硅光电倍增管能量分辨率的制作方法

专利名称：硅光电倍增管能量分辨率的制作方法
技术领域：
下文涉及光电二极管，且特别是涉及盖革模式(Geiger-mode)雪崩光电二极管阵 列。其具体应用到在下述中使用的探测器正电子发射断层摄影(PET)和单光子发射计算 机断层摄影(SPECT)系统、光学成像装置、光谱仪、以及其中部署有光传感器阵列的其他应用。
背景技术：
在医学和其它范畴的各种应用依赖于低水平光脉冲的检测。PET系统例如包括辐 射敏感探测器，其探测指示在检查区域内发生的正电子衰减的伽玛光子。该探测器包括闪 烁体，此闪烁体响应于接收到的511keV伽玛而生成较低能量光子(典型地在可见光范围或 接近可见光范围)的突发，每个突发典型地包括在几十到几百纳秒(ns)量级的时间段上遍 布的约几百至几千个量级的光子。同步(coincidence)探测器识别那些时间上同步被探测 到的伽玛。所识别的事件进而用于生成指示该衰减的空间分布的数据。光电倍增管(PMT)传统上已经被用于探测由闪烁体产生的光子。然而，PMT是比较 庞大的基于真空管的装置，其特别地不是非常适于需要高空间分辨率的应用。最近，硅光电 倍增管(SiPM)已经被提出。SiPM包括探测器像素阵列，每个像素包括约几千个量级的雪崩 光电二极管(APD)单元。各APD单元工作于盖革模式，每个单元包括猝熄电路。多个SiPM 也已经被组合以形成SiPM阵列。SiPM可提供许多优点，这些优点包括较紧凑的尺寸、良好 的灵敏度、良好的时间分辨率以及良好的空间分辨率。再者，APD及其关联读出电路系统经常可以制作在公共半导体衬底上。在一个读 出方案中，各APD单元已经并行电连接从而产生输出信号，此输出信号为由SiPM的APD单 元生成的电流的模拟总和。在另一读出方案中，数字读出电路系统已经在单元级实施。见， 例如，2006 年 10 月 26 日的名称为 Digital Silicon Photomultiplier forTOF-PET 的 PCT 专利公布 No. W02006/111883A2。由SiPM产生的信号的幅值可提供指示探测辐射的能量的信息。在诸如光谱测定 的应用中，测量和识别此能量的能力可提供关于被检查对象的重要信息。在诸如PET和 SPECT的其他应用中，能量信息可用于识别和/或排除诸如那些由随机性和散射引起的伪 事件，由此趋于提高由该系统产生的图像数据的质量。然而，遗憾的是，SiPM会有饱和的倾向。在像素化闪烁体探测器中，例如，由闪烁交 互作用产生的闪烁光子的数量与探测的辐射的能量近似成比例，但是不依赖于像素尺寸。 如果在给定脉冲中闪烁光子的数量与探测器的光子探测效率(PDE)的乘积显著小于像素 的APD单元的数量，则SiPM信号的幅值与由SiPM探测到的光子的数量成比例。然而，当光 子数量增大时，附加光子导致SiPM信号幅值越来越小的上升。这种整平(flattering)引 起探测器饱和以及伴随的能量分辨率退化。尽管增大像素中APD单元的数量可以减小饱和的效应，这么做也趋于减小SiPM的 面积效率。这进而减小探测器PDE。因此，对于给定像素尺寸，像素中APD单元的数量和尺寸典型地是根据需要探测的光子的数量(即，根据闪烁体的光产出以及探测的辐射能量) 来优化。结果，需要开发针对给定应用而优化的SiPM。再者对于PET系统的实例，全身扫 描器会需要约16平方毫米(mm2)的像素尺寸，头扫描器会需要约4mm2的像素尺寸，动物扫 描器会需要Imm2的像素尺寸，诸如此类。因此，开发全身扫描器将需要开发、优化和制作第 一 SiPM,开发头扫描器将需要开发、优化和制作第二 SiPM，诸如此类。将理解，这些行为将 引起开发和制作成本的显著增加。本申请的各方面解决这些事宜及其它问题。

发明内容
根据第一方面，辐射探测器包括第一闪烁体像素、第二闪烁体像素、以及包括多个 雪崩光电二极管的第一探测器。第一探测器产生作为由第一闪烁体像素接收到的辐射的能 量函数而变化的输出，并在第一能量处提供最大能量分辨率。辐射探测器还包括第二探测 器，该第二探测器包括多个雪崩光电二极管。第二探测器产生作为由第二闪烁体像素接收 到的辐射的能量函数而变化的输出，并在第二能量处提供最大能量分辨率。根据另一方面，一种方法包括使用包括多个雪崩光电二极管的第一探测器来产生 作为由第一闪烁体接收到的辐射的能量函数而变化的输出。第一探测器在第一能量处具有 最大能量分辨率。该方法还包括使用包括多个雪崩光电二极管的第二探测器来产生作为由 第二闪烁体接收到的辐射的能量函数而变化的输出。第二探测器在第二能量处具有最大能 量分辨率。根据另一方面，一种方法包括确定由闪烁体材料在与具有第一能量的辐射的闪烁 交互作用中产生的光子的数量，选择用于在该第一和第二像素化辐射探测器中使用的由单 元面积来表征的雪崩光电探测器单元设计，以及确定该第一辐射探测器的像素在该第一能 量处产生第一能量分辨率的第一闪烁光子探测效率。根据另一方面，提供了一种辐射探测器族。