探測器技術的新進展課件

1PET探測器技術的新進展鄭州大學物理工程學院牛靈欣，趙書俊，張斌，劉豪佳1PET探測器技術的新進展鄭州大學物理工程學院2報告摘要PET探測器相關領域的研究，一直很活躍，并且是具有高創(chuàng)新性的領域。提高基于閃爍晶體的探測器的性能，研究適用于多模式成像設備（PET/CT、PET/MRI）的新型探測器，滿足TOF、DOI技術的需求并促進其發(fā)展，這些構成PET探測器研究的主要方向。本報告介紹了PET探測器在閃爍晶體、光電探測器和半導體探測器等方面的最新進展。2報告摘要PET探測器相關領域的研究，一直很活躍，并且是具有3一正電子發(fā)射斷層成像設備中探測器性能的要求

PET（positronemissiontomography）是一個生成生物活體代謝功能影像的工具，在分子水平定量探測生理過程，是所有成像模式中最靈敏的。PET中一個關鍵組件是探測器模塊。探測器的任務是阻擋入射的γ光子并吸收其能量，產(chǎn)生可以被后繼電路處理的電信號，電信號攜帶γ光子在探測器中沉積的能量、在探測器陣列中與晶體交互位置及時間等信息。3一正電子發(fā)射斷層成像設備中探測器性能的要求PET4要完成上述任務，理想的探測器應該具有以下屬性：（1）具有高阻止本領；（2）具有高空間分辨率；（3）具有很高的能量分辨率；（4）具有很高的時間分辨率；（5）造價便宜。與PET探測器相關的領域，一直是很活躍和具有創(chuàng)新性的。多年來，盡管在不停地設計各種各樣的創(chuàng)新產(chǎn)品，例如持續(xù)對絲室探測器進行著研究和應用；為了提高PET的空間分辨率，開發(fā)出了各種固體探測器，但開發(fā)研究仍集中在閃爍晶體探測器上，無論是商業(yè)型PET還是實驗型PET，閃爍晶體探測器一直占據(jù)主導地位。

4要完成上述任務，理想的探測器應該具有以下屬性：5

PET的不同應用，對探測器有不同的要求。比如用于臨床前期實驗的小動物PET更關心空間分辨率，而時間分辨率并不是特別重要；對于腦部成像，既需要高的空間分辨率也要求良好的動態(tài)成像，靈敏度就顯得很重要；而全身掃描就要充分利用TOF系統(tǒng)，提高信噪比。5PET的不同應用，對探測器有不同的要求。比如用于臨床前6鑒于PET的空間分辨率比其他成像模式（MR、CT、X-ray等）差很多，目前及未來PET的研發(fā)和設計，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PET/CT和PET/MR，可以最大限度發(fā)揮不同成像模式各自的優(yōu)勢，提升PET在臨床應用中的地位和價值。

6鑒于PET的空間分辨率比其他成像模式（MR、CT、X-7當前的PET/CT只是簡單的集成，各自獨立的兩套成像系統(tǒng)共享一個機架，用一個控制臺操作，不能夠并發(fā)生成解剖和功能影像，需要使用軟件進行配準和融合。如果能夠使用一套探測系統(tǒng)，同時進行發(fā)射和透射掃描，實現(xiàn)二者在硬件上融合，是PET/CT面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。硬件融合PET/CT真正實現(xiàn)活體中快速動態(tài)生理過程的空間-時間對應，并減少病人輻射劑量。因此，開發(fā)能夠同時記錄511keVγ光子和X-ray的探測器就非常有價值。7當前的PET/CT只是簡單的集成，各自獨立的兩套成像系8

硬件融合的PET/MR，要求PET探測器能夠在磁場中不受磁場梯度和RF信號的影響，同時由于空間的限制，對探測器的體積及配套的前端電子學電路也有嚴格限制。固體探測器將是滿足這種應用的關鍵。8硬件融合的PET/MR，要求PET探測器能夠在磁場中不9

