全数字PET关键材料硅酸钇镥闪烁晶体研究进展

硅酸钇镥(LYSO)凭借其优异的综合性能,已成为正电子发射断层成像(PET)中最为主流的闪烁晶体材料。近年来,由多电压阈值(MVT)理论发展而来的全数字PET技术,实现了闪烁脉冲的源头数字化,提高了PET成像空间分辨率、系统灵敏度等关键指标,催生了质子治疗监测、正电子寿命谱等新应用。不同于传统的时间间隔采样方法,MVT是一种基于电压-时间的纵向采样技术,在时间很快的脉冲信号采样领域具有天然优势。因此,调控LYSO晶体的闪烁发光特性,以适应MVT采样方法,从而发掘其精准数字化的最大潜能,是全数字PET应用需求下LYSO闪烁晶体的一个新的发展方向。本文综述LYSO晶体的闪烁原理、性能调控和生长技术。梳理如何调制LYSO晶体光输出、衰减时间和均一性等关键性能,以适应全数字PET的采样特性。介绍本团队面向全数字PET需求,开发的快衰减、高均一LYSO晶体的研究进展。最后,结合LYSO研究现状和全数字PET探测器的新需求,展望LYSO闪烁晶体的未来发展方向。

新型硅酸钇镥晶体在重庆诞生,促进肿瘤诊断的医疗设备国产化

近日，从重庆市科委获悉，由中国电子科技集团公司第26所承担的重大科技攻关项目“高品质硅酸钇镥晶体的研发及产业化”日前正式通过验收。这种新型晶体的研制成功，将推动准确诊断肿瘤的关键核医学设备医用PET卡几（正电子发射计算机断层扫描设备）实现国产化。据了解，医用PET机能够尽早地发现癌症肿瘤细胞，增加患者早期治疗的几率，硅酸钇镥晶体则是医用PET机的核心器件。通过两年的开发研究，目前中国电子科技集团公司第26所已成为了国内唯一具有硅酸钇镥晶体产业化生产能力的单位。

闪烁晶体Ce∶LYSO的研究进展和发展方向

综述了掺铈硅酸钇镥(Ce∶LYSO)闪烁晶体的晶体结构、闪烁性能、闪烁机理与晶体生长的研究现状,分析了目前文献报道的晶体中存在的光输出和能量分辨率不均一等问题,提出了Ce∶LYSO闪烁晶体未来研究发展的几个方向,包括Ce、Lu和Y比例优化研究、光输出和能量分辨率等不均一性研究、晶体中氧缺陷的研究、开发火焰法生长工艺的研究。

小动物PET成像用LYSO闪烁晶体阵列研究

小动物正电子发射断层技术(PET)成像较人体PET成像,对空间分辨率和灵敏度提出了更高的要求,进而促进了小动物PET用闪烁阵列制备工艺的发展。硅酸钇镥(LYSO)晶体具有高密度,高有效原子系数,响应时间短等优点,是一种极具发展潜力的新型闪烁晶体材料。该文提出一种以LYSO闪烁晶体阵列的制作方法,采用提拉法实现大尺寸闪烁晶体LYSO的生长;运用化学机械抛光法对切割后晶条进行全局平坦化抛光处理;利用自制高精度夹具组装单根晶条至阵列形式,最终制作成可应用于小动物PET的LYSO闪烁晶体阵列。

影响LYSO∶Ce晶体余辉强度的几个主要因素

探究了LYSO∶Ce晶体的余辉现象,以及在不同曝光时间、光照强度下,余辉计数率随时间的变化规律。同时探究了温度对晶体余辉强度的影响,发现加热晶体可以快速缩短余辉持续时间,这一发现为日常的晶体检测和应用带来一定便利。

晶体表面特性对PET探测器性能的影响

正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)作为最灵敏和具有定量测量能力的功能分子影像技术,越来越广泛地应用于生物医学研究,如疾病的动物模型、新药物的研发和新治疗方法的评估等。提高探测器的性能是改进PET仪器性能的关键,PET探测器通常由分割的闪烁晶体阵列和光探测器组成,文中使用位置灵敏光电倍增管和不同晶体表面特性的硅酸钇镥((Lu,Y)2Si O5,LYSO)晶体阵列,对新型的双端读出三维PET探测器和传统的单端读出二维PET探测器的性能进行了测量。实验结果表明,对于双端读出PET探测器,两种晶体阵列提供相近的晶体分辨图和能量分辨率,但非抛光晶体阵列提供好的深度分辨率,双端读出PET探测器需要使用表面不抛光的晶体阵列;对单端读出PET探测器,抛光晶体阵列提供好的晶体分布图和能量分辨率,单端读出PET探测器需要使用表面抛光的晶体阵列。

