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六分钟了解核医学系列——闪烁体探测器之无机闪烁体

2021-07-26 09:57     来源: MI V CLUB     核医学PET/CT伽马射线
这一期我们来介绍一下SPECT和PET探测器共有的结构——无机闪烁体。

探测器结构

这是核医学影像设备典型的探测器结构,它有前端的晶体,中间的光电转换器以及后端的读出电子学组成。伽马光子到达探测器时,首先在晶体内完成能量转换,高能光子转换成低能可见光,然后经过光电转换器,光信号转换成电信号后传输给后端电子学系统进行信息检出。在这个过程中,晶体和光电转换器的性能可以说直接决定了探测器性能,所以这一期我们就来了解一下晶体以及如何评价晶体的性能。
 

晶体性能指标

核医学使用的通常是无机闪烁体,顾名思义,其主体主要是一些无机化合物,如NaI、BGO,LSO等。

晶体的作用是吸收伽马射线,并产生可见光,一般用以评价晶体性能的指标包括:原子序数和密度、光产额、发光衰减时间、发光波长、吸收厚度、潮解性等。

1. 原子序数和密度越大越好:晶体对伽马光子的吸收能力越强,光子越不容易穿透晶体,因此,探测器的探测效率会越高;

2. 光产额越高越好:光产额是指晶体将伽马光子转换成可见光的能力,光产额越高,探测器的能量分辨率和空间分辨都可以相应提高;

3. 发光衰减时间越短越好:即闪烁体被激发到产生闪烁光时的时间差,此数值越短,晶体的时间分辨越好,探测器可以在高计数率的情况下获得较高的探测效率;

4. 发射光谱应与光电转换器件的响应光谱相匹配,以获得较高的光输出;

5. γ光子吸收厚度是指使用多长的晶体可以完全吸收伽马光子,该数值越短越好,意味着我们可以使用较短的晶体就可以吸收伽马光子,获得较高的探测效率。
 

晶体性能对比

接下来我们分别来看一下这几种常见的晶体及其性能参数:

对比表1:核医学常用闪烁晶体性能对比

1. NaI晶体:NaI是单光子成像设备SPECT最常使用的晶体,其特点是光产额高,相应可获得较高的能量分辨率,对低能光子还可以获得较高的探测效率。但是其对511keV的高能光子阻止能力较差,探测效率低。另外,NaI晶体发光衰减时间较长,时间性能较差。

2. BGO晶体:BGO是早期正电子成像设备PET产品常用的晶体,相比NaI晶体,其特点是物理化学性能稳定,易于加工,价格低,且由于其原子序数和密度的提升,晶体对高能射线的阻止能力增加,晶体可以做的较短。但是BGO光产额较低,时间和能量分辨率都较差,目前已被淘汰。

3. GSO晶体:GSO虽然时间性能较好,但加工时容易裂解,制约了其应用。

4. LSO和LYSO晶体:这两种晶体是目前最新PET/CT产品使用的两种晶体,各项性能参数都较适合用于正电子湮灭光子的探测。相比之下,LSO有效原子序数和密度更高,因此对511keV γ光子的吸收厚度更小。如表格2所示,12.3mm的LSO与20mm的LYSO晶体对511keV能量的光子阻止能力是一样的,因此,LSO晶体可以做得更短,光路传输时间也就更短;同时LSO的光产额和发光衰减时间更好,所以能量和时间分辨率更优。因此,LSO相比LYSO可以获得更高的ToF性能。

对比表2:LSO与LYSO晶体性能对比

综合以上信息,可以看出,LSO仍是目前ToF-PET探测器最理想的晶体材料。

小 结

这次内容介绍了探测器基础结构的晶体。评价晶体性能的指标包括原子序数和密度、光产额、发光衰减时间、发光波长、吸收厚度、潮解性等。原子序数和密度越大,晶体吸收光子的能力越强;光产额越高,探测器的能量分辨率和空间分辨率越高;发光衰减时间越短,探测器的时间分辨率越好;光子吸收厚度越短,探测器的探测效率越高。

我们同样介绍并对比了几种常见的晶体及其参数,包括NaI、BGO、LSO和LYSO等等。其中NaI是SPECT最常用的晶体,LSO和LYSO是PET最常用的晶体,且LSO是目前TOF PET探测器最理想的材料。

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