摘要小動(dòng)物PET成像較臨床PET成像，對(duì)空間分辨率和靈敏度提出了更高的要求，進(jìn)而促進(jìn)了 PET探測(cè)器的研究 和開發(fā)。綜述了小動(dòng)物PET掃描儀使用的探測(cè)器的發(fā)展?fàn)顩r,比較了幾款當(dāng)代典型小動(dòng)物PET掃描儀的性能，同時(shí)介 紹了為解決探測(cè)器視差問題而不斷發(fā)展的測(cè)量相互作用深度的探測(cè)器設(shè)計(jì)技術(shù)。
關(guān)鍵詞正電子發(fā)射斷層成像;探測(cè)器；相互作用深度
1引言
在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，大量的研究依賴動(dòng)物模型來完成， 動(dòng)物成像是做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)新的重要手段之一。許多傳統(tǒng)成像手 段，如：CT、MRI、超聲、SPECT、PET,都能用在小動(dòng)物成像上。 老鼠因?yàn)榉敝晨臁⒊杀镜投蔀槿祟惣膊?dòng)物模型的主體。近 年來,PET在老鼠疾病模型研究上顯示了相當(dāng)大的潛力，其最 突出的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、能進(jìn)行功能成像、可定量測(cè)量并且可 將動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接推及臨床，更有利于研究生物、生理過程 及變化等。
小動(dòng)物PET掃推儀的符合探測(cè)原理與臨床PET相同。注 人生物體內(nèi)的放射性核素發(fā)生P+衰變產(chǎn)生正電子，正電子與 物質(zhì)作用，能量耗盡時(shí)與物質(zhì)中的自由電子結(jié)合，產(chǎn)生湮滅輻 射反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為一對(duì)方向呈180。、能量同為511keV的"Y光 子。PET的2個(gè)探測(cè)器互設(shè)成180。,采用符合探測(cè)技術(shù)把一對(duì) 1光子產(chǎn)生的閃爍事件測(cè)定并記錄下來，即2個(gè)閃爍事件同 時(shí)進(jìn)人探測(cè)器被記錄，不同時(shí)進(jìn)入的閃爍事件被剔除,并確定 事件發(fā)生的空間位置,見圖1【1]。
作為一種用于臨床研究的研究工具,PET的應(yīng)用已經(jīng)超 過25年了。老鼠的體重與人相比低近3個(gè)數(shù)量級(jí)(通常以成 人70kg和老鼠30g做比較)，用于人體、 非人靈長類動(dòng)物和較大實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的PET 受到光電探測(cè)器技術(shù)的限制，無法滿足小 動(dòng)物成像所需的靈敏度和分辨率。為了達(dá) 到在人體PET成像研究時(shí)相同的水平精 確度，小動(dòng)物PET系統(tǒng)必須在空間分辨 率和靈敏度方面具備更高的性能。圖
作者®介:劉穎，碩士研究生;喬清理,副教授，
碩士生導(dǎo)師。
顯示了分別使用小動(dòng)物PET (圖2(a))和臨床PET(圖2 (b))對(duì)一只32g的小白鼠掃 描后的圖像比較效果。小動(dòng) 物PET的分辨率大約是 1.5mm,而臨床PET的分辨 率是5mm。動(dòng)物PET探測(cè)器 的性能對(duì)高分辨率動(dòng)物成像 至關(guān)重要。動(dòng)物PET掃描儀 從閃爍晶體材料和探測(cè)器的 設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行更新和提 髙，來滿足生物研究的不同 要求。
當(dāng)前，中科院高能所正 在從事Micro-PET的研發(fā)，
但還沒有成熟的產(chǎn)品在市場(chǎng) 銷售。浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀 器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等聯(lián)合機(jī) 構(gòu)開發(fā)了由2層150晶體 陣列和最新開發(fā)的位置靈敏 型光電倍增管構(gòu)成的新型位
