晶體表面特性對PET探測器性能的影響

馮 凱 徐 悅 鮑 鴻 鄧新漢 鄺忠華 王曉輝 征云飛 楊永峰

1（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055）2（廣東工業(yè)大學(xué) 廣東 510006）

晶體表面特性對PET探測器性能的影響

馮 凱1,2徐 悅2鮑 鴻2鄧新漢1,2鄺忠華1王曉輝1征云飛1楊永峰1

1（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055）2（廣東工業(yè)大學(xué) 廣東 510006）

正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography, PET)作為最靈敏和具有定量測量能力的功能分子影像技術(shù)，越來越廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究，如疾病的動(dòng)物模型、新藥物的研發(fā)和新治療方法的評估等。提高探測器的性能是改進(jìn)PET儀器性能的關(guān)鍵，PET探測器通常由分割的閃爍晶體陣列和光探測器組成，文中使用位置靈敏光電倍增管和不同晶體表面特性的硅酸釔镥((Lu,Y)2SiO5, LYSO)晶體陣列，對新型的雙端讀出三維PET探測器和傳統(tǒng)的單端讀出二維PET探測器的性能進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于雙端讀出PET探測器，兩種晶體陣列提供相近的晶體分辨圖和能量分辨率，但非拋光晶體陣列提供好的深度分辨率，雙端讀出PET探測器需要使用表面不拋光的晶體陣列；對單端讀出PET探測器，拋光晶體陣列提供好的晶體分布圖和能量分辨率，單端讀出PET探測器需要使用表面拋光的晶體陣列。

正電子發(fā)射斷層成像，硅酸釔镥晶體，PET探測器，位置分辨率，能量分辨率

Key wordsPET, LYSO crystal, PET detector, Spatial resolution, Energy resolution

正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography, PET)是一種先進(jìn)的高靈敏分子影像技術(shù)，能夠定量和無創(chuàng)地測量由正電子發(fā)射核素標(biāo)記的生物分子在生物體內(nèi)隨時(shí)間變化的情況[1]。PET分子影像具有高靈敏、高定量精度和早期診斷等優(yōu)點(diǎn)，相對于臨床人體PET成像系統(tǒng)，小動(dòng)物PET不僅需要而且也可以達(dá)到更高的空間分辨率和效率，適合用于疾病的動(dòng)物模型研究、新藥物療效評估和新治療方法研究等[2]。目前已有超過500臺小動(dòng)物PET被安裝于世界各地的生物醫(yī)學(xué)研究中心和制藥公司，廣泛用于各種生物醫(yī)學(xué)研究工作[3]。

提高探測器的性能是改進(jìn)PET儀器性能的關(guān)鍵[4]，PET探測器通常由晶體陣列和光探測器組成，硅酸镥/硅酸釔镥(Lu2SiO5, LSO/(Lu,Y)2SiO5, LYSO)晶體因其具有高密度、高的光產(chǎn)額和快的衰減常數(shù)，是現(xiàn)今PET成像儀器最常用的晶體材料[5]。晶體表面的拋光工藝處理會(huì)影響閃爍光子在晶體中的傳輸，從而影響光探測器測量到的光子數(shù)，最終影響PET探測器的性能。本文使用位置靈敏光電倍增管，對新型的雙端讀出三維PET探測器和傳統(tǒng)的單端讀出二維PET探測器在使用不同晶體表面特性的LYSO晶體陣列時(shí)的晶體分辨圖、能量分辨率和深度分辨率進(jìn)行測量。

