用于正電子發(fā)射斷層成像的閃爍晶體解析

1、第35卷第5期2001年9月原子能科學(xué)技術(shù)AtomicE nergyScie ncea ndTech nologyVol.35,No.5Sep.2001文章編號(hào):100026931(2001)0520476205用于正電子發(fā)射斷層成像的閃爍晶體劉華鋒，葉華俊，鮑 超(浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310027)摘要:正電子發(fā)射斷層成像要求閃爍晶體材料具有高光輸出、，廉。關(guān)鍵詞：閃爍晶體;探測(cè)器沖圖分類(lèi)號(hào):TL81619:A(Emissio nTomography,PET)技術(shù)是利用探測(cè)某種同位素 丫射線，得到生物體內(nèi)的這 種,。由于構(gòu)成生命的基本兀素 C、0、N等均有發(fā)射正電子

2、的同位素，因此,PET在 理論上可對(duì)生命體的許多部位的生理功能進(jìn)行成像?？梢?jiàn),PET是生命科學(xué)研究、醫(yī)療診斷頗有特色的工具。PET系統(tǒng)由探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像重建和圖像處理三部分組成。PET探測(cè)器設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求1,2:(1)高靈敏度，對(duì)511keVY射線對(duì)的探測(cè)效率高；(2)高空 間分辨率，更精確地確定湮滅位置;(3)良好的時(shí)間分辨率，消除隨機(jī)符合事件；(4)良 好的能量分辨率，消除康普頓散射的影響;(5)價(jià)格低廉佝死時(shí)間短；(7)穩(wěn)定性好。PET探測(cè)器一般是由閃爍晶體與光電倍增管(位置靈敏型光電倍增管或半導(dǎo)體器件) 耦合而成。因此，閃爍晶體的材料特性、體積、形狀等對(duì)檢測(cè)器的性能影響很

3、大。1閃爍晶體材料概述常用PET探測(cè)器結(jié)構(gòu)示于圖1。第1代PET探測(cè)器使用Nal(Tl)晶體3。NaI晶體 探測(cè)效率低、易潮解，需封裝使用。PET系統(tǒng)現(xiàn)多采用BGO晶體4。80年代早期曾使用過(guò)CsF晶體，該晶體響應(yīng)速度快,能分辨湮滅光子對(duì)的飛行時(shí) 間差,正電子湮滅發(fā)生區(qū)域可精確定位，使空間分辨率和信噪比大為提高。但CsF晶體的探測(cè)效率低，而B(niǎo)GO晶體的光輸出低、衰減時(shí)間長(zhǎng)。為獲得更高空間和時(shí) 間分辨率的探測(cè)器，使用新閃爍晶體是最有效的方法之一。收稿日期：2000203206;修回日期:2001204201)，男山東巨野人，博士，醫(yī)學(xué)成像探測(cè)器專(zhuān)業(yè)作者簡(jiǎn)介：劉華鋒(1972第5期劉華鋒等:用于正

4、電子發(fā)射斷層成像的閃爍晶體 477近20年來(lái)，閃爍晶體材料迅速發(fā)展，出現(xiàn)了幾種性能優(yōu)良的高質(zhì)量閃爍晶體，有可能 替代BGO晶體,大大提高PET系統(tǒng)的探測(cè)效率和分辨率。新閃爍晶體的物理特性 列于表158。表1新閃爍晶體的物理特性Tablel Characteristicsofnewsci ntillatorsusedi nPETdetector 晶體BGO(Bi4Ge3O12) LSO(Lu2SiO5 : Ce)GSO(Cd2SiO5 : Ce) YAP(YAIO3 : Ce)LuAP(LuAIO : Ce) 8136651105301736515155342113473138011976171

5、591152060/6004301.8519007135661123724042011822150密度/-37113相對(duì)分子質(zhì)量射程/cm相對(duì)光輸出量75111322衰減時(shí)間/300輻射波長(zhǎng)/480折射率熔點(diǎn)廠C潮解性21151050不潮解不潮解不潮解不潮解不潮解圖1常用的PET探測(cè)器結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件Fig.1 Con figurati ono fPETdetectormodulesa22光電倍增管列陣;b位置靈敏光電倍增管;c2對(duì)閃爍晶體材料的要求211 物理特性1）射程PET系統(tǒng)采用符合探測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)靈敏度與單個(gè)探測(cè)器靈敏度的平方成正 比。因此,相對(duì)分子質(zhì)量大、密度高的閃爍晶體材料有較高的阻

