用于探測伽瑪輻射的系統如伽瑪攝像機和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及伽瑪射線源成像，更具體地，本發明涉及基于伽瑪攝像機探測伽瑪輻射的系統和在此系統中實施的圖像重構方法。本發明進一步涉及具體在天文學領域和醫學領域中探測系統的應用，以及所述系統應用到PET或SPECT類型成像系統。
[0002]目前，出于醫學診斷目的，伽瑪射線(大于30000電子伏，即大于30KeV)源成像基本上基于兩項技術執行:PET和SPECT。
[0003]SPECT (single photon emiss1n computed tomography，單光子發射計算機化斷層顯像)技術使用發射成像原理。在這種情況下，它試圖追蹤發射單能伽瑪光子的放射性示蹤劑在待分析的對象內的分布。光子發射是各向同性的，準直器放置在攝像機前面以選擇光子的入射方向。接著，在10至20毫米(mm)厚的閃爍晶體板(如Na1:TI)中，伽瑪射線被轉換為紫外光子(UV光子)。UV光子被各向同性地發射且隨后通過反射到晶體板界面上而被引導。出于這個原因，光強度分布為斑點，其中，強度降低1/R。憤怒邏輯(angerlogic)包括通過光電探測器(具體是光電倍增管類型的光電探測器)確定光斑的幾何中心。這推斷探測的伽瑪輻射的位置。在這種技術中，光電探測器分段低于50_也不提供空間分辨率。
[0004]PET (positron electron tomography，正電子電子斷層掃描)技術要求正電子源。反符合(anticoincidence)發射的兩個511KeV的伽瑪射線通過布置在檢測到的源(BG0、LS0、LaBr3)周圍的環中的密集閃爍晶體陣列探測。探測系統包括單晶陣列(典型地4*4*25_)，其由多通道光電探測器(光電倍增管或S1-ΡΜΤ)讀取，通道尺寸適于晶體尺寸。這之后經常在離散電子設備中進行信號放大和處理階段。
【背景技術】
[0005]在當前PET技術中，由于康普頓(Compton)散射，真實噪聲相互作用通過以下特征分辨:被激發的兩個像素在環的對極；相互作用能量等于511KeV ;此外，兩個光子基本上同時觸動探測器。此技術僅適于閃爍體，其中，到光峰的上升時間是迅速的，如LSO、LaBrf或BGO0
[0006]這個技術的一個缺點是，將晶體分段到像素中是昂貴的，尤其是吸濕性晶體。此夕卜，這種分段降低能量分辨率。最后，這種技術僅適合與非常密集晶體連用以防止康普頓效應(BGO =鍺酸鉍；LS0或LYSO =硅酸镥)。這包括稀有且昂貴的原始材料(鍺、镥等)的使用。
[0007]在SPECT技術中，探測單光子，其中，能量通過閃爍晶體板(Na1、Cs1、LaBr3)根據所用放射性同位素(從10KeV到100KeV)而變化，并被大的光電探測器(PMT)讀取。為獲取光子入射方向的指示，有必要將準直器放置在晶體前面，其中所述準直器是大型笨重的且其阻止大部分的輻射發射。此外，由于定位相互作用的精度低，SPECT的空間分辨率小于PET的空間分辨率。
[0008]針對SPECT，兩個進一步問題有待解決:
[0009]SPECT僅在閃爍體板連續時運行。因此，不可能附接兩個小板來構成較大的板。出于這個原因，使用新一代的閃爍體，LaBr3，其中，對于SPECT，晶體相對較小(最大直徑100mm)在當前是受限的:
[0010]-當兩個伽瑪光子與閃爍板在相鄰時間(接近300ns)相互作用時，斑點圖像和能量測量值完全干擾，因此，事件被排除。在此情況下，所謂的堆擠(pile-up)發生。
[0011]PET基于不同原理運行:放射性元素發射正電子，該正電子被分解成兩個以180°發射的511KeV伽瑪光子。隨后，在定位在患者周圍的晶體環上探測到同時到達的兩個511KeV光子。如果使用充分迅速的閃爍體，經由渡越時間(在環的兩個相對端部處的兩個光子的到達時間之間的差)成功提高事件定位精度是可能的。然而，當前系統涉及以下問題:1)閃爍體必須被分段到像素(例如，4*4*30mm)中，這是昂貴的，2)如果像素內的相互作用的位置未知，這可能生成降低圖像質量的幾何不確定性。這還降低渡越時間測量值的精度，極大地將這種測量值限制在50ps左右。
[0012]已經提出測量PET上的DOI (相互作用的深度)的系統，但是它們沒有說服力或非常昂貴(兩個探測器層)。
[0013]此外，處理康普頓事件的困難已經導致需要非常密集的閃爍體(通常基于鋰)，這是非常昂貴的。
[0014]因此，本發明的主要目的在于提出一種新穎技術，其使得對于SPECT，下列效果成為可能:
[0015]I)提高空間分辨率；
[0016]2)明顯增加圖像對比；
[0017]3)能夠經由合適的去卷積使用兩個相鄰事件(這將由于堆擠而被排除);
