基于沿單層LYSO晶體陣列深度多層反射膜分布的深度編碼PET探測器研究

趙斌清，付春亮，鄺忠華，王曉輝，任 寧，吳 三，楊 茜，孫明道，張春暉，章先鳴，高 娟，桑子儒，胡戰(zhàn)利，都軍偉，楊永峰,*

(1.中國科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055；2.武漢第二船舶研究設(shè)計院，湖北 武漢 430205)

正電子斷層掃描成像(PET)是一種活體功能代謝成像技術(shù)，具有高靈敏度和高定量精度的優(yōu)點，在心血管疾病、腦神經(jīng)疾病和腫瘤早期診斷及治療的早期評估方面具有廣泛的應(yīng)用；同時，PET也是腦科學(xué)研究、新治療方法研究和新藥物研發(fā)的重要工具[1-4]。PET使用核素示蹤的原理，通過符合探測特定藥物發(fā)射的正電子湮滅所產(chǎn)生的兩條γ射線實現(xiàn)成像。γ射線在傳統(tǒng)PET探測器中的作用深度不確定效應(yīng)造成PET成像系統(tǒng)的空間分辨率變差，對于探測器環(huán)直徑較小的小動物PET和人腦專用PET、長軸向視野的全身PET，這一效應(yīng)尤為嚴(yán)重。因此，研發(fā)高分辨率的深度測量探測器是PET成像系統(tǒng)達(dá)到全視野高空間分辨率的關(guān)鍵[5-6]。

近年來，研發(fā)具有深度測量能力的探測器一直是PET儀器研發(fā)的熱點[7-8]。已經(jīng)研發(fā)成功的深度測量探測器方法包括晶體陣列雙端讀出[9-11]、衰變時間不同的多層晶體[12-14]、多層晶體陣列各層單獨讀出[15-16]、利用晶體間光分享原理實現(xiàn)深度測量[17-21]、連續(xù)晶體[22-25]和半連續(xù)晶體[26]等。其中日本研究小組提出了一種通過在各層晶體間布局不同反射膜的多層切割晶體陣列組成的單端讀出深度測量PET探測器[27]，該方法利用γ射線與各層晶體發(fā)生作用時產(chǎn)生的閃爍光子在光探測器的分布重心不同而實現(xiàn)深度測量，該深度測量PET探測器只需1個光探測器，可達(dá)到4層深度分辨能力，已用于乳腺和腦PET成像系統(tǒng)[28-30]。近年來，該研究小組還采用激光雕刻技術(shù)來制作晶體陣列，進(jìn)一步降低了探測器成本，改進(jìn)了探測器性能[31]。在上述多層切割晶體陣列的方法中，各層晶體間的界面對閃爍光子傳輸和收集會有一定影響，從而影響到探測器的能量和時間分辨率等性能。為此，本文提出在單層LYSO晶體陣列中，采用沿晶體深度布局多層反射膜，并通過SiPM陣列單端讀出，從而進(jìn)行深度測量的PET探測器方法。

1 實驗方法

1.1 探測器深度測量原理

圖1 傳統(tǒng)單端讀出晶體陣列探測器示意圖和預(yù)期晶體分辨圖Fig.1 Schematic view of traditional single-ended readout crystal array detector and its expected flood histogram

圖1為傳統(tǒng)單端讀出晶體陣列探測器示意圖和預(yù)期晶體分辨圖，探測器包括晶體陣列和光探測器陣列，晶體間采用反射膜相隔，晶體陣列外面包裹反射膜。γ射線與晶體相互作用產(chǎn)生的閃爍光子在晶體內(nèi)部經(jīng)過多次反射后到達(dá)光探測器，閃爍光子在光探測器上分布的重心確定了晶體在晶體分辨圖上的位置，探測器通常只能區(qū)分不同的晶體而不能提供相互作用深度信息。