最近幾年一個主要的開發(fā)領域是DOI探測器，其目的是減少視差并保持良好的靈敏度。DOI技術對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器環(huán)。DOI探測器由不同種類閃爍晶體層疊而成，主要用于臨床前期及腦部專用的PET掃描儀。DOI技術還處于初期開發(fā)階段，還有很多值得探索的技術問題。DOI探測器制造成本比較高，時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自多個閃爍晶體，造成精度下降。閃爍晶體、固體探測器和基于光響應函數(shù)（LRF）定位算法三者的結合，會推動該技術的進一步發(fā)展。9最近幾年一個主要的開發(fā)領域是DOI探測器，其目的是減少10圖1DOI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10圖1DOI工作模式a脈沖形狀鑒別b晶體偏11通常只能假定湮沒事件發(fā)生于LOR線的某處，如果探測系統(tǒng)有很高的時間分辨率，就可獲得事件發(fā)生于LOR上何處的精確信息。同等參數(shù)條件下，一個TOF系統(tǒng)與非TOF系統(tǒng)相比，能提供更高的噪聲等價計數(shù)和信噪比。例如一個飛行時間（time-of-flight,TOF）分辨率為600ps的系統(tǒng)，可以將湮沒位置大致定位在一個半寬高約9cm的高斯型區(qū)域內(nèi)，如圖2所示。TOF技術的實現(xiàn)必須依賴于高性能閃爍晶體和光電探測器。11通常只能假定湮沒事件發(fā)生于LOR線的某處，如果探12圖2TOF原理12圖2TOF原理13二.閃爍晶體探測器技術的進展基于閃爍晶體的探測器一直是PET設計中最主要、最普遍使用的探測器，當前一個很活躍的研發(fā)領域就是尋找理想的閃爍晶體，理想的閃爍晶體應該快速、高密度、高光產(chǎn)量且造價便宜。新型晶體LSO及其它镥化合物為設計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)出幾個明顯優(yōu)勢特性，非常適合于PET的3D成像。

13二.閃爍晶體探測器技術的進展基于閃爍晶體14二.閃爍晶體探測器技術的進展

BaF2晶體衰減時間超級短，為600皮秒，可用于TOF型PET設備，從某種程度上彌補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設備生產(chǎn)中得到應用，新型的無機晶體也在不斷開發(fā)中，主要是基于鈰摻雜的鑭系和過渡金屬元素，例如LaBr3和CeBr3。必須認識到探測器的性能不僅取決于閃爍晶體的特性，還有賴于探測器自身的設計。

14二.閃爍晶體探測器技術的進展BaF2晶體15三.光電探測器的進展

PMT是閃爍探測器的驅(qū)動器，具有很高的增益（典型值是106數(shù)量級）、低噪聲和低成本，通常要求的偏置工作電壓為800～1200V。由于PMT的體積和玻璃封裝，無法實現(xiàn)晶體和PMT一對一的耦合，因此限制了利用它制造高分辨率探測器的能力，同時導致了塊探測器的概念、設計與使用。

目前在解決PMT體積問題上，已經(jīng)取得進展，實現(xiàn)了將多個倍增通道（實際上相當于多個PMT）封裝在一個通常的真空管內(nèi)。

15三.光電探測器的進展PMT是閃爍探測器的16三.光電探測器的進展

多通道和一系列位置敏感PMT拓展了一個新的探測器設計領域，目前的設計進一步減少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，整體結構更加緊湊。繼續(xù)提高PMT的響應速度，以便配合LSO和LaBr3晶體，實現(xiàn)時間分辨率在300ps量級上的TOF系統(tǒng)。但是PMT的缺點是對磁場很敏感，不能用于PET/MR雙模設備中。16三.光電探測器的進展多通道和一系列位置敏17三.光電探測器的進展

新的探測器設計圍繞著PMT的替代產(chǎn)品，以便在使用閃爍晶體陣列或晶體板時，能夠?qū)崿F(xiàn)光電探測器和晶體一對一的耦合，并進一步減小體積。更期望能夠設計出在磁場中使用的光電探測器，因此研究人員設計各種形式的固態(tài)光電探測器。首先使用的是硅PIN二極管，這類產(chǎn)品結構緊湊，有高量子效率，并能用于磁場中。

