探測(cè)器技術(shù)的新進(jìn)展PPT課件

1、1報(bào)告摘要報(bào)告摘要PET探測(cè)器相關(guān)領(lǐng)域的研究，一直很活躍，并且是具有高創(chuàng)新性的領(lǐng)域。提高基于閃爍晶體的探測(cè)器的性能，研究適用于多模式成像設(shè)備（PET/CT、PET/MRI）的新型探測(cè)器，滿足TOF、DOI技術(shù)的需求并促進(jìn)其發(fā)展，這些構(gòu)成PET探測(cè)器研究的主要方向。本報(bào)告介紹了PET探測(cè)器在閃爍晶體、光電探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器等方面的最新進(jìn)展。第1頁(yè)/共23頁(yè)2一 正電子發(fā)射斷層成像設(shè)備中探測(cè)器性能的要求 PET（positron emission tomography）是一個(gè)生成生物活體代謝功能影像的工具，在分子水平定量探測(cè)生理過(guò)程，是所有成像模式中最靈敏的。PET中一個(gè)關(guān)鍵組件是探測(cè)器模塊。探

2、測(cè)器的任務(wù)是阻擋入射的光子并吸收其能量，產(chǎn)生可以被后繼電路處理的電信號(hào)，電信號(hào)攜帶光子在探測(cè)器中沉積的能量、在探測(cè)器陣列中與晶體交互位置及時(shí)間等信息。 第2頁(yè)/共23頁(yè)3要完成上述任務(wù)，理想的探測(cè)器應(yīng)該具有以下屬性：（1）具有高阻止本領(lǐng)；（2）具有高空間分辨率；（3）具有很高的能量分辨率；（4）具有很高的時(shí)間分辨率；（5）造價(jià)便宜。 與PET探測(cè)器相關(guān)的領(lǐng)域，一直是很活躍和具有創(chuàng)新性的。多年來(lái)，盡管在不停地設(shè)計(jì)各種各樣的創(chuàng)新產(chǎn)品，例如持續(xù)對(duì)絲室探測(cè)器進(jìn)行著研究和應(yīng)用；為了提高PET的空間分辨率，開(kāi)發(fā)出了各種固體探測(cè)器，但開(kāi)發(fā)研究仍集中在閃爍晶體探測(cè)器上，無(wú)論是商業(yè)型PET還是實(shí)驗(yàn)型PET，閃爍

3、晶體探測(cè)器一直占據(jù)主導(dǎo)地位。 第3頁(yè)/共23頁(yè)4 PETPET的的不同不同應(yīng)用，對(duì)探測(cè)器有不同的要求。比如用應(yīng)用，對(duì)探測(cè)器有不同的要求。比如用于臨床前期實(shí)驗(yàn)的小動(dòng)物于臨床前期實(shí)驗(yàn)的小動(dòng)物PETPET更關(guān)心空間分辨率，而更關(guān)心空間分辨率，而時(shí)間分辨率并不是特別重要；對(duì)于腦部成像，既需要時(shí)間分辨率并不是特別重要；對(duì)于腦部成像，既需要高的空間分辨率也要求良好的動(dòng)態(tài)成像，靈敏度就顯高的空間分辨率也要求良好的動(dòng)態(tài)成像，靈敏度就顯得很重要；而全身掃描就要充分利用得很重要；而全身掃描就要充分利用TOFTOF系統(tǒng)，提高系統(tǒng)，提高信噪比。信噪比。第4頁(yè)/共23頁(yè)5 鑒于鑒于PETPET的空間分辨率比其他成像模式

4、（的空間分辨率比其他成像模式（MRMR、CTCT、X-rayX-ray等）差很多，目前及未來(lái)等）差很多，目前及未來(lái)PETPET的研發(fā)和設(shè)計(jì)的研發(fā)和設(shè)計(jì)，一定要考慮與其它成像裝置同步工作。例如同步，一定要考慮與其它成像裝置同步工作。例如同步工作的雙模成像裝置工作的雙模成像裝置PET/CTPET/CT和和PET/MRPET/MR，可以最大限，可以最大限度發(fā)揮不同成像模式各自的優(yōu)勢(shì)，提升度發(fā)揮不同成像模式各自的優(yōu)勢(shì)，提升PETPET在臨床應(yīng)在臨床應(yīng)用中的地位和價(jià)值。用中的地位和價(jià)值。 第5頁(yè)/共23頁(yè)6 當(dāng)前的當(dāng)前的PET/CTPET/CT只是簡(jiǎn)單的集成，各自獨(dú)立的兩套只是簡(jiǎn)單的集成，各自獨(dú)立的兩套

