用于正電子發(fā)射斷層成像的閃爍晶體

1、第35卷第5期2001年9月原子能科學技術AtomicEnergyScienceandTechnologyVol.35,No.5Sep.2001文章編號:100026931(2001)0520476205用于正電子發(fā)射斷層成像的閃爍晶體劉華鋒,葉華俊,鮑超(浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室,浙江杭州310027)摘要:正電子發(fā)射斷層成像要求閃爍晶體材料具有高光輸出、,廉。關鍵詞:閃爍晶體;探測器;中圖分類號:TL81619:A(EmissionTomography,PET)技術是利用探測某種同位素射線,得到生物體內的這種,。由于構成生命的基本元素C、O、N等均有發(fā)射正電子的同位素,因此,PE

2、T在理論上可對生命體的許多部位的生理功能進行成像?？梢?PET是生命科學研究、醫(yī)療診斷頗有特色的工具。PET系統(tǒng)由探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像重建和圖像處理三部分組成。PET探測器設計應滿足以下要求1,2:(1)高靈敏度,對511keV射線對的探測效率高;(2)高空間分辨率,更精確地確定湮滅位置;(3)良好的時間分辨率,消除隨機符合事件;(4)良好的能量分辨率,消除康普頓散射的影響;(5)價格低廉;(6)死時間短;(7)穩(wěn)定性好。PET探測器一般是由閃爍晶體與光電倍增管(位置靈敏型光電倍增管或半導體器件)耦合而成。因此,閃爍晶體的材料特性、體積、形狀等對檢測器的性能影響很大。1閃爍晶體材料概述常

3、用PET探測器結構示于圖1。第1代PET探測器使用NaI(Tl)晶體3。NaI晶體探測效率低、易潮解,需封裝使用。PET系統(tǒng)現(xiàn)多采用BGO晶體4。80年代早期曾使用過CsF晶體,該晶體響應速度快,能分辨湮滅光子對的飛行時間差,正電子湮滅發(fā)生區(qū)域可精確定位,使空間分辨率和信噪比大為提高。但CsF晶體的探測效率低,而BGO晶體的光輸出低、衰減時間長。為獲得更高空間和時間分辨率的探測器,使用新閃爍晶體是最有效的方法之一。收稿日期:2000203206;修回日期:2001204201),男,山東巨野人,博士,醫(yī)學成像探測器專業(yè)作者簡介:劉華鋒(1972第5期劉華鋒等:用于正電子發(fā)射斷層成像的閃爍晶體4

4、77近20年來,閃爍晶體材料迅速發(fā)展,出現(xiàn)了幾種性能優(yōu)良的高質量閃爍晶體,有可能替代BGO晶體,大大提高PET系統(tǒng)的探測效率和分辨率。新閃爍晶體的物理特性列于表158。表1新閃爍晶體的物理特性Table1CharacteristicsofnewscintillatorsusedinPETdetector晶體BGO(Bi4Ge3O12)LSO(Lu2SiO5Ce)GSO(Cd2SiO5Ce)YAP(YAlO3Ce)LuAP(LuAlOCe)8136651105301736515155342113473138011976171591152060/6004301.851900713566112372

5、4042011822150密度/-37113相對分子質量射程/cm相對光輸出量75111322衰減時間/300輻射波長/480折射率熔點/潮解性21151050不潮解不潮解不潮解不潮解不潮解圖1常用的PET探測器結構Fig.1ConfigurationofPETdetectormodulesa2×2光電倍增管列陣;b位置靈敏光電倍增管;c半導體器件2對閃爍晶體材料的要求211物理特性1)射程PET系統(tǒng)采用符合探測技術,系統(tǒng)靈敏度與單個探測器靈敏度的平方成正比。因此,相對分子質量大、密度高的閃爍晶體材料有較高的阻止本領,即511keV射線的射程短,被完全吸收的概率大,亦即使用該晶體的P

