PET探测器和扫描结构的发展_赵永界

第23卷第6期CT理论与应用研究Vol.23,No.62014年11月（985-994）CTTheoryandApplicationsNov.,2014赵永界,杨永鑫,张勇.PET探测器和扫描结构的发展[J].CT理论与应用研究,2014,23(6):985-994.ZhaoYJ,YangYX,ZhangY.DevelopmentofPETdetectorandscanstructures[J].CTTheoryandApplications,2014,23(6):985-994.PET探测器和扫描结构的发展赵永界1，杨永鑫2，张勇21.中国科学院高能物理研究所，北京1000492.明峰医疗系统股份有限公司，杭州311215摘要：正电子断层成像（PET）技术是一门新兴的核医学成像技术，能够提供生理代谢水平的功能成像，在疾病诊断，病理研究，药物研发等多个方面具有广泛的应用。PET技术的核心是探测器和扫描结构设计。扫描结构有环形探测器-静态扫描、环形探测器-动态扫描、平板探测器-静态扫描，平板探测器-动态扫描等多种形式。探测器经历了PMT耦合单块晶体、PMT耦合多块晶体、PSPMT耦合晶体阵列、SPM耦合晶体阵列等多种结构。从1983年开始从事医用PET研究，本文通过回顾先后开发的多台PET机器，描述PET探测器和扫描结构的发展。关键词：PET；探测器；扫描结构；投影线文章编号：1004-4140（2014）06-0985-10中图分类号：TP391.41文献标志码：A正电子断层成像（PositronEmissionTomography，PET）技术是X射线断层成像（X-rayComputedTomography，X-CT）技术出现之后，将断层成像技术应用于核医学领域而发展起来的一门新兴科学。PET技术根据正电子同位素衰变产生的正电子与人体内负电子发生湮灭效应这一现象。在人体内注射带有正电子同位素标记的化合物，由于人体不同组织、器官吸收标记化合物的能力不同，因此化合物在人体中各部位的浓聚程度不同，湮灭效应发生的数量亦不相同。采用符合探测的方法能够探测到湮灭效应产生的两个沿相反方向飞行的伽马光子，探测到这两个伽马光子的探测器之间的连线称为响应线（LineofResponse，LOR），也常称为投影线，记作P(α,φ)。P(α,φ)是一个二维函数，α是距离参数，φ是角度参数。投影线P(α,φ)按照一定的规律被计算机采集下来，然后进行组合和重建运算，得到反映人体内部代谢的图像，这种图像与普通CT得到的解剖图像有本质区别。由于人体内不同组织、器官对标记化合物的亲合能力不同，根据标记化合物的分布就可以对人体进行生理、生化、疾病等其他方面的研究。近几年许多单位都在研究PET技术，从PET原理来看，投影线结构，编码设计，符合探测，快速解码，各种数据校正，图像重建都是非常重要的环节。本文重点介绍投影线结构以及对应的探测器和扫描结构。收稿日期：2014-08-05。CT理论与应用研究23卷9861PET结构概述PET探测器昀基本的结构是一个探测器单元，即硬件上能分辨的昀小单位，通常指晶体切割的昀小尺寸。多个探测器单元组成一个探测器块（Block），Block的尺寸通常由光电探测器或晶体块的尺寸决定。多个Block组成一个探测器大块（Bank），多个Bank组成PET的探测器系统。PET结构经过几十年的探索与改进，从单环到多环，从六边形到圆形。每一种结构的改进都是为了满足不同要求，提高各项指标（如空间分辨率、灵敏度）。投影线是两个伽玛光子对（探测器单元）之间的连线，代表一个符合事件。投影线宽度和投影线结构决定PET的主要指标：空间分辨率和计数灵敏度。人们总是期望用昀少的探测器，获取昀高的计数灵敏度和昀佳的空间分辨率，以昀大限度降低成本。一台完整的PET投影线分布图（横截面）如图1所示。图1中投影线分布是以Bank为基本单位画的，实际上每个Bank包括16个探测器单元，投影线数量要扩大16×16倍。