一种基于环形闪烁光纤的PET成像系统检测器的制作方法

本发明属于电子发射成像技术领域，更具体地，涉及一种基于环形闪烁光纤的pet成像系统检测器。

背景技术：

pet全称为正电子发射计算机断层显像(positronemissiontomographypet)，是反映病变的基因、分子、代谢及功能状态的显像设备。它是利用正电子核素标记葡萄糖等人体代谢物作为显像剂，通过病灶对显像剂的摄取来反映其代谢变化，从而为临床提供疾病的生物代谢信息。pet采用正电子核素作为示踪剂，通过病灶部位对示踪剂的摄取了解病灶功能代谢状态，可以宏观的显示全身各脏器功能，代谢等病理生理特征，更容易发现病灶。ct可以精确定位病灶及显示病灶细微结构变化；pet/ct融合图像可以全面发现病灶，精确定位及判断病灶良恶性。发射成像设备已经较多被用于科学实验以及医疗诊断当中。发射成像设备的主要部分检测器一般包括闪烁晶体、光传感器以及其他附加部分。发射成像设备的检测效率和灵敏度与检测器的形状、晶体的形状、检测器与晶体的排布方式、耦合方式有很大关系。辐射探测设备已有较多成品用在交通、工业、医疗等领域，主要利用物质在辐射作用下产生的光效应或者气体电离效应来工作，用于发射成像设备的检测器模块同样可用于辐射检测。

目前应用在pet系统中的探测器模块使用切割后的晶体阵列耦合传感器组成，由于晶体的切割工艺限制，目前很难将传统的闪烁晶体切割到0.5mm以下，而晶体的尺寸对pet系统的图像分辨率和系统的整体性能有着重要的影响，随着科学技术和医疗水平的不断发展，我们对pet系统的分辨率也随之有了更高的要求,改变晶体耦合传感器的传统方式成为了一种新的选择。

传统pet探测器使用多个探测器模块拼接成环形形成探测器阵列，需要大量探测器模块，不可避免会产生较大的系统误差，由于探测器的离散拼接，对于pet系统探测器在模块的拼接处会存在探测效率较低的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于环形闪烁光纤的pet成像系统检测器，利用闪烁光纤的可柔性弯曲以及其截面直径d≤0.1mm的特性，使得单位面积传感器上耦合的闪烁光纤的数量更多，从而可精确获得标记化合物湮灭的位置分布，进而大大提高了检测的精度和灵敏度，同时呈环形并列设置的检测器模块能进一步精确测量标记化合物湮灭的高度信息。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发明提出了一种基于环形闪烁光纤的pet成像系统检测器，其特征在于，所述检测器包括支架和检测器模块，所述检测器模块设于支架的外侧，所述支架用于支撑和固定所示检测器模块；

所述检测器模块呈环形围绕支架布置，且其包括一个或多个检测器子模块；

所述检测器子模块包括闪烁光纤模块和光传感器模块；

所述闪烁光纤模块由多个呈阵列排布的闪烁光纤构成，且所述闪烁光纤的截面直径d≤0.1mm，用于捕捉标记化合物光子并与标记化合物光子发生湮灭并将标记化合物光子转化为可见光子，

所述光传感器模块设于所述闪烁光纤模块的两端部，所述光传感器模块包括多个光传感器且每个所述光传感器对应多个呈阵列排布的闪烁光纤，用于接收和检测可见光子的能量信号和传导时间并据此反算出标记化合物的位置分布。

进一步的，所述检测器模块设置有多个且多个所述检测器模块沿所述支架的中心轴并排设置。

进一步的，所述闪烁光纤之间耦合有光学反射膜。

进一步的，所述多个闪烁光纤的排列方式为对齐排列或交错排列。

进一步的，所述闪烁光纤模块与所述光传感器模块之间采用直接耦合、光学胶水耦合或高透光率光导材料耦合的方式连接。

进一步的，所述光传感器为光电倍增管、硅光电倍增管或雪崩光电二极管。

进一步的，所述光传感器的面积大于所述闪烁光纤的截面积。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于环形闪烁光纤的pet成像系统检测器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1.将所述pet系统检测器放置在放射源环境中，标记化合物湮灭产生两个能量相等的标记化合物光子；

