专利名称：用于辐射检测器晶体的光学干涉图案形成的制作方法用于辐射检测器晶体的光学干涉图案形成交叉参考相关申请本申请要求2009年10月27日提交的美国临时申请No. 61/255，047的权益，本文全文引用该申请，供参考。政府特许权利声明本发明是按照National Institutes of Health, National Institutes ofBiomedical Imaging and Bioengineering给予的EB002117以政府支持完成的。政府在本发明中有一定权利。闪烁晶体辐射检测系统依赖于诸如伽马射线的高能光子，与闪烁材料在Compton散射或光电交互作用中的交互作用。闪烁事件产生大量低能光子，该低能光子更容易用光电探测器，诸如光电倍增管、硅光电倍增器之类检测。示例性闪烁晶体包含NaI (TI)(掺铊碘化钠)、BGO (锗酸铋)、LSO (氧化原硅酸镥)、GS0 (原硅酸钆)、LYS0 (掺铈原硅酸镥钇)、LuAP (镥铝钙钛矿)、LGS0 (LuO. 4Gdl. 6Si05 22. 0mol%Ce),LaBr3 (溴化镧)之类。例如，当BGO与高能辐射，诸如伽马射线或x射线交互作用时，它发射有480nm的峰值波长的绿色荧光。BGO在高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘测和其他工业中有广泛范围的应用。LYSO晶体有高光输出和密度、快速衰减时间、优良的能量分辨率和适度价格的优点。这些性质使LYSO成为核物理和核医学中检测应用的范围的良好候选，这些应用要求改进的定时和能量分辨率。在用于正电子发射断层摄影法(PET)的典型的闪烁晶体中，例如，有标称能量511keV的入射伽马光子在闪烁晶体中交互作用，以便在非常短闪光或闪烁事件中产生数万低能(如，可见波长)光子rieV)。晶体中产生的闪烁光子的数量，与由该光子存储的能量成比例。低能闪烁光子然后被用光电探测器检测，该光电探测器通常在闪烁晶体的一侧，或者相对的两侧被放置成阵列。典型的光电探测器包含光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)、Si-PIN光电二极管、硅漂移光电二极管和硅光电倍增器(SiPM)。该辐射检测器被配置成通过检测闪烁事件中产生的低能光子以识别高能光子交互作用，并确定闪烁事件在闪烁晶体中的位置(最好是，在三空间维度中)、闪烁事件的时间、以及该事件的总能量。正电子发射断层摄影法(PET)虽然按照本发明的辐射检测器预期在诸多不同领域中有应用，范围从宇宙成像到放射性材料的检测，但在医疗成像领域中的特殊应用将被相当详细描述，以帮助读者理解本发明在下面的描述。正电子发射断层摄影法(PET)是医疗成像模态，它利用放射性衰减的优点测量生物组织内部的新陈代谢活动。PET成像系统包括如在图I示意所示的三种主要部件，施予被扫描的受治疗者的放射性示踪剂、可操作地检测放射性示踪剂位置的扫描器(非直接地，如下面的讨论)、以及X线断层像处理系统。第一步是产生和施予放射性示踪剂90，该示踪剂包括放射性同位素和新陈代谢活性分子。该示踪剂90被注射进待扫描的身体91。在示踪剂90集中在某些组织中的容许时间之后，身体91被适当定位在扫描器92内。用于PET检查的示踪剂的放射性衰减事件，是正电子发射。被发射的正电子在身体组织中飞行短的距离，直到它与电子交互作用。该正电子-电子交互作用是产生两个511KeV反平行光子的湮灭事件。扫描器92适合从该湮灭事件同时地检测该对光子。扫描器92，即PET系统的第二部件，包含检测该511KeV光子的传感器环和处理该 传感器产生的信号的前端电子装置。