17三.光電探測器的進展新的探測器設計圍繞著18三.光電探測器的進展另一種產(chǎn)品是雪崩光電二極管（APD），與PIN二極管相比，其優(yōu)點是具有較高的增益（大約102～103），更高的時間分辨率（在1ns數(shù)量級），同樣適用于非TOFPET。它的增益是偏置電壓的函數(shù)，并對溫度敏感，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，其工作原理類似于原來的塊探測器。18三.光電探測器的進展另一種產(chǎn)品是雪崩光電19三.光電探測器的進展最新型產(chǎn)品是蓋革式ADP或者叫作硅光電倍增管，這類產(chǎn)品很多公司在積極開發(fā)，被冠以不同的名稱，統(tǒng)一稱之謂SiPM，其最基本的結構是一系列APD微單元，每個單元是一個獨立的蓋革式的探測器，通過一個電阻加上偏置電壓，當光子作用于探測器單元時，它會放電，電阻抑制探測器單元的放電。當它和閃爍晶體耦合時，閃爍晶體產(chǎn)生的幾百至幾千個光子作用于眾多的微探測單元，典型產(chǎn)品的增益范圍為105～107，在50ohm的負載上產(chǎn)生幾毫伏的信號，偏置電壓范圍30～150V，時間分辨率達到100ps，和閃爍晶體配合可以達到250～500ps，且有較高的光產(chǎn)出率。19三.光電探測器的進展最新型產(chǎn)品是蓋革式A20三.光電探測器的進展器件制造基于集成電路制造技術，成本低，單元尺寸范圍寬，陣列間距精確。器件可以用于磁場內(nèi)，已經(jīng)驗證可以在15特斯拉的磁場中工作而沒有任何性能下降，這對于PET/MRI的研發(fā)無疑是強有力的支撐。

20三.光電探測器的進展器件制造基于集成電路21四.半導體探測器自從PET出現(xiàn)以來，半導體探測器一直被認為是閃爍晶體的替代產(chǎn)品。它的主要優(yōu)點在于直接將射線能量轉換成載流子，相對于閃爍晶體探測器，省略掉了多個低效率的能量轉換過程，因此噪聲信號很低，具有超級能量分辨率，例如CdTe（碲化鎘）和CdZnTe（碲鋅鎘）探測器，對于511keV的能量分辨率小于2%。其他的優(yōu)點還包括：可以設計緊湊的像素陣列；進行三維事件定位和對磁場的高容錯性等。但它也有明顯的缺點，包括：較低的光峰探測效率；較差的時間分辨率和較貴生產(chǎn)成本。最近幾年，隨著半導體技術、集成電路技術和信號處理技術的發(fā)展，基于CdTe和CdZnTe的新型探測器特別有希望應用到核醫(yī)學影像中。21四.半導體探測器自從PET出現(xiàn)以來，半導22五.總結與展望

在PET應用中，最有前途且占統(tǒng)治地位的技術仍將是基于閃爍晶體的探測器。SiPM是具有最佳成本效益和高性能的光電探測器，閃爍晶體與SiPM可以緊湊結合，實現(xiàn)多種DOI設計模式。半導體探測器雖然能量分辨率很高，但阻止能力差，費用也較高，與閃爍晶體相比，整體上并無顯著優(yōu)勢。

22五.總結與展望在PET應用中，最有前途且23五.總結與展望無論何種探測技術，其未來的發(fā)展方向都要提高空間分辨率、靈敏度和時間分辨率，并且滿足多模式成像設備（PET/CT、PET/MRI）的設計需求。在設計探測器時，首先要考慮PET系統(tǒng)的體系結構與圖像重建算法，還要考慮后繼信號處理電路的可實現(xiàn)性。TOF和DOI技術成為當前及未來探測器技術的兩個關鍵技術。TOF已經(jīng)商品化，但它的分辨率需要進一步提高，從而更有效地提升圖像質(zhì)量，主要問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。相反DOI還沒有大規(guī)模應用到商業(yè)化的產(chǎn)品中，僅出現(xiàn)在一小部分產(chǎn)品中，要解決的問題是尋找具有最佳成本效益并能夠顯著提高性能的設計方案。TOF和DOI技術與重建算法中優(yōu)化的系統(tǒng)及光子傳輸模型相配合，是主流的研發(fā)方向。23五.總結與展望無論何種探測技術，其未來的24PET探測器技術的新進展鄭州大學物理工程學院牛靈欣，趙書俊，張斌，劉豪佳1PET探測器技術的新進展鄭州大學物理工程學院25報告摘要PET探測器相關領域的研究，一直很活躍，并且是具有高創(chuàng)新性的領域。提高基于閃爍晶體的探測器的性能，研究適用于多模式成像設備（PET/CT、PET/MRI）的新型探測器，滿足TOF、DOI技術的需求并促進其發(fā)展，這些構成PET探測器研究的主要方向。本報告介紹了PET探測器在閃爍晶體、光電探測器和半導體探測器等方面的最新進展。2報告摘要PET探測器相關領域的研究，一直很活躍，并且是具有26一正電子發(fā)射斷層成像設備中探測器性能的要求