敏型探測(cè)器。我國雖然已經(jīng)有多臺(tái)臨床PET用于人體的檢査 和研究,但是還沒有一臺(tái)小動(dòng)物PET。
2動(dòng)物PET掃描儀探瀾器的發(fā)展 2.1探測(cè)器閃爍晶體材料曰
對(duì)動(dòng)態(tài)成像來說,為得到合適的時(shí)間分辨率,單位時(shí)間內(nèi) 收集到的光子數(shù)比收集到的光子總數(shù)要重要得多。無機(jī)閃爍 晶體的密度大，原子量大,具有快速的衰變時(shí)間，是PET主要
量 狀態(tài)變化產(chǎn)生熒光，產(chǎn)生熒光的過程快，但是光子數(shù)目少。有 機(jī)化合物的原子量和密度都相對(duì)較低，因此，探測(cè)髙能7射線 的效率低。新型的纖維狀閃爍晶體技術(shù)可獲得高分辨率，但是 因?yàn)榈挽`敏度限制了其應(yīng)用。
傳統(tǒng)的探測(cè)器材料采用NaI、BGO等晶體。Nal晶體的最 大優(yōu)點(diǎn)是光輸出量大,可采用小直徑光電倍增管。BGO晶體密 度大,所以能夠提髙系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率。新的閃爍晶體材料，如： LSO、GSO、LuAP、YAP等，這些新材料具有光輸出量強(qiáng)、衰減 時(shí)間短等特性，確保了探測(cè)效率,對(duì)于開發(fā)高分辨率PET探測(cè) 器十分重要。表1中列舉了這些材料的參數(shù)。從圖3中可以直 觀地看到傳統(tǒng)的材料在探測(cè)效率和時(shí)間響應(yīng)2個(gè)方面的優(yōu)勢(shì) 不可兼得，而新的晶體材料時(shí)間響應(yīng)更好，光輸出強(qiáng)度大，可 以同時(shí)兼顧探測(cè)效率和時(shí)間響應(yīng)。
2.2動(dòng)物PET
掃描儀探測(cè)器 設(shè)計(jì)的發(fā)展 2.2.1閃爍晶
51 230 100 體耦合光電倍
75 3.00 0,15 增管（photo-
65 0.40 0.75 multiplier
59 0.60 0.30 tube.PMT)
32 0.27 0.40 射線與
YSO 4.45 36 0.70 0.45 閃爍晶體相互
LGSO 7.23 65 0.60 0.40 作用，產(chǎn)生光
LuAP 8.34 64 0.17 0.30 電子或是康普
]初次衰減常數(shù)(100ns) 3發(fā)射強(qiáng)度（相對(duì)于Nal)
NaI(Tl) BGO LSO GSO YAP YSO LGSO LuAP
傳統(tǒng)材料 新晶體材料
圖3常用晶體材料特性參數(shù)的比較直方圍
頓電子。激發(fā)狀態(tài)的電子通過熒光產(chǎn)生光子來釋放能量， 然后被次級(jí)光子探測(cè)器將熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢 測(cè)。以 Hammersmith 醫(yī)院與 CTI PET Systems Inc.聯(lián)合研制 的RAT-PET系統(tǒng)為例，它是第一臺(tái)特別為嚙齒類動(dòng)物成 像使用的PET系統(tǒng)。其掃描裝置是采用與臨床PET相同的 BG0耦合PMT。RAT-PET的分辨能力相當(dāng)粗糙（3~4mm), 空間分辨率并沒有較大的提高，但作為第一臺(tái)動(dòng)物PET掃 描儀，在如何轉(zhuǎn)化臨床PET到小動(dòng)物成像，這給出了一個(gè) 很好的示范％
2.2.2閃爍晶體耦合半導(dǎo)體探測(cè)器
雪崩光電二極管(Avalanche photodiodes,APD)屬于半導(dǎo)體 探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子空穴對(duì)來識(shí)別光，通常與固體閃 爍晶體一起使用。Lecomte等人[4W制的小動(dòng)物PET掃描儀首 次用APD代替PMT。將小的離散的BG0裝配在APD上，以獲 得較高的空間分辨率和計(jì)數(shù)能力，其中心空間分辨率可達(dá)到
