[发明专利]闪烁检测器以及相关联的闪烁检测器环和方法

说明书

本发明提供了光子传感器在基于闪烁晶体的伽马射线检测器上的新颖布置，该伽马射线检测器利用了闪烁光在闪烁检测器衬底内的全内反射。本发明提供了改善的空间分辨率(包括相互作用深度(DOI)分辨率)，同时保留能量分辨率和检测效率，这在小动物或人的正电子发射断层造影术(PET)或依赖于高能量伽马射线检测的其他技术中尤其有用。此外，新的几何结构有助于减少所需的读出信道的总数目，且消除了进行复杂和重复的切割和抛光操作以形成像素化晶体阵列的需要，该需要是当前PET检测器模块中的标准。

相关申请的交叉引用

本文件要求享有于2016年10月28日提交的美国临时专利申请号62/414,469的优先权，该美国临时专利申请的内容通过引用纳入本文。关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在由NIH授予的批准号P41EB002035的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

正电子发射断层造影术(Positron Emission Tomography，PET)已经成为一种成熟且可靠的技术。由于它能够监测葡萄糖的新陈代谢和特定器官和组织内其他靶向放射性示踪剂的摄取，所以在神经学和肿瘤学中具有广泛应用。与其他替代选项(功能性MRI、CT和SPECT)相比，PET的灵敏度高出几个数量级，这提供更可靠的结果(更低的噪声、更好的空间分辨率、更好的对比噪声比等)。

图1示出了常规的PET检测器100。它包括像素化闪烁体块和相关联的光子检测传感器(例如，光电倍增管(photomultiplier tube)或硅光电倍增器)。如果伽马射线光子在一个像素内部相互作用，则产生可见闪烁光子且所述可见闪烁光子经由通过晶体表面的反射传播到光子传感器。根据通过光子传感器检测到的光的比例，可以估计伽马射线光子的能量、相互作用像素和相互作用时间。

图2描绘了由数百个PET检测器100所形成的检测器环200。在医疗实践中，检测器环200围绕患者。图3A例示了PET的理想化型式，其中放射性原子发射正电子301，该正电子301在行进任一距离之前遇到一个电子，导致在湮灭位置303处发生湮灭事件。湮灭导致发射两个伽马射线光子305(1，2)，所述两个伽马射线光子从湮灭位置303在相反的方向上共线行进。

图3B描绘了放射科医师遇到的非理想PET场景，其中由一个放射性原子发射一个正电子，且在该正电子行进一短距离307(在下面的限制1中提及正电子射程)之后，它与一个电子结合，导致湮灭。该电子和正电子结合且转换成从湮灭位置发射的两个伽马射线光子309(1，2)。然而，所述两个伽马射线光子不在完全相反的方向上行进。更确切地说，在所述两个伽马射线光子的方向之间通常存在从180°的非常小的角偏离。这被称为限制1中所提及的非共线性效应。

如果检测到两个伽马射线光子，则湮灭位置通常位于沿着连接检测器环上的两个伽马射线光子的相互作用位置的线的某处。此线被称为响应线(LOR)。通过收集足够的响应线，可以通过某些算法(诸如，滤波反投影(FBP)或最大似然估计(MLE))来重新构建标记某个器官或肿瘤的同位素图的图像。

图4(图片a、b和c)示出了正电子射程、非共线性和相互作用深度(DOI)对LOR的准确估计的影响。根据图4图片c，当DOI信息不可用时，LOR通常被指派到闪烁晶体的固定位置。然而，这可能由于视差误差而导致错误地指派的LOR。如果准确的DOI信息可用，则可以确定真实的LOR。

与传统的SPECT技术相比，PET具有高得多的灵敏度，因为它不需要准直器。与功能性MRI或CT相比，灵敏度通常高出几个数量级。然而，PET技术仍然具有一些限制。这些限制包括：

限制1：正电子射程和非共线性使空间分辨率降低。因为由于正电子在与一个电子结合之前行进一小距离(正电子射程效应)而造成湮灭位置与放射性同位素的位置不同，所以在重新构建的图像中存在误差或模糊。此外，由于非共线性效应，湮灭位置进一步偏离理想的响应线。