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正電子發(fā)射型斷層儀（Positron Emission Tomography, PET）是對正電子示蹤劑的探測設(shè)備，具有極高靈敏度和精準(zhǔn)的定量功能。而PET/CT是將PET與CT有機(jī)結(jié)合起來的融合設(shè)備，已經(jīng)成為腫瘤、神經(jīng)和心血管系統(tǒng)疾病診斷，臨床分期和療效評估的最佳影像技術(shù)。

PET探測器(Detector)是PET、PET/CT等分子成像設(shè)備的重要組成部分。PET探測器的材料組合、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能直接影響PET、PET/CT等分子成像設(shè)備在臨床和科研中應(yīng)用，探測器的優(yōu)劣直接決定著PET系統(tǒng)的好壞。那么PET/CT探測器都發(fā)生了怎樣的變化呢？常聽說的PMT、SiPM與DPC到底各有何種不同？本文主要介紹PET探測器在技術(shù)方面的發(fā)展?fàn)顩r。

PET探測器的結(jié)構(gòu)

PET探測器由晶體（Crystal）、光電轉(zhuǎn)化器(Photomultipliers)和后續(xù)電子線路組成。

（1）晶體：從理論上講，表1所列幾種晶體均可以用于PET探測器，但是從臨床經(jīng)驗(yàn)來看，目前用于PET探測器的晶體主要有BGO、LYSO、LSO和LBS等四種。其中LYSO、LSO以及LBS這類晶體由于含有金屬镥（Lutetium），因此余輝時(shí)間明顯減少。一般認(rèn)為晶體余輝時(shí)間小于80ns（納秒）就可以實(shí)現(xiàn)飛行時(shí)間（Time of Flight, TOF）技術(shù)。而BGO等晶體余輝時(shí)間太長，不能實(shí)現(xiàn)TOF技術(shù)，即將淘汰(1,2)。當(dāng)然，含镥晶體（LSO、LYSO）也有其不足，就是含有自身本底放射性，有效原子序數(shù)偏小，會(huì)導(dǎo)致射線探測效率降低。所以，一般講LYSO、LSO和LBS這類晶體在PET探測器中其最佳長度為20mm左右（3）。所以，如果選擇LYSO、LSO或LBS這一類晶體，那么就必須具有TOF技術(shù)來彌補(bǔ)或克服其探測效率低的固有缺陷。

表一

（2）光電轉(zhuǎn)化器：伽瑪射線與晶體作用產(chǎn)生的熒光需要采用光電轉(zhuǎn)化器才能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/span>目前常見的光電轉(zhuǎn)換器有PMT、SiPM和DPC(Digital Photon Counting)三類。

A、傳統(tǒng)的PET探測器采用把單個(gè)閃爍晶體耦合在光電倍增管（PMT）上的辦法，它是在1951年由Wrenn和Sweet首先提出的。也在PET探測器的歷史長河中扮演著極其重要的作用。但是由于它體積大，易干擾，需高壓；會(huì)產(chǎn)生溫度升高，導(dǎo)致放大增益有很大偏差，溫度升高1°，增益偏差3%(4)。因此科學(xué)家又推出了半數(shù)字化固相陣列式光電轉(zhuǎn)化器(Silicon Photomultiplier, SiPM），不但明顯提高PET探測器空間分辨率，而且能夠提高PET的TOF技術(shù)，最重要的是其對于磁場的不敏感，使得一體化的PET/MR成為了可能。

B、半數(shù)字化固相陣列式光電轉(zhuǎn)化器（Silicon photomultiplier, SiPM）,亦稱為硅光電倍增管。

從其名字就可以看出，其功能和原理依然沒有脫離傳統(tǒng)光電倍增管的范疇，最多只能算半數(shù)字化探測器。其最早用于倒車?yán)走_(dá)、質(zhì)譜儀等信號采集原件，在PET/CT的應(yīng)用最早在2004年左右（5,6）。

SiPM較傳統(tǒng)的PMT而言，采用了半導(dǎo)體集成電路芯片技術(shù)。這種半數(shù)字化芯片產(chǎn)品，體積明顯減小，可以做到高度的集成化，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)PET中關(guān)鍵的TOF技術(shù)。但是，模擬信號到數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換依然需要后續(xù)ASIC電路來解決，SiPM只是和原來的PMT一樣，單純的進(jìn)行信號的接受放大，其采集到的電信號通過后續(xù)的電路去估算大致的光子計(jì)數(shù)，并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，一個(gè)輸出=所有脈沖的疊加，處理過程依然受到模擬電路的影響(3,7)。

同時(shí)，由于屬于硅光原件，即使在外部沒有任何輸入的情況下，其依然會(huì)產(chǎn)生暗電流噪聲（7）。對于溫度的敏感性，雖然略低于PMT，但是受到其模擬元件的本質(zhì)限制，無法擺脫溫度漂移的影像，溫度每上升1攝氏度，其增益偏差大約還是在3%左右。在采集過程中，隨著計(jì)數(shù)率（輸入）的增多，SiPM也經(jīng)常收到模數(shù)轉(zhuǎn)換、帶寬限制、噪聲干擾等因素的影響，出現(xiàn)響應(yīng)不及時(shí)的情況，也就是我們通常所說的不應(yīng)期，或者用PET/CT的專用術(shù)語——死時(shí)間問題（3,8,9）。

