對來說大量的閃爍晶體進(jìn)行編碼尋址，也即用少量的PMT來實(shí)現(xiàn)對大量的閃爍晶體光信號的探測。如果用于PET等醫(yī)學(xué)影象設(shè)備中，就可以使設(shè)備結(jié)構(gòu)大大簡化，造價大大降低。


圖1是為說明本發(fā)明的原理的示意圖；圖2是該裝置在PET設(shè)備中應(yīng)用的示意圖；圖3是光導(dǎo)和閃爍晶體的耦合情況示意圖。
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
為了清楚地說明本發(fā)明方案，先對本發(fā)明的原理進(jìn)行說明。參見圖125個(52個)閃爍晶體排列成為一個5×5方陣，即排成5行5列；10個(2×5個)PMT被分成2組，每組5個，其中一組橫排，另一組豎排。通過光導(dǎo)，將橫排的PMT中的某一個與閃爍晶體方陣中的某一列全部相連，但不與其它列相連，做到橫排的PMT中每一個都與一列閃爍晶體對應(yīng)，而每一列閃爍晶體都對應(yīng)一個PMT；將豎排的PMT中的某一個與閃爍晶體方陣中的某一行全部相連，但不與其它行相連，做到豎排的PMT中每一個都與一行閃爍晶體對應(yīng)，而每一行閃爍晶體都對應(yīng)一個PMT。這樣，如果有一個閃爍晶體發(fā)光，就會有兩個與之建立了上述聯(lián)系的PMT探測到信號，而且這種關(guān)系是唯一的，即任何一個閃爍晶體發(fā)光，都只有和它建立了聯(lián)系的PMT探測到信號，而其他PMT則無反應(yīng)。因此，通過PMT的信號的有無就可以唯一地確定出是哪個或哪幾個閃爍晶體發(fā)光。設(shè)閃爍晶體探測到信號時為“1”，無信號時為“0”，則這種關(guān)系很象二進(jìn)制編碼，即用10個PMT編碼尋址25個閃爍晶體。我們把這種“兩組五個”的編排方案形象地成為“二維五階”。通過本例，可以看到，PMT后面的分析處理電路將是十分簡單的，普通的數(shù)字電路即可實(shí)現(xiàn)。在下面的例子中也是一樣。
當(dāng)然，將閃爍晶體排列成方陣以及將PMT排成橫行豎列是為了便于說明問題。實(shí)際上，不管閃爍晶體和PMT在空間上的排列方式如何，只要它們的連接關(guān)系如上所述，就可以達(dá)到同樣效果。
在上述例子中，如果保持“維數(shù)”不變，仍為二維，但“階數(shù)”增加到六階，則顯然就可以用12個PMT編碼旬址36個閃爍晶體。
如果將“維數(shù)”增加到四維，仍保持“五階”的話，顯然就可以用20個PMT編碼尋址625個閃爍晶體。而要實(shí)現(xiàn)“四維五階”可以做到的，只要將PMT分成4組，每組5個即可，當(dāng)然，要保證PMT和閃爍晶體的連接關(guān)系正確，即將其中5×4個PMT分為4組，每組有5個PMT；在每一個閃爍晶體上耦合有光導(dǎo)器件，通過這些光導(dǎo)器件將閃爍晶體上的光信號引出并分成4束，這4束分支光導(dǎo)分別導(dǎo)接到4個分別處于不同的組的PMT中；PMT后面接有分析處理電路，完成對信號的處理，通過用所述5×4個PMT的亮與暗來對所述54個閃爍晶體進(jìn)行編碼尋址。這樣，每個閃爍晶體將耦合4根光導(dǎo)，或耦合一根光導(dǎo)，但通過這根光導(dǎo)將閃爍晶體發(fā)出的光分成4份；而每個PMT則就須匯集125根(54-1根)光導(dǎo)。
有創(chuàng)造性的技術(shù)人員可能會聯(lián)想到將“維數(shù)”和“階數(shù)”無限增加所帶來的巨大好處。但維數(shù)增大將使每個PMT所接收到的光強(qiáng)減弱，光強(qiáng)太弱將無法探測；而階數(shù)增大則會使每個PMT匯集的光導(dǎo)數(shù)增多，這將使PMT的有效受光面積加大，進(jìn)而使PMT的體積增大。以上兩個因素限制了“維數(shù)”和“階數(shù)”的盲目增大。在實(shí)際中，我們考慮了現(xiàn)實(shí)因素之后，認(rèn)為在目前的技術(shù)條件下，“四維五階”是最佳選擇之一。
下面描述上述“四維五階”型光電探測器在PET領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)施例。我們將上述20個PMT、625個閃爍晶體和2500根(或625根但最后分成2500束)光導(dǎo)組成的光電探測器稱為“一塊”。注意到PET是伽瑪光子對符合計(jì)數(shù)的(PET的計(jì)數(shù)及工作原理此不詳述，可參閱有關(guān)文獻(xiàn))，同一“塊”探測器不能識別符合線。因此，本實(shí)施例中，將PET環(huán)分成四個子環(huán)，每個子環(huán)有一“塊”探測器，如圖2所示。每一“塊”中的625個閃爍晶體緊密排列成弧形(約1/4環(huán)形)。這樣，“塊”與“塊”之間可以探測符合線，從而可以實(shí)現(xiàn)PET所要求的符合線探測。