s2.所述两个能量相等标记化合光子沿不同路径抵达闪烁光纤并在闪烁光纤内发生反应，转换为可见光；

s3.所述可见光沿所述闪烁光纤传导至所述光传感器；

s4.所述光传感器接收所述可见光并检测所述可见光的能量信号分布和传导时间；

s5.根据所述可见光的能量信号分布和传导时间采用重心算法解码标记化合湮灭的位置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的pet成像系统检测器，闪烁光纤用于捕捉获得标记化合物光子并与获得标记化合物光子发生湮灭并将获得标记化合物光子转化为可见光子，光传感器模块设于所述闪烁光纤模块的两端部，用于接收和检测可见光子的能量信号和传导时间并据此反算出标记化合物的位置分布，由于所述闪烁光纤的截面直径d≤0.1mm，且每个传感器对应多个闪烁光纤，能够更精确标记化合物的空间位置，特别是高度方向的信息，从而使得pet系统检测器具备高效率和高灵敏度，成像的分辨率高。

2.本发明检测器模块设置有多个且多个所述检测器模块沿所述支架的轴向并排设置，有效避开了传统检测器在拼接处检测效率低的问题，同时还能通过多个沿支架轴向设置的检测器模块精确检测标记化合物高度方向的信息，从而大大提高了检测的精度和灵敏度。

3.本发明闪烁光纤的截面直径d≤0.1mm，且每个传感器对应多个闪烁光纤，而γ光子的解码精度达到1mm以下，很容易判断闪烁光纤在哪个地方发生的反应，从而确定反应三维位置信息，同时闪烁光纤相对于离散晶体而言具有更高的时间分辨率和精确性。

4.本发明闪烁光纤之间设有光学反射膜，从而实现相邻层的闪烁光纤相互不透光，从而精准获取标记化合物的高度空间位置信息，大大提高了检测的精度。

5.本发明多个闪烁光纤的排列方式为对齐排列或交错排列，极大的提高单位面积传感器上的闪烁光纤填充率，更为显著地提高pet系统探测器模块的图像分辨率，同时，该排列方式简单直观，可以更好的兼容现有的pet系统，对于pet系统的图像重建也更为简便。

6.本发明的检测方法，将所述pet系统检测器放置在放射源环境中，标记化合物湮灭产生两个能量相等的标记化合物光子并闪烁光纤内发生反应，转换为可见光，所述光传感器接收所述可见光并检测所述可见光的能量信号分布和传导时间，然后采用重心算法解码标记化合湮灭的位置，检测方法简单易操作且获得的结果精度高。

附图说明

图1是本发明实施例涉及的pet成像系统检测器的主视图；

图2是本发明实施例涉及的pet成像系统检测器的左视图；

图3是本发明实施例涉及的闪烁光纤阵列呈对齐排列的示意图；

图4是本发明实施例涉及的闪烁光纤阵列呈交错排列的示意图；

图5是本发明实施例涉及的pet成像系统检测器的俯视图；

图6是本发明实施例涉及的pet成像系统检测器的立体结构图；

图7是本发明实施例涉及的pet成像系统检测器的结构示意图。

在所有的附图标记中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-支架、2-检测器模块、3-光传感器、4-闪烁光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种新型的pet系统探测器模块，提供一种使用横截尺寸更为小的闪烁光纤替代传统切割形成的闪烁晶体的新型探测器单元，使用闪烁光纤的可柔性弯曲的特性，从而制造一种单位面积传感器上耦合的闪烁光纤的数量更多的pet系统成像检测器，提高pet系统的成像性能，为后续的治疗提供更为精确的影像资料，提高患者的治疗效果。

如图1、图3和图4所示，pet系统成像检测器的单个检测器模块2包括一个或多个检测器子模块，检测器子模块在支架1的作用下，围绕支架1形成一个环形，检测器子模块包括闪烁光纤模块和光传感器模块，闪烁光纤模块包括多个呈阵列排布的闪烁光纤，并在柔性闪烁光纤阵列两端耦合光传感器阵列，耦合的映射方式为多对一，即在单个光传感器3上同时耦合多个闪烁光纤4，即排列成闪烁光纤阵列。检测器包括支架1和检测器模块2，检测器模块2设于支架1的外侧，所述支架1用于支撑和固定所示检测器模块2,闪烁光纤模块由多个呈阵列排布的闪烁光纤构成，闪烁光纤的截面直径d≤0.1mm，用于捕捉标记化合物光子并与标记化合物光子发生湮灭并将标记化合物光子转化为可见光子，光传感器模块设于所述闪烁光纤模块的两端部，所述光传感器模块包括多个光传感器3且每个所述光传感器对应多个呈阵列排布的闪烁光纤4，用于接收和检测可见光子的能量信号和传导时间并据此反算出标记化合物的位置分布。

