小动物正电子成像仪探测器发展论文.doc

小动物正电子成像仪探测器发展论文 小动物正电子成像仪探测器发展论文预读: 摘要:1商业化小动物PET的探测器截止到2006年,已经商业化的小动物PET机型有5个:eXplorerVista(GeneralElectricHealthcare),microPETFocus(ConcordMicrosystemsInc．),Quad-HIDAC(OxfordPositronSystemsLtd．),MOSAIC(PhilipsMedicalSystems),YAP-PET(I．S．E．Srl,Italy)［22］.Quad-HIDAC(4探头HIDAC系统)和YAP-PET在前文已有介绍,以下比较GE、Siemens和Philips三家公司的代表产品.MicroPETFocus是第三代microPET系统［23］.该系统晶体横截面变大,长度变短,牺牲了一些空间分辨率,在保持系统灵敏度的同时改善了全视野分辨率的不均匀性;光纤长度减小,降低了光传输过程的损耗.InveonsmallanimalPET(SiemensMedicalSolutions)是microPETFocus的后续产品型号［24－25］.Inveon系统使用了与Focus系统一样的晶体,晶体阵列变大,使用锥形多像素光导耦合到PS-PMT,其探测器单元如图6所示.大面积晶体阵列耦合小面积PS-PMT能够提高光子吸收效率,降低光电探测器数量,提高轴向视野.这样,系统能够进行小动物全身成像.eXploreVISTASmallAnimalPET［26］是GE公司开发的专门用于啮齿类小动物PET的成像系统.系统使用双层晶体Phoswich结构修正DOI误差,上层晶体使用LYSO,下层晶体使用GSO,根据两种晶体的衰减时间不同来得到DOI信息.光电探测器使用PS-PMT.系统固有空间分辨率和灵敏度均达到较高水平,能量分辨率要比单层闪烁体探测器稍差.MOSAICsmallanimalPET系统在空间分辨率方面进行了一定的妥协,尽量提高视野范围,其灵敏度在反映低比活度的放射性配体时表现仍可接受［27－29］.原型机使用GSO耦合PMTs的探测器结构,后使用LYSO晶体替换GSO晶体,LYSO具有更高的阻断能量和光输出.闪烁晶体和PMTs之间采用连续带沟槽的光导连接,如图7所示.连续光导能够最小化探测器死区的影响,沟槽结构是为了更好地分辨晶体.MOSAIC系统由于具有高等效噪声计数率(NoiseEquivalentCountＲate,NECＲ)和大视野区域,可以进行高速全身小动物PET成像.商业化产品大多采取环形探测器结构,使用比较成熟的技术,在分辨率、灵敏度、成本和系统稳定性之间寻找平衡,尤其无法兼顾分辨率和灵敏度,但多以追求高的空间分辨率为主,如表3所示.2小动物PET探测器技术挑战与展望2.1研究结构简单、成本较低的DOI修正方法目前,已经有多种修正DOI误差的方法提出,比如前面已经提到的Phoswich结构.同样采用Phoswich结构的还有Hyun等设计的高性能TraPET［30］,其探测器模块由整块锥形LSO晶体连接LuYAP晶体阵列组成,通过分析SiPM(SiPMT,硅光电倍增管)阵列输出脉冲的波形获取DOI信息.Nishikido等开发出基于4层LYSO晶体阵列一对一耦合PSAPD阵列的小动物PET原型机,通过识别伽马射线穿过每层晶体的位置获取DOI信息［31］.近年来,很多具有DOI能力的小动物PET采用锥形晶体阵列两端耦合PSAPD的探测器模块,锥形晶体阵列如图8所示.锥形结构可大大减小探测器间距,显著提高系统灵敏度.StJames等设计的小动物PET探测器,在通道数不变的情况下,比采用传统矩形晶体阵列的探测器灵敏度提高了64%［32］.Yang等设计的小动物PET探测器,灵敏度也实现了41%的提高,同时具有2.6mm的DOI分辨率［33］.Ｒodríguez-Villafuerte等提出的小鼠脑部PET,基于像素锥形晶体和PSAPDs双端读出方式,其深度编码精度达到2mm,并且获得(0.70±0.05)mm的超高分辨率.此外,还有基于连续晶体探测器模块的DOI修正方法［34］.这些方法从实验上证明DOI引起的误差可以进行修正,但都会导致硬件成本增加［32］.