1 閃爍光子在晶體中的傳輸

PET探測器一般由閃爍晶體和光探測器兩部分組成，511 keV γ射線和閃爍晶體通過光電效應(yīng)或康普頓散射等發(fā)生相互作用[6]，產(chǎn)生幾千到上萬可見光子，LYSO晶體的光產(chǎn)額約為26000 photon·MeV?1?？梢姽庾釉诰w中通過多次反射，部分光子到達(dá)光探測器表面，其中部分通過光電效應(yīng)被轉(zhuǎn)換為電子，電子在光探測器中通過倍增過程，在光探測器的陽極產(chǎn)生電信號。PET探測器的性能和光探測器產(chǎn)生的電子數(shù)密切相關(guān)，為了提高PET探測器的性能，需要盡可能地提高伽瑪射線和晶體相互作用時(shí)產(chǎn)生的光子到達(dá)光探測器表面并被轉(zhuǎn)化為電子的幾率

[7?8]。

閃爍晶體和光探測器耦合的示意圖如圖1所示，其中圖1(a)、(b)的耦合介質(zhì)分別為空氣和硅油。由圖1可以大致估算出閃爍光子到達(dá)光探測器表面的幾率，由于晶體的折射率大于硅油和空氣的折射率，光子在晶體中的全反射角(α)可由式(1)計(jì)算：

式中：n1、n2分別為耦合介質(zhì)和晶體的折射率。張角為α的圓錐所占的立體角(?)可式(2)計(jì)算：

由于閃爍光子的產(chǎn)生為各項(xiàng)同性，如果光子在晶體表面為鏡反射，只有在張角為α的圓錐內(nèi)的光子可以到達(dá)光探測器表面，這部分光子的額度與總的光產(chǎn)額的比例(η)為：

圖1(a)中n1為1，n2為1.82。根據(jù)式(1)得到光子的全反射角為33.3°，而根據(jù)式(2)和(3)估算出能夠直接達(dá)到光探測器的光子的份額比僅為8.2%。圖1(b)中，n1為1.41，根據(jù)式(1)得到光子的全反射角為50.8°，能夠直接達(dá)到光探測器的光子的份額比例提高到18.4%。對于單端讀出PET探測器，通常晶體和光探測器相對的截面放置反射膜，部分朝相反方向傳輸?shù)墓庾颖环瓷浠睾?，有可能被光探測器測量到。

由此可見使用硅油作為耦合介質(zhì)可以提高光子到達(dá)光探測器的份額，改善PET探測器的性能。如果對晶體表面進(jìn)行拋光，晶體表面為鏡反射，如果晶體間反射膜也為鏡反射（像ESR (Enhanced Specular Reflector)反射膜），滿足全反射條件的光子將永遠(yuǎn)不可能傳輸出晶體；如果晶體表面不拋光，晶體表面為漫反射，光子在晶體中經(jīng)過多次反射后方向改變，光子可以到達(dá)光探測器的份額相應(yīng)變化，從而改變PET探測器的性能。

圖1 閃爍晶體通過空氣(a)和硅油(b)與光探測器耦合示意圖Fig.1 Schematic view of scintillator crystal coupling to photodetector through air (a) and silicone oil (b).

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 LYSO晶體陣列

實(shí)驗(yàn)中使用的兩個(gè)LYSO晶體陣列如圖2所示，陣列的外圍尺寸均為12.6mm×12.6mm×20mm，陣列為11×11，單個(gè)晶體的尺寸為0.96mm× 0.96mm×20 mm，晶體陣列兩端拋光，晶體陣列1中每個(gè)晶體的4個(gè)長方形表面未進(jìn)行拋光處理，晶體陣列2中所有晶體表面進(jìn)行拋光處理，兩個(gè)陣列由同一塊LYSO原材料制作而成，從而確保兩個(gè)陣列所用晶體材料具有相近的光產(chǎn)額。晶體間和陣列外面所用的反射膜為美國3M公司的ESR。ESR是一種常用于PET晶體陣列的鏡面反射膜，在可見光波長范圍內(nèi)反射率大于98%。

