探測器結(jié)構(gòu)

這是核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備典型的探測器結(jié)構(gòu)，它有前端的晶體，中間的光電轉(zhuǎn)換器以及后端的讀出電子學(xué)組成。伽馬光子到達(dá)探測器時，首先在晶體內(nèi)完成能量轉(zhuǎn)換，高能光子轉(zhuǎn)換成低能可見光，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器，光信號轉(zhuǎn)換成電信號后傳輸給后端電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行信息檢出。在這個過程中，晶體和光電轉(zhuǎn)換器的性能可以說直接決定了探測器性能，所以這一期我們就來了解一下晶體以及如何評價晶體的性能。
 

晶體性能指標(biāo)

核醫(yī)學(xué)使用的通常是無機(jī)閃爍體，顧名思義，其主體主要是一些無機(jī)化合物，如NaI、BGO，LSO等。

晶體的作用是吸收伽馬射線，并產(chǎn)生可見光，一般用以評價晶體性能的指標(biāo)包括：原子序數(shù)和密度、光產(chǎn)額、發(fā)光衰減時間、發(fā)光波長、吸收厚度、潮解性等。

1. 原子序數(shù)和密度越大越好：晶體對伽馬光子的吸收能力越強(qiáng)，光子越不容易穿透晶體，因此，探測器的探測效率會越高;

2. 光產(chǎn)額越高越好：光產(chǎn)額是指晶體將伽馬光子轉(zhuǎn)換成可見光的能力，光產(chǎn)額越高，探測器的能量分辨率和空間分辨都可以相應(yīng)提高;

3. 發(fā)光衰減時間越短越好：即閃爍體被激發(fā)到產(chǎn)生閃爍光時的時間差，此數(shù)值越短，晶體的時間分辨越好，探測器可以在高計(jì)數(shù)率的情況下獲得較高的探測效率;

4. 發(fā)射光譜應(yīng)與光電轉(zhuǎn)換器件的響應(yīng)光譜相匹配，以獲得較高的光輸出;

5. γ光子吸收厚度是指使用多長的晶體可以完全吸收伽馬光子，該數(shù)值越短越好，意味著我們可以使用較短的晶體就可以吸收伽馬光子，獲得較高的探測效率。
 

晶體性能對比

接下來我們分別來看一下這幾種常見的晶體及其性能參數(shù)：

對比表1：核醫(yī)學(xué)常用閃爍晶體性能對比

1. NaI晶體：NaI是單光子成像設(shè)備SPECT最常使用的晶體，其特點(diǎn)是光產(chǎn)額高，相應(yīng)可獲得較高的能量分辨率，對低能光子還可以獲得較高的探測效率。但是其對511keV的高能光子阻止能力較差，探測效率低。另外，NaI晶體發(fā)光衰減時間較長，時間性能較差。

2. BGO晶體：BGO是早期正電子成像設(shè)備PET產(chǎn)品常用的晶體，相比NaI晶體，其特點(diǎn)是物理化學(xué)性能穩(wěn)定，易于加工，價格低，且由于其原子序數(shù)和密度的提升，晶體對高能射線的阻止能力增加，晶體可以做的較短。但是BGO光產(chǎn)額較低，時間和能量分辨率都較差，目前已被淘汰。

3. GSO晶體：GSO雖然時間性能較好，但加工時容易裂解，制約了其應(yīng)用。

4. LSO和LYSO晶體：這兩種晶體是目前最新PET/CT產(chǎn)品使用的兩種晶體，各項(xiàng)性能參數(shù)都較適合用于正電子湮滅光子的探測。相比之下，LSO有效原子序數(shù)和密度更高，因此對511keV γ光子的吸收厚度更小。如表格2所示，12.3mm的LSO與20mm的LYSO晶體對511keV能量的光子阻止能力是一樣的，因此，LSO晶體可以做得更短，光路傳輸時間也就更短;同時LSO的光產(chǎn)額和發(fā)光衰減時間更好，所以能量和時間分辨率更優(yōu)。因此，LSO相比LYSO可以獲得更高的ToF性能。

對比表2：LSO與LYSO晶體性能對比

綜合以上信息，可以看出，LSO仍是目前ToF-PET探測器最理想的晶體材料。

小 結(jié)

這次內(nèi)容介紹了探測器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的晶體。評價晶體性能的指標(biāo)包括原子序數(shù)和密度、光產(chǎn)額、發(fā)光衰減時間、發(fā)光波長、吸收厚度、潮解性等。原子序數(shù)和密度越大，晶體吸收光子的能力越強(qiáng);光產(chǎn)額越高，探測器的能量分辨率和空間分辨率越高;發(fā)光衰減時間越短，探測器的時間分辨率越好;光子吸收厚度越短，探測器的探測效率越高。

我們同樣介紹并對比了幾種常見的晶體及其參數(shù)，包括NaI、BGO、LSO和LYSO等等。其中NaI是SPECT最常用的晶體，LSO和LYSO是PET最常用的晶體，且LSO是目前TOF PET探測器最理想的材料。