用于正电子发射断层成像的闪烁晶体解析

1、第35卷第5期2001年9月原子能科学技术AtomicE nergyScie ncea ndTech nologyVol.35,No.5Sep.2001文章编号:100026931(2001)0520476205用于正电子发射断层成像的闪烁晶体刘华锋，叶华俊，鲍 超(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江杭州 310027)摘要:正电子发射断层成像要求闪烁晶体材料具有高光输出、，廉。关键词：闪烁晶体;探测器冲图分类号:TL81619:A(Emissio nTomography,PET)技术是利用探测某种同位素 丫射线，得到生物体内的这 种,。由于构成生命的基本兀素 C、0、N等均有发射正电子

2、的同位素，因此,PET在 理论上可对生命体的许多部位的生理功能进行成像。可见,PET是生命科学研究、医疗诊断颇有特色的工具。PET系统由探测器、数据采集系统、图像重建和图像处理三部分组成。PET探测器设计应满足以下要求1,2:(1)高灵敏度，对511keVY射线对的探测效率高；(2)高空 间分辨率，更精确地确定湮灭位置;(3)良好的时间分辨率，消除随机符合事件；(4)良 好的能量分辨率，消除康普顿散射的影响;(5)价格低廉佝死时间短；(7)稳定性好。PET探测器一般是由闪烁晶体与光电倍增管(位置灵敏型光电倍增管或半导体器件) 耦合而成。因此，闪烁晶体的材料特性、体积、形状等对检测器的性能影响很

3、大。1闪烁晶体材料概述常用PET探测器结构示于图1。第1代PET探测器使用Nal(Tl)晶体3。NaI晶体 探测效率低、易潮解，需封装使用。PET系统现多采用BGO晶体4。80年代早期曾使用过CsF晶体，该晶体响应速度快,能分辨湮灭光子对的飞行时 间差,正电子湮灭发生区域可精确定位，使空间分辨率和信噪比大为提高。但CsF晶体的探测效率低，而BGO晶体的光输出低、衰减时间长。为获得更高空间和时 间分辨率的探测器，使用新闪烁晶体是最有效的方法之一。收稿日期：2000203206;修回日期:2001204201)，男山东巨野人，博士，医学成像探测器专业作者简介：刘华锋(1972第5期刘华锋等:用于正

4、电子发射断层成像的闪烁晶体 477近20年来，闪烁晶体材料迅速发展，出现了几种性能优良的高质量闪烁晶体，有可能 替代BGO晶体,大大提高PET系统的探测效率和分辨率。新闪烁晶体的物理特性 列于表158。表1新闪烁晶体的物理特性Tablel Characteristicsofnewsci ntillatorsusedi nPETdetector 晶体BGO(Bi4Ge3O12) LSO(Lu2SiO5 : Ce)GSO(Cd2SiO5 : Ce) YAP(YAIO3 : Ce)LuAP(LuAIO : Ce) 8136651105301736515155342113473138011976171

5、591152060/6004301.8519007135661123724042011822150密度/-37113相对分子质量射程/cm相对光输出量75111322衰减时间/300辐射波长/480折射率熔点厂C潮解性21151050不潮解不潮解不潮解不潮解不潮解图1常用的PET探测器结构半导体器件Fig.1 Con figurati ono fPETdetectormodulesa22光电倍增管列阵;b位置灵敏光电倍增管;c2对闪烁晶体材料的要求211 物理特性1）射程PET系统采用符合探测技术，系统灵敏度与单个探测器灵敏度的平方成正 比。因此,相对分子质量大、密度高的闪烁晶体材料有较高的阻

