PET探测器技术的新进展-高能物理研究所

DOI探测器由不同种类闪烁晶体层叠而成，主要用于临床前期
及脑部专用的PET扫描仪。 DOI技术还处于初期开发阶段，还有很多值得探索的技术问题 。DOI探测器制造成本比较高，时间分辨率较差而不易与TOF 系统融合，晶体阵列中的散射使光子来自多个闪烁晶体，造成 精度下降。闪烁晶体、固体探测器和基于光响应函数（LRF） 定位算法三者的结合，会推动该技术的进一步发展。
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三.
光电探测器的进展
多通道和一系列位置敏感PMT拓展了一个新的探 测器设计领域，目前的设计进一步减少PMT通道工作 区之间的死区，能够使用大量的通道与晶体阵列或晶 体板耦合，整体结构更加紧凑。继续提高PMT的响应 速度，以便配合LSO和LaBr3晶体，实现时间分辨率 在300ps量级上的TOF系统。但是PMT的缺点是对磁 场很敏感，不能用于PET/MR双模设备中。
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当前的PET/CT只是简单的集成，各自独立的两套 成像系统共享一个机架，用一个控制台操作，不能 够并发生成解剖和功能影像，需要使用软件进行配 准和融合。如果能够使用一套探测系统，同时进行 发射和透射扫描，实现二者在硬件上融合，是 PET/CT面临的挑战和发展方向。硬件融合PET/CT真 正实现活体中快速动态生理过程的空间-时间对应 ，并减少病人辐射剂量。因此，开发能够同时记录 511keV γ光子和X-ray 的探测器就非常有价值。
PET探测器技术的新进展
郑州大学物理工程学院 牛灵欣，赵书俊，张斌，刘豪佳
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报告摘要
PET探测器相关领域的研究，一直很活跃，并 且是具有高创新性的领域。提高基于闪烁晶体的探 测器的性能，研究适用于多模式成像设备 （PET/CT、PET/MRI）的新型探测器，满足TOF、 DOI技术的需求并促进其发展，这些构成PET探测 器研究的主要方向。本报告介绍了PET探测器在闪 烁晶体、光电探测器和半导体探测器等方面的最新 进展。
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一
正电子发射断层成像设备中探测器性能的要求
PET（positron emission tomography）是一个生成 生物活体代谢功能影像的工具，在分子水平定量探测 生理过程，是所有成像模式中最灵敏的。PET中一个 关键组件是探测器模块。探测器的任务是阻挡入射的 γ光子并吸收其能量，产生可以被后继电路处理的电 信号，电信号携带γ光子在探测器中沉积的能量、在 探测器阵列中与晶体交互位置及时间等信息。
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要完成上述任务，理想的探测器应该具有以下属性： （1）具有高阻止本领； （2）具有高空间分辨率； （3）具有很高的能量分辨率； （4）具有很高的时间分辨率； （5）造价便宜。 与PET探测器相关的领域，一直是很活跃和具有创新性的。 多年来，尽管在不停地设计各种各样的创新产品，例如持续对 丝室探测器进行着研究和应用；为了提高PET的空间分辨率， 开发出了各种固体探测器，但开发研究仍集中在闪烁晶体探测 器上，无论是商业型PET还是实验型PET，闪烁晶体探测器一 直占据主导地位。
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二.
闪烁晶体探测器技术的进展
BaF2晶体衰减时间超级短，为600皮秒，可用于 TOF型PET设备，从某种程度上弥补了由于阻止能力 低而造成的灵敏度下降的缺陷。 上述几种晶体都已经在PET设备生产中得到应用， 新型的无机晶体也在不断开发中，主要是基于铈掺杂 的镧系和过渡金属元素，例如LaBr3和CeBr3。 必须认识到探测器的性能不仅取决于闪烁晶体的特 性，还有赖于探测器自身的设计。
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PET的不同应用，对探测器有不同的要求。比如用 于临床前期实验的小动物PET更关心空间分辨率，而 时间分辨率并不是特别重要；对于脑部成像，既需要 高的空间分辨率也要求良好的动态成像，灵敏度就显 得很重要；而全身扫描就要充分利用TOF系统，提高 信噪比。
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鉴于PET的空间分辨率比其他成像模式（MR、CT、 X-ray等）差很多，目前及未来PET的研发和设计， 一定要考虑与其它成像装置同步工作。例如同步工 作的双模成像装置PET/CT和PET/MR，可以最大限度 发挥不同成像模式各自的优势，提升PET在临床应用 中的地位和价值。
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硬件融合的PET/MR，要求PET探测器能够在磁 场中不受磁场梯度和RF信号的影响，同时由于空间 的限制，对探测器的体积及配套的前端电子学电路 也有严格限制。固体探测器将是满足这种应用的关 键。
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最近几年一个主要的开发领域是DOI探测器，其目的是减少
视差并保持良好的灵敏度。DOI技术对视差的校正可以减小径 向空间分辨率的损失，因ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ可以制造更小的探测器环。
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三.
光电探测器的进展
PMT是闪烁探测器的驱动器，具有很高的增益 （典型值是106数量级）、低噪声和低成本，通常要 求的偏置工作电压为800～1200V。由于PMT的体积 和玻璃封装，无法实现晶体和PMT一对一的耦合， 因此限制了利用它制造高分辨率探测器的能力，同时 导致了块探测器的概念、设计与使用。 目前在解决PMT体积问题上，已经取得进展，实 现了将多个倍增通道（实际上相当于多个PMT）封 装在一个通常的真空管内。
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图2
TOF原理
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二. 闪烁晶体探测器技术的进展 基于闪烁晶体的探测器一直是PET设计中最主要 、最普遍使用的探测器，当前一个很活跃的研发领域 就是寻找理想的闪烁晶体，理想的闪烁晶体应该快速 、高密度、高光产量且造价便宜。 新型晶体LSO及其它镥化合物为设计人员提供了 一系列快速、高亮度及高密度的闪烁晶体。和BGO 和NaI相比，LSO晶体表现出几个明显优势特性，非 常适合于PET的3D成像。
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PMT /APD
events
t
NaI(TI)/LSO BGO/GSO GSO/LSO/BGO
a
b
c
d
图1 DOI工作模式 a 脉冲形状鉴别 b 晶体偏移 c 双端光比率定位 d 吸收率变化定位
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通常只能假定湮没事件发生于LOR线的某处，如果探测系 统有很高的时间分辨率，就可获得事件发生于LOR上何处的精 确信息。同等参数条件下，一个TOF系统与非TOF系统相比，能 提供更高的噪声等价计数和信噪比。例如一个飞行时间（ time-of-flight, TOF）分辨率为600ps的系统，可以将湮没位 置大致定位在一个半宽高约9cm的高斯型区域内，如图2所示。 TOF技术的实现必须依赖于高性能闪烁晶体和光电探测器。