摘要小动物PET成像较临床PET成像，对空间分辨率和灵敏度提出了更高的要求，进而促进了 PET探测器的研究 和开发。综述了小动物PET扫描仪使用的探测器的发展状况,比较了几款当代典型小动物PET扫描仪的性能，同时介 绍了为解决探测器视差问题而不断发展的测量相互作用深度的探测器设计技术。

 

关键词正电子发射断层成像;探测器；相互作用深度

 

 

1引言

 

在生物医学研究领域，大量的研究依赖动物模型来完成， 动物成像是做动物实验新的重要手段之一。许多传统成像手 段，如：CT、MRI、超声、SPECT、PET,都能用在小动物成像上。 老鼠因为繁殖快、成本低而成为人类疾病动物模型的主体。近 年来,PET在老鼠疾病模型研究上显示了相当大的潜力，其最 突出的优点是灵敏度高、能进行功能成像、可定量测量并且可 将动物实验结果直接推及临床，更有利于研究生物、生理过程 及变化等。

 

小动物PET扫推仪的符合探测原理与临床PET相同。注 人生物体内的放射性核素发生P+衰变产生正电子，正电子与 物质作用，能量耗尽时与物质中的自由电子结合，产生湮灭辐 射反应，转化为一对方向呈180。、能量同为511keV的"Y光 子。PET的2个探测器互设成180。,采用符合探测技术把一对 1光子产生的闪烁事件测定并记录下来，即2个闪烁事件同 时进人探测器被记录，不同时进入的闪烁事件被剔除,并确定 事件发生的空间位置,见图1【1]。

 

作为一种用于临床研究的研究工具,PET的应用已经超 过25年了。老鼠的体重与人相比低近3个数量级(通常以成 人70kg和老鼠30g做比较)，用于人体、 非人灵长类动物和较大实验动物的PET 受到光电探测器技术的限制，无法满足小 动物成像所需的灵敏度和分辨率。为了达 到在人体PET成像研究时相同的水平精 确度，小动物PET系统必须在空间分辨 率和灵敏度方面具备更高的性能。图

作者®介:刘颖，硕士研究生;乔清理,副教授，

硕士生导师。

显示了分别使用小动物PET (图2(a))和临床PET(图2 (b))对一只32g的小白鼠扫 描后的图像比较效果。小动 物PET的分辨率大约是 1.5mm,而临床PET的分辨 率是5mm。动物PET探测器 的性能对高分辨率动物成像 至关重要。动物PET扫描仪 从闪烁晶体材料和探测器的 设计等方面进行更新和提 髙，来满足生物研究的不同 要求。

 

当前，中科院高能所正 在从事Micro-PET的研发，

 

但还没有成熟的产品在市场 销售。浙江大学现代光学仪 器国家重点实验室等联合机 构开发了由2层150晶体 阵列和最新开发的位置灵敏 型光电倍增管构成的新型位

 

敏型探测器。我国虽然已经有多台临床PET用于人体的检査 和研究,但是还没有一台小动物PET。

 

2动物PET扫描仪探澜器的发展 2.1探测器闪烁晶体材料曰

 

对动态成像来说,为得到合适的时间分辨率,单位时间内 收集到的光子数比收集到的光子总数要重要得多。无机闪烁 晶体的密度大，原子量大,具有快速的衰变时间，是PET主要

 

量 状态变化产生荧光，产生荧光的过程快，但是光子数目少。有 机化合物的原子量和密度都相对较低，因此，探测髙能7射线 的效率低。新型的纤维状闪烁晶体技术可获得高分辨率，但是 因为低灵敏度限制了其应用。

 

传统的探测器材料采用NaI、BGO等晶体。Nal晶体的最 大优点是光输出量大,可采用小直径光电倍增管。BGO晶体密 度大,所以能够提髙系统的计数率。新的闪烁晶体材料，如： LSO、GSO、LuAP、YAP等，这些新材料具有光输出量强、衰减 时间短等特性，确保了探测效率,对于开发高分辨率PET探测 器十分重要。表1中列举了这些材料的参数。从图3中可以直 观地看到传统的材料在探测效率和时间响应2个方面的优势 不可兼得，而新的晶体材料时间响应更好，光输出强度大，可 以同时兼顾探测效率和时间响应。

 

2.2动物PET

 

扫描仪探测器 设计的发展 2.2.1闪烁晶

 

51 230 100 体耦合光电倍

 

75 3.00 0,15 增管（photo-

 

65 0.40 0.75 multiplier

 

59 0.60 0.30 tube.PMT)

 

32 0.27 0.40 射线与

 

YSO 4.45 36 0.70 0.45 闪烁晶体相互

 

LGSO 7.23 65 0.60 0.40 作用，产生光

 

LuAP 8.34 64 0.17 0.30 电子或是康普

]初次衰减常数(100ns) 3发射强度（相对于Nal)

NaI(Tl) BGO LSO GSO YAP YSO LGSO LuAP

传统材料 新晶体材料

 

