基于沿单层LYSO晶体阵列深度多层反射膜分布的深度编码PET探测器研究

赵斌清，付春亮，邝忠华，王晓辉，任 宁，吴 三，杨 茜，孙明道，张春晖，章先鸣，高 娟，桑子儒，胡战利，都军伟，杨永峰,*

(1.中国科学院 深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055；2.武汉第二船舶研究设计院，湖北 武汉 430205)

正电子断层扫描成像(PET)是一种活体功能代谢成像技术，具有高灵敏度和高定量精度的优点，在心血管疾病、脑神经疾病和肿瘤早期诊断及治疗的早期评估方面具有广泛的应用；同时，PET也是脑科学研究、新治疗方法研究和新药物研发的重要工具[1-4]。PET使用核素示踪的原理，通过符合探测特定药物发射的正电子湮灭所产生的两条γ射线实现成像。γ射线在传统PET探测器中的作用深度不确定效应造成PET成像系统的空间分辨率变差，对于探测器环直径较小的小动物PET和人脑专用PET、长轴向视野的全身PET，这一效应尤为严重。因此，研发高分辨率的深度测量探测器是PET成像系统达到全视野高空间分辨率的关键[5-6]。

近年来，研发具有深度测量能力的探测器一直是PET仪器研发的热点[7-8]。已经研发成功的深度测量探测器方法包括晶体阵列双端读出[9-11]、衰变时间不同的多层晶体[12-14]、多层晶体阵列各层单独读出[15-16]、利用晶体间光分享原理实现深度测量[17-21]、连续晶体[22-25]和半连续晶体[26]等。其中日本研究小组提出了一种通过在各层晶体间布局不同反射膜的多层切割晶体阵列组成的单端读出深度测量PET探测器[27]，该方法利用γ射线与各层晶体发生作用时产生的闪烁光子在光探测器的分布重心不同而实现深度测量，该深度测量PET探测器只需1个光探测器，可达到4层深度分辨能力，已用于乳腺和脑PET成像系统[28-30]。近年来，该研究小组还采用激光雕刻技术来制作晶体阵列，进一步降低了探测器成本，改进了探测器性能[31]。在上述多层切割晶体阵列的方法中，各层晶体间的界面对闪烁光子传输和收集会有一定影响，从而影响到探测器的能量和时间分辨率等性能。为此，本文提出在单层LYSO晶体阵列中，采用沿晶体深度布局多层反射膜，并通过SiPM阵列单端读出，从而进行深度测量的PET探测器方法。

1 实验方法

1.1 探测器深度测量原理

图1 传统单端读出晶体阵列探测器示意图和预期晶体分辨图Fig.1 Schematic view of traditional single-ended readout crystal array detector and its expected flood histogram

图1为传统单端读出晶体阵列探测器示意图和预期晶体分辨图，探测器包括晶体阵列和光探测器阵列，晶体间采用反射膜相隔，晶体阵列外面包裹反射膜。γ射线与晶体相互作用产生的闪烁光子在晶体内部经过多次反射后到达光探测器，闪烁光子在光探测器上分布的重心确定了晶体在晶体分辨图上的位置，探测器通常只能区分不同的晶体而不能提供相互作用深度信息。

本文提出在单层晶体阵列中沿晶体深度布局多层反射膜的方法，使得γ射线与晶体在不同深度作用时产生的闪烁光子到达光探测器时的分布重心不同(图2)。布局2层反射膜的探测器，第1层晶体间采用10 mm光学胶耦合，第2层晶体间采用10 mm反射膜耦合；布局4层反射膜的探测器，第1层晶体间采用5 mm光学胶耦合，第2层一个方向采用5 mm光学胶耦合，另一个方向则采用5 mm反射膜耦合，第3层相对于第2层光学胶和反射膜的位置互换，第4层晶体间则采用5 mm反射膜耦合。反射膜阻碍晶体间的光子分享，光学胶促进晶体间的光子分享，因此，当γ射线入射上述探测器后，在晶体不同深度处发生作用时到达光探测器的闪烁光子的分布重心不同，导致在晶体分辨图中的位置不同，据此可区分γ射线与晶体作用的深度。

图2 布局2层(a)和4层(b)反射膜的探测器示意图和预期的晶体分辨图Fig.2 Schematic of detector with two (b) and four (b) reflector arrangements and their expected flood histograms

1.2 探测器制作和SiPM读出电路

采用4个尺寸为3 mm×3 mm×20 mm的晶体，按照图2中所示的晶体间反射膜布局，制作了布局2层和4层反射膜的2×2 LYSO晶体阵列探测器(图3)。单个晶体所有表面未抛光，晶体阵列除与SiPM耦合的面外，其余5个外表面均包裹Teflon薄膜，晶体间反射膜材料采用美国3M公司的ESR反射膜。2×2 LYSO晶体阵列与1个4×4 SiPM阵列中心的4个像素单元通过光学硅油一对一耦合。

