闪烁晶体、晶体模块、检测器及正电子发射成像设备的制作方法

本发明涉及正电子发射成像设备，具体地，涉及闪烁晶体、晶体模块及检测器。
背景技术：
：正电子发射断层成像扫描(PET)是一种非侵入的成像技术，可以提供活体内放射性示踪剂分布的断层图像。PET探测器一般由闪烁晶体和光探测器两部分组成，放射性核素放出的正电子发生在人体内湮灭反应，发射出一对方向相反、能量相等的伽马光子，与闪烁晶体反生反应产生可见光子群，被光传感器接收，然后对伽马光子进行符合探测，并用分析或统计的方法重建湮灭事件发生的位置。TOF-PET是PET的扩展，能测量出符合事件的γ光子到达探测器的时间差，利用这个时间差来更好地定位发射正电子的湮灭位置。TOF-PET有下面四项明显的好处：(1)可以选取更窄的符合时间窗口，从而减少随机事件计数率，提高尖峰的噪声等效计数率；(2)在图像重建中使用TOF信息可以减少噪声的方差；(3)射出数据和透射数据可以同时得到，从而减少总的扫描时间；(4)轴向的模糊可以减少。如果TOF信息的准确度能够提高，使得符合时间精度达到一定的标准，可以不通过重建而得到图像。对于以TOF技术为基础的PET系统，必须在一定的符合时间窗内确定放射性核素分布的位置和强度。而传统的PET仅仅是在符合时间窗内确定真符合是否发生以便获得脏器或组织结构的投影，所以TOF-PET和传统PET有本质的区别。由于TOF方法是在符合时间窗内直接确定湮灭符合发生的位置，所以它要求特殊的符合探测系统，又因为TOF符合探测系统的时间分辨率直接影响系统重建图像的分辨率，所以时间分辨率对于TOF-PET而言至关重要。TOF-PET的时间分辨率与高能光子的衰减时间、闪烁晶体的出光率、检测电路的读取速度均密切相关，提高系统时间分辨率要研究高能光子探测的整个环节。前端探测器的性能是决定PET整体性能的关键，其通常由闪烁晶体阵列和光探测器耦合而成，闪烁晶体通常选择具有发光强度高、衰减时间短和密度大的晶体，并且晶体的表面处理方式会影响可见光子群的传输路径，从而影响光探测器测量到的光子数，最终影响PET探测器的时间分辨率。晶体材料的衰减时间、光电传感器的性能、电子电路性能等都对PET系统的能量分辨率有很大影响。根据Hyman理论，PET系统的时间分辨率可以由下面的公式计算：其中T是晶体的衰减时间，Nphs是光电子的个数，ENF是光电传感器的噪声因子。晶体材料和传感器类型一定时，增加晶体的光输出即光电子的个数，能有效提高时间分辨率。目前常用的增加晶体光输出的方法有两种，一是减小晶体的长度，但是为了保证系统有足够的灵敏度，晶体的长度一般是20mm；二是优化晶体的表面处理方式，一个四棱柱有6个面，其中耦合了SiPM的面与非耦合面的表面处理方式不一定相同，且晶体的表面处理方式有很多，例如抛光处理，特氟龙胶带、ESR膜包裹等。研究光子群的传播路径影响，改变闪烁晶体的表面处理方式，耦合材料及几何微结构，尽可能提高伽马射线和晶体相互作用时产生的光子到达光探测器表面，包括光子群到达探测器的时间及输出量，对提高探测器的性能尤为重要。目前，有论文提出对闪烁晶体的处理以提高光输出，主要研究抛光处理与粗糙处理，粗糙处理能够在一定程度上提高光输出；也有论文提出对晶体结构直接进行设计，在出光面设计为棱形结构。以上方式能够一定程度上提高光输出，但效果不明显，或增加探测器结构的复杂程度。传统前端检测器模块中晶体的表面处理方式主要为抛光处理和粗糙处理，晶体阵列间反射膜层主要有ESR、硫酸钡等。如果晶体表面抛光处理，反射膜层也为ESR，则光子群在晶体内的反射特性为镜面反射，当可见光子群到达出光面时，由于全反射条件，大于全反射角的光子群将永远不可能传输出晶体；如果晶体表面粗糙处理，表面反射特性为漫反射，光子在晶体中经过多次反射后方向改变，部分光子有可能消除全反射到达传感器，目前主要采用粗糙表面+反光片，很难达到理想的漫反射模式，镜面反射的部分仍然很强。