6、止本領(lǐng) ，即511keVy射 線的射程短，被完全吸收的概率大，亦即使用該晶體的PET探測(cè)器能獲得較高的靈 敏度和探測(cè)效率。2）光輸出量光輸出量直接影響探測(cè)器的能量、時(shí)間及空間分辨率。閃爍晶體吸收Y寸線后產(chǎn)生的光子數(shù)N越大,則探測(cè)丫射線的作用位置越準(zhǔn)確。能量分辨率與 1/時(shí)間分辨 率與t /N成正比，其中,為衰減時(shí)間。N成正比；478原子能科學(xué)技術(shù)第35卷3）衰減時(shí)間閃爍晶體受激后不立即發(fā)射全部光子，單位時(shí)間內(nèi)放出的光子數(shù)隨時(shí)間變化較為復(fù)雜。在一級(jí)近似下，可表示成兩個(gè) 指數(shù)過(guò)程的組合，即分別描述閃爍增長(zhǎng)和閃爍下降（衰減）。增長(zhǎng)時(shí)間一般小于10- 12s,遠(yuǎn)小于衰減時(shí)間，因此，閃爍晶體的衰減時(shí)間是

7、另一重要參數(shù)，其數(shù)值大小影響 探測(cè)器的時(shí)間分辨率與死時(shí)間。衰減時(shí)間愈短，時(shí)間分辨率愈好。4）發(fā)射光譜閃爍晶體的發(fā)射光譜應(yīng)與相耦合的光電傳感器的光譜響應(yīng)曲線吻合。例如:對(duì)于雙堿光電陰極的光電倍增管，所期望的光譜范圍為300500nm,而光 電二極管所要求的光譜范圍則為 400900nm。212幾何特性1）晶體形狀 早期的PET探測(cè)器使用圓柱形晶體。隨著對(duì) PET系統(tǒng)的靈敏度要求 越來(lái)越高，閃爍晶體的最佳形狀變?yōu)殚L(zhǎng)方體。長(zhǎng)方形晶體能使探測(cè)器盡可能緊密地排列成環(huán)形系統(tǒng)，可獲得最咼的探測(cè)效率。2）晶體寬度晶體寬度是探測(cè)器空間分辨率的最具決定性的因素，減小晶體寬度可 以最大限度地提高探測(cè)器的空間分辨率。

8、但隨晶體寬度變窄，由此又降低空間分 辨率和靈敏度，因此,。3）晶體長(zhǎng)度 提高軸向空間分辨率，,。4）晶體深度 511,其關(guān)系由下式給出9: =（1exp（卩 h）2其中：卩;為晶體深度,h越大，對(duì)511keVY射線對(duì)的符合探測(cè)效率越高。但 BGO的 光收集效率大體上與h/wl成反比（w為晶體寬度，1為晶體長(zhǎng)度），因此，晶體深度也有 一個(gè)最佳值。3閃爍晶體的應(yīng)用PET系統(tǒng)價(jià)格昂貴，限制了它在臨床方面的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)低廉的PET系統(tǒng)的方法之一就是降低探測(cè)器的費(fèi)用（探測(cè)器系統(tǒng)的費(fèi)用占整個(gè)PET系統(tǒng)費(fèi)用的60%以上）。 最近，日本濱松光子學(xué)株式會(huì)社把在高能物理實(shí)驗(yàn)中廣泛使用的鎢酸鉛（PbWO 4,又稱(chēng)PW

9、O）晶體引入到PET系統(tǒng)（圖2）中 10。8 8的PWO晶體陣列與位置靈敏型光電倍增管（PSPMT）相耦合,單個(gè)晶體的尺寸 為丫射線與PWO晶體相互作用產(chǎn)生光子，這些光子傳輸6mn 6mn 20mm,其工作原 理為：到PSPMT的光電陰極上，激勵(lì)光電陰極發(fā)射出光電子，光電子被各倍增級(jí)倍增放大 最后經(jīng)陽(yáng)極輸出。陽(yáng)極為由電阻回路組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) ，通過(guò)相應(yīng)的電路計(jì)算位置。圖3為用511keV的丫射線均勻照射3X3PWO/PSPMT探測(cè)器獲得的閃爍圖像。9 個(gè)閃爍晶體的圖像充分分離，表明探測(cè)器的區(qū)分本領(lǐng)良好。本實(shí)驗(yàn)室用最新研制出的LSO晶體設(shè)計(jì)了能探測(cè)深度信息的DOI（Depthofl nteract

