液氙探测技术在医学成像上的研究进展

吕子祎，董建荣，何培忠

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

1 引 言

研究人员很早就认识到将液氙作为粒子探测的优势。历史上，液氙用于粒子探测的优势是Alvarez在1969年首次认识到的[1]。随着Berkeley研究组第一台液氙电离探测器的研发，俄罗斯和日本的独立团队也进行了实验来研究液氙放射性探测的基本性质。从Dolgoshein[2]、Doke[3]等的开创性工作和康普顿望远镜大体积液氙时间投影室的首次开发[4]，到如今液氙成为暗物质直接探测的主要技术之一，我们可以看到液氙探测器在不同领域的发展和应用。与其他探测器介质相比，液态稀有气体具有电离电子和闪烁光子对放射响应的独特特性。使用两种高探测效率信号的探测器在测量放射特性方面具有显著优势。近年来，以液氙为闪烁体的178 nm波长闪烁光子高效率光电探测器的研制取得了很大进展。同时，具有足够的液化和维持液体温度能力的低温冷却器的研制，使探测器的运行更加可靠。

2 液氙基本性质

氙气是一种惰性气体，在空气中含量少于0.1 ppm，可以通过空气分离和进一步低温蒸馏技术制备高纯氙气(99.999%)。高纯氙气通过制冷机或液氮制冷的方式冷却到-100℃，形成密度约为3 g/cm3的液氙(LXe)[5]。外部入射粒子与氙原子核或者外层电子发生散射，散射粒子获得一部分动能，产生反冲，这些额外能量会以闪烁光子和电离电子的形式释放出来，在液氙中产生闪光和电离信号。在所有惰性气体中，氙具有最高的电离产额和闪烁光产额，意味着其内部沉积的额外能量能够产生较强的可供探测的闪光和电离信号。除了半衰期长达1 021年的氙136同位素外，氙没有其他长寿命的放射性同位素，所以纯氙本身具有较低的本底，同时氙在常温下是气体，提纯相对简单。然后，液氙的高原子序数(54)和高密度(3 g/cm3)使其具有非常有效的阻止穿透性辐射，与NaI(Tl)等晶体闪烁体或Ge等半导体相比，液氙提供了很好的屏蔽作用，这是其他闪烁体不易实现的。液氙作为闪烁体的特性总结见表1，与常用晶体LSO和BGO相比，具有很好的优越性[6]。作为一种优异的探测介质, 液态氙的闪烁率高、闪烁衰减时间快，更适合应用于核医学，并且液态氙的价格比目前的晶体都便宜，具有很大的优势。

表1液态氙作为闪烁体的性能与常用的PET闪烁体相比(液态氙中的光子数是在2kv/cm的电场中给出的)

Table1Compare the properties of liquid Xenon as a scintillator to commonly scintillators used for PET(The number of photos in liquid Xenon is given at an electric field of2kv/cm)

参数BGOLSOLXe511 kev时的衰减长(mm)111236光电比(%)423322#511 kev下产生的光子数3 30016 40012 000衰减时间常数(ns)300402(97%),27(2%)峰值波长(nm)480420178

3 正电子发射断层成像

正电子发射断层成像(PET)是一种先进的诊断成像技术。PET系统的原理是将由正电子放射性同位素标记的药物注入生物体内，嵌入生物体内特定的分子中，以测量不同器官或癌细胞对其的摄取量。通过重建正电子湮灭过程中产生的两个沿相反方向飞行的511 keV伽马光子响应线，可获得显示正电子发射放射性同位素位置的图像。湮灭发生在离正电子源几毫米之内时，在探测器中同时检测两个光子及其相互作用点的坐标，可以确定正电子放射源在患者体内位置的一条直线。一组这样的交叉线可以对放射源进行三维重建。因此，对PET探测器的主要要求是高光子探测效率、高能量分辨率、高位置分辨率、降低假光子组合时间分辨率。PET探测器必须非常有效地检测511 keV伽马射线，并且具有1 mm的位置分辨率。为限制来自不同湮灭(称为随机湮灭)过程的光子假组合的数量，通常需要3 ns或更灵敏的时间分辨率。在进入探测器敏感区之前光子的相互作用会使图像失真。这些光子通过在探测器中沉积511 keV可以被移除。为了限制大多数散射光子进入探测敏感区域，需要不低于9%(FHWM)的能量分辨率[6]。

4 研究进展

首次将液氙用于SPECT时，测得的位置分辨率可达4 mm(FWHM)，计数率可达106 c/s,但是由于使用的多丝正比计数器的不稳定性，妨碍了它作为一个实用伽马照相机的使用[4]。1983年，Egorov等利用高压氙气的电致发光成功研发了伽马照相机，能够对122 keV伽马射线获得3.5 mm(FWHM)空间分辨率和15%(FWHM)能量分辨率[7]。随后的液氙探测在医学成像方面的研究大多集中于PET系统上。液氙探测主要有两种方法：仅使用闪烁信号测量伽马射线能量和位置的探测器(不加电场)；闪烁信号仅作为事件的触发器，通过电离信号测量伽马射线能量和位置的探测器(加电场)。在此讨论了这两种方法的发展和现状。

