专利摘要

本发明属于晶体探测器领域，并具体公开了一种基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，包括片层晶体阵列结构和光电传感器阵列层，片层晶体阵列结构由数个片层晶体阵列层叠而成，相邻的片层晶体阵列之间设置有光反射层，且光反射层上开设有透光窗口；光电传感器阵列层与所述片层晶体阵列结构耦合在一起；检测时，高能光子在片层晶体阵列中发生衰减反应，产生可见光子群，该可见光子群由光反射层反射或通过透光窗口进入相邻片层晶体阵列，最终由光电传感器阵列层接收，从而获得光分布情况，进而得到高能光子的反应位置和反应深度，完成检测。本发明片层晶体阵列之间解码过程互不影响，得到与反应深度相关的光分布信息，解码精度高且结构简单。

权利要求

1.一种基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，其特征在于，包括片层晶体阵列结构和光电传感器阵列层，其中，所述片层晶体阵列结构由数个片层晶体阵列层叠而成，相邻的片层晶体阵列之间设置有光反射层，且光反射层上开设有透光窗口；所述光电传感器阵列层与所述片层晶体阵列结构耦合在一起；所述片层晶体阵列结构由数个片层晶体阵列横向层叠、纵向层叠或横纵向同时层叠而成；所述片层晶体阵列包括多个片层晶体，该片层晶体为闪烁晶体，且同一片层晶体阵列中的片层晶体均沿同一方向排列，光反射层上的透光窗口具有与相邻片层晶体阵列中每个片层晶体的对应位置；

检测时，高能光子在片层晶体阵列中发生衰减反应，产生可见光子群，该可见光子群由光反射层反射，或可见光子群通过透光窗口进入相邻的片层晶体阵列，最终所有可见光子群由光电传感器阵列层接收，从而获得光分布情况，进而由光分布情况得到高能光子的反应位置和反应深度，完成高能光子检测。

2.如权利要求1所述的基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，其特征在于，所述光电传感器阵列层与所述片层晶体阵列结构的耦合方式为光学胶水或空气耦合。

3.如权利要求1所述的基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，其特征在于，对于所述光电传感器阵列层和所述片层晶体阵列的接触面，所述光电传感器阵列层在该面的面积不小于所述片层晶体阵列结构在该面的面积。

4.如权利要求1所述的基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，其特征在于，所述片层晶体阵列结构的上下两侧均耦合所述光电传感器阵列层。

5.如权利要求1所述的基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，其特征在于，所述片层晶体阵列包括3～10个片层晶体。

6.如权利要求5所述的基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，其特征在于，每个片层晶体的厚度为0.5mm～3mm。

7.如权利要求1所述的基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，其特征在于，通过在片层晶体阵列上镀膜形成所述光反射层。

8.如权利要求1-7任一项所述的基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，其特征在于，所述光电传感器阵列层包括多个光电传感器，该光电传感器为硅光电传感器。

说明书

技术领域

本发明属于晶体探测器领域，更具体地，涉及一种基于片层晶体阵列的高能光子检测装置。

背景技术

传统正电子发射成像系统中的检测头模块通常由三个模块组成，分别为晶体阵列、光导层、光电传感器阵列。最上层晶体阵列由离散晶体、连续晶体或片层晶体阵列组成，晶体与光电传感器之间设置光导层。正电子湮灭反应发生在晶体阵列中，湮灭反应产生的511keV的高能光子(γ光子)被转换为可见光子群。由于晶体阵列条除底面与光导层、光电传感器阵列耦合面外的五面都被覆盖，可见光子群仅能从晶体阵列的底面射出，并被光电传感器接收，各个传感器单元采集到的可见光信号的大小，用重心算法(Anger Logic)计算出高能光子在晶体阵列中的二维的反应位置，这一过程称为晶体解码。

目前，正电子发射断层成像(Position Emission Tomography，PET)性能已达到很高的水平，PET系统的空间分辨力标准为FOV中心的空间分辨力，可达到0.82mm。但PET的空间分辨力并不相等，FOV中心的空间分辨力最高，随着系统边缘半径的增大，空间分辨力降低，造成该状况原因是反应深度(depth of interaction，DOI)效应。反应深度效应是影响光电探测器在解码过程中对γ光子位置和路径判断的准确性，如图1所示，由于γ光子具有一定的衰减长度，其到达晶体后不会马上发生反应，而是按照一定的衰减函数发生反应，在某一定时间转化为可见光子群，当γ光子在系统非中心位置进入闪烁晶体内，即以一定的角度进入闪烁晶体时，γ光子在发生反应前进入了另一个晶体内，此时计算出的反应位置模拟出的γ光子产生位置和实际产生位置存在一个偏差，称为反应深度效应。