对于一台完整的PET设计，无论采取什么结构和方法，昀终都要取得如图1的完整投影线。图1完整的PET投影线分布图Fig.1ThePETLORdistribution图2二分法PET样机的原理图Fig.2PrincipleofthebisectionmethodprototypePET2几种PET结构2.1二分法PET二分法PET是依靠两个半圆形探测器的分合运动和整体角度运动的配合，使每个探测器在平行方向上扩大4倍的采集投影线数。整体角度运动16次，覆盖180°，完成全部投影线扫描。二分法两个半圆探测器的运动示意图，如图2所示。我们从1983年开始从事医用PET的研究，1986年运用二分法研制了一台64探头组合PET样机（图3（a））。该机器采用单块晶耦合光电倍增管（PhotoMultiplierTube，PMT）的探测器结构（图3（b）），每套探测器大约1000元，整机成本很低。该机器采用二分法加半旋转的64探头组合方式，以少量的探测器、简单的一维运动得到了间距均匀且足够小的多条平行投影线。该样机的空间分辨率为10mm。二分法PET猴子实验和猴子的PET头像图，如图4所示。6期赵永界等：PET探测器和扫描结构的发展987（a）（b）图3（a）运用二分法研制的PET样机，（b）使用的探测器Fig.3(a)PrototypePETbasedbisectionmethod,(b)thedetector（a）（b）图4猴子实验和头部PET图像（1985年）Fig.4MonkeypreclinicaltestanditsheadPETimage(1985)2.2偏心摆动法PET偏心摆动原理如图5所示。探测器装在大圆盘上，成环形。采集时大圆盘做椭圆偏心摆动，图中的小圆环是探测器Block的运动轨迹。大圆盘带动全部探测器作椭圆偏心摆动，平行投影线数量扩大5倍，大大提高空间分辨率。更重要的是节省5倍的探测器，大大降低成本。1990年6月，中国高能物理研究所与广东威达集团公司合作，开始研制符合临床要求的PET设备。1992年9月，中国第一台供临床应用的PET仪研制成功（图6（a））。该机器为双环三层结构，探测器组合方式为PMT与晶体耦合成一个单元，采样方式引入椭圆偏心摆动。系统的空间分辨率达到6mm，符合时间分辨率为6ns。该机器可以进行头部和全身图5椭圆偏心摆动法原理图Fig.5SchematicofeccentricswingmethedCT理论与应用研究23卷988的动态、静态断层扫描成像。机器通过中日友好医院、中科院高能物理所和广东威达公司的鉴定。引入椭圆偏心摆动采样方式可以提高空间分辨率，降低制造成本，但是机械上非常复杂。这台机器使用了3个主电机，带动大圆盘上所有探测器做偏心摆动。（a）（b）图6（a）整机外型，（b）人脑PET颠痫图Fig.6(a)PETsystem,(b)humanepilepsyimage2.3使用多晶结构探测器的PET随着探测技术的发展，多晶结构越来越被重视。多晶结构的优点在于使用少量的探测器可以得到较多环数、较小的断层厚度和较高的空间分辨率，同时也降低了制造成本。图7所示的是一种早期的多晶探测器结构，称为5/8结构，即5个PMT与8个单块晶体构成的阵列耦合成一个单元，晶体的位置通过图7右侧的方法计算得到。1～8代表晶体块的编号，A，B，C，D和E代表PMT的编号,比如2=A+C，表示A，C管有输出，就定位晶体2。1993年6月开始采用5/8结构探测器研制４环７层的全身PET。5/8结构探测器由BGO晶体耦合R647-01型PMT组成。由于探测器探测单元尺寸变小，因此不需要引入机械运动来增加LOR采样密度，降低了机械复杂度。系统有效视野为417mm，视野中心空间分辨率达到6mm，灵敏度优于2.7kcps/kBq/mL（f20cm水模）。该机器于1996年研制成功，成为我国第三代PET，如图8所示。