用于PET探测器模块的冷却装置的制作方法

用于pet探测器模块的冷却装置
技术领域
1.本发明属于医学影像设备技术领域，具体涉及用于pet探测器模块的冷却装置。


背景技术：

2.pet是正电子发射断层显像(positron emission tomography)的缩写，是一种先进的核医学影像技术，主要用于检测癌症和心脑疾病。pet的原理是将放射性核素标记的示踪剂注入患者体内，再由pet探测器检测示踪剂富集的病灶区。以癌症检测为例，示踪剂一般选择放射性核素18f标记的葡萄糖(即fdg)，由于癌细胞的代谢比正常细胞旺盛得多，需要更多的能量，fdg便会在病灶内聚集，18f的β衰变产生的正电子与邻近细胞的电子发生作用，产生一对能量相同、方向相反的光子(γ射线)，这对光子被pet探测器检测到后称为一次事件。所有的符合事件经处理后可以形成病灶区的图像。
3.由于光子的传播速度极快，从某次事件发生至探测器检测到光子信号的时间在纳秒量级。为了防止与其他正电子产生的光子对混淆，一般需设定一个极短的时间窗，当在一个时间窗内恰好有两个探测器都检测到了光子，便将其记录为一次正电子湮灭事件。显然，时间窗口设置得足够小，就可以减少混淆的事件数，提高检测的精度。
4.因为时间窗口较短，需要探测器检测光子时有极高的灵敏度。闪烁晶体lyso在接收到高能光子后发出可见光，光信号由硅光电倍增管(mppc)转化为光电流后增益输出电信号。而当mppc温度升高时，其对光信号的时间分辨率会下降，造成探测精度的下降。所以，控制mppc稳定在较低温度上是提高pet探测精度的关键。
5.因此，设计一种降温效果显著，能够控制mppc稳定在较低温度上并提高pet探测精度的用于pet探测器模块的冷却装置，就显得十分必要。
6.例如，申请号为cn201920443716.7的中国专利文献描述的一种pet系统探测器的冷却系统，包括数个探测器模块，每个所述探测器模块包括数个并排的子模块，还包括设有输出口和输入口的冷液机、与冷液机输出口连接的进液总管、与冷液机输入口连接的排液总管、与进液总管连接的一级并联进液管路、与排液总管连接的一级并联排液管路；每个所述探测器模块包括一个连接所述一级并联进液管路和一级并联排液管路的冷却工位，每个所述子模块包括一个冷却子工位；所述冷却系统还包括设于每个所述冷却子工位上的微型电动调节阀、设于每个所述子模块中的温度传感器、以及与所述微型电动调节阀和温度传感器电连接的控制器。虽然能够使子模块内的sipm温度稳定，且所有子模块温度均匀，但是其缺点在于，并不能将mppc稳定控制在较低温度范围内，且每个支路的流量均匀性不易控制。


技术实现要素：

7.本发明是为了克服现有技术中，现有在探测器的机箱上布置多个散热风扇的散热方式，无法对硅光电倍增管mppc进行有效降温且不能将mppc稳定控制在较低温度范围内的问题，提供了一种降温效果显著，能够控制mppc稳定在较低温度上并提高pet探测精度的用
于pet探测器模块的冷却装置。
8.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
9.用于pet探测器模块的冷却装置，包括探测器子模块，所述探测器子模块包括lyso晶体、mppc载板、两块dpb板和设于dpb板上的若干个功耗元件，所述两块dpb板对立放置且均分别与mppc载板固定连接，还包括位于探测器子模块内的水冷板和位于探测器子模块外部的水冷管路；所述水冷板内嵌有u型水冷管；所述水冷管路与u型水冷管连接；所述水冷板放置在两块dpb板之间，并与mppc载板以及各个功耗元件接触。
10.作为优选，所述水冷管路包括进水总管、与进水总管连接的分水器、与分水器连接的至少4路分水管、与各个分水管连接的进水歧管、与每个进水歧管连接的若干个模块进水管、出水总管、与出水总管连接的集水器、与集水器连接的至少4路集水管、与各个集水管连接的出水歧管、与各个出水歧管连接的模块出水管；所述探测器子模块内的水冷板分别与一个模块进水管和一个模块出水管连接。
11.作为优选，所述u型水冷管的进水口与出水口延伸至水冷板外部；所述进水口与模块进水管连接；所述出水口与模块出水管连接。
12.作为优选，还包括温控器；所述进水总管和出水总管均与温控器连接。
13.作为优选，所述探测器子模块还包括encoder板，所述水冷板与encoder板接触。
