楊 昆 李 真 楊永鑫 王文理 任秋實(shí)

1(河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院， 保定 071000)2(北京大學(xué)工學(xué)院， 北京 100871)

小動(dòng)物正電子發(fā)射斷層成像儀探測(cè)器發(fā)展

楊 昆1*李 真1楊永鑫1王文理1任秋實(shí)2

1(河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院， 保定 071000)2(北京大學(xué)工學(xué)院， 北京 100871)

小動(dòng)物正電子發(fā)射斷層成像儀(PET)探測(cè)器的性能直接決定系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)高分辨率、高靈敏度的探測(cè)器單元是小動(dòng)物PET研究的熱點(diǎn)。綜述幾款經(jīng)典的環(huán)形探測(cè)器、平板型探測(cè)器以及商業(yè)化小動(dòng)物PET的特點(diǎn)和性能，主要從組成探測(cè)器單元的晶體、光電倍增管層面分析總結(jié)小動(dòng)物PET探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，并且展望小動(dòng)物PET在新的深度效應(yīng) (DOI)方法、半導(dǎo)體探測(cè)器以及通用電子學(xué)設(shè)計(jì)方面的發(fā)展前景。

小動(dòng)物PET；探測(cè)器；深度效應(yīng) (DOI)方法；半導(dǎo)體探測(cè)器；通用電子學(xué)

引言

PET(positron emission tomography)又稱為正電子發(fā)射型斷層成像儀，能夠在分子水平上實(shí)現(xiàn)生物有機(jī)體生理、病理變化的在體、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、無(wú)創(chuàng)的三維成像，能夠?yàn)檠芯刻囟ɑ蚬δ?、生物體生長(zhǎng)發(fā)育、疾病發(fā)生發(fā)展和藥物作用效果評(píng)價(jià)及動(dòng)力學(xué)變化等提供信息獲取和分析處理的有效依據(jù)，是重大臨床疾病診治和新藥開發(fā)等領(lǐng)域的重要研究手段[1]。

小動(dòng)物PET專門用于小動(dòng)物分子水平上的生理、病理參數(shù)研究，要求系統(tǒng)具有高空間分辨率和高靈敏度。探測(cè)器單元的性能直接決定了PET系統(tǒng)的整體性能，設(shè)計(jì)高分辨率、高靈敏度的探測(cè)器單元是小動(dòng)物PET研究的熱點(diǎn)。受深度效應(yīng) (depth of interaction，DOI)的影響，視野區(qū)域邊緣發(fā)生視差錯(cuò)誤，導(dǎo)致圖像分辨率一致性較差，所以提高分辨率一致性也是探測(cè)器單元設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。

小動(dòng)物PET探測(cè)器按結(jié)構(gòu)主要分為環(huán)形和平板型兩種，其探測(cè)器單元的組成基本一致，一般由光電轉(zhuǎn)換和前端電子學(xué)兩部分組成。光電轉(zhuǎn)換部分將伽瑪光子信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，前端電子學(xué)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、定時(shí)等處理。光電轉(zhuǎn)換部分通常采用閃爍體和光電倍增管耦合的結(jié)構(gòu)，放射性示蹤劑湮滅發(fā)出的伽瑪光子首先與閃爍體作用轉(zhuǎn)化為可見光，光電探測(cè)器采集可見光并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)送前端電子學(xué)處理。另有一種基于高密度雪崩室(high density avalanche chamber，HIDAC)技術(shù)的氣體探測(cè)器結(jié)構(gòu)[2]，可以直接將伽瑪光子轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。近期研究表明，一些新型半導(dǎo)體材料能夠直接將伽瑪光子轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，可用于開發(fā)高性能的新型小動(dòng)物PET探測(cè)器。

1 小動(dòng)物PET探測(cè)器的發(fā)展

1.1環(huán)形探測(cè)器在小動(dòng)物PET中的應(yīng)用

典型的環(huán)形探測(cè)器如圖1所示，多個(gè)探測(cè)器單元排列成封閉的環(huán)，多個(gè)環(huán)并列構(gòu)成探測(cè)器陣列，即環(huán)形探測(cè)器。環(huán)形探測(cè)器在小動(dòng)物PET中應(yīng)用較多，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、成像效果較好等優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)不夠靈活，DOI影響較大。探測(cè)器單元中閃爍晶體的特性、尺寸、切割方式都對(duì)探測(cè)器的性能影響很大，如晶體寬度決定了分辨率極限值，同時(shí)光電倍增管的特性會(huì)影響系統(tǒng)空間分辨率。另外，探測(cè)器單元的排列方式也影響到PET的DOI效應(yīng)大小。