5、成像系統(tǒng)共享一個(gè)機(jī)架，用一個(gè)控制臺(tái)操作，不能成像系統(tǒng)共享一個(gè)機(jī)架，用一個(gè)控制臺(tái)操作，不能夠并發(fā)生成解剖和功能影像，需要使用軟件進(jìn)行配夠并發(fā)生成解剖和功能影像，需要使用軟件進(jìn)行配準(zhǔn)和融合。如果能夠使用一套探測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)和融合。如果能夠使用一套探測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行發(fā)射和透射掃描，實(shí)現(xiàn)二者在硬件上融合，是發(fā)射和透射掃描，實(shí)現(xiàn)二者在硬件上融合，是PET/CTPET/CT面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。硬件融合面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。硬件融合PET/CTPET/CT真真正實(shí)現(xiàn)活體中快速動(dòng)態(tài)生理過(guò)程的空間正實(shí)現(xiàn)活體中快速動(dòng)態(tài)生理過(guò)程的空間- -時(shí)間對(duì)應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)，并減少病人輻射劑量。，并減少病人輻射劑量。因此，開(kāi)發(fā)

6、能夠同時(shí)記錄因此，開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)記錄511keV 511keV 光子和光子和X-ray X-ray 的探測(cè)器就非常有價(jià)值。的探測(cè)器就非常有價(jià)值。第6頁(yè)/共23頁(yè)7 硬件融合的PET/MR，要求PET探測(cè)器能夠在磁場(chǎng)中不受磁場(chǎng)梯度和RF信號(hào)的影響，同時(shí)由于空間的限制，對(duì)探測(cè)器的體積及配套的前端電子學(xué)電路也有嚴(yán)格限制。固體探測(cè)器將是滿足這種應(yīng)用的關(guān)鍵。第7頁(yè)/共23頁(yè)8 最近幾年一個(gè)主要的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域是DOI探測(cè)器，其目的是減少視差并保持良好的靈敏度。DOI技術(shù)對(duì)視差的校正可以減小徑向空間分辨率的損失，因此可以制造更小的探測(cè)器環(huán)。DOI探測(cè)器由不同種類(lèi)閃爍晶體層疊而成，主要用于臨床前期及腦部專(zhuān)用的PET

7、掃描儀。DOI技術(shù)還處于初期開(kāi)發(fā)階段，還有很多值得探索的技術(shù)問(wèn)題。DOI探測(cè)器制造成本比較高，時(shí)間分辨率較差而不易與TOF系統(tǒng)融合，晶體陣列中的散射使光子來(lái)自多個(gè)閃爍晶體，造成精度下降。閃爍晶體、固體探測(cè)器和基于光響應(yīng)函數(shù)（LRF）定位算法三者的結(jié)合，會(huì)推動(dòng)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 第8頁(yè)/共23頁(yè)9圖1 DOI工作模式 a 脈沖形狀鑒別 b 晶體偏移 c 雙端光比率定位 d 吸收率變化定位第9頁(yè)/共23頁(yè)10 通常只能假定湮沒(méi)事件發(fā)生于通常只能假定湮沒(méi)事件發(fā)生于LORLOR線的某處，如果探測(cè)系線的某處，如果探測(cè)系統(tǒng)有很高的時(shí)間分辨率，就可獲得事件發(fā)生于統(tǒng)有很高的時(shí)間分辨率，就可獲得事件發(fā)生于LO

8、RLOR上何處的精上何處的精確信息。同等參數(shù)條件下，一個(gè)確信息。同等參數(shù)條件下，一個(gè)TOFTOF系統(tǒng)與非系統(tǒng)與非TOFTOF系統(tǒng)相比，能系統(tǒng)相比，能提供更高的噪聲等價(jià)計(jì)數(shù)和信噪比。例如一個(gè)飛行時(shí)間（提供更高的噪聲等價(jià)計(jì)數(shù)和信噪比。例如一個(gè)飛行時(shí)間（time-of-flight, TOFtime-of-flight, TOF）分辨率為）分辨率為600ps600ps的系統(tǒng)，可以將湮沒(méi)位的系統(tǒng)，可以將湮沒(méi)位置大致定位在一個(gè)半寬高約置大致定位在一個(gè)半寬高約9cm9cm的高斯型區(qū)域內(nèi)，如圖的高斯型區(qū)域內(nèi)，如圖2 2所示。所示。TOFTOF技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須依賴于高性能閃爍晶體和光電探測(cè)器。技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須依賴

