[发明专利]用于TOF－PET的数字硅光电倍增管

说明书

技术领域

下面涉及辐射检测领域。特别涉及一种用于正电子发射层析X射线摄影法(PET)，特别是飞行时间法(TOF)PET的高速辐射检测器，将在下面有详细的参考描述。然而，下面更一般涉及一种用于单光子发射计算机层析X射线摄影法(SPECT)、计算机层析X射线摄影法(CT)等的辐射检测器，以及涉及一种用于其它应用例如天文学的高速辐射检测器。

背景技术

在常规PET中，将放射性药物用于病人或其它成像主体。放射性药物产生发射正电子的辐射衰变事件，该正电子在电子-正电子消灭事件中在与周围成像主体的电子快速相互作用之前移动非常短的距离以产生两个相对定向的伽马射线。伽马射线通过围绕成像主体的辐射检测器进行检测，作为两个基本上同时的限定其间的响应线(LOR)的辐射检测事件。一般，辐射检测器包括响应每个伽马射线检测产生光的脉冲或闪烁的闪烁器，和与闪烁器光学耦合、将光脉冲转换为相应的电信号的光电倍增管(PMT)阵列。在一些PET扫描仪中，PMT由产生与光脉冲的强度成比例的模拟电流的光电二极管代替。

尽管伽马射线被“基本上同时”检测，但是如果两个包含的辐射检测器之一比另一个辐射检测器更接近于电子-正电子消灭事件，那么在两个辐射检测事件之间存在小的时间差。由于伽马射线以光速传播，因此检测之间的该时间差一般大约在几个钠秒或更小。在TOF-PET中，辐射检测器以足够高的速度操作以能够测量该小的飞行时间差，其然后用于定位沿LOR的电子-正电子消灭事件。

因此，对于TOF-PET，辐射检测器应当具有次钠秒的时间分辨率。PMT通常足够快以进行TOF-PET成像；然而，PMT体积大，要求高电压偏压，并且不是很好地适合于对于高分辨率需要的小像素尺寸。常规光电二极管对于TOF-PET足够快，但是缺乏内部放大，导致差的信噪比。为了利用常规光电二极管得到足够的信号，一般使用信号敏感放大器来积分信号，这限制了带宽。也可以使用雪崩光电二极管；然而，雪崩光电二极管一般遭受高噪声电平和高温度以及增益中的偏压敏感度。

为了解决这些困难，例如在下述文章中已经提出了硅光电倍增管(SiPM)检测器：E.A.Georgievskya et al.，“The solid state siliconphotomultiplier for a wide range of applications”，17^th Int’l Conf.onPhotoelectronics and Night Vision Devices，Proceedings of SPIE vol.5126(2003)；Golovin et al.，“Novel type of avalanche photodetector with Geigermode operation”，Nuclear Instruments&Methods in Physical Research A，volume 518，pages 560-64(2004)。这些SiPM检测器使用在击穿区域偏压并且平行互连的小雪崩光电二极管的像素化(pixelated)阵列。输出是以受限的Geiger模式操作的平行互连雪崩光电二极管的电流的模拟总和。SiPM检测器中的每个检测的光子将约10⁶电子添加到SiPM的输出电流。响应光子检测的Geiger放电很快，提供有助于精确的时间测量的信号的陡的上升边。能量和时间分辨率以1/sqrt(N)换算，其中N是点火(firing)单元的数目。

SiPM器件具有一些缺点。由光子检测产生的模拟电流受到偏压，操作温度，和临界的电路参数例如熄灭电阻值的影响。这些因素可以改变每个光子检测产生的模拟电流，从而限制SiPM的能量分辨率。模拟配置还具有的缺点在于产生高的暗计数以及允许有故障的雪崩光电二极管，从而基本上限制了检测器器件的制造产量。

下面考虑克服了上述限制和其它方面的改善的设备和方法。

发明内容

根据一个方面，公开了检测器像素与将辐射粒子转换为光脉冲的闪烁器结合使用。提供检测器单元阵列。每个检测器单元包括在击穿区域偏压的光电二极管和与光电二极管耦合的数字电路。数字电路被配置为输出静态下的第一数字值和响应光电二极管的光子检测的第二数字值。数字触发电路被配置为响应所选数目的一个或多个检测器单元从第一数字值转变为第二数字值而输出指示积分时间周期开始的触发信号。读出数字电路累加检测器单元阵列的检测器单元的在积分时间周期中从第一数字态到第二数字态的多次转变的计数。