TOF－PET探测器定时性能初步研究

刘军辉，李道武，章志明，廖燕飞，黄先超，王培林，陈 研，贠明凯，丰宝桐，帅 磊，王宝义，张天保，魏 龙，＊

（1.中国科学院 高能物理研究所 核分析技术重点实验室，北京 100049；2.北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心，北京 100049；3.中国科学院 研究生院，北京 100049）

基于飞行时间（TOF）技术的正电子发射断层扫描仪（PET），相对于传统PET，能显著改善图像质量，被认为是新一代PET的发展方向之一［1］。作为PET的关键部件，用于TOFPET的探测器成为研究热点。Moses等［2］研究了LSO晶体长度及晶体表面处理工艺与TOF－PET的时间分辨的关系，得到4mm×4mm×30mm的LSO晶体条对511keV的γ射线符合时间分辨为475ps；Szczesniak等［3］研究了LSO晶体配合XP20D0光电倍增管（PMT）用于 TOF－PET的可行性；Moriya等［4］研究了位置灵敏型光电倍增管（PS－PMT）Hamamatsu R8400－00－M64 耦 合 2.9mm×2.9mm×20mm LYSO晶体阵列用于 TOFPET的可行性，配合1个BaF2探测器得到平均505ps的符合时间分辨率；Chang［5］使用尺寸为4.2mm×4.2mm×30mm的LYSO晶体条组成阵列，耦合Hamamatsu H8500光电倍增管，组成TOF－PET探测器，得到485ps的符合时间分辨率。以上研究结果表明，采用快速光电倍增管或位置灵敏型光电倍增管耦合LYSO晶体来设计探测器，有望在TOF－PET中得到应用。

本工作采用H8500C－M64位置灵敏型光电倍增管，耦合不同尺寸的LYSO晶体条，测试在不同条件下的时间分辨能力、探测效率等参数，为TOF－PET探测器的研制提供参考数据。

1 实验装置

实验装置如图1所示。H8500光电倍增管的阳极信号经DPC电路［6］引出，经自制放大电路放大成形后作为能谱和位置信号。用于定时的信号由最后1级打拿极（DY12）引出，经倒向后传输给ORTEC 935恒比定时甄别器，其输出定时信号经延迟后传输给ORTEC 566时幅转换器作为停止道信号。BaF2探测器阳极信号经ORTEC 583恒比定时甄别器进行时间甄别后，传输给OTEC 566时幅转换器作为起始道信号。时幅转换器的输出信号传输给多通道ADC进行模／数转换，转换后的数据进入计算机进行分析。此外，为实现对γ射线的能量选择，将BaF2探测器的打拿极信号经ORTEC 572放大器放大成形后输出给单道分析器ORTEC 552，由ORTEC 552选择适当阈值，从而实现对511keV的能峰甄别，其输出信号作为门信号选通时幅转换器和多通道ADC。

2 实验及结果

2.1 H8500渡越时间离散测量

图1 BaF2－LYSO符合系统Fig.1 BaF2－LYSO coincidence system

因光电倍增管不同位置的信号到达信号引出端的路程不同，信号到达时间也存在差异，本工作对此差异进行了测量。如图2所示，在H8500的4个位置（图中①、②、③、④）放置同一条LYSO晶体，晶体尺寸为2mm×2mm×10mm，晶体条包铝箔作为反射层，用硅油耦合于光电倍增管，从最后1个打拿极（DY12）引出信号作恒比定时，DY12的引脚位置与位置②靠得较近。用LYSO探测器与另一BaF2－XP2020Q探测器组成快慢符合系统，测量22Na放射源产生的正电子湮没射线。固定22Na源与BaF2探测器及H8500光电倍增管入射窗的距离，每次测量时平移H8500探测器，使所测位置的晶体条与放射源、BaF2探测器中心成直线摆放。根据上述方法测量正电子湮没瞬发时间谱，比较①、③、④3个位置的正电子湮没时间谱峰位与位置②的正电子湮没时间谱峰位的差值，认为该差值代表了不同位置的信号传输至DY12时，在到达时间上相对于位置②的差异，表1列出了测量结果。

图2 H8500光阴极LYSO晶体条位置示意图Fig.2 Sketch map of position of crystal on H8500PMT

表1 测得各位置信号到达DY12引脚的时间差Table 1 Measured time difference for signal transmitting from different positions of photocathode to DY12

