TOF－PET探測(cè)器定時(shí)性能初步研究

劉軍輝，李道武，章志明，廖燕飛，黃先超，王培林，陳 研，贠明凱，豐寶桐，帥 磊，王寶義，張?zhí)毂?，?龍，＊

（1.中國科學(xué)院 高能物理研究所 核分析技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；2.北京市射線成像技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100049；3.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100049）

基于飛行時(shí)間（TOF）技術(shù)的正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET），相對(duì)于傳統(tǒng)PET，能顯著改善圖像質(zhì)量，被認(rèn)為是新一代PET的發(fā)展方向之一［1］。作為PET的關(guān)鍵部件，用于TOFPET的探測(cè)器成為研究熱點(diǎn)。Moses等［2］研究了LSO晶體長(zhǎng)度及晶體表面處理工藝與TOF－PET的時(shí)間分辨的關(guān)系，得到4mm×4mm×30mm的LSO晶體條對(duì)511keV的γ射線符合時(shí)間分辨為475ps；Szczesniak等［3］研究了LSO晶體配合XP20D0光電倍增管（PMT）用于 TOF－PET的可行性；Moriya等［4］研究了位置靈敏型光電倍增管（PS－PMT）Hamamatsu R8400－00－M64 耦 合 2.9mm×2.9mm×20mm LYSO晶體陣列用于 TOFPET的可行性，配合1個(gè)BaF2探測(cè)器得到平均505ps的符合時(shí)間分辨率；Chang［5］使用尺寸為4.2mm×4.2mm×30mm的LYSO晶體條組成陣列，耦合Hamamatsu H8500光電倍增管，組成TOF－PET探測(cè)器，得到485ps的符合時(shí)間分辨率。以上研究結(jié)果表明，采用快速光電倍增管或位置靈敏型光電倍增管耦合LYSO晶體來設(shè)計(jì)探測(cè)器，有望在TOF－PET中得到應(yīng)用。

本工作采用H8500C－M64位置靈敏型光電倍增管，耦合不同尺寸的LYSO晶體條，測(cè)試在不同條件下的時(shí)間分辨能力、探測(cè)效率等參數(shù)，為TOF－PET探測(cè)器的研制提供參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。H8500光電倍增管的陽極信號(hào)經(jīng)DPC電路［6］引出，經(jīng)自制放大電路放大成形后作為能譜和位置信號(hào)。用于定時(shí)的信號(hào)由最后1級(jí)打拿極（DY12）引出，經(jīng)倒向后傳輸給ORTEC 935恒比定時(shí)甄別器，其輸出定時(shí)信號(hào)經(jīng)延遲后傳輸給ORTEC 566時(shí)幅轉(zhuǎn)換器作為停止道信號(hào)。BaF2探測(cè)器陽極信號(hào)經(jīng)ORTEC 583恒比定時(shí)甄別器進(jìn)行時(shí)間甄別后，傳輸給OTEC 566時(shí)幅轉(zhuǎn)換器作為起始道信號(hào)。時(shí)幅轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)傳輸給多通道ADC進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。此外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)γ射線的能量選擇，將BaF2探測(cè)器的打拿極信號(hào)經(jīng)ORTEC 572放大器放大成形后輸出給單道分析器ORTEC 552，由ORTEC 552選擇適當(dāng)閾值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)511keV的能峰甄別，其輸出信號(hào)作為門信號(hào)選通時(shí)幅轉(zhuǎn)換器和多通道ADC。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 H8500渡越時(shí)間離散測(cè)量

圖1 BaF2－LYSO符合系統(tǒng)Fig.1 BaF2－LYSO coincidence system

因光電倍增管不同位置的信號(hào)到達(dá)信號(hào)引出端的路程不同，信號(hào)到達(dá)時(shí)間也存在差異，本工作對(duì)此差異進(jìn)行了測(cè)量。如圖2所示，在H8500的4個(gè)位置（圖中①、②、③、④）放置同一條LYSO晶體，晶體尺寸為2mm×2mm×10mm，晶體條包鋁箔作為反射層，用硅油耦合于光電倍增管，從最后1個(gè)打拿極（DY12）引出信號(hào)作恒比定時(shí)，DY12的引腳位置與位置②靠得較近。用LYSO探測(cè)器與另一BaF2－XP2020Q探測(cè)器組成快慢符合系統(tǒng)，測(cè)量22Na放射源產(chǎn)生的正電子湮沒射線。固定22Na源與BaF2探測(cè)器及H8500光電倍增管入射窗的距離，每次測(cè)量時(shí)平移H8500探測(cè)器，使所測(cè)位置的晶體條與放射源、BaF2探測(cè)器中心成直線擺放。根據(jù)上述方法測(cè)量正電子湮沒瞬發(fā)時(shí)間譜，比較①、③、④3個(gè)位置的正電子湮沒時(shí)間譜峰位與位置②的正電子湮沒時(shí)間譜峰位的差值，認(rèn)為該差值代表了不同位置的信號(hào)傳輸至DY12時(shí)，在到達(dá)時(shí)間上相對(duì)于位置②的差異，表1列出了測(cè)量結(jié)果。

圖2 H8500光陰極LYSO晶體條位置示意圖Fig.2 Sketch map of position of crystal on H8500PMT

表1 測(cè)得各位置信號(hào)到達(dá)DY12引腳的時(shí)間差Table 1 Measured time difference for signal transmitting from different positions of photocathode to DY12

