伽马辐射探测设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种伽马辐射探测设备。本发明一般应用于医学成像领域。更具体而 言，本发明应用于PET和SPECT成像领域，并且特别参考其来描述。
【背景技术】
[0002] 在PET和SPECT成像领域中，放射性示踪剂被施予给患者，该放射性示踪剂优选地 被身体的特定区域摄取。放射性示踪剂引起伽马光子的发射，伽马光子被医学成像系统探 测到并被用于生成放射性示踪剂的空间分布的图像。这样的图像可以随后被医师解读以调 查生物过程的机能。这些图像的质量，尤其是它们的信噪比，合乎期望地被改进以辅助临床 诊断并且部分地取决于伽马光子被探测的灵敏度。
[0003] 对伽马光子的探测是由SPECT成像系统中的伽马相机执行的。伽马相机包括一个 或多个探测头，其被定位为接收来自成像区域的伽马光子。每个头包括一个或多个伽马光 子探测器。与SPECT相对照，在PET成像系统中，伽马光子是由被关于成像区域径向设置的 伽马光子探测器的模块成对探测的。伽马光子探测器因此是SPECT和PET成像系统两者中 的共同特征，并且在本文中被定义为包括与光学探测器光学连通的闪烁体元件。光学探测 器在本文中被定义为包括光学传感器，其接收光学辐射并响应于所述光学辐射而生成电信 号。
[0004] 在伽马光子探测器中，闪烁体元件在被伽马光子撞击时创建闪烁光的脉冲。相关 联的光学探测器随后将闪烁光转换成电信号。在寻求最大化它们的图像质量时，成像系统 合乎期望地使用灵敏的伽马光子探测器，灵敏的伽马光子探测器有效地将接收到的伽马光 子的能量转换成电脉冲。最大化该效率因此要求光学探测器捕获尽可能多的由闪烁体元件 产生的原始闪烁光。
[0005] 通过改善相邻伽马光子探测器之间的光学隔离，在PET和SPECT成像系统中实现 了进一步的改进。这样的成像系统通常具有伽马光子探测器的密堆积布置，在其中闪烁体 元件之间的光泄漏具有错误解读其来源的风险，由此劣化它们的空间分辨率。
[0006] 用于改进由辐射探测器中的光学探测器对闪烁光的捕获的已知方法包括，在例如 PTFE带中对闪烁体元件进行翘曲。PTFE带与高折射率闪烁体元件的表面之间的小的气隙 起到使用全内反射将以斜的入射角入射到闪烁体元件的表面的闪烁光保持在闪烁体元件 内的作用。PTFE带操作为将闪烁光中的一些（它们在接近法向的入射角的入射意味着其否 则不会被全内反射保持）返回到闪烁体元件。
[0007] 在专利申请US5091650A中公开的另一种方法涉及对闪烁体元件中除与光学探测 器光学连通的之外的表面应用向内反射层。这些改善了由光学探测器对闪烁光的捕获效率 以及相邻闪烁体元件之间的光学隔离两者。
[0008] 在文南犬 Simulating Scintillator Light Collection using Measured Optical Reflectance SCH-TNS-00249-2009. Rl中Janecek等人讨论了在预测从闪烁晶体的光收集 中对被应用到闪烁体元件的反射层的光学性质进行准确建模的需要，并且还公开了针对反 射层的模型，例如Luniirror?、ESR膜、T;f^ek?以及TiO涂料。
[0009] 专利申请W02012/153223公开了通过对多个预先形成的抛光闪烁体晶体的至少 一侧进行粗化以减轻闪烁体晶体中的光捕获，并且进一步对被布置在阵列中的粗化的晶体 应用镜面反射材料。
[0010] 美国专利US6369390B1公开了在朝向光传感器延伸的晶体中具有多个光散射孔 并且与晶体的至少一个表面连通的闪烁相机晶体。该晶体由第一材料和孔形成，并且包括 不同于第一材料的第二材料，该第二材料用于响应于入射伽马射线偏转由闪烁晶体生成的 光并且减少所生成的光的展开。
[0011] 在上述伽马光子探测器中，尽管向内反射层的使用改进了光学探测器对闪烁光的 捕获效率，但闪烁光中的许多仍未被相关联的光学探测器捕获。这劣化了伽马光子探测器 的信噪比，并且还劣化了采用这样的探测器的SPECT和PET成像系统的图像质量。因此，存 在着改进伽马光子探测器的灵敏度的需要。
【发明内容】
[0012] 本发明的目标是提供一种具有改进的灵敏度的伽马辐射探测设备。
[0013] 该目标通过包括闪烁体元件和光学探测器的伽马辐射探测设备得以实现。所述光 学探测器与所述闪烁体元件光学连通，并且多个颗粒或空隙被散布在所述闪烁体元件中。 由所述颗粒或空隙引入的光学散射改进了由所述光学探测器探测的闪烁光的比例，由此改 进了所述伽马辐射探测设备的灵敏度。
