用于增加的性能的經(jīng)激光蝕刻的閃爍晶體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)具體應(yīng)用于正電子發(fā)射斷層攝影(PET)成像系統(tǒng)。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，所描述的技術(shù)也可以應(yīng)用于單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層攝影(SPECT)和其他診斷系統(tǒng)、其他成像系統(tǒng)或者其他成像技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]PET、SPECT以及其他基于輻射的醫(yī)學(xué)成像模態(tài)共享對(duì)緊湊和魯棒的輻射探測(cè)器模塊的共同需要。過(guò)去，SPECT和PET探測(cè)器模塊通常已經(jīng)包括光電倍增管(PMT)的陣列，所述光電倍增管使用中間光導(dǎo)層與閃爍體晶體光學(xué)耦合。閃爍體晶體將所吸收的輻射粒子轉(zhuǎn)換成光迸發(fā)，所述光迸發(fā)由光電倍增管使用Anger邏輯來(lái)探測(cè)和定位。在一些輻射探測(cè)系統(tǒng)中，光電倍增管由產(chǎn)生與光迸發(fā)的強(qiáng)度成比例的模擬信號(hào)的光電二極管來(lái)代替。光電二極管提供在高光情形下的對(duì)光電倍增管的成本高效且低電壓的備選。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出硅光電倍增器(SiPM)探測(cè)器，其包括光電倍增管的高增益和穩(wěn)定性以及模擬光電二極管的成本高效且低電壓的性質(zhì)。
[0003 ]當(dāng)前的PET系統(tǒng)是由LYSO (硅酸釔镥)晶體的陣列建立的，所述LYSO晶體被個(gè)體地覆蓋有聚四氟乙烯(PTFE)帶，以將光反射回到晶體中并且防止光學(xué)損耗和晶體之間的串?dāng)_。
[0004]已經(jīng)使用不同的表面處置來(lái)嘗試增加閃爍晶體的光輸出。已經(jīng)嘗試?yán)盟醽?lái)蝕刻晶體，得到不好的結(jié)果。研磨晶體增加光輸出。然而，難以控制晶體的實(shí)際粗糙度，這是因?yàn)殡S著使用相同的砂石或漿體研磨越來(lái)越多的晶體，砂石隨著時(shí)間改變。LYSO比一些研磨砂石堅(jiān)固。僅研磨一個(gè)側(cè)面是困難的，這是因?yàn)橛糜谘心ゾw的機(jī)器通常同時(shí)研磨兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面。研磨使對(duì)晶體的飛行時(shí)間(TOF)計(jì)時(shí)退化。研磨從晶體中移除昂貴的材料，并且降低晶體的靈敏度。存在對(duì)增加光輸出的同時(shí)維持計(jì)時(shí)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種用于成像系統(tǒng)的探測(cè)器陣列，包括:閃爍體晶體的陣列，其中，每個(gè)晶體包括多個(gè)側(cè)面，并且在至少一個(gè)晶體側(cè)面上被激光蝕刻以將光進(jìn)行散射；以及光探測(cè)器的陣列，其被光學(xué)耦合到閃爍體晶體的陣列。
[0006]根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)優(yōu)選方法，一種方法，包括:對(duì)多個(gè)拋光的閃爍體晶體中的每個(gè)的至少一個(gè)側(cè)面進(jìn)行激光蝕刻;將所述閃爍體晶體布置在陣列中；并且將多個(gè)光探測(cè)器光學(xué)耦合到所述多個(gè)閃爍體晶體。
[0007]根據(jù)另一實(shí)施例，一種核掃描器，包括:多個(gè)閃爍體晶體，其被耦合到多個(gè)光探測(cè)器，所述閃爍體晶體具有帶有圖案化標(biāo)記的至少一個(gè)表面以將光進(jìn)行漫射;重建處理器，其用于將來(lái)自所述多個(gè)光探測(cè)器的輸出信號(hào)重建成圖像；以及用戶(hù)接口，其用于向用戶(hù)顯示?目息O
[0008]本申請(qǐng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)使用激光蝕刻處理時(shí)沒(méi)有材料損耗。[0009 ]本申請(qǐng)的另一優(yōu)點(diǎn)在于光輸出被增加。
[0010]本申請(qǐng)的另一優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)飛行時(shí)間的計(jì)時(shí)被維持。
[0011 ] 一個(gè)另外的優(yōu)點(diǎn)在于激光刻蝕處理允許多種圖案被蝕刻到閃爍體晶體中。