2.1mm。APD的時(shí)間響應(yīng)比較差，但是基于APD的探測(cè)器比 PMT探測(cè)器的能量分辨率要高。APD的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、排 列緊湊,為提髙探測(cè)器設(shè)計(jì)的靈活性帶來了許多方便。另一種 新的光子探測(cè)器——硅光電倍增管(SiPM)由許多小的APD元 件構(gòu)成,密度達(dá)到了 1mm2里有1 000個(gè)APD元件。它的時(shí)間 響應(yīng)小于100ps，比傳統(tǒng)的APD要快得多[2]。
2.2.3閃爍晶體耦合位置敏感的光電倍增管(PS_PMT>
以WebeP等人研發(fā)的TierPET系統(tǒng)為例，其探測(cè)器采 用了 YAP閃爍晶體配以PS-PMT。由于YAP的原子量較 低，所以掃描儀的靈敏度受到限制，成像時(shí)間大概需要lh。 若采用LSO晶體，掃描儀的低敏感度可以得到改善。PS-PMT具有很大的位置獨(dú)立增益變化，這種變化引起了信號(hào) 強(qiáng)度的改變。這就不需要為能量辨別而安裝固定的硬件，并 且要在大范圍內(nèi)接收脈沖，否則探測(cè)器的靈敏度隨著穿過 光電陰極而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。TierPET系統(tǒng)的各個(gè)方向上的 分辨率可達(dá)2mm。
由美國國家衛(wèi)生研究所等機(jī)構(gòu)研發(fā)的ATLAS小動(dòng)物 PET系統(tǒng)是第一臺(tái)具有判斷7射線與晶體的相互作用深度 (depth ofinteraction，DOI)能力的小動(dòng)物PET掃描儀。它所采用 的探測(cè)器是在一個(gè)小直徑的環(huán)內(nèi)，分別由LGS0晶體和GS0 晶體構(gòu)成的2層疊層閃爍體耦合PS-PMT,依靠閃爍晶體衰減 時(shí)間的差別來區(qū)分是由哪一層所產(chǎn)生的信號(hào)。這種排列的探 測(cè)器晶體提髙視野四周位置的空間分辨率從而減小視差。環(huán) 的直徑小則可以進(jìn)一步增加系統(tǒng)的立體角來提髙靈敏度,atlas 的中心空間分辨率為1.8mm[61。
2.2.4高密度雷崩室(HIDAC)
HIDAC技術(shù)不使用閃爍體，最近也用于小動(dòng)物PET的研 制。由英國 Oxford Positron Systems 開發(fā)的 quad-HIDACn,由 4 排探測(cè)器組成，探測(cè)器由多線均衡室（multiwire proportional chamber,MWPC丨組成，交叉排列片狀鉛層和絕緣片，中間鉆出 排列成稠密矩陣的孔洞。7射線與片狀鉛層相互作用產(chǎn)生光 電子或是康普頓電子，符合性探測(cè)擺放成16層的片狀鉛層 HIDAC來完成。使用閃爍晶體的探測(cè)器，其分辨率由晶體的大 小來決定，而探測(cè)器的內(nèi)部分辨率主要由鉛轉(zhuǎn)換層上鉆的孔 洞來決定。HDAC的優(yōu)勢(shì)在于空間分辨率髙，可以達(dá)到 1.1mm,并且具有測(cè)量D0I的能力，但是HIDAC缺乏能量辨 別能力，探測(cè)器響應(yīng)低，進(jìn)行掃描時(shí)需要對(duì)冷卻氬氣的液體進(jìn) 行溫度控制，這也增加了操作的復(fù)雜度ra。
2.2.5閃爍晶體耦合多通道光電二極管(MS-PMT)
LS0晶體密度大，發(fā)光衰減快，故被許多研究小組采 用。由美國UCLA的Cmrap生物影像研究所研制的Mi-croPET[8]的探測(cè)器，就用光纖束連接LS0晶體與MS-PMT, 細(xì)致切割的晶體柱與光纖相連，同時(shí)采用了 MS-PMT傳遞 信號(hào)。U0晶體柱與MS-PMT用光纖一對(duì)一連接。信號(hào)輸出 至MS-PMT的64個(gè)通道，圖像重建后分辨率可達(dá)1.8mm。 現(xiàn)在的第二代小動(dòng)物PET——MicroPET np],其空間分辨率 提高到1.1mm。
3動(dòng)物PET探測(cè)器設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展
3.1動(dòng)物PET掃描儀視差問題
表2列舉了當(dāng)代幾款典型的動(dòng)物PET掃描儀的特性及性 能參數(shù)。
因?yàn)殇螠绻庾涌赡茉陂W爍體材料內(nèi)的任意深度相互作 用，這就會(huì)產(chǎn)生探測(cè)器視差
