具有双速闪烁的辐射检测器 相关申请
在USC119的35之下，该申请要求于2007年1月24日提交的美国临时申请60/886,409的优先权日期的权益，其内容在此以参考的方式被并入。
【技术领域】
该公开内容涉及辐射检测器，更具体地说，涉及用于PET扫描器中的辐射检测器。
背景技术
在正电子发射层析X射线照相术(“PET”)中，放射性材料被放置在病人中。在放射性衰减的过程中，该材料发射正电子。这些正电子穿过病人直到它们遇到电子。当正电子和电子相遇时，它们彼此湮灭。这导致发射出沿着相反方向传播的两个伽马射线光子。通过检测这些伽马射线光子，将能推断病人内的放射性材料的分布。
某些材料，被称为闪烁晶体，或“闪烁体”，以伽马射线和所述材料相交的点为中心发射各向同性喷射的闪烁光子。这些闪烁光子中的一些沿着将它们带到光子检测器的方向得以发射。沿着远离任何光子检测器的方向被发射的其他闪烁光子仍然设法在被所述闪烁晶体内的结构改变方向之后抵达光子检测器。然而其他的闪烁光子被吸收因此根本不会抵达所述光子检测器。
为了检测伽马射线光子，病人位于闪烁晶体的环件中。观察所述晶体的光子检测器然后能检测所述闪烁光子并给处理器提供有关多少同时存在的伽马射线光子对被接收于特定间隔中并且这些伽马射线光子对起源于何处的信息。该处理器然后处理从所有光子检测器抵达的数据以形成表示病人内的放射性材料的空间分布的图像。
【发明内容】
在一个方面，本发明特征在于用于检测辐射的装置。该装置包括用于接收辐射和响应该辐射而发射二次辐射的双速闪烁体，以及和所述双速闪烁体通信而用于接收所述二次辐射的检测器。
一些实施例包括和所述检测器通信的处理器。该处理器被配置以响应于从所述检测器接收的信号产生图像。
其他的实施例是其中的双速闪烁体包括固有的碘化铯的实施例。在这些实施例的一些中，所述固有的碘化铯已被加热并且被淬火以形成晶格缺陷。
然而其他的实施例包括其中的双速闪烁体被掺入杂质的实施例。这些实施例包括闪烁体具有掺入钠杂质的碘化铯的实施例。在这些实施例中的是其中的碘化铯被掺入浓度为30ppm和200ppm之间的钠的那些实施例，以及其中的碘化铯被掺入大约100ppm浓度的钠的那些实施例。
在一些实施例中，所述双速闪烁体包括掺入铊的碘化铯。换句话说，所述双速闪烁体包括溴化铯。
在其他的实施例中，所述双速闪烁体包括碘化铯和溴化铯。其中的实施例是其中所述闪烁体包括大约2％的溴和98％的碘的实施例。
其他的实施例还包括闪烁体中的铕。
在另一方面，本发明的特征在于用于检测辐射的方法。该方法包括从闪烁体接收表示慢速分量的第一数据；从闪烁体接收表示快速分量的第二数据；处理所述第一数据以获得闪烁体内的事件的第一特性的推算结果；以及处理所述第二数据以获得所述闪烁体内的事件地第二特性的推算结果。
一些粒子还包括基于第一和第二数据至少部分地将所述事件分类为同时发生的一个事件。
其他粒子包括其中所述第一特性被选择成和所述事件有关的能量的粒子，以及其中所述第二特性被选择为事件发生的时间的粒子。
其他的粒子包括一些粒子，这些粒子包含推算与由于事件而发射的光子有关的经过时间。
【附图说明】
本发明的其他特征和优点将从以下详细描述和附图是显而易见的，其中：
图1表示模块环件；
图2A和2B表示检测器块；
图3表示在各种掺杂质浓度下的掺入钠的碘化铯的波长响应；以及
图4表示双速闪烁晶体的瞬态响应。
【具体实施方式】
参照图1，PET扫描器10包括围绕其上躺着病人的台架14的检测器模块16A-K的环件12。每个检测器模块16A-K(此后被称为“模块”)包括一排或多排的检测器块17。如图2A所示，检测器块17包括例如布置成和闪烁体块21光学通信的2×2阵列的四个光电倍增管19A-D。该闪烁体块21一般由双速闪烁晶体制作而成。
