混合激光/空气耦合PET块探测器的制作方法

混合激光/空气耦合pet块探测器
1.相关申请的交叉引用本技术要求于2019年9月20日提交的美国临时申请62/903,257号在35 u.s.c.
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119(e)下的优先权，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
2.本公开涉及一种用于制造探测器阵列的方法，所述探测器阵列用于成像应用，诸如x射线成像、荧光透视、正电子发射断层扫描（pet）、单光子发射计算机断层扫描（spect）、计算机断层扫描（ct）、伽马相机和数字乳房x光摄影术系统。


背景技术：

3.成像广泛用于许多医疗和非医疗应用二者中。在成像的领域中，众所周知，成像设备合并有多个闪烁体阵列，用于探测来自各种源的放射性。当构造由离散闪烁体元件组成的闪烁体阵列时，通常闪烁体元件与插入各个元件之间的反射介质封装在一起，从而创建光子边界。常规地，反射介质用于将闪烁光沿着闪烁体元件引导到光导中，以准确地确定辐射撞击在探测器元件上的位置。反射介质进一步用于增加来自每个闪烁体元件的光收集效率，以及最小化从一个闪烁体元件到相邻元件的串扰或光传递（光的透射）。反射介质包括反射粉末、薄膜、涂料和掺杂有反射粉末的粘合剂、或者材料的组合。反射涂料和粉末包含一种或多种颜料，诸如mgo、baso4和tio2。不管哪种方法，制造辐射探测器阵列的常规方法都是一个费时费力的过程，其中产品一致性取决于劳动力的技术水平。随着更高空间分辨率系统包含比当前设计更多一个数量级的像素的当前市场趋势，这些过程效应甚至更加显著。
4.探测器阵列通常与光电倍增管（pmt）或固态光电探测器——诸如硅光电倍增器（sipm）、雪崩光电二极管（apd）、pin二极管和电荷耦合器件（ccd）——集成。被闪烁材料吸收的入射高能光子被转换成较低能量的闪烁光子，其可以经由以下中的一种或多种方式被引导到光电探测器：闪烁体本身、光导和其他建立的光分布部件。
5.在其中使用光导和/或其他建立的部件的布置中，通常通过在合适的基底中产生不同深度的狭缝来形成光导。一旦与反射介质一起封装，光导就成为输送光和增强闪烁体定位信息的有效方法。在其中使用涂料或反射带的布置中，涂料或反射带直接应用于闪烁体，从而实现类似的结果。所应用的反射材料的高度和放置根据设计而变化。
6.常规地，闪烁体阵列已经由抛光或未抛光的晶体形成，所述晶体采用如下各项方式中的一种：手工包裹在反射ptfe带中并捆扎在一起；使用与环氧树脂或rtv混合的诸如baso4或tio2之类的白色颜料粘合在一起；或者粘合到具有限定间距的玻璃光导，并且之后利用如上面所讨论的反射材料填充。
7.另一种方法利用在结合剂的帮助下结合到某些闪烁体元件侧面的各个反射器。通过在空间上布置各个元件来形成阵列，使得高能光子的撞击被精确解码。


