PET
正電子發(fā)射斷層成像（PET）是核醫(yī)學(xué)中最重要的成像技術(shù)之一，在生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷中具有不可替代的作用。PET技術(shù)是一種三維成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，利用正電子發(fā)射放射性同位素標(biāo)記化合物注入生物體內(nèi)，在體外測(cè)量其空間分布和時(shí)間特性。探測(cè)器是PET系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要負(fù)責(zé)探測(cè)湮沒(méi)光子并將探測(cè)到的情況轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。系統(tǒng)的幾何設(shè)計(jì)以及單個(gè)PET探測(cè)器模塊的特性有助于提高掃描儀的整體性能。探測(cè)器性能主要受光探測(cè)器和閃爍晶體特性的影響。閃爍晶體以其高密度、高光產(chǎn)額、低衰變時(shí)間和無(wú)吸濕性等特性在PET中得到了廣泛的應(yīng)用。
PET掃描儀的性能直接受到許多設(shè)計(jì)因素的影響，這些因素包括掃描儀的幾何形狀，檢測(cè)器模塊，讀出的電子設(shè)備，數(shù)據(jù)采集和處理以及圖像重建算法。目前，大多數(shù)PET光學(xué)轉(zhuǎn)換器使用無(wú)機(jī)閃爍晶體，正電子湮沒(méi)產(chǎn)生的511 keV的伽馬光子轉(zhuǎn)換為適合于光電倍增管檢測(cè)的低能光子，并實(shí)現(xiàn)光子數(shù)放大。PET閃爍晶體的選擇主要取決于以下四個(gè)方面：
- 為了使受檢者受到的輻射劑量最小化并縮短成像時(shí)間，要求晶體以高的檢測(cè)效率或阻斷能力來(lái)檢測(cè)511keV的γ光子，因此優(yōu)選具有較高的有效原子序數(shù)和密度的晶體。
- 為了使PET掃描儀在高計(jì)數(shù)率的狀態(tài)下工作，需要使時(shí)間計(jì)數(shù)損失盡可能小，因此晶體應(yīng)具有較短的發(fā)光衰減時(shí)間。此外，如果晶體的發(fā)光衰減時(shí)間短，則可以減小重合時(shí)間窗口，并且可以減小隨機(jī)重合的影響。
- 為了最小化統(tǒng)計(jì)誤差并獲得良好的能量分辨率和位置分辨率，晶體的光輸出應(yīng)盡可能高。
- 為了與光電倍增管配合使用，晶體的閃爍光波長(zhǎng)應(yīng)在380至440 nm的范圍內(nèi)。
據(jù)報(bào)道，已證明許多晶體起閃爍晶體的作用，可用于PET中。在PET系統(tǒng)中，一個(gè)閃爍晶體或幾個(gè)協(xié)作的不同晶體用作檢測(cè)器。目前，可以批量生產(chǎn)的閃爍晶體為：BGO，LSO，Ce：LYSO，Ce：GaGG，GSO，LuYAP。
下圖顯示了事件電路檢測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)。圖中的基本檢測(cè)單元是一對(duì)與閃爍晶體耦合的光子檢測(cè)器（PMT / APD / MPPC等）。檢測(cè)器接收到的光子產(chǎn)生的電信號(hào)被傳輸?shù)角爸梅糯笃鬟M(jìn)行信號(hào)放大，因此，要求閃爍晶體具有更高的光輸出和更短的衰減時(shí)間。
PET中使用的閃爍晶體的類型
BGO
特點(diǎn)
- 高密度
- 輻射長(zhǎng)度短
- 大折射率
- 檢測(cè)效率高
- 高包裝率
- 高制動(dòng)力
閃爍體由于其高的檢測(cè)效率，較大的光分?jǐn)?shù)和相對(duì)較低的成本而成為PET檢測(cè)器的誘人材料。在臨床領(lǐng)域，對(duì)具有高靈敏度的高性價(jià)比的全身PET掃描儀有強(qiáng)烈的需求，這促進(jìn)了實(shí)現(xiàn)BGO相互作用深度（DOI）檢測(cè)器的研究。BGO的峰值發(fā)射波長(zhǎng)為– 480 nm，與光電倍增管的光譜響應(yīng)非常匹配。BGO的有效原子序數(shù)為75，密度為7.1g / cm3，可通過(guò)最小化受檢者接收的輻射劑量并縮短成像時(shí)間來(lái)提高檢測(cè)511 keVγ光子的效率。BGO的輻射長(zhǎng)度為1.12cm，有利于生產(chǎn)緊湊的探測(cè)器或探頭部件，提高空間分辨率，節(jié)省成本。