Fig.2 Photograph of the two LYSO arrays.圖2 LYSO晶體陣列照片

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示，對兩個(gè)晶體陣列分別進(jìn)行了雙端讀出和單端讀出測量，對于雙端讀出探測器，晶體陣列的兩端通過硅油與日本Hamamatsu H7546位置靈敏光電倍增管(Position Sensitive Photo Multiplier Tube, PSPMT)耦合，該P(yáng)SPMT有64個(gè)陽極輸出信號，通過一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)和信號相加電路讀出得到4個(gè)位置解碼的能量信號[9]，用于晶體分辨圖和能量的計(jì)算，通過兩個(gè)PSPMT測量得到的能量信號的比值可以對探測器的相互作用深度進(jìn)行測量[10]。一個(gè)由Hamamatsu R9800單通道PMT讀出的LYSO薄片(40 mm× 20mm×1.0 mm)探測器和一個(gè)直徑為0.25 mm的22Na點(diǎn)源一起安裝在一個(gè)移動(dòng)平臺上。對于單端讀出探測器，和PSPMT相對的晶體陣列端面放置ESR反射膜。實(shí)驗(yàn)對探測器分別進(jìn)行了符合和不符合兩種模式的測試，在非符合模式下，22Na點(diǎn)源從探測器的側(cè)面對整個(gè)探測器進(jìn)行均勻照射；在符合模式下通過平臺的移動(dòng)以及LYSO晶體陣列探測器和薄片探測器的符合，有選擇地對晶體陣列探測器的5個(gè)不同深度(2 mm、6 mm、10 mm、14 mm、18 mm)進(jìn)行照射。

Fig.3 Schematic view of the experimental setup.圖3 探測器測量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過以下公式分別計(jì)算得到單個(gè)PSPMT和兩個(gè)PSPMT測量得到的探測器晶體分辨圖的位置坐標(biāo)[11]。

式中：A1、B1、C1、D1是來自PSPMT1的4個(gè)位置解碼能量信號；A2、B2、C2、D2是來自PSPMT2的 4個(gè)位置解碼能量信號。單個(gè)PSPMT和兩個(gè)PSPMT測量到的探測器能量由式(7)計(jì)算：

雙端讀出探測器的相互作用深度由兩個(gè)PSPMT測量到的能量比計(jì)算：

對探測器的晶體分辨圖的質(zhì)量只在視覺上進(jìn)行了比較，沒有進(jìn)行定量分析，得到探測器的晶體分布圖之后，可以產(chǎn)生一個(gè)晶體查找表，然后得到每個(gè)晶體的能譜，通過高斯擬合可以得到511 keV γ射線光電峰的半高寬和峰位值，能量分辨率為擬合得到的光電峰半高寬和峰值之比乘以100。得到探測器每個(gè)深度的能量比分布函數(shù)后，通過高斯擬合得到該分布的峰位置和半高寬，然后使用該探測器2 mm和18 mm深度的峰位值和已知深度，使用線性擬合方法將探測器每個(gè)深度的能量比分布函數(shù)的半高寬轉(zhuǎn)換為以mm為單位的深度分辨率[12]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 晶體分辨圖

圖4和5分別為兩種LYSO晶體陣列在雙端和單端讀出情況下測量得到的不同深度和整個(gè)陣列的晶體分布圖，對雙端讀出探測器，晶體分辨圖由兩個(gè)PSPMT測量得到。在雙端讀出情況下，兩種晶體陣列在每個(gè)深度的晶體分辯圖都很好，而且晶體分辨圖不隨深度變化。雖然拋光晶體陣列整個(gè)探測器的晶體分布圖在邊緣稍微好于非拋光晶體，但使用整個(gè)探測器的晶體分辨圖，對兩種晶體陣列中每個(gè)晶體都可以做出清楚無誤的區(qū)分。對于單端讀出探測器，使用每個(gè)深度的晶體分辨圖，對兩種陣列中每個(gè)晶體都可以做出清楚的區(qū)分，但對非拋光晶體陣列，晶體分辨圖的大小隨著深度而變化，使用整個(gè)探測器的晶體分辨圖，對邊緣晶體不能做出清楚的區(qū)分。拋光晶體陣列的晶體分辨圖不隨著深度而變化，使用整個(gè)探測器的晶體分辨圖，可以對每個(gè)晶體做出清楚無誤的區(qū)分，單端讀出探測器必須使用拋光晶體陣列。