该族的第一成员包括第一探测器，该第 一探测器包括具有第一像素面积的第一探测器像素。该第一像素包括具有第一单元面积 的第一数量的雪崩光电二极管单元，且该第一像素由第一闪烁光子探测效率来表征。该族 的第二成员包括第二探测器，该第二探测器包括具有大于该第一像素面积的第二像素面积 的第二探测器像素。该第二像素包括具有该第一单元面积的第二数量的雪崩光电二极管单 元，该第二数量大于该第一数量，且该第二像素由大于该第一闪烁光子探测效率的第二闪 烁光子探测效率来表征。根据另一方面，一种辐射探测器包括闪烁体以及探测来自该闪烁体的闪烁光子的 雪崩光电二极管阵列。该探测器包括电学可调节的闪烁光子探测效率。根据另一方面，一种方法包括使用包括闪烁体和雪崩光电二极管阵列的探测器 来探测辐射，改变该探测器的能量分辨率，以及重复所述使用的步骤。本领域普通技术人员在阅读和理解如下详细描述之后将理解本发明的其他方面。


本发明可以采取不同部件和部件布置的形式，以及不同步骤以及步骤安排的形式。附图仅用于说明优选实施例的目的，并不被理解为限制本发明。图1描述作为探测光子的函数的SiPM信号的幅值。图2描述作为SiPM的PDE函数的SiPM的能量分辨率。图3A和3B描述第一探测器的相应俯视图和侧视图。图4A和4B描述第二探测器的相应俯视图和侧视图。图5A和5B描述第三探测器的相应俯视图和侧视图。图6A-6I描述光学耦合器的配置。图7描述方法。图8描述检查系统。
具体实施例方式在包括像素化闪烁体探测器的成像或其它系统中，探测器空间分辨率是闪烁体像 素尺寸的函数。因此，具有相对较小像素的探测器将通常具有比具有更大像素的可比较探 测器更好的空间分辨率。如上述，由闪烁交互作用产生的闪烁光子的数量取决于闪烁体材料的特性以及探 测的辐射能量，而不依赖于像素尺寸。如果相同尺寸的APD单元用于具有不同像素尺寸的 探测器，每个像素的APD单元数量一般将会作为像素尺寸的函数而变化(例如，具有更小像 素的探测器将具有更少的APD单元数量)。结果，与具有更大像素的可比较探测器相比，具 有更小像素的探测器将趋于在较低能量饱和。这种情况在图1中予以说明，图中横坐标代表由SiPM探测的光子的数量，以及纵 坐标代表归一化探测器输出，其中1.0是由完全饱和的探测器产生的信号。出于目前讨论 的目的，将假设探测器包括响应于与511keV伽玛光子的交互作用而产生大约15000个闪烁 光子的镥钇酸正硅酸盐(LYSO)闪烁体，这些闪烁光子中大约50%入射在SiPM上(S卩，约 7500个入射光子)，以及60%的入射闪烁光子可被SiPM探测到(即，SiPM的光子探测效率 约为60% )。因此，SiPM将响应于511keV伽玛光子而探测到大约4500个闪烁光子。这在 图1中作为线102来说明。在图1中，曲线104代表由具有512个APD单元的Imm2探测器像素产生的信号， 曲线106代表由具有2048个APD单元的4mm2探测器像素产生的信号，以及曲线108代表 由具有8192个APD单元的16mm2探测器像素产生的信号。可以看出，Imm2像素将被511keV 伽玛完全饱和并因此对于在511keV附近(且实际上基本在其之下)的辐射将不具有能量 分辨率。2mm2像素将被显著地饱和并因此将具有差的能量分辨率，而4mm2像素基本上不被 饱和(或反过来说，仅适度饱和)，因此将具有合理的能量分辨率。从另一个角度看，对于给定的探测器配置，在给定能量处的能量分辨率是由SiPM 探测的光子数量的函数。这反过来意味着能量分辨率取决于入射光子被探测的效率。这在 图2中予以说明，其中横坐标代表单位为百分比的SiPM的光子探测效率(PDE)，而纵坐标代 表在能量E处的能量分辨率AE/E。出于本实例的目的，将假设与能量E的光子的闪烁交互 作用产生约7500个闪烁光子。图2中，曲线202代表具有M = 512个APD单元的Imm2探测器像素的能量分辨率 Δ E/E，曲线204代表具有4M = 2048个APD单元的4mm2探测器像素的能量分辨率ΛΕ/Ε，以及曲线206代表具有16M = 8192个APD单元的16mm2探测器像素的能量分辨率ΔΕ/Ε。 结合曲线202最能看出，对于给定的像素配置的能量分辨率ΔE/E包括第一区域208，其 中曲线202由负斜率来表征，最小值210 ；以及第二区域212，其中曲线202由正斜率来表 征。在第一区域208中，其对应于在饱和曲线104上相对低的区域(见图1)，能量分辨 率主要受光子统计学限制且因此光子计数受限。因此，能量分辨率随PDE增加而改善。在第 二区域212中，其对应于在饱和曲线104上相对高的区域(见图1)，能量分辨率主要受探测 器的饱和限制。因此能量分辨率随PDE增加而恶化。在这个实例中，最小值210位于SiPM 具有约10. 5 %的PDE的区域中。因此，在能量E处的最大或最好能量分辨率发生在SiPM探 测到7500个入射闪烁光子中的大约790个的区域中。换言之，大于或小于约10. 5%的PDE 产生比最大能量分辨率差的分辨率。以图2继续，曲线204和206是相似的。曲线204，其仍描述包括2048个APD单 元的4mm2像素，包括位于约42%的PDE的最小值214。因此，在能量E处的最大能量分辨 率发生在SiPM探测到7500个入射闪烁光子中的大约3160个的区域处。因为16mm2、8192 个APD单元像素在远低于饱和之下工作，当PDE接近100%时能量分辨率继续改善，如曲线 206所示。换言之，最大能量分辨率将发生在大于100%的PDE处。还将指出，当像素尺寸 减少时，曲线202、204、206变得相对更窄，且最大能量分辨率恶化。尽管曲线202、204、206描述lmm2、4mm2以及16mm2像素尺寸，可能的像素尺寸并不
