PET成像系统闪烁体发展探析

PET成像系统闪烁体发展探析

王静

审协江苏中心光电部215000

摘要：本文以专利为基础，对PET成像系统中闪烁体材料的发展路径进行了探析，以期通过该探析为PET成像的发展提供参考。

关键词：PET成像；闪烁体

绪论：正电子发射断层扫描（PET）成像系统作为医疗器械领域的重要一份子，与生命体的健康息息相关，目前已成为临床诊断、新药开发等领域的重要研究手段，而在PET成像中，探测器单元的性能直接决定了PET系统的整体性能，因此，针对PET成像系统探测器的研究一直是该领域的研究重点之一，在PET成像系统中，闪烁体可以说是核心部件，其性能的提升对PET成像系统整体性能的改善起着至关重要的作用，因此，针对PET成像系统闪烁体的研究已经吸引了众多研究者的目光。因此，本文将从专利申请这一角度着重对闪烁体技术分支的发展进行分析与总结。

1闪烁体技术演进路线分析

PET成像技术是利用探测某种同位素衰变产生的正电子与生物体内的负电子发生湮灭而产生的一对γ射线，得到生物体内的核素分布信息来进行成像的。而闪烁体作为一种吸收高能粒子或射线后能够发光的材料，正是探测γ射线的有效工具。可以说，闪烁体的材料特性、体积、形状等直接影响到对γ射线的探测，并对探测器的性能具有重大影响。

在针对PET成像系统探测器的闪烁体研究中，闪烁体的光输出量、探测效率（射程或停止功率）以及衰减时间一直是研究者所关注的三个主要参数，可以说，这几个主要参数对于探测器的性能起着至关重要的作用，并且也是PET成像系统探测的闪烁体发展所遵循的一条主线。

图1所示为闪烁体材料的技术发展脉络。最早被用于PET成像探测器研究的是NaI（碘化钠）晶体，事实上，在用于PET成像系统探测器之前，NaI晶体已经被广泛用于闪烁相机，其具有良好的光输出量，以及随之而来的优异的能量分辨率。在专利领域，最早出现的将NaI应用于PET成像系统探测器是在1976年，它将单一的NaI晶体用于闪烁相机，但是，NaI晶体的探测效率低、易潮解，需要封装使用，因而急需发展新的具有更高探测效率的闪烁晶体用于PET成像系统的探测器。

1979年，蒙特利尔神经学协会提出了新型晶体材料BGO（锗酸铋），并将其应用于排列成环形阵列的探测器中，这一形状的探测器也是PET成像系统中应用较多的一种类型的探测器。相比于NaI，BGO不易潮解，具有更高的探测效率，其效率大约为NaI晶体的2.5倍，并且其相比NaI更加密集，但是，BGO晶体在光输出量和衰减时间上有所折损，要稍差于NaI晶体。

可见，NaI晶体和BGO晶体分别存在着不容忽视的短板，因而，如何在光输出量、探测效率以及衰减时间上取一个平衡，并且紧随成像领域的发展趋势，发展适应不同成像需求的闪烁体材料，成为了PET成像系统探测器的闪烁体研究中的重中之重。

1981年，法国的CEA实验室提出了用于PET探测器的新型闪烁体材料BaF2（氟化钡），该晶体价格低廉、不易潮解、易加工，并且其对过渡时间的敏感性大大提高。但是，它的光输出量仅为NaI晶体的5%，探测效率为BGO晶体的一半，在各方面性能的均衡性方面表现并不尽如人意。

1983年，GSO（掺铈硅酸钆）晶体被日本的株式会社日立有限公司提出，并被用于PET成像系统探测器的研究。相比于BGO晶体和NaI晶体的长衰减时间，GSO晶体的衰减时间大大降低，同时，相比于具有高时间分辨率的BaF2晶体，其光输出量又得到了大大的提升，因而，使用该晶体的探测器在时间分辨率和几何分辨率上的表现非常好，并在影响闪烁体性能的各个参数之间取了一个较好的平衡。除此之外，GSO晶体不易潮解。