用于闪烁晶体中的常用材料是掺入有钠或铊的碘化铯。图3表示掺入钠的碘化铯晶体响应于各种等级的掺杂剂浓度，即，从掺杂剂浓度为10ppm的几乎纯的碘化铯到掺杂剂浓度为1000ppm的大量掺入的碘化铯的范围内变化。
在低等级的掺杂剂浓度下，掺入钠的碘化铯通过UV范围内的第一发射光子响应于伽马射线光子。接着是发射可见光范围内的另一些光子。第一组光子，即，UV范围内的那些光子，形成所述响应的“快速分量”。第二组光子，即，可见光范围内的那些光子，形成所述响应的“慢速分量”。
在掺入钠的碘化铯中，由所述快速分量(以后称为“快速响应”)引起的响应开始于事件之后大约10纳秒。该快速响应的特征在于快速上升时间和快速下降时间。因而，对精确确定何时事件发生特别有用。这对是否两个事件同时发生是有用的。
在掺入钠的碘化铯中，由所述慢速分量(以后称为“慢速响应”)引起的响应开始于事件之后大约100纳秒。该慢速分量易于具有较慢的上升时间。因此，所述慢速响应对精确确定何时事件发生不怎么有用。然而，该慢速响应在延长的间隔内提供大量光子。结果，其对确定与事件有关的能量是有用的。
在所述事件之后，另一响应以微秒或毫秒量级发生。这些响应对被称为“光惰性(afterglow)”是有帮助的。该光惰性类似于点燃洞穴中的炸药之后可以听到的持久的回响。在一定程度上，通过进一步用铕掺入闪烁晶体能使该光惰性得到抑制。
从图3可以显著看到，对于低等级的掺杂剂浓度，所述快速分量和所述慢速分量之间存在显著区别。当掺杂剂浓度增加时，所述快速分量和慢速分量易于在波长内重叠，对于检测系统使得它们区分起来更困难。
对于具有掺杂较少的闪烁晶体的PET扫描器，存在两个显著部分的暂态响应，如图4所示。如上所述，存在一种快速响应，其是一种由所述快速分量引起的较短上升时间的脉冲。该快速响应之后是慢速响应，该慢速响应是具有较慢衰减的延长脉冲。能使用所述快速响应和所述慢速响应单独地执行不同功能的闪烁晶体会被称为“双速”闪烁晶体。
具有上述特性的双速闪烁晶体能通过使碘化铯掺入浓度在30ppm和200ppm的钠而得以获得。特别有用的双速闪烁晶体是具有100ppm量级的掺杂剂浓度的掺入钠的碘化铯晶体。这导致一种响应，其中大约20％的光子由所述快速分量引起，其余的80％由慢速分量引起。来自快速分量的光子和光子总量的比例优选小于50％并且大于5％。
然而，能使用其他的掺杂剂形成具有希望的特性的双速闪烁晶体。例如，能形成具有碘化铯和溴化铯的混合物的晶体，然后使得最终的晶体掺入钠。一个这种晶体会具有2％的掺杂剂原子是溴，其余的是钠。该混合物被认为通过增加发射的光子的总量以及每纳秒发射的光子的量来进一步提高快波分量。
在一些情况下，能形成具有希望的特性的固有晶体。例如，纯的碘化铯能被加热，然后被淬火。这将形成晶体缺陷，这些晶体缺陷基本起到和所述钠掺杂剂相同功能的作用。该晶体将起到双速闪烁晶体的作用，直到晶体缺陷逐渐消失的时间。
光电倍增管19A-B在图2A中是可见的，并且光电倍增管19A-C在图2B中是可见的。其余的光电倍增管19D，其位于从光电倍增管19A对角穿过所述阵列，是不可见的。
一般地，光电倍增器19A-B应当对于与快速分量和慢速分量有关的波长敏感。在掺入钠的碘化铯的情况下，所述快速分量在UV范围内，所述慢速分量在可见光范围内。然而，其他的双速闪烁晶体可以具有不同的特性。
另一种避免必须提供该光电倍增管的解决方案是提供一种波长变换设备，例如波长变换纤维，以将慢速反应或快速反应的波长变换为光倍增管19A-19B敏感的波长。
