单光子发射断层成像装置

本公开涉及核技术及其应用技术领域，具体涉及一种单光子发射断层成像装置。

背景技术：

单光子发射断层成像(singlephotonemissioncomputedtomography，spect)技术，利用放射性核素标记的示踪药物在注入人体后产生伽玛光子，通过在人体外探测射线来获知药物在人体内的分布及变化信息，并用于疾病的诊断、治疗。spect成像是典型的分子影像手段，能够反映人体内的生理、代谢、功能、分子信息，是当前主流医学影像手段之一。

由于放射性核素发射伽马光子的过程是各向同性的，如果直接在人体外放置探测器，其探测到的伽马光子无法确定其方向，亦即无法得知其可能来自人体内的哪一位置。因此在spect成像中，需要在人体和探测器之间放置准直器部件。准直部件通过阻挡一定比例的的光子，并且对来自不同方向的光子，其阻挡比例不同，使得探测器所接收到光子来自人体内不同位置的可能性有差别，并经图像重建算法计算获得人体内收到的放射性核素分布图像。

现有准直器通常是采用钨、铅等重金属制成的吸收准直器，通过重金属对光子的强吸收作用，并制成特定的几何形状，如平行孔准直器、针孔准直器等，使得来自某些方向的光子完全通过或有较大概率通过准直器，而来自某些方向的光子被完全阻挡或者有较小概率通过准直器，从而得到了使来自不同方向的光子在通过准直器效率不同的效果。因此，当某个探测器单元上接收到每一个光子时，可以判断其来自人体内不同方向的概率。探测器接收大量光子后，将其统计信息输入图像重建算法，可重建得到人体内的放射性核素空间分布图像。但是，由于重金属吸收准直器所吸收的光子无法被探测器探测到，因而会造成大量光子损失，严重影响spect探测效率。此外，现有的单光子发射断层成像装置还存在尺寸大、准直器的准直效果差等缺陷。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述问题，本公开的主要目的在于提供一种单光子发射断层成像装置，以便解决上述问题的至少之一。

(二)技术方案

为了达到上述目的，作为本公开的一个方面，提供了一种单光子发射断层成像装置，包括：多个探测器层，所述多个探测器层包括沿光子运动方向排布的至少两个探测器层，所述至少两个探测器层包括沿光子运动方向第一探测器层和第二探测器层，所述第一探测器层和/或第二探测器层包括闪烁晶体和反光结构。

根据本公开的实施例，所述闪烁晶体包括多个独立的闪烁晶体条或多个拼接的闪烁晶体条，所述反光结构包括多个反光元件，设置在所述多个闪烁晶体条之间。

根据本公开的实施例，所述第一探测器层用于对向所述第二探测器层运动的部分光子进行吸收，从而在第一探测器层中被探测、同时允许向所述第二探测器层运动的另一部分光子穿透第一探测器层，从而使第一探测器层起到对第二探测器层的准直效果。

根据本公开的实施例，所述光子在所述第一探测器层中的穿透比例大于0.5％。

根据本公开的实施例，所述多个探测器层中沿光子运动方向的最后一探测器层中存在至少一闪烁晶体条，从成像区域不同位置发出的所述光子在到达所述至少一闪烁晶体条前，所经过的闪烁晶体条的数目、闪烁晶体条的长度、闪烁晶体材料、反光元件数目、反光元件厚度和反光元件材料至少其中之一不同。

根据本公开的实施例，所述第一探测器层还包括光电器件，所述光电器件包括雪崩型光电二极管apd、硅光电倍增器件sipm和光电倍增管pmt中至少之一。

根据本公开的实施例，所述至少一闪烁晶体条之间可通过反光元件连接，反光元件包括光耦合剂层、光导以及反光膜中至少之一。

根据本公开的实施例，所述在后探测器层的闪烁晶体包括一个或多个闪烁晶体条，所述第二探测器层的光电器件包括一个或多个硅光电倍增器件sipm，其中，所述第一探测器层和或第二探测器层中的一个或多个闪烁晶体条选择性地与所述一个或多个硅光电倍增器件sipm连接。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种单光子发射断层成像至少具有以下有益效果其中之一：