技术实现要素：

8.本文中提供了一种用于制造光学分段探测器阵列（诸如闪烁体阵列）的方法。该方法包括：准备成像设备的光学介质的多个板；在光学介质的板中的至少一个内形成多个光学边界，其中所述多个光学边界在所述至少一个板内限定非邻接独立光重定向区域的1
×
n阵列；将所述多个板布置成堆叠，所述堆叠具有在每个相邻板之间限定的反射层；以及相对于彼此固定所述多个板的定位。
9.提供了一种探测器阵列，包括：以堆叠布置的光学介质的多个板，其中所述板中的至少一个包括：由n-1个光学边界限定的非邻接独立光重定向区域的1
×
n阵列，其中每个光学边界由非邻接独立微空隙的阵列形成；限定在探测器阵列的两个相邻板之间的反射层，该反射层用于反射来自非邻接独立光重定向区域的光，使得相邻板之间不存在其他反射材料；以及用于保持阵列的每个板相对于彼此的相对定位的机构。
10.还提供了一种包括本公开的探测器阵列的探测器组装件。
附图说明
11.本文中所描述的实施例的特征将在以下详细描述中更全面地公开，所述详细描述要与附图一起考虑，其中类似的数字指代类似的部分。所有附图都是示意性的，并且它们并不旨在表示结构的实际尺寸或它们尺寸的相对比率；图1是根据本公开的实施例的探测器阵列的图示；图2是示出图1的探测器阵列的部分分解视图的图示；图3是示出非邻接独立微空隙阵列的图示，所述非邻接独立微空隙阵列在形成本公开探测器阵列的每个板中的闪烁体元件之间形成光学边界；图4a-4b是根据一些实施例的探测器组装件的示例的图示；图5是图示根据本公开的用于制造探测器阵列的方法的流程图。
具体实施方式
12.示例性实施例的该描述旨在结合随附附图进行阅读，所述随附附图要被视为整个书面描述的一部分。附图不一定按比例绘制，并且为了清楚和简明起见，某些特征可能按比例放大或以某种示意性形式示出。在描述中，诸如“水平”、“垂直”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”及其派生词（例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等）的相关术语应当被解释为指代如随后描述的或如所讨论的附图中所示出的定向。这些相对术语是为了便于描述，并且通常不旨在要求特定的方向。包括“向内地”相对于“向外地”、“纵向”相对于“横向”以及诸如此类的术语应被解释为是相对于彼此或相对于伸长轴线或旋转轴线或中心的，视情况而定。关于附接、耦合以及诸如此类的术语，诸如“连接的”和“互连的”，指代这样一种关系，其中结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接，以及可移动或刚性附接或关系这二者，除非另有明确描述。术语“可操作地连接”是这样一种附接、耦合或连接，其允许相关的结构凭借该关系而如意图的那样操作。
13.参考图1和图2，公开了根据实施例的探测器阵列100。探测器阵列100包括以堆叠布置的光学介质的多个板110。所述板110中的至少一个包括在至少一个板110内的非邻接独立光重定向区域115（即探测器元件）的1
×
n阵列。非邻接独立光重定向区域115中的每一
个由n-1数量的光学边界120限定。
14.在探测器阵列100的一些实施例中，所述多个板110中的每一个包括每个板110内的非邻接独立光重定向区域115的1
×
n阵列。然后，板110的堆叠将形成探测器元件115的m
×
n阵列，其中m表示光学介质的板110的数量。
15.将所述板110组装成堆叠，使得在阵列的两个相邻板110之间存在限定的反射层130。反射层130用作反射器，并且反射来自探测器元件115内的光，以在探测器元件115内行进。
16.在一些实施例中，反射层130可以是两个相邻板110之间的充气间隙，并且探测器阵列100在相邻板110之间没有其他反射材料。充气间隙130的宽度取决于板110的表面粗糙度。在优选实施例中，板110被配置为具有表面粗糙度，使得当将两个板110放在一起时，充气间隙130的宽度大于由探测器元件115的光学介质生成的光的波长的1倍至2倍，使得抑制了隐矢波（受抑全内反射）。
17.在一些实施例中，反射层130包括以下反射材料中的至少一种：反射粉末、反射膜、反射涂料和掺杂有反射粉末的粘合剂、或反射材料的组合。
18.通过诸如结合剂或保持器150之类的机构，将堆叠的板110相对于彼此保持在它们在探测器阵列100中的相对定位。
19.在一些实施例中，光学介质为闪烁体晶体，并且闪烁体板110堆叠形成探测器阵列100，其为闪烁体阵列。充气间隙130结合闪烁体板110的表面光洁度，限定了闪烁体元件115的光收集效率以及元件115之间发生的光共享量。来自探测器元件115和空气的折射率（iof）的显著改变增加了总折射角。基于iof（闪烁体）/iof（空气）的比率和闪烁体板110的表面光洁度，调谐闪烁光光子的量，使得受控量的光子向下准直通过闪烁体元件115，并且受控量被传输到相邻的闪烁体元件115。为探测器阵列100内的每个闪烁体元件115定制最优比率，使得清楚地标识探测器阵列100中的每个元件115。该比率可以在空间上变化。
20.参考图3，闪烁体板110中的每个光学边界120由光学介质中形成的非邻接独立微空隙12的阵列形成。多个微空隙12被限定为共同用于输送闪烁光通过闪烁体的光学分段部分115。微空隙12定位在光学介质的空间平面14中，以限定探测器阵列100的光学分段部分115的光学边界120。微空隙12可以以特定的均匀图案以变化的大小部署，或者随机放置。微空隙可以以单层或多层部署，或者可以随机分散在给定的体积内。微空隙可以在空间平面14上以平面、曲线或其他几何布置的配置来部署。在这种程度上，闪烁体的光学分段部分可以限定除了正方形之外的各种横截面部署。例如，光学分段部分可以限定三角形、梯形或六边形几何形状。可替代地，光学分段部分可以限定配置的组合，诸如八边形和正方形。