此外，目前的SiPM生產(chǎn)商其主要供貨對象并不是PET/CT，主要是受采購數(shù)量的制約。導(dǎo)致至今依然沒有一臺采用SiPM探測器的PET/CT能夠?qū)崿F(xiàn)SiPM探測器和晶體尺寸一致。這也是PET/CT進(jìn)入全數(shù)字時(shí)代的另一大障礙，眾多此類產(chǎn)品，不得不繼續(xù)沿用為PMT設(shè)計(jì)的Block結(jié)構(gòu)，探測器尺寸的大大縮小，卻仍然無法實(shí)現(xiàn)與晶體一一對應(yīng)，以及晶體的完全覆蓋，直接帶來的后果就是丟數(shù)據(jù)。大量真實(shí)的符合事件因?yàn)镾iPM響應(yīng)不及時(shí)而沒被系統(tǒng)有效記錄。為了解決這個(gè)困惑，需要將所有的計(jì)數(shù)均收集起來，然后進(jìn)行后續(xù)的多次重建來解決。顯然軟件算法的彌補(bǔ)，并不能解決根本問題，硬件設(shè)計(jì)或材質(zhì)的改變才是必然的道路。因此，研究人員將寄希望于實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的數(shù)字化，來破解所有模擬元件帶來的困擾(3,8)。

C、數(shù)字光子計(jì)數(shù)DPC（Digital photon counting）。鑒于上述SiPM的一些缺點(diǎn)，DPC應(yīng)運(yùn)而生。

相較于SiPM單純放大信號以及包含的所有噪聲，并在后續(xù)ASIC電路中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。DPC芯片，通過為每個(gè)ADP單元（微米級）設(shè)計(jì)一套完整的CMOS電路，使其在放大之前即可完成可見光信號能量判斷，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。0101的數(shù)字信號可以直接通過光纖傳遞給后端采集和處理工作站，不再需要ASIC電路和任何模擬電路，實(shí)現(xiàn)了零模擬噪聲，也不會(huì)對噪聲進(jìn)行放大(10,11)。

由于DPC芯片是第一款專門針對PET/CT設(shè)計(jì)的探測器芯片，所以，每個(gè)獨(dú)立探測器的尺寸就是根據(jù)目前最廣泛使用的晶體切割尺寸設(shè)計(jì)，因此實(shí)現(xiàn)了和晶體單元的一一對應(yīng)，而且可以100%探測器覆蓋晶體。這種一一對應(yīng)結(jié)構(gòu)為PET/CT帶來的好處是顯而易見的，PET光子閃爍定位，第一次實(shí)現(xiàn)了直接定位，不再依賴于 Block 結(jié)構(gòu)的估算方式，極大提高了PET的定位精度和處理速度(11，12)。由于采集有效計(jì)數(shù)的提高，使得系統(tǒng)的有效靈敏度也得到極大提高，前端硬件設(shè)計(jì)上的噪聲去除，避免了長期以來后續(xù)軟件多次迭代算法的去噪處理，極大的節(jié)省重建的時(shí)間。同時(shí)，一一對應(yīng)結(jié)構(gòu)帶來的另一個(gè)好處是，第一次能夠通過每個(gè)探測器校正，消除晶體差異帶來的固有均勻性問題，每個(gè)探測單元實(shí)現(xiàn)歸一化的采集放大效果。正是由于良好的均勻性才能保證后續(xù)定量的準(zhǔn)確性（12）。

此外，由于在最前端實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和信號噪聲識別，SNR會(huì)有很大提高，其采集通道與現(xiàn)在采用SiPM探測器的PET/CT的通道數(shù)量多了N個(gè)數(shù)量級。探測器幾乎擁有了無限的帶寬，如果說原來是只有十車道的高速路，現(xiàn)在探測單元多了N個(gè)數(shù)量級，升級成了1000車道，輸入信號和輸出始終保持很好的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)1倍以上的最大計(jì)數(shù)率（13）。因此數(shù)字化的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了：

1、一一對應(yīng)---超高采集效率：100%完全覆蓋、無需模擬定位、高密集探測器陣列；

2、一步到位---無需多余迭代：幾乎是0仿真噪聲、0傳輸衰減、無限帶寬；

3、PET的關(guān)鍵參數(shù)，TOF的時(shí)間分辨率目前就可以降到只有310ps。

綜上所述，PET探測器經(jīng)過近70年的發(fā)展，其整體性能有了長足的進(jìn)步，良好的設(shè)計(jì)和完善PET探測器技術(shù)對于促進(jìn)形成正電子成像的新應(yīng)用和新產(chǎn)業(yè)具有重要的意義。

DPC技術(shù)，源頭數(shù)字化，一一對應(yīng)的采集模式，100%探測器覆蓋率，使得模擬PET被終結(jié)，使得PET進(jìn)入了全數(shù)字的時(shí)代。

無論如何，DPC技術(shù)終于來了，全數(shù)字化終于名副其實(shí)了。

參考文獻(xiàn)：

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(11) Frach, T.; Prescher, G.; Degenhardt, C.; de Gruyter, R.; Schmitz, A.; Ballizany, R. The Digital Silicon Photomultiplier–Principle of Operation and Intrinsic Detector Performance. In Proceedings of Nuclear Science Symposium Conference Record

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(13) Z. Liu,a;1 M. Pizzichemi,a E. Auffray,b P. Lecoqb and M. Paganonia Performance study of Philips digital silicon photomultiplier coupled to scintillating crystals, JINST, 2016