17.《PET探测器技术的新进展》.pptVIP

* * 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 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必威体育精装版进展。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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，因此可以制造更小的探测器环。 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。 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 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。 图2 TOF原理 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。 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，