圖1 環(huán)形探測(cè)器Fig.1 Detector rings

CTI公司的ECAT-713[3]和Hamamastu公司的SHR-2000[4]是最早的專門用于動(dòng)物PET成像的掃描儀，其空間分辨率基本與醫(yī)用人體PET相同，無(wú)法滿足動(dòng)物研究，但是確立了動(dòng)物PET的概念。

ECAT-713系統(tǒng)使用了與醫(yī)用人體PET一樣的探測(cè)器單元，BGO晶體陣列耦合到一對(duì)雙頭光電倍增管(photomultiplier tube，PMT)上，如圖2所示。系統(tǒng)采用2D采集模式，噪聲低，成像質(zhì)量好，但會(huì)降低系統(tǒng)靈敏度，在小動(dòng)物PET靈敏度普遍較低的情況下較少采用。

圖2 ECAT-713使用的BGO耦合PMT探測(cè)器單元Fig.2 ECAT-713 detector unit: BGO coupled to PMT

SHR-2000系統(tǒng)使用了與醫(yī)用人體PET相似的結(jié)構(gòu)。使用PS-PMT(position sensitive PMT，位置靈敏光電倍增管)取代PMT。PS-PMT結(jié)構(gòu)緊湊，死區(qū)較小，對(duì)晶體的定位更加準(zhǔn)確。系統(tǒng)視野區(qū)域較大，可進(jìn)行猴子的PET成像。SHR系列產(chǎn)品最新型號(hào)為SHR-41000[5]。系統(tǒng)采用雙層LYSO晶體結(jié)構(gòu)，兩層晶體陣列交錯(cuò)半個(gè)像素，能夠識(shí)別DOI信息。晶體與探測(cè)器之間加入1 mm厚的光導(dǎo)耦合，解決了PS-PMT邊緣的死區(qū)問題。探測(cè)器環(huán)直徑減小，專用于小動(dòng)物的全身成像。

Sherbrooke PET第一次使用了基于雪崩二極管(avalanche photo diode，APD)的離散閃爍探測(cè)器，每個(gè)BGO晶體獨(dú)立耦合到一個(gè)APD上[6]。使用APD探測(cè)器，顯著提高了系統(tǒng)空間分辨率，適用于小動(dòng)物PET。APD增益對(duì)溫度非常靈敏，系統(tǒng)必須在恒溫狀態(tài)下工作。

布魯塞爾自由大學(xué)曾開發(fā)出一套使用BaF2閃爍晶體材料的小動(dòng)物PET系統(tǒng)[7]，讀出系統(tǒng)采用低壓多級(jí)線室(low pressure multistep wire chamber)結(jié)構(gòu)。BaF2晶體光輸出較低，制約了系統(tǒng)性能。

由加州大學(xué)洛杉磯分校(University of California at Los Angeles，UCLA)研發(fā)的microPET[8-10]系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了3代，產(chǎn)品通過與Concord/Siemens公司合作，成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

microPET是UCLA開發(fā)的第一代小動(dòng)物PET型號(hào)，系統(tǒng)第一次將LSO晶體應(yīng)用在小動(dòng)物PET上，光電探測(cè)器使用MC-PMT(multi-channel PMT，多通道光電倍增管)，MC-PMT具有能夠分辨小晶體、增益高、串?dāng)_低、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。探測(cè)器單元使用光纖束連接晶體和探測(cè)器，主要目的是消除MC-PMT邊緣死區(qū)對(duì)成像結(jié)果的影響，同時(shí)提供了PET與核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)同機(jī)融合的可能性。探測(cè)器固有分辨率為1.68 mm，是當(dāng)時(shí)分辨率最高的多環(huán)PET系統(tǒng)，但是軸向視野小導(dǎo)致靈敏度不高。