经过北京阜外医院和北医一院大量的临床应用，机器在确定心肌存活度（图9（a））和癌症诊断（图9（b））方面取得满意的效果。该机器通过国家鉴定，获得国家医药管理局的生产许可证（国药器监字97第399283号），标志着中国的PET技术迈向了一个新的台阶。图75/8结构探测器逻辑图Fig.75/8detectorlogic6期赵永界等：PET探测器和扫描结构的发展9895/8结构的探测器集成度还不高，后来出现了一种更常用、分辨率更高的多晶结构探测器，如图10所示。这种结构由四个PMT与64块晶体组合为一个Block，晶体由一大块晶体切割成不同深度的小块组成。（a）（b）图8PET机架和探测器环Fig.8PETgantryanddetectorring（a）（b）图9（a）心肌图，（b）癌症诊断图Fig.9(a)Cardiacmuscleimage,(b)cancerimage这种多晶结构探测器通过计算来确定闪烁事件位置，原理类似于伽玛照相机，计算公式如下：ABCDXABCDACBDXABCD（）（）（）（）（1）这里，X、Y是探测器在两个方向上的位置，A、B、C、D代表对应4个PMT的输出能量。这种计算是基于伽马光子入射到晶体上产图10一种多晶结构探测器Fig.10Onemulti-crystalbaseddetectorCT理论与应用研究23卷990生的光分布来实现的，理论上可以得到非常高的分辨率。实际上，由于桶形失真、输出不一致性等原因，采用这种结构的探测器得到的图像，像点位置分割比较模糊（如图10所示）。此外，要把大块晶体切割成不同深度的小块晶体，加工难度比较大。2.4使用PSPMT探测器的PET日本滨松（Hamamatsu）公司研制出一种可用于PET设备的位置灵敏光电倍增管（PositionSensitivePhotoMultiplierTube，PSPMT），如图11所示。（a）（b）图11位置灵敏光电倍增管和像点图Fig.11PSPMTandpixelimage图中所示PSPMT包括8×8个像素，每一个像素的位置可以通过计算得到。一个PSPMT与一个晶体阵列耦合成一个block。晶体阵列由多个单根晶体组成，不需要切割不同深度，加工难度小。采用这种结构的探测器得到的图像，像点的位置分割比较清楚。使用PSPMT探测器的PET在分辨率、灵敏度方面比使用PMT的有较大提高。2000年苏州派特公司开始研制一台18环35层PET产品RPET，RPET拟采用PSPMT耦合8×8像素晶体阵列结构的探测器。但是PSPMT价格昂贵，为降低成本，设计了一种大尺寸晶体耦合小尺寸探测器的结构，如图12所示。晶体尺寸是PSPMT尺寸的4倍，在晶体和PSPMT之间加入锥形光纤，使不同尺寸的晶体和探测器一一对应。这种结构的优点是使用一个图12一种使用锥形光纤的PET探测器Fig.12Thedetectorusingtapertedfiber图13采用（5+12）探测器结构的RPET系统Fig.13RPETsystemusing(5+12)detectorbanks6期赵永界等：PET探测器和扫描结构的发展991PSPMT代替四个PSPMT，有效降低PET成本。该技术已获专利《一种光纤及使用该光纤的PET探测器》，专利号200710134728.3。为了进一步降低PET成本，RPET在采样方式上采用不完整环行探测器加旋转的方式，如图13所示。完善的PET投影线是布满圆周分布，为了降低造价而又不失PET的原意，RPET采用（5+12）探测器结构。上方为五个Bank，占据探测器环1～5的位置，下方对应十二个Bank，占据探测器环14～25的位置。数据采集时，每次旋转54.6°，旋转三次，共四个位置，以覆盖整个采样区域。RPET采用旋转采集方式，昀终实现的功能与环形PET是完全一样的。RPET探测器由LYSO晶体阵列耦合R7600型PSPMT组成，晶体尺寸（6.5×6.5×20）mm。探测器环直径850mm，有效视野420mm，轴向视野1