6、止本领 ，即511keVy射 线的射程短，被完全吸收的概率大，亦即使用该晶体的PET探测器能获得较高的灵 敏度和探测效率。2）光输出量光输出量直接影响探测器的能量、时间及空间分辨率。闪烁晶体吸收Y寸线后产生的光子数N越大,则探测丫射线的作用位置越准确。能量分辨率与 1/时间分辨 率与t /N成正比，其中,为衰减时间。N成正比；478原子能科学技术第35卷3）衰减时间闪烁晶体受激后不立即发射全部光子，单位时间内放出的光子数随时间变化较为复杂。在一级近似下，可表示成两个 指数过程的组合，即分别描述闪烁增长和闪烁下降（衰减）。增长时间一般小于10- 12s,远小于衰减时间，因此，闪烁晶体的衰减时间是

7、另一重要参数，其数值大小影响 探测器的时间分辨率与死时间。衰减时间愈短，时间分辨率愈好。4）发射光谱闪烁晶体的发射光谱应与相耦合的光电传感器的光谱响应曲线吻合。例如:对于双碱光电阴极的光电倍增管，所期望的光谱范围为300500nm,而光 电二极管所要求的光谱范围则为 400900nm。212几何特性1）晶体形状 早期的PET探测器使用圆柱形晶体。随着对 PET系统的灵敏度要求 越来越高，闪烁晶体的最佳形状变为长方体。长方形晶体能使探测器尽可能紧密地排列成环形系统，可获得最咼的探测效率。2）晶体宽度晶体宽度是探测器空间分辨率的最具决定性的因素，减小晶体宽度可 以最大限度地提高探测器的空间分辨率。

8、但随晶体宽度变窄，由此又降低空间分 辨率和灵敏度，因此,。3）晶体长度 提高轴向空间分辨率，,。4）晶体深度 511,其关系由下式给出9: =（1exp（卩 h）2其中：卩;为晶体深度,h越大，对511keVY射线对的符合探测效率越高。但 BGO的 光收集效率大体上与h/wl成反比（w为晶体宽度，1为晶体长度），因此，晶体深度也有 一个最佳值。3闪烁晶体的应用PET系统价格昂贵，限制了它在临床方面的应用。实现低廉的PET系统的方法之一就是降低探测器的费用（探测器系统的费用占整个PET系统费用的60%以上）。 最近，日本滨松光子学株式会社把在高能物理实验中广泛使用的钨酸铅（PbWO 4,又称PW

9、O）晶体引入到PET系统（图2）中 10。8 8的PWO晶体阵列与位置灵敏型光电倍增管（PSPMT）相耦合,单个晶体的尺寸 为丫射线与PWO晶体相互作用产生光子，这些光子传输6mn 6mn 20mm,其工作原 理为：到PSPMT的光电阴极上，激励光电阴极发射出光电子，光电子被各倍增级倍增放大 最后经阳极输出。阳极为由电阻回路组成的网状结构 ，通过相应的电路计算位置。图3为用511keV的丫射线均匀照射3X3PWO/PSPMT探测器获得的闪烁图像。9 个闪烁晶体的图像充分分离，表明探测器的区分本领良好。本实验室用最新研制出的LSO晶体设计了能探测深度信息的DOI（Depthofl nteract

10、io n）探测器11,12。该探测器由两层LSO晶体组成,上层晶体相对于下层晶体的位置在 x和y 方向上都有半个晶体阵列单元的错位。因每个晶体输出光的重心位置分布在PSPMT不同的位置上，所以，通过计算其重心位置，可在像平面上区别开每个晶体。 与PMT相比，雪崩光电二极管（APD）的增益（典型值一般为100）比较低。但是，近年 来，第5期 刘华锋等：用于正电子发射断层成像的闪烁晶体 479图 2 用于构造价廉 PET 系统的 Fig.2 PWO/PSPMTdetectorforlowsystema原理图；,L,/APD组合而。如今，世界上许多大和究机构都在研究LSO/APD探测器13,14,人