如在上面的讨论的，闪烁器93把该511KeV高能光子转换为许多低能光子，通常是可见光光子。光电探测器(如，PMT、SiMP或ADP) 94检测这些可见光光子并产生对应的电脉冲。该脉冲被前端电子装置处理，以确定脉冲的参数或特征(如，能量、定时)。前端电子装置例如可以包含一个或多个低通滤波器96、模数转换器97和现场可编程门阵列98。传感器通常包括闪烁器93和光电探测器94。数据被从前端电子装置发送到主计算机95，该主计算机95执行X线断层像重构，以便把数据转变为3-D像。511keV的光子有实质量的能量并将穿过许多材料，包含身体组织。虽然这样通常允许该光子飞过并射出身体，但高能光子难以检测。光子检测是闪烁器93的任务。闪烁器93吸收或其他方式与高能光子交互作用，并发射相对大量的低能光子，通常是可见光光子。闪烁器93能够由各种不同材料制成，包含塑料、有机和无机晶体、以及有机液体。每种类型闪烁器有不同密度、折射率、定时特征和最大发射的波长。为方便起见，在目前应用中，闪烁器将有时称为“晶体”，虽然其他合适的闪烁器材料也被考虑。为了目前应用的目的，“闪烁器晶体”被定义为涵盖任何合适的闪烁材料。一般说来，闪烁器的密度决定该材料如何很好地使高能光子停止。闪烁器晶体的折射率和发射的光的波长影响光有多容易能够被从该晶体收集。发射的光的波长还必须与使该光转变为电脉冲的装置(如，PMT)匹配，以便优化效率。闪烁器定时特征决定它使可见光达到它的最大输出(上升时间)有多长时间和它走向衰减(衰减时间)有多长时间。上升和衰减时间是重要的，因为这两个时间之和越长，检测器能够在给定周期中处理的事件数量就越少，从而为获得相同数量计数的扫描越长。还有，定时特征越长，两个事件重叠(堆积)的可能性越大，这样会导致损失数据。被附着于闪烁器93的是把可见光光子从闪烁器93转换为电脉冲的电子装置。PMT是真空管，有光电阴极、倍增器电极、以及有高增益以允许非常低强度的光被检测的阳极。AH)是PMT的半导体型式，但有显著更低的增益特征。SiPM包括按Geiger模式操作的半导体光电二极管阵列，所以当光子交互作用并产生载流子时，短的电流脉冲被产生。在示例性的SiPM中，该光电二极管阵列包括每mm2约103个二极管。所有二极管被连接到共同的硅基片，所以阵列的输出是所有二极管的输出之和。因而该输出的范围能够从一个光电二极管闪光的最小值到所有光电二极管闪光的最大值。这一点给出这些装置的线性输出，即便它们由数字装置构成。在常用的PET检测器中，闪烁器93包括离散的晶体，该晶体被安排在两维平面阵列中，其后被安排成环，如图I所示。用于检测闪烁光的闪光的光电探测器94，通常被定位在每一单独晶体的后表面邻近。来自光电探测器的信号被分析，用于估计闪烁事件的x_y位置、估计交互作用的深度(即，Z位置)、确定交互作用的时间、和估计在闪烁器中存储的总能量。然而，为获得非常高的分辨率而给出需要的小晶体横截面，离散的晶体设计通常是昂贵的、有低的敛集率(packing fraction)、降低的光收集、以及是劳动密集型建造的。本发明人已经研究和发展出用于PET扫描仪的新和先进的检测器。例如，cMiCE:a high resolution animal PET using continuous LSO with a statisticsbased positioning scheme, J. Joung, R. S. Miyaoka, T. K. Lewe11en, NuclearInstruments&Methods in Physics Research A489 (2002) 584-598 (Elsevier),本文全文引用该文献，供参考，该文献讨论的是用于小动物的连续的缩小晶体单元(cMiCE)的检测器。