基于LYSO正电子发射乳腺断层成像系统探测器的设计与评估

本文介绍了一种平板正电子发射乳腺断层成像系统的探测器设计与评估方法。该探测器的闪烁晶体材料为LYSO,晶体阵列包含22×74个晶条,晶条的中心间距为2 mm,晶体厚度为10 mm,探测器有效成像面积为44 mm×148.56 mm,晶体阵列被耦合在3个并排的H8500上。该探测器由两个平行相对的探头构成,两侧探头相距17.4 cm。其中一侧探测器晶体单元的能量分辨率为10.54%–19.84%,平均能量分辨率为13.34%。另一侧探测器晶体单元的能量分辨率为11.75%–33.72%,平均能量分辨率为14.17%。该探测器符合事件的时间分辨率为2.6 ns,有效符合事件计数率约为21×103s 1。探测器在长轴和短轴的图像空间分辨率分别为1.14 mm和1.20 mm。测试结果表明,该探测器与设计预期相符,为早期乳腺癌的检测提供了可能。

基于连续晶体PET探测器模块电子学设计

和传统的基于分割晶体PET探测器相比,基于连续晶体的PET探测器具有设计结构简单、能量分辨率高、探测器效率高以及低造价等优点,近年来得到广泛的研究。基于连续晶体PET探测器的最大难点是要用探测器获得闪烁光分布,进而通过作用点定位算法计算γ光子的作用位置。探测器模块电子学需要读出和获取闪烁光的分布,因而电子学变得相对复杂。论文针对自行建立的基于连续LYSO晶体和神经网络定位算法的PET探测器模块的信号读出和数据获取的要求,设计和实现了64通道数据读出和获取电子学系统。该系统采用8片8通道、50 Mbps、串行输出、12 bit ADC对每个通道进行数字化,从海量的核事例中遴选出有效的核事例,在FPGA内实现数据打包、定时符合、基线恢复等功能。经过测试,电路各通道噪声低,增益一致性好。整个电子学系统结构紧凑、性能优良,适合基于连续晶体PET探测器的相关实验研究和应用研究。

PET探测器波形积分法位置分辨性能测量

利用波形积分法进行信号采集,得出了PET探测器的2-D位置图,并使用分水岭算法计算了查找表。像素尺寸为2.0mm和1.6mm的10×10LYSO以及1.6mm的12×12晶体阵列探测器与光电倍增管直接耦合。基于1GHz采样频率的ADQ同步数据采集卡,采用波形积分法获得了最佳的PET探测器2-D位置图。实验显示,像索为2.0mm.1.6mm的10×10LYSO晶体以及1.6mm的12×12的PET探测器,单个晶体条的位置区分度分别达到0.28mm,0.20mm和0.19mmFWHM,平均峰谷比平均值分别为3.23.4.26和3.46。LYSO阵列晶体PET探测器模块可用于PET整机系统。

光子晶体对LYSO闪烁体光输出的影响

根据光子晶体(PhCs)提升闪烁体光输出的作用原理,向5μm厚硅酸钇镥(LYSO)闪烁体的光出射面引入4种不同结构的光子晶体,以提升闪烁体探测器的探测性能。4种PhCs构型分别为六边晶格空气孔型、正方晶格空气孔型、正方晶格圆柱型、正方晶格长方体型。结合Rsoft和MATLAB软件,通过对光子晶体周期、比例、高度三个参量的扫描,得到了每种类型光子晶体的最佳结构参数。模拟结果表明:在LYSO晶体发光中心波长为420 nm的条件下,每种优化后的光子晶体对LYSO的光输出都有一定程度的提升,且六边晶格空气孔型光子晶体对光输出的提升最大,高达17.1945%。

用于HL-2A装置的新型硬X射线探测器

介绍了一种应用于托卡马克等离子诊断领域的新型硬X射线探测器,该探测器主要由硅酸钇镥(Lutetium-yttrium Oxyorthosilicate,LYSO)闪烁体和硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,Si PM)组成。基于项目应用需求,对探测器的选型和基于粒子输运蒙特卡罗仿真软件GEANT4的探测器设计加以阐述,并搭建了前端的探测系统,在HL-2A托卡马克装置上进行了现场诊断实验。实现了硬X射线空间能谱和辐射强度分布的诊断测量。实验表明该探测器阵列具有10 ms的时间分辨率,同时具有结构紧凑、使用方便等特点,能够满足等离子体诊断中硬X射线动态能谱和强度分布测量的诊断需求。

乳腺影像学专用PET探测器模块设计

为进一步提升乳腺影像学专用PET系统的空间位置分辨率,基于LYSO晶体与位置灵敏光电倍增管耦合,设计了一种专用LYSO-PET探测器模块.探测模块由12×12根1.5 mmx1.5 mmx10 mm LYSO晶体条阵列与PS-PMT耦合组成,通过PXI 8501采集系统,获取入射粒子的2D泛场图像、能量信息及位置信息.该探测模块平均位置分辨率可达0.22 mm(本征)和0.55 mm(^(22)Na探测条件下);平均能量分辨率为22.4%(^(22)Na探测条件下).双探头PET系统FOV中心^(22N)a点源轴向空间分辨率可达1.13 mm.探测器模块已基本满足位置分辨率要求,为实现亚毫米乳腺影像学专用PET系统提供了硬件支持.