TOF－PET探測器定時性能初步研究

劉軍輝，李道武，章志明，廖燕飛，黃先超，王培林，陳 研，贠明凱，豐寶桐，帥 磊，王寶義，張天保，魏 龍，＊

（1.中國科學院 高能物理研究所 核分析技術重點實驗室，北京 100049；2.北京市射線成像技術與裝備工程技術研究中心，北京 100049；3.中國科學院 研究生院，北京 100049）

基于飛行時間（TOF）技術的正電子發射斷層掃描儀（PET），相對于傳統PET，能顯著改善圖像質量，被認為是新一代PET的發展方向之一［1］。作為PET的關鍵部件，用于TOFPET的探測器成為研究熱點。Moses等［2］研究了LSO晶體長度及晶體表面處理工藝與TOF－PET的時間分辨的關系，得到4mm×4mm×30mm的LSO晶體條對511keV的γ射線符合時間分辨為475ps；Szczesniak等［3］研究了LSO晶體配合XP20D0光電倍增管（PMT）用于 TOF－PET的可行性；Moriya等［4］研究了位置靈敏型光電倍增管（PS－PMT）Hamamatsu R8400－00－M64 耦 合 2.9mm×2.9mm×20mm LYSO晶體陣列用于 TOFPET的可行性，配合1個BaF2探測器得到平均505ps的符合時間分辨率；Chang［5］使用尺寸為4.2mm×4.2mm×30mm的LYSO晶體條組成陣列，耦合Hamamatsu H8500光電倍增管，組成TOF－PET探測器，得到485ps的符合時間分辨率。以上研究結果表明，采用快速光電倍增管或位置靈敏型光電倍增管耦合LYSO晶體來設計探測器，有望在TOF－PET中得到應用。

本工作采用H8500C－M64位置靈敏型光電倍增管，耦合不同尺寸的LYSO晶體條，測試在不同條件下的時間分辨能力、探測效率等參數，為TOF－PET探測器的研制提供參考數據。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。H8500光電倍增管的陽極信號經DPC電路［6］引出，經自制放大電路放大成形后作為能譜和位置信號。用于定時的信號由最后1級打拿極（DY12）引出，經倒向后傳輸給ORTEC 935恒比定時甄別器，其輸出定時信號經延遲后傳輸給ORTEC 566時幅轉換器作為停止道信號。BaF2探測器陽極信號經ORTEC 583恒比定時甄別器進行時間甄別后，傳輸給OTEC 566時幅轉換器作為起始道信號。時幅轉換器的輸出信號傳輸給多通道ADC進行模／數轉換，轉換后的數據進入計算機進行分析。此外，為實現對γ射線的能量選擇，將BaF2探測器的打拿極信號經ORTEC 572放大器放大成形后輸出給單道分析器ORTEC 552，由ORTEC 552選擇適當閾值，從而實現對511keV的能峰甄別，其輸出信號作為門信號選通時幅轉換器和多通道ADC。

2 實驗及結果

2.1 H8500渡越時間離散測量

圖1 BaF2－LYSO符合系統Fig.1 BaF2－LYSO coincidence system

因光電倍增管不同位置的信號到達信號引出端的路程不同，信號到達時間也存在差異，本工作對此差異進行了測量。如圖2所示，在H8500的4個位置（圖中①、②、③、④）放置同一條LYSO晶體，晶體尺寸為2mm×2mm×10mm，晶體條包鋁箔作為反射層，用硅油耦合于光電倍增管，從最后1個打拿極（DY12）引出信號作恒比定時，DY12的引腳位置與位置②靠得較近。用LYSO探測器與另一BaF2－XP2020Q探測器組成快慢符合系統，測量22Na放射源產生的正電子湮沒射線。固定22Na源與BaF2探測器及H8500光電倍增管入射窗的距離，每次測量時平移H8500探測器，使所測位置的晶體條與放射源、BaF2探測器中心成直線擺放。根據上述方法測量正電子湮沒瞬發時間譜，比較①、③、④3個位置的正電子湮沒時間譜峰位與位置②的正電子湮沒時間譜峰位的差值，認為該差值代表了不同位置的信號傳輸至DY12時，在到達時間上相對于位置②的差異，表1列出了測量結果。

圖2 H8500光陰極LYSO晶體條位置示意圖Fig.2 Sketch map of position of crystal on H8500PMT

表1 測得各位置信號到達DY12引腳的時間差Table 1 Measured time difference for signal transmitting from different positions of photocathode to DY12

