基于BGO與SiPM耦合的平板乳腺PET掃描儀研制

陳艷華 謝 靚 楊 勇 袁夏冰 侯立群 李 軼 趙永界 王元吉

1(杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院，杭州 310018)2(明峰醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，杭州 311200)

基于BGO與SiPM耦合的平板乳腺PET掃描儀研制

陳艷華1?謝 靚1?楊 勇1*袁夏冰1侯立群1李 軼1趙永界2王元吉2

1(杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院，杭州 310018)2(明峰醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，杭州 311200)

設(shè)計(jì)一種專用于乳腺癌早期檢查的高分辨率、高靈敏度、低成本的平板乳腺PET掃描儀。這種PET掃描儀采用帶有弧度的平板探測(cè)器結(jié)構(gòu)，將BGO(Bi4Ge3O2)晶體與新型光電探測(cè)器件硅光電倍增管(SiPM)耦合。SiPM具有探測(cè)效率高、工作電壓小等優(yōu)點(diǎn)。探測(cè)器面積為180 mm×120 mm，平板探測(cè)器間距為160 mm；電子學(xué)部分采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠有效地采集到數(shù)據(jù)。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于3.0 mm的空間分辨率、2.5%的高靈敏度的圖像質(zhì)量；儀器其他各參數(shù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，該儀器的各個(gè)指標(biāo)和性能穩(wěn)定，安全可靠；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，該儀器能較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤組織(10mm)血流代謝成像。

乳腺癌早期檢查；平板探測(cè)器；BGO晶體；SiPM

引言

在乳腺癌診斷方法中，影像學(xué)診斷是最常用的有效方法之一。目前臨床常用的影像學(xué)技術(shù)(如鉬靶)是基于結(jié)構(gòu)成像，隨著功能成像技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用功能成像及多模態(tài)成像成為新的診斷手段。正電子發(fā)射斷層成像(positron emission tomography, PET)可以利用正常組織與腫瘤組織代謝上的差異對(duì)腫瘤做出早期診斷，具有較高的靈敏度和特異性，已成為乳腺癌早期診斷的重要方法之一[1-2]。但是，全身PET設(shè)備在臨床上應(yīng)用檢查費(fèi)用高昂，一次全身掃描費(fèi)用高達(dá)1萬元/次；另外由于早期腫瘤病灶較小，全身PET成像空間分辨率也難以滿足早期診斷的要求。因此，開發(fā)低成本、高分辨率的基于局部掃描的PET成像技術(shù)，成為國內(nèi)外影像界的研究熱點(diǎn)之一[3]。

相對(duì)于全身PET而言，乳腺PET(positron emission mammography, PEM)[4-5]具有圖像分辨率和靈敏度高、儀器成本低、放射性示蹤劑用藥劑量減少等優(yōu)點(diǎn)，由于儀器的造價(jià)成本的降低以及放射性藥物劑量的減少，其檢測(cè)費(fèi)用可以控制在3000元/次左右。國內(nèi)外的許多機(jī)構(gòu)都對(duì)PEM展開研究，如加拿大McGill大學(xué)Thompson教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)名為PEM-I的乳腺PET設(shè)備[6-7]，美國NaviScan PET systems公司開發(fā)了名為Stereo Navigator的商用乳腺PET設(shè)備[8]。國內(nèi)方面，中科院高能物理研究所研制成功了國內(nèi)首臺(tái)PEM掃描儀樣機(jī)，該儀器基于LYSO(硅酸釔镥)晶體及采用光電倍增管(PMT)的環(huán)形(64環(huán))探測(cè)器設(shè)計(jì)。