亦见美国专利申请公布No. 2010/0044571，本文也全文引用该申请，供参考。在另一个例子中，NewDirections for dMiCE - Depth-of-InteractionDetector Design for PET Scanners, T. K. Lewellen 等人，IEEE Nucl Sci Symp ConfRec (2007) ; 5:3798-3802，本文全文引用该文献，供参考，该文献讨论的是根据在一对晶体或四联体(quadlet)晶体之间光共享的新颖交互作用深度(depth-of - interaction(DOI))检测器的设计。亦见PCT申请公布NO.W02010/048363，本文也全文引用该申请，供参考。
本发明内容被提供以便按简化形式介绍概念的选择，这些概念在下面的中进一步被描述。本发明内容不企图识别被要求保护的主题的关键特性，也不企图在确定被要求保护的主题的范围中有帮助。被公开的辐射检测器，有透明闪烁器块，被用表面下激光雕刻修改以在该块内产生多个内部缺陷。这些内部缺陷被精密地配置，以改变低能闪烁光子的路径。多个光电探测器，被配置成检测来自该块中出现的闪烁事件的闪烁光子，并产生输出信号。计算机系统被配置成从该光电探测器接收该输出信号，以便计算闪烁事件的位置。在辐射检测器的一个实施例中，闪烁器块由掺铊碘化钠、锗酸铋、氧化原硅酸镥、原娃酸礼或掺铺镥钇形成。在辐射检测器的一个实施例中，该多个光电探测器是光电倍增管、雪崩光电二极管、或娃光电倍增器。在辐射检测器的一个实施例中，该闪烁器块是单块晶体，而该内部缺陷定义多个反射壁，这些反射壁定义把该单块晶体分割为闪烁器单元的矩形阵列的边界。在辐射检测器的一个实施例中，该闪烁器块是单块晶体，有光电探测器阵列被布置在该晶体的第一面，且这些内部缺陷还均匀地遍及晶体分布。在辐射检测器的一个实施例中，该闪烁器块定义交互作用深度检测器，该交互作用深度检测器包括第一部分和第二部分，该第一部分有光电探测器在该晶体单元的第一端，该第二部分有第二光电探测器在该晶体单元的第一端，且该多个内部缺陷沿横向平面布置，该横向平面划分该交互作用深度检测器的第一部分与第二部分。这些内部缺陷可以定义三角形阻挡层和/或可以在密度方面沿纵向变化。在辐射检测器的一个实施例中，透明光波导被布置在闪烁器块和多个光电探测器之间。 用于辐射检测器的闪烁器被公开，包括有多个表面下激光雕刻缺陷的单块闪烁材料块，这些缺陷被配置成与该闪烁器内出现的闪烁事件中产生的可见波长光子交互作用。在闪烁器的一个实施例中，该多个表面下激光雕刻的缺陷，定义内部光学阻挡层的栅格，该光学阻挡层的栅格通过闪烁器的厚度延伸，把闪烁器分为矩形闪烁器单元的规则阵列。在闪烁器的一个实施例中，该多个表面下激光雕刻的缺陷，定义每一闪烁器单元的交互作用深度光学边界，该交互作用深度光学边界沿平面部分地延伸通过闪烁器单元，其中该交互作用深度光学边界是三角形。
前述本发明的各方面和许多伴随的优点，当结合附图通过参考下面详细的描述时，将随着该各方面和许多伴随的优点变得更好理解而变得更容易明白，附图中 图I是表明PET扫描器系统的环境视图；图2是单块闪烁块透视图，该单块闪烁块被多个表面下激光雕刻的壁或阻挡层分割为八乘八单元的阵列，这些壁或阻挡层定义反射式内部表面；图3是来自图2所示单块闪烁块的晶体单元的透视图，并图解地画出闪烁事件；图4是有内部反射壁或特性的交互作用深度单块晶体对的透视图，该内部反射壁或特性由表面下激光雕刻形成；图5是交互作用深度单块晶体对的透视图，其中的内部反射特性通过表面下激光雕刻以分级的密度被形成；和图6是有连续的单块闪烁晶体的闪烁检测器透视图，该单块闪烁晶体有分布的点状缺陷遍及该晶体的体积，这些点状缺陷是通过表面下激光雕刻形成的。

