PET探测器单元、PET探测器的制作方法

pet探测器单元、pet探测器
技术领域
1.本发明属于pet探测技术领域，具体地讲，涉及一种pet探测器单元、pet探测器。


背景技术：

2.正电子发射计算机断层扫描成像技术(positron emission tomography，pet)是将放射性同位素标记的化合物作为示踪剂注入生物体，然后在体外从不同角度测量生物体内的放射性分布信息，利用现代计算机完成代谢物分布图像重建的三维成像技术。而pet系统的主要构成单元就是基于闪烁体的pet探测器。
3.为了提高pet探测器的探测效率，需要使用比较长的闪烁晶体，但也带来了测量伽马光子作用位置的相互作用深度(depth of interaction,doi)不确定性，doi不确定性会使成像系统空间分辨率降低，所以高清晰pet探测器需要具有doi的测量能力。doi测量的方法包括采用多层晶体结合的方法，多层探测器分别读出的方法，双端读出方法以及连续晶体的方法等等。双端读出pet探测器的深度分辨率和晶体分辨能力较佳，是研究超高分辨率pet探测器的首选，深度探测能力使得可以在使用小探测器环直径和长闪烁晶体的条件下保持全视野均匀高位置分辨率，是pet成像系统同时达到高效率和高清晰的重要手段。
4.现有的双端读出doi-pet探测器利用两端的光探测器对晶体阵列进行读出，该探测器根据两端光探测器测量到信号的能量比来测量相互作用深度。为了达到高位置分辨率，现有探测器两端的每个探测单元的面积相同，且均为小尺寸探测单元。例如要达到1mm以下的位置分辨率，sipm(硅光电倍增管，silicon photomultiplier，简称sipm))的单元尺寸需要小于3mm，对于使用小的探测器单元，由于其数量较多，需要进行对探测器的读出信号进行编码来减少读出的电子学通道，而一般的编码方法(如电阻网读出编码，行列读出编码)会使得探测器的时间性能变差。提高时间分辨率的方法一般需要对每个探测器单元进行1：1单独读出，但是由于小面积的探测单元的数量非常多，所需要的电子学读出通道很多，成本增加、读出难度大、功耗也增加。


技术实现要素：

5.(一)本发明所要解决的技术问题
6.本发明解决的技术问题是：如何在保持高位置分辨率和高时间分辨率的基础上，降低读取通道数量。
7.(二)本发明所采用的技术方案
8.一种pet探测器单元，包括：
9.闪烁晶体阵列，包括多根闪烁晶体；
10.第一探测器阵列，包括多个第一子探测器，且所述第一探测器阵列与所述闪烁晶体阵列的第一端耦合连接；
11.第二探测器阵列，包括多个第二子探测器，且所述第二探测器阵列与所述闪烁晶体阵列的与所述第一端相对的第二端耦合连接，所述第一子探测器的探测面积大于所述第
二子探测器的探测面积，且所述第一子探测器的数量少于所述第二子探测器的数量。
12.优选地，所述第一探测器阵列包括m*n个阵列排布的第一子探测器，且所述第一探测器阵列的输出信号用于生成时间信号和能量信号，其中m≥1，n≥1。
13.优选地，所述第二探测器阵列包括m*n个阵列排布的第二子探测器，且所述第二探测器阵列的输出信号用于生成位置信号和能量信号，其中m≥2，n≥2。
14.优选地，所述pet探测器单元还包括：
15.第一光耦合层，夹设于所述第一探测器阵列与所述第一端之间；
16.第二光耦合层，夹设于所述第二探测器阵列与所述第二端之间。
17.优选地，所述第一子探测器和所述第二子探测器均为硅光电倍增管。
18.本技术还公开了一种pet探测器，包括：
19.上述的pet探测器单元；
20.第一读出电路单元，与所述第一探测器阵列电性连接，用于将所述第一探测器阵列的输出信号转换为时间信号和第一能量信号；
21.第二读出电路单元，与所述第二探测器阵列电性连接，用于将所述第二探测器阵列的输出信号转换为位置信号和第二能量信号。
22.优选地，所述第一读出电路单元包括：
23.放大电路，用于对每个所述第一子探测器的输出信号进行放大；
24.时间甄别电路，用于分别读取每个所述第一子探测器进行放大的输出信号，以得到多个时间信号。
25.优选地，所述第一读出电路单元还包括：
26.或逻辑电路，用于将所述时间甄别电路得到的多个时间信号压缩为预定路数的时间信号。
27.优选地，所述第一读出电路单元还包括：
