PET探测器技术的新进展

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1、PET探测器技术的新进展探测器技术的新进展郑州大学物理工程学院郑州大学物理工程学院牛灵欣，赵书俊，张斌，刘豪佳牛灵欣，赵书俊，张斌，刘豪佳1报告摘要报告摘要PET探测器相关领域的研究，一直很活跃，并探测器相关领域的研究，一直很活跃，并且是具有高创新性的领域。提高基于闪烁晶体的探且是具有高创新性的领域。提高基于闪烁晶体的探测器的性能，研究适用于多模式成像设备测器的性能，研究适用于多模式成像设备（PET/CT、PET/MRI）的新型探测器，满足）的新型探测器，满足TOF、DOI技术的需求并促进其发展，这些构成技术的需求并促进其发展，这些构成PET探测探测器研究的主要方向。本报告介绍了器研究的主要方

2、向。本报告介绍了PET探测器在闪探测器在闪烁晶体、光电探测器和半导体探测器等方面的最新烁晶体、光电探测器和半导体探测器等方面的最新进展。进展。2一一 正电子发射断层成像设备中探测器性能的要求正电子发射断层成像设备中探测器性能的要求 PET（positron emission tomography）是一个生成是一个生成生物活体代谢功能影像的工具，在分子水平定量探测生物活体代谢功能影像的工具，在分子水平定量探测生理过程，是所有成像模式中最灵敏的。生理过程，是所有成像模式中最灵敏的。PET中一个中一个关键组件是探测器模块。探测器的任务是阻挡入射的关键组件是探测器模块。探测器的任务是阻挡入射的光子并吸

3、收其能量，产生可以被后继电路处理的电光子并吸收其能量，产生可以被后继电路处理的电信号，电信号携带信号，电信号携带光子在探测器中沉积的能量、在光子在探测器中沉积的能量、在探测器阵列中与晶体交互位置及时间等信息。探测器阵列中与晶体交互位置及时间等信息。3要完成上述任务，理想的探测器应该具有以下属性：要完成上述任务，理想的探测器应该具有以下属性：（1）具有高阻止本领；）具有高阻止本领；（2）具有高空间分辨率；）具有高空间分辨率；（3）具有很高的能量分辨率；）具有很高的能量分辨率；（4）具有很高的时间分辨率；）具有很高的时间分辨率；（5）造价便宜。）造价便宜。与与PET探测器相关的领域，一直是很活跃和

4、具有创新性的。探测器相关的领域，一直是很活跃和具有创新性的。多年来，尽管在不停地设计各种各样的创新产品，例如持续对多年来，尽管在不停地设计各种各样的创新产品，例如持续对丝室探测器进行着研究和应用；为了提高丝室探测器进行着研究和应用；为了提高PET的空间分辨率，的空间分辨率，开发出了各种固体探测器，但开发研究仍集中在闪烁晶体探测开发出了各种固体探测器，但开发研究仍集中在闪烁晶体探测器上，器上，无论是商业型无论是商业型PET还是实验型还是实验型PET，闪烁晶体探测器一，闪烁晶体探测器一直占据主导地位。直占据主导地位。4 PETPET的的不同不同应用，对探测器有不同的要求。比如用应用，对探测器有不同

5、的要求。比如用于临床前期实验的小动物于临床前期实验的小动物PETPET更关心空间分辨率，而更关心空间分辨率，而时间分辨率并不是特别重要；对于脑部成像，既需要时间分辨率并不是特别重要；对于脑部成像，既需要高的空间分辨率也要求良好的动态成像，灵敏度就显高的空间分辨率也要求良好的动态成像，灵敏度就显得很重要；而全身扫描就要充分利用得很重要；而全身扫描就要充分利用TOFTOF系统，提高系统，提高信噪比。信噪比。5 鉴于鉴于PETPET的空间分辨率比其他成像模式（的空间分辨率比其他成像模式（MRMR、CTCT、X-rayX-ray等）差很多，目前及未来等）差很多，目前及未来PETPET的研发和设计，的研