14.作为优选，所述u型水冷管的进水口位于u型水冷管出水口的下方。
15.作为优选，所述进水总管和出水总管的直径均为25.4mm；所述进水总管和出水总管合计总长为3m。
16.作为优选，所述分水器和集水器的管道内径均为25.4mm；所述分水器和集水器合计总长为1.3m。
17.作为优选，所述分水管的内径均为12.7mm；所述进水歧管的内径均为21mm。
18.作为优选，所述模块进水管、模块出水管和u型水冷管的内径均为6.35mm；单一模块进水管、单一模块出水管和u型水冷管的总长为1.37m。
19.本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明降温效果显著，仿真结果表明，通20℃冷却水，载板温度能够控制在24℃左右；(2)本发明的温度均匀性控制效果好，能够使各探测器子模块温差小于1℃；(3)本发明能够提高每个支路中流量的均匀性。
附图说明
20.图1为本发明实施例1中水冷管路的一种结构示意图；
21.图2为本发明实施例1中探测器子模块的一种结构示意图；
22.图3为本发明实施例1中探测器子模块内部的一种结构示意图；
23.图4为本发明实施例1中水冷管路通入各个探测器子模块内的流量的一种示意图；
24.图5为本发明实施例1中在标尺范围295k-296k下，良导热下流量为0.0101kg/s时mppc载板的一种温度分布图；
25.图6为本发明实施例1中在标尺范围295k-296k下，良导热下流量为0.0125kg/s时mppc载板的一种温度分布图；
26.图7为本发明实施例1中在标尺范围298.40k-298.42k下，不良导热下流量为0.0101kg/s时mppc载板一种温度分布图；
27.图8为本发明实施例1中在标尺范围298.10k-298.13k下，不良导热下流量为0.0125kg/s时mppc载板一种温度分布图。
28.图中：进水总管1、分水器2、分水管3、进水歧管4、模块进水管5、模块出水管6、出水歧管7、集水管8、集水器9、出水总管10、lyso晶体11、mppc载板12、dpb板13、功耗元件14、u型水冷管15、水冷板16、encoder板17。
具体实施方式
29.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
30.实施例1：
31.如图1至图4所示的用于pet探测器模块的冷却装置，包括探测器子模块，所述探测器子模块包括lyso晶体11、mppc载板12、两块dpb板13和设于dpb板上的若干个功耗元件14，所述两块dpb板对立放置且均分别与mppc载板固定连接，还包括位于探测器子模块内的水冷板16和位于探测器子模块外部的水冷管路；所述水冷板内嵌有u型水冷管15；所述水冷管路与u型水冷管连接；所述水冷板放置在两块dpb板之间，并与mppc载板以及各个功耗元件接触。
32.进一步的，具体如图1所示，所述水冷管路包括进水总管1、与进水总管连接的分水器2、与分水器连接的4路分水管3、与各个分水管连接的进水歧管4、与每个进水歧管连接的若干个模块进水管5、出水总管10、与出水总管连接的集水器9、与集水器连接的4路集水管8、与各个集水管连接的出水歧管7、与各个出水歧管连接的模块出水管6；所述探测器子模块内的水冷板分别与一个模块进水管和一个模块出水管连接。
33.其中，每个进水歧管连接11路模块进水管，共44路模块进水管。
34.进一步的，所述u型水冷管的进水口与出水口延伸至水冷板外部；所述进水口与模块进水管连接；所述出水口与模块出水管连接。
35.进一步的，用于pet探测器模块的冷却装置还包括温控器；所述进水总管和出水总管均与温控器连接。
36.当冷却水从温控器中接出时，首先通过进水总管进入分水器，由分水器分成4路经由分水管进入4个进水歧管，每个进水歧管分成11路，由模块进水管流入44个探测器模块。从探测器子模块中出来的冷却水经由模块出水管流入出水歧管，每个出水歧管将汇集后的冷却水经由集水管汇入集水器，最后经由出水总管流回温控器。
37.对于模块内部，探测器子模块的简化模型如图2所示。图2中，两块dpb板对立放置，分别与mppc载板通过连接器连接。一个探测器模块由多个子模块纵向排列够成，如图3中为4个探测器子模块。u型水冷管下半部分放置在探测器子模块的dpb板之间，并与功耗元件接触，为功耗元件和mppc载板提供冷却功能。
