基于SiPM侧面读出双层半连续晶体的深度测量PET探测器

赵斌清,黄 宇,王采林

(松山湖材料实验室,广东 东莞 523808)

正电子断层扫描成像(positron emission tomography, PET)是通过符合探测正电子药物在体内湮没产生的方向相反的511 keV γ射线对实现成像。临床全身PET在心脏、大脑等器官的功能、血流和代谢情况的分析和肿瘤早期诊断方面具有广泛的应用前景,不但极大推动了影像医学和临床医学的整体发展,且PET已成为分子生命科学不可缺少的新工具。近年,将现今临床全身PET扫描仪的轴向视野由15～20 cm增加到150～200 cm成为了研发新趋势,这种可覆盖整个全身的全景PET,其具有更高的系统灵敏度和探测器效率,且全身所有的器官或组织可动态实时成像[1]。这种扫描仪重建后PET图像的信噪比极高,可极大减少扫描时间和注射剂量。然而由于全景PET扫描仪轴向视野非常大,探测器的相互作用深度不确定效应会导致轴向空间分辨率显著降低。因此,需研发具有深度测量能力的PET探测器。

近年来,研发具有伽马射线相互作用深度测量能力的探测器一直是PET扫描仪研发领域的热点。已研发成功的传统端面读出的深度测量PET探测器方法包括双端读出分割晶体阵列[2-3]、多层晶体阵列分别读出[4-5]、反射膜分布不同的多层分割晶体阵列[6-8]、多层衰减时间不同晶体阵列[9-10]、连续晶体[11]和半连续晶体[12]等。然而这种端面读出分割晶体阵列和连续晶体的方法一方面由于晶体与收集光子的光探测器耦合面积较小,再加上光子在晶体内部多次反射,造成出射光子数目减少,导致能量分辨率变差;另一方面,由于光子到达光探测器的时间和深度相关,导致时间分辨率变差。为找到更好的方法,2018年美国斯坦福大学PET团队提出了侧面读出晶体方法,并通过测试单根晶体验证了该方法提高探测器深度、时间和能量分辨率的可行性,但未涉及任何晶体阵列。同时,该团队提出每层单独侧面读出的4层晶体阵列设想,但存在光探测器成本太高,探测器不灵敏区域加大等弊端[13-14]。为了解决上述问题,本文提出侧面读出双层半连续闪烁晶体阵列的方法,首先通过脉冲形状甄别实现衰减时间特性不同的双层晶体分辨,其次根据闪烁光子到达光探测器的分布宽度实现每层内的位置测量,即提高探测器位置分辨率,又降低光探测器成本,减少探测器不灵敏区域。本项目将制作LYSO和YSO晶体组成的双层半连续晶体阵列,采用SiPM阵列侧面读出,并对探测器的性能进行测试。

1 实验方法

1.1 探测器基本原理

采用SiPM阵列侧面读出双层半连续晶体的深度测量PET探测器的结构示意图如图1所示,由光衰减时间不同的双层闪烁晶体组成,晶体间沿x方向用反射膜隔开,沿y方向采用光学胶耦合。通过1个光探测器阵列侧面读出,探测器制作成本低。对于该探测器,可根据信号脉冲形状分析先进行晶体层鉴别,根据伽马射线与晶体发生作用产生的闪烁光子在光探测器上各信号幅度分布的横向展宽测量每层晶体内部y方向位置,根据闪烁光子在光探测器上分布的重心确定x方向位置及z方向深度。

1.2 探测器制作和SiPM读出电路

本文制作的2×4探测器上层是1×4的LYSO晶体阵列(衰减时间约33 ns),下层是1×4的YSO晶体阵列(衰减时间约60 ns)。每根晶体尺寸均是3 mm×6 mm×18 mm,每根晶体底面抛光。每层单根晶体间采用光学胶和ESR反射膜粘合,上、下两层晶体通过光学胶耦合。晶体阵列四周及顶端均使用Teflon膜包裹,防止光子泄漏。光探测器使用SensL公司的24个单像素SiPM(型号:MicroFJ-30035-TSV)拼接成4×6阵列,如图2所示,每个SiPM单元的像素尺寸为3.16 mm×3.16 mm,间隙为0.18 mm。晶体阵列底面与硅光电倍增管阵列使用硅油耦合。该SiPM阵列有24个输出信号,通过单独读出得到24个位置解码的能量信号E,提取各脉冲波形峰值后用于探测器性能分析。

