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闪烁晶体肖鹏PET仪器开发及多模医学成像实验室华中科技大学生命学院PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUSTPET系统信号流程闪烁晶体作为探测器系统的最前端，整个ＰＥＴ系统的能量信息、时间信息、位置信息均是通过闪烁晶体提供的信号提取出来的。探测器的结构与性能直接决定了机器的性能。闪烁晶体探测器能量信息时间信息位置信息符合判断电路符合事件图象重建gamma光子PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体探测器结构闪烁晶体光导光电转换器件高能粒子可见光可见光光电子放大电信号PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体体探测器特点：1、能够探测多种粒子2、结构紧凑方便加工与使用3、探测效率高4、响应时间短PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁体分类按化学成分分类：—有机闪烁体—无机闪烁体按物理形态分类：—固体闪烁体—液体闪烁体—气体闪烁体PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST无机闪烁晶体无机闪烁晶体的特点是密度大，含有高原子序数的元素，因此无论是对带电粒子，还是γ射线，都有很高的探测器效率，有较好的能量分辨率。目前，PET探测器中几乎全部采用无机闪烁晶体。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST伽玛射线与闪烁晶体的相互作用伽玛光子与闪烁晶体的相互作用主要有光电效应、康普顿效应、瑞利散射和电子对效应。当伽玛光子穿过闪烁晶体时，通过与闪烁晶体原子发生光电效应、康普顿效应、瑞利散射和电子对效应损失能量；伽玛射线一旦与闪烁晶体原子发生这四种相互作用，或原来能量为hv的光子就消失，或散射后能量改变，或偏离原来的入射方向。伽玛射线穿过物质时，强度逐渐减弱，按指数规律衰减，不与物质发生相互作用的光子穿过吸收层，其能量保持不变，因而没有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”来表示伽玛射线对物质的穿透情况。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST伽玛射线与闪烁晶体的相互作用1、光电效应闪烁晶体在低能射线照射时以光电效应为主。一个光子把它所有的能量给予一个束缚电子；电子用其能量的一部分来克服原子对它的束缚，其余的能量则作为动能。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST伽玛射线与闪烁晶体的相互作用2、康普顿效应当伽玛光子的能量大大超过电子的结合能时，光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子的部分能量转移给电子，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化，即康普顿效应。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST伽玛射线与闪烁晶体的相互作用3、瑞利散射除了康普顿散射外，伽玛光子可以被原子或单个电子散射到另一方向，其能量不损失只是方向改变，即瑞利散射。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST伽玛射线与闪烁晶体的相互作用4、电子对效应若入射光子的能量超过1.02MeV，则电子对的生成成为可能。在带电粒子的库仑场中，产生的电子对总动能等于光子能量减去这两个电子的静止质量能(2mc2=1.022MeV)。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体的发光机制无机闪烁体有不掺杂质的纯晶体，如七十年代中后期新开发的锗酸铋(BGO)单晶体，也有含有少量杂质(称为“激活剂”)的无机盐晶体，例如以铊为激活剂的碘化钠NaI(Tl)单晶体和碘化铯CsI(Tl)单晶体，以铈为激活剂的掺铈硅酸镥LSO(Ce)等。当射线进入闪烁体时，既可产生自由电子对(空穴对)，也可以产生激子。而后电子从导带或激带跃迁到价带，退激过程中放出光子，不过放出的光子容易被闪烁晶体自吸收。不掺杂质的纯晶体主要以这种方式产生可见光。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST对于掺杂晶体，内部的杂质和晶格缺陷在禁带中产生一些孤立能级，起俘获中心的作用。当入射粒子通过闪烁晶体后，产生激子、电子和空穴，它们都能够自由地经过晶格运动，直至被俘获中心俘获，这时俘获中心的电子从基态到达激发态。之后俘获中心受激电子跃回基态而发射光子，选择合适的激活剂，就可以使辐射光子在可见光范围。闪烁晶体的发光机制由杂质和缺陷形成的俘获中心，退激时发出的光子，不仅其能量小于禁带宽度，不会被闪烁晶体自吸收，而且光谱在可见光范围，便于使用。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体基本特性发光效率（光输出量）表征闪烁晶体将吸收的粒子能量转化为光的本领。定义光输出量S是在一次闪烁过程中产生的光子数目R和带电粒子在闪烁晶体内损失的能量之比：（光子数/MeV）RSEPET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体基本特性能量响应和能量分辨率能量响应一般以闪烁晶体的光输出与入射粒子在闪烁晶体内能量损耗之间的对应关系来表征。闪烁晶体的能量分辨率主要受以下因素影响：1.闪烁晶体的发光效率2.光子传输效率3.能量响应的非线性响应PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体基本特性发射光谱闪烁晶体发射的光一般不是单色光，有多种波长，不同波长的光子数目也不一样。闪烁晶体发射的光子数随波长的分布称作闪烁晶体的发射光谱。不同的闪烁晶体其光谱特性不同。使用闪烁晶体时了解它的发射光谱对于选取与之匹配的光电倍增管十分必要。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体基本特性发光衰减时间发光衰减时间定义为光子数从最大值衰减到1/e所需要的时间。在PET系统中，其能够直接影响系统的时间分辨率，并帮助获取DOI信息。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体基本特性光衰减长度表示光子数在闪烁晶体传输过程中衰减到初始值1/e时所通过的长度。