传统环形探测系统将检测器模块通过拼接的方式组成环来构成环形探测成像系统，本发明采用使用闪烁光纤来组成环形检测器子模块。多根柔性闪烁光纤封装成束，在支撑架的作用下环绕成环形结构，同时在两端耦合光电传感器。

如图3和图4所示，由于闪烁光纤4的截面为不规则的圆形且其截面直径d≤0.1mm，而光传感器3一般为方形，对于闪烁光纤4在光传感器3上的排列方式为阵列排布，优选的，闪烁光纤4在光传感器3上的排列方式主要有两种，其中，第一种闪烁光纤交错排列，晶体填充率高，对于分辨率的提升更为显著，第二种排列方式为对齐排列的方式，这种排列方式简单直观，可以更为简便的进行图像解码。但闪烁光纤4在光传感器3上的排列方式不限于以上两种。该方式可以极大的提高单位面积光传感器上的闪烁光纤填充率，更为显著地提高pet成像系统检测器的图像分辨率，其中，闪烁光纤阵列为对齐排列，更类似于传统的晶体阵列耦合光传感器的排列方式，该排列方式简单直观，可以更好的兼容现有的pet成像系统，对于pet成像系统的图像重建也更为简便，本发明包括但不限于上述的两种阵列排列方式。由于闪烁光纤截面是不规则圆形，因此闪烁光纤阵列在传感器上的不同排列方式对传感器的分辨率以及pet成像系统图像重建也有不同影响。

如图5和图6所示，由于闪烁光纤4之间设有光学反射膜，互相不产生串扰，因此，在轴向上通过一层或者多层上述闪烁光纤束的组合以及检测器模块的轴向扩展排列可以根据实际需要扩展环形闪烁光纤pet成像系统的轴向长度，通过将检测器模块2进行轴向排列，使本发明所设计的pet成像系统检测器在轴向上可任意拓展，从而适应不同情境下的使用。

如图7所示，在环形闪烁光纤pet成像系统的x-y平面内，我们可以增加光传感器模块和闪烁光纤模块的数目，从而减少由于标记化合物光子在闪烁光纤4内的传播造成的能量损失带来的误差，提高系统的成像分辨率。

闪烁光纤模块与所述光传感器模块之间采用直接耦合、光学胶水耦合或高透光率光导材料耦合的方式连接，可以使图像重建更为精确，进一步提高检测器的分辨率。

结合重心法进行图像的重建，同样可以应用在闪烁光纤组成的pet成像系统检测器中。将所述pet系统检测器放置在放射源环境中，标记化合物湮灭产生两个能量相等的标记化合物光子；所述两个能量相等标记化合光子沿不同路径抵达闪烁光纤并在闪烁光纤内发生反应，转换为可见光；所述可见光沿所述闪烁光纤传导至所述光传感器；所述光传感器接收所述可见光并检测所述可见光的能量信号分布和传导时间；根据所述可见光的能量信号分布和传导时间并采用重心算法解码标记化合湮灭的位置。

在扫描体注射放射性药物之后，射出伽马光子，伽马光子随机在某一束闪烁光纤中发生反应，转变成可见光子，可见光子在光纤中传播后被光传感器接收，通过光传感器的能量，确定伽马光子反应的位置，通过图像重建得到扫描体的扫面图像。由于闪烁光纤之间通过反射材料填充，可见光独立且不串扰，根据光传感器上的能量分布情况，使用传统晶体耦合光传感器的解码方式，即可确定光子在哪一个闪烁光纤上发生反应，从而确定反应发生位置的轴向位置，即z坐标。对于伽马光子反应发生的平面内的坐标，我们通过光子在单根闪烁光纤内的反应方式提供两种位置的计算方式。首先，由于光子在闪烁光纤内传播时，会有一定的能量损失，通过计算两端光传感器接收到的能量差结合单根闪烁光纤环的长度可以确定伽马光子的反应位置。其次，由于光子在闪烁光纤内传播需要时间，通过计算两端光传感器接收到触发信号之间的时间差结合单根闪烁光纤环的长度可以确定伽马光子的反应位置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。