利用SSLE建立的缺陷的小心生成和布局，这些缺陷可以在空间上被约束，即使是在易碎的闪烁晶体中。例如，如果缺陷的大小与到边界或另一个缺陷的距离相比是小的，那么应力引起的破裂将不会传播远至被加热体积之外。该缺陷大小取决于焦点光斑的大小、能量注入和扩散的速率、以及激光波长。如此，SSLE已经被用于在光学透明材料中产生像，以便用作纪念品或赠品。SSLE的一般处理过程公开在美国专利No. 5，206, 496中，本文全文引用该申请，供参考。亦见美国专利Nos. 6，969，820 ；6426480和4，843，207。有使用SSLE定义的内部光学边界的单块闪烁器块在图2所示第一实施例中，闪烁器块100由单块闪烁材料块，例如LYSO晶体形成，测定为49. 6mmX 49. 6mmX 15mm。光学阻挡层的102栅格遍及块100被形成,每一阻挡层作为用SSLE蚀刻的缺陷的平面阵列形成。如图2所示，在该实施例中，光学阻挡层102垂直于块100的上和下表面，并被配置成定义64个透明晶体单元104的规则阵列。每一被定义的晶体闪烁器单元104是大约3. ImmX 3. l_X15mm。 因此，闪烁器块100定义闪烁器单元104的正方形8X8阵列，其间有SSLE产生的光学阻挡层102定义的基本上反射式边界。此外，块100的外周边壁106通常配有反射阻挡层，它可以例如由激光雕刻块100的表面形成，或由反射材料的常用涂敷形成。虽然在该示例性实施例中出示正方形8 X 8阵列，但应当理解，其他阵列大小可以替代使用，例如包含16X16阵列、8X16阵列、非正方形阵列等等。此外，虽然均匀矩形闪烁器单元104被出示，但容易明白，利用SSLE是直截了当的，且本发明考虑到，在某些情况下，定义在阵列中有不同大小和/或有不同形状的闪烁器单元，例如包含梯形单元，可以是有利的。有利的是，闪烁器块100包括单个整体块，而不是单独单元的普通组装。因为在该块100内定义的阻挡层102，晶体单元104基本上作为分开的闪烁器块起作用。图3示出块100的局部部分，包含单独晶体单元104。伽马射线80进入晶体单元104并通过或者Compton散射或者光电交互作用的交互作用，产生闪烁光子82的全向闪光。一些光子将被引向晶体单元104的上表面105U或下表面105L，以便被光电探测器(未画出)检测。大多数有更侧向轨道的光子将从光学边界102反射一次或更多次，并最终从上表面105U或下表面105L射出晶体单元104。可以预料，一些光子可以传输通过光学边界102中的间隙并从光学边界102反射进相邻晶体单元104中，以便被相邻的光电探测器检测。在这样的情形中，来自多个相邻光电探测器的信号可以被共同地分析，以计算特定闪烁事件的位置、定时、和倉tfi。被公开的闪烁器块100的结构，提供优于现有技术的若干优点。例如，只有单块闪烁材料(如，LYS0)必须制作，以产生多个晶体单元104，大大降低与制作和组装大量分开的块关联的时间和费用。此外，没有附加的光阻挡或光反射材料必须在分开的块之间被提供并被组装。该公开的结构，还消除现有技术结构中被布置在单独块之间的反射材料所建立的死区，该死区不产生闪烁光子。例如，在现有技术由多个单独块组装形成的在其间有反射材料的闪烁器块中，反射材料不是闪烁材料，如果例如伽马射线与反射材料交互作用，将不产生光的闪光(闪烁光子)。与反射材料交互作用的伽马射线将因此不被检测。随着辐射检测器的设计趋向于更小的单独闪烁器块大小(为了增加像分辨率)，由反射材料定义的死区将变得更显著。然而，在上面定义的块100中，整个块是LYS0，并当与伽马射线80的Compton或光电交互作用出现时，将由此产生光的闪光。