[0018]4)能夠在包括結合到一起的小片的板上合適讀取事件，且
[0019]5)由于準直器/閃爍晶體/處理電子設備元件的總體積有利地小于電流探測器的體積，能夠升級現有SPECT設備基礎。
[0020]所述探測系統可以進一步以和PET模式相同的方式運行而不使用準直器。在PET的上下文中，其優勢如下:
[0021]I)獲得高空間分辨率(小于5_)而不需要閃爍體分段，
[0022]2)測量具有單個光電探測器層的閃爍體內的相互作用深度
[0023]3)通過非常精確的渡越時間校正，提高渡越時間精度
[0024]4)利用相對便宜的閃爍體獲得最佳性能。
【發明內容】
[0025]本發明的目的在于提出一種探測伽瑪輻射的系統，如伽瑪攝像機，所述系統包括伽瑪射線源；至少一塊快速閃爍體板P1，所述閃爍體到光峰的上升時間小于I納秒(nm)，所述板Pl具有散射進入表面和拋光退出表面、具有小于或等于10_的厚度、裝配有光電探測器和專用讀取微電子設備；其特征在于，專用讀取微電子設備是ASIC類型，特征在于探測器被分段；特征在于在所述板Pl上，所述探測器的每個分段適于測量第一觸發Tl，其對應于通過閃爍發射的第一 UV射線對所述板Pl的作用時間，從而較低的時間分辨率小于100皮秒(ps)，優選小于20ps ;特征在于，探測器適于在大于10ps但小于或等于到閃爍體的光峰的上升時間的時間上測量由探測器上的事件發射的第一相鄰光子的空間和時間分布，因此，適于空間定位所述事件“el”使其具有坐標(X1，Y1);并且特征在于，探測器進一步適于處理非散射光子和散射光子之間的空間和時間分布差，以便重構所述閃爍體事件的時空坐標(X，Y，I, Τ) O
[0026]術語觸發表示伽瑪射線對閃爍體板的作用時間。
[0027]實際上，光電探測器和專用讀取電子設備能夠以非常高的時間分辨率和小于10ps的時間響應分散/通道來探測第一入射光子，對于每個通道，優選小于20ps。測量事件的第一觸發和半徑等于板厚度的兩倍的相鄰通道的觸發之間的差。獲得延遲的空間分布(X，Y，DT)，其中，使用統計方法計算該空間分布的最小值。事件el定位在該最小值的法線(normal)上。
[0028]實際上，事件的位置位于觸發分布的最小值的法線上。
[0029]此外，非散射光子是探測到的第一光子且它們分布在磁盤內，其中，半徑取決于相互作用(Z)的深度，且其中中心表示事件的位置(x，Y)。
[0030]此外，探測器適于通過重構探測到的第一十個光子的閃爍體的軌跡，測量相互作用的精確時間Τ。
[0031]根據本發明的一個替代實施例，板Pl是鑭系元素鹵化物類型，其裝配有被分段的光電探測器，其中分段的間隔至少小于板厚度的一半，優選小于4_，并且其中，ASIC類型專用讀取微電子設備包括模擬部分，對于小于50ps的觸發，該模擬部分的每個通道具有時間分辨率。
[0032]優選地，探測器還適于測量(X’ 1，Y’ I)中的亮度Al的空間分布和能量El的積分，如在常規伽瑪攝像機中。
[0033]此外，探測器是S1-PMT或APD類型半導體探測器。
[0034]實際上，探測器(例如S1-ΡΜΤ)內的每個像素的測量通過專用組合的模擬/數字ASIC類型微電子設備元件執行，以便能夠高速探測第一光子。
[0035]根據本發明的一個替代實施例，系統包括邊對邊結合的多個閃爍體板，以便形成大的表面區域且校正邊緣效應，所述表面區域可以是用于SPECT應用的平面，或是用于PET應用的環。
[0036]根據一個進一步實施例，探測系統還包括第二閃爍體板Ρ2，其厚度適于吸收至少80%的伽瑪射線能量，所述第二板與第一板Pl分離至少1mm的距離‘D’ ；系統還包括估計模塊，其用于確定有效事件，用于估計康普頓偏差的模塊；系統適于在所述第二板Ρ2上測量第一觸發Τ2，觸發的空間分布適于將事件“e2”空間定位在(X2，Y2，Z2)中，亮度Α2的空間分布被空間定位在(Χ’2，Υ’2)中以及將事件“e2”期間發射的能量Ε2空間定位在所述板P2中；并且所述第二板P2適于獲得與伽瑪射線的路徑相關的信息，而不排除任何信息。
[0037]有利地，探測系統包括用于計算有效事件的模塊，其中，時間分布向量、伽瑪射線作用在板上的時間以及空間分布向量是相交的，以提高所述板內的相互作用的定位精度。
[0038]有利地，板(Pl)或(Pl和P2)、光電探測器和電子元件被布置在緊湊外殼內。
[0039]有利地，“板/光電探測器/處理電子設備”的組裝件的體積基本上小于基于NaI板的探測器的體積，從而所述組裝件可以安裝在現有SPECT機器上。
[0040]考慮到探測器和處理電子設備相對于常規攝像機的更緊湊設計，這種系統可以容易代替已知攝像機上的現有設備。
[0041]本發明還涉及在上述系統中實現的圖像重構方法，特征在于，該方法包括下述步驟:在伽