本文提出在單層晶體陣列中沿晶體深度布局多層反射膜的方法，使得γ射線與晶體在不同深度作用時產(chǎn)生的閃爍光子到達(dá)光探測器時的分布重心不同(圖2)。布局2層反射膜的探測器，第1層晶體間采用10 mm光學(xué)膠耦合，第2層晶體間采用10 mm反射膜耦合；布局4層反射膜的探測器，第1層晶體間采用5 mm光學(xué)膠耦合，第2層一個方向采用5 mm光學(xué)膠耦合，另一個方向則采用5 mm反射膜耦合，第3層相對于第2層光學(xué)膠和反射膜的位置互換，第4層晶體間則采用5 mm反射膜耦合。反射膜阻礙晶體間的光子分享，光學(xué)膠促進(jìn)晶體間的光子分享，因此，當(dāng)γ射線入射上述探測器后，在晶體不同深度處發(fā)生作用時到達(dá)光探測器的閃爍光子的分布重心不同，導(dǎo)致在晶體分辨圖中的位置不同，據(jù)此可區(qū)分γ射線與晶體作用的深度。

圖2 布局2層(a)和4層(b)反射膜的探測器示意圖和預(yù)期的晶體分辨圖Fig.2 Schematic of detector with two (b) and four (b) reflector arrangements and their expected flood histograms

1.2 探測器制作和SiPM讀出電路

采用4個尺寸為3 mm×3 mm×20 mm的晶體，按照圖2中所示的晶體間反射膜布局，制作了布局2層和4層反射膜的2×2 LYSO晶體陣列探測器(圖3)。單個晶體所有表面未拋光，晶體陣列除與SiPM耦合的面外，其余5個外表面均包裹Teflon薄膜，晶體間反射膜材料采用美國3M公司的ESR反射膜。2×2 LYSO晶體陣列與1個4×4 SiPM陣列中心的4個像素單元通過光學(xué)硅油一對一耦合。

圖3 布局2層(a)和4層(b)反射膜的2×2 LYSO晶體陣列照片F(xiàn)ig.3 Photo of 2×2 LYSO crystal arraywith two (a) and four (b) reflector arrangements

光探測器使用日本Hamamatsu公司的S12642-0404PA-50 4×4 SiPM陣列，每個SiPM單元的像素尺寸為3 mm×3 mm，間隙為0.2 mm，總有效探測面積為12.6 mm×12.6 mm。該SiPM陣列有16個輸出信號，通過行列相加電路得到8個位置解碼的能量信號，用于能量和晶體分辨圖的計算，SiPM行列相加讀出電路原理圖如圖4所示。

1.3 實驗測量

使用圖5所示的實驗裝置，分別在非符合模式和符合模式下對探測器進(jìn)行測量。在非符合模式下，一個直徑為0.25 mm的22Na放射源從側(cè)面對待測的LYSO晶體陣列探測器進(jìn)行均勻照射。在符合模式下，由Hamamatsu R9800單通道PMT和LYSO薄片(40 mm×20 mm×1.0 mm)組成參考探測器，將直徑為0.25 mm的22Na放射源與參考探測器一起安裝在同一移動平臺上，通過移動平臺對待測晶體陣列探測器的4個不同深度(2.5 mm，7.5 mm，12.5 mm，17.5 mm)進(jìn)行照射。放射源到薄片探測器和待測的LYSO晶體陣列探測器的距離分別是35 mm和45 mm。

圖4 4×4 SiPM陣列行列相加讀出電路原理圖Fig.4 Schematic of row and column summing readout circuit of 4×4 SiPM array

圖5為實驗裝置和電子學(xué)示意圖，待測探測器的8個位置解碼的能量信號進(jìn)入線性扇入/扇出模塊，每路信號復(fù)制為兩路信號，8路能量信號相加后輸入快放大器，待測探測器和參考探測器的符合信號作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觸發(fā)信號，最終對經(jīng)過譜放大器成形和放大的8路能量信號峰值采樣數(shù)字化后存儲為列表數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

探測器的總能量由下述公式計算：

E=X1+X2+X3+X4+Y1+Y2+Y3+Y4

(1)