因此,研究出能够减少硬件消耗,尤其是通过软件实现的方法,是一个很有潜力的方向.2.2开发性能更好的新型半导体探测器材料2.2.1SiPM(siliconphotomultiplier)SiPM又称盖革模式雪崩二极管(Geigermodeavalanchephotodiode,GAPD)、SSPM(solidstatephotomultiplier,固态光电倍增管),具有结构紧凑、增益高、响应迅速、偏压低等优点,近年来逐渐取代传统PMT,在PET上得到应用.SiPM对磁场不敏感的特性使PET可与MＲI结合［35］,其快速响应时间能够满足TOF-PET(timeofflight,飞行时间)技术的要求［36］.Kwon等提出LGSO晶体阵列耦合SiPM阵列的小动物PET探测器［37］.Llosá等提出基于连续LYSO晶体耦合集成SiPM阵列的PET探测器探头设计,通过算法获取DOI信息,使用5mm厚度晶体可实现0.7mm半高宽(fullwidthathalfmaximum,FWHM)的空间分辨率［38］.Cerello等提出基于连续LYSO晶体双面耦合SiPM阵列的PET探测器模块,该探测器可通过DOI信息去除视差,并获得各向相近的高分辨率,而且能够应用TOF技术精确地测量湮灭事件在响应线上的位置［39］.2.2.2CdTe(碲化镉)、CdZnTe(碲锌镉)CdTe、CdZnTe等半导体材料能够直接将伽马射线转换成电子,灵敏度高,能量分辨率好,阻止本领高,可用于制造不需闪烁晶体和光电倍增管的新型PET探测器.Ishii等开发的小动物PET探测器模块由双层毫米级带状CdTe探测器组成,具有DOI能力,可实现0.8mmFWHM的FOV中心分辨率［40］.该团队又开发出基于二维位置敏感型带状CdTe探测器(见图9(a))的高分辨率PET,并提出叠加这种新型CdTe探测器可获得具有DOI能力的三维超高分辨率PET［41］.Ario等研究了一种肖特基CdTe二极管探测器,得到1.2%FWHM(511keV)的能量分辨率和6nsFWHM(500keV)的时间分辨率.这表明,CdTe探测器可用于开发新型PET等核医学探测器［42］.CdZnTe探测器已实现在小动物PET中的应用［43］,并且体现出高性能特点.Yin等提出的高像素(350μm)CdZnTe小动物PET探测器(见图9(b)),可获得优于700μm的高空间分辨率［44－45］.Gu等开发出基于CdZnTe晶体探测器的小动物PET,CZT晶体两面为交叉带状电极,使探测器具有3D位置灵敏能力,能够获得(0.44±0.07)mm的分辨率和3.06%±0.39%(511keV)的能量分辨率［46］.Yoon等提出的CZTComptonPET探测器使用小像素CdZnTe,通过获取康普顿散射信息的方法,使能量分辨率提高了2.75倍［47］.目前,SiPM已在PET探测器上得到部分应用,但由于其造价较高等因素未广泛应用,因此开发新工艺、降低成本是其得到推广的前提.CdTe、CdZnTe探测器的性能直接受其晶体工艺技术和电子学结构的影响［48］,开发出具有较高电阻率、较好完整性和较大单片面积的晶体,对设计更高性能的半导体探测器具有十分重要的意义.2232.3通用的前端电子学设计在探测器单元中,前端电子学线路包括放大甄别电路和符合系统电路两部分,分别对光电转换部分输出的电信号进行放大、时间及能量甄别和符合判断等处理.目前开发的小动物PET系统,其探测器的前端电子学线路都是根据系统参数特殊定制的,除少数同系列产品可以通用外(microPETP4与microPETII使用了基本相同的处理电路),基本不具备跨平台移植性.无论是位置译码读出方式,还是像素独立读出方式,输出信号处理过程具有一定的相似性,理论上可以进行跨平台移植.设计具有一定通用性的前端电子学线路能够节省大量重复工作,可将研究重心转移到探测器组态、新材料研发和改进等方面,有利于小动物PET的快速发展.目前,已经有适用于多种基于SiPM小动物PET探测器的读出电路模块设计［49］.3结束语原创论文数据统计分析表明,小动物PET技术已经发展了20余年,探测器也由改装人体PET探测器过渡到专门设计,性能有了很大提高,并且应用最新技术、最新材料,在科研和商用领域都取得了很大的进步.设计高性能的小动物PET探测器,最大的难点在于兼顾空间分辨率和灵敏度.未来小动物PET探测器技术的研究重点仍然在探测器单元所包含的晶体、光电探测器、前端电子学层面,对DOI方法的改进、新型半导体探测器的研发和通用电子学的设计是十分有意义的发展方向.。