表1 使用環(huán)形探測(cè)器的小動(dòng)物PET系統(tǒng)性能比較

MicroPET II[11-13]是第二代microPET產(chǎn)品，其探測(cè)器單元如圖3(a)所示。在晶體方面，改變了切割尺寸和安裝工藝，橫截面變小可以提高探測(cè)器的固有分辨率，長(zhǎng)度增加能夠改善系統(tǒng)靈敏度；晶體兩端放置了網(wǎng)格矩陣，保證了晶體陣列間隔均勻；每一行晶體之間加入反光層，光學(xué)隔離相鄰晶體，使光收集效率最大化(如圖3(b)所示)。系統(tǒng)固有空間分辨率達(dá)到1.05 mm，并保持了一定的能量和時(shí)間分辨率。

圖3 MicroPET II。(a)探測(cè)器單元；(b)晶體陣列Fig.3 MicroPET II. (a)Detector Unit; (b)Crystal Array

ATLAS[14](advanced technology laboratory animal scanner)是第一臺(tái)具有DOI能力的小動(dòng)物PET掃描儀，可與高分辨率CT圖像同軸融合。采用LGSO和GSO晶體構(gòu)成Phoswich(phosphor sandwich，磷三明治)結(jié)構(gòu)，Phoswich像素陣列耦合PS-PMT。通過測(cè)量每一個(gè)事件的光脈沖衰減時(shí)間(LGSO:40ns；GSO:60ns)，得到DOI信息。較小的探測(cè)器環(huán)能夠改善系統(tǒng)靈敏度。

從以上機(jī)型的特點(diǎn)可以看出，小動(dòng)物PET環(huán)形探測(cè)器的發(fā)展主要體現(xiàn)在晶體材料及切割尺寸、排列方式的變化，以及所選取光電倍增管性能的提升，同時(shí)晶體和光電倍增管的耦合方式也在不斷改進(jìn)。小動(dòng)物PET經(jīng)歷了從單純追求高分辨率到同時(shí)追求高分辨率和高靈敏度的轉(zhuǎn)變，性能如表1所示。由于很難同時(shí)提高分辨率和靈敏度，所以最新的探測(cè)器設(shè)計(jì)均是在兩者之間尋找平衡。

1.2平板型探測(cè)器在小動(dòng)物PET中的應(yīng)用

采用平板型探測(cè)器的小動(dòng)物PET一般由相對(duì)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)架上的平板型探測(cè)器構(gòu)成，可以是雙平板結(jié)構(gòu)或四平板結(jié)構(gòu)。如圖4所示。平板PET的探測(cè)器可根據(jù)被測(cè)動(dòng)物調(diào)節(jié)探測(cè)器的間距和角度，使用靈活，且其靈敏度高于傳統(tǒng)環(huán)形PET的靈敏度。探測(cè)器間距會(huì)影響γ光子入射角，從而影響探測(cè)器分辨率和靈敏度。晶體的類型、長(zhǎng)度同時(shí)影響探測(cè)器的分辨率和靈敏度，及光電探測(cè)器的特性，以及兩者的耦合方式。

圖4 平板型探測(cè)器Fig.4 Flat panel detectors

HIDAC-PET[2]系統(tǒng)使用了比較少見的氣體探測(cè)器。探測(cè)器基于多絲正比室(multi-wire proportional chamber，MWPC)技術(shù)，可進(jìn)行小動(dòng)物全身成像，圖像分辨率能夠提高到0.7 mm，是現(xiàn)有小動(dòng)物PET的最高值。HIDAC探測(cè)器能識(shí)別DOI信息，但散射符合較多，靈敏度低，沒有能量分辨能力。

表2 使用平板型探測(cè)器的小動(dòng)物PET系統(tǒng)性能比較

MAD-PET采用了LSO耦合APDs的結(jié)構(gòu)[15]。晶體與APDs探測(cè)器像素一對(duì)一耦合。系統(tǒng)包含2個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)有3個(gè)探測(cè)器模塊，2個(gè)扇區(qū)可圍繞被探測(cè)物旋轉(zhuǎn)。與同樣使用APDs探測(cè)器的Sherbrooke PET相比，能量分辨率好，分辨率有所提高。

圖5 4個(gè)探測(cè)器的YAP-PET系統(tǒng)[19]Fig.5 Quad-detector YAP-PET system[19]