6、ET探測器能獲得較高的靈敏度和探測效率。2)光輸出量光輸出量直接影響探測器的能量、時間及空間分辨率。閃爍晶體吸收射線后產(chǎn)生的光子數(shù)N越大,則探測射線的作用位置越準確。能量分辨率與1/時間分辨率與/N成正比,其中,為衰減時間。N成正比;478原子能科學技術第35卷3)衰減時間閃爍晶體受激后不立即發(fā)射全部光子,單位時間內放出的光子數(shù)隨時間變化較為復雜。在一級近似下,可表示成兩個指數(shù)過程的組合,即分別描述閃爍增長和閃爍下降(衰減)。增長時間一般小于10-12s,遠小于衰減時間,因此,閃爍晶體的衰減時間是另一重要參數(shù),其數(shù)值大小影響探測器的時間分辨率與死時間。衰減時間愈短,時間分辨率愈好。4)發(fā)射光譜

7、閃爍晶體的發(fā)射光譜應與相耦合的光電傳感器的光譜響應曲線吻合。例如:對于雙堿光電陰極的光電倍增管,所期望的光譜范圍為300500nm,而光電二極管所要求的光譜范圍則為400900nm。212幾何特性1)晶體形狀早期的PET探測器使用圓柱形晶體。隨著對PET系統(tǒng)的靈敏度要求越來越高,閃爍晶體的最佳形狀變?yōu)殚L方體。長方形晶體能使探測器盡可能緊密地排列成環(huán)形系統(tǒng),可獲得最高的探測效率。2)晶體寬度晶體寬度是探測器空間分辨率的最具決定性的因素,減小晶體寬度可以最大限度地提高探測器的空間分辨率。但隨晶體寬度變窄,由此又降低空間分辨率和靈敏度,因此,。3)晶體長度提高軸向空間分辨率,。4)晶體深度511,其

8、關系由下式給出9:=(1-exp(h)2其中:;h為晶體深度,h越大,對511keV射線對的符合探測效率越高。但BGO的光收集效率大體上與h/wl成反比(w為晶體寬度,l為晶體長度),因此,晶體深度也有一個最佳值。3閃爍晶體的應用PET系統(tǒng)價格昂貴,限制了它在臨床方面的應用。實現(xiàn)低廉的PET系統(tǒng)的方法之一就是降低探測器的費用(探測器系統(tǒng)的費用占整個PET系統(tǒng)費用的60%以上)。最近,日本濱松光子學株式會社把在高能物理實驗中廣泛使用的鎢酸鉛(PbWO4,又稱PWO)晶體引入到PET系統(tǒng)(圖2)中10。8×8的PWO晶體陣列與位置靈敏型光電倍增管(PSPMT)相耦合,單個晶體的尺寸為射線

9、與PWO晶體相互作用產(chǎn)生光子,這些光子傳輸6mm×6mm×20mm,其工作原理為:到PSPMT的光電陰極上,激勵光電陰極發(fā)射出光電子,光電子被各倍增級倍增放大,最后經(jīng)陽極輸出。陽極為由電阻回路組成的網(wǎng)狀結構,通過相應的電路計算位置。圖3為用511keV的射線均勻照射3×3PWO/PSPMT探測器獲得的閃爍圖像。9個閃爍晶體的圖像充分分離,表明探測器的區(qū)分本領良好。本實驗室用最新研制出的LSO晶體設計了能探測深度信息的DOI(DepthofInteraction)探測器11,12。該探測器由兩層LSO晶體組成,上層晶體相對于下層晶體的位置在x和y方向上都有半個晶體陣

10、列單元的錯位。因每個晶體輸出光的重心位置分布在PSPMT不同的位置上,所以,通過計算其重心位置,可在像平面上區(qū)別開每個晶體。與PMT相比,雪崩光電二極管(APD)的增益(典型值一般為100)比較低。但是,近年來,第5期劉華鋒等:用于正電子發(fā)射斷層成像的閃爍晶體479圖2用于構造價廉PET系統(tǒng)的Fig.2PWO/PSPMTdetectorforlowsystema原理圖;,L,/APD組合而。如今,世界上許多大和究機構都在研究LSO/APD探測器13,14,人們普遍認為,該組合將替代閃爍晶體/PMT組合成為PET的下一代探測技術。4小結閃爍晶體的射線探測技術是PET迅速發(fā)展的前沿,新的技術和方法