如此受限制。曲线216描述对于各种像素尺寸，在能量E处的最大能量分辨率和PDE之间 的关系，再次假设APD单元尺寸保持不变使得每个像素的APD单元数量随着像素面积的增 加而增加。可以看出，对于相对较小的像素，在能量E的最佳能量分辨率是在比较大像素低 的PDE处实现的。换言之，在给定能量E附近产生最好或最大能量分辨率的PDE是像素尺 寸的直接函数。最大能量分辨率曲线216也可以映射到图1。这样做揭示了对于给定的APD单元 尺寸，当由SiPM探测到的光子数量为使得SiPM产生约79. 7%其饱和值的输出时，获得在能 量E附近的最大能量分辨率。如图1的水平线110所示，该比率不依赖于像素尺寸。换言 之，最大能量分辨率发生在当关系方程1(I-PDE * n/(2 * m)) * exp (PDE * n/m) = 1满足时，这里PDE ★ η为探测的光子数量，m为APD单元的数量。进行数值求解， 最佳能量分辨率由此发生在方程2PDE *n/m = 1. 5936...而且，对于给定的像素尺寸以及SiPM配置，在给定的能量处提供最大能量分辨率 的PDE作为能量的反函数而变化。因此，提供最大能量分辨率的PDE随着能量增加而减小。 再有，然而，当由SiPM探测到的光子数量为使得SiPM产生约79. 7%其饱和值的输出时，获 得在能量E附近的最大能量分辨率。前述关系可以以各种方式加以利用。现在将参考分别描述第一、第二和第三探测 器配置的图3A和3B、4A和4B以及5A和5B来描述一个实例。如所示，探测器包括像素化闪烁体302、光学耦合器304以及一个或多个SiPM 306。注意，为了说明清楚而从图3A、4A 和5A省略了光学耦合器304。包括辐射接收面308的闪烁体302响应于来自受检查对象的辐射310而产生闪烁 光子。闪烁体302也包括多个闪烁体像素312。为了最小化光学串扰，各种像素典型地由材 料来分开，该材料在闪烁光子的波长处是光学不透明的或另外是相对非光学透射的。如上 述，闪烁交互作用中产生的光子波长取决于闪烁体的特性。然而，对于给定的闪烁体材料， 光子数量一般与探测的辐射能量成比例。SiPM 306被组织在多个SiPM像素中，其尺寸和间距对应于闪烁体像素312的尺 寸和间距。如所示，SiPM像素的数量以一对一关系对应于闪烁体像素312的数量。然而， 应该注意到，闪烁体像素312和SiPM像素可具有不同尺寸和/或间距。而且，此一对一的 对应关系不是必需的。通过一个实例的方式，SiPM像素可具有比闪烁体像素312相应尺度 更大(或更小)的尺度(例如，三个SiPM像素的宽度可匹配两个闪烁体像素的宽度)。每 个SiPM像素包括探测在光子接收面307处接收到的光子的多个APD单元314 (为了说明清 楚，只有一个这样的单元在图3A、4A和5A中被说明)。每个APD单元314包括以盖革模式 工作的APD以及猝熄/充电电路。如下将更详细地解释，跨过第一、第二和第三探测器配置 的APD单元314的配置和尺寸基本上相同。因此，给定像素中的APD单元314的数量是像素 面积的函数。而且，像素中的APD单元314可以组织成一个或多个探测器单元或模块316， 像素中探测器单元316的数量仍作为像素面积的函数而缩放。注意，合适的读出电路系统 可以提供在APD单元314、探测器单元316和/或像素级处。来自每个像素的数据优选地被收集以产生输出，该输出指示响应于闪烁突发(或 以其它方式在期望读取期间内)由像素探测到的光子总数量，且因此指示由像素探测到的 辐射能量。在PET或测量探测辐射到达时间的其它系统的情况下，光子触发网络可连接到 合适的时间到数字转换器，该时间到数字转换器产生指实例如相对于公共系统时钟的到达 时间的输出。各SiPM像素的光子接收面307经由光学耦合器304而与它们相应的闪烁体像素 操作地光学连通。光学耦合器304和/或SiPM 306配置为使得响应于具有感兴趣能量的辐 射产生的闪烁光子的PDE在该感兴趣能量处产生处于或接近最大值的能量分辨率。注意， 尽管光学耦合器304示为不同于闪烁体302和SiPM 306，光学耦合器304的一些或全部可 整合到闪烁体302和SiPM 306之一或二者。