(1)通过反光元件一方面实现了各种闪烁光传输路径设计，提高了探测器的空间分辨能力和光收集效率；另一方面可以对伽马光子进行一定程度的准直。

(2)相较于重金属吸收准直器，本公开所述第一探测器层的穿透比例大于0.5％，利用高穿透比例的所述在前的准直器，减少造成的光子损失。

(3)本公开多个探测器层中沿光子运动方向的最后一探测器层中存在至少一闪烁晶体条，从成像区域不同位置发出的所述光子在到达所述至少一闪烁晶体条前，所经过的闪烁晶体条的数目、闪烁晶体条的长度、闪烁晶体材料、反光元件数目、反光元件厚度和反光元件材料至少其中之一不同。此外，进一步利用apd、sipm等光电器件对光子的吸收效果，通过排布不同的光电器件方案进一步增加来自不同方向的光子被在前的闪烁晶体和光电器件共同吸收后的强度差别，从而进一步增强第一探测器层上的光子准直效果，提高系统的探测效率。

(4)采用小体积半导体光电器件，如雪崩型光电二极管apd、硅光电倍增器件sipm替代pmt作为多个探测器层的光电器件，减小了单光子发射断层成像装置的尺寸。

附图说明

图1为本公开实施例1单光子发射断层成像装置结构示意图。

图2为本公开实施例2单光子发射断层成像装置结构示意图。

图3为本公开实施例3单光子发射断层成像装置结构示意图。

图4为本公开实施例4单光子发射断层成像装置结构示意图。

<符号说明>

1-第一探测器层，2-第二探测器层，11、12、13、21-闪烁晶体条，15光电器件(apd或sipm光电器件)，18、19、25-反光元件，22-光电器件(任意类型光电器件)，3-人体，p1、p2、p3、p4-伽马光子射线穿过探测器的概率。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作根据本公开的实施例详细说明。

本公开提供了一种单光子发射断层成像装置，包括：多个探测器层，所述多个探测器层包括沿光子运动方向排布的至少两个探测器层，所述至少两个探测器层包括沿光子运动方向第一探测器层和第二探测器层，所述第一探测器层和/或第二探测器层包括闪烁晶体和反光结构。本公开通过反光元件一方面实现了各种闪烁光传输路径设计，提高了探测器的空间分辨能力和光收集效率；另一方面可以对伽马光子进行一定程度的准直。

根据本公开的实施例，所述闪烁晶体包括多个独立的闪烁晶体条或多个拼接的闪烁晶体条，所述反光结构包括多个反光元件，设置在所述多个闪烁晶体条之间。

下面结合附图1-4详细介绍本公开实施例。

实施例1

在本实施例中，如图1所示，被检测物体(人体3)内的放射性核素衰变产生伽马光子，成像装置包括两个探测器层，在所述人体外部沿伽马光子运动方向呈前后两层分布，其中，沿光子运动方向在前的探测器层为第一探测器层1，沿光子运动方向在后的探测器层为第二探测器层2，在前的探测器层(第一探测器层)较在后的探测器层(第二探测器层)更靠近人体。第一探测器层1包括三个闪烁晶体条11、12、13和两个反光元件18、19，以及光电器件15，第二探测器层2包括一个闪烁晶体条21。所述闪烁晶体条用于接收被测物体产生的伽马光子信号并转化为可见光信号，所述光电器件用于接收闪烁晶体产生的可见光信号并转换为电信号用于后续模块处理。

所述三个闪烁晶体条的其中两个闪烁晶体条11、13为第一类型的闪烁晶体条，另外一个闪烁晶体条12为第二类型的闪烁晶体条，两种类型的闪烁晶体条的材质不同。所述反光元件18设置在闪烁晶体条11和闪烁晶体条12之间，所述反光元件19设置在闪烁晶体条12和闪烁晶体条13之间。

通过反光结构的反光元件18、19一方面实现了各种闪烁光传输路径设计，提高了探测器的空间分辨能力和光收集效率；另一方面可以对伽马光子进行一定的准直。从而实现探测器层1对探测器层2运动的部分光子的吸收和探测，同时探测器层2运动的另一部分光子穿透探测器层1，探测器层1起到对探测器层2的准直效果。

本实施例可以用于确定伽马光子发生作用的三维空间位置，伽马光子在穿过闪烁晶体不同深度位置探测到的闪烁光子概率不同(p1、p2、p3、p4)，等价于浅层闪烁晶体材料或反光元件对伽马光子的准直。

下面对本公开实施例中关于光子穿透单层探测器概率进行说明。

具体地，若硅光电倍增器件衰减系数为μ1，单根晶体衰减系数为μ2，、μ3...，反光元件的衰减系数为μ4，光子穿过的有效光程为l1、l2、l3、l4，通过组合得到光子穿过在前的探测器层的多种穿透概率(在后的探测器层的穿透概率的规律相同)。