其值越大说明闪烁晶体光学透明度越好。包含本征衰减长度和技术衰减长度。前者只取决于闪烁晶体的内部特征（如成分、结构），反映了闪烁晶体内部的光学特性。后者既与闪烁晶体内部特性有关，又与闪烁晶体的形状、厚度、表面光反射情况等外部技术条件有关。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体基本特性温度效应闪烁晶体的性能如发光效率、发光衰减时间、光衰减长度等都与温度有关系。闪烁晶体性能随温度的变化称为温度效应。要求温度效应越小越好。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体基本特性探测效率探测效率是粒子在闪烁晶体内产生可测量的脉冲信号数与入射粒子数之比。PET系统的探测效率除了与闪烁晶体特性（材料的原子序数、密度、发光强度）、几何形状、光的收集情况外，还与光电倍增管的特性、工作电压以及电子学线路的阈值等有关。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST闪烁晶体基本特性辐射效应闪烁晶体在辐照环境中随辐照剂量的累积，光输出会减小。要求辐射效应越小越好。PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见的无机闪烁晶体碘化钠（NaI）晶体—密度小（3.67g/cm3），对γ射线和X射线阻止本领较差—能量转化效率高，光输出量大，一般里面掺杂了0.1%-0.5%的Tl，进一步提高其光输出量—发射波长为415nm，与光电倍增管匹配好—发射光的衰减时间短，约为230ns—容易潮解，不易进行加工和保存PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见的无机闪烁晶体锗酸铋（Bi4Ge3O2，BGO）晶体—密度大（7.13g/cm3），且有效原子序数高（76），是对γ射线和X射线阻止本领最强的闪烁晶体—光输出量低，只有NaI晶体的20%—发射波长为510ns，与光电倍增管匹配较差—发射光的衰减时间长，为300ns—不潮解，易进行加工和保存，但其性能受温度影响较大—目前很多商用机器采用该晶体PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见的无机闪烁晶体硅酸镥（LSO）晶体—密度大（7.40g/cm3），有效原子序数高（65），对γ射线和X射线阻止本领强。—能量转化效率高，光输出量大，约为NaI晶体的75%—发射波长为420ns，与光电倍增管匹配好—发射光的衰减时间短，为40ns—不易潮解，易进行加工和保存—晶体本身含有176Lu，具有天然放射性，且价格昂贵—目前西门子公司的PET系统都采用LSO晶体PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见的无机闪烁晶体氟化钡(BaF2)晶体—密度小（4.89g/cm3），且有效原子序数高（53），对γ射线和X射线阻止本领低—光输出量低，只有NaI晶体的25%—发射波长为310ns，与光电倍增管匹配较差—发射光的衰减时间很短，为8ns—不易潮解，易进行加工和保存—目前主要应用于CT成像PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见的无机闪烁晶体晶体名称NaIBGOLSOBaF2GSOLuAPYAP发现年份194819701990198319941980密度(g/cm3)3.677.137.44.896.718.345.55有效原子序数(Z)51766553596432光输出量（photons/MeV）377008200300009950100001200015000衰减时间常数(ns)230300408601727发射波长(nm)415505420310430365350折射率1.852.151.821.491.851.941.97潮解是否否否否否否PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见闪烁体探测器结构晶体完全切割结构完全切割的晶体阵列位置敏感性光电转换器件PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见闪烁体探测器结构完全切割工作原理γ光子在一个晶体条中沉积能量产生可见光，可见光在该晶体条内传播到达光电探测器表面，光电探测器会因为可见光光子到达的位置不同产生不同幅值的脉冲，通过对脉冲的处理就可以知道γ光子沉积能量的晶体条。晶体位置辨认图PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见闪烁体探测器结构完全切割优缺点１、工作电路简单，位置分辨能力强２、不能提供ＤＯＩ信息，会产生视觉误差给图象重建带来一定的影响３、包装分数低，探测效率相对较低４、空间分辨率受晶体条的尺寸限制PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见闪烁体探测器结构不完全切割结构２＊２个光电转换器件不完全切割的晶体阵列PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见闪烁体探测器结构不完全切割工作原理γ光子在一个晶体条中沉积能量产生可见光，可见光在该晶体条内传播到未切割部分后光子发生扩散，光电探测器会因为距离发生能量沉积的晶体条的位置不同而接受到不同数量的可见光光子并产生响应的响应脉冲。通过处理响应脉冲就可以知道γ光子沉积能量的晶体条。晶体位置辨认图PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见闪烁体探测器结构不完全切割优缺点１、工作电路简单、不需要位置敏感型的光电转换器件２、位置分辨能力较差３、不能提供ＤＯＩ信息，会产生视觉误差给图象重建带来一定的影响４、空间分辨率受晶体条的尺寸限制５、包装分数低，探测效率相对较低PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见闪烁体探测器结构连续晶体结构连续晶体连续晶体位置敏感性光电转换器件光电转换阵列PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见闪烁体探测器结构连续晶体工作原理以采用光电转换阵列结构的探测器为例，γ光子在晶体中沉积能量产生可见光光子，可见光光子将会以能量沉积点为中心一均匀的概率向四周发射，那么底面的光电探测器件接受到的光子数与该器件相对于能量沉积点的立体角成正相关关系。根据这一关系，采用合适的位置算法就可以利用光电器件接受到的光子数反算出γ光子的能量沉积点。典型的光子分布图PET仪器开发与多模医学成像实验室PETLab@HUST常见闪烁体探测器结构连续晶体优缺点１、算法复杂２、通过特定的算法可以提供ＤＯＩ信息３、包装分数高，探测效率高