其中，X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3、Y4是8個位置解碼的能量信號，單個γ事件在二維晶體分辨圖中的位置由下式計算：

(2)

(3)

首先根據(jù)上述公式得到整個探測器的能譜和晶體分辨圖，對晶體分辨圖進(jìn)行晶體單元分割，產(chǎn)生探測器的晶體查找表；然后使用晶體查找表重新分析數(shù)據(jù)，得到每個晶體的能譜，再通過高斯擬合獲得511 keV的γ射線光電全能峰的峰位置和半高寬，晶體的能量分辨率為半高寬除以峰位值再換算為百分比；最后使用每個晶體的全能峰峰位，得到探測器在不同能量窗條件下，不同深度和整個探測器的晶體分辨圖，并對探測器的深度測量能力進(jìn)行定量分析。

圖5 實驗裝置和電子學(xué)示意圖Fig.5 Schematic of experimental setup and electronics system

2 實驗結(jié)果

2.1 無符合模式下的晶體分辨圖

圖6為布局2層反射膜的2×2 LYSO晶體陣列探測器在非符合模式測量條件下得到的晶體分辨圖?？煽闯?，每個晶體都可清楚無誤地分辨，2層也可得到比較清楚地區(qū)分，每層內(nèi)部還可提供一定的連續(xù)深度信息。

圖7為布局4層反射膜的2×2 LYSO晶體陣列探測器在非符合模式測量條件下的晶體分辨圖，晶體陣列中每個晶體均可清楚無誤分辨，探測器第1層和第2層區(qū)分不太清楚，第2層和第3層、第3層和4層區(qū)分較清楚。

a——所有能量事件；b——能量在400～600 keV范圍內(nèi)的事件圖6 布局2層反射膜的2×2 LYSO晶體陣列探測器在非符合模式測量條件下的晶體分辨圖 Fig.6 Flood histograms of 2×2 LYSO crystal array detector with two reflector arrangements measured in single mode

2.2 單一深度的晶體分辨圖

布局2、4層反射膜的探測器在符合模式下得到的2.5、7.5、12.5和17.5 mm 4個深度的晶體分辨圖和總晶體分辨圖，分別示于圖8、9，對于布局2層反射膜的2×2 LYSO晶體陣列探測器，每個深度均可較清楚地區(qū)分，不同層的區(qū)分較每層內(nèi)的兩個深度(2.5 mm和7.5 mm、12.5 mm和17.5 mm)的區(qū)分更好。對于4層反射膜的2×2 LYSO晶體陣列探測器，每個深度均可清楚地區(qū)分，除第1層和第2層區(qū)分能力較差外，其他3層均能清晰無誤地區(qū)分。4層反射膜探測器的深度分辨能力優(yōu)于2層反射膜探測器。

a——所有能量事件；b——能量在400～600 keV范圍內(nèi)的事件圖7 布局4層反射膜的2×2 LYSO晶體陣列探測器在非符合模式測量條件下的晶體分辨圖Fig.7 Flood histograms of 2×2 LYSO crystal array detector with four reflector arrangements measured in single mode

2.3 探測器深度測量能力定量分析

為能定量評估2種探測器的深度測量能力，將探測器單個晶體在4個深度測量得到的晶體分辨圖沿45°或-45°對角線投影，得到4條投影曲線，對每條曲線進(jìn)行歸一化后得到圖10所示的4條曲線。在每兩條曲線的交點處畫1條豎線，位于第1條豎線左面的所有事件被指定為第1層，在第1和第2條豎線之間的事件被指定為第2層，在第2和第3條豎線之間的事件被指定為第3層，位于第3條豎線右面的所有事件被指定為第4層。表1列出2種探測器4個深度事件的正確指定概率(正確指定事件和所有事件之比)，布局2層反射膜的探測器對獲取的所有事件4個深度的平均正確指定概率為65.5%，能量在400～600 keV的事件平均正確指定概率為70.6%。而布局4層反射膜的探測器，所有事件4個深度的平均正確指定概率為74.8%，能量在400～600 keV的事件4個深度的平均正確指定概率為79.1%。4層反射膜探測器的深度分辨能力明顯優(yōu)于2層反射膜探測器。表2列出布局2層反射膜探測器2層深度分辨能力的定量估評結(jié)果，深度2.5 mm和7.5 mm對應(yīng)于第1層，深度12.5 mm和17.5 mm對應(yīng)于第2層，對所有事件，探測器2層的平均正確指定概率達(dá)85.1%，對能量在400～600 keV的事件探測器2層的平均正確指定概率達(dá)87.4%。