在探測環(huán)具體結(jié)構(gòu)方面，我們建議采用如下安排每“塊”625個閃爍晶體分成五層，進(jìn)行軸向定位，可實(shí)現(xiàn)三維立體探測(同時探測五層)，每層125個閃爍晶體。普通的全身PET環(huán)的內(nèi)徑大約700mm，閃爍晶體做成4mm×4mm×15mm的長方體柱，可以很容易地在PET環(huán)上排列。柱頂耦合四根直徑0.5～元3mm的光導(dǎo)，是容易實(shí)現(xiàn)的(如通過一束光纖無規(guī)擰合)，如圖3。每個PMT將匯集到125根光導(dǎo)，按正六邊形排列，為一束直徑大約10～40mm的光導(dǎo)，可以和大多數(shù)PMT相配。
下面對幾個技術(shù)性問題進(jìn)行進(jìn)一步的探討。
1、關(guān)于“死區(qū)”由于這種方案中，PET環(huán)僅分為四個“塊”，“塊”內(nèi)不能探測符合線，探測符合線要通過“塊”與“塊”之間來符合。這就形成了死區(qū)，如圖2。但PET的造影區(qū)是中間圓形的部分，所以，盡管存在“死區(qū)”，仍不影響PET的成象。如要使造影區(qū)擴(kuò)大，還可以通過增加“塊”數(shù)的辦法來解決。
2、關(guān)于像元大小和分辨率上述四“塊”五層的PET環(huán)，共有閃爍晶體2500個，PMT80個，可產(chǎn)生375000條關(guān)聯(lián)(符合線)。這樣，原則上可以說，對應(yīng)的象元大小為0.5mm，這完全能保證PET的5mm分辨率的要求。顯然，還可以作得更好。
3、關(guān)于耦合效率和光強(qiáng)光導(dǎo)光傳輸效率可以達(dá)80％以上，閃爍晶體采用4束光導(dǎo)分光后，每個PMT得到的實(shí)際光強(qiáng)為原光強(qiáng)的20％，對探測效果無大影響。而且，可以通過使用發(fā)光效率更高的閃爍晶體(例如碘化鈉晶體)和采用靈敏度更高的PMT的辦法使這一問題得到進(jìn)一步的改善。
4、關(guān)于PET成本如前所述，通常PET成本的60％是由PMT及相關(guān)電子線路造成的。采用本發(fā)明的方案后，PMT的數(shù)量縮減到原來的80/2500＝3.2％，PMT部分在總成本中所占比例下降為60×％3.2％＝2％。這樣，使PET的總成本減少一半以上。
在SPECT中，本發(fā)明所公開的探測器也同樣可以發(fā)揮顯著作用。而且，也不存在因“符合”探測所引起的死區(qū)問題。
可見，通過采用本發(fā)明提供的探測器，可以使PET等醫(yī)學(xué)影象設(shè)備的設(shè)計(jì)大大簡化，成本大大降低，前景不可估量。
權(quán)利要求
1.一種光電探測裝置，包括閃爍晶體、PMT等，其特征是閃爍晶體和PMT通過光導(dǎo)相連，其連接規(guī)律是將其中m×n個PMT分為n組，每組有m個PMT；在每一個閃爍晶體上耦合有光導(dǎo)器件，通過這些光導(dǎo)器件將閃爍晶體上的光信號引出并分成n束，這n束分支光導(dǎo)分別導(dǎo)接到n個分別處于不同的組的PMT中；PMT后面接有分析處理電路，完成對信號的處理，通過用所述m×n個PMT的亮與暗來對所述mn個閃爍晶體進(jìn)行編碼尋址；其中m、n是大于2的整數(shù)，mn的含義為m的n次方。
2.如權(quán)利要求1所述的光電探測裝置，其特征是將探測環(huán)分成數(shù)個子環(huán)，每個子環(huán)包含m×n個PMT和mn個閃爍晶體，子環(huán)內(nèi)部的m×n個PMT被分成n組，每組有m個，用這m×n個PMT的亮與暗來對所述mn個閃爍晶體進(jìn)行編碼尋址；而子環(huán)與子環(huán)之間進(jìn)行復(fù)合記數(shù)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光電探測裝置，其特征是所述的閃爍晶體是碘化鈉晶體。
4.如權(quán)利要求2所述的光電探測裝置，其特征是探測環(huán)被分成4段，每段內(nèi)有20個PMT和625個閃爍晶體，該20個PMT分成4組，每組5個；每個閃爍晶體上耦合有光纖，所述光纖在尾部分成4束，每束直徑0.5～3mm；每個PMT則匯集125根光導(dǎo)，排列成直徑10～40mm的一束光導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光電探測裝置,包括閃爍晶體、PMT等,其特征是閃爍晶體和PMT通過光導(dǎo)相連,通過其特殊的連接規(guī)律,用m×n個PMT的亮與暗來對m
文檔編號G01T1/202GK1186246SQ9711947
公開日1998年7月1日 申請日期1997年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月22日
發(fā)明者馬鐘仁, 魏開煜, 張興志 申請人:深圳奧沃國際科技發(fā)展有限公司