闪烁体块21被分成单独的支柱23，每个支柱由双速闪烁晶体做成。支柱23被布置成阵列，例如10×16阵列。该阵列具有长度为3.22英寸(82毫米)宽为2.69英寸(68毫米)的矩形横截面。
阵列中的每个支柱23是横向截面具有长侧25和短侧27的矩形棱柱。平行于长侧25的轴在此将被称为闪烁体块21的“长”轴，平行于短侧27的轴在此将被称为闪烁体块21的“短”轴。
采用PET扫描器10使病人的一部分成像时，将放射性材料引入到所述病人中。当放射性材料衰减时，其发射正电子。在穿过病人内较短距离之后，正电子最终遇到电子。所述正电子和电子的最终湮灭产生沿着相对方向运行的两个伽马射线光子。到达这些伽马射线光子未被偏折或者也未被吸收在病人内的程度，它们从自病人出现并撞击两个相对的支柱23，因此产生表示事件的光的闪烁。通过确定表示事件的光起源于那那些支柱23，能估计病人中湮灭事件发生的位置。
特别地，再次参照图1，当这些伽马射线光子之一撞击第一检测器模块16A中的支柱时，另一伽马射线光子撞击与所述第一检测器模块相对的第二检测器模块16E、F、G或H中的支柱。这导致两个事件：一个在第一检测器模块16A处，另一个在相对的第二检测器模块16E、F、G或H处。这些事件中的每个表示检测伽马射线光子。如果这两个事件同时在第一检测器模块16A处和第二检测器模块16E、F、G或H处被检测到，可能它们表示湮灭发生在连接第一检测器模块16A和第二检测器模块16E、F、G或H的线上。如果这两个事件几乎同时在第一检测器模块16A处和第二检测器模块16E、F、G或H处被检测到，可能它们表示湮灭发生在连接第一检测器模块16A和第二检测器模块16E、F、G或H的线上。
清楚的是，PET扫描器10感兴趣的是同时或几乎同时由相对的检测器模块16A、16E-F检测到的事件对。具有这些特征的一对事件被称为“同时发生”。在PET扫描的过程中，每个检测器模块16A-K检测到大量的事件。然而，仅有限数量的这些事件表示同时发生。
PET扫描器10的重要任务因此是要在形成同时发生的那些事件对和没有形成同时发生的事件对之间进行区分。能用于实施该任务的两种度量是：(1)事件发生的次数；以及(2)与每次事件有关的能量。
通过观察所述快速响应以确定是否这些事件的发生在时间上足够接近以及观察所述慢速响应以确定与两个事件有关的能量是否与两个事件由相同的伽马射线相互作用而产生的可能性一致来确定是否两个事件确实同时发生。
快速响应特别用于确定何时事件发生，因为其快速上升时间和较窄的宽度能使操作者更精确地估计事件发生的精确时间。另一方面，与所述慢速响应有关的大量光子和延长时间使其特别适合于精确估计与事件有关的能量。
双速闪烁晶体适合于该任务，因为这种晶体维持明显的快速和慢速响应。
在大量掺入碘化铯晶体中，仅慢速响应容易利用。这种晶体因此对精确地确定事件何时发生不是很有用。另一方面，在固有的、或纯的碘化铯中，仅所述快速响应容易利用。该单速晶体因此对于精确确定与事件有关的能量不是很有用。
在此描述的方法和系统已被描述在PET扫描器的上下文中。然而，使用双速闪烁晶体不限于PET扫描器。存在其他的领域，在这些领域中操作者希望精确确定事件发生的时间以及与这种事件有关的能量。许多这种应用会从使用在此描述的双速闪烁晶体中受益。例如，这种双速闪烁晶体能用于非破坏性的测试设备，或用于高能粒子物理研究的测试装备和实验室装备。
与在此描述的方法和系统有关的增强的暂时分辨率还能用来对在相对的光检测器处检测到的光子上进行按照时间的分析。这种按照时间的分析更容易使操作者估计不仅事件发生沿着的线路而且还可估计沿着所述路线的事件的位置。
已经描述了本发明，以及其中的优选实施例，我所要求的权利是新的，并且由专利证书保证。