21.使用激光源30形成微空隙。激光源30用于生成光束32并将其按顺序聚焦到每个选定位置（x，y，z）处的光学介质中。激光源30产生足够功率的激光束32，以烧蚀焦点处的目标光学介质，从而导致该位置处的光学介质的晶体结构受损，该位置在本文中将被称为微空隙12。微空隙使遇到它的光子散射。在工业中，微空隙有时被称为微裂纹。
22.如本文中提到的，用于探测器阵列100的光学介质可以是闪烁体或透光块或光导。光学介质由不吸收激光波长的材料制成。聚集在激光束焦点处的强能量在目标光学介质内创建了微空隙，该微空隙从原点在所有方向上向外延伸。用于形成微空隙的激光过程的更多细节可以在美国专利号8,470,214中找到，该美国专利的内容通过引用并入本文中。
23.图4a中图示的是根据一些实施例的探测器组装件100a的示例。探测器组装件100a包括探测器阵列100和至少一个光电探测器18。探测器阵列100耦合到至少一个光电探测器18，并且闪烁体元件阵列115光学耦合到至少一个光电探测器18。所述至少一个光电探测器18可以选自但不限于pmt、定位敏感pmt、sipm、apd、pin二极管、ccd和其他固态探测器。
24.在该布置中，部署在探测器阵列100内的闪烁体元件115用于探测入射伽马射线，并在其后产生与伽马射线和闪烁体元件115之间的初始相互作用所沉积的能量的量相对应的光信号。探测器阵列100用于反射光并将光沿着闪烁体元件115向下输送到光电探测器18。然后，根据成像设备的目的，对由光电探测器18生成的信号进行后处理和利用。
25.在一些实施例中，如有必要，可以将光导20选择性地放置在探测器阵列100和接收光电探测器18之间。光导20限定了选定的配置，诸如分段的或连续的。当采用光导20时，取决于闪烁体元件115和光电探测器18的选择来优化光导20。
26.在利用光导20的实施例中，探测器阵列100用于反射闪烁体元件内生成的光，并将其沿着闪烁体元件115向下输送到耦合的光导20和光电探测器18。然后，根据成像设备的目的，对由光电探测器18生成的信号进行后处理和利用。
27.在本公开的探测器阵列100中，通过使用保持机构16保持探测器阵列100内闪烁体板110的相对定位，来保持各个探测器元件115的相对定位。在一些实施例中，保持机构16可以是环绕探测器阵列100的外周的保持器。图4a中的探测器组装件100a被图示为具有这样的保持器16。这样的保持器16可以由常规材料——诸如收缩包装、橡胶带、胶带或类似材料的组合——制成，可以用于以紧密、均匀的方式将板115封闭或保持在一起。尽管在图4a中图示为跨越探测器阵列100的整个高度，但是保持器16在一些应用中可以包括一个或多个保持器，其仅跨越探测器阵列100高度的一部分。
28.在其他实施例中，保持机构16可以是施加在探测器阵列100和连续光导20之间的结合剂。
29.图4b中所图示的是部署在连续光导20上方的探测器组装件100b的另一示例。在这个示例中，各个闪烁体元件115的相对定位由机构16保持，所述机构16是施加在探测器阵列100和连续光导20之间的结合剂。连续光导20部署在光电探测器18阵列上方，诸如在面板探测器中。
30.在探测器组装件100a、100b的一些实施例中，所述至少一个光电探测器18可以是pmt、定位敏感pmt、sipm、apd、pin二极管、ccd或其他类型的固态探测器。
31.在包括部署在探测器阵列100和所述至少一个光电探测器18之间的光导20的探测器组装件100a、100b的实施例中，闪烁体元件115经由光导20光学耦合到所述至少一个光电探测器18。
32.在探测器组装件100a、100b的一些实施例中，光导20被配置为在多个闪烁体元件115阵列和多个至少一个光电探测器18上是连续的。
33.参考图5中的流程图200，本文中公开了一种用于制造本公开的探测器阵列100的方法。该方法包括准备成像设备的光学介质的多个板110（步骤210）；在光学介质的板中的至少一个110内形成多个光学边界120，其中所述多个光学边界120在至少一个板内限定非邻接独立光重定向区域（即探测器元件）的1
×
n阵列，其中n表示各个探测器元件115的数量（步骤220）；将所述多个板布置成堆叠，所述堆叠具有在两个相邻的板110之间限定的反射
层130（步骤230）；以及相对于彼此固定所述多个板的定位（步骤240）。
34.在该方法的一些实施例中，反射层130可以是每个相邻板110之间的充气间隙。在一些实施例中，反射层包括以下反射材料中的至少一种：反射粉末、反射膜、反射涂料和掺杂有反射粉末的粘合剂、或者反射材料的组合。
35.在该方法的一些实施例中，在光学介质的每一个板110内形成多个光学边界120，由此所述多个板110的堆叠在探测器阵列中形成非邻接独立光重定向区域的m
×
n阵列，其中m表示板110的数量。
36.在该方法的一些实施例中，固定所述多个板110的定位包括使用结合剂16将所述板110中的每一个附接到至少一个光电探测器18。在一些实施例中，探测器组装件100a、100b包括光导20，并且该方法包括固定多个板110的定位，其包括使用结合剂16将所述板110中的每一个附接到光导20，然后将光导20附接到至少一个光电探测器18。
37.在该方法的一些实施例中，形成多个光学边界120包括通过将选定波长的激光束32聚焦在空间表面14上不同选定位置的焦点处，来在所述板110中的每一个内的空间表面14中形成多个非邻接独立光重定向区域12，由此改变焦点处光学介质的光学性质。
38.在探测器阵列100的一些实施例中，光学介质为闪烁体，并且其中光学边界120限定了闪烁体的单独光学分段分辨率元件115之间的边界。
39.在探测器阵列100的一些实施例中，光学介质为透光物体，并且其中光学边界120限定了透光物体内的光导的一部分。
40.在探测器阵列100的一些实施例中，多个光学分段分辨率元件形状上为直线。
41.在探测器阵列100的一些实施例中，空间表面14为曲线。
42.应当理解，前述描述为本发明的示例性实施例，并且本发明不限于所示出的特定形式。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对元件的设计和布置进行修改。