38.进一步的，所述探测器子模块还包括encoder板，所述水冷板与encoder板接触。水冷板上半部分与encoder板接触，对encoder板也起到散热作用。
39.进一步的，所述u型水冷管的进水口位于u型水冷管出水口的下方。
40.水冷板上半部分与encoder板接触，对encoder板也起到散热作用。由外部水冷管路接入的冷却水由u型水冷板下部的进水口注入，又从上部的出水口流回外部管路。
41.进一步的，所述进水总管和出水总管的直径均为25.4mm；所述进水总管和出水总管合计总长为3m。
42.进一步的，所述分水器和集水器的管道内径均为25.4mm；所述分水器和集水器合计总长为1.3m。
43.进一步的，所述分水管的内径均为12.7mm；所述进水歧管的内径均为21mm。
44.进一步的，所述模块进水管、模块出水管和u型水冷管的内径均为6.35mm；单一模块进水管、单一模块出水管和u型水冷管的总长为1.37m。
45.另外，根据管路结构可以计算管路阻力。
46.1.已知进水总管和出水总管的直径d
总
＝19.05mm，20℃冷却水的密度ρ＝998.23kg/m2，动力粘度μ＝1.005
×
10-3
kg/m
·
s，总流量q＝0.5kg/s，则有
47.管内速度
[0048][0049]
雷诺数
[0050][0051]
此雷诺数表明流动处于湍流过渡区，取管内表面粗糙度ε＝0.05mm，有沿程阻力系数
[0052][0053]
进水总管和出水总管合计总长l
总
＝3m，则有沿程阻力
[0054][0055]
进出水总管一共有两个90
°
弯头，取弯头阻力系数ζ
总弯
＝0.145，有弯头局部阻力
[0056][0057]
2.对于分水器和集水器，管道内径d
分/集器
＝25.4mm，则管内速度
[0058][0059]
与总管计算同理可得，
[0060]
re
分/集器
＝24939
[0061]
λ
分/集器
＝0.0288
[0062]
分水器和集水器总长l
分/集器
＝1.3m，则沿程阻力
[0063][0064]
分水器和集水器一共有两个90
°
弯头，取弯头阻力系数ζ
分/集器弯
＝0.157，有弯头局部阻力
[0065][0066]
进水总管至分水器存在管道的突然扩大，取突然扩大系数ζ
总-分
＝0.605，有突然扩大局部阻力
[0067][0068]
同理，集水器至出水总管有管道突然缩小，取突然缩小系数ζ
集-总
＝0.290，有突然缩小局部阻力
[0069][0070]
所以，分水器和集水器的总阻力为
[0071]
δp
分/集器总
＝δp
分/集器
δp
分/集器弯
δp
总-分
δp
集-总
＝1613pa
[0072]
3.对于分水管，内径d
分管
＝12.7mm，每根分水管内的流量约为总流量的四分之一，有与上述计算过程同理，有
[0073][0074]
re
分管
＝12469
[0075]
λ
分管
＝0.0342
[0076]
两根长管长1.37m，短管长0.23m，总长l
分管
＝3.2m，有沿程阻力
[0077][0078]
分水管一共有四个90
°
弯头，取弯头阻力系数ζ
分管弯
＝0.157，有弯头局部阻力
[0079][0080]
分水管从分水器侧面接出，取侧通阻力系数ζ
分管侧通
＝1.206，则四个侧通的局部阻力为
[0081][0082]
所以，分水管的总阻力为
[0083]
δp
分管总
＝δp
分管
δp
分管弯
δp
分管侧通
＝6867pa
[0084]
4.对于进水歧管，内径d
进岐
＝21mm，由于其上侧通了11个模块进水管，因此管内的流量是在变化的，以i表示第i个侧通口和i-1个侧通口之间的这一段流动，已知每个侧通口间距l
进岐i
＝99.5mm，则有如下结果：
[0085]
表1 11个模块进水管内各个参数具体数值表
[0086][0087]
其中，
[0088]
[0089][0090][0091]
取分水管进入进水歧管的阻力系数ζ
分管-进岐
＝3.86，则有入口阻力
[0092][0093]
所以，四个进水歧管的总阻力为
[0094]
δp
进岐
＝4
×
(49.42 697.25 255)＝4007pa
[0095]
5.对于与模块相连的管路，由于内径一致，所以将模块进水管、模块出水管和模块内的u型水冷管一起考虑。内径d