11、们普遍认为，该组合将替代闪烁晶体/PMT组合成为PET的下一代探测技术。4小结闪烁晶体的Y射线探测技术是PET迅速发展的前沿，新的技术和方法不断出现，且投入实际应用的时间越来越短。闪烁晶体探测器不仅在PET领域得到Fig.3Positioninghistogramofa3 3array广泛应用，在原子物理学、粒子物理学、天文学和 材料ofPWOcrystalscoupledwithPSPMT检测等学科中也发挥着越来越大的作用。 近年来，有些科学家利用两个相向放置的探测器构成探测植物生理功能的成像系统15,也有人利用它们构成探测脑瘤或乳腺癌的小型医学成像探 测系统16。可以预计,正电子成像技术的

12、不断发展将对生命科学、材料科学等众 多研究领域产生巨大的影响。参考文献：1YamashitaT.Developme ntofNewPositio n2se nsitiveDetectorsforPETD.Tokyo:U niversi tyofTokyo,1992.2MosesWW,Dere nzoSE,Budi ngerTF.PETDetectorModulesBasedo nN ovelDetectorTechnologiesJ.Nucl图3 3X3PWO晶体阵列位置图480InstrumMethods,1994,A353:189-194.原子能科学技术第 35 卷3Wren ER,Goo

13、dML,Ha ndlerP.TheUseofPositro nEmitti ngRadioisotopesforLocalizatio nfo rBrai nTu2morsJ.Scie nce,1951,113:52L 527.4ChoZH,FrukhihMR.BismuthGermi nateasaPote ntialSci ntillatio nDetectori nPositro nCam erasJ.JNuclMed,1977,18:840844.LempickiA,Ra ndlesMH,Wis niewskiD,etal.LuAIO3:Cea ndOtherAlumi nateSci

14、 ntillatorsJ.I EEETra nsNuclSci,1995,42(2):280285.Van EijkCWE.Developme ntofl norga nicSci ntillatorsJ.Nucll nstrumMethods,1997,A392 :285290.7ZhuRe nyuan .Precisio nCrystalCalorimetryi nF utureHighE nergyCollidesJ .I EEETra nsN uclSci,1997,44(2) :468476.8LecomteR,Pepi nC,RouleauD,etal.l nvestigatio

15、no fGSO,LSOa ndYSOSc in tillatorsUsi ngR everseAvala nchePhotodiodesJ.IEEETra nsNuclSci,1998,45(3):47482.9CherrySR,ShaoY,TornaiMP,etal.Collectio nofSci ntillatio nLightFromSmalIBGOCrystals J.IEEETran sNuclSci,1995,42:10581063.10 山下贵司1光子科学与产业国际双边研讨会论文集C1浙江，:s.n.11刘华锋, 鲍 超，渡边光男，等1PET)568112 LiuH,Omura

16、T,WatanabeM,etal.Development丫 2raysJ.NuclIn2strumMethods,2001,A459:18213 PichlerB,Bo nin gGHighResolutio nPETSca nn erBasedo nLSO2APDSci,45(3):1298 1302.14 ,etal.Desig nStudiesofaHighResolutio nPETDetectorUsi ngAPDArrays J.NuclSci,2000,47(3):1051 1057.15 KumeT,MatsuhashiS,ShimazuM,etal.Uptakea ndTra

17、 nsportofPositro n2emitti ngTrace r(18F)i nPla ntsJ.ApplRadiatIsot,1997,48(8):1035 1043.16 TornaiMP,Levi nCS,MacDo naldLR,etal.AMi niaturePhoswichDetectorforGamma2r ayLocalizati onandBetaImagi ngJ.IEEETra nsNuclSci,1998,45(3):11661173.Sci ntillatorsforPositro nEmissio nTomographyLIUHua2fe ng,YEHua2ju n,BAOChao(StateKeyLaboratoryofModernOpticalI nstrume ntatio n,Zhejia ngUn iversity,Ha ngzhou31 0027,Chi na)Abstract:Thecharacteristicsofsci ntillator,suchashighlightoutput,shortdecayti mea ndexcel2 len tstoppi ngp