圖4 非拋光(a)和拋光(b) LYSO晶體陣列采用雙端讀出在2 mm、10 mm和18 mm深度以及整個(gè)晶體陣列的晶體分辨圖Fig.4 Flood histograms of the unpolished (a) and polished (b) LYSO array with dual-ended readout measured at depths of 2 mm, 10 mm and 18 mm as well as the entire arrays.

圖5 非拋光(a)和拋光(b) LYSO晶體陣列采用單端讀出在2 mm、10 mm和18 mm深度以及整個(gè)晶體陣列的晶體分辨圖Fig.5 Flood histograms of the unpolished (a) and polished (b) LYSO array with single-ended readout measured at depths of 2 mm 10 mm and 18 mm as well as the entire arrays.

3.2 能量分辨率

圖6分別為兩種晶體陣列中一個(gè)中間晶體（第66號）在雙端讀出情況時(shí)，在非符合模式測量條件下得到的能譜。圖7為兩種探測器511 keV全能峰峰位隨著深度的變化，峰位由所有晶體的能譜計(jì)算得到，可以看出不拋光晶體陣列每個(gè)PSPMT測量到的能量隨著深度的變化大于拋光晶體，在深度2mm、非拋光晶體陣列由PSPMT1測量得到的能量大于拋光晶體陣列，兩種晶體陣列由兩個(gè)PSPMT測量得到的總能量相近，而且?guī)缀醪浑S深度變化，兩種LYSO晶體陣列中第66號晶體的能量分辨率分別為13.4%和12.5%，所以兩種晶體陣列的能量分辨率也相近。

圖8為在單端讀出情況下，兩種晶體陣列中第66號晶體在非符合模式下測量得到的能譜，對非拋光晶體陣列，由于測量得到的能量隨著深度變化（圖7），整個(gè)探測器的能量分辨率明顯變差，對第66號晶體，兩種晶體陣列的能量分辨率分別為34.0%和12.5%，拋光晶體陣列的能量分辨率明顯好于不拋光的晶體陣列。

圖6 探測器采用雙端讀出時(shí)非拋光(a)和拋光(b) LYSO晶體陣列中第66號晶體的能譜Fig.6 The energy spectrum of crystal 66 for the unpolished (a) and polished (b) LYSO arrays with dual-ended readout.

圖7 非拋光(a)和拋光(b) LYSO晶體陣列全能峰峰值隨著深度的變化Fig.7 The dependence of the photopeak amplitude of the unpolished (a) and polished (b) LYSO arrays on depths.

圖8 探測器采用單端讀出時(shí)非拋光(a)和拋光(b) LYSO晶體陣列中第66號晶體的能譜Fig.8 The energy spectrum of crystal 66 for the unpolished (a) and polished (b) LYSO arrays with single-ended readout.

3.3 深度分辨率

圖9分別為兩個(gè)晶體陣列中第66號晶體在深度2 mm、6 mm、10 mm、14 mm、18 mm處的能量比分布曲線。可以看出非拋光晶體陣列的深度分辨率要遠(yuǎn)好于拋光晶體，對于第66號晶體，非拋光晶體陣列得到的平均深度分辨率為2.48 mm，拋光晶體陣列的平均深度分辨率為9.50 mm。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文使用PSPMT和晶體大小為0.96 mm× 0.96mm×20 mm的晶體陣列，對晶體表面非拋光和拋光的LYSO晶體陣列在單端讀出和雙端讀出的情況下的探測器性能進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于雙端讀出三維PET探測器，非拋光晶體陣列和拋光晶體陣列相比提供相近的晶體分辨圖、相近的能量分辨率，但更好的深度分辨率。對于傳統(tǒng)的單端讀出二維探測器，拋光晶體陣列與非拋光晶體陣列相比，提供了更好的晶體分辨圖和能量分辨率。