11、不斷出現(xiàn),且投入實際應用的時間越來越短。閃爍晶體探測器不僅在PET領域得到Fig.3Positioninghistogramofa3×3array廣泛應用,在原子物理學、粒子物理學、天文學和材料ofPWOcrystalscoupledwithPSPMT檢測等學科中也發(fā)揮著越來越大的作用。近年來,有些科學家利用兩個相向放置的探測器構成探測植物生理功能的成像系統(tǒng)15,也有人利用它們構成探測腦瘤或乳腺癌的小型醫(yī)學成像探測系統(tǒng)16?？梢灶A計,正電子成像技術的不斷發(fā)展將對生命科學、材料科學等眾多研究領域產(chǎn)生巨大的影響。參考文獻:1YamashitaT.DevelopmentofNewPosit

12、ion2sensitiveDetectorsforPETD.Tokyo:UniversityofTokyo,1992.2MosesWW,DerenzoSE,BudingerTF.PETDetectorModulesBasedonNovelDetectorTechnologiesJ.Nucl圖33×3PWO晶體陣列位置圖480InstrumMethods,1994,A353:189194.原子能科學技術第35卷3WrenER,GoodML,HandlerP.TheUseofPositronEmittingRadioisotopesforLocalizationforBrainTu2mo

13、rsJ.Science,1951,113:525527.4ChoZH,FrukhihMR.BismuthGerminateasaPotentialScintillationDetectorinPositronCamerasJ.JNuclMed,1977,18:840844.5LempickiA,RandlesMH,WisniewskiD,etal.LuAlO3:CeandOtherAluminateScintillatorsJ.IEEETransNuclSci,1995,42(2):280285.6VanEijkCWE.DevelopmentofInorganicScintillatorsJ.

14、NuclInstrumMethods,1997,A392:285290.7ZhuRenyuan.PrecisionCrystalCalorimetryinFutureHighEnergyCollidesJ.IEEETransNuclSci,1997,44(2):468476.8LecomteR,PepinC,RouleauD,etal.InvestigationofGSO,LSOandYSOScintillatorsUsingReverseAvalanchePhotodiodesJ.IEEETransNuclSci,1998,45(3):478482.9CherrySR,ShaoY,Torna

15、iMP,etal.CollectionofScintillationLightFromSmallBGOCrystalsJ.IEEETransNuclSci,1995,42(4):10581063.10山下貴司1光子科學與產(chǎn)業(yè)國際雙邊研討會論文集C1浙江,:s.n.11劉華鋒,鮑超,渡邊光男,等1PET)568112LiuH,OmuraT,WatanabeM,etal.Development2raysJ.NuclIn2strumMethods,2001,A459:18213PichlerB,BoningGHighResolutionPETScannerBasedonLSO2APDSci,45(3

16、):12981302.14,etal.DesignStudiesofaHighResolutionPETDetectorUsingAPDArraysJ.NuclSci,2000,47(3):10511057.15KumeT,MatsuhashiS,ShimazuM,etal.UptakeandTransportofPositron2emittingTracer(18F)inPlantsJ.ApplRadiatIsot,1997,48(8):10351043.16TornaiMP,LevinCS,MacDonaldLR,etal.AMiniaturePhoswichDetectorforGamm

17、a2rayLocalizationandBetaImagingJ.IEEETransNuclSci,1998,45(3):11661173.ScintillatorsforPositronEmissionTomographyLIUHua2feng,YEHua2jun,BAOChao(StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Thecharacteristicsofscintillator,suchashighlightoutput,shortdecaytimeandexcel2lentst