具体参考图3A和3B的实例，闪烁体像素312由面积A来表征，且相应的SiPM像 素包括组织在N个基本上相同的探测器单元316内的M个基本上相同的APD单元314。具 体参考图4A和4B的实例，闪烁体像素312由面积4A来表征，且SiPM像素包括组织在4N 个基本上相同的探测器单元316内的4M个基本上相同的APD单元314。具体参考图5A和 5B的实例，闪烁体像素312由面积16A来表征，且SiPM像素314包括组织在16N个基本上 相同的探测器单元316内的16M个基本上相同的APD单元314。对于每个像素尺寸，光学耦合器304和/或SiPM 306配置成提供在感兴趣能量处 的最大或其它期望的能量分辨率。例如，如果第一探测器配置具有约P%&PDE，则第二探 测器配置可具有约PDE，以及第三探测器配置可具有约PDE。因此，相同的APD单元314和/或探测器单元316设计可用于要求不同像素尺寸的应用中，然而仍然保持在感兴趣能量处的能量分辨率能力。类似地，相同的单元314、316 设计可用于这样的应用中，该应用要求相同或相似像素尺寸，但是要求在不同的感兴趣能 量处优化该能量分辨率。此方法减少了针对许多不同像素尺寸或感兴趣能量而开发和优化 APD单元314和/或探测器单元316设计的需要。单元314、316以及实际上SiPM 306本身 因此可看成公共模块或构建区块，其视需要被组装以适应期望应用的要求。各种技术可单独或者组合地使用以改变探测器PDE。在一个这样的实例中，系统包 括可变电压或偏置电源，其改变施加到一个或多个APD的反向偏置电压。注意，电源的一些 或全部可与APD —样制作在相同的衬底上；电源的一些或全部也可以制作在不同衬底上。 可以使用这样的布置例如以在如下应用中减小反向偏置电压，这些应用要求在相对较高能 量处的更小像素尺寸或能量分辨率(反之亦然)。然而，优选地，APD保持被偏置在盖革模 式。注意，该调节也可以在APD单元314、探测器单元316、像素或SiPM级进行，例如以补偿 PDE已经接近最佳的设计中部件到部件的变动。如图6A-6I中所示，PDE也可以通过改变到达APD的闪烁光子的百分比来改变。再 次注意，PDE可以以逐像素方式或在其它基础上改变，例如以解决像素之间的部件到部件的 变化。在另一实施方式中，PDE可被改变使得不同像素或像素组具有不同PDE(例如，第一 组像素具有第一 PDE，第二组像素具有第二 PDE，诸如此类)。这样的实施方式在光谱测定和 其中期望提供指示在多个不同能量处所接收辐射的输出的其它应用中是尤为有用的。图6A描述这样的布置，其中光学耦合器304包括对闪烁光子是反射性的材料602 以及布置在闪烁体像素312和SiPM 306之间的光学耦合介质或材料604。如图6A中所示， 反射性材料602在五(5)个侧面上包围闪烁体像素。耦合介质604置于第六侧面上，该耦 合介质604通过实例方式而非限制性地可包括合适的光学粘合剂、油脂、或油、硅垫等等。 备选地或者附加地，耦合介质604可包括例如波长转变材料或光纤的波长变换器，其将闪 烁光子的波长变换为更接近地匹配SiPM敏感波长的波长。出于本解释的目的而将假设，对 于给定的闪烁体像素312至SiPM 306布置，图6A中说明的光学耦合器304布置相对于图 6B-6I的光学耦合器布置提供了最大的PDE。为了减少闪烁体像素312和SiPM 306之间的光学耦合以及进而减少有效PDE，光 学耦合材料604的一些或全部可以省略。图6B示出其中材料604完全被省略从而在闪烁 体像素312和相应SiPM 306之间引入空气间隙606的情况。备选地或者附加地，光学耦合 材料604可被着色或以其它方式处理成对闪烁光子是相对更加不透明的。作为再一备选， 光学耦合介质604可包括波长变换器，该波长变换器将闪烁光子的波长变换到其中SiPM相 对较不敏感的波长或波长范围。如图6C所示，光学滤波器608或其它光吸收材料可放置在闪烁体像素312和SiPM 306之间。合适滤波器的实例包括施加到闪烁体像素312或SiPM 306之一或两者的涂层、 滤波器材料的层、彩色滤波器等等。如图6D所示，在SiPM工作期间或者另外在SiPM组装 之后，滤波器608a、608b的不透明性或其它光学特性可以以逐像素方式或在其它基础上是 可调节的。在一个这样的实施方式中，例如经由液晶装置，滤波器608a、608b是电学可调节 的。如图6E中所示，反射闪烁光子的可调节反射器610可提供在闪烁体的辐射接收面 308处。注意，反射器610可以以逐像素方式或在其它基础上是可调节的。再者，在装置工作期间或者另外在装置组装之后，反射器610可以是电学地或其它方式可调节的。如图6F 所示，反射器602和/或610可从辐射接收面610省略。这样的实施方式导致相对于图6A 配置的大约50 %的PDE减少。光学耦合也可通过改变反射器602的光学特性而改变，例如通过增加或减少其反 射率。而且，反射器602的一些或全部可省略或用光吸收介质612代替。在一个这种实施 方式中，介质为发黑涂层或材料层。