由于LYSO晶體中的镥元素存在放射性，其本底輻射效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)信噪比存在影響，且有更明顯的深度效應(yīng)(depth of interaction, DOI)[9-10]，同時(shí)其價(jià)格也因稀土材料漲價(jià)一直走高。BGO晶體具有無本底輻射效應(yīng)、晶體密度大、探測(cè)效率高、穩(wěn)定性好、噪聲低、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)；另外，目前最廣泛應(yīng)用的弱光探測(cè)器光電倍增管(photomultiplier, PMT)體積大、工作電壓高、功耗高、易損壞，同時(shí)還有受光陰極限制探測(cè)效率較低、對(duì)電磁場(chǎng)變化敏感以及不適合制作大規(guī)模探測(cè)陣列等缺點(diǎn)。與PMT相比，硅光電倍增管(silicon photomultiplier, SiPM)具有靈敏度高、大增益(106或者以上)、一致性好、尺寸小、不受電磁場(chǎng)變化影響等的眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為最具有潛力的半導(dǎo)體光電探測(cè)器，成為弱光探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[11-15]?；诖?，筆者提出基于BGO與SiPM耦合的平板乳腺PET掃描儀設(shè)計(jì)思路。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用了平板結(jié)構(gòu)，考慮到晶體和光電探測(cè)器占設(shè)備成本的主要部分，與環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，平板結(jié)構(gòu)用更少的晶體和SiPM探測(cè)器，可以有效節(jié)約成本。

1 PEM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的PEM主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的創(chuàng)新：一是核心部件探測(cè)器采用BGO晶體耦合SiPM的設(shè)計(jì)；二是為了降低傾斜投影線的深度效應(yīng)(depth of interaction, DOI)對(duì)圖像分辨率的影響，探測(cè)器平板采用了有弧度的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)既有效控制了成本，又保證了儀器的良好性能。整個(gè)PEM系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分，采用俯臥式設(shè)計(jì)。

1.1 探測(cè)器設(shè)計(jì)

PEM采用平板型探測(cè)器設(shè)計(jì)，探測(cè)器由(3.3 mm×3.3 mm×30 mm)BGO(Bi4Ge3O2)晶體1 536塊和96個(gè)新型的半導(dǎo)體光電探測(cè)器SiPM耦合組成，平板探測(cè)器間距為160 mm，固有空間分辨率優(yōu)于3 mm，可進(jìn)行31層透視及斷層成像。

探測(cè)器模塊采用了BGO晶體耦合SiPM的設(shè)計(jì)。2×4 個(gè)SiPM組合成一個(gè)Detector Bank，6個(gè)Detector Bank組成一個(gè)探測(cè)器平板，PEM系統(tǒng)包括兩個(gè)探測(cè)器平板。SiPM是一種像素化的陣列探測(cè)器，其中SiPM的規(guī)格型號(hào)為SPMArray4(4×4 array of SPMMICRO3035 pixels)，即4×4的像素陣列，廠家為愛爾蘭的SensL[16]，探測(cè)器模塊如圖1所示。每個(gè)Detector Bank的X方向有8個(gè)像素，Y方向有16個(gè)像素，共使用2×4×6×2=96個(gè)SiPM，每個(gè)平板探測(cè)器有48×4×4=768個(gè)像素，探測(cè)器的探測(cè)面積為180 mm×120 mm。PEM探測(cè)器平板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)。(a)BGO晶體；(b)SiPM探測(cè)器Fig.1 Panel detector structure diagram. (a)BGO; (b) SiPM

圖2 PEM探測(cè)器平板結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of panel detector

兩個(gè)探測(cè)器平板面對(duì)面放置，規(guī)定探測(cè)器平板一個(gè)為Detector Up,另一個(gè)為Detector Down。對(duì)應(yīng)的BANK記為BU和BD，BANK中的X和Y編號(hào)記為XU、XD和YU、YD。在每一個(gè)BU與Detector Down中，所有BANK之間都有符合投影線。同樣，每一個(gè)BD與Detector Up中的所有BANK之間都有符合投影線。符合的兩個(gè)探測(cè)器BANK稱為一組符合BANK對(duì)。由于PEM系統(tǒng)投影線比較稀疏，為了最大限度的利用投影線，對(duì)所有符合BANK對(duì)都進(jìn)行符合甄別，如圖3所示。

1.2 電子學(xué)及供電部分設(shè)計(jì)

電子學(xué)部分采用了模塊化的設(shè)計(jì)，主要包括前置放大電路、位置編碼電路、定時(shí)電路、符合編碼電路、數(shù)據(jù)傳輸電路以及供電分配電路6個(gè)部分，電子學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram of electronics

