腦專用PET顯像探測器自由結(jié)構(gòu)符合與初步實驗測試

文 婧，李英幗，黃 川，張慶華，裴昌旭，何麗霞，尹永智

(1.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

正電子發(fā)射斷層顯像技術(shù)(positron emission tomography, PET)采用湮沒輻射和正電子準直技術(shù)，在體外動態(tài)、定量、無損傷地從分子水平上對生物體的生理功能和病理變化進行反映和成像，在腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和心血管疾病三大類疾病的診斷中有重要的價值[1]。在全身PET廣泛應(yīng)用于臨床檢測的背景下，局部病變檢測的核醫(yī)學(xué)顯像設(shè)備成為研究熱點，比如小動物PET、腦部PET、乳腺PET等。相比全身PET，局部PET的檢測對象體積小、注射劑量低、價格便宜，能夠更好地保護患者其他組織器官，但同時也對空間分辨率、系統(tǒng)靈敏度和能量分辨率提出了更高要求[2]。

在現(xiàn)有臨床PET檢測中，患者頭部比較容易活動，檢測不方便，造成檢測效果與精度較低、圖像質(zhì)量低[3]。腦PET是專用于頭部顯像的PET裝置，比目前臨床使用的PET直徑小，可減小非線性效應(yīng)的影響。使用可以自由活動的腦PET探測器對提高精度和滿足成像要求有重要的意義。Kuang課題組[4]設(shè)計了一種頭盔式腦PET，上下采用不同大小的平板型探測器，中間由六種不同大小的探測器圓環(huán)組成，其靈敏度是一般圓柱形探測器的4.2倍。Kinahan等[5]對微劑量腦PET顯像儀(ambulatory microdose positron emission tomography, AMPET)進行了研究，探討了對自然環(huán)境中直立和移動的人腦(正常和紊亂)不同情況的腦PET設(shè)計，為未來腦科學(xué)研究提供了顯像測量基礎(chǔ)。

為了增加探測效率、實時顯示圖像，顯著提高腦PET顯像質(zhì)量，本研究設(shè)計兩個大面積的探測器面板，使用一對機械手臂進行支撐，在同一直線上兩兩相對，并對目標體進行6維度的自由符合，以期使PET顯像探測器更貼近病灶組織，實現(xiàn)快速顯像響應(yīng)，具有發(fā)展為靈活腦PET顯像系統(tǒng)的功能。

1 腦PET系統(tǒng)設(shè)置

大面積LYSO&PMT探測器以LYSO晶體和光電倍增管(photomultiplier tube, PMT)為基礎(chǔ)，將射線轉(zhuǎn)化為光信號后再轉(zhuǎn)化為電信號。LYSO晶體是一種優(yōu)良的無機閃爍晶體，與PMT和雪崩光電二極管(avalanche photo diode, APD)的匹配性好，可以滿足大面積腦PET探測器系統(tǒng)的性能要求。本研究采用日本濱松公司(HAMAMATSU)的R8900-00-C12光電倍増管，其空間分辨率較高，具有較寬的波長響應(yīng)。且有效面積為23.5 mm×23.5 mm，可以滿足多種尺寸晶體的耦合需求[6]。R8900-00-C12輸出的12路信號(6路X+6路Y)為帶有位置信息的十字結(jié)構(gòu)，位置分辨率較高。

1.1 大面積LYSO&PMT探測器結(jié)構(gòu)

大面積PET探測器采用多個LYSO晶體陣列進行緊密拼接并置于3×3陣列的光電倍增管PMT上，如圖1所示。每個LYSO晶體陣列包含多個相同尺寸的單像素晶體條，LYSO晶體陣列的單像素晶體條的高度為10 mm，像素大小(即晶格大小)在六種尺寸(0.7 mm×0.7 mm、0.9 mm×0.9 mm、1.2 mm×1.2 mm、1.3 mm×1.3 mm、1.5 mm×1.5 mm、2.0 mm×2.0 mm)中進行測試和選擇，每種像素尺寸有對應(yīng)的陣列規(guī)格，如表1所示。晶體條之間采用0.1 mm厚的硫酸鋇作為反射層進行填充。對晶體陣列的各面進行拋光后，晶體陣列周圍采用鋁膜作為反光層，減少光損失和光干擾。為最大程度地利用光電倍增管的有效面積，使用硅膠耦合晶體與3×3陣列的位置靈敏光電倍增管[7]。