光子穿过光电器件的概率：

p1＝1-e^-u1×i1，

其中，μ1为硅光电倍增器件衰减系数，l1为在光电器件中的有效光行程。

光子只穿过第一类型的闪烁晶体条的概率：

p2＝1-e^-u2×l2，

其中，μ2为单根第一类型的闪烁晶体衰减系数，l2为在第一类型的闪烁晶体条中的有效光行程。

光子同时穿过光电器件和反光元件的的概率：

p3＝1-e^{-u1×i3′-u4×l3″}，

其中，l3’为在光电器件的有效光行程，l3”为在反光元件的有效光行程。光子同时穿过光电器件、反光元件和第二类型的闪烁晶体条的概率：

p4＝1-e^{-u1×i4′-u2×l4″-u4×l4″′}，

其中，l4’为在光电器件中的有效光行程，l4”为在第二类型的闪烁晶体条中的有效光行程，l4”’为在反光元件的有效光行程。

通过对多个探测器层中的闪烁晶体条、反光元件和硅光电倍增器件不同位置、不同材料、不同大小的设计，使得的来自不同方向的伽马光子穿过前后探测器层的概率不同，即可分辨出不同伽马光子方向信息，从而使在前的探测器层对在后的探测器层具有伽马光子准直的效果。

需要说明的是，任一探测器层中闪烁晶体条之间的反光元件可以是任意形状、厚度和反光材料，本公开对此不作限制。作为优选，反光元件可以包括光耦合剂层、光导以及反光膜中至少之一，且可以具有反光材料或反光结构。

根据本公开的实施例，本实施例成像装置的第一探测器层和/或第二探测器层可以包括sipm器件，用于将接收的所述伽马光子信号转换为电信号输出或者起准直作用。图1示出了所述闪烁晶体条11、12、13同时与sipm器件15耦合的情形。

此外，所述成像装置还可以包括图像重建模块，用于接收所述电信号并利用图像重建算法得到人体内放射性核素分布的图像。

实施例2

在本实施例中，如图2所示，被检测物体(人体3)内的放射性核素产生伽马光子，成像装置包括两个探测器层，在所述人体外部沿伽马光子运动方向呈前后两层分布，其中，沿光子运动方向在前的探测器层为第一探测器层1，沿光子运动方向在后的探测器层为第二探测器层2，在前的探测器层(第一探测器层)较在后的探测器层(第二探测器层)更靠近人体。第一探测器层1包括三个闪烁晶体条11、12、13，第二探测器层2包括一个闪烁晶体条21和一个反光元件25。所述闪烁晶体条用于接收被测物体产生的伽马光子信号。

所述三个闪烁晶体条的其中两个闪烁晶体条11、13为第一类型的闪烁晶体条，另外一个闪烁晶体条12为第二类型的闪烁晶体条，两种类型的闪烁晶体条的材质不同。

根据本公开的实施例，本实施例成像装置的第一探测器层包括sipm器件15，同时与三个闪烁晶体条11、12、13耦合，用于将接收的所述伽马光子信号转换为电信号输出或者起准直作用。此外，所述成像装置还可以包括图像重建模块，用于接收所述电信号并利用图像重建算法得到人体内放射性核素分布的图像。

实施例3

在本实施例中，如图3所示，被检测物体(人体3)内的放射性核素产生伽马光子，成像装置包括两个探测器层，在所述人体外部沿伽马光子运动方向呈前后两层分布，其中，沿光子运动方向在前的探测器层为第一探测器层1，沿光子运动方向在后的探测器层为第二探测器层2，在前的探测器层(第一探测器层)较在后的探测器层(第二探测器层)更靠近人体。第一探测器层1包括三个闪烁晶体条11、12、13和两个反光元件18、19，第二探测器层2包括一个闪烁晶体条21和一个反光元件25。所述闪烁晶体条用于接收被测物体产生的伽马光子信号。

所述三个闪烁晶体条的其中两个闪烁晶体条11、13为第一类型的闪烁晶体条，另外一个闪烁晶体条12为第二类型的闪烁晶体条，两种类型的闪烁晶体条的材质不同。所述反光元件18设置在闪烁晶体条11和闪烁晶体条12之间，所述反光元件19设置在闪烁晶体条12和闪烁晶体条13之间。