前置放大電路包括3個(gè)主要功能：用于位置編碼、用于信號(hào)定時(shí)、給SiPM供電。PEM系統(tǒng)一共使用了24塊前置放大電路板，每塊前放板對(duì)應(yīng)一個(gè)探測(cè)器大塊，也就是4個(gè)SiPM。

位置編碼電路實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化編碼。

定時(shí)電路對(duì)一個(gè)探測(cè)器平板中所有前置放大電路產(chǎn)生的能量信號(hào)進(jìn)行求和及倒向處理，把負(fù)信號(hào)變成正信號(hào)。定時(shí)采用的是脈沖前沿定時(shí)，這種定時(shí)方法電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，精度稍差。符合板中的符合時(shí)間窗設(shè)定為255 ns，在數(shù)據(jù)采集軟件中，根據(jù)需要可以設(shè)定0～255之間的值給符合時(shí)間窗，使用方便。數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)置了一個(gè)FIFO存儲(chǔ)單元緩存數(shù)據(jù)，一個(gè)ARM芯片負(fù)責(zé)與計(jì)算機(jī)的通信，使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議將地址編碼送到計(jì)算機(jī)的采集軟件中。

電源分配電路板有兩塊，每塊可以提供6路±5 V固定輸出和48路0～+35 V可調(diào)HV輸出。為避免兩路輸入電源之間的差異對(duì)輸出電壓穩(wěn)定性的不利影響，在使用中只使用了一路輸入，可以為3個(gè)Detector Bank對(duì)應(yīng)的前置放大板供電，另外3個(gè)Detector Bank 的供電使用直流電源。HV電壓的調(diào)節(jié)通過單片機(jī)、ADC芯片、三極管及相關(guān)電路共同完成，可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行精細(xì)和大范圍調(diào)節(jié)，測(cè)試結(jié)果表明電壓調(diào)節(jié)精度可以達(dá)到0.03 V。

2 PEM樣機(jī)性能測(cè)試方法

2.1 分辨率測(cè)試方法

系統(tǒng)空間分辨率是指將點(diǎn)源圖像的計(jì)數(shù)密度分布集中到一點(diǎn)的能力，是PEM最為看重的性能參數(shù)之一。測(cè)試方法：采用兩個(gè)Na22點(diǎn)源，直徑φ=1 mm,放置PEM系統(tǒng)中，分別相距10、8、4 mm,按掃描模式45°和60°分別掃描，采用FBP重建算法重建圖像，對(duì)兩個(gè)點(diǎn)源分別進(jìn)行調(diào)制度測(cè)量。

2.2 系統(tǒng)靈敏度測(cè)試方法

靈敏度是表征被探測(cè)率的一個(gè)參數(shù)，在低活度放射源情況下符合時(shí)間按該比率被探測(cè)。系統(tǒng)靈敏度與PET的探測(cè)器效率、探測(cè)器數(shù)量、探測(cè)器距離、探測(cè)器面積有密切關(guān)系。測(cè)試方法是將一個(gè)規(guī)定體積、已知活度濃度的放射性溶液放置在系統(tǒng)的總視野中，并觀測(cè)所得到的計(jì)數(shù)率，系統(tǒng)靈敏度由上述值計(jì)算得到。

2.3 系統(tǒng)信噪比測(cè)試方法

PEM設(shè)計(jì)用于乳腺癌檢查，因此對(duì)乳腺模型的成像結(jié)果是檢驗(yàn)系統(tǒng)性能的最直接方法。本次測(cè)試主要是不同本底的圖像信噪比實(shí)驗(yàn)，定義點(diǎn)源圖像與周圍的本底比值為圖像信噪比S/N。在實(shí)際臨床應(yīng)用中，它反映出觀察淹沒在噪聲中點(diǎn)源的能力。能觀察到點(diǎn)源時(shí)的信噪比越小越好，一般要求小于2。乳腺模型使用圓柱形塑料瓶，模型內(nèi)注滿水，注射不同量的F18-FDG溶液作為本底噪聲，模型內(nèi)放置一個(gè)濃度較大的點(diǎn)源作為病灶。

2.4 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法

在各參數(shù)可靠穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，樣本數(shù)量為30。實(shí)驗(yàn)小鼠為品系C57DL/6小鼠，實(shí)驗(yàn)前先在鼠的胸部偏后部位人工種植腫瘤塊，飼養(yǎng)2周腫瘤塊長至10 mm左右后進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)果

