[发明专利]高能光子检测器

说明书

本发明主要涉及典型地超过0.5MeV的高能光子的检测器。这样的检测器可用于例如用于临床或生物学应用的正电子发射断层扫描术(PET)中，用于核物理学研究中，以及更常用于测量光子能量。

PET主要在例如医学和制药领域中用于检测高能光子，即超过0.5MeV的光子，在所述应用领域中，具体来说，它能够相对于特别是人类或动物体内待获取的体内生物器官或组织进行成像。

与用于其他核医学检查的方式相同，执行PET检查需要注射放射性示踪剂。示踪剂由分子载体和能够对所述分子在生物体内的分布进行定位的放射性同位素构成。同位素的选择一方面由决定标记概率的化学性质所决定，另一方面由能够对发射的辐射进行外部检测的衰减方式所决定。对于其实施来说，PET与其他核医学技术相比的优点之一，在于它具有多种生物学重要的化学元素用于在其部署时进行标记。事实上，在生物系统的四种主要组成成分中，正好有三种确实具有通过正电子发射进行衰变的同位素：碳11，氮13和氧15。

其临床开发的获得是由于容易整合到参与代谢的分子中的氟18(¹⁸F)。因此，PET能够跟踪这样的代谢，特别是能够检测具有高葡萄糖消耗的区域，例如致癌区域。

因此，参考图1，PET是基于研究源102中正电子100的发射，使得该正电子100被湮灭或衰减，产生两个各自具有511keV能量的γ光子104和106，所述两个γ光子在实践中从衰减点108沿着相反方向共线发射。

由于围绕正电子源102的光子检测器110，在将检测器110的体积中检测光子104和106的两个点114和116相连的线段112的支持下，可以确定衰减点108。因此，在实践中用放射性产物标记的生物学重要分子例如糖(或多巴胺等)对患者进行注射。比正常细胞活性更高的癌细胞将优先吸收这种不被细胞代谢的特殊糖。放射性标记物、通常为氟18，通过发射正电子(电子的反粒子)进行衰变，所述正电子反过来与来自于环境的电子湮灭，同时沿着两个相反方向发射两个γ光子(具有511keV的确定能量)。

然后通过数百万线段例如线段112的重构，可以通过对比度来表示高光子发射区域与弱光子发射区域，这两个区域分别产生存在高浓度同位素的区域与存在低浓度同位素的区域。

PET仪器的临床医师所需要的结果与仪器的总体性能有关(参见下文)，但是也与最终图像的精密度有关。在这里，在定义引起待获得的这种精密度的参数之前，回想一下PET检测器中γ光子检测的机制将是有用的。

当γ光子穿透到检测器中时，它通过几种方式与检测介质相互作用。最通常情况下，γ光子通过康普顿效应相互作用并在电子上散射而不执行其能量的总体转移。有时使用由康普顿效应引起的相互作用，但总体来说，它们是低效率的来源。被称为“光电作用”的相互作用传递正电子衰减的信号：这种相互作用迅速散逸来自入射光子的任何能量(511keV)。

用于比较不同检测器的重要参数之一是“光电比”，即光电吸收横截面与总横截面的比率。它取决于检测器中使用的介质。另一种参数是γ光子在与介质相互作用之前所覆盖的距离。该距离用“衰减长度”来表示，跨越的介质越稠密，它越小。

在光电相互作用期间产生的光电子一般在短距离内被检测介质吸收。它可能与其中存在的分子反应，以：

-将它们电离并导致“电离电子”的形成，

-激发它们并产生“闪烁光子”。

在常规的PET装置中，通过“光探测器”器件检测闪烁光子能够计算沉积在无机闪烁晶体中的能量并对检测进行计时。被定义为每MeV沉积的能量所产生的闪烁光子数量的“闪烁产率”也是一个重要参数，因为对于某些PET系统来说，它影响能量分辨率(能够排除能量不对应于正电子衰减特有的511keV的光子的分辨率)。这种闪烁现象产生的光子具有由被称为闪烁衰减时间常数的指数性衰减时间常数τ_s所描述的时间分布。

发光闪烁衰减的时间常数τ_s和闪烁产率对“时间分辨率”具有直接影响，所述时间分辨率可以被定义为检测器检测相互作用的时间的不确定性。由于它决定了允许检测器将来自正电子衰减的闪烁光子的两次检测相关联(“并发现象(coincidence phenomenon)”)的时间窗口的持续时间，因此它是重要的参数。

在某些原型检测器(液态氙、CdTe)中，“电离电子”被收集在电荷收集平板(plane)上，以便能够根据情况进行几何参照和/或测量收集的能量。