4.1 LXe TOF PET

该方法只测量初次闪光，此时光电倍增管PMT浸没在液氙中。1976年，Lavoie首次提出了以LXe作为闪烁体的优良性能构建TOF PET的可能性[8]。Waseda研究组于1997年开始对TOF PET进行研究，在2000年建立了由两个液氙电离室组成的一个原型。2001年开始对原型进行测试[9]。此后不久，改进的PMT便用于原型[10]。2006年又提出了一种轴向感光长度为24 cm的全尺寸TOF PET。Grenoble研究组提出了另一个关于LXe TOF PET的建议，采用分光法测量轴向位置[11]，然而得到的位置分辨率在中心区域仅为10 mm(FWHM)[12],与市场上的晶体PET毫无竞争力。

最近有研究提出了一种基于LXe的正电子发射TOF装置——Petalo，是由硅光电倍增管(silicon photomultiplier，SiPM)读出的基于液氙优良闪烁特性的新型闪烁探测器[13-14]。Petalo的关键技术是以高效率、最小的几何畸变和均衡的响应来捕获液氙闪烁产生的大部分光，以获得良好的能量和空间分辨率并进行TOF测量。SiPM因能够提供大面积、高增益和非常低的噪声而作为Petalo的光读出传感器(目前即将完全取代PMT)。在氙的液化温度下，SiPM可以正常运行，其暗计数率基本可以忽略不计。见图1，在其最简单的版本中,每个单元均有入口和出口面，而其他单元则被高反射材料(如聚四氟乙烯)覆盖，该材料在紫外线波长下具有接近100%的反射效率[15]。盒子本身的形状和尺寸可以适应特定的应用，还可以根据应用程序调整SiPM的大小和类型。一项蒙特卡罗研究表明，Petalo可以获得能量分辨率为12%(FWHM)，空间分辨率为2 mm(FWHM)，光探测效率为20%[13]，可以获得一个非常好的CRT，其FWHM可达70 ps。该方法克服了在PET技术中使用LXE的缺点，不会因漂移而产生高电压和死区时间。此外，它还利用了更小的新一代传感器，在伽马相互作用的重建中提供更好的空间分辨率。

图1 Petalo的液氙闪烁室简易模型

4.2 LXe Compton PET

该探测方法基于时间投影室(time projection chamber,TPC)。文献[16]中，液氙TPC被提议使用于Compton PET系统，主要因为电离信号和闪烁光信号的结合提高了能量分辨率。在2 kV/cm电场强度下，一个511 keV的光子在液态氙中产生约2万个电子离子对。用低噪声电子设备可以轻易探测到这些电子，并且光子的扩散非常小，能获得非常精确的位置分辨率。TPC的液氙探测器通过综合测量空间内每个相互作用点的空间坐标和能量损失，使用康普顿运动学来测量交互序列[17]。1993年，Chepelsh首次提出在LXe TPC同时读取闪烁电荷和电离电荷[18]，此后又做了大量工作,随后的研发记录在参考文献[19-27]中。后来尽管使用122 keV伽马射线得到了小于2 mm的位置分辨率，但对511 keV伽马射线来说至今未达到[28-29]。2007年，法国Subatech的Xemis小组开始建造LXe Compton PET，该PET系统使用会发射高能伽马β+衰变同位素，如44sc[30-31]。Nantes研究组使用微结构模式电荷读出和一个气体光电倍增管(GPM)[32]的方法，证明了用一个完全浸没在液氙中的所谓的微型气体探测器能完全收集电离电子[33]。Giboni等使用无窗口雪崩光电二极管(APD)测得液氙中511 keV伽马射线的时间分辨率约为270 ps[34]。

这些研究并未充分利用LXe应用于PET的全部潜力。一方面，虽然同时读取光和电荷可以提供更好的能量和空间分辨率，但TPC速度较慢，并且由于电荷漂移而引入死区时间，可能会降低灵敏度，增加探测器的复杂性和成本，从而限制该技术的大规模实施。另一方面，大尺寸的PMT会导致较低的几何校正精度和较差的空间分辨率。

4 总结

用于改进医学成像的液氙探测器得到了快速发展，这是一项有益于整个社会的实际应用。在高速、高灵敏度的PET系统中使用液氙探测器对医学成像具有潜在的重要意义。液氙探测器与传统系统相比，存在着成本、安全性和复杂性等实际问题，加上快速产生图像，复杂康普顿重建等其他要求，所以这项技术在被应用之前需要做更多的研究。在国内，液氙探测技术在暗物质探测中趋于成熟[35]，然而在医学成像上的研究还未深入，希望本研究能够对国内研究人员起到一定的作用。