9、于高性能閃爍晶體和光電探測(cè)器。第10頁(yè)/共23頁(yè)11圖2 TOF2 TOF原理第11頁(yè)/共23頁(yè)12二. . 閃爍晶體探測(cè)器技術(shù)的進(jìn)展 基于閃爍晶體的探測(cè)器一直是PET設(shè)計(jì)中最主要、最普遍使用的探測(cè)器，當(dāng)前一個(gè)很活躍的研發(fā)領(lǐng)域就是尋找理想的閃爍晶體，理想的閃爍晶體應(yīng)該快速、高密度、高光產(chǎn)量且造價(jià)便宜。 新型晶體LSO及其它镥化合物為設(shè)計(jì)人員提供了一系列快速、高亮度及高密度的閃爍晶體。和BGO和NaI相比，LSO晶體表現(xiàn)出幾個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)特性，非常適合于PET的3D成像。 第12頁(yè)/共23頁(yè)13二. . 閃爍晶體探測(cè)器技術(shù)的進(jìn)展 BaF2晶體衰減時(shí)間超級(jí)短，為600皮秒，可用于TOF型PET設(shè)備，從

10、某種程度上彌補(bǔ)了由于阻止能力低而造成的靈敏度下降的缺陷。 上述幾種晶體都已經(jīng)在PET設(shè)備生產(chǎn)中得到應(yīng)用，新型的無(wú)機(jī)晶體也在不斷開(kāi)發(fā)中，主要是基于鈰摻雜的鑭系和過(guò)渡金屬元素，例如LaBr3和CeBr3。 必須認(rèn)識(shí)到探測(cè)器的性能不僅取決于閃爍晶體的特性，還有賴于探測(cè)器自身的設(shè)計(jì)。 第13頁(yè)/共23頁(yè)14三. . 光電探測(cè)器的進(jìn)展 PMT是閃爍探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)器，具有很高的增益（典型值是106數(shù)量級(jí)）、低噪聲和低成本，通常要求的偏置工作電壓為8001200V。由于PMT的體積和玻璃封裝，無(wú)法實(shí)現(xiàn)晶體和PMT一對(duì)一的耦合，因此限制了利用它制造高分辨率探測(cè)器的能力，同時(shí)導(dǎo)致了塊探測(cè)器的概念、設(shè)計(jì)與使用。 目

11、前在解決PMT體積問(wèn)題上，已經(jīng)取得進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了將多個(gè)倍增通道（實(shí)際上相當(dāng)于多個(gè)PMT）封裝在一個(gè)通常的真空管內(nèi)。 第14頁(yè)/共23頁(yè)15三. . 光電探測(cè)器的進(jìn)展 多通道和一系列位置敏感PMT拓展了一個(gè)新的探測(cè)器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，目前的設(shè)計(jì)進(jìn)一步減少PMT通道工作區(qū)之間的死區(qū)，能夠使用大量的通道與晶體陣列或晶體板耦合，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。繼續(xù)提高PMT的響應(yīng)速度，以便配合LSO和LaBr3晶體，實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨率在300ps量級(jí)上的TOF系統(tǒng)。但是PMT的缺點(diǎn)是對(duì)磁場(chǎng)很敏感，不能用于PET/MR雙模設(shè)備中。第15頁(yè)/共23頁(yè)16三. . 光電探測(cè)器的進(jìn)展 新的探測(cè)器設(shè)計(jì)圍繞著PMT的替代產(chǎn)品，以便在使用閃爍

12、晶體陣列或晶體板時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)光電探測(cè)器和晶體一對(duì)一的耦合，并進(jìn)一步減小體積。更期望能夠設(shè)計(jì)出在磁場(chǎng)中使用的光電探測(cè)器，因此研究人員設(shè)計(jì)各種形式的固態(tài)光電探測(cè)器。首先使用的是硅PIN二極管，這類(lèi)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，有高量子效率，并能用于磁場(chǎng)中。 第16頁(yè)/共23頁(yè)17三. . 光電探測(cè)器的進(jìn)展 另一種產(chǎn)品是雪崩光電二極管（APD），與PIN二極管相比，其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的增益（大約102103），更高的時(shí)間分辨率（在1ns數(shù)量級(jí)），同樣適用于非TOF PET。它的增益是偏置電壓的函數(shù)，并對(duì)溫度敏感，ADP可以是單封裝也可以是陣列。目前又生產(chǎn)出了位置敏感雪崩光電二極管（PS-ADP），也有各種各樣的封裝，