圖9 非拋光(a)和拋光(b) LYSO晶體陣列中第66號晶體在5個(gè)深度(2 mm、6 mm、10 mm、14 mm、18 mm)的能量比分布曲線Fig.9 DOI histograms of crystal 66 from the unpolished (a) and polished (b) LYSO arrays measured at five depth of 2 mm, 6 mm, 10 mm, 14 mm and 18 mm.

4 結(jié)語

本文討論了耦合介質(zhì)可以增加晶體的光輸出，從而提高PET探測器的性能，而通過對晶體進(jìn)行工藝處理來增加光輸出份額也可以提高探測器的性能，那通過改善耦合材料來增加晶體光輸出的份額，也能提高探測器性能。該結(jié)果對分析影響PET探測器性能的因素提供參考。本文采用晶體陣列的尺寸小于探測器，根據(jù)現(xiàn)有的研究，晶體陣列尺寸的選擇與探測器的尺寸有關(guān)系，由于條件限制沒有對不同尺寸的晶體陣列對探測器性能影響進(jìn)行比較。另外，時(shí)間分辨率是影響PET探測器性能的重要因素，因?qū)嶒?yàn)條件限制，而沒有對工藝處理的晶體陣列的時(shí)間分辨率進(jìn)行測試，這一定程度上增加了本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果的局限性。所以本文的研究結(jié)果只是為不同類型探測器研發(fā)小動(dòng)物PET成像系統(tǒng)提供參考，小動(dòng)物PET成像系統(tǒng)若使用傳統(tǒng)的單端讀出二維探測器，可以考慮采用拋光的晶體表面，若使用雙端讀出三維探測器，則應(yīng)考慮采用非拋光的晶體表面。

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Effect of crystal surface characteristics on the performance of PET detectors

FENG Kai1,2XU Yue2BAO Hong2DENG Xinhan1,2KUANG Zhonghua1
WANG Xiaohui1ZHENG Yunfei1YANG Yongfeng1
1(Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China)
2(Guangdong University of Technology, Guangdong 510006, China)

Background: Positron emission tomography (PET) is the most sensitive and quantitative functional and molecular imaging technique. It was more and more popularly used in modern biomedical research such as animal model of human disease, new drug development and evaluation of new therapies. Purpose: Improving the detector property is the key to increase the performance of the PET scanners. PET detector normally consists of a segmented scintillator array and a photodetector. Methods: In this work the performance of PET detectors consisting of (Lu,Y)2SiO5(LYSO) arrays with polished and unpolished crystal surface was measured by using both dual-ended and single-ended readout with position sensitive photomultiplier tube. Results: The experimental results showed that both LYSO arrays provided similar flood histogram and energy resolution for dual-ended readout detector, but the unpolished LYSO array provided much better resolution of interaction depth and should be used for dual-ended readout PET detectors. Conclusion: Polished LYSO array provided better flood histogram and energy resolution, and should be used for single-ended readout PET detector.

FENG Kai, male, born in 1990, graduated from Zhengzhou Institute of Industrial Technology in 2013, master student, focusing on nuclear medical instrument

YANG Yongfeng, E-mail: yf.yang@siat.ac.cn

date: 2017-02-28, accepted date: 2017-04-05

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.060402

國家自然科學(xué)基金(No.81527804、No.11575285)、深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(No.JCYJ-20150630114942310)資助

馮凱，男，1990年出生，2013年畢業(yè)于鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楹酸t(yī)學(xué)儀器

楊永峰，E-mail: yf.yang@siat.ac.cn

2017-02-28，

2017-04-05

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.81527804, No.11575285), Shenzhen Basic Research Project (No.JCYJ-

20150630114942310)