10、io n）探測(cè)器11,12。該探測(cè)器由兩層LSO晶體組成,上層晶體相對(duì)于下層晶體的位置在 x和y 方向上都有半個(gè)晶體陣列單元的錯(cuò)位。因每個(gè)晶體輸出光的重心位置分布在PSPMT不同的位置上，所以，通過(guò)計(jì)算其重心位置，可在像平面上區(qū)別開(kāi)每個(gè)晶體。 與PMT相比，雪崩光電二極管（APD）的增益（典型值一般為100）比較低。但是，近年 來(lái)，第5期 劉華鋒等：用于正電子發(fā)射斷層成像的閃爍晶體 479圖 2 用于構(gòu)造價(jià)廉 PET 系統(tǒng)的 Fig.2 PWO/PSPMTdetectorforlowsystema原理圖；,L,/APD組合而。如今，世界上許多大和究機(jī)構(gòu)都在研究LSO/APD探測(cè)器13,14,人

11、們普遍認(rèn)為，該組合將替代閃爍晶體/PMT組合成為PET的下一代探測(cè)技術(shù)。4小結(jié)閃爍晶體的Y射線探測(cè)技術(shù)是PET迅速發(fā)展的前沿，新的技術(shù)和方法不斷出現(xiàn)，且投入實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間越來(lái)越短。閃爍晶體探測(cè)器不僅在PET領(lǐng)域得到Fig.3Positioninghistogramofa3 3array廣泛應(yīng)用，在原子物理學(xué)、粒子物理學(xué)、天文學(xué)和 材料ofPWOcrystalscoupledwithPSPMT檢測(cè)等學(xué)科中也發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。 近年來(lái)，有些科學(xué)家利用兩個(gè)相向放置的探測(cè)器構(gòu)成探測(cè)植物生理功能的成像系統(tǒng)15,也有人利用它們構(gòu)成探測(cè)腦瘤或乳腺癌的小型醫(yī)學(xué)成像探 測(cè)系統(tǒng)16。可以預(yù)計(jì),正電子成像技術(shù)的

12、不斷發(fā)展將對(duì)生命科學(xué)、材料科學(xué)等眾 多研究領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。參考文獻(xiàn)：1YamashitaT.Developme ntofNewPositio n2se nsitiveDetectorsforPETD.Tokyo:U niversi tyofTokyo,1992.2MosesWW,Dere nzoSE,Budi ngerTF.PETDetectorModulesBasedo nN ovelDetectorTechnologiesJ.Nucl圖3 3X3PWO晶體陣列位置圖480InstrumMethods,1994,A353:189-194.原子能科學(xué)技術(shù)第 35 卷3Wren ER,Goo

13、dML,Ha ndlerP.TheUseofPositro nEmitti ngRadioisotopesforLocalizatio nfo rBrai nTu2morsJ.Scie nce,1951,113:52L 527.4ChoZH,FrukhihMR.BismuthGermi nateasaPote ntialSci ntillatio nDetectori nPositro nCam erasJ.JNuclMed,1977,18:840844.LempickiA,Ra ndlesMH,Wis niewskiD,etal.LuAIO3:Cea ndOtherAlumi nateSci

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15、no fGSO,LSOa ndYSOSc in tillatorsUsi ngR everseAvala nchePhotodiodesJ.IEEETra nsNuclSci,1998,45(3):47482.9CherrySR,ShaoY,TornaiMP,etal.Collectio nofSci ntillatio nLightFromSmalIBGOCrystals J.IEEETran sNuclSci,1995,42:10581063.10 山下貴司1光子科學(xué)與產(chǎn)業(yè)國(guó)際雙邊研討會(huì)論文集C1浙江，:s.n.11劉華鋒, 鮑 超，渡邊光男，等1PET)568112 LiuH,Omura

16、T,WatanabeM,etal.Development丫 2raysJ.NuclIn2strumMethods,2001,A459:18213 PichlerB,Bo nin gGHighResolutio nPETSca nn erBasedo nLSO2APDSci,45(3):1298 1302.14 ,etal.Desig nStudiesofaHighResolutio nPETDetectorUsi ngAPDArrays J.NuclSci,2000,47(3):1051 1057.15 KumeT,MatsuhashiS,ShimazuM,etal.Uptakea ndTra

17、 nsportofPositro n2emitti ngTrace r(18F)i nPla ntsJ.ApplRadiatIsot,1997,48(8):1035 1043.16 TornaiMP,Levi nCS,MacDo naldLR,etal.AMi niaturePhoswichDetectorforGamma2r ayLocalizati onandBetaImagi ngJ.IEEETra nsNuclSci,1998,45(3):11661173.Sci ntillatorsforPositro nEmissio nTomographyLIUHua2fe ng,YEHua2ju n,BAOChao(StateKeyLaboratoryofModernOpticalI nstrume ntatio n,Zhejia ngUn iversity,Ha ngzhou31 0027,Chi na)Abstract:Thecharacteristicsofsci ntillator,suchashighlightoutput,shortdecayti mea ndexcel2 len tstoppi ngp