第35卷第5期2001年9月原子能科学技术AtomicEnergyScienceandTechnologyVol.35,No.5Sep.2001文章编号:100026931(2001)0520476205用于正电子发射断层成像的闪烁晶体刘华锋,叶华俊,鲍超(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:正电子发射断层成像要求闪烁晶体材料具有高光输出、,廉。。关键词:闪烁晶体;探测器;中图分类号:TL81619:A(EmissionTomography,PET)技术是利用探测某种同位素γ射线,得到生物体内的这种,。由于构成生命的基本元素C、O、N等均有发射正电子的同位素,因此,PET在理论上可对生命体的许多部位的生理功能进行成像。可见,PET是生命科学研究、医疗诊断颇有特色的工具。PET系统由探测器、数据采集系统、图像重建和图像处理三部分组成。PET探测器设计应满足以下要求[1,2]:(1)高灵敏度,对511keVγ射线对的探测效率高;(2)高空间分辨率,更精确地确定湮灭位置;(3)良好的时间分辨率,消除随机符合事件;(4)良好的能量分辨率,消除康普顿散射的影响;(5)价格低廉;(6)死时间短;(7)稳定性好。PET探测器一般是由闪烁晶体与光电倍增管(位置灵敏型光电倍增管或半导体器件)耦合而成。因此,闪烁晶体的材料特性、体积、形状等对检测器的性能影响很大。1闪烁晶体材料概述常用PET探测器结构示于图1。第1代PET探测器使用NaI(Tl)晶体[3]。NaI晶体探测效率低、易潮解,需封装使用。PET系统现多采用BGO晶体[4]。80年代早期曾使用过CsF晶体,该晶体响应速度快,能分辨湮灭光子对的飞行时间差,正电子湮灭发生区域可精确定位,使空间分辨率和信噪比大为提高。但CsF晶体的探测效率低,而BGO晶体的光输出低、衰减时间长。为获得更高空间和时间分辨率的探测器,使用新闪烁晶体是最有效的方法之一。收稿日期:2000203206;修回日期:2001204201),男,山东巨野人,博士,医学成像探测器专业作者简介:刘华锋(1972—第5期刘华锋等:用于正电子发射断层成像的闪烁晶体477近20年来,闪烁晶体材料迅速发展,出现了几种性能优良的高质量闪烁晶体,有可能替代BGO晶体,大大提高PET系统的探测效率和分辨率。新闪烁晶体的物理特性列于表1[5～8]。表1新闪烁晶体的物理特性Table1CharacteristicsofnewscintillatorsusedinPETdetector晶体BGO(Bi4Ge3O12)LSO(Lu2SiO5Ce)∶GSO(Cd2SiO5Ce)∶YAP(YAlO3Ce)LuAP(LuAlOCe)∶∶8136651105301736515155342113473138011976171591152060/6004301.8519007135661123724042011822150密度/-37113相对分子质量射程/cm相对光输出量75111322衰减时间/300辐射波长/480折射率熔点/℃潮解性21151050不潮解不潮解不潮解不潮解不潮解图1常用的PET探测器结构Fig.1ConfigurationofPETdetectormodulesa———2×2光电倍增管列阵;b———位置灵敏光电倍增管;c———半导体器件2对闪烁晶体材料的要求211物理特性1)射程PET系统采用符合探测技术,系统灵敏度与单个探测器灵敏度的平方成正比。因此,相对分子质量大、密度高的闪烁晶体材料有较高的阻止本领,即511keVγ射线的射程短,被完全吸收的概率大,亦即使用该晶体的PET探测器能获得较高的灵敏度和探测效率。2)光输出量光输出量直接影响探测器的能量、时间及空间分辨率。闪烁晶体吸收γ射线后产生的光子数N越大,则探测γ射线的作用位置越准确。能量分辨率与1/时间分辨率与τ/N成正比,其中,τ为衰减时间。N成正比;478原子能科学技术第35卷3)衰减时间闪烁晶体受激后不立即发射全部光子,单位时间内放出的光子数随时间变化较为复杂。在一级近似下,可表示成两个指数过程的组合,即分别描述闪烁增长和闪烁下降(衰减)。增长时间一般小于10-12s,远小于衰减时间,因此,闪烁晶体的衰减时间是另一重要参数,其数值大小影响探测器的时间分辨率与死时间。衰减时间愈短,时间分辨率愈好。4)发射光谱闪烁晶体的发射光谱应与相耦合的光电传感器的光谱响应曲线吻合。例如:对于双碱光电阴极的光电倍增管,所期望的光谱范围为300～500nm,而光电二极管所要求的光谱范围则为400～900nm。212几何特性1)晶体形状早期的PET探测器使用圆柱形晶体。随着对PET系统的灵敏度要求越来越高,闪烁晶体的最佳形状变为长方体。长方形晶体能使探测器尽可能紧密地排列成环形系统,可获得最高的探...