圖1 大面積PET探測器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 不同像素尺寸的陣列規(guī)格

1.2 前端電子學(xué)

1.2.1前端電子學(xué)組成 前端電子學(xué)組件實物圖示于圖2。應(yīng)用于大面積LYSO&PMT探測器板的前端電子學(xué)組件基于R8900-00-C12位置靈敏型光電倍增管(position sensitive photomultiplier tube, PSPMT)進行設(shè)計，該電子學(xué)組件共包括PSPMT打拿極分壓模塊、位置分壓電路模塊、前置放大器模塊以及供電和信號輸出模塊，這四個模塊之間通過排針和排座連接，從而實現(xiàn)板之間的整體化。每個PSPMT和一個組件進行連接，大面積探測器平板共有3×3個組件。

圖2 前端電子學(xué)組件實物圖

1.2.2前端電子學(xué)信號輸出 從位置靈敏型光電倍增管R8900 PSPMT輸出的12路信號經(jīng)過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)處理后變成四路，每一路信號經(jīng)過前置放大電路時都進行兩次放大，第一塊印刷電路板(printed circuit board, PCB)是打拿級供電分壓板，PSPMT探針通過排座和32個PCB板上的引腳相連，旁邊1×8的排針用于連接陽極信號。中間兩塊PCB分別對X和Y信號進行處理，PSPMT輸出的12路信號通過排座引入電路板并經(jīng)過位置分壓電阻網(wǎng)絡(luò)進行處理。該位置分壓電阻網(wǎng)絡(luò)由Anger電路設(shè)計而成，可將12路信號轉(zhuǎn)變成4路信號(X1、X2以及Y1、Y2)，通過前置放大電路放大處理后進行輸出。這4路信號的幅值通過公式(1)和公式(2)可以直接獲得射線在LYSO晶體中的作用位置(X/Y)，4路信號的幅值總和反映γ光子沉積的相對能量大小E。

(1)

(2)

E=X1+X2+Y1+Y2

(3)

最后一塊PCB是信號輸出板，主要作用為將處理后的四路信號X1、X2、Y1、Y2進行輸出，以及為IC芯片和位置靈敏型光電倍增管提供必需的直流電壓[8]。

本次研究中將9個位置靈敏型光電倍增管緊密排布在一起，產(chǎn)生4×9共36個輸出信號，如果對每個輸出信號進行放大和后續(xù)處理，將使得電路模塊較多、硬件系統(tǒng)變得復(fù)雜。為此，在前放組件之后再加上一塊位置加權(quán)電路板，實現(xiàn)9個探頭的二維位置圖拼接為單個大面積探頭的二維位置圖，利用對稱電荷劃分(symmetrical charge division, SCD)多路復(fù)用方式將36個信號轉(zhuǎn)變成4個信號(X1、X2、Y1、Y2)，分別在行/列上進行輸出，如圖3a所示。SCD多路復(fù)用方式通過在行/列的輸出之間放置一個電阻鏈，行/列電阻鏈兩端的輸出信號運用Anger邏輯進行計算，可以解碼原始信號的位置[9]。通過上述位置加權(quán)電路減少處理的信號數(shù)量可以極大降低實驗成本，減少實驗時間，縮小設(shè)備體積，位置加權(quán)電路如圖3b所示。

圖3 位置加權(quán)電路信號輸出邏輯(a)和36路信號通過SCD多路復(fù)用電路變成4路信號(b)

1.3 自由符合

大面積腦PET探測器測試基于符合測量原理，每塊探測器板結(jié)構(gòu)由9個探測器模塊緊密排布組成，采用平板型相對布局。平板間距為10.6 cm(圖4a)。每個探測器模塊不與同一平板上的探測器模塊進行符合，而是與相對平板上的9個探測器模塊依次進行符合，共形成81對符合邏輯關(guān)系(圖4b)。

a——平板型相對布局；b——9個探測器模塊緊密排布

2 性能測試

2.1 多種像素LYSO晶體陣列測試

對多種尺寸的LYSO晶體陣列進行不同像素的測試，利用LabView程序采集探測器的信號數(shù)據(jù)并以此獲得晶體的二維位置圖和位置區(qū)分度，晶體小像素的尺寸為0.7 mm×0.7 mm、0.9 mm×0.9 mm、1.2 mm×1.2 mm、1.3 mm×1.3 mm、1.5 mm×1.5 mm、2.0 mm×2.0 mm。