圖8 布局2層反射膜的探測器4個深度的晶體分辨圖和總晶體分辨圖Fig.8 Flood histograms of detector with two reflector arrangements measured at 4 depths and summed flood histogram of all 4 depths

圖9 布局4層反射膜的探測器4個深度的晶體分辨圖和總晶體分辨圖Fig.9 Flood histograms of detector with four reflector arrangements measured at 4 depths and summed flood histogram of all 4 depths

圖10 探測器深度指定方法示意圖Fig.10 Schematic of depth assignment method for detector

探測器類型能量窗正確指定概率/%2.5 mm7.5 mm12.5 mm17.5 mm平均布局2層反射膜探測器E>0 keV67.660.660.473.365.5400 keV0 keV80.460.776.282.074.8400 keV

表2 布局2層反射膜探測器相對應(yīng)2層事件正確指定的概率Table 2 Probabilities to make correct assignment to each half of detector with two reflector arrangements

2.4 能量分辨率

圖11、12為2種探測器的4個晶體在非符合模式測量條件下的能譜，表3列出2種探測器的4個晶體的511 keV全能峰峰位和能量分辨率。兩種探測器的平均能量分辨率分別為18.0%和12.2%。由于晶體陣列為手工制作，晶體全能峰位和能量分辨率的變化偏大，晶體能量分辨率較差。

圖11 布局2層反射膜探測器4個晶體的能譜圖Fig.11 Crystal energy spectra of detector with two reflector arrangements

圖12 布局4層反射膜探測器4個晶體的能譜圖Fig.12 Crystal energy spectra of detector with four reflector arrangements

探測器類型能量分辨率/%峰位/V1234平均1234平均2層反射膜探測器19.919.119.513.618.05.165.165.195.045.144層反射膜探測器13.612.12.310.212.24.894.814.914.704.83

3 結(jié)論

本文提出并測試了一種具有深度測量能力的單端讀出的PET探測器，該探測器由在沿晶體深度方向布局2層或4層反射膜的單層晶體陣列組成，根據(jù)不同深度事件在探測器晶體分辨圖上的位置不同進(jìn)行深度測量。本文制作了兩個簡單的2×2 LYSO晶體陣列，對該探測器的深度測量能力進(jìn)行了研究。對于布局2層反射膜探測器，上下兩層事件平均正確指定概率為85.1%，4個深度事件平均正確指定概率為65.5%；對于布局4層反射膜探測器，4個深度事件平均正確指定概率為74.8%。由于部分511 keV γ射線在LYSO晶體中發(fā)生多次散射使得平均作用深度偏離初始深度，實際上探測器作用深度正確指定的概率會更大。布局4層反射膜探測器的深度分辨率優(yōu)于布局2層反射膜探測器。布局4層反射膜探測器上面兩層的深度分辨能力較其他層差，反射膜的布局方式仍需進(jìn)一步優(yōu)化。本文兩種探測器的平均能量分辨率為18.0%和12.2%，比預(yù)期的能量分辨率差，其中一個主要原因是本工作所用LYSO晶體陣列為手工制作，制作工藝還需進(jìn)一步改進(jìn)。本文提出的深度測量PET探測器，在對其參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和研發(fā)大的晶體陣列后，可用于今后研發(fā)高性能腦專用、全身和全景PET成像系統(tǒng)。