3.1 試制樣機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，成功研制出PEM樣機(jī)，并通過各個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，樣機(jī)的各個(gè)性能指標(biāo)都穩(wěn)定安全，如圖5所示。

圖5 PEM樣機(jī)。1—乳腺檢查腔，2A、2B—兩個(gè)對(duì)稱的平板探測(cè)器，3A、3B—電子學(xué)部分，4—符合線路，5—電源分配單元，6—散熱部分。Fig.5 PEM Prototype Diagram：lab.1 shows a breast examination chamber, lab.2A,lab.2B show two symmetrical flat panel detector, lab.3A, lab.3B show the electronics, lab.4 shows coincidence part, lab.5 shows the power distribution unit, lab.6 shows the cooling section.

3.2 PEM系統(tǒng)分辨率

圖6 分辨率實(shí)驗(yàn)(兩個(gè)點(diǎn)源距離8 mm)Fig.6 Experiment of resolution. The distance from the two point source is 8 mm

通過對(duì)兩個(gè)點(diǎn)源分別進(jìn)行調(diào)制度測(cè)量，兩個(gè)點(diǎn)源距離分別為4、8和10 mm。點(diǎn)源距離為8 mm的分辨率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。分別測(cè)量4、8、10 mm的調(diào)制度，得到其值分別為0.30、0.76、0.94。對(duì)其進(jìn)行擬合，得到如圖7的分辨率實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)工業(yè)CT標(biāo)準(zhǔn)GJB 5311—2004[17]中規(guī)定，調(diào)制度為0.15以上的二點(diǎn)源間距為可分辨的距離，由圖7可知，在0.15調(diào)制度處的空間分辨率為3.0 mm。

圖7 分辨率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Result of sensitivity experiment

3.3 系統(tǒng)靈敏度

在一個(gè)密閉容器內(nèi)注射1 mL的FDG 放射性溶液，放置在系統(tǒng)FOV中央，兩個(gè)探測(cè)器平板的距離約為150 mm。放射源強(qiáng)度A=1.4×84 uCi，采集時(shí)間T=20 s，采集計(jì)數(shù)C=1 356 143個(gè)，經(jīng)過計(jì)算，取平均得到靈敏度為2.5%。

3.4 系統(tǒng)信噪比實(shí)驗(yàn)

共進(jìn)行了3種不同本底強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，通過選取軸向中心層的成像，計(jì)算感興趣區(qū)域的放射性物質(zhì)的濃度和本底區(qū)域放射性物質(zhì)的濃度，計(jì)算信噪比，重建圖像結(jié)果如圖8所示。通過計(jì)算感興趣區(qū)域的像素均值和本底區(qū)域的像素均值來計(jì)算出信噪比，3種不同本地強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果信噪比分別是 4.89、 2.08、 1.52。在信噪比小于2時(shí)，點(diǎn)源成像清晰，在模型中的相對(duì)位置準(zhǔn)確，本底較明顯，但未形成影響判斷的亮斑，均勻性很好，達(dá)到臨床使用要求。

圖8 信噪比結(jié)果(上為三維成像結(jié)果，下為像素值變化曲線)Fig.8 Signal to noise ratio (SNR) (Top of the graphs is three dimensional imaging results, bottom of the graphs is pixel value change curve)

3.5 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)掃描結(jié)構(gòu)如圖9所示。從PEM圖像上看，老鼠胸部亮點(diǎn)(偽彩)是人工種植的腫瘤塊，老鼠的下方是膀胱吸收亮點(diǎn)，實(shí)測(cè)老鼠的腫塊為12 mm，在老鼠膀胱及腹部還有部分顯像。這表明，本PEM可以較好地反映血流代謝差異，對(duì)早期的腫瘤較好的診斷效果。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果成像。(a)小鼠照片；(b)小鼠PET圖像Fig.9 Imagine of experiment. (a) The picture of mouse；(b) The PET imagine of mouse