YAP-PET使用了YAP：Ce晶體作為閃爍體[18-19]。這種晶體具有閃爍快、光輸出高、密度高、物理性能好等優(yōu)點(diǎn)。晶體間加入反光層，晶體陣列直接與PS-PMT耦合組成探測(cè)器模塊。

YAP-(S)PET是YAP-PET的升級(jí)型號(hào)，可以進(jìn)行PET/SPECT數(shù)據(jù)采集[20]。系統(tǒng)沿用了YAP-PET的探測(cè)器結(jié)構(gòu)，但是晶體長(zhǎng)度減少了5 mm，降低了DOI效應(yīng)對(duì)分辨率一致性的影響。

SmartPET(The small animal reconstruction tomograph for PET) 系統(tǒng)由兩個(gè)相對(duì)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)架上的HPGe(high-purity germanium，高純度鍺)平板型探測(cè)器組成，每個(gè)探測(cè)器包含一塊兩面切割為正交帶狀的平面Ge晶體[21]。SmartPET采用數(shù)字脈沖波形分析(pulse shape analysis，PSA)技術(shù)，分析探測(cè)器的響應(yīng)脈沖，獲得時(shí)間、位置和能量信息。

平板型探測(cè)器一般具有較高的分辨率和靈敏度，性能如表2所示。但是，平板型PET的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致其計(jì)數(shù)效率低于傳統(tǒng)的環(huán)形PET，且其缺失角度較大，導(dǎo)致采集信息缺失，因而降低了重建圖像的準(zhǔn)確度，這使得平板型PET的發(fā)展受到限制。平板PET探測(cè)器在設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮到使用靈活性、高分辨率、高靈敏度外，如何提高重建圖像的準(zhǔn)確度仍將是一個(gè)重大的課題。

1.3商業(yè)化小動(dòng)物PET的探測(cè)器

截止到2006年，已經(jīng)商業(yè)化的小動(dòng)物PET機(jī)型有5個(gè)：eXplorer Vista(General Electric Healthcare)，microPET Focus(Concord Microsystems Inc.)，Quad-HIDAC(Oxford Positron Systems Ltd.)，MOSAIC(Philips Medical Systems)，YAP-PET(I.S.E. Srl，Italy)[22]。Quad-HIDAC(4探頭HIDAC系統(tǒng))和YAP-PET在前文已有介紹，以下比較GE、Siemens和Philips三家公司的代表產(chǎn)品。

MicroPET Focus是第三代microPET系統(tǒng)[23]。該系統(tǒng)晶體橫截面變大，長(zhǎng)度變短，犧牲了一些空間分辨率，在保持系統(tǒng)靈敏度的同時(shí)改善了全視野分辨率的不均勻性；光纖長(zhǎng)度減小，降低了光傳輸過程的損耗。

Inveon small animal PET (Siemens Medical Solutions)是microPET Focus的后續(xù)產(chǎn)品型號(hào)[24-25]。Inveon系統(tǒng)使用了與Focus系統(tǒng)一樣的晶體，晶體陣列變大，使用錐形多像素光導(dǎo)耦合到PS-PMT，其探測(cè)器單元如圖6所示。大面積晶體陣列耦合小面積PS-PMT能夠提高光子吸收效率，降低光電探測(cè)器數(shù)量，提高軸向視野。這樣，系統(tǒng)能夠進(jìn)行小動(dòng)物全身成像。

CNN具有2種特性：局部連接和參數(shù)共享。CNN中相鄰2層的連接方式為局部連接，當(dāng)前層每個(gè)神經(jīng)元的值是對(duì)上一層進(jìn)行卷積操作得到的，且每次卷積的參數(shù)相同。如圖1所示。相同顏色的線表示相同的參數(shù)，li+1層神經(jīng)元的值依賴于上一層神經(jīng)元的值， li+1 層每個(gè)神經(jīng)元共享參數(shù)。