28.能量求和电路，用于根据每个所述第一子探测器的进行放大后的输出信号生成第一探测器阵列的第一能量信号；
29.或者包括：第一位置编码电路，用于根据每个所述第一子探测器的进行放大后的输出信号生成辅助位置信号以及生成第一能量信号。
30.优选地，所述第二读出电路单元还包括：
31.第二位置编码电路，用于获取第二探测器阵列中待探测位置的坐标；
32.能量计算单元，用于根据第二位置编码电路的输出信号的信号强度，计算第二探测器阵列的第二能量信号。
33.(三)有益效果
34.本发明公开了一种pet探测器单元、pet探测器，相对于传统的探测器，具有如下技术效果：
35.(1)通过设置由大尺寸的第一子探测器组成的第一探测器阵列以及小尺寸的第二子探测器组成第二探测器阵列，在使得pet探测器同时达到高时间分辨率、高位置分辨率、高深度分辨率的前提下，可以减少后端电子学通道，同时降低了电子器件的成本。
附图说明
36.图1为本发明的实施例一的pet探测器单元的结构示意图；
37.图2为本发明的实施例二的pet探测器的原理框图；
38.图3为本发明的实施例二的pet探测器的第一探测器阵列的信号读取过程示意图。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.在详细描述本技术的各个实施例之前，首先简单描述本技术的发明构思：现有技术中，pet探测器两端的多为小面积且数量相等的小尺寸探测阵列(也有同尺寸的大面积探测阵列)，虽然能保持较高的位置分辨率，但是会造成较多的读数通道，带来成本上升。本技术通过在闪烁晶体阵列的一端设置大尺寸少数量的第一探测器阵列，在闪烁晶体阵列的另一端设置小尺寸多数量的第二探测器阵列，第一探测器阵列用于单独读出高分辨率的时间信号，第二探测器阵列用于输出高分辨率的位置信号，同时由于第一探测器阵列的探测单元数量较少，可以降低读取通道数量，降低了成本。
41.实施例一
42.具体地，如图1所示，本实施例一的pet探测器单元包括闪烁晶体阵列10、第一探测器阵列20和第二探测器阵列30。闪烁晶体阵列10包括多根闪烁晶体11，第一探测器阵列20包括多个第一子探测器21，且所述第一探测器阵列20与所述闪烁晶体阵列10的第一端耦合连接；第二探测器阵列30包括多个第二子探测器31，且所述第二探测器阵列30与所述闪烁晶体阵列10的与所述第一端相对的第二端耦合连接，所述第一子探测器21的探测面积大于所述第二子探测器31的探测面积，且所述第一子探测器21的数量少于所述第二子探测器31的数量。
43.具体地，闪烁晶体阵列10中闪烁晶体的数量不限定，闪烁晶体的尺寸也不做具体限定，根据pet扫描系统的需求，高分辨的探测器可以采用0.5mm-1.5mm的晶体尺寸，或者针对人体全身pet系统采用2mm-4mm的晶体尺寸，晶体的长度可以从10mm到40mm，这个根据系统探测效率和成本的需要来调整，晶体可以采用常用的高密度lyso(硅酸钇镥闪烁晶体，lutetium yttrium orthosilicate，简称lyso)晶体，也可以采用其他的闪烁晶体，如lfs(镥精细硅酸盐晶体，lutetium fine silicate crystal，简称lfs)、gagg(掺铈钆镓铝石榴石，gadolinium gallium aluminum garnet，简称gagg)、bgo(锗酸铋晶体，bismuth germanate crystal，简称bgo)等。作为优选实施例，第一子探测器21和第二子探测器31均为硅光电倍增管(sipm)。
44.作为优选实施例，所述第一探测器阵列20包括m*n个阵列排布的第一子探测器21，且所述第一探测器阵列20的输出信号用于生成时间信号和能量信号，其中m≥1，n≥1。示例性地，第一探测器阵列20由2
×
2或4
×
4个第一子探测器21组成，第一子探测器21的探测面积为4
×
4mm2或者6
×
6mm2。
45.作为优选实施例，所述第二探测器阵列30包括m*n个阵列排布的第二子探测器31，且所述第二探测器阵列30的输出信号用于生成位置信号和能量信号，其中m≥2，n≥2。第二
探测器阵列30由4
×
4个或8
×
8个第二子探测器31组成，第二子探测器31的探测面积为2
×
2mm2或者3