[0014] 发明人已发现，伽马辐射探测设备的灵敏度受闪烁光在有损耗的闪烁体元件内的 俘获限制。闪烁光被闪烁体元件内的多重反射俘获，其因此被吸收在其中，阻止其被相关联 的光学探测器探测到。这样的闪烁体元件常规地被空气介质围绕。在高折射率闪烁体元件 的闪烁体元件-空气界面处的全内反射被用于将斜入射的闪烁光保持在闪烁体元件内。然 而，这样的镜面反射能够导致在闪烁体元件内的长的光程，以及因此在其中的显著吸收。进 行在闪烁体元件内的平直螺旋轨迹的光学光子尤其受这样的吸收影响。在另一种配置中， 向内反射层被应用到闪烁体元件的表面，并且气隙被设置在向内反射层与闪烁体元件的表 面之间。气隙再次用作通过全内反射保持以斜入射角入射的光，并且向内反射层用作保持 以接近法向入射到闪烁体表面的光。向内反射层大大改进了被保持在闪烁体元件中的光的 比例，然而针对具有到闪烁体元件的表面的接近发射入射的光路，发生在闪烁体元件内的 显著损失。这样的接近法向入射的光也可能变得被由气隙以及在反射层之间的闪烁体元件 形成的光腔中的多重反射俘获，在光腔中再次地，得到的长路径长度导致显著的吸收。被这 些过程俘获的光学光子已被模拟为在上百或上千次反射后经受吸收。
[0015] 在本发明中，通过颗粒或空隙有意地引入的光学散射起作用为防止这样的多重反 射发生。这样的颗粒或空隙一般会被排除出闪烁体元件，因为光学散射体常规上被认为会 妨碍闪烁光的传播并因此优选地被避免。即使没有任何额外的反射层，由颗粒或空隙引入 的散射随机地改变闪烁光的行进的方向，防止这样的损失通过闪烁体元件中的多重反射的 累积。在额外的反射层存在时，观察到还要更大的益处。
[0016] 根据本发明被有意地散布在闪烁体元件中的颗粒不同于可能存在于闪烁体材料 中的掺杂物，不同在于掺杂物是在原子水平上被引入到闪烁体的主基体中的并且因此占据 晶格位点。相反，所引入的颗粒占据闪烁体元件中的宏观空间。常规地通过烧结有意地将 空隙从闪烁体元件去除。
[0017] 根据本发明的一个方面，闪烁体元件中的散射系数与吸收系数的比率在0. 5至 1000的范围内。这样的范围产生伽马辐射探测设备的灵敏度上的改进。
[0018] 根据本发明的另一方面，所述颗粒或空隙被确定尺寸为使得有效地散射在闪烁体 元件内行进的闪烁光。有效散射是由具有与闪烁光的波长相比小的或相当的尺寸的颗粒或 空隙提供的。常规地，闪烁体元件具有接近于可见波长区域的特征发射谱，并且因此针对在 范围50纳米至1000纳米内的平均直径的颗粒或空隙观察到有用的散射。通过进一步将范 围窄化到100纳米至500纳米，观察到还要更有效的散射，并且因此光学探测器的闪烁光捕 获效率得到还要进一步的改进。
[0019] 根据本发明的另一方面，所述闪烁体元件具有特征光学发射谱，并且在闪烁体元 件的光学发射谱内的波长处，闪烁体元件的折射率与颗粒或空隙的折射率的比率超过1. 2。 这样的折射率比率提供了闪烁光的有用散射，并且在该比率增大时获得改进的散射。根据 本发明的另一方面，所述颗粒是以下中的至少一种：Al2O3颗粒、SiO2颗粒、MgO 2颗粒。这样 的颗粒可以被容易地并入闪烁体材料中，并且有利地得到有用的散射。也设想使用这样的 颗粒的组合。
[0020] 根据本发明的另一方面，所述空隙被以下中的一种填充：气体、空气、流体。备选 地，所述空隙可以完全是空的并且因此被腾空。以此方式对所述空隙的填充可以有利地被 用于更改它们的折射率并由此改进散射。
[0021] 根据本发明的另一方面，所述光学探测器借助于探测器光学接口与所述闪烁体元 件光学连通，并且所述伽马辐射探测设备还包括至少一个反射层。所述至少一个反射层借 助于气隙与除所述探测器光学接口之外的所述闪烁体元件的至少一个表面的至少一部分 光学连通。尽管在不存在这样的反射层时所述闪烁体元件中的所述颗粒或空隙具有在伽马 辐射探测器中具有有益效果；光由高折射率闪烁体元件内的全内反射引导；具有被设置在 反射层与闪烁体元件的表面之间的气隙的至少一个反射层的增加改进了尤其是接近法向 入射的闪烁光的反射。所述反射层起作用为使接近法向入射的光中的一些返回到所述闪烁 体元件，由此改进所述光学探测器的闪烁光捕获效率。此外，光逃逸到附近闪烁元件的概率 也得以减小。这降低了闪烁光串扰到附近闪烁体元件的风险，闪烁光串扰到附近闪烁体元 件时，探测具有对其来源的错误解读的风险。闪烁光的串扰的减少在例如PET成像系统中 是尤其有益的，在PET成像系统中，其改进了得