圖6 使用錐形多像素光導(dǎo)的Inveon探測(cè)器單元[24]Fig.6 The Inveon detector unit using a tapered multiple-element lightguide[24]

eXplore VISTA Small Animal PET[26]是GE公司開發(fā)的專門用于嚙齒類小動(dòng)物PET的成像系統(tǒng)。系統(tǒng)使用雙層晶體Phoswich結(jié)構(gòu)修正DOI誤差，上層晶體使用LYSO，下層晶體使用GSO，根據(jù)兩種晶體的衰減時(shí)間不同來得到DOI信息。光電探測(cè)器使用PS-PMT。系統(tǒng)固有空間分辨率和靈敏度均達(dá)到較高水平，能量分辨率要比單層閃爍體探測(cè)器稍差。

MOSAIC small animal PET系統(tǒng)在空間分辨率方面進(jìn)行了一定的妥協(xié)，盡量提高視野范圍，其靈敏度在反映低比活度的放射性配體時(shí)表現(xiàn)仍可接受[27-29]。原型機(jī)使用GSO耦合PMTs的探測(cè)器結(jié)構(gòu)，后使用LYSO晶體替換GSO晶體，LYSO具有更高的阻斷能量和光輸出。閃爍晶體和PMTs之間采用連續(xù)帶溝槽的光導(dǎo)連接，如圖7所示。連續(xù)光導(dǎo)能夠最小化探測(cè)器死區(qū)的影響，溝槽結(jié)構(gòu)是為了更好地分辨晶體。MOSAIC系統(tǒng)由于具有高等效噪聲計(jì)數(shù)率(Noise Equivalent Count Rate，NECR)和大視野區(qū)域，可以進(jìn)行高速全身小動(dòng)物PET成像。

圖7 MOSAIC系統(tǒng)連續(xù)光導(dǎo)和LYSO晶體[27]Fig.7 The continuous light guide and LYSO in MOSAIC[27]

商業(yè)化產(chǎn)品大多采取環(huán)形探測(cè)器結(jié)構(gòu)，使用比較成熟的技術(shù)，在分辨率、靈敏度、成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性之間尋找平衡，尤其無(wú)法兼顧分辨率和靈敏度，但多以追求高的空間分辨率為主，如表3所示。

表3 部分商業(yè)化小動(dòng)物PET性能比較

2 小動(dòng)物PET探測(cè)器技術(shù)挑戰(zhàn)與展望

2.1研究結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的DOI修正方法

目前，已經(jīng)有多種修正DOI誤差的方法提出，比如前面已經(jīng)提到的Phoswich結(jié)構(gòu)。同樣采用Phoswich結(jié)構(gòu)的還有Hyun 等設(shè)計(jì)的高性能TraPET[30]，其探測(cè)器模塊由整塊錐形LSO晶體連接LuYAP晶體陣列組成，通過分析SiPM(Si PMT，硅光電倍增管)陣列輸出脈沖的波形獲取DOI信息。

Nishikido 等開發(fā)出基于4層LYSO晶體陣列一對(duì)一耦合PSAPD陣列的小動(dòng)物PET原型機(jī)，通過識(shí)別伽馬射線穿過每層晶體的位置獲取DOI信息[31]。

近年來，很多具有DOI能力的小動(dòng)物PET采用錐形晶體陣列兩端耦合PSAPD的探測(cè)器模塊，錐形晶體陣列如圖8所示。錐形結(jié)構(gòu)可大大減小探測(cè)器間距，顯著提高系統(tǒng)靈敏度。St James 等設(shè)計(jì)的小動(dòng)物PET探測(cè)器，在通道數(shù)不變的情況下，比采用傳統(tǒng)矩形晶體陣列的探測(cè)器靈敏度提高了64%[32]。Yang等設(shè)計(jì)的小動(dòng)物PET探測(cè)器，靈敏度也實(shí)現(xiàn)了41%的提高，同時(shí)具有2.6mm的DOI分辨率[33]。Rodríguez-Villafuerte等提出的小鼠腦部PET，基于像素錐形晶體和PSAPDs雙端讀出方式，其深度編碼精度達(dá)到2 mm，并且獲得(0.70±0.05)mm的超高分辨率。此外，還有基于連續(xù)晶體探測(cè)器模塊的DOI修正方法[34]。

圖8 錐形晶體陣列和矩形晶體陣列[33]Fig.8 A tapered array together with a cuboid array[33]