[0012]在閱讀和理解了以下描述后，其他優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將變得明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0013]附圖僅是出于圖示性目的，并且不應(yīng)被解釋為對(duì)權(quán)利要求的限制。
[0014]圖1描繪了具有經(jīng)蝕刻的閃爍體晶體的成像系統(tǒng)。
[0015]圖2描繪了一側(cè)被蝕刻有漸進(jìn)式圖案的閃爍體晶體的三維視圖。
[0016]圖3描繪了針對(duì)經(jīng)蝕刻的閃爍體晶體(左側(cè))和未經(jīng)蝕刻的閃爍體晶體(右側(cè))的計(jì)時(shí)分辨率的并排比較。
[0017]圖4描繪了針對(duì)經(jīng)蝕刻的閃爍體晶體(左側(cè))和未經(jīng)蝕刻的閃爍體晶體(右側(cè))的能量分辨率的并排比較。
[0018]圖5描繪了被蝕刻到閃爍體晶體中的交叉線(xiàn)圖案。
[0019]圖6描繪了被蝕刻到閃爍體晶體中的斜紋圖案。
[0020]圖7描繪了被蝕刻到閃爍體晶體中的蜂窩圖案。
[0021]圖8描繪了被蝕刻到閃爍體晶體中的梯度圖案。
[0022]圖9描繪了用于利用經(jīng)激光蝕刻的晶體來(lái)構(gòu)建探測(cè)器陣列的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明提供了用于經(jīng)激光蝕刻的閃爍體晶體的系統(tǒng)和裝置。當(dāng)閃爍體晶體的所有的側(cè)面為鏡面反射時(shí)，光能夠被困住而來(lái)回彈跳或在側(cè)壁之間來(lái)回彈跳，而不離開(kāi)閃爍體或在延長(zhǎng)的時(shí)間上逐漸離開(kāi)，例如，相對(duì)低的幅度、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間脈沖。例如，當(dāng)采用具有矩形晶體的鏡面反射器時(shí)，光能夠被困在結(jié)果得到的反射器結(jié)構(gòu)中。在這樣的情況中，晶體中生成的光子僅部分被發(fā)送到探測(cè)器，所述探測(cè)器被光學(xué)耦合到閃爍體的未被反射器覆蓋的底表面。光的主要部分可以在晶體的六個(gè)表面中的其他五個(gè)面之間的螺旋軌跡上“無(wú)限”反射，這是由于晶體內(nèi)部的全反射( = 1.82)。該創(chuàng)新主題通過(guò)將圖案蝕刻到被使用在PET探測(cè)器閃爍晶體陣列中的閃爍體晶體的一個(gè)或多個(gè)表面上而克服了前述問(wèn)題。
[0024]圖1圖示了成像系統(tǒng)2。成像系統(tǒng)2包括掃描器4，所述掃描器4用于使用PET、SPECT、多模態(tài)等中的一種來(lái)掃描患者。掃描器4包括探測(cè)器6，以探測(cè)患者的成像輻射事件。成像系統(tǒng)2包括重建處理器8，以將來(lái)自探測(cè)器6的成像事件重建成患者的圖像。使用成像系統(tǒng)2的用戶(hù)接口 10向用戶(hù)顯示所重建的圖像。探測(cè)器6包括閃爍體晶體12，所述閃爍體晶體12被激光蝕刻有用戶(hù)定義的圖案14。
[0025 ]利用激光來(lái)蝕刻閃爍體晶體12，所述激光在晶體12的表面的僅下面或僅上面創(chuàng)建一系列微裂縫。當(dāng)光試圖通過(guò)一側(cè)逃離晶體時(shí)，來(lái)自激光的微裂縫能夠以漫射角將光散射回到晶體。在一個(gè)實(shí)施例中，使用表面下激光雕刻技術(shù)(sub-surface laser engravingtechnique)來(lái)蝕刻晶體12，其中，激光被聚焦在晶體表面的下面，以創(chuàng)建在晶體表面下面的微裂縫。
[0026]每個(gè)閃爍體晶體12被諸如PTFE的漫反射層16覆蓋。任選地，諸如拋光的金屬箔的光阻擋材料的外層能夠被PTFE層包圍。個(gè)體的經(jīng)蝕刻的晶體被光學(xué)耦合到個(gè)體的光探測(cè)器18，例如，光電二極管、雪崩光電二極管(APD)、硅光電倍增器(SiPM)、光電倍增管等。晶體12和光探測(cè)器18組合被布置在陣列晶體/探測(cè)器組合中。光探測(cè)器18可以被以1:1耦合到閃爍體;也可以被以多個(gè):1、1:多個(gè)、多個(gè):多個(gè)耦合到閃爍體。陣列記錄晶體中的閃爍事件，并將閃爍事件數(shù)據(jù)發(fā)送到探測(cè)器模塊，以進(jìn)一步發(fā)送到重建處理器8，用于存儲(chǔ)并重建成患者的圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，閃爍體晶體12經(jīng)由光導(dǎo)20與光探測(cè)器18光學(xué)耦合。
[0027]當(dāng)諸如伽瑪光子的輻射進(jìn)入閃爍晶體時(shí)，輻射與晶體殼相互作用，并且由晶體的側(cè)壁從內(nèi)部反射或者通過(guò)晶體的側(cè)壁逃離。將圖案蝕刻到一個(gè)或多個(gè)表面(例如，頂部、底部或側(cè)面)上使被困在相對(duì)的反射器結(jié)構(gòu)之間的光子減少。盡管具有包圍的反射器的閃爍體晶體的光輸出隨著增加的晶體長(zhǎng)度而極大地減小，但是對(duì)一側(cè)表面的蝕刻將長(zhǎng)(例如，具有近似1.5:1或更大、2.5:1或更大、3.5:1或更大等的縱橫比)晶體的光輸出增加達(dá)到可利用短得多的晶體實(shí)現(xiàn)的值。更長(zhǎng)的晶體具有更大的輻射停止能力，并且尤其有利于高能量，例如在PET中采用的那些能量。