模块
＝6.35mm，流量＝6.35mm，流量与上述计算过程同理，有
[0096][0097]
re
模块
＝2267
[0098][0099]
模块进水管、模块出水管和模块内的u型水冷管总长l
模块
＝1.37m，则有沿程阻力
[0100][0101]
设一共有六个90
°
弯头，取弯头阻力系数ζ
模块弯
＝0.133，有弯头局部阻力
[0102][0103]
则所有模块管路的总阻力为
[0104]
δp
模块总
＝(δp
模块
δp
模块弯
)
×
44＝30336pa
[0105]
6.对于出水歧管，内径与进水歧管一致，每个侧汇口间距l
出岐i
＝94.2mm，与进水歧管同理，有如下结果：
[0106]
表1 11个模块进水管内各个参数具体数值表
[0107][0108]
取出水歧管进入集水管的阻力系数ζ
出岐-集管
＝0.454，则有出口阻力
[0109][0110]
其中v
集管
为集水管中水的流速，和分水管中的流速一致。
[0111]
所以，四个出水歧管的总阻力为
[0112]
δp
出岐
＝4
×
(47 795 221)＝4252pa
[0113]
7.对于集水管，内径、流量、流速、沿程阻力系数均与分水管一致，计算过程与分水管同理，所以有
[0114][0115]
[0116]
集水管从集水器侧面接入，取侧汇阻力系数ζ
集管侧汇
＝1.5，则四个侧汇的局部阻力为
[0117][0118]
所以，集水管的总阻力为
[0119]
δp
集管总
＝δp
集管
δp
集管弯
δp
集管侧汇
＝7440pa
[0120]
所以整个水冷管路的阻力为
[0121]
δp＝δp
总
δp
总弯
δp
分/集器总
δp
分管总
δp
进岐
δp
模块总
δp
出岐
δp
集管总
＝62082pa＝0.062mpa
[0122]
因此，选用的温控器，在流量为0.5kg/s，时，泵压力可达0.3mpa，符合管路要求。
[0123]
针对实施例1，我们利用数值仿真的方法对模块外的水冷管路和模块内的冷却效果进行了模拟。对于模块外的水冷管路，仿真结果显示，当温控器向进水总管通入0.5kg/s的冷却水时，44个探测器模块内的流量的最大值为0.0125kg/s，最小值为0.0101kg/s，偏差为23.67％，各个模块内的流量详见图4。
[0124]
对于模块内部，由于mppc载板和dpb板的导热系数无法准确给出，考虑到mppc载板和dpb板的材质由铜和环氧树脂组成，模拟时分为两种情形。一种是mppc载板和dpb板的材质均认为是铜，称之为良导热的情况；另一种是mppc载板和dpb板的材料均认为是环氧树脂，称之为不良导热的情况，真实情况下mppc板的温度应在两种仿真结果之间。在冷却水温度20℃(293k)，环境温度32℃(305k)的情况下，分为流量0.0101kg/s和0.0125kg/s两种情况仿真。仿真结果显示良导热情况下，流量0.0101kg/s时mppc载板温度在22.5℃-23℃(295.5k-296k)左右，温度差在0.5℃左右，流量0.0125kg/s时温度约下降0.3℃，具体如图5、图6和表3所示：
[0125]
表3良导热下mppc载板平均温度结果显示表
[0126][0127]
不良导热情况下，流量0.0101kg/s时，mppc载板温度在25.41℃(298.41k)左右，温差在0.02℃左右，流量0.0125kg/s时温度也下降0.3℃左右，具体如图7、图8和表4：
[0128]
表4不良导热下mppc载板平均温度结果显示表
[0129][0130][0131]
仿真结果表明水冷方案降温效果显著，温度均匀性好。
[0132]
本发明在探测器内，每个子模块上两块dpb板之间安装水冷板，水冷板中集成u型水冷管。同时在机架内搭建水冷管路，将温控器中的冷却水经由总管-分水器-歧管-模块的路径引入探测器上的u型管，再引出后按响应路径流回温控器。
[0133]
本发明降温效果显著，仿真结果表明，通20℃冷却水，载板温度能够控制在24℃左右；本发明的温度均匀性控制效果好，能够使各探测器子模块温差小于1℃；本发明能够提高每个支路中流量的均匀性。
[0134]
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。