随着闪烁晶体材料的不断发展，传统单一的闪烁晶体材料已经不能满足PET成像系统的需求，随之而来的，是叠层闪烁晶体的出现。1985年，美国的CLAYTONFOUNDRES采用了叠层闪烁晶体结构作为PET成像系统探测器的一个重要部件，其采用了三层结构的闪烁体晶体，使得探测系统的成像分辨率提高到理论上的极限值2-3mm，而探测器环的尺寸却不会比传统的探测器尺寸大，叠层闪烁晶体的出现充分利用了不同闪烁体材料的优势，因而具有优异的性能，但不可否认，叠层闪烁晶体探测器的制作相比单一晶体必然会更复杂，这也会成为其使用上的一个限制。

出于满足光输出量、探测效率以及衰减时间的平衡的考虑，越来越多性能更均衡的闪烁体材料被提出，并被用于PET成像系统探测器的研究，其中不乏一些性能十分优良的闪烁晶体材料。

1988年，美国的UNIVRESASSINC提出了一种改善的闪烁体材料CeF3，并声称相比于其他闪烁体材料，如NaI、BGO、BaF2等，该闪烁体材料能够在良好的射程、高的光输出量以及短的衰减时间之间提供一个平衡。

继CeF3晶体之后，1992年，C.L.Melcher等首次研制出了LSO（硅酸镥）晶体[1]，1993年，该晶体被F.Daghighian等评估用于PET成像系统[2]。LSO晶体在探测效率、光输出量和衰减时间上达到了一个优异的平衡，该平衡甚至优于先前有良好表现的GSO晶体。

时间跨越到21世纪，在这一时期，医疗成像的各个领域都得到了飞速的发展，3D成像也成为了越来越多成像技术的发展趋势，继已有的性能表现优异的LSO和GSO晶体在3D-PET成像中吸引了众多研究者的目光之后，一些新的适于3D-PET成像的闪烁体材料被提出并被投入使用。

为了满足日益发展的PET成像系统的需求，2002年，美国的宾夕法尼亚大学提出将镧卤化物，如LaBr3和LaCl3，用作新的闪烁体晶体材料，并将其用于PET成像系统的研究。镧卤化物晶体在光输出量方面的表现非常优异，特别是LaBr3，其光输出量可达160%，远高于作为金标准的NaI晶体，因而能够达到出色的能量分辨率；与此同时，其衰减时间相比NaI和BGO晶体又大大降低，甚至低于在这方面有优异表现的GSO和LSO晶体，得以进一步提升时间分辨率，从而在SNR和图像质量上提供了附加优势；另一方面，其探测效率稍有逊色，要低于GSO和LSO晶体。

同一时期，具有抢眼表现的另一闪烁体材料被提出，它就是EUROPORGANISATIONFORNUCLEAR提出的LuAP（掺铈钙钛矿铝镥）晶体材料。该晶体不易潮解，在衰减时间和探测效率方面具有优异表现，特别是衰减时间，相较LSO晶体和镧卤化物晶体都要短，因而具有卓越的时间分辨率，能够满足高时间分辨的成像的要求，值得一提的是它的探测效率可以比肩在这方面表现最为优异的BGO晶体；在光输出量方面，虽然略逊于LSO晶体，但其同时优于BGO晶体和GSO晶体。可以说，在均衡性方面，该晶体的表现还是很优异的。

结论:以上，针对PET成像系统探测器领域的几种主要的闪烁体材料的发展脉络进行了归纳总结，由上述闪烁体材料的发展脉络可以发现，PET成像系统探测器领域的闪烁体材料的发展主要是围绕着影响其性能的三个主要参数：探测效率、光输出量和衰减时间，并且在不同的时期，针对不同的成像系统的需求，闪烁体材料的性能有所偏重，但总体而言，其都往着一个较好的方向发展。

参考文献：

[1]C.L.Melcher,etal.,Cerium-dopedLutetiumOxyorthosilicate:AFast,EfficientNewScintillator,IEEETRANSACTIONSONNUCLEARSCIENCE,VOL.39,NO.4,pp:502-505,1992.