交互作用深度检测器设计在上面引用的New Directions for dMiCE - Depth-of-Interaction DetectorDesign for PET Scanners中，交互作用深度闪烁检测器被公开,其中，一对闪烁晶体被并排地排列，而成一定形状的反射器被提供以覆盖两个闪烁晶晶体之间的界面的一部分。该反射器例如可以是三角形的。如在引用的文献中的详细讨论，成对的晶体有透明区在其间，并将因此“共享”任一晶体中闪烁事件产生的光的一部分。光电探测器被提供在两个晶体的至少一端，且对两个晶体检测的光的量能够被分析。通过比较来自两个晶体的检测的信号，估计的交互作用深度(闪烁事件的纵向位置)能够被计算。在这种交互作用深度检测器的现有技术实施例中，该两个晶体和反射器是分开地被形成的，且该三个部件用黏合剂组装。图4示出示例性交互作用深度检测器110，按照本发明构成，并包括单块晶体111。在该实施例中，单块晶体111用SSLE处理以定义内部边界112，该内部边界包括一般沿横向 平面的被间隔开的点状缺陷的阵列。一对光电探测器116相邻该晶体111的底表面115被提供。该内部边界112—般是三角形，跨越晶体在底表面115上的宽度延伸，并随着它向上延伸到晶体111的顶部几乎一直变细。虽然三角形边界112被示出，但有一部分只在横向平面的一部分延伸的其他形状可以替代使用，且被考虑。应当理解，公开的配置比类似的现有技术用两个分开晶体组装的交互作用深度晶体对，更易于构造。因此，该结构分享上面讨论的优点。这种类型的交互作用深度单块晶体的另外优点，在于晶体沿三角形边界112定义的平面的非阻挡部分，不包含两个分开晶体之间的接合或界面。因此，本结构将改进晶体111两侧之间的光共享。图5示出有单块晶体121的示例性交互作用深度成对晶体检测器120的另一个实施例。晶体121用SSLE处理以定义反射式内部边界122。在该实施例中，内部边界122以它的整个长度跨越晶体121的宽度延伸，而不是有变细形状。然而，定义该反射边界122的点状缺陷的密度沿纵向变化。在一个具体实施例中，缺陷的密度从边界122的基底连续地下降，使在晶体表面125接近光电探测器116处的缺陷密度变得大得多。因此，晶体121两部分(该两部分在内部边界122两侧)之间共享的光的量，沿晶体121的长度变化。检测器120中出现的闪烁事件的深度，因而可以通过比较来自两个光电探测器116的信号响应被估计。然而，应当预料到，缺陷的浓度可以按更复杂的方式变化，例如，在沿晶体长度的中点有最低缺陷密度。同样应当从本公开明白，缺陷的密度可以按所成形状的内部边界变化，如在图4中所示。没有离散阻挡层的连续晶体在本发明的另一个实施例中，被形成的闪烁晶体没有定义分开的晶体单元的反射阻挡层。如在上面引用的 cMiCE:a high resolution animal PET using continuous LSOwith a statistics based positioning scheme,以及美国专利申请公布No. 2010/0044571中的讨论，连续的缩小晶体单元(cMiCE)检测器，可以作为单个闪烁器材料板(如，LYS0)被形成，而来自连续晶体表面上的光电探测器阵列的信号，可以被分析，以估计晶体内闪烁事件的三维位置。例如，一些本发明的发明人已经发展连续的缩小晶体单元检测器，由50mmX 50mmX 8mm的LYSO板构成，与64信道、多阳极、平板光电倍增管耦合。基于统计学的定位算法，分析来自光电倍增管信道阵列的光响应函数，以便计算晶体内闪烁事件的三维位置。按照本发明的连续晶体光电探测器130的图解侧视图，被示出在图6中。在该实施例中，单块闪烁晶体131如图所不,有一对光电传感器入口窗或光波导138,设在晶体131的相对侧，以及被布置在每一光波导138上的光电探测器136的二维阵列。