PET（positronemissiontomography）是一個生成生物活體代謝功能影像的工具，在分子水平定量探測生理過程，是所有成像模式中最靈敏的。PET中一個關鍵組件是探測器模塊。探測器的任務是阻擋入射的γ光子并吸收其能量，產(chǎn)生可以被后繼電路處理的電信號，電信號攜帶γ光子在探測器中沉積的能量、在探測器陣列中與晶體交互位置及時間等信息。3一正電子發(fā)射斷層成像設備中探測器性能的要求PET27要完成上述任務，理想的探測器應該具有以下屬性：（1）具有高阻止本領；（2）具有高空間分辨率；（3）具有很高的能量分辨率；（4）具有很高的時間分辨率；（5）造價便宜。與PET探測器相關的領域，一直是很活躍和具有創(chuàng)新性的。多年來，盡管在不停地設計各種各樣的創(chuàng)新產(chǎn)品，例如持續(xù)對絲室探測器進行著研究和應用；為了提高PET的空間分辨率，開發(fā)出了各種固體探測器，但開發(fā)研究仍集中在閃爍晶體探測器上，無論是商業(yè)型PET還是實驗型PET，閃爍晶體探測器一直占據(jù)主導地位。

4要完成上述任務，理想的探測器應該具有以下屬性：28

PET的不同應用，對探測器有不同的要求。比如用于臨床前期實驗的小動物PET更關心空間分辨率，而時間分辨率并不是特別重要；對于腦部成像，既需要高的空間分辨率也要求良好的動態(tài)成像，靈敏度就顯得很重要；而全身掃描就要充分利用TOF系統(tǒng)，提高信噪比。5PET的不同應用，對探測器有不同的要求。比如用于臨床前29鑒于PET的空間分辨率比其他成像模式（MR、CT、X-ray等）差很多，目前及未來PET的研發(fā)和設計，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PET/CT和PET/MR，可以最大限度發(fā)揮不同成像模式各自的優(yōu)勢，提升PET在臨床應用中的地位和價值。

6鑒于PET的空間分辨率比其他成像模式（MR、CT、X-30當前的PET/CT只是簡單的集成，各自獨立的兩套成像系統(tǒng)共享一個機架，用一個控制臺操作，不能夠并發(fā)生成解剖和功能影像，需要使用軟件進行配準和融合。如果能夠使用一套探測系統(tǒng)，同時進行發(fā)射和透射掃描，實現(xiàn)二者在硬件上融合，是PET/CT面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。硬件融合PET/CT真正實現(xiàn)活體中快速動態(tài)生理過程的空間-時間對應，并減少病人輻射劑量。因此，開發(fā)能夠同時記錄511keVγ光子和X-ray的探測器就非常有價值。7當前的PET/CT只是簡單的集成，各自獨立的兩套成像系31

硬件融合的PET/MR，要求PET探測器能夠在磁場中不受磁場梯度和RF信號的影響，同時由于空間的限制，對探測器的體積及配套的前端電子學電路也有嚴格限制。固體探測器將是滿足這種應用的關鍵。8硬件融合的PET/MR，要求PET探測器能夠在磁場中不32

最近幾年一個主要的開發(fā)領域是DOI探測器，其目的是減少視差并保持良好的靈敏度。DOI技術對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器環(huán)。DOI探測器由不同種類閃爍晶體層疊而成，主要用于臨床前期及腦部專用的PET掃描儀。DOI技術還處于初期開發(fā)階段，還有很多值得探索的技術問題。DOI探測器制造成本比較高，時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自多個閃爍晶體，造成精度下降。閃爍晶體、固體探測器和基于光響應函數(shù)（LRF）定位算法三者的結合，會推動該技術的進一步發(fā)展。9最近幾年一個主要的開發(fā)領域是DOI探測器，其目的是減少33圖1DOI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10圖1DOI工作模式a脈沖形狀鑒別b晶體偏34通常只能假定湮沒事件發(fā)生于LOR線的某處，如果探測系統(tǒng)有很高的時間分辨率，就可獲得事件發(fā)生于LOR上何處的精確信息。同等參數(shù)條件下，一個TOF系統(tǒng)與非TOF系統(tǒng)相比，能提供更高的噪聲等價計數(shù)和信噪比。例如一個飛行時間（time-of-flight,TOF）分辨率為600ps的系統(tǒng)，可以將湮沒位置大致定位在一個半寬高約9cm的高斯型區(qū)域內(nèi)，如圖2所示。TOF技術的實現(xiàn)必須依賴于高性能閃爍晶體和光電探測器。11通常只能假定湮沒事件發(fā)生于LOR線的某處，如果探35圖2TOF原理12圖2TOF原理36二.閃爍晶體探測器技術的進展基于閃爍晶體的探測器一直是PET設計中最主要、最普遍使用的探測器，當前一個很活躍的研發(fā)領域就是尋找理想的閃爍晶體，理想的閃爍晶體應該快速、高密度、高光產(chǎn)量且造價便宜。新型晶體LSO及其它镥化合物為設計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)出幾個明顯優(yōu)勢特性，非常適合于PET的3D成像。