如图6G、6H和61所示，例如，光吸收材料可施加到辐射 接收308的全部或一部分，或者闪烁体像素312的侧面。注意，如图61中所示，每隔一个反 射器602可用光吸收介质612部分地或者完全地代替。光学耦合以及进而PDE也可以通过改变闪烁体材料的特性来改变。类似地，响应 于闪烁交互作用而产生的光子的数量也可以通过改变闪烁体材料的特性来改变。然而，考 虑到目前可用的闪烁体材料及制作技术，这些方法与上文结合图6所描述的那些方法相比 吸引力较低。现在转向图7，将描述生产辐射探测器的方法。将结合第一和第二实例来描述该方 法。第一实例包括用于在具有相对较大视场的第一临床全身PET扫描器、具有中间尺寸视 场的第二临床神经(即，头部)PET扫描器以及具有相对小视场的第三临床前的动物扫描器 中使用的探测器族。第二实例包括用于在第一能量处要求最大或其它期望能量分辨率的第 一探测系统中以及在第二能量处要求最大或其它期望能量分辨率的第二探测系统中使用 的探测器族。在702，估计在一个或多个感兴趣能量处由闪烁体产生的光子数量。如上述，对于 像素化闪烁体探测器的情况，光子数量一般取决于所选择的闪烁体以及感兴趣能量。出于 估算的目的，假设闪烁体和SiPM像素之间的光学耦合接近最大可到达值。在704，确定期望的APD单元314以及探测器单元316的数量和尺寸(且特别是单 元的APD的尺寸)。如上述，单元314、316的数量和尺寸典型地为所选择像素尺寸的函数。 注意，可期望优化在具有较大像素尺寸的探测器中使用的APD单元314设计。例如，可期望 选择APD单元314的数量和尺寸，从而在最大像素尺寸处最大化SiPM光子探测效率，特别 是在大于100%的PDE处实现最大能量分辨率的场合。而且，提高SiPM光子探测效率趋于 提高整个探测器性能，且如上述，相对较大像素的能量分辨率在任何情况下对PDE相对不 敏感。APD单元314和探测器单元316的数量根据所选择像素尺寸而缩放。注意，取决于所 选择尺寸和几何形态，缩放可以略微偏离理想情形。出于第一实例的目的，将假设全身PET扫描器具有4mmX4mm的像素面积，神经扫 描器具有2mmX2mm的像素面积，以及临床前扫描器具有ImmX Imm的像素面积。因此，APD 单元314的数量和尺寸通常被选择以最大化用于4_X4mm像素尺寸的SiPM光子探测效 率。因此，全身系统探测器的每个SiPM像素可包括大约8192个APD单元314，而用于神经 和临床前系统的SiPM像素将分别具有大约2048和512个APD单元314。对像素面积和模 块化的考虑揭示了，具有大约ImmX Imm面积和512个APD单元314的探测器单元316可被 使用在临床前系统探测器中，而四(4)和十六(16)个这样的探测器单元316可以分别使用 在神经和临床前系统中。在706，确定在感兴趣能量和/或像素尺寸处提供最大或其它期望能量分辨率的 PDE0在某些应用中，偏离提供了期望能量分辨率的PDE是期望的，例如在更高的整体光子探测效率比提高的能量分辨率相对更加重要的应用中。出于第一实例的目的，确定在约511keV处提供用于4謹X4謹、2謹X2謹以及 ImmX Imm像素尺寸的最大能量分辨率的PDE。注意，PDE与像素面积成反关联。在图2所示 的实例中，如果4mmX 4mm探测器的PDE尽可能合理地高，则将实现最大性能。由于2mmX 2mm 探测器的能量对于PDE的改变相对不敏感，如果PDE略高于提供最佳能量分辨率的值，则可 以实现最佳性能。出于第二实例的目的，APD单元314的所选数量和PDE相对密切相关。尽管增加 APD单元314的数量趋于提高能量分辨率，这么做趋于降低探测器效率。因此，APD单元314 的数量和PDE被选择以在较低能量处提供期望的能量分辨率，该能量分辨率可小于以其它 方式可获得的能量分辨率。如果在较低能量，APD单元314的数量被选择以在最大合理可 获得的PDE处提供最大能量分辨率，则一般可获得最佳性能。在更高能量处提供最大能量 分辨率的PDE是基于APD单元314的数量进行选择的。注意，PDE为能量的直接函数。在708，设计APD单元314以及探测器单元316。出于第一实例的目的，探测器单元316具有大约Imm2的面积和512个基本上相同 的APD单元314。在710，在必需的SiPM的设计中使用探测器单元316设计。在第一实例中，设计成在全身扫描器中使用的SiPM将包括具有十六(16)个探测 器单元316的像素，设计成与神经扫描器一起使用的SiPM将包括具有四(4)个探测器单 元316的像素，而设计成与临床前扫描器一起使用的SiPM将包括具有一(1)个探测器单元 216的像素。将理解，这样的方法趋于简化各种SiPM的设计。出于第二实例的目的，相同的SiPM通常将在两个系统中使用。在712，设计提供期望PDE的耦合器。出于第一实例的目的，相对高效耦合器304设计可被选择用于在将用于全身扫描 器的探测器中使用，而相对较低效率的设计被选择用于将在神经和临床前扫描器中使用的 探测器。