正电子发射断层成像(PET)是核医学中最重要的成像技术之一,在生物医学研究和临床诊断中具有不可替代的作用。PET技术是一种三维成像无损检测技术,利用正电子发射放射性同位素标记化合物注入生物体内,在体外测量其空间分布和时间特性。探测器是PET系统的关键部件,主要负责探测湮没光子并将探测到的情况转换成电信号。系统的几何设计以及单个PET探测器模块的特性有助于提高扫描仪的整体性能。探测器性能主要受光探测器和闪烁晶体特性的影响。闪烁晶体以其高密度、高光产额、低衰变时间和无吸湿性等特性在PET中得到了广泛的应用。

PET扫描仪的性能直接受到许多设计因素的影响,这些因素包括扫描仪的几何形状,检测器模块,读出的电子设备,数据采集和处理以及图像重建算法。目前,大多数PET光学转换器使用无机闪烁晶体,正电子湮没产生的511 keV的伽马光子转换为适合于光电倍增管检测的低能光子,并实现光子数放大。PET闪烁晶体的选择主要取决于以下四个方面:

  1. 为了使受检者受到的辐射剂量最小化并缩短成像时间,要求晶体以高的检测效率或阻断能力来检测511keV的γ光子,因此优选具有较高的有效原子序数和密度的晶体。
  2. 为了使PET扫描仪在高计数率的状态下工作,需要使时间计数损失尽可能小,因此晶体应具有较短的发光衰减时间。此外,如果晶体的发光衰减时间短,则可以减小重合时间窗口,并且可以减小随机重合的影响。
  3. 为了最小化统计误差并获得良好的能量分辨率和位置分辨率,晶体的光输出应尽可能高。
  4. 为了与光电倍增管配合使用,晶体的闪烁光波长应在380至440 nm的范围内。

据报道,已证明许多晶体起闪烁晶体的作用,可用于PET中。在PET系统中,一个闪烁晶体或几个协作的不同晶体用作检测器。目前,可以批量生产的闪烁晶体为:BGO,LSO,Ce:LYSO,Ce:GaGG,GSO,LuYAP。

下图显示了事件电路检测器的基本结构。图中的基本检测单元是一对与闪烁晶体耦合的光子检测器(PMT / APD / MPPC等)。检测器接收到的光子产生的电信号被传输到前置放大器进行信号放大,因此,要求闪烁晶体具有更高的光输出和更短的衰减时间。

PET1

PET中使用的闪烁晶体的类型


BGO

BGO 闪烁晶体-南京光宝光电科技有限公司-CRYLINK

特点

  • 高密度
  • 辐射长度短
  • 大折射率
  • 检测效率高
  • 高包装率
  • 高制动力
  • 闪烁体由于其高的检测效率,较大的光分数和相对较低的成本而成为PET检测器的诱人材料。在临床领域,对具有高灵敏度的高性价比的全身PET扫描仪有强烈的需求,这促进了实现BGO相互作用深度(DOI)检测器的研究。BGO的峰值发射波长为– 480 nm,与光电倍增管的光谱响应非常匹配。BGO的有效原子序数为75,密度为7.1g / cm3,可通过最小化受检者接收的辐射剂量并缩短成像时间来提高检测511 keVγ光子的效率。BGO的辐射长度为1.12cm,有利于生产紧凑的探测器或探头部件,提高空间分辨率,节省成本。

    BGO晶体具有良好的压电性能,高的光电转换效率和稳定的热性能。基于BGO晶体的PET检测器的填充率通常高于90%。高填充率一直是实现最大检测灵敏度的设计目标之一。目前,许多研究机构与BGO配合使用其他闪烁晶体,可以最大限度地发挥BGO的优势,克服其输出光产量低,衰减时间长的缺点。另外,BGO晶体无余辉,无离解表面,抗辐照能力强,化学性能稳定,易于加工和维护。

    BGO时间生成[ns]密度[g/cm3]有效原子序数
    参考文献[1]1.57.1375
    参考文献[2]/7.1375
    参考文献[3]4.17.175

    参考文献
    [1]MPPC Arrays in PET Detectors With LSO and BGO
    [2] A DOI Detector With Crystal Scatter Identification Capability for High Sensitivity and High Spatial Resolution PET Imaging
    [3] Performance Characteristics of BGO Detectors for a Low Cost Preclinical PET Scanner


    Ce:LYSO

    Ce-LYSO 闪烁晶体-南京光宝光电科技有限公司-CRYLINK

    特点

  • 良好的能量分辨率
  • 高密度
  • 高光产额
  • 低衰减时间
  • 不吸湿
  • 正电子发射断层扫描仪(PET)的设计具有特殊的挑战性,因为它不应影响高空间分辨率、高灵敏度、高计数率以及良好的能量和时间分辨率。在探测器层面上,闪烁晶体和光探测器是两个主要的起关键作用的器件,它们要么是由小像素闪烁体元件构成,要么是由大的单片晶体构成。在这两种方法中,主要目标是在整个视场(FOV)上实现高空间分辨率、高灵敏度、高计数率性能以及良好的能量分辨率和时间分辨率。Ce:LYSO是PET中应用最广泛的闪烁体,它具有高密度、高光产额、低衰减时间和无吸湿性等特点。