×
3mm2。
46.进一步地，pet探测器单元还包括第一光耦合层40和第二光耦合层50，第一光耦合层40夹设于所述第一探测器阵列20与所述第一端之间，第二光耦合层50夹设于所述第二探测器阵列30与所述第二端之间。
47.其中，第一探测器阵列20通过1：1单独读出每个第一子探测器21的信号，从而得到精确的时间信号和能量信号，由于第一探测器阵列20的数量较少，即使一一读取每个第一子探测器21，所需要的读出通道数目也较少。第二探测器阵列30通过光分享和编码的方法降低读出通道数提供pet探测器探测伽马光子的位置信息和能量信息。例如单个闪烁晶体的晶体尺寸为1.5
×
1.5mm2，第二子探测器31的尺寸为3
×
3mm2，可以实现对每个1.5
×
1.5mm2晶体的分辨，特别是阵列边缘的晶体也能得到比较好的分辨。这样可以对小的晶体单元做出更好的鉴别，同时通过读出信号的编码，在满足区分闪烁晶体阵列的每个晶体单元的前提下使得其读出通道数目降低，第二探测器阵列30由于编码后信号变化大，时间性能较差，所以第二探测器阵列30的信号读出主要用于进行晶体的位置分辨和接收伽马光子的能量测量。
48.下面通过具体的实施例来描述第一探测器阵列20和第二探测器阵列30的测量方法。
49.闪烁晶体阵列10包括阵列排布的8
×
8根闪烁晶体，每根闪烁晶体的尺寸为1.5
×
1.5
×
20mm3，第一探测器阵列20包括阵列排布的2
×
2个第一子探测器21，每个第一子探测器21的探测面积为6
×
6mm2，第二探测器阵列30包括4
×
4个第二子探测器31，每个第二子探测器31的探测面积为3
×
3mm2。
50.对第一探测器阵列20的每个第一子探测器21的信号分别放大，每个放大后的信号一路进行编码得到每个第一子探测器21的能量信号a1、b1、c1、d1，这样得到的第一探测器阵列20的总能量e1＝a1 b1 c1 d1。每个放大后的信号另一路进行编码得到每个第一子探测器21的能量信号t1、t2、t3、t4。
51.对第二探测器阵列30进行编码网络编码后生成四个能量信号a2、b2、c2、d2，这样得到的第二探测器阵列30的总能量e2＝a2 b2 c2 d2，如果编码方法为电阻网络读出编码方法，则第二探测器阵列30的晶体分辨图的计算方法为：
[0052][0053][0054]
其中，x2为判断闪烁晶体在x轴方向上的位置，y2为判断闪烁晶体在y轴方向上的位置。具体地来说，电阻网络编码方法得到的a2、b2、c2、d2为探测器阵列信号整合后四个方向上的信号，可以看成信号分配到四个角，所以其x方向和y方向的位置分别由两个不同角的信号相加除于总信号。电阻网络编码方法为现有技术，具体的编码过程在此不进行赘述。
[0055]
如果编码方法为行列读出编码方法，则第二探测器阵列30的晶体分辨图的计算方法为：
[0056][0057][0058]
其中，x2为判断闪烁晶体在x轴方向上的位置，y2为判断闪烁晶体在y轴方向上的位置，行列读出编码方法得到的a2、b2为行的编码信号，c2、d2为列的编码信号，所以其x方向和y方向的位置分别由行和列的编码信号分别计算。行列读出编码方法为现有技术，具体的编码过程在此不进行赘述。
[0059]
探测器的深度作用信息为：
[0060][0061]
这样，通过第一探测器阵列20和第二探测器阵列30，在使用较少读取通道的情况下获得了较好的晶体分辨图、能量信息、doi信息、时间信息，使得pet探测器同时达到高时间分辨率、高位置分辨率、高深度分辨率。
[0062]
实施例二
[0063]
如图2所示，本实施例二的pet探测器包括pet探测器单元100、第一读出电路单元60和第二读出电路单元70，其中pet探测器单元100优选采用实施例一中的pet探测器单元，因此pet探测器单元100的具体结构在此不进行赘述，参照实施例一的描述即可。第一读出电路单元60与所述第一探测器阵列20电性连接，并用于将所述第一探测器阵列20的输出信号转换为时间信号和第一能量信号。第二读出电路单元70与所述第二探测器阵列30电性连接，并用于将所述第二探测器阵列30的输出信号转换为位置信号和第二能量信号。
[0064]