3 討論和結(jié)論

判斷儀器性能好壞的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是該儀器的靈敏度以及分辨率。分辨率與探測(cè)單元的尺寸成正比，由于本儀器的晶體選擇為3.3 mm×3.3 mm使分辨率受到了限制，而分辨率的另一個(gè)影響因素不確定偏差在中心距離的減小下得到改善，上述實(shí)驗(yàn)做出的結(jié)果為3.0 mm，說明本儀器有發(fā)展到1.5 mm的可能性。

本儀器根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)靈敏度的要求，在同樣靈敏度要求的情況下，放射性藥物的使用量是全身PET放射性藥物使用量的1/3。放射性藥物劑量的減少，既可降低檢查費(fèi)用，又可以降低乳腺組織的照射劑量，具有更好的安全性。

探測(cè)器設(shè)計(jì)采用帶有弧度的平板結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的環(huán)形探測(cè)器結(jié)構(gòu)相比：一方面，平板結(jié)構(gòu)的探測(cè)器運(yùn)用平行束投影，采用旋轉(zhuǎn)采集模式,通過多個(gè)位置的旋轉(zhuǎn)采集接收180°的投影數(shù)據(jù),使得晶體數(shù)量的使用減少,很大程度上降低成本；另一方面，探測(cè)器平板帶有弧度的設(shè)計(jì)使得邊緣的投影線徑直進(jìn)入晶體，減少信號(hào)的失真，降低傾斜投影線的深度效應(yīng)(depth of interaction,DOI)對(duì)圖像分辨率的影響，如圖10所示。

圖10 深度效應(yīng)示意圖。(a)平板探測(cè)器的深度效應(yīng)；(b)帶有弧度的平板PET的深度效應(yīng)Fig.10 Schematic DOI. (a) DOI of panel detector; (b) DOI of panel detector with the curvature

現(xiàn)有大視野的PET在分辨率方面無法提升，很大一個(gè)原因是正電子在人體的湮滅作用過程中粒子動(dòng)量的變化導(dǎo)致光子在探測(cè)視野(FOV)中產(chǎn)生約0.06°的不確定性偏離，導(dǎo)致直徑為700 mm的PET有2～3 mm的位置不確定性，在機(jī)上出現(xiàn)機(jī)械誤差，因此現(xiàn)有的PET的分辨率為4.4～6 mm。本儀器的探測(cè)器中心間距縮短到150mm，在相同的偏離角度條件下偏離的距離大為改善，理想狀態(tài)下的空間分辨率可達(dá)到1.5 mm。探測(cè)器模塊采用BGO晶體和像素化設(shè)計(jì)SiPM，提高了探測(cè)器的探測(cè)效率，將系統(tǒng)的分辨率提高到了3 mm。

在靈敏度方面，靈敏度是探測(cè)器接收到的放射性物質(zhì)的活度濃度的符合計(jì)數(shù)與放在探測(cè)器中的放射性物質(zhì)的活度濃度的比值，該比值與探測(cè)器中心間距平方成正比。全身PET的中心間距為700 mm，靈敏度為0.8%；而本儀器的中心距離可達(dá)到150 mm，其系統(tǒng)靈敏度顯著提高到2.5%～3.5%。

鉬靶成像以其定位的準(zhǔn)確優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)得到認(rèn)可，將平板PEM和鉬靶成像融合，對(duì)于平板PEM的分辨率有很大幅度的提升，這一關(guān)鍵技術(shù)在于需要解決平板PEM不旋轉(zhuǎn)且保證數(shù)據(jù)完整性的問題，本研究驗(yàn)證了這一可能性。

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Development of Panel Breast PET Based on Coupling of BGO and SiPM

Chen Yanhua1Xie Liang1Yang Yong1*Yuan Xiabing1Hou Liqun1Li Yi1Zhao Yongjie2Wang Yuanji2

1(CollegeofLifeInformationScience&InstrumentEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China)2(FMIMedicalSystemCorporation,Hangzhou311200,China)

breast cancer early detection; panel detector; BGO; silicon photomultiplier (SiPM)

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 06.017

2015-06-20， 錄用日期:2016-01-11

國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAI13B06)；浙江省重大科技專項(xiàng)(2012C03007)

R318

D

0258-8021(2016) 06-0754-05

?共同第一作者

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: yyang@hdu.edu.cn