2.2 時(shí)間分辨率測(cè)量

選擇橫截面尺寸為3.2mm×3.2mm，高度分別為5、10、15、20和25mm 的 LYSO晶體，四周及頂端使用Teflon膜包裹作為光反射層，立于H8500光電倍增管中心位置，晶體條與光電倍增管使用硅油耦合，組成簡(jiǎn)單的探測(cè)器，與另一BaF2探測(cè)器分別作為時(shí)間譜儀的停止道和起始道探測(cè)器，測(cè)量其時(shí)間分辨率。圖3示出了5mm高度的LYSO晶體與BaF2探測(cè)器對(duì)正電子湮沒射線的符合時(shí)間譜，表2列出了不同高度的LYSO晶體與BaF2探測(cè)器符合時(shí)間分辨率。

圖3 5mm高度LYSO晶體與BaF2探測(cè)器對(duì)511keVγ射線的符合時(shí)間譜Fig.3 Coincidence time resolution for LYSO crystal of 5mm height and BaF2detector forγrays of 511keV

選用上述不同尺寸的晶體，分別組成5×4的陣列，經(jīng)硅油耦合于PMT中心位置，通過上述方法測(cè)量該陣列中間1條晶體的時(shí)間分辨，結(jié)果列于表3。

2.3 探測(cè)效率測(cè)量

對(duì)上述不同高度的LYSO晶體陣列，測(cè)量了其對(duì)511keVγ射線的全能峰的相對(duì)探測(cè)效率；測(cè)量中保持晶體上端面與放射源22Na距離為5cm，并固定BaF2探測(cè)器與放射源的距離。使用單道分析器ORTEC 552選擇γ射線的能量（511keV峰位），從而盡量減少22Na放射源的1.28MeV的γ射線的影響，認(rèn)為所測(cè)得的LYSO探測(cè)器能譜的511keV峰位計(jì)數(shù)率代表了其對(duì)正電子湮沒γ射線全能峰的相對(duì)探測(cè)效率。對(duì)探測(cè)效率進(jìn)行了歸一化處理，對(duì)15和20mm高度的晶體條的雙探測(cè)器符合時(shí)間分辨率結(jié)果采用了線性內(nèi)插值的方法，表4列出了測(cè)量結(jié)果。

表2 單條LYSO晶體立于H8500中心位置與BaF2探測(cè)器的符合時(shí)間分辨率Table 2 Coincidence time resolution for single LYSO crystal on center of H8500PMT and BaF2detector

表3 5×4LYSO晶體陣列中間1條晶體與BaF2探測(cè)器的符合時(shí)間分辨率Table 3 Coincidence time resolution for center LYSO crystal in 5×4LYSO array and BaF2detector

表4 不同高度的5×4LYSO晶體陣列的相對(duì)探測(cè)效率及符合時(shí)間分辨率測(cè)量結(jié)果Table 4 Detection efficiency and coincidence time resolution of 5×4LYSO crystal array of different heights

從表4可看出，雖然5mm高度時(shí)，探測(cè)器的符合時(shí)間分辨率為297ps，遠(yuǎn)好于25mm時(shí)的486ps，但效率卻僅為后者的7%；綜合考慮時(shí)間分辨率和探測(cè)效率的情況下，25mm高度的晶體更為實(shí)用。

3 數(shù)據(jù)分析及討論

由表1可看出，H8500光陰極的不同位置的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞到DY12引腳的時(shí)間是有差異的（這里以信號(hào)到達(dá)DY12的時(shí)間為準(zhǔn)，因在整套實(shí)驗(yàn)中，是從DY12提取時(shí)間信號(hào)作為定時(shí)的），①、④兩個(gè)位置與位置②的時(shí)間差相當(dāng)，約為300ps，而位置③與位置①、④的時(shí)間差也約為300ps，這反映了H8500多通道PMT的渡越時(shí)間離散情況，與產(chǎn)品說明書上給出的渡越時(shí)間離散為400ps基本符合，而渡越時(shí)間離散可能是影響其時(shí)間分辨的主要因素。

將表3、4中的測(cè)量結(jié)果繪成晶體高度與時(shí)間分辨率的關(guān)系圖（圖4），可見隨晶體高度的增加，探測(cè)器的時(shí)間分辨率呈變差趨勢(shì)；而在相同高度下（5mm除外），陣列中的中間1條晶體的時(shí)間分辨率明顯差于獨(dú)立的單條晶體，這可能是因?yàn)樵陉嚵星闆r下，有的射線擊中該陣列中心的晶體條后發(fā)生散射，散射后的射線被周圍晶體條吸收，該事例仍屬全能峰，成為有效事例，而在這種情況下，γ射線在多條晶體上激發(fā)閃爍光，相對(duì)于γ射線能量完全沉積在1條晶體條的情況，閃爍光子的收集較為離散，由于H8500光陰極不同位置的信號(hào)傳遞到DY12引腳的時(shí)間有離散，導(dǎo)致時(shí)間分辨率變差；對(duì)于5mm高度的情況，由于晶體條本身很短，在中心條晶體發(fā)生散射的射線逃出晶體陣列的可能性較大，因此與獨(dú)立的單條晶體的情況較為接近，時(shí)間分辨率也較為接近。

圖4 不同高度晶體的符合時(shí)間分辨率Fig.4 Coincidence time resolution of LYSO with different heights

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