作为优选实施例，第一读出电路单元60包括放大电路61和时间甄别电路62，放大电路61用于对每个所述第一子探测器21的输出信号进行放大，时间甄别电路62用于分别读取每个所述第一子探测器进行放大的输出信号，以得到多个时间信号。
[0065]
进一步地，第一读出电路单元60还包括或逻辑电路63，或逻辑电路63用于将所述时间甄别电路62得到的多个时间信号压缩为预定路数的时间信号。在另一实施例中，所述第一读出电路单元60还包括位置编码电路64，位置编码电路64用于根据每个所述第一子探测器进行放大的输出信号生成第一能量信号和辅助位置信号。
[0066]
示例性地，如图3所示，第一探测器阵列20包括阵列排布的4
×
4个第一子探测器21，每个第一子探测器21的信号经过放大电路61进行放大，接着一路信号经过时间甄别电路62被单独1:1读出，得到16路时间信号(t1、t2、
……
t
15
、t
16
)，可得到高精度的时间分辨率。当然在其他实施方式中，如果对时间分辨率的要求不高的情况下，16路时间信号可经过或逻辑电路63处理，减少时间信号的输出路数，从而减少读取通道。例如或逻辑电路63的路数为4，16路时间信号(t1、t2、
……
t
15
、t
16
)经过或逻辑电路63处理之后，得到4路时间信号。
[0067]
进一步地，16个第一子探测器21的另一路信号经过第一位置编码电路64得到的行读出的4路信号row1、row2、row3、row4和列读出的4路信号column1、column2、column3、column4，再分别进行编码得到r1、r2、c1、c2，第一能量信号e＝r1 r2 c1 c2。其中，row1、row2、row3、row4分别表示每一行第一子探测器21的信号之和，column1、column2、column3、
column4分别表示每一列第一子探测器的信号之和。r1、r2的编码是把row1、row2、row3、row4按不同比例的电信号分压方式由4变为2个信号，c1、c2同理，并参照公式(3)、(4)可以计算得到待探测位置的具体坐标，需要说明的是，这里得到的待探测位置的具体坐标作为辅助位置信号，更加精确的信号需要通过第二读出电路获取。这样，该pet探测器的第一读出电路单元60最终读出信号的路数为：2路 2路 16路，如果经过或逻辑电路63处理之后，pet探测器的第一读出电路单元60最终读出信号的路数为：2路 2路 16/或逻辑电路路数。
[0068]
在另一实施例中，第一读出电路单元60还包括能量求和电路，不需要采用第一位置编码电路64，通过能量求和电路将16个第一子探测器21在进行放大之后的输出信号进行求和得到第一探测器阵列20的第一能量信号，形成1路能量信号。这样pet探测器的第一读出电路单元60最终读出信号的路数为：1路 16路。
[0069]
示例性地，第二探测器阵列30包括8
×
8个第二子探测器31，第二读出电路单元70包括第二位置编码电路71和能量计算单元72，第二位置编码电路71用于获取获取第二探测器阵列30中待探测位置的坐标，并且第二位置编码电路71采用离散定位法(如电阻网络读出方法)或电荷分配法(如行列相加读出方法)将第二探测器阵列30的多路信号编码为4路信号再通过后端电子学进行信号采集，具体的编码过程参照实施例一，在此不进行赘述。在其他实施方式中，能量计算单元72将第二位置编码电路71输出的4路信号进行求和，得到第二能量信号。第二探测器阵列30在提供精确的位置分辨率的前提下，通过第二读出电路单元70编码生成较少数量的信号，从而减少电子学读取通道数目。第二探测器阵列获得比较精确的位置信号主要是靠该阵列比较小尺寸的第二子探测器，虽然使用了编码电路，由于其第二子探测器数量多，位置信息更加全面，而且每个单元面积小，所以对晶体的分辨能力更好。
[0070]
本实施例二提供的pet探测器，利用第一读出电路单元60从第一探测器阵列20中获取精确的时间信号和能量信号，利用第二读出电路单元70从第二探测器阵列30中获取精确的位置信号和能量信号，由于第一探测器阵列20中探测器数量较少，因此在使得pet探测器同时达到高时间分辨率、高位置分辨率、高深度分辨率的前提下，可以减少后端电子学通道。
[0071]
上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。