6、发和设计，一定要考虑与其它成像装置同步工作。例如同步工一定要考虑与其它成像装置同步工作。例如同步工作的双模成像装置作的双模成像装置PET/CTPET/CT和和PET/MRPET/MR，可以最大限度，可以最大限度发挥不同成像模式各自的优势，提升发挥不同成像模式各自的优势，提升PETPET在临床应用在临床应用中的地位和价值。中的地位和价值。6 当前的当前的PET/CTPET/CT只是简单的集成，各自独立的两套只是简单的集成，各自独立的两套成像系统共享一个机架，用一个控制台操作，不能成像系统共享一个机架，用一个控制台操作，不能够并发生成解剖和功能影像，需要使用软件进行配够并发生成解剖和功能影像，需要

7、使用软件进行配准和融合。如果能够使用一套探测系统，同时进行准和融合。如果能够使用一套探测系统，同时进行发射和透射扫描，实现二者在硬件上融合，是发射和透射扫描，实现二者在硬件上融合，是PET/CTPET/CT面临的挑战和发展方向。硬件融合面临的挑战和发展方向。硬件融合PET/CTPET/CT真真正实现活体中快速动态生理过程的空间正实现活体中快速动态生理过程的空间-时间对应，时间对应，并减少病人辐射剂量。并减少病人辐射剂量。因此，开发能够同时记录因此，开发能够同时记录511keV 511keV 光子和光子和X-ray X-ray 的探测器就非常有价值。的探测器就非常有价值。7 硬件融合的硬件融合的

8、PET/MR，要求，要求PET探测器能够在磁探测器能够在磁场中不受磁场梯度和场中不受磁场梯度和RF信号的影响，同时由于空间信号的影响，同时由于空间的限制，对探测器的体积及配套的前端电子学电路的限制，对探测器的体积及配套的前端电子学电路也有严格限制。固体探测器将是满足这种应用的关也有严格限制。固体探测器将是满足这种应用的关键。键。8 最近几年一个主要的开发领域是最近几年一个主要的开发领域是DOI探测器，其目的是减少探测器，其目的是减少视差并保持良好的灵敏度。视差并保持良好的灵敏度。DOI技术对视差的校正可以减小径技术对视差的校正可以减小径向空间分辨率的损失，因此可以制造更小的探测器环。向空间分辨

9、率的损失，因此可以制造更小的探测器环。DOI探测器由不同种类闪烁晶体层叠而成，主要用于临床前期探测器由不同种类闪烁晶体层叠而成，主要用于临床前期及脑部专用的及脑部专用的PET扫描仪。扫描仪。DOI技术还处于初期开发阶段，还有很多值得探索的技术问题。技术还处于初期开发阶段，还有很多值得探索的技术问题。DOI探测器制造成本比较高，时间分辨率较差而不易与探测器制造成本比较高，时间分辨率较差而不易与TOF系系统融合，晶体阵列中的散射使光子来自多个闪烁晶体，造成精统融合，晶体阵列中的散射使光子来自多个闪烁晶体，造成精度下降。闪烁晶体、固体探测器和基于光响应函数（度下降。闪烁晶体、固体探测器和基于光响应函

10、数（LRF）定）定位算法三者的结合，会推动该技术的进一步发展。位算法三者的结合，会推动该技术的进一步发展。9图图1 DOI工作模式工作模式 a 脉冲形状鉴别脉冲形状鉴别 b 晶体偏移晶体偏移 c 双端光比率定位双端光比率定位 d 吸收率变化定位吸收率变化定位10 通常只能假定湮没事件发生于通常只能假定湮没事件发生于LORLOR线的某处，如果探测系线的某处，如果探测系统有很高的时间分辨率，就可获得事件发生于统有很高的时间分辨率，就可获得事件发生于LORLOR上何处的精上何处的精确信息。同等参数条件下，一个确信息。同等参数条件下，一个TOFTOF系统与非系统与非TOFTOF系统相比，能系统相比，能