需要说明的是，任一探测器层中闪烁晶体条之间的反光元件可以是任意形状、厚度和材料，本公开对此不作限制。

根据本公开的实施例，本实施例成像装置的第二探测器层2包括sipm等光电器件22，与闪烁晶体条21耦合，用于将接收的所述伽马光子信号转换为电信号输出或者起准直作用。

所述第二探测器层2中至少存在一闪烁晶体条21，来自人体内不同方向的光子在进入这一闪烁晶体条21前所经过的第一探测器层1和/或第二探测器2(即本探测器层)中(由于各探测器层中的闪烁晶体条及反光元件设置差异，人体内发出的光子可能直接经第一探测器层1进入第二探测器层2中的所述一闪烁晶体条21，也可能经第一探测器层1后再经第二探测器层2中除所述一闪烁晶体条21之外的其他晶体条、光电器件或反光元件等进入第二探测器层2中的所述一闪烁晶体条21，还可能直接经第二探测器层中除所述一闪烁晶体条21之外的其他晶体条、光电器件或反光元件进入第二探测器层中的所述一闪烁晶体条21)的闪烁晶体块的数目、光子穿过闪烁晶体的长度、闪烁晶体材料、反光元件层数、反光元件厚度、反光元件的材料种类等参数中至少有一个不同。

需要说明的是，本公开中的装置可由本方法中的任意形状、厚度和材料组成的至少大于2层的探测器层组成，本文对探测器层数不作限制，即多个探测器层的数量为n，n为正整数，且n≥2。

实施例4

在本实施例中，如图4所示，被检测物体(人体3)内的放射性核素产生伽马光子，成像装置包括两个探测器层，在所述人体外部沿伽马光子运动方向呈前后两层分布，其中，沿光子运动方向在前的探测器层为第一探测器层1，沿光子运动方向在后的探测器层为第二探测器层2，在前的探测器层(第一探测器层)较在后的探测器层(第二探测器层)更靠近人体。第一探测器层1包括三个闪烁晶体条11、12、13和两个反光元件18、19，第二探测器层2包括一个闪烁晶体条21和一个反光元件25。所述闪烁晶体条用于接收被测物体产生的伽马光子信号。

所述三个闪烁晶体条的其中两个闪烁晶体条11、13为第一类型的闪烁晶体条，另外一个闪烁晶体条12为第二类型的闪烁晶体条，两种类型的闪烁晶体条的材质不同。所述反光元件18设置在闪烁晶体条11和闪烁晶体条12之间，所述反光元件19设置在闪烁晶体条12和闪烁晶体条13之间。

需要说明的是，任一探测器层中闪烁晶体条之间的反光元件可以是任意形状、厚度和材料，本公开对此不作限制。

根据本公开的实施例，本实施例成像装置的第一探测器层1、第二探测器层2包括sipm等光电器件，第一探测器层1包括sipm光电器件15，同时与闪烁晶体条11、12、13耦合，第二探测器层2包括sipm光电器件22与闪烁晶体条21耦合，用于将接收的所述伽马光子信号转换为电信号输出或者起准直作用。

所述第二探测器层2中至少存在一闪烁晶体条21，来自人体内不同方向的光子在进入这一闪烁晶体条前所经过的第一探测器层和/或第二探测器中(由于各探测器层中的闪烁晶体条及反光元件设置差异，人体内发出的光子可能直接经第一探测器层进入第二探测器层中的所述一闪烁晶体条，也可能经第一探测器层后再经第二探测器层中除所述一闪烁晶体条之外的其他晶体条、光电器件或反光元件等进入第二探测器层中的所述一闪烁晶体条，还可能直接经第二探测器层中除所述一闪烁晶体条之外的其他晶体条、光电器件或反光元件进入第二探测器层中的所述一闪烁晶体条)的闪烁晶体块的数目、光子穿过闪烁晶体的长度、闪烁晶体材料、反光元件层数、反光元件厚度、反光元件的材料种类等参数中至少有一个不同。对于n个探测器层的情况与此类似，具体不再赘述，可参考前面关于n个探测器层的描述。

本公开实施例1至实施例4，通过设置闪烁晶体阵列的排布及在闪烁晶体间设置反光元件，实现了相应的闪烁光输运路径，从而可以通过不同的闪烁光分布确定伽马光子发生作用的位置，同时反光元件的存在也可以对伽马光子进行一定的准直，从而在同一层探测器内同时实现了伽马光子的准直和探测，最终可以实现保证成像性能不下降的同时减少整个设备的探测器层数。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。