BGO晶體具有良好的壓電性能，高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定的熱性能。基于BGO晶體的PET檢測(cè)器的填充率通常高于90％。高填充率一直是實(shí)現(xiàn)最大檢測(cè)靈敏度的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。目前，許多研究機(jī)構(gòu)與BGO配合使用其他閃爍晶體，可以最大限度地發(fā)揮BGO的優(yōu)勢(shì)，克服其輸出光產(chǎn)量低，衰減時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。另外，BGO晶體無(wú)余輝，無(wú)離解表面，抗輻照能力強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定，易于加工和維護(hù)。
參考文獻(xiàn)
[1]MPPC Arrays in PET Detectors With LSO and BGO
[2] A DOI Detector With Crystal Scatter Identification Capability for High Sensitivity and High Spatial Resolution PET Imaging
[3] Performance Characteristics of BGO Detectors for a Low Cost Preclinical PET Scanner
Ce:LYSO
特點(diǎn)
- 良好的能量分辨率
- 高密度
- 高光產(chǎn)額
- 低衰減時(shí)間
- 不吸濕
正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET）的設(shè)計(jì)具有特殊的挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗粦?yīng)影響高空間分辨率、高靈敏度、高計(jì)數(shù)率以及良好的能量和時(shí)間分辨率。在探測(cè)器層面上，閃爍晶體和光探測(cè)器是兩個(gè)主要的起關(guān)鍵作用的器件，它們要么是由小像素閃爍體元件構(gòu)成，要么是由大的單片晶體構(gòu)成。在這兩種方法中，主要目標(biāo)是在整個(gè)視場(chǎng)（FOV）上實(shí)現(xiàn)高空間分辨率、高靈敏度、高計(jì)數(shù)率性能以及良好的能量分辨率和時(shí)間分辨率。Ce:LYSO是PET中應(yīng)用最廣泛的閃爍體，它具有高密度、高光產(chǎn)額、低衰減時(shí)間和無(wú)吸濕性等特點(diǎn)。
Ce：LYSO是LSO / YSO混合的非吸濕性晶體，具有高密度（7.1，10％Y），高光輸出（26000–32000 ph / MeV），良好的能量分辨率（?10％）和較短的衰減時(shí)間（40 ns）。其最大發(fā)射波長(zhǎng)為420nm，可與光電倍增管的光電陰極很好地匹配。近年來(lái)，與SiPM偶聯(lián)的Ce：LYSO晶體已廣泛應(yīng)用于PET系統(tǒng)。但是，重要的是要注意，來(lái)自176Lu的固有輻射會(huì)導(dǎo)致88、202和307 keV的伽馬射線發(fā)射，隨著PET掃描儀中晶體數(shù)量的增加，這會(huì)導(dǎo)致顯著的輻射本底。
| Ce:LYSO (LuYSiO5) | 光輸出[ph/MeV] | 衰減時(shí)間[ns] | 發(fā)射波長(zhǎng)[nm] | 密度[g/cm3] | 能量分辨率[%] |
| Ref[1] | 32*103 | 40 | 420 | 7.1 | 9 |
| Ref[2] | 32*103 | 40 | 420 | 7.1 | ~10 |
| Ref[3] | 26*103 | 40 | 420 | 7.1 | ~10 |
參考文獻(xiàn)
[1] Performance of FBK high-density SiPM technology coupled to Ce：LYSO and CeGAGG for TOF-PET
[2] Characterization of 1.2×1.2 mm2 silicon photomultipliers with Ce:LYSO, Ce:GAGG, and Pr:LuAG scintillation crystals as detector modules for positron emission tomography