13二.閃爍晶體探測器技術的進展基于閃爍晶體37二.閃爍晶體探測器技術的進展

BaF2晶體衰減時間超級短，為600皮秒，可用于TOF型PET設備，從某種程度上彌補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設備生產(chǎn)中得到應用，新型的無機晶體也在不斷開發(fā)中，主要是基于鈰摻雜的鑭系和過渡金屬元素，例如LaBr3和CeBr3。必須認識到探測器的性能不僅取決于閃爍晶體的特性，還有賴于探測器自身的設計。

14二.閃爍晶體探測器技術的進展BaF2晶體38三.光電探測器的進展

PMT是閃爍探測器的驅(qū)動器，具有很高的增益（典型值是106數(shù)量級）、低噪聲和低成本，通常要求的偏置工作電壓為800～1200V。由于PMT的體積和玻璃封裝，無法實現(xiàn)晶體和PMT一對一的耦合，因此限制了利用它制造高分辨率探測器的能力，同時導致了塊探測器的概念、設計與使用。

目前在解決PMT體積問題上，已經(jīng)取得進展，實現(xiàn)了將多個倍增通道（實際上相當于多個PMT）封裝在一個通常的真空管內(nèi)。

15三.光電探測器的進展PMT是閃爍探測器的39三.光電探測器的進展

多通道和一系列位置敏感PMT拓展了一個新的探測器設計領域，目前的設計進一步減少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，整體結構更加緊湊。繼續(xù)提高PMT的響應速度，以便配合LSO和LaBr3晶體，實現(xiàn)時間分辨率在300ps量級上的TOF系統(tǒng)。但是PMT的缺點是對磁場很敏感，不能用于PET/MR雙模設備中。16三.光電探測器的進展多通道和一系列位置敏40三.光電探測器的進展

新的探測器設計圍繞著PMT的替代產(chǎn)品，以便在使用閃爍晶體陣列或晶體板時，能夠?qū)崿F(xiàn)光電探測器和晶體一對一的耦合，并進一步減小體積。更期望能夠設計出在磁場中使用的光電探測器，因此研究人員設計各種形式的固態(tài)光電探測器。首先使用的是硅PIN二極管，這類產(chǎn)品結構緊湊，有高量子效率，并能用于磁場中。

17三.光電探測器的進展新的探測器設計圍繞著41三.光電探測器的進展另一種產(chǎn)品是雪崩光電二極管（APD），與PIN二極管相比，其優(yōu)點是具有較高的增益（大約102～103），更高的時間分辨率（在1ns數(shù)量級），同樣適用于非TOFPET。它的增益是偏置電壓的函數(shù)，并對溫度敏感，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，其工作原理類似于原來的塊探測器。18三.光電探測器的進展另一種產(chǎn)品是雪崩光電42三.光電探測器的進展最新型產(chǎn)品是蓋革式ADP或者叫作硅光電倍增管，這類產(chǎn)品很多公司在積極開發(fā)，被冠以不同的名稱，統(tǒng)一稱之謂SiPM，其最基本的結構是一系列APD微單元，每個單元是一個獨立的蓋革式的探測器，通過一個電阻加上偏置電壓，當光子作用于探測器單元時，它會放電，電阻抑制探測器單元的放電。當它和閃爍晶體耦合時，閃爍晶體產(chǎn)生的幾百至幾千個光子作用于眾多的微探測單元，典型產(chǎn)品的增益范圍為105～107，在50ohm的負載上產(chǎn)生幾毫伏的信號，偏置電壓范圍30～150V，時間分辨率達到100ps，和閃爍晶體配合可以達到250～500ps，且有較高的光產(chǎn)出率。19三.光電探測器的進展最新型產(chǎn)品是蓋革式A43三.光電探測器的進展器件制造基于集成電路制造技術，成本低，單元尺寸范圍寬，陣列間距精確。器件可以用于磁場內(nèi)