后者可以通过故意降低相对更高效率的耦合器设计的效率来完成，例如通过使用 结合图6在上文描述的技术之一。出于第二实例的目的，相对高效耦合器设计可以被选择用于在将用于较低能量系 统的探测器中使用，而相对较低效率的设计被选择用于将在较高能量系统中使用的探测 器。后者仍可以通过故意降低更高效率的耦合器设计的效率来完成。在714，组装闪烁体、光学耦合器以及SiPM。在第一实例中，三个版本的探测器被考虑并可根据需要组装。在第二实例中，两个版本的探测器被考虑并可根据需要组装。在716，安装探测器作为成像、光谱学或其它检查系统的一部分。对于第一实例，具有4mmX4mm像素的探测器将安装在全身扫描器中，具有 2mmX2mm像素的探测器将被安装在神经扫描器中，以及具有ImmX Imm像素的探测器将被 安装在临床前扫描器中。对于第二实例，探测器版本将类似地被安装在相应的检查系统中。应当理解，前述设计和设计选择过程本质上会略有反复。各步骤执行的顺序也可 改变。
现在转向图8，检查系统800包括像素化辐射敏感探测器802、数据采集系统803、 图像生成器804以及操作员接口 806。探测器802包括产生输出数据的一个或更多像素808&，该输出数据指示由探测 器接收到的辐射的能量、到达时间、位置、和/或其它特性。在PET系统的实例情形中，探测 器802及其像素808以围绕包括合适对象支持的检查区域的整体上呈环形或环状的布置来 排布。如上所描述，每个像素808包括闪烁体像素312、多个APD单元314^、一个或多个 探测器单元316^以及光学耦合器304，各种像素配置成在(多个)感兴趣能量处优化能量 分辨率。另外在所述实例中，像素808还包括能量测量电路820和时间测量电路822。能量 测量电路820例如通过产生模拟输出信号、数字计数值等等而给出指示探测的辐射能量的 输出。时间测量电路822给出指示探测的辐射到达时间的输出。在一个实施方式中，各种像素808制作在分离的半导体衬底上。在另一实施方式 中，两(2)个或更多个像素制作在同一半导体衬底上。作为再一变化，像素电学电路系统的 一些或全部(例如，能量测量电路820和/或时间测量电路822)可制作在不同半导体衬底 上。来自像素808的信号由数据采集系统803接收，该数据采集系统803产生指示所 探测辐射的数据。数据采集系统803与根据探测的辐射能量来分拣(bins)信号的能量分 拣器(birmer)或滤波器805结合运行。在一个实施方式中，能量分拣中心位于或者能量分 拣以其它方式包括这样的能量，在该能量处各像素808的能量分辨率被优化。注意，在不同 能量处优化各种像素808的情形，可提供多个这样的分拣。在PET扫描器的情况下，像素808的能量分辨率可在大约511keV处最大化，且能 量区间可类似地建立在511keV附近以辅助识别和/或排除那些有可能源于散射、随机情况 等的事件。应当理解，相对于能量分辨率在511keV感兴趣能量处为次最佳的实施方式，这 样的布置提供改进的能量测量。仍然在PET系统的实例情况下，数据采集系统803使用经滤波的数据来产生指示 由各种像素808接收到的时间上同步光子的投影数据。在系统包括飞行时间能力的场合， 飞行时间确定器使用由各种像素808接收到的同步511KeV伽马的相对到达时间，从而产生 飞行时间数据。注意，同步和/或相对到达时间与光子探测基本上同时被确定。备选地，各 种光子的到达时间可用在后续工作中识别的同步和/或生成的飞行时间信息来测量。在光谱仪或其它类似系统中，第一像素或像素组的能量分辨率可在第一能量处被 优化，第二像素或像素组的能量分辨率可在第二能量处被优化，等等。使用被用于产生指示 在各种能量处所探测辐射的输出的信息，期望的能量分拣被相应地建立。在系统包括可调 节光学耦合器304或APD偏置电压的场合，能量分辨率可在第一能量处被优化，辐射被探测 和分拣，且优化、探测和分拣针对需要的不同能量而被重复。注意，取决于给定检查的要求， 可以在检查之前、在检查过程期间一次或多次、或者在这两个阶段均进行优化。在检查系统800配置为成像系统的场合，图像生成器804使用来自采集系统804 的数据以产生指示所探测辐射的图像或其它数据。仍然在PET系统的实例中，图像生成器 804包括迭代或其它重构器，其重构投影数据以形成容积或图像空间数据。用户经由操作员接口 806与系统800互动，例如以控制系统800的工作，观察或以其它方式操纵来自数据采集系统803或图像生成器804的数据等。变型被考虑到。例如，以上技术不限于在优化探测器能量分辨率中使用，且可用于 其中期望准确地对由探测器接收到的光子数量进行计数的光子计数应用。在SiPM对于将 被探测能量的辐射敏感的场合，闪烁体可省略。根据这些实施方式，SiPM和环境之间的耦 合如上所描述被调节。其它的配置以及闪烁体材料也被考虑到。作为一个实例，探测器可包括例如波长 变换材料或波长变换光纤的波长变换器，以将闪烁光子的闪烁波长变换到更接近地对应于 SiPM敏感波长范围的波长。另一方面，在目标是降低PDE的场合，波长变换器可被用来将闪 烁光子的波长变换为其中SiPM较不敏感的波长。各个单元和像素的形成因子可以不是方 形。本发明已经参考前述实施例予以描述。其他人在阅读和理解在前的详细描述后可 想到修改和变更。本发明意图被解释为包括所有这样的修改和变更，只要它们落在所附权 利要求书及其等同物的范围之内。