11、提供更高的噪声等价计数和信噪比。例如一个飞行时间提供更高的噪声等价计数和信噪比。例如一个飞行时间（time-of-flight,TOFtime-of-flight,TOF）分辨率为）分辨率为600ps600ps的系统，可以将湮没的系统，可以将湮没位置大致定位在一个半宽高约位置大致定位在一个半宽高约9cm9cm的高斯型区域内，如图的高斯型区域内，如图2 2所示。所示。TOFTOF技术的实现必须依赖于高性能闪烁晶体和光电探测器。技术的实现必须依赖于高性能闪烁晶体和光电探测器。11图图2 TOF2 TOF原理原理12二二.闪烁晶体探测器技术的进展闪烁晶体探测器技术的进展 基于闪烁晶体的探测器一直是基

12、于闪烁晶体的探测器一直是PET设计中最主要、设计中最主要、最普遍使用的探测器，当前一个很活跃的研发领域就最普遍使用的探测器，当前一个很活跃的研发领域就是寻找理想的闪烁晶体，理想的闪烁晶体应该快速、是寻找理想的闪烁晶体，理想的闪烁晶体应该快速、高密度、高光产量且造价便宜。高密度、高光产量且造价便宜。新型晶体新型晶体LSO及其它镥化合物为设计人员提供了一及其它镥化合物为设计人员提供了一系列快速、高亮度及高密度的闪烁晶体。和系列快速、高亮度及高密度的闪烁晶体。和BGO和和NaI相比，相比，LSO晶体表现出几个明显优势特性，非常晶体表现出几个明显优势特性，非常适合于适合于PET的的3D成像。成像。13

13、二二.闪烁晶体探测器技术的进展闪烁晶体探测器技术的进展 BaF2晶体衰减时间超级短，为晶体衰减时间超级短，为600皮秒，可用于皮秒，可用于TOF型型PET设备，从某种程度上弥补了由于阻止能力设备，从某种程度上弥补了由于阻止能力低而造成的灵敏度下降的缺陷。低而造成的灵敏度下降的缺陷。上述几种晶体都已经在上述几种晶体都已经在PET设备生产中得到应用，设备生产中得到应用，新型的无机晶体也在不断开发中，主要是基于铈掺杂新型的无机晶体也在不断开发中，主要是基于铈掺杂的镧系和过渡金属元素，例如的镧系和过渡金属元素，例如LaBr3和和CeBr3。必须认识到探测器的性能不仅取决于闪烁晶体的特必须认识到探测器的

14、性能不仅取决于闪烁晶体的特性，还有赖于探测器自身的设计。性，还有赖于探测器自身的设计。14三三.光电探测器的进展光电探测器的进展 PMT是闪烁探测器的驱动器，具有很高的增益是闪烁探测器的驱动器，具有很高的增益（典型值是（典型值是106数量级）、低噪声和低成本，通常要数量级）、低噪声和低成本，通常要求的偏置工作电压为求的偏置工作电压为8001200V。由于。由于PMT的体积的体积和玻璃封装，无法实现晶体和和玻璃封装，无法实现晶体和PMT一对一的耦合，因一对一的耦合，因此限制了利用它制造高分辨率探测器的能力，同时导此限制了利用它制造高分辨率探测器的能力，同时导致了块探测器的概念、设计与使用。致了块

15、探测器的概念、设计与使用。目前在解决目前在解决PMT体积问题上，已经取得进展，实现体积问题上，已经取得进展，实现了将多个倍增通道（实际上相当于多个了将多个倍增通道（实际上相当于多个PMT）封装在）封装在一个通常的真空管内。一个通常的真空管内。15三三.光电探测器的进展光电探测器的进展 多通道和一系列位置敏感多通道和一系列位置敏感PMT拓展了一个新的探拓展了一个新的探测器设计领域，目前的设计进一步减少测器设计领域，目前的设计进一步减少PMT通道工作通道工作区之间的死区，能够使用大量的通道与晶体阵列或晶区之间的死区，能够使用大量的通道与晶体阵列或晶体板耦合，整体结构更加紧凑。继续提高体板耦合，整体