图3常用晶体材料特性参数的比较直方围

 

顿电子。激发状态的电子通过荧光产生光子来释放能量， 然后被次级光子探测器将荧光信号转换为电信号进行检 测。以 Hammersmith 医院与 CTI PET Systems Inc.联合研制 的RAT-PET系统为例，它是第一台特别为啮齿类动物成 像使用的PET系统。其扫描装置是采用与临床PET相同的 BG0耦合PMT。RAT-PET的分辨能力相当粗糙（3~4mm), 空间分辨率并没有较大的提高，但作为第一台动物PET扫 描仪，在如何转化临床PET到小动物成像，这给出了一个 很好的示范％

 

2.2.2闪烁晶体耦合半导体探测器

 

雪崩光电二极管(Avalanche photodiodes,APD)属于半导体 探测器，将光信号转化为电子空穴对来识别光，通常与固体闪 烁晶体一起使用。Lecomte等人[4W制的小动物PET扫描仪首 次用APD代替PMT。将小的离散的BG0装配在APD上，以获 得较高的空间分辨率和计数能力，其中心空间分辨率可达到

2.1mm。APD的时间响应比较差，但是基于APD的探测器比 PMT探测器的能量分辨率要高。APD的主要优点是体积小、排 列紧凑,为提髙探测器设计的灵活性带来了许多方便。另一种 新的光子探测器——硅光电倍增管(SiPM)由许多小的APD元 件构成,密度达到了 1mm2里有1 000个APD元件。它的时间 响应小于100ps，比传统的APD要快得多[2]。

 

2.2.3闪烁晶体耦合位置敏感的光电倍增管(PS_PMT>

 

以WebeP等人研发的TierPET系统为例，其探测器采 用了 YAP闪烁晶体配以PS-PMT。由于YAP的原子量较 低，所以扫描仪的灵敏度受到限制，成像时间大概需要lh。 若采用LSO晶体，扫描仪的低敏感度可以得到改善。PS-PMT具有很大的位置独立增益变化，这种变化引起了信号 强度的改变。这就不需要为能量辨别而安装固定的硬件，并 且要在大范围内接收脉冲，否则探测器的灵敏度随着穿过 光电阴极而产生相应的变化。TierPET系统的各个方向上的 分辨率可达2mm。

 

由美国国家卫生研究所等机构研发的ATLAS小动物 PET系统是第一台具有判断7射线与晶体的相互作用深度 (depth ofinteraction，DOI)能力的小动物PET扫描仪。它所采用 的探测器是在一个小直径的环内，分别由LGS0晶体和GS0 晶体构成的2层叠层闪烁体耦合PS-PMT,依靠闪烁晶体衰减 时间的差别来区分是由哪一层所产生的信号。这种排列的探 测器晶体提髙视野四周位置的空间分辨率从而减小视差。环 的直径小则可以进一步增加系统的立体角来提髙灵敏度,atlas 的中心空间分辨率为1.8mm[61。

 

2.2.4高密度雷崩室(HIDAC)

 

HIDAC技术不使用闪烁体，最近也用于小动物PET的研 制。由英国 Oxford Positron Systems 开发的 quad-HIDACn,由 4 排探测器组成，探测器由多线均衡室（multiwire proportional chamber,MWPC丨组成，交叉排列片状铅层和绝缘片，中间钻出 排列成稠密矩阵的孔洞。7射线与片状铅层相互作用产生光 电子或是康普顿电子，符合性探测摆放成16层的片状铅层 HIDAC来完成。使用闪烁晶体的探测器，其分辨率由晶体的大 小来决定，而探测器的内部分辨率主要由铅转换层上钻的孔 洞来决定。HDAC的优势在于空间分辨率髙，可以达到 1.1mm,并且具有测量D0I的能力，但是HIDAC缺乏能量辨 别能力，探测器响应低，进行扫描时需要对冷却氩气的液体进 行温度控制，这也增加了操作的复杂度ra。

 

2.2.5闪烁晶体耦合多通道光电二极管(MS-PMT)

 

LS0晶体密度大，发光衰减快，故被许多研究小组采 用。由美国UCLA的Cmrap生物影像研究所研制的Mi-croPET[8]的探测器，就用光纤束连接LS0晶体与MS-PMT, 细致切割的晶体柱与光纤相连，同时采用了 MS-PMT传递 信号。U0晶体柱与MS-PMT用光纤一对一连接。信号输出 至MS-PMT的64个通道，图像重建后分辨率可达1.8mm。 现在的第二代小动物PET——MicroPET np],其空间分辨率 提高到1.1mm。

 

3动物PET探测器设计面临的挑战和发展

 

3.1动物PET扫描仪视差问题

 

表2列举了当代几款典型的动物PET扫描仪的特性及性 能参数。

 

因为湮灭光子可能在闪烁体材料内的任意深度相互作 用，这就会产生探测器视差(detector parallax)m(如图