2.2 時間分辨率測量

選擇橫截面尺寸為3.2mm×3.2mm，高度分別為5、10、15、20和25mm 的 LYSO晶體，四周及頂端使用Teflon膜包裹作為光反射層，立于H8500光電倍增管中心位置，晶體條與光電倍增管使用硅油耦合，組成簡單的探測器，與另一BaF2探測器分別作為時間譜儀的停止道和起始道探測器，測量其時間分辨率。圖3示出了5mm高度的LYSO晶體與BaF2探測器對正電子湮沒射線的符合時間譜，表2列出了不同高度的LYSO晶體與BaF2探測器符合時間分辨率。

圖3 5mm高度LYSO晶體與BaF2探測器對511keVγ射線的符合時間譜Fig.3 Coincidence time resolution for LYSO crystal of 5mm height and BaF2detector forγrays of 511keV

選用上述不同尺寸的晶體，分別組成5×4的陣列，經硅油耦合于PMT中心位置，通過上述方法測量該陣列中間1條晶體的時間分辨，結果列于表3。

2.3 探測效率測量

對上述不同高度的LYSO晶體陣列，測量了其對511keVγ射線的全能峰的相對探測效率；測量中保持晶體上端面與放射源22Na距離為5cm，并固定BaF2探測器與放射源的距離。使用單道分析器ORTEC 552選擇γ射線的能量（511keV峰位），從而盡量減少22Na放射源的1.28MeV的γ射線的影響，認為所測得的LYSO探測器能譜的511keV峰位計數率代表了其對正電子湮沒γ射線全能峰的相對探測效率。對探測效率進行了歸一化處理，對15和20mm高度的晶體條的雙探測器符合時間分辨率結果采用了線性內插值的方法，表4列出了測量結果。

表2 單條LYSO晶體立于H8500中心位置與BaF2探測器的符合時間分辨率Table 2 Coincidence time resolution for single LYSO crystal on center of H8500PMT and BaF2detector

表3 5×4LYSO晶體陣列中間1條晶體與BaF2探測器的符合時間分辨率Table 3 Coincidence time resolution for center LYSO crystal in 5×4LYSO array and BaF2detector

表4 不同高度的5×4LYSO晶體陣列的相對探測效率及符合時間分辨率測量結果Table 4 Detection efficiency and coincidence time resolution of 5×4LYSO crystal array of different heights

從表4可看出，雖然5mm高度時，探測器的符合時間分辨率為297ps，遠好于25mm時的486ps，但效率卻僅為后者的7%；綜合考慮時間分辨率和探測效率的情況下，25mm高度的晶體更為實用。

3 數據分析及討論

由表1可看出，H8500光陰極的不同位置的光信號轉換成電信號傳遞到DY12引腳的時間是有差異的（這里以信號到達DY12的時間為準，因在整套實驗中，是從DY12提取時間信號作為定時的），①、④兩個位置與位置②的時間差相當，約為300ps，而位置③與位置①、④的時間差也約為300ps，這反映了H8500多通道PMT的渡越時間離散情況，與產品說明書上給出的渡越時間離散為400ps基本符合，而渡越時間離散可能是影響其時間分辨的主要因素。

將表3、4中的測量結果繪成晶體高度與時間分辨率的關系圖（圖4），可見隨晶體高度的增加，探測器的時間分辨率呈變差趨勢；而在相同高度下（5mm除外），陣列中的中間1條晶體的時間分辨率明顯差于獨立的單條晶體，這可能是因為在陣列情況下，有的射線擊中該陣列中心的晶體條后發生散射，散射后的射線被周圍晶體條吸收，該事例仍屬全能峰，成為有效事例，而在這種情況下，γ射線在多條晶體上激發閃爍光，相對于γ射線能量完全沉積在1條晶體條的情況，閃爍光子的收集較為離散，由于H8500光陰極不同位置的信號傳遞到DY12引腳的時間有離散，導致時間分辨率變差；對于5mm高度的情況，由于晶體條本身很短，在中心條晶體發生散射的射線逃出晶體陣列的可能性較大，因此與獨立的單條晶體的情況較為接近，時間分辨率也較為接近。

圖4 不同高度晶體的符合時間分辨率Fig.4 Coincidence time resolution of LYSO with different heights

［1]ERIKSSON L，TOWNSEND D，ERIKSSON M，et al.Potential for a fifth generation PET scanner for oncology［C］∥IEEE Nuclear ScienceSymposium Conference Record.［S.l.］：［s.n.］，2005：1996－2000.

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