這些方法從實(shí)驗(yàn)上證明DOI引起的誤差可以進(jìn)行修正，但都會(huì)導(dǎo)致硬件成本增加[32]。因此，研究出能夠減少硬件消耗，尤其是通過軟件實(shí)現(xiàn)的方法，是一個(gè)很有潛力的方向。

2.2開發(fā)性能更好的新型半導(dǎo)體探測(cè)器材料

2.2.1SiPM(silicon photomultiplier)

SiPM又稱蓋革模式雪崩二極管(Geiger mode avalanche photodiode，GAPD)、SSPM(solid state photomultiplier，固態(tài)光電倍增管)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、增益高、響應(yīng)迅速、偏壓低等優(yōu)點(diǎn)，近年來逐漸取代傳統(tǒng)PMT，在PET上得到應(yīng)用。SiPM對(duì)磁場(chǎng)不敏感的特性使PET可與MRI結(jié)合[35]，其快速響應(yīng)時(shí)間能夠滿足TOF-PET(time of flight，飛行時(shí)間)技術(shù)的要求[36]。

Kwon等提出LGSO晶體陣列耦合SiPM陣列的小動(dòng)物PET探測(cè)器[37]。Llosá等提出基于連續(xù)LYSO晶體耦合集成SiPM陣列的PET探測(cè)器探頭設(shè)計(jì)，通過算法獲取DOI信息，使用5 mm厚度晶體可實(shí)現(xiàn)0.7 mm半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)的空間分辨率[38]。Cerello 等提出基于連續(xù)LYSO晶體雙面耦合SiPM陣列的PET探測(cè)器模塊，該探測(cè)器可通過DOI信息去除視差，并獲得各向相近的高分辨率，而且能夠應(yīng)用TOF技術(shù)精確地測(cè)量湮滅事件在響應(yīng)線上的位置[39]。

2.2.2CdTe(碲化鎘)、CdZnTe(碲鋅鎘)

CdTe、CdZnTe等半導(dǎo)體材料能夠直接將伽馬射線轉(zhuǎn)換成電子，靈敏度高，能量分辨率好，阻止本領(lǐng)高，可用于制造不需閃爍晶體和光電倍增管的新型PET探測(cè)器。

Ishii等開發(fā)的小動(dòng)物PET探測(cè)器模塊由雙層毫米級(jí)帶狀CdTe探測(cè)器組成，具有DOI能力，可實(shí)現(xiàn)0.8 mm FWHM的FOV中心分辨率[40]。該團(tuán)隊(duì)又開發(fā)出基于二維位置敏感型帶狀CdTe探測(cè)器(見圖9(a))的高分辨率PET，并提出疊加這種新型CdTe探測(cè)器可獲得具有DOI能力的三維超高分辨率PET[41]。Ario等研究了一種肖特基CdTe二極管探測(cè)器，得到1.2% FWHM(511keV)的能量分辨率和6 ns FWHM(500 keV)的時(shí)間分辨率。這表明，CdTe探測(cè)器可用于開發(fā)新型PET等核醫(yī)學(xué)探測(cè)器[42]。

CdZnTe探測(cè)器已實(shí)現(xiàn)在小動(dòng)物PET中的應(yīng)用[43]，并且體現(xiàn)出高性能特點(diǎn)。Yin等提出的高像素(350 μm)CdZnTe小動(dòng)物PET探測(cè)器(見圖9(b))，可獲得優(yōu)于700 μm的高空間分辨率[44-45]。Gu等開發(fā)出基于CdZnTe晶體探測(cè)器的小動(dòng)物PET，CZT晶體兩面為交叉帶狀電極，使探測(cè)器具有3D位置靈敏能力，能夠獲得(0.44±0.07)mm的分辨率和3.06%±0.39%(511 keV)的能量分辨率[46]。Yoon等提出的CZT Compton PET探測(cè)器使用小像素CdZnTe，通過獲取康普頓散射信息的方法，使能量分辨率提高了2.75倍[47]。

圖9 新型CdZn/CdZnTe探測(cè)器。(a)二維位置敏感型帶狀CdTe探測(cè)器[41]；(b)高像素CdZnTe探測(cè)器[44]Fig.9 Novel CdZn/CdZnTe detectors. (a) Two-dimensional position-sensitive strip CdTe detector[41]; (b) Highly pixelated CdZnTe detector[44]