[3] Luminescence Emission Properties of (Lu; Y)2SiO5Ce (LYSO:Ce) and (Lu; Y)AlO3Ce (LuYAPCe) Single Crystal Scintillators Under Medical Imaging Conditions
Ce:GAGG
特點(diǎn)
- 高密度
- 快速閃爍反應(yīng)
- 高產(chǎn)量
- 良好的固有能量分辨率
- 高制動(dòng)力
正電子發(fā)射斷層掃描（PET）是一種成熟的獲取器官生化功能信息的方法，可用于癌癥的早期檢測(cè)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷。典型的PET掃描儀具有由厚的閃爍晶體組成的探測(cè)器和光電探測(cè)器，例如光電倍增管（PMT）。這些應(yīng)用要求閃爍體具有高的光產(chǎn)率，良好的能量分辨率，高有效原子序數(shù)，快速的閃爍響應(yīng)和化學(xué)穩(wěn)定性。
Ce：GAGG閃爍體是一種新型的無(wú)機(jī)閃爍體，具有46 000光子= MeV的高光產(chǎn)率。它的高光輸出有望改善DOI檢測(cè)器模塊的能量分辨率和晶體識(shí)別的準(zhǔn)確性。s。GAGG：Ce閃爍體發(fā)出淡黃色的光，其有效原子序數(shù)等于54.4。此外，Ce:GAGG不包含天然放射性，這可能會(huì)提高系統(tǒng)的最低可檢測(cè)活性極限。此外，與SiPMs配合使用，Ce:GAGG晶體具有出色的定時(shí)分辨率（低于200 ps），使其非常適合飛行時(shí)間（ToF）PET應(yīng)用。在511 keV照射下，Ce:GAGG陣列的平均能量分辨率等于10.5％。
| Ce GAGG | 光輸出[ph/MeV] | 衰減時(shí)間[ns] | 發(fā)射波長(zhǎng)[nm] | 密度[g/cm3] | 能量分辨率[%] |
| Ref[1] | 46*103 | 88 | 530 | 6.6 | 6.4 |
| Ref[2] | 55*103 | 97 | 520 | 6.7 | ~11 |
| Ref[3] | 46*103 | 88 | 520 | 6.6 | 10.6 |
參考文獻(xiàn)
[1] Performance of FBK high-density SiPM technology coupled to CeLYSO and CeGAGG for TOF-PET
[2] Characterization of 1.2×1.2 mm2 silicon photomultipliers with Ce LYSO, Ce GAGG, and Pr LuAG scintillation crystals as detector modules for positron emission tomography
[3] Development of prototype PET scanner using dual-sided readout DOI-PET modules
Ce:YAP
| 波長(zhǎng)（最大發(fā)射）（nm） | 370 |
| 衰減時(shí)間（ns） | 28 |
| 發(fā)光量（光子/ keV） | 25 |
| 相對(duì)于Nal（Tl）的光輸出（％） | 60-70 |
| 折光率 | 1.95@370nm |
Ce:YAP（摻雜鈰的釔鋁橄欖石）已被證明是PET（正電子發(fā)射斷層掃描）小型動(dòng)物的理想候選者。它的快速閃爍，良好的光輸出，高密度和出色的物理性能，使得長(zhǎng)而薄的晶體得以生長(zhǎng)。這些檢測(cè)器成束放置，并與位置敏感的讀數(shù)光學(xué)耦合，從而產(chǎn)生了可喜的結(jié)果。YAP：Ce的人類PET應(yīng)用的主要缺點(diǎn)是在511 keV時(shí)光電率低（?4％）。
參考文獻(xiàn)
[1] High spatial resolution small animal YAP-PET
[2] Comparison of YAP and BGO for high-resolution PET detectors
[3] YAP-PET：first results of a small animal Positron Emission Tomograph based on YAP：Ce finger crystals