闪烁晶体131被配置成有多个点状缺陷132，这些点状缺陷由SSLE产生被遍及晶体131分布。在该当前的优选实施例中，缺陷132大致均匀地遍及晶体分布，虽然已经考虑到，有非均匀分布的缺陷可能有优点。例如，边界问题可以通过在闪烁晶体131的侧向边界附近提供更密的缺陷分布，如，用于降低没有遇到光电探测器136之一而逃逸的光子数而被缓解。虽然在该实施例中，分开的光电探测器136被布置在晶体131的两个相对表面，但 应当考虑到，本发明可以换种方式以不同光电探测器配置实现。例如，光电探测器136的阵列可以只被提供在晶体131的入口表面(或相对入口表面的表面)上，相对表面被弄粗糙或另外被配置成反射光子。在另一个例子中，光电探测器可以被提供在晶体131的侧面上以便从离开晶体131周边逃逸的光子捕获信息。图6还图解地示出，进入晶体131并产生闪烁事件(在81)的伽马射线80，该闪烁事件产生大量一般沿所有方向均匀分布的可见波长闪烁光子84。如图所示，许多闪烁光子84将在射出晶体131之前在闪烁晶体131中从缺陷132反射。晶体131有大于它的厚度的侦_尺寸，从而平均说来，闪烁光子84在它们沿侧向飞行通过晶体131时，可以遇到更多缺陷132。光的侧向扩展将由此被遍及晶体131分布的缺陷优先衰减。分布的缺陷132将趋向使被光电传感器136从闪烁光子84检测的信号变尖锐，如与图上面与检测器130关联的曲线图所示。在该曲线图中，曲线70图解地示出闪烁事件81的光分布概率密度函数(PDF)与没有缺陷132的类似检测器中产生的光分布TOF 72的定量比较。应当被理解，从晶体中分布的缺陷得到的更尖锐的TOF 70，将增加计算的闪烁事件位置81的三维估计的精确度。同样应当被理解，虽然图6所示点状缺陷被布置在闪烁晶体131中，但闪烁检测器中的其他光学单元，可以用SSLE与点状缺陷类似地提供，以获得闪烁光的需要的控制。例如，光波导138可以被制作成有缺陷分布的，以利于引导闪烁光。在闪烁检测器的另一个实施例中，光波导和/或光纤被用于连接闪烁晶体与光电探测器。应当考虑到，这样的光学光波导可以类似地被配备缺陷，以便控制和/或引导闪烁光。上面在附图中描述和出示的例子，说明若干实施例，用于控制从闪烁材料的光输出，以利于和改进从闪烁事件产生的光的检测。如在上面的讨论，本方法和装置提供的优点是，改进的性能、降低的生产成本和简化的生产。此外，虽然本发明的不同方面被公开在分开的实施例中，应当认识到，这些新颖的方面可以被组合在单个设备中。例如，应当认识到，SSLE可以被用于构造单块晶体，它有光学阻挡层，诸如图2所示的阻挡层102，以及有部分阻挡层，诸如图4所示边界112，这样使该晶体定义交互作用深度晶体部分的阵列。另外或此外，该晶体部分可以被配备有光滑分布的多个内部缺陷，诸如图6所示的缺陷132。虽然说明性的实施例已经被出示和描述，但应当认识到，各种不偏离本发明的精神和范围的变化能够在其中作出


用于辐射检测器晶体的光学界面图案形成。一种辐射检测器被公开，它包含闪烁晶体和多个光电探测器，这些光电探测器被定位以检测闪烁晶体内产生的低能闪烁光子。该闪烁晶体使用表面下激光雕刻处理，以在晶体内产生点状缺陷，用于改变闪烁光子的路径。在一个实施例中，这些缺陷在单块晶体内定义多条边界，以划分单独检测器单元。在另一个实施例中，这些缺陷定义沿纵向改变的交互作用深度边界，以改变被晶体的相邻部分分享的光的量。在另一个实施例中，这些缺陷被均等地分布，以降低来自闪烁事件的光的侧向扩展。这些不同方面中的两个或多个方面，可以被组合在单个闪烁晶体中。此外或另外，类似的SSLE缺陷可以在辐射检测器的其他光引导单元中产生。