目前，SiPM已在PET探測(cè)器上得到部分應(yīng)用，但由于其造價(jià)較高等因素未廣泛應(yīng)用，因此開發(fā)新工藝、降低成本是其得到推廣的前提。CdTe、CdZnTe探測(cè)器的性能直接受其晶體工藝技術(shù)和電子學(xué)結(jié)構(gòu)的影響[48]，開發(fā)出具有較高電阻率、較好完整性和較大單片面積的晶體，對(duì)設(shè)計(jì)更高性能的半導(dǎo)體探測(cè)器具有十分重要的意義。

2.3通用的前端電子學(xué)設(shè)計(jì)

在探測(cè)器單元中，前端電子學(xué)線路包括放大甄別電路和符合系統(tǒng)電路兩部分，分別對(duì)光電轉(zhuǎn)換部分輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、時(shí)間及能量甄別和符合判斷等處理。目前開發(fā)的小動(dòng)物PET系統(tǒng)，其探測(cè)器的前端電子學(xué)線路都是根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)特殊定制的，除少數(shù)同系列產(chǎn)品可以通用外(microPET P4與microPET II使用了基本相同的處理電路)，基本不具備跨平臺(tái)移植性。無(wú)論是位置譯碼讀出方式，還是像素獨(dú)立讀出方式，輸出信號(hào)處理過程具有一定的相似性，理論上可以進(jìn)行跨平臺(tái)移植。

設(shè)計(jì)具有一定通用性的前端電子學(xué)線路能夠節(jié)省大量重復(fù)工作，可將研究重心轉(zhuǎn)移到探測(cè)器組態(tài)、新材料研發(fā)和改進(jìn)等方面，有利于小動(dòng)物PET的快速發(fā)展。目前，已經(jīng)有適用于多種基于SiPM小動(dòng)物PET探測(cè)器的讀出電路模塊設(shè)計(jì)[49]。

3 結(jié)束語(yǔ)

小動(dòng)物PET技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了20余年，探測(cè)器也由改裝人體PET探測(cè)器過渡到專門設(shè)計(jì)，性能有了很大提高，并且應(yīng)用最新技術(shù)、最新材料，在科研和商用領(lǐng)域都取得了很大的進(jìn)步。設(shè)計(jì)高性能的小動(dòng)物PET探測(cè)器，最大的難點(diǎn)在于兼顧空間分辨率和靈敏度。未來小動(dòng)物PET探測(cè)器技術(shù)的研究重點(diǎn)仍然在探測(cè)器單元所包含的晶體、光電探測(cè)器、前端電子學(xué)層面，對(duì)DOI方法的改進(jìn)、新型半導(dǎo)體探測(cè)器的研發(fā)和通用電子學(xué)的設(shè)計(jì)是十分有意義的發(fā)展方向。

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DevelopmentofSmallAnimalPETDetector

YANG Kun1*LI Zhen1YANG Yong-Xin1WANG Wen-Li1REN Qiu-Shi2

1(CollegeofQualityandTechnicalSupervision,HebeiUniversity,Baoding071000,China)2(CollegeofEngineering,PekingUniversity,Beijing100871,China)

The performance of PET for small animal examination is largely dependent on the performance of the detector. Therefore, the designing for detector units with high resolution and high sensitivity becomes one of crucial issues in the investigation of small animal PET. This paper reviews the characteristics and performance of ring or flat panel detectors and a number of commercial PET for small animal examination. We made analysis with and summarized the development of the PET detector technology from components of a detector unit such as crystal and PMT. The development directions of determining new DOI, exploring new semiconductor detectors and designing for universal electronics are discussed as well.

small animal PET; detector; depth of interaction (DOI) methods; semiconductor detectors; universal electronics

10.3969/j.issn.0258-8021. 2014. 02.012

2013-09-27， 錄用日期:2014-03-11

國(guó)家自然科學(xué)基金(11104058)；河北省自然科學(xué)基金(A2011201155)；國(guó)家科技部重大科學(xué)儀器專項(xiàng)(2011YQ03011405)

R318.08

A

0258-8021(2014) 02-0218-09

*通信作者。E-mail: yangkun9999@hotmail.com