图3 布局2层(a)和4层(b)反射膜的2×2 LYSO晶体阵列照片Fig.3 Photo of 2×2 LYSO crystal arraywith two (a) and four (b) reflector arrangements

光探测器使用日本Hamamatsu公司的S12642-0404PA-50 4×4 SiPM阵列，每个SiPM单元的像素尺寸为3 mm×3 mm，间隙为0.2 mm，总有效探测面积为12.6 mm×12.6 mm。该SiPM阵列有16个输出信号，通过行列相加电路得到8个位置解码的能量信号，用于能量和晶体分辨图的计算，SiPM行列相加读出电路原理图如图4所示。

1.3 实验测量

使用图5所示的实验装置，分别在非符合模式和符合模式下对探测器进行测量。在非符合模式下，一个直径为0.25 mm的22Na放射源从侧面对待测的LYSO晶体阵列探测器进行均匀照射。在符合模式下，由Hamamatsu R9800单通道PMT和LYSO薄片(40 mm×20 mm×1.0 mm)组成参考探测器，将直径为0.25 mm的22Na放射源与参考探测器一起安装在同一移动平台上，通过移动平台对待测晶体阵列探测器的4个不同深度(2.5 mm，7.5 mm，12.5 mm，17.5 mm)进行照射。放射源到薄片探测器和待测的LYSO晶体阵列探测器的距离分别是35 mm和45 mm。

图4 4×4 SiPM阵列行列相加读出电路原理图Fig.4 Schematic of row and column summing readout circuit of 4×4 SiPM array

图5为实验装置和电子学示意图，待测探测器的8个位置解码的能量信号进入线性扇入/扇出模块，每路信号复制为两路信号，8路能量信号相加后输入快放大器，待测探测器和参考探测器的符合信号作为数据采集系统触发信号，最终对经过谱放大器成形和放大的8路能量信号峰值采样数字化后存储为列表数据。

1.4 数据分析

探测器的总能量由下述公式计算：

E=X1+X2+X3+X4+Y1+Y2+Y3+Y4

(1)

其中，X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3、Y4是8个位置解码的能量信号，单个γ事件在二维晶体分辨图中的位置由下式计算：

(2)

(3)

首先根据上述公式得到整个探测器的能谱和晶体分辨图，对晶体分辨图进行晶体单元分割，产生探测器的晶体查找表；然后使用晶体查找表重新分析数据，得到每个晶体的能谱，再通过高斯拟合获得511 keV的γ射线光电全能峰的峰位置和半高宽，晶体的能量分辨率为半高宽除以峰位值再换算为百分比；最后使用每个晶体的全能峰峰位，得到探测器在不同能量窗条件下，不同深度和整个探测器的晶体分辨图，并对探测器的深度测量能力进行定量分析。

图5 实验装置和电子学示意图Fig.5 Schematic of experimental setup and electronics system

2 实验结果

2.1 无符合模式下的晶体分辨图

图6为布局2层反射膜的2×2 LYSO晶体阵列探测器在非符合模式测量条件下得到的晶体分辨图。可看出，每个晶体都可清楚无误地分辨，2层也可得到比较清楚地区分，每层内部还可提供一定的连续深度信息。

图7为布局4层反射膜的2×2 LYSO晶体阵列探测器在非符合模式测量条件下的晶体分辨图，晶体阵列中每个晶体均可清楚无误分辨，探测器第1层和第2层区分不太清楚，第2层和第3层、第3层和4层区分较清楚。

a——所有能量事件；b——能量在400～600 keV范围内的事件图6 布局2层反射膜的2×2 LYSO晶体阵列探测器在非符合模式测量条件下的晶体分辨图 Fig.6 Flood histograms of 2×2 LYSO crystal array detector with two reflector arrangements measured in single mode

2.2 单一深度的晶体分辨图

布局2、4层反射膜的探测器在符合模式下得到的2.5、7.5、12.5和17.5 mm 4个深度的晶体分辨图和总晶体分辨图，分别示于图8、9，对于布局2层反射膜的2×2 LYSO晶体阵列探测器，每个深度均可较清楚地区分，不同层的区分较每层内的两个深度(2.5 mm和7.5 mm、12.5 mm和17.5 mm)的区分更好。对于4层反射膜的2×2 LYSO晶体阵列探测器，每个深度均可清楚地区分，除第1层和第2层区分能力较差外，其他3层均能清晰无误地区分。4层反射膜探测器的深度分辨能力优于2层反射膜探测器。

a——所有能量事件；b——能量在400～600 keV范围内的事件图7 布局4层反射膜的2×2 LYSO晶体阵列探测器在非符合模式测量条件下的晶体分辨图Fig.7 Flood histograms of 2×2 LYSO crystal array detector with four reflector arrangements measured in single mode