其次，传统检测器模块出光面一般为抛光处理，当光子到达出光面入射角大于全反射角，光子无法进入传感器，必须再次进入晶体经过一定反射，影响了单次事件的光输出和时间测量；最后，顶面反射光的行程很长，不利于时间测量，能否存在一种顶面，使光子经过顶面后能够尽可能直接到达出光面。因此，有必要提出一种闪烁晶体、晶体模块、检测器以及正电子发射成像设备，以能够提高可见光子群在闪烁晶体的光输出、降低反射次数和减少传播路径，提高成像系统的空间分辨率。技术实现要素：根据本发明的一个方面，提供一种闪烁晶体，包括入射面、侧面和与光传感器相耦合的出光面，所述侧面上附着有反射膜层，所述闪烁晶体在所述侧面位置与所述反射膜层之间耦合有透射膜层，所述透射膜层的折射率n2与所述闪烁晶体的折射率n1之间的关系为：n2＜n1，所述透射膜层与所述反射膜层之间设置有表面微结构。优选地，所述出光面上附着有第一透射膜层和第二透射膜层，所述第一透射膜层靠近所述闪烁晶体设置，所述第二透射膜层相比较所述第一透射膜层更远离所述闪烁晶体，所述第一透射膜层的折射率n3与所述闪烁晶体的折射率n1之间的关系为：n3＝n1±0.1。优选地，所述第一透射膜层和所述第二透射膜层之间设置有表面微结构。优选地，所述第二透射膜层的折射率n4与所述光传感器的折射率n5之间的关系为：n4＝n5±0.1。优选地，所述入射面设置有使经过所述入射面的光子聚光直接反射到所述出光面的聚光结构。优选地，所述聚光结构包括朝远离所述出光面方向凸出的凸面以及附着于所述凸面上的反射膜。优选地，所述聚光结构包括顶点朝远离所述出光面方向设置的锥形体以及附着于所述锥形体上的反射膜。根据本发明的另一个方面，还提供一种晶体模块，包括由多个如上所述的闪烁晶体组成的闪烁晶体阵列。根据本发明的另一个方面，还提供一种用于发射成像设备的检测器，包括晶体模块和光电传感器阵列，所述晶体模块为上述的晶体模块，所述光电传感器阵列包括多个光电传感器，所述多个光电传感器中的一个分别耦合至一个所述闪烁晶体的所述出光面，或所述多个光电传感器中的至少一个分别耦合至多个所述闪烁晶体的所述出光面。根据本发明的另一个方面，还提供一种正电子发射成像设备，包括如上述的检测器。在本发明提供的闪烁晶体中，由于闪烁晶体在侧面位置与反射膜层之间耦合有透射膜层，且透射膜层的折射率n2小于闪烁晶体的折射率n1，当可见光子从晶体进入到透射膜层中，会产生全发射现象，利用该现象，当可见光子的进入侧面的入射角大于临界角时会发生全反射，传播角度不发生改变，此时该角度达到出光面时的入射角相对较小，更有利于进入传感器，更当可见光子进入侧面的入射角大于临界角时会进入透射膜层，经过表面微结构(即，不平整的表面)改变角度，可一次或多次转变为大角度，这样能避免对所有的光线进行随机漫反射，选择性的改变部分光子在晶体内的传播角度，从而闪烁晶体出光率显著提高，光子到达光探测器的份额相应增加。在
发明内容中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本
发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。附图说明本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，图1为根据本发明的闪烁晶体的示意图；图2a-图2b为图1中的A部放大图；图3为图1中的B部放大图；图4a为现有技术的闪烁晶体中入射到入射面的光线到达出光面的示意图；图4b为本发明一实施例的闪烁晶体中入射到入射面的光线到达出光面的示意图；图5为本发明另一实施例的入射面设置的聚光结构的示意图；图6为图5中的聚光结构的立体图。