2.2 探測器能量分辨率

在像素型晶體中，為了簡化比較和討論多種晶體的能量分辨特性，取LYSO晶體陣列所有小晶體像素的總能譜，γ能譜設(shè)置的觸發(fā)閾值為50 keV。采用LYSO晶體陣列中所有像素的能量分辨率平均值描述晶體陣列的能量分辨特性。

2.3 符合測試實驗

首先進行組成大面積平板探測器的單個LYSO/PMT PET模塊的符合測試實驗(圖5a)。大面積探測器中9個PSPMT以3×3的方式排布，與12×12陣列的LYSO晶體緊密耦合，其中LYSO晶體像素的尺寸是1.5 mm×1.5 mm。在進行一對一符合實驗測試時，采用12×12陣列的LYSO晶體與一個PSPMT R8900-00-C12耦合組成一個探測器模塊。使用這樣的一對探測器模塊，并固定在同一水平線的小型轉(zhuǎn)臺上，二者連線中點與轉(zhuǎn)臺中心保持一致且在該位置上放置活度為1 μCi的22Na點源，轉(zhuǎn)臺在360°水平面內(nèi)多次旋轉(zhuǎn)，即模仿機械手臂在某一平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)(圖5b)。設(shè)置兩探測器模塊之間的距離為10.0 cm，即每個探測器與中心源的距離為5.0 cm，設(shè)置整數(shù)便于定點，方便精確計算[13]。LYSO晶體模塊有效邊長為19.1 mm，LYSO晶體探測器兩邊與中心連線夾角為21.62°，在平面內(nèi)等幅旋轉(zhuǎn)9次，重復(fù)角度可消除探測器擺放或像素晶體條本身的弧度偏差。利用轉(zhuǎn)臺均勻地旋轉(zhuǎn)9次進行符合數(shù)據(jù)采集，除去其中重復(fù)角度的符合數(shù)據(jù)后，對剩余數(shù)據(jù)進行22Na點源圖像重建。

a——符合測試；b——360°旋轉(zhuǎn)

3 結(jié)果與討論

3.1 晶體二維位置圖及區(qū)分度

對不同像素尺寸的LYSO晶體陣列二維位置圖，選擇中間一行的位置區(qū)分統(tǒng)計結(jié)果進行對比(矩形)，并做出單晶格的位置區(qū)分輪廓圖，如圖6所示。圖6中多種尺寸晶體的二維位置圖均能清晰地看到像素點陣列，能夠很好地實現(xiàn)位置區(qū)分，具有良好的實用性。通過對比可以看出，0.7 mm×0.7 mm像素尺寸的LYSO晶體陣列二維位置最不容易分開，但位置區(qū)分度更高、更清晰。像素越小，組成的大面積PET系統(tǒng)的空間分辨率越高[8]。

a——0.7 mm×0.7 mm(20×20陣列)；b——0.9 mm×0.9 mm(18×18陣列)；c——1.2 mm×1.2 mm(15×15陣列)；d——1.3 mm×1.3 mm(14×14陣列)e——1.5 mm×1.5 mm(12×12陣列)；f——2.0 mm×2.0 mm(10×10陣列)

利用區(qū)分度表征不同晶格對像素分開的程度，對每個像素采集的數(shù)據(jù)進行高斯擬合，分析單個像素的半高寬的大小即可表示區(qū)分度的大小[9-11]。計算得1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的LYSO晶體陣列的位置區(qū)分輪廓的半高寬(FWHM)平均值為0.45 mm，半高寬最大值為0.48 mm，半高寬最小值為0.40 mm。表2列出了六種LYSO晶體陣列的位置區(qū)分輪廓的FWHM平均值、最大值和最小值，這些像素尺寸的LYSO晶體陣列均能清晰地分辨出二維位置輪廓。