现阶段晶体阵列的反应深度(DOI)测量已用于PET中，常采用软件校正方法或硬件校正方法提高反应深度的信息量、解码分辨率，以提高系统的空间分辨力和灵敏度权益比。软件校正方法基于FBP重建算法或OSEM迭代算法进行，但存在计算成本较高，且迭代次数稳定性欠佳的问题。硬件校正方法包括：(1)多类闪烁晶体集成，但其结构复杂，解码精度较低；(2)多层晶体获取DOI位置，但其工艺上受到晶体表面设计、各层晶体的尺寸与排布方式、机械设计等限制，且由于晶体不连续，不同晶体材料的交界导致光子损失严重，降低系统灵敏度；(3)晶体阵列两端耦合两个光电传感器装置，其采用双端读出晶体，配合光共享方法检索DOI信息，尽管可以得到一个连续的DOI采样数据，但使用的光电传感器数目增加，进而所需传输信号数据的通道数增加，导致采集信号强度减弱和成本的大幅增加。

发明内容

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片层晶体阵列的高能光子检测装置及装置，其目的在于，将数个片层晶体阵列层叠，且相邻的片层晶体阵列之间设置透光窗口，各片层晶体阵列之间解码过程互不影响，通过光电传感器得到与反应深度相关的光分布信息，解码精度高且装置结构简单。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，包括片层晶体阵列结构和光电传感器阵列层，其中，所述片层晶体阵列结构由数个片层晶体阵列层叠而成，相邻的片层晶体阵列之间设置有光反射层，且光反射层上开设有透光窗口；所述光电传感器阵列层与所述片层晶体阵列结构耦合在一起；

检测时，高能光子在片层晶体阵列中发生衰减反应，产生可见光子群，该可见光子群由光反射层反射或通过透光窗口进入相邻的片层晶体阵列，最终由光电传感器阵列层接收，从而获得光分布情况，进而由光分布情况得到高能光子的反应位置和反应深度，完成高能光子检测。

作为进一步优选的，所述光电传感器阵列层与所述片层晶体阵列结构的耦合方式为光学胶水或空气耦合。

作为进一步优选的，对于所述光电传感器阵列层和所述片层晶体阵列的接触面，所述光电传感器阵列层在该面的面积不小于所述片层晶体阵列结构在该面的面积。

作为进一步优选的，所述片层晶体阵列结构的上下两侧均耦合所述光电传感器阵列层。

作为进一步优选的，所述片层晶体阵列结构由数个片层晶体阵列横向层叠、纵向层叠或横纵向同时层叠而成。

作为进一步优选的，所述片层晶体阵列包括3～10个片层晶体。

作为进一步优选的，每个片层晶体的厚度为0.5mm～3mm。

作为进一步优选的，所述片层晶体为闪烁晶体。

作为进一步优选的，通过在片层晶体阵列上镀膜形成所述光反射层。

作为进一步优选的，所述光电传感器阵列层包括多个光电传感器，该光电传感器为硅光电传感器。

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.本发明的片层晶体阵列结构由数个片层晶体阵列层叠而成，且相邻的片层晶体阵列之间分别设置透光窗口，在片层晶体阵列的基础上，提高了反应深度解码的性能优势，通过不同的透光窗口设置，根据光电传感器的信号强度比、光分布等信息，可得到与反应深度相关的光分布信息，且阵列之间解码过程互不影响，使解码准确。

2.与传统晶体阵列通过光导层和光电传感器阵列耦合的方法相比，本发明结构简单，不需要设置光导层，具有高性能的时间测量能力，且由晶体阵列的结构特性以及透光窗口的设置，使得检测装置具有反应深度解码能力。

3.传统深度解码的方法一般是通过增加检测装置结构的复杂性实现，而本发明在片层晶体阵列之间开设透光窗口，未改变晶体阵列子元素的结构，减少增加结构复杂性造成的误差。

4.本发明采用片层晶体阵列，由于其片层的结构特性，在片层的方向上可高精度的提供光子的反应位置，并且可通过光电传感器接收到的光分布实现反应深度位置解码；同时片层晶体阵列中子元素少，可减少造价，降低边缘效应从而增大定位精度，可使用镀膜技术，加工方便，实用性高。

5.片层晶体的尺寸减小，检测装置的空间分辨率越高，但随之而来的生产、组装成本也增多，同时考虑经济性和解码精度，本发明优选片层晶体厚度为0.5mm～3mm。

附图说明

图1是本发明背景技术中反应深度效应示意图；

图2(a)是本发明实施例片层晶体阵列纵向层叠示意图；

图2(b)是本发明实施例片层晶体阵列纵向层叠分解图；

图3(a)是本发明实施例片层晶体阵列横向层叠示意图；

图3(b)是本发明实施例片层晶体阵列横向层叠分解图；

图4是本发明实施例片层晶体阵列横纵向同时层叠分解图；

图5是本发明实施例片层晶体阵列纵向层叠时光子传播示意图；

图6(a)和图6(b)是本发明实施例片层晶体阵列横向层叠时光子传播示意图。

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。

本发明实施例提供的一种基于片层晶体阵列的高能光子检测装置，包括片层晶体阵列结构和光电传感器阵列层，其中，所述片层晶体阵列结构由数个片层晶体阵列层叠而成，相邻的片层晶体阵列之间设置有光反射层，且光反射层上均开设有透光窗口；所述光电传感器阵列层与所述片层晶体阵列结构耦合在一起，且对于光电传感器阵列层和片层晶体阵列的接触面，光电传感器阵列层在该面的面积不小于片层晶体阵列结构在该面的面积。