其中，附图标记为：10—闪烁晶体101—入射面102—侧面103—出光面11—反射膜层12—透射膜层13—表面微结构14—第一透射膜层15—第二透射膜层16—表面微结构17—聚光结构171—凸面172—反射膜171′—锥形体具体实施方式在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。本发明提供一种闪烁晶体，以四棱柱的闪烁晶体为例，闪烁晶体包括一个入射面，四个侧面和一个出光面。如图1所示，闪烁晶体10包括入射面101、侧面102和与光传感器20相耦合的出光面103，每一侧面101上附着有反射膜层11。可见光子群从伽马光子转化的位置开始传播，经过侧面101的反射到达出光面103，为了尽可能降低光子的传播路径，理想的侧面反射条件是对于大角度的入射的光子不进行反射，对小角度的入射的光子改变入射方向，即可见光子经过侧面反射后，角度尽可能向大角度方向改变，这样可以大大降低光子的无效反射次数，减少晶体和侧面对光子的吸收概率，进入光传感器20。基于以上的规律，本发明对闪烁晶体10的四个侧面102进行的特殊设计，具体特殊设计如下。结合参阅图2a和图2b，闪烁晶体10在侧面位置与反射膜层11之间耦合有透射膜层12，透射膜层12的折射率n2与闪烁晶体10的折射率n1之间的关系为：n2＜n1，更，透射膜层12与反射膜层11之间设置有如锯齿形的表面微结构13，表面微结构13并不局限于锯齿形，也可以是半圆形或其他形状，在此就不一一举例。也就是说，在闪烁晶体10与反射膜层11之间耦合一层低折射率(此处的低折射率是相对闪烁晶体的折射率而言的)的透射膜层12，并且低折射率的透射膜层12与反射膜层11之间设置为如锯齿形的表面微结构。由于中间层耦合的透射膜层12的折射率较低(低于闪烁晶体的折射率)，所以当可见光子从闪烁晶体进入到透射膜层12中，会产生全发射现象。利用该现象，当可见光子的进入侧面102的入射角大于临界角时会发生全反射，传播角度不发生改变，此时该角度达到出光面103时的入射角相对较小，更有利与进入光传感器20，如图2a所示。当可见光子进入侧面102的入射角大于临界角时会进入透射膜层12，经过不平整的表面(即表面微结构13)改变角度，可经过一次或多次转变为大角度，按照上面进行传播，如图2b所示。这样，能避免对所有的光线进行随机漫反射，选择性的改变部分光子在晶体内的传播角度，光子到达光探测器的份额相应增加。闪烁晶体10与光传感器20耦合的面为闪烁晶体的出光面103，一般而言，闪烁晶体的折射率为1.82，光传感器的耦合面的折射率一般约为1.5，当光子从闪烁晶体10进入光传感器20时会有全反射现象，使到达出光面103的部分光子不能直接进入光传感器20。为了提高可见光子群从闪烁晶体到光传感器20的透过率，本发明的闪烁晶体在出光面采用全透射设计，尽可能的增加光子进入传感器的概率。具体的全透射设计方案如下。结合参阅图3，出光面103上附着有第一透射膜层14和第二透射膜层15，第一透射膜层14靠近闪烁晶体10设置，第二透射膜层15相比较第一透射膜层14更远离闪烁晶体10，第一透射膜层14的折射率n3与闪烁晶体10的折射率n1之间的关系为：n3＝n1±0.1。且，第一透射膜层14和第二透射膜层15之间设置有如锯齿形的表面微结构16，表面微结构16并不局限于锯齿形，也可以是半圆形或其他形状，在此就不一一举例。另外，第二透射膜层15的折射率n4与光传感器20的折射率n5之间的关系为：n4＝n5±0.1。也就是说，在出光面103镀制两层透射膜，靠近晶体端的第一透射膜层14与晶体折射率相近，靠近光传感器20的折射率与光传感器20的折射率相近，第一透射膜层14和第二透射膜层15之间加工为如锯齿形的表面微结构，表面微结构的形状包括但不限于锯齿形。