图2 4×6 SiPM阵列行列相加法示意图

1.3 实验测量

使用图3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,一直径0.25 mm的22Na放射源从端面对待测双层半连续晶体阵列探测器进行均匀照射。在符合模式下,由单通道SiPM和LYSO单晶条(1 mm×1 mm×18 mm)组成参考探测器,将直径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双层半连续晶体阵列探测器的4个不同y方向高度位置(1.5、4.5、7.5、10.5 mm)进行定点照射。放射源到参考探测器和待测双层半连续晶体阵列探测器的距离分别是10 mm和123 mm。图3所示为实验装置和电子学示意图,待测探测器的24个SiPM单独读出的能量信号和1路总和信号进入波形数字化仪,非符合模式下待测探测器的快信号甄别后作为数据采集系统触发信号,而符合模式下待测探测器和参考探测器的快信号符合后作为数据采集系统触发信号,最终对24路能量信号和1路总和信号波形采样数字化后存储为列表数据。波形数字化仪采用的型号是意大利CAEN公司VX1742,该数字化仪有32个模拟信号输入通道和2个快触发输入通道,采样率5、2.5、1、0.75 GS/s可选,单次采样点数1 024、512、256、136可选,12位采样精度,输入电压范围1Vpp。本文中数据采集选择的是1 GS/s采样率和单个波形1 024个采样点,采样窗口1 024 ns,而本实验中闪烁体信号脉宽约300 ns,能实现脉冲波形完整采集。

图3 实验装置和电子学示意图

1.4 数据分析

探测器总和信号通过脉冲形状甄别方法区分双层晶体,如图4所示,包括过阈值脉冲宽度法和电荷积分比值法2种,采用上述2种方法分析每层事件数分布的均匀性。通过对4×6 SiPM阵列的24个脉冲信号峰值行列相加,分别得到EX1、EX2、EX3、EX4、EZ1、EZ2、EZ3、EZ4、EZ5、EZ610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根据重心法由式(1)、(2)计算:

图4 电荷积分比值法和过阈值脉冲宽度法示意图

(1)

(2)

(3)

首先通过脉冲形状甄别方法,包括过阈值脉冲宽度法和电荷积分比值法,区分双层晶体,然后对不同晶体层的事件按照式(1)、(2)得到每个伽马事件作用晶体的位置,对所有事件的位置坐标进行直方图统计得到二维分布图,即晶体分辨图,再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,通过高斯拟合获得511 keV的伽马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成百分比;最后使用式(3)中z方向信号最大值与总和比值表征光子分布的横向展宽,对y方向高度位置测量能力进行定量分析。

2 实验结果

2.1 双层晶体区分

为能定量评估探测器的晶体分层能力,对每个事件的电荷积分比值和过阈值脉冲宽度进行统计分布,以统计曲线波谷最低点画竖直线,位于竖线左右两边的所有事件区分为上、下两层。图5a为电荷积分比值法对所有事件的统计分布图,标号1和2分别是上LYSO晶体层和下YSO晶体层,上、下分层后的各层事件数所占总事件数量比例分别是79.8%和20.2%,图5b为过阈值脉冲宽度法对所有事件的统计分布图,晶体上、下分层后的各层事件数所占总事件数量比例分别是80.2%和19.8%,两种方法对所有事件分层效果均较接近,一致验证了测试结果的准确性。由于LYSO晶体的密度为7.2 g/cm3,YSO晶体的密度为4.5 g/cm3,大部分伽马射线直接穿透YSO晶体层,导致下层YSO晶体层事件数量少。将采用电荷积分比值法的分层结果对探测器性能进行后续分析。

图5 电荷积分比值法(a)和过阈值脉冲宽度法(b)对所有事件的总和信号实现晶体分层统计分布图

2.2 非符合模式下的晶体分辨图

本文中2×4双层半连续晶体阵列是由8根晶体组成,在该晶体分辨图中每根晶体对应1条竖直亮斑,亮斑的大小和距离表明探测器是否可清晰区分每根晶体。图6为2×4双层半连续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。从晶体分辨图来看,所有晶体均可清楚区分,上层较下层分布更清晰均匀。可看到,在z深度方向每层可提供连续深度信息。由于每层单根晶体间ESR反射膜并未完全隔断,导致晶体间的散射事件比较多。图7为对晶体分辨率图进行晶体单元分割后产生各晶体查找表,然后对每个晶体所有事件重心法计算的x坐标进行统计后得到的投影分布图。非符合模式下,22Na点源放置在晶体阵列的靠中间位置,中间2个晶体所接收的伽马射线事件数比边缘2个晶体的事件数多。根据图7沿x方向的晶体投影分布图依次对上、下层4个尖峰按式(4)进行高斯拟合,得到各晶体位置的均方根误差σ,计算的位置分辨(FWHM)列于表1,可看到中间2根晶体的位置分辨明显好于边缘晶体,测得x方向晶体的最佳位置分辨是0.27 mm(FWHM),上、下层晶体的平均位置分辨分别是(0.37±0.09) mm(FWHM)和(0.36±0.08) mm(FWHM)。

