[发明专利]用于PET应用中的单独闪烁体读出的高密度比例模式APD阵列

说明书

技术领域

本发明涉及医疗成像系统；更具体地，本发明涉及用于在使用正电子发射断层成像（PET）的成像系统中利用的检测器中的闪烁晶体读出的高密度、高度集成的APD光电传感器（雪崩光电二极管）阵列。

背景技术

核医学是独特的医疗专业，其中，使用辐射来获取示出身体的器官、骨骼或组织的功能和解剖的图像。放射性药剂通过注射或摄食而被引入到身体中，并且被吸引到所关注的特定器官、骨骼或组织。这样的放射性药剂产生伽马光子发射，该伽马光子发射从身体发出并且被闪烁晶体捕获，光子与该闪烁晶体相互作用以产生光的闪烁或“事件”。由光电检测器（诸如光电倍增管）的阵列检测事件，并且计算且存储它们的空间定位或位置。以此方式，从对身体中的放射性同位素的分布的检测来产生处于研究中的器官或组织的图像。

一种特定的核医学成像技术称为正电子发射断层成像或PET。PET用于产生用于诊断特定器官、肿瘤或其它代谢活性部位的生化机能或生理机能的图像。对正电子发射放射性核素的组织浓度的测量基于由正电子湮没产生的两个伽马光子的重合检测。当正电子被电子湮没时，同时产生两个511keV的伽马光子，并且这两个511keV的伽马光子在大致相反的方向上行进。由湮没事件产生的伽马光子可以由一对相反布置的辐射检测器来检测，该辐射检测器能够响应于伽马光子与闪烁晶体的相互作用而产生信号。湮没事件通常由在两个相反布置的检测器中的两个511keV的伽马光子的检测之间的时间重合来识别，即，伽马光子发射实质上同时由每个检测器来检测。当两个相反布置的伽马光子中的每一个都撞击相反布置的检测器从而产生时间重合事件时，它们还识别响应线或LOR，湮没事件伴随其而发生。

在美国专利No. 6,858,847中描述了PET方法和设备的示例，该专利的全部内容通过引用而合并于此。在被分类成平行投射之后，由重合事件定义的LOR用于对患者内的正电子发射放射性核素的三维分布进行重构。PET在获得揭示生物过程（例如，诸如心脏、大脑、肺等的身体器官的机能）以及身体组织和结构（诸如循环系统）的图像方面特别有用。

为了使得患者最小地暴露于辐射，PET成像系统中所利用的检测器必须能够检测入射光量子或致电离粒子的低电平。在这样的成像装置中，通常有利的是，采用具有内部增益的辐射检测装置；雪崩光电二极管（APD）通常用在这样的装置中以提供期望的检测灵敏度。APD是在击穿区域附近被偏置的半导体器件，以使得由于入射光子的吸收而生成的电荷在APD本身中由于级联效果而被放大，这是由于电荷被施加于器件的p-n结上的高偏置电势加速而产生的。在这样的成像装置中，期望APD展示出低噪声和高增益。诸如医疗成像器（例如，使用伽马辐射）的某些装置还要求高质量低噪声APD的相对大阵列（例如，大约5cm. sup.2或者更大）。

利用APD阵列的PET成像系统中的一种检测器配置是以一对一耦合配置来配置的，其中一个APD耦合到一个闪烁晶体。为了收集来自闪烁体的最大光量，APD必须具有与其所耦合的闪烁体晶体相同的表面积。这会导致大表面积的APD，这增大了APD噪声和电容。APD的噪声和电容与其表面积成正例。随着APD的噪声和电容增大，其精确地确定事件的适当能量和定时的能力下降。这导致差的PET检测器性能并且是APD通常没有用作PET成像系统中的检测器中的光电传感器的主要原因。存在对光电传感器阵列配置的需要，所述光电传感器阵列配置可以利用由在阵列中使用APD而产生的高增益，而且同时减小了由于用在光电传感器中时增大了APD的大小而导致的噪声和电容。

利用耦合到单个闪烁体的高密度光电传感器读出的概念的一种检测器是SiPM（硅光电倍增器）。SiPM使用盖革（Geiger）模式APD的非常密集的阵列，这些盖革模式APD通常电阻性地并联连接以提供单个读出通道。这种类型的检测器的显著缺点是SiPM APD单元中的每个由于它们工作在盖革模式而是非线性的。在每个单元中利用SiPM 盖革模式 APD的检测器以二进制模式工作。因此，SiPM APD单元的相应输出仅可以是零或一。这是基本问题，因为每个SiPM APD单元仅能够对一个光子进行计数，并且无法指示已接收到多于一个光子。例如，如果两个光子在大致相同的时间到达同一SiPM APD单元，则无法知道SiPM APD单元接收到两个光子。为了增加SiPM的线性度，必须增大SiPM单元密度。然而，增加SiPM的单元密度引起装置的填充因数减小。对于大部分SiPM装置，在线性度与填充因数之间存在折衷。存在对克服了这种限制的APD阵列的配置的需要，其中，APD单元的阵列以比例模式工作并且是线性的。