基于出光面的全透射设计，由于第一透射膜层14的折射率等于或接近闪烁晶体，光学上可以视作和晶体是同一种材料，光子在其间传播不受影响。同样，耦合剂和光传感器也可视为是一种光学材料，所以，光子在该界面处的传播方式等效为锯齿形耦合面，当入射角较大时可见光子会发生全反射但不会射回晶体深处，而是到达另一个锯齿面，且，此时入射角减小，光子能够射出晶体。同时，波长量级的锯齿形微结构，会使光波发生衍射和干涉现象，也能提高耦合面的出光率。综上，从闪烁晶体内部射到出光面上的光子，绝大多数能够直接射出晶体被光传感器20检测到，而只有少数光子被反射回晶体内部，所以，闪烁晶体出光面的光学结构能够显著增加晶体的出光率。与闪烁晶体10的出光面103相对的表面称为闪烁晶体10的入射面101。入射面101反射的光程很长，不利于时间的测量，对于闪烁晶体的入射面，最理想的状态是从晶体内部各个方向射到入射面的光子都能够只经过入射面反射一次就直接射到出光面。为了使经过入射面的光子能够聚光直接反射到出光面，本发明将闪烁晶体的入射面设置为聚光结构，具体聚光结构将在下文中介绍。结合图1和图4b所示，聚光结构17包括朝远离出光面103方向凸出的凸面171以及附着于凸面171上的反射膜172。闪烁晶体10的顶面被加工成凸面并贴上反射膜172后，就形成了一面聚光凹面镜，从晶体内部各方向上射到顶面的光线，由于凹面镜的聚光作用，其中绝大多数能够改变传播方向直接到达晶体的出光面103，进而射出晶体被光传感器20接收。图4a示出的现有技术的闪烁晶体中入射到入射面的光线到达出光面的示意图，由于现有技术的闪烁晶体的入射面不做聚光处理，其反射光的行程很长，不利于时间测量。聚光结构并不局限于凸面设置，还可以是如图5所示的结构。结合图1、图5和图6所示，聚光结构17包括顶点朝远离出光面方向设置的锥形体171′以及附着于锥形体′上的反射膜172。利用实验采集数据(见表1)，对比传统的晶体结构的光输出和时间分辨率，可以明显看出，聚光设计有利于提高光输出和时间分辨率。表1.实验采集不同聚光结构的晶体结果类型相对光输出时间分辨率4毫米立方体1106ps4毫米锥1.1488.1ps6毫米立方体0.93136ps6毫米锥1.2894.5ps需要说明的是，4毫米锥对应的锥形体，其d1＝d2＝4毫米，h＝2毫米(见图6)；6毫米锥对应的锥形体，d1＝d2＝6毫米，h＝3毫米。根据本发明的另一个方面，还提供一种晶体模块，包括由多个如上所述的闪烁晶体组成的闪烁晶体阵列。根据本发明的另一个方面，还提供一种用于发射成像设备的检测器，包括晶体模块和光电传感器阵列，晶体模块为上述的晶体模块，光电传感器阵列包括多个光电传感器，多个光电传感器中的一个分别耦合至一个闪烁晶体的出光面(即一对一的耦合)，或多个光电传感器中的至少一个分别耦合至多个闪烁晶体的出光面(即一对多的耦合)，由于光电传感器与晶体模块的耦合方式属于现有技术，在此就不对其多做赘述。根据本发明的另一个方面，还提供一种正电子发射成像设备，包括如上述的检测器。相对于传统的高能光子检测器而言，本发明的检测器具有以下优势：1)闪烁晶体光输出高。高能光子与闪烁晶体相互作用激发生成的可见光子群，不管初始传播方向如何，均能以尽可能短的路径，尽可能少的反射次数到达闪烁晶体出光面，进入光传感器。因此，光子群被晶体和反射面吸收的概率较低，同时，光子在晶体出光面的透射率很高，到达出光面的光子几乎都能射出晶体到达光传感器，所以，闪烁晶体出光率显著提高。2)时间分辨率高。闪烁晶体内部产生的可见光子，传播路径均较短，能在极短的时间内被光传感器检测到，光输出提高有效提高时间分辨率。因此，能够较准确地测定γ光子在晶体内发生反应的时间，检测器的时间分辨率高。本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。当前第1页1 2 3