权利要求
一种辐射探测器，包括第一闪烁体像素(312)；第二闪烁体像素；包括多个雪崩光电二极管的第一探测器(306)，其中该第一探测器产生作为由该第一闪烁体像素接收到的辐射的能量函数而变化的输出并在第一能量处提供最大能量分辨率；包括多个雪崩光电二极管的第二探测器，其中该第二探测器产生作为由该第二闪烁体像素接收到的辐射的能量函数而变化的输出并在第二能量处提供最大能量分辨率；
2.权利要求1的辐射探测器，其中该第一探测器的雪崩光电二极管分组在多个基本上 相同的探测器单元(316)中。
3.权利要求2的辐射探测器，其中该第一探测器包括正好4n个基本上相同的探测器单 元，其中η为大于或等于一的整数。
4.通过包括下述过程产生的权利要求1的辐射探测器识别该第一能量；配置该辐射探测器，使得响应于由该第一闪烁体像素接收到的并具有该第一能量的辐 射，该第一探测器产生大约其饱和值的80%的输出。
5.权利要求1的辐射探测器，其中该辐射探测器包括耦合该第一闪烁体像素和该第一 探测器的耦合器(304)，其中该辐射探测器是由这样的工艺产生的，该工艺包括配置该耦合 器从而故意降低该第一探测器探测来自该第一闪烁体像素的光子的效率。
6.权利要求5的辐射探测器，其中该耦合器包括反射器以及配置包括降低该反射器的 反射率。
7.权利要求1的辐射探测器，其中该辐射探测器包括第一像素尺寸以及耦合该第一闪 烁体像素和该第一探测器的耦合器(304)，且其中该辐射探测器是由这样的工艺产生，该工 艺包括从具有第二、相对较大像素尺寸的辐射探测器选择雪崩光电二极管单元设计，其中该 单元设计由单元面积来表征；配置该耦合器(304)以在该第一能量处提供最大能量分辨率。
8.权利要求1的辐射探测器，包括耦合该第一闪烁体像素和该第一探测器的电学可变 滤波器(608，610)。
9.权利要求1的辐射探测器，其中该第一闪烁体像素包括辐射接收面(308)，该辐射探 测器包括反射由该闪烁体像素产生的光子的反射器(602)，以及该反射器不反射在该辐射 接收面的至少一部分处接收到的所产生的光子。
10.权利要求1的辐射探测器，其中该第一闪烁体像素包括辐射接收面(308)、由该闪 烁体像素产生的光子通过其被传递到该第一探测器的面、和侧面，该辐射探测器包括反射 由该第一闪烁体像素产生的光子的反射器(602)，其中该反射器不反射在该侧面的至少一 部分处接收到的所产生的光子。
11.权利要求1的辐射探测器，其中该第一闪烁体像素包括辐射接收面、第一侧面和第 二侧面，并响应于接收辐射而产生光子，其中该第一侧面包括第一相对具有光子反射性的 材料以及第二侧面包括第二光子反射性相对不那么强的材料。
12.权利要求1的辐射探测器，其中该第一和第二能量大约为511keV。
13.权利要求1的辐射探测器，其中该第一和第二能量是不同的。
14.权利要求1的辐射探测器，其中该辐射探测器形成光谱仪或正电子发射探测器的 一部分。
15.权利要求1的辐射探测器，其中该第一和第二探测器布置在同一半导体衬底上。
16.权利要求1的辐射探测器，其中该雪崩光电二极管被偏置在盖革模式中。
17.一种方法，包括使用包括多个雪崩光电二极管的第一探测器(306)来产生作为由第一闪烁体接收到 的辐射的能量函数而变化的输出，其中该第一探测器在第一能量处具有最大能量分辨率；使用包括多个雪崩光电二极管的第二探测器来产生作为由第二闪烁体接收到的辐射 的能量函数而变化的输出，其中该第二探测器在第二能量处具有最大能量分辨率。
18.权利要求17的方法，其中该第一探测器的输出由饱和值来表征，且该方法包括响 应于具有该第一能量的探测辐射而产生为约80%该饱和值的输出。
19.权利要求17的方法，包括调节耦合该第一探测器和该第一闪烁体的耦合器(304) 以减小第一和第二能量之间的差。
20.权利要求17的方法，其中方法包括改变该第一能量；重复使用该第一探测器的步骤。
21.权利要求17的方法，其中第一和第二能量是不同的，且该方法包括作为该第一输出的函数，在包括该第一能量的第一能量区间中分拣由该第一闪烁体接 收到的辐射；作为该第二输出的函数，在包括该第二能量的第二能量区间中分拣由该第二闪烁体接 收到的辐射。
22.—种方法，包括确定由闪烁体材料在与具有第一能量的辐射的闪烁交互作用中产生的光子的数量；选择在第一和第二像素化辐射探测器中使用的雪崩光电探测器单元(314)设计，该雪 崩光电探测器单元设计由单元面积来表征；确定其中该第一辐射探测器的像素在该第一能量处产生第一能量分辨率的第一闪烁 光子探测效率。