进一步的，所述光电传感器阵列层与所述片层晶体阵列结构的耦合方式为光学胶水或空气耦合。

进一步的，所述光电传感器阵列层包括多个光电传感器，该光电传感器优选为硅光电传感器SiPM；所述片层晶体阵列包括3～10个片层晶体，每个片层晶体的厚度为0.5mm～3mm，进一步优选为0.5mm～1mm，片层晶体优选为闪烁晶体，例如Ce、CsI、NaI、BGO、LYSO。

具体的，硅光电传感器SiPM的常见尺寸为3.16×3.16mm²(有效面积为3×3mm²)、6.14×6.14mm²(有效面积为6×6mm²)，若选用有效面积为3×3mm²的SiPM，厚度1mm的片层晶体，结合片层晶体的薄片结构特点，则单片SiPM上可耦合三片片层晶体；若选用有效面积为6×6mm²的SiPM，厚度1mm的片层晶体，单片SiPM上可耦合6片晶体，又由于解码程序数据通常为6组，故结合SiPM的常见尺寸、片层晶体加工厚度选用，单排SiPM一般耦合3片、6片或者更多以3为倍数的晶体片数。

具体的，所述片层晶体阵列结构由数个片层晶体阵列横向层叠、纵向层叠或横纵向同时层叠而成，通过在片层晶体阵列上镀膜形成所述光反射层：当片层晶体阵列纵向层叠时，如图2(a)和图2(b)所示，当片层晶体阵列横向层叠时，如图3(a)和图3(b)所示，当片层晶体阵列横纵向同时层叠时，如图4所示，其中，每个SiPM中的一个四边形代表一个光电传感器，每个六面体薄片代表一个片层晶体，窗口层的矩形代表透光窗口，光分布通过上下双端或单端光电传感器阵列层读出，且若在片层晶体阵列结构的上下两端均设置光电传感器阵列层，可进一步提高检测精度。

此外，本发明中光电传感器阵列层和片层晶体阵列结构耦合接触面之间可以设置光导，同时片层晶体阵列结构的六个表面，除和光电传感器阵列层耦合接触面外，都覆盖反光材料，该反光材料为反射膜、ESR、特氟龙、硫酸钡等；透光窗口在片层晶体阵列之间的位置以及透光窗口的尺寸、形状、个数均没有限制，且当设置多个透光窗口时，透光窗口之间的相对位置可以是纵向、横向或非线性排列。

放源发生衰变产生高能光子，高能光子在晶体里面发生光电效应，能级跃迁释放能量产生可见光，根据此原理，采用上述装置进行高能光子检测及反应深度解码：

高能光子在片层晶体阵列中发生衰减反应后，产生能量较低的可见光子群，光反射层能够反射可见光子，同时可见光子可以通过透光窗口处，故当反应位置越接近透光窗口位置时，通过透光窗口传播到相邻片层晶体阵列内的可见光子就越多，并存在一个极限值；可见光子在光电传感器阵列中分布，进而通过光电传感器检测到光分布产生的光信号，转换为电信号来计算光子具体在片层晶体阵列中的哪一片晶体中发生了反应，在该片晶体中的连续方向上的哪个位置，以及在该片晶体中的反应深度(即DOI解码)。

具体的，以高能光子中的γ光子为例，如图5所示，当片层晶体阵列纵向层叠时：γ光子入射在上层片层晶体阵列时，γ光子发生衰减产生可见光子群，可见光子群经光反射层反射，传播到与片层晶体阵列耦合的光电传感器中，由于开设有透光窗口，γ光子越接近透光窗口，可穿过透光窗口的光子数目越多，下层光电传感器接收到的光信号越多；同理当反应发生在下层片层晶体阵列时，γ光子越接近透光窗口，能够穿过透光窗口的可见光子数目越多，使上层光电传感器阵列接收到更多的光信号，即可得到相应规律的光分布。

如图6(a)和图6(b)所示，当片层晶体阵列横向层叠时：γ光子入射到片层晶体阵列中发生衰减反应产生可见光子群后，可见光子群经光反射层反射，传播到与片层晶体阵列耦合的光电传感器中，同时根据透光窗口的开设高度，γ光子在不同反应深度位置上，可穿过透光窗口的可见光子数目不同，相邻片层晶体阵列耦合的光电传感器接收到可见光子，随即产生不同的光分布。

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。

一种基于片层晶体阵列的高能光子检测装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。