表1 双层半连续晶体阵列探测器上、下两层4个晶体的位置分辨

图6 2×4双层半连续晶体阵列探测器在非符合模式测量条件下得到的上LYSO晶体层(a)和下YSO晶体层(b)的晶体分辨图

图7 上LYSO晶体层(a)和下YSO晶体层(b)晶体分辨图沿x方向的重心投影位置统计分布图

(4)

2.3 能量分辨率

图8、9分别为双层半连续晶体阵列探测器上、下两层4个晶体在非符合模式测量条件下得到的能谱,能谱是表征伽马射线能量值分布的直方图统计,表2列出了双层半连续晶体阵列探测器上、下两层4个晶体的511 keV全能峰峰位和能量分辨率,图8、9中511 keV峰位对应的ADC计数在500～1 000范围内,而出现在1 000～1 500范围内的峰位是LYSO或YSO本底辐射。探测器上、下两层的平均能量分辨率分别是11.9%和11.7%,目前商业PET仪器探测器能量分辨率小于12%,已满足仪器需求。上LYSO和下YSO晶体层的511 keV全能峰位所对应的ADC计数分别是710和683,数值差异与闪烁晶体的发光特性有关。

表2 双层半连续晶体阵列探测器上、下两层4个晶体的能量分辨率和511 keV全能峰的峰位

图8 双层半连续晶体阵列探测器上层4个LYSO晶体的能谱图

图9 双层半连续晶体阵列探测器下层4个YSO晶体的能谱图

2.4 探测器y方向高度位置测量能力定量分析

由于伽马射线与晶体发生作用的位置与到光探测器的距离不同,导致在z方向光子分布有统计差异,可绘制每个高度位置的特征值统计曲线来加以体现。本文采用式(3)中z方向6个信号中的最大值与总和比值来表征光子分布的横向展宽,计算晶体内部y方向位置。图10为探测器在符合模式下得到的y方向上层2个高度位置(1.5 mm、4.5 mm)和下层2个高度(7.5 mm、10.5 mm)归一化后的比值分布统计图。以两条曲线交叉点绘制分界线,位于竖线左面和右面的所有事件分别被识别成相应的高度,然后计算各个高度事件的正确识别率(正确识别事件和所有事件占比)。上LYSO晶体层每个高度位置可清楚分辨,正确识别率分别是83.2%和87.7%。下YSO晶体层每个高度位置分辨能力较差,正确识别率分别是28.1%和51.7%。y方向高度位置分辨率上LYSO晶体层明显好于下YSO晶体层。由于LYSO晶体的光产额是29 000 photons/MeV,而YSO晶体的光产额是12 000 photons/MeV,每次伽马射线与下层YSO晶体发生作用时,产生的光子数量少,再加上YSO层晶体从光子产生到被光探测器收集的路径短,导致下层2个高度位置的光子横向分布宽度差异低。

图10 探测器在符合模式下测量上LYSO晶体层(a)和下YSO晶体层(b)4个高度位置的比值分布图

3 结论

本文提出并测试了一种新型的具有连续深度测量能力的PET探测器,采用LYSO和YSO制作了2×4双层半连续晶体阵列探测器,通过SiPM阵列侧面读出,对该探测器的可行性进行了初步研究。电荷积分比值法和过阈值脉冲宽度法都能够有效区分双层晶体,由于YSO晶体密度与LYSO晶体密度差异大,两层事件数分布不均匀;探测器上LYSO晶体层平均能量分辨率是11.9%,下YSO晶体层平均能量分辨率是11.7%,探测器能量分辨率好;晶体分辨图能清楚分辨所有晶体单元,在z方向能够提供连续深度信息;对y方向高度位置采用信号最大值与总和比值方法进行分析,上LYSO晶体层2个高度的区分度较好,下YSO晶体层2个高度分辨能力较差。下一步将通过选取两种晶体密度和发光特性均接近的晶体组成双层半连续晶体阵列,改善y方向的高度位置分辨能力。未来的工作还包括晶体间反射膜粘贴工艺的优化,将制作晶体尺寸更小和晶体数目更多的晶体阵列,并对探测器的晶体分辨图、高度位置分辨能力和能量分辨率进行测量,探测器优化后可用于今后研发长轴向视野的全身和全景PET成像系统。