    Ce:LYSO是LSO / YSO混合的非吸湿性晶体,具有高密度(7.1,10%Y),高光输出(26000–32000 ph / MeV),良好的能量分辨率(〜10%)和较短的衰减时间(40 ns)。其最大发射波长为420nm,可与光电倍增管的光电阴极很好地匹配。近年来,与SiPM偶联的Ce:LYSO晶体已广泛应用于PET系统。但是,重要的是要注意,来自176Lu的固有辐射会导致88、202和307 keV的伽马射线发射,随着PET扫描仪中晶体数量的增加,这会导致显着的辐射本底。

    Ce LYSO光输出[ph/MeV]衰减时间[ns]发射波长[nm]密度[g/cm3]能量分辨率[%]
    参考文献[1]32*103404207.19
    参考文献[2]30*103404207.1~10
    参考文献[3]26*103404207.1~10

    参考文献
    [1] Performance of FBK high-density SiPM technology coupled to Ce:LYSO and CeGAGG for TOF-PET
    [2] Characterization of 1.2×1.2 mm2 silicon photomultipliers with Ce:LYSO, Ce:GAGG, and Pr:LuAG scintillation crystals as detector modules for positron emission tomography
    [3] Luminescence Emission Properties of (Lu; Y)2SiO5Ce (LYSO:Ce) and (Lu; Y)AlO3Ce (LuYAPCe) Single Crystal Scintillators Under Medical Imaging Conditions


    Ce:GAGG

    Ce-GAGG闪烁晶体-南京光宝光电科技有限公司-CRYLINK

    特点

  • 高密度
  • 快速闪烁反应
  • 高产量
  • 良好的固有能量分辨率
  • 高制动力
  • 正电子发射断层扫描(PET)是一种成熟的获取器官生化功能信息的方法,可用于癌症的早期检测和神经系统疾病的诊断。典型的PET扫描仪具有由厚的闪烁晶体组成的探测器和光电探测器,例如光电倍增管(PMT)。这些应用要求闪烁体具有高的光产率,良好的能量分辨率,高有效原子序数,快速的闪烁响应和化学稳定性。

    Ce:GAGG闪烁体是一种新型的无机闪烁体,具有46 000光子= MeV的高光产率。它的高光输出有望改善DOI检测器模块的能量分辨率和晶体识别的准确性。s。GAGG:Ce闪烁体发出淡黄色的光,其有效原子序数等于54.4。此外,GAGG:Ce不包含天然放射性,这可能会提高系统的最低可检测活性极限。此外,与SiPMs配合使用,GAGG:Ce晶体具有出色的定时分辨率(低于200 ps),使其非常适合飞行时间(ToF)PET应用。在511 keV照射下,GAGG:Ce阵列的平均能量分辨率等于10.5%。

    Ce GAGG光输出[ph/MeV]衰减时间[ns]发射波长[nm]密度[g/cm3]能量分辨率[%]
    参考文献[1]46*103885306.66.4
    参考文献[2]55*103975206.7~11
    参考文献[3]46*103885206.610.6

    参考文献
    [1] Performance of FBK high-density SiPM technology coupled to CeLYSO and CeGAGG for TOF-PET
    [2] Characterization of 1.2×1.2 mm2 silicon photomultipliers with Ce LYSO, Ce GAGG, and Pr LuAG scintillation crystals as detector modules for positron emission tomography
    [3] Development of prototype PET scanner using dual-sided readout DOI-PET modules


    Ce:YAP

    Ce-YAP 闪烁晶体-南京光宝光电科技有限公司-CRYLINK

    波长(最大发射)(nm)370
    衰减时间(ns)28
    发光量(光子/ keV)25
    相对于Nal(Tl)的光输出(%)60-70
    折光率1.95@370nm

    YAP:Ce(掺杂铈的钇铝橄榄石)已被证明是PET(正电子发射断层扫描)小型动物的理想候选者。它的快速闪烁,良好的光输出,高密度和出色的物理性能,使得长而薄的晶体得以生长。这些检测器成束放置,并与位置敏感的读数光学耦合,从而产生了可喜的结果。YAP:Ce的人类PET应用的主要缺点是在511 keV时光电率低(〜4%)。

    ce-yappet-1
    ce-yappet3

    参考文献
    [1] High spatial resolution small animal YAP-PET

    [2] Comparison of YAP and BGO for high-resolution PET detectors
    [3] YAP-PET:first results of a small animal Positron Emission Tomograph based on YAP:Ce finger crystals

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