2.3 探测器深度测量能力定量分析

为能定量评估2种探测器的深度测量能力，将探测器单个晶体在4个深度测量得到的晶体分辨图沿45°或-45°对角线投影，得到4条投影曲线，对每条曲线进行归一化后得到图10所示的4条曲线。在每两条曲线的交点处画1条竖线，位于第1条竖线左面的所有事件被指定为第1层，在第1和第2条竖线之间的事件被指定为第2层，在第2和第3条竖线之间的事件被指定为第3层，位于第3条竖线右面的所有事件被指定为第4层。表1列出2种探测器4个深度事件的正确指定概率(正确指定事件和所有事件之比)，布局2层反射膜的探测器对获取的所有事件4个深度的平均正确指定概率为65.5%，能量在400～600 keV的事件平均正确指定概率为70.6%。而布局4层反射膜的探测器，所有事件4个深度的平均正确指定概率为74.8%，能量在400～600 keV的事件4个深度的平均正确指定概率为79.1%。4层反射膜探测器的深度分辨能力明显优于2层反射膜探测器。表2列出布局2层反射膜探测器2层深度分辨能力的定量估评结果，深度2.5 mm和7.5 mm对应于第1层，深度12.5 mm和17.5 mm对应于第2层，对所有事件，探测器2层的平均正确指定概率达85.1%，对能量在400～600 keV的事件探测器2层的平均正确指定概率达87.4%。

图8 布局2层反射膜的探测器4个深度的晶体分辨图和总晶体分辨图Fig.8 Flood histograms of detector with two reflector arrangements measured at 4 depths and summed flood histogram of all 4 depths

图9 布局4层反射膜的探测器4个深度的晶体分辨图和总晶体分辨图Fig.9 Flood histograms of detector with four reflector arrangements measured at 4 depths and summed flood histogram of all 4 depths

图10 探测器深度指定方法示意图Fig.10 Schematic of depth assignment method for detector

探测器类型能量窗正确指定概率/%2.5 mm7.5 mm12.5 mm17.5 mm平均布局2层反射膜探测器E>0 keV67.660.660.473.365.5400 keV0 keV80.460.776.282.074.8400 keV

表2 布局2层反射膜探测器相对应2层事件正确指定的概率Table 2 Probabilities to make correct assignment to each half of detector with two reflector arrangements

2.4 能量分辨率

图11、12为2种探测器的4个晶体在非符合模式测量条件下的能谱，表3列出2种探测器的4个晶体的511 keV全能峰峰位和能量分辨率。两种探测器的平均能量分辨率分别为18.0%和12.2%。由于晶体阵列为手工制作，晶体全能峰位和能量分辨率的变化偏大，晶体能量分辨率较差。

图11 布局2层反射膜探测器4个晶体的能谱图Fig.11 Crystal energy spectra of detector with two reflector arrangements

图12 布局4层反射膜探测器4个晶体的能谱图Fig.12 Crystal energy spectra of detector with four reflector arrangements

探测器类型能量分辨率/%峰位/V1234平均1234平均2层反射膜探测器19.919.119.513.618.05.165.165.195.045.144层反射膜探测器13.612.12.310.212.24.894.814.914.704.83

3 结论

本文提出并测试了一种具有深度测量能力的单端读出的PET探测器，该探测器由在沿晶体深度方向布局2层或4层反射膜的单层晶体阵列组成，根据不同深度事件在探测器晶体分辨图上的位置不同进行深度测量。本文制作了两个简单的2×2 LYSO晶体阵列，对该探测器的深度测量能力进行了研究。对于布局2层反射膜探测器，上下两层事件平均正确指定概率为85.1%，4个深度事件平均正确指定概率为65.5%；对于布局4层反射膜探测器，4个深度事件平均正确指定概率为74.8%。由于部分511 keV γ射线在LYSO晶体中发生多次散射使得平均作用深度偏离初始深度，实际上探测器作用深度正确指定的概率会更大。布局4层反射膜探测器的深度分辨率优于布局2层反射膜探测器。布局4层反射膜探测器上面两层的深度分辨能力较其他层差，反射膜的布局方式仍需进一步优化。本文两种探测器的平均能量分辨率为18.0%和12.2%，比预期的能量分辨率差，其中一个主要原因是本工作所用LYSO晶体阵列为手工制作，制作工艺还需进一步改进。本文提出的深度测量PET探测器，在对其参数进行进一步优化和研发大的晶体阵列后，可用于今后研发高性能脑专用、全身和全景PET成像系统。