2.2 时间分辨率测量

选择横截面尺寸为3.2mm×3.2mm，高度分别为5、10、15、20和25mm 的 LYSO晶体，四周及顶端使用Teflon膜包裹作为光反射层，立于H8500光电倍增管中心位置，晶体条与光电倍增管使用硅油耦合，组成简单的探测器，与另一BaF2探测器分别作为时间谱仪的停止道和起始道探测器，测量其时间分辨率。图3示出了5mm高度的LYSO晶体与BaF2探测器对正电子湮没射线的符合时间谱，表2列出了不同高度的LYSO晶体与BaF2探测器符合时间分辨率。

图3 5mm高度LYSO晶体与BaF2探测器对511keVγ射线的符合时间谱Fig.3 Coincidence time resolution for LYSO crystal of 5mm height and BaF2detector forγrays of 511keV

选用上述不同尺寸的晶体，分别组成5×4的阵列，经硅油耦合于PMT中心位置，通过上述方法测量该阵列中间1条晶体的时间分辨，结果列于表3。

2.3 探测效率测量

对上述不同高度的LYSO晶体阵列，测量了其对511keVγ射线的全能峰的相对探测效率；测量中保持晶体上端面与放射源22Na距离为5cm，并固定BaF2探测器与放射源的距离。使用单道分析器ORTEC 552选择γ射线的能量（511keV峰位），从而尽量减少22Na放射源的1.28MeV的γ射线的影响，认为所测得的LYSO探测器能谱的511keV峰位计数率代表了其对正电子湮没γ射线全能峰的相对探测效率。对探测效率进行了归一化处理，对15和20mm高度的晶体条的双探测器符合时间分辨率结果采用了线性内插值的方法，表4列出了测量结果。

表2 单条LYSO晶体立于H8500中心位置与BaF2探测器的符合时间分辨率Table 2 Coincidence time resolution for single LYSO crystal on center of H8500PMT and BaF2detector

表3 5×4LYSO晶体阵列中间1条晶体与BaF2探测器的符合时间分辨率Table 3 Coincidence time resolution for center LYSO crystal in 5×4LYSO array and BaF2detector

表4 不同高度的5×4LYSO晶体阵列的相对探测效率及符合时间分辨率测量结果Table 4 Detection efficiency and coincidence time resolution of 5×4LYSO crystal array of different heights

从表4可看出，虽然5mm高度时，探测器的符合时间分辨率为297ps，远好于25mm时的486ps，但效率却仅为后者的7%；综合考虑时间分辨率和探测效率的情况下，25mm高度的晶体更为实用。

3 数据分析及讨论

由表1可看出，H8500光阴极的不同位置的光信号转换成电信号传递到DY12引脚的时间是有差异的（这里以信号到达DY12的时间为准，因在整套实验中，是从DY12提取时间信号作为定时的），①、④两个位置与位置②的时间差相当，约为300ps，而位置③与位置①、④的时间差也约为300ps，这反映了H8500多通道PMT的渡越时间离散情况，与产品说明书上给出的渡越时间离散为400ps基本符合，而渡越时间离散可能是影响其时间分辨的主要因素。

将表3、4中的测量结果绘成晶体高度与时间分辨率的关系图（图4），可见随晶体高度的增加，探测器的时间分辨率呈变差趋势；而在相同高度下（5mm除外），阵列中的中间1条晶体的时间分辨率明显差于独立的单条晶体，这可能是因为在阵列情况下，有的射线击中该阵列中心的晶体条后发生散射，散射后的射线被周围晶体条吸收，该事例仍属全能峰，成为有效事例，而在这种情况下，γ射线在多条晶体上激发闪烁光，相对于γ射线能量完全沉积在1条晶体条的情况，闪烁光子的收集较为离散，由于H8500光阴极不同位置的信号传递到DY12引脚的时间有离散，导致时间分辨率变差；对于5mm高度的情况，由于晶体条本身很短，在中心条晶体发生散射的射线逃出晶体阵列的可能性较大，因此与独立的单条晶体的情况较为接近，时间分辨率也较为接近。

图4 不同高度晶体的符合时间分辨率Fig.4 Coincidence time resolution of LYSO with different heights

［1]ERIKSSON L，TOWNSEND D，ERIKSSON M，et al.Potential for a fifth generation PET scanner for oncology［C］∥IEEE Nuclear ScienceSymposium Conference Record.［S.l.］：［s.n.］，2005：1996－2000.

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［3]SZCZESNIAK T，MOSZYNSKI M，NASSALSKI A，et al.A further study of timing with LSO on XP20D0for TOF PET［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2007，54（5）：1464－1473.

［4]MORIYA T，OMURA T，WATANABE M，et al.Development of a position－sensitive detector for TOF－PET ［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2008，55（5）：2455－2459.

［5]CHANG L K.Evaluation of position sensitive photomultiplier for time－of－flight positron emission tomography［C］∥IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record.［S.l.］：［s.n.］，2006：1919－1923.

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