16、结构更加紧凑。继续提高PMT的响应的响应速度，以便配合速度，以便配合LSO和和LaBr3晶体，实现时间分辨率晶体，实现时间分辨率在在300ps量级上的量级上的TOF系统。但是系统。但是PMT的缺点是对磁的缺点是对磁场很敏感，不能用于场很敏感，不能用于PET/MR双模设备中。双模设备中。16三三.光电探测器的进展光电探测器的进展 新的探测器设计围绕着新的探测器设计围绕着PMT的替代产品，以便在的替代产品，以便在使用闪烁晶体阵列或晶体板时，能够实现光电探测器使用闪烁晶体阵列或晶体板时，能够实现光电探测器和晶体一对一的耦合，并进一步减小体积。更期望能和晶体一对一的耦合，并进一步减小体积。更期望能够设

17、计出在磁场中使用的光电探测器，因此研究人员够设计出在磁场中使用的光电探测器，因此研究人员设计各种形式的固态光电探测器。首先使用的是硅设计各种形式的固态光电探测器。首先使用的是硅PIN二极管，这类产品结构紧凑，有高量子效率，并二极管，这类产品结构紧凑，有高量子效率，并能用于磁场中。能用于磁场中。17三三.光电探测器的进展光电探测器的进展 另一种产品是雪崩光电二极管（另一种产品是雪崩光电二极管（APD），与），与PIN二二极管相比，其优点是具有较高的增益（大约极管相比，其优点是具有较高的增益（大约102103），更高的时间分辨率（在），更高的时间分辨率（在1ns数量级），同样适用数量级），同样适用

18、于非于非TOF PET。它的增益是偏置电压的函数，并对温。它的增益是偏置电压的函数，并对温度敏感，度敏感，ADP可以是单封装也可以是阵列。目前又生可以是单封装也可以是阵列。目前又生产出了位置敏感雪崩光电二极管（产出了位置敏感雪崩光电二极管（PS-ADP），也有），也有各种各样的封装，其工作原理类似于原来的块探测器。各种各样的封装，其工作原理类似于原来的块探测器。18三三.光电探测器的进展光电探测器的进展 最新型产品是盖革式最新型产品是盖革式ADP或者叫作硅光电倍增管，这类产或者叫作硅光电倍增管，这类产品很多公司在积极开发，被冠以不同的名称，统一称之谓品很多公司在积极开发，被冠以不同的名称，统一

19、称之谓SiPM，其最基本的结构是一系列，其最基本的结构是一系列APD微单元，每个单元是一微单元，每个单元是一个独立的盖革式的探测器，通过一个电阻加上偏置电压，当光个独立的盖革式的探测器，通过一个电阻加上偏置电压，当光子作用于探测器单元时，它会放电，电阻抑制探测器单元的放子作用于探测器单元时，它会放电，电阻抑制探测器单元的放电。当它和闪烁晶体耦合时，闪烁晶体产生的几百至几千个光电。当它和闪烁晶体耦合时，闪烁晶体产生的几百至几千个光子作用于众多的微探测单元，典型产品的增益范围为子作用于众多的微探测单元，典型产品的增益范围为105107，在，在50ohm的负载上产生几毫伏的信号，偏置电压范围的负载上

20、产生几毫伏的信号，偏置电压范围30150V，时间分辨率达到，时间分辨率达到100ps，和闪烁晶体配合可以达到，和闪烁晶体配合可以达到250500ps，且有较高的光产出率。，且有较高的光产出率。19三三.光电探测器的进展光电探测器的进展 器件制造基于集成电路制造技术，成本低，单元器件制造基于集成电路制造技术，成本低，单元尺寸范围宽，阵列间距精确。器件可以用于磁场内，尺寸范围宽，阵列间距精确。器件可以用于磁场内，已经验证可以在已经验证可以在15特斯拉的磁场中工作而没有任何性特斯拉的磁场中工作而没有任何性能下降，这对于能下降，这对于PET/MRI的研发无疑是强有力的支撑的研发无疑是强有力的支撑。20