23.权利要求22的方法，其中该第一辐射探测器包括具有第一面积的像素以及该第二 辐射探测器包括具有第二、相对较大面积的像素，且该方法包括选择用于耦合该第一探测器的闪烁体像素和该第一探测器的探测器像素的耦合器 (304)的第一设计，使得该第一探测器的该像素具有所确定的效率；选择用于耦合该第二探测器的闪烁体像素和该第二探测器的探测器像素的耦合器的 第二设计，使得该第二探测器具有比所确定的效率大的闪烁光子探测效率。
24.权利要求23的方法，其中选择用于该耦合器的第二设计包括选择在该第一能量处 最大化该第一探测器的能量分辨率的耦合器设计。
25.权利要求23的方法，其中选择用于该耦合器的第一设计包括选择最大化该第二探 测器的闪烁光子探测效率的耦合器设计。
26.权利要求22的方法，其中该第一能量分辨率为最大能量分辨率。
27.权利要求22的方法，其中选择雪崩光电探测器单元设计包括被优化用于在第二探 测器中使用的设计。
28.权利要求22的方法，包括选择用于在该第一和第二探测器中使用的探测器单元 (316)设计，其中探测器单元设计包括所选择的光电二极管单元设计的多个雪崩光电二极管单元。
29.权利要求22的方法，其中该第一辐射探测器包括具有第一面积的像素以及该第二 辐射探测器包括具有与第一面积相等的第二面积的像素，且该方法包括确定由该闪烁体材料在与具有第二能量的辐射的闪烁交互作用中产生的光子数量； 确定该第二辐射探测器的像素在该第二能量处产生第二能量分辨率的第二闪烁光子 探测效率。
30.权利要求29的方法，其中该第一和第二能量分辨率为最大能量分辨率。
31.权利要求29的方法，包括选择用于耦合该第一探测器的闪烁体像素和该第一探测 器的探测器像素的耦合器(304)的第一设计，其中该第一探测器的该像素具有所确定的第一效率。
32.使用权利要求22的方法产生的辐射探测器。
33.辐射探测器族，其中该族的成员包括包括具有第一像素面积的第一探测器像素的第一探测器，其中该第一像素包括具有第 一单元面积的第一数量的雪崩光电二极管单元，且该第一像素由第一闪烁光子探测效率来 表征；包括具有大于该第一像素面积的第二像素面积的第二探测器像素的第二探测器，其中 该第二像素包括具有该第一单元面积的第二数量的雪崩光电二极管单元，该第二数量大于 该第一数量，且该第二像素由大于该第一闪烁光子探测效率的第二闪烁光子探测效率来表 征。
34.权利要求33的族，其中该第二面积为该第一面积的N倍，且该第二数量的雪崩光电 二极管单元为该第一数量的雪崩光电二极管单元的约N倍。
35.权利要求33的族，其中该第二面积为该第一面积的N倍，且该第二闪烁光子探测效 率为该第一闪烁光子探测效率的约N倍。
36.权利要求33的族，其中该第一和第二探测器像素响应于具有第一能量的探测辐射 而各自产生约80%的它们相应饱和值的输出。
37.权利要求33的族，其中该第一探测器的雪崩光电二极管单元与该第二探测器的雪 崩光电二极管单元基本上相同。
38.权利要求33的族，其中该第一探测器包括由第一闪烁体材料制作的第一闪烁体， 该第二探测器包括由第一闪烁体材料制作的第二闪烁体。
39.一种辐射探测器，包括 闪烁体(312)；探测来自该闪烁体的闪烁光子的雪崩光电二极管阵列； 其中该探测器包括电学可调节的闪烁光子探测效率。
40.权利要求39的设备，其中该设备包括用于改变应用到至少该阵列的第一雪崩光电二极管的偏置电压的构件，其中改变该偏置电压调节了该探测效率。
41.权利要求39的设备，包括具有电学可变光学属性的部件，其中改变该光学属性调 节了该探测效率。
42.权利要求41的设备，其中该部件包括反射器。
43.权利要求42的设备，其中该部件包括滤波器。
44.权利要求39的设备，其中该阵列形成硅光电倍增管的一部分。
45.一种方法，包括使用包括闪烁体和雪崩光电二极管阵列的探测器来探测辐射； 改变该探测器的能量分辨率； 重复所述使用的步骤。
46.权利要求45的方法，其中该辐射包括能量，以及改变包括改变该探测器具有最大 能量分辨率的能量。
47.权利要求45的方法，其中改变包括改变应用到该阵列的光电二极管的偏置电压。
48.权利要求45的方法，其中该方法包括在盖革模式中偏置该阵列的光电二极管。
49.权利要求45的方法，其中改变包括改变该闪烁体和该阵列之间的耦合。
50.权利要求45的方法，其中改变包括电学改变该能量分辨率。
全文摘要
光电探测器族包括至少第一成员和第二成员。在一个实施例中，该族包括具有不同像素尺寸的成员。在另一实施例中，该族包括具有相同像素尺寸的成员。探测器的探测效率被优化以在一个或多个感兴趣能量处提供期望的能量分辨率。
文档编号H01J43/18GK101884087SQ200880105682
公开日2010年11月10日 申请日期2008年8月26日 优先权日2007年9月4日
发明者A·索恩, T·弗拉克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司