13、其工作原理類(lèi)似于原來(lái)的塊探測(cè)器。第17頁(yè)/共23頁(yè)18三. . 光電探測(cè)器的進(jìn)展 最新型產(chǎn)品是蓋革式ADP或者叫作硅光電倍增管，這類(lèi)產(chǎn)品很多公司在積極開(kāi)發(fā)，被冠以不同的名稱，統(tǒng)一稱之謂SiPM，其最基本的結(jié)構(gòu)是一系列APD微單元，每個(gè)單元是一個(gè)獨(dú)立的蓋革式的探測(cè)器，通過(guò)一個(gè)電阻加上偏置電壓，當(dāng)光子作用于探測(cè)器單元時(shí)，它會(huì)放電，電阻抑制探測(cè)器單元的放電。當(dāng)它和閃爍晶體耦合時(shí)，閃爍晶體產(chǎn)生的幾百至幾千個(gè)光子作用于眾多的微探測(cè)單元，典型產(chǎn)品的增益范圍為105107，在50ohm的負(fù)載上產(chǎn)生幾毫伏的信號(hào)，偏置電壓范圍30150V，時(shí)間分辨率達(dá)到100ps，和閃爍晶體配合可以達(dá)到250500ps，且有較

14、高的光產(chǎn)出率。 第18頁(yè)/共23頁(yè)19三. . 光電探測(cè)器的進(jìn)展 器件制造基于集成電路制造技術(shù)，成本低，單元尺寸范圍寬，陣列間距精確。器件可以用于磁場(chǎng)內(nèi)，已經(jīng)驗(yàn)證可以在15特斯拉的磁場(chǎng)中工作而沒(méi)有任何性能下降，這對(duì)于PET/MRI的研發(fā)無(wú)疑是強(qiáng)有力的支撐。 第19頁(yè)/共23頁(yè)20四. . 半導(dǎo)體探測(cè)器 自從PET出現(xiàn)以來(lái)，半導(dǎo)體探測(cè)器一直被認(rèn)為是閃爍晶體的替代產(chǎn)品。它的主要優(yōu)點(diǎn)在于直接將射線能量轉(zhuǎn)換成載流子，相對(duì)于閃爍晶體探測(cè)器，省略掉了多個(gè)低效率的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，因此噪聲信號(hào)很低，具有超級(jí)能量分辨率，例如CdTe（碲化鎘）和CdZnTe（碲鋅鎘）探測(cè)器，對(duì)于511keV的能量分辨率小于2%。其

15、他的優(yōu)點(diǎn)還包括：可以設(shè)計(jì)緊湊的像素陣列；進(jìn)行三維事件定位和對(duì)磁場(chǎng)的高容錯(cuò)性等。但它也有明顯的缺點(diǎn)，包括：較低的光峰探測(cè)效率；較差的時(shí)間分辨率和較貴生產(chǎn)成本。最近幾年，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，基于CdTe和CdZnTe的新型探測(cè)器特別有希望應(yīng)用到核醫(yī)學(xué)影像中。 第20頁(yè)/共23頁(yè)21五. . 總結(jié)與展望 在PET應(yīng)用中，最有前途且占統(tǒng)治地位的技術(shù)仍將是基于閃爍晶體的探測(cè)器。SiPM是具有最佳成本效益和高性能的光電探測(cè)器，閃爍晶體與SiPM可以緊湊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多種DOI設(shè)計(jì)模式。半導(dǎo)體探測(cè)器雖然能量分辨率很高，但阻止能力差，費(fèi)用也較高，與閃爍晶體相比，整體上并無(wú)顯著優(yōu)勢(shì)。

16、第21頁(yè)/共23頁(yè)22五. . 總結(jié)與展望 無(wú)論何種探測(cè)技術(shù)，其未來(lái)的發(fā)展方向都要提高空間分無(wú)論何種探測(cè)技術(shù)，其未來(lái)的發(fā)展方向都要提高空間分辨率、靈敏度和時(shí)間分辨率，并且滿足多模式成像設(shè)備辨率、靈敏度和時(shí)間分辨率，并且滿足多模式成像設(shè)備（PET/CTPET/CT、PET/MRIPET/MRI）的設(shè)計(jì)需求。在設(shè)計(jì)探測(cè)器時(shí)，首先要）的設(shè)計(jì)需求。在設(shè)計(jì)探測(cè)器時(shí)，首先要考慮考慮PETPET系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與圖像重建算法，還要考慮后繼信號(hào)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與圖像重建算法，還要考慮后繼信號(hào)處理電路的可實(shí)現(xiàn)性。處理電路的可實(shí)現(xiàn)性。TOFTOF和和DOIDOI技術(shù)成為當(dāng)前及未來(lái)探測(cè)器技技術(shù)成為當(dāng)前及未來(lái)探測(cè)器技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。TOFTOF已經(jīng)商品化，但它的分辨率需要進(jìn)一已經(jīng)商品化，但它的分辨率需要進(jìn)一步提高，從而更有效地提升圖像質(zhì)量，主要問(wèn)題是尋找具有最步提高，從而更有效地提升圖像質(zhì)量，主要問(wèn)題是尋找具有最佳成本效益的快速閃爍體和快速光電傳感器。