[0028]在一個(gè)實(shí)施例中，鏡面反射器16包括具有不同折射率的非常薄的聚合物材料的多個(gè)層，例如，在一個(gè)實(shí)施例中為40-100層。當(dāng)利用例如具有在430nm處的峰值光輸出的LYSO晶體進(jìn)行工作時(shí)，鏡面反射器被優(yōu)化為反射在400-550nm范圍內(nèi)的光。在其他實(shí)施例中，鏡面反射器被優(yōu)化為反射在涵蓋被采用的特定晶體的峰值光輸出的范圍內(nèi)的光。
[0029]在一個(gè)實(shí)施例中，鏡面反射器是高反射率鏡式光學(xué)增強(qiáng)膜，其被應(yīng)用在晶體12周?chē)?。在另一?shí)施例中，鏡面反射器包括不同材料的多個(gè)交替層，不同材料中的每種具有不同的反射角。在另一實(shí)施例中，反射器層優(yōu)化晶體/反射器界面的折射率，以使在晶體中的全內(nèi)反射最大化。
[0030]在圖2的實(shí)施例中，漸進(jìn)式圖案30被蝕刻到閃爍體晶體12的一側(cè)上。漸進(jìn)式圖案30示出了作為變暗的區(qū)的經(jīng)激光蝕刻的部分，并且晶體的亮部分被保留為拋光狀態(tài)，像其他面一樣。漸進(jìn)式圖案30不能夠通過(guò)研磨或其他方法和處理來(lái)容易地實(shí)現(xiàn)，這是由于晶體12側(cè)面具有顯著的不接觸的部分。
[0031 ]關(guān)于圖3，呈現(xiàn)了描繪光輸出對(duì)時(shí)間的圖。呈現(xiàn)了針對(duì)漸進(jìn)式圖案蝕刻的晶體(左側(cè))對(duì)未經(jīng)蝕刻的拋光的晶體(右側(cè))的計(jì)時(shí)分辨率圖的并排比較。從圖中能夠看出，漸進(jìn)式圖案蝕刻的晶體提供了優(yōu)于拋光的晶體的改進(jìn)的計(jì)時(shí)分辨率。左側(cè)的更窄的脈沖反映了優(yōu)于未經(jīng)蝕刻的晶體(右側(cè))3皮秒的計(jì)時(shí)改進(jìn)。
[0032]關(guān)于圖4，該圖描繪了大的數(shù)量的接收的511kev伽瑪光子的能量分布。呈現(xiàn)了針對(duì)在側(cè)面上具有漸進(jìn)式圖案的晶體(左側(cè))對(duì)未經(jīng)蝕刻的拋光的晶體(右側(cè))的能量分辨率圖的并排比較。從較窄的峰能夠看出，漸進(jìn)式圖案蝕刻的晶體(左側(cè))提供了優(yōu)于拋光的晶體(右側(cè))的改進(jìn)的能量分辨率。該圖示出了優(yōu)于未經(jīng)蝕刻的晶體(右側(cè))40%的能量改進(jìn)。
[0033]各種定義的圖案能夠被蝕刻到閃爍體晶體12中。用戶(hù)能夠使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件來(lái)創(chuàng)建圖案。關(guān)于圖5，示出了交叉線(xiàn)圖案，其中，變暗的區(qū)用符號(hào)表示晶體表面14的經(jīng)蝕刻的部分。關(guān)于圖6，示出了交替斜紋圖案，其中，經(jīng)蝕刻的斜紋線(xiàn)與未經(jīng)蝕刻的拋光的晶體線(xiàn)交替。關(guān)于圖7，示出了蜂窩圖案。關(guān)于圖8，示出了梯度圖案，其中，蝕刻強(qiáng)度從一端向另一端逐漸減小。激光能夠改變激光束的強(qiáng)度和掃掠速度或停留時(shí)間，這影響由經(jīng)蝕刻的側(cè)面漫反射的光的量。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，更多的圖案能夠使用CAD程序來(lái)設(shè)計(jì)，并且被蝕刻到閃爍體晶體12中。
[0034]閃爍體晶體12包括頂部、底部和四個(gè)側(cè)面。閃爍體12晶體的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面通過(guò)激光蝕刻有圖案。激光蝕刻系統(tǒng)包括用于控制激光的控制器，以及用于蝕刻材料的供能激光。選擇和調(diào)節(jié)用于對(duì)晶體進(jìn)行激光蝕刻的激光，使得激光的功率在晶體中創(chuàng)建微裂縫，而不打破要被蝕刻的晶體。激光提供在激光刻蝕處理上的顯著控制。圖案14通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)程序的使用由激光來(lái)實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)使用諸如CorelDraw?等的設(shè)計(jì)程序指定要被激光蝕刻在晶體上的圖案。程序創(chuàng)建針對(duì)所述圖案的文