21、四四.半导体探测器半导体探测器 自从自从PET出现以来，半导体探测器一直被认为是闪烁晶体出现以来，半导体探测器一直被认为是闪烁晶体的替代产品。它的主要优点在于直接将射线能量转换成载流子，的替代产品。它的主要优点在于直接将射线能量转换成载流子，相对于闪烁晶体探测器，省略掉了多个低效率的能量转换过程，相对于闪烁晶体探测器，省略掉了多个低效率的能量转换过程，因此噪声信号很低，具有超级能量分辨率，例如因此噪声信号很低，具有超级能量分辨率，例如CdTe（碲化（碲化镉）和镉）和CdZnTe（碲锌镉）探测器，对于（碲锌镉）探测器，对于511keV的能量分辨率的能量分辨率小于小于2%。其他的优点还包括：可以设

22、计紧凑的像素阵列；进。其他的优点还包括：可以设计紧凑的像素阵列；进行三维事件定位和对磁场的高容错性等。但它也有明显的缺点，行三维事件定位和对磁场的高容错性等。但它也有明显的缺点，包括：较低的光峰探测效率；较差的时间分辨率和较贵生产成包括：较低的光峰探测效率；较差的时间分辨率和较贵生产成本。最近几年，随着半导体技术、集成电路技术和信号处理技本。最近几年，随着半导体技术、集成电路技术和信号处理技术的发展，基于术的发展，基于CdTe和和CdZnTe的新型探测器特别有希望应用的新型探测器特别有希望应用到核医学影像中。到核医学影像中。21五五.总结与展望总结与展望 在在PET应用中，最有前途且占统治地位

23、的技术仍应用中，最有前途且占统治地位的技术仍将是基于闪烁晶体的探测器。将是基于闪烁晶体的探测器。SiPM是具有最佳成本是具有最佳成本效益和高性能的光电探测器，闪烁晶体与效益和高性能的光电探测器，闪烁晶体与SiPM可以可以紧凑结合，实现多种紧凑结合，实现多种DOI设计模式。半导体探测器虽设计模式。半导体探测器虽然能量分辨率很高，但阻止能力差，费用也较高，与然能量分辨率很高，但阻止能力差，费用也较高，与闪烁晶体相比，整体上并无显著优势。闪烁晶体相比，整体上并无显著优势。22五五.总结与展望总结与展望 无论何种探测技术，其未来的发展方向都要提高空间分无论何种探测技术，其未来的发展方向都要提高空间分辨

24、率、灵敏度和时间分辨率，并且满足多模式成像设备辨率、灵敏度和时间分辨率，并且满足多模式成像设备（PET/CTPET/CT、PET/MRIPET/MRI）的设计需求。在设计探测器时，首先要）的设计需求。在设计探测器时，首先要考虑考虑PETPET系统的体系结构与图像重建算法，还要考虑后继信号系统的体系结构与图像重建算法，还要考虑后继信号处理电路的可实现性。处理电路的可实现性。TOFTOF和和DOIDOI技术成为当前及未来探测器技技术成为当前及未来探测器技术的两个关键技术。术的两个关键技术。TOFTOF已经商品化，但它的分辨率需要进一已经商品化，但它的分辨率需要进一步提高，从而更有效地提升图像质量，主要问题是寻找具有最步提高，从而更有效地提升图像质量，主要问题是寻找具有最佳成本效益的快速闪烁体和快速光电传感器。相反佳成本效益的快速闪烁体和快速光电传感器。相反DOIDOI还没有还没有大规模应用到商业化的产品中，仅出现在一小部分产品中，要大规模应用到商业化的产品中，仅出现在一小部分产品中，要解决的问题是寻找具有最佳成本效益并能够显著提高性能的设解决的问题是寻找具有最佳成本效益并能够显著提高性能的设计方案。计方案。TOFTOF和和DOIDOI技术与重建算法中优化的系统及光子传输模技术与重建算法中优化的系统及光子传输模型相配合，是主流的研发方向。型相配合，是主流的研发方向。23