表2 多種像素尺寸的LYSO晶體陣列的位置區(qū)分輪廓的FWHM

3.2 探測器能量分辨率

0.9 mm×0.9 mm(15×15陣列)和1.2 mm×1.2 mm(18×18陣列)像素尺寸的LYSO晶體陣列能譜如圖7所示，其中紅色線擬合的是全能峰，其FWHM分別為110.3 keV和81.2 keV，該FWHM與入射γ光子的能量比即為能量分辨率。1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的晶體探測器測試1 μCi22Na點源獲得的12×12二維位置圖中間10×10個像素的單晶格能譜圖示于圖8，經(jīng)過刻度得到LYSO晶體陣列的小像素平均能量分辨率可達12.1%，獲得的能譜圖峰和總能譜圖峰基本一致，但比總能譜更加清晰，且這10×10個能譜基本相同，但全能峰峰位各異，在進行能量分辨率計算時需要對每個單像素晶體條進行能量歸一化處理[14]。

a——0.9 mm×0.9 mm(18×18陣列)；b——1.2 mm×1.2 mm(15×15陣列)

圖8 1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的LYSO晶體陣列的中間10×10晶格能譜圖

能量分辨率是脈沖能譜分布的半高寬與入射γ光子的能量之比值，表明PET系統(tǒng)對散射符合計數(shù)的甄別能力。由于各像素對不同能量γ射線的響應(yīng)各不相同，采用LYSO晶體陣列中所有像素的能量分辨率平均值來描述晶體陣列的能量分辨特性[12]。經(jīng)計算，六種LYSO晶體陣列的平均能量分辨率列于表3。由表3數(shù)據(jù)可知，1.3 mm×1.3 mm像素尺寸的晶體平均能量分辨率最優(yōu)，為17.61%；1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的晶體平均能量分辨率次之，為20.86%。

表3 各種LYSO晶體陣列的平均能量分辨率

3.3 探測器一對一符合圖像重建

對探測器的顯像效果做進一步的圖像重建測試，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)半徑為5.0 cm，探測器擺放位置與旋轉(zhuǎn)圓相切，探測器采用1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的晶體，有效探測面積為18 mm×18 mm，探測夾角為21.62°，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)9次。在實驗中，光電倍增管PSPMT的工作電壓設(shè)置為-800 V，前置放大電路的工作電壓為±5 V，用PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和儲存[11]?？偛杉嫌嫈?shù)為1 600萬對，平均每個角度為177萬對。

利用濾波反投影算法對采集數(shù)據(jù)進行圖像重建，重建區(qū)域46 mm×46 mm，結(jié)果示于圖9。由圖9數(shù)據(jù)可知，獲得的圖像空間分辨率可以達到1.5 mm，相比于真實點源，重建圖像出現(xiàn)展寬，可能是在實際測量中，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到某個角度受到的散射影響比較嚴重，以及實驗的硬件設(shè)置都會對圖像重建結(jié)果造成影響。

a——剖面圖；b——相對強度圖

4 結(jié)論

本文對0.7 mm×0.7 mm、0.9 mm×0.9 mm、1.2 mm×1.2 mm、1.3 mm×1.3 mm、1.5 mm×1.5 mm、2.0 mm×2.0 mm六種小像素尺寸的LYSO晶體陣列的二維位置、能量分辨率等性能進行了測試，并利用一對1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的LYSO晶體陣列探頭進行符合實驗測量。六種晶體的二維位置可以較明顯的分開，有較好的位置區(qū)分度，位置區(qū)分輪廓半高寬平均值在0.38～0.49 mm之間。PET的能量分辨率通過全能峰的半高寬與入射γ光子的能量比計算，表明PET系統(tǒng)對散射符合計數(shù)的甄別能力是個重要參數(shù)。本文中對多種像素尺寸的晶體進行能量分辨率計算，結(jié)果在17.61%～30.40%之間。經(jīng)過刻度得1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的LYSO晶體陣列的小像素平均能量分辨率可達到12.1%，滿足前期測試實驗要求。后續(xù)選取1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的LYSO晶體陣列進行一對一符合探測初步斷層成像實驗。利用濾波反投影進行圖像重建顯示空間分辨率接近1.5 mm。

基于一對探頭的符合實驗測量結(jié)果，3×3陣列的大面積LYSO探測系統(tǒng)自由符合具有較大的研發(fā)可能性。項目組目前已經(jīng)完成了3×3陣列的大面積LYSO與PSPMT耦合探頭的腦PET系統(tǒng)設(shè)計，正在積極開展相關(guān)性能測試實驗，包括時間分辨率、靈敏度、圖像重建等，測試結(jié)果良好。該系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，將會為未來腦PET系統(tǒng)的設(shè)計提供新的研究方向。