物理学设计

PET探头是由若干个探测器对应排列组成的一个环状探头，这种环状探头具有1×104个以上的探测小块（晶体小块）和2×107个以上的位置符合（符合线）。现代PET探头的结构形式是从单环到多环，从六边形到圆形不断改进而来的，至今PET探测器已发展到多晶体多环形结构。这种形式不仅结构发生了变化，其选材也有了很大的改进。探头由多个锗酸铋（BGO）晶体组成环状。PET这种环状探头一般都有 1×104个以上的晶体探测单元和 2×107个以上的位置符合线。BGO探测效率高，又能有效地抑制散射，因而大大提高了灵敏度。其符合时间仅6ns，符合窗是12ns，最大的计数率可在不到1s的时间内完成多个断层图像的采集。如GE公司的Discovery LS PET/CT扫描仪，其拥有12 096个单独的环状晶体，晶体排列在18个环形位点上，每环672个环状晶体，每个晶体在15.3cm的视野轴上提供了35个分割区，锗酸铋晶体横断面4mm，轴向面8mm，半径30mm。

每个探测器都有晶体、光电倍增管和电子学线路连接，将这些组件组合在一个由合金材料制成的密闭暗盒内。正电子湮没辐射产生的γ光子被晶体吸收后发射可见光（称为闪烁事件），光电倍增管将可见光打进光阴极后产生一个小的阳极电流（脉冲信号）送到前置电子线路。

现代PET探头都是采用多环、多晶体、多区域设计的环形探测器，每个区域探测器称为模块探测器。其最大的结构特点就是探测器采用模块组合结构，也就是将每块晶体刻成若干个小矩阵晶体，将这些分割后的晶体与少量的光电倍增管和特定的电子学线路组成区域探测单元，通常称为block，多个block组成环状探头。PET常用的结构组态为4×36组合，即4个光电倍增管与一个大晶体块组合，大晶体块以一定深度的窄缝进行6×6矩阵切割，切割后的 36个小晶体便于对闪烁事件的精确定位。固定的环形探测器是围绕患者一周排列的，因而PET可以保证相对应的各探测器接收发生在环形平面内的正电子发射事件，而发生在环形平面以外的射线是不能被接收到。因此，厂家做了许多个环，这样不仅缩短了检查时间，提高了探测效率，更主要的是提高了灵敏度和分辨率。PET探测器的多少决定了PET轴向视野的大小和断层面的多少。

轴向断层数=（环数×2）- 1

PET的轴向视野是指与探测器环平面垂直的PET长轴范围内可探测真符合事件的最大长度。探测器环越多，探头的轴向视野就越大，一次扫描可获得的断层面也越多（表2-1）。

表2-1　GE公司Advance NXi PET探测器装置相关参数

小型探测器单元是系统高速计数、低噪声处理功能的关键部分。56个独立的探测盒可为用户提供方便、快速的服务。

（一）多晶体组合探头

PET使用的晶体要求透明，发光效率高，且其发射光谱与光电倍增管的光谱响应要有良好的匹配，表2-2是PET选用的晶体的性能指标。

表2-2　PET选用的晶体性能比较

锗酸铋（BGO）晶体是一种新型的无机闪烁体，它的主要特点是含有高原子序数元素Bi，晶体密度高，对γ射线有很高的光电效应截面，能有效地阻止和转换高能的γ光子，它的转换速度比较快，能够很快处理入射的γ光子，从而大大提高探测效率；它是目前探测γ射线效率最高的闪烁晶体；此外，这种晶体不易潮解，透明度好，余晖小，机械加工性能良好。目前应用于临床的大多数BGO是多环多晶体结构（图2-5），这种结构的优点在于使用少量的探测器即可得到较多的环数、较大断层厚度和较高的空间分辨率，同时还可以降低制造成本。但锗酸铋晶体也有其不足之处，即其光衰减时间长和光输出小。为满足高能物理实验的需求，很多新的性能良好的闪烁体正在开发研制中，如LSO、YAP、GSO等，这些闪烁体也非常适用于PET的设计。

图2-5　多环多晶体探测器

（二）光电倍增管

PMT是一种应用非常广泛的光电转换器件。它的作用是把晶体受γ射线照射后产生的闪烁光按比例转换并放大成电信号，其放大倍数高达106～109倍，因此，即使是十分微弱的光也能测定。它主要由光阴极、电子聚焦系统、多级倍增级和阳极组成。整个系统封闭在抽成真空的玻璃壳内。光阴极是将一些光敏材料喷在管子端窗内侧制成的。光阴极的作用是将闪烁体发射的光子通过光电效应转换成低能光电子。倍增极是将光敏材料蒸涂在镍片上制成的。倍增极上有多个倍增极数，每个倍增极上加有依次递增的电压。由光阴极发射的电子，经电子聚焦系统聚焦和加速，到达第一级倍增极。通过第二次电子发射产生更多的电子，再往前逐级倍增，以获得足够的电子。对于倍增级的要求是，二次发射系数要大，将倍增的二次电子有效地送到下一级。阳极通常是由镍、钼等材料制成。它的作用是收集倍增后的电子并通过电路形成电脉冲信号，此信号再由电子仪器加以记录和分析。

光电倍增管的性能取决于光阴极材料的光谱响应、光电转换效率、放大倍数和噪音脉冲等参数，并与光电倍增管的制造工艺和使用时间有关。各种光电倍增管的性能参数彼此应当一致，工作电压要稳，防止输出脉冲幅度漂移，否则将对整机的均匀性、分辨率和线性程度等造成严重的影响。

近年来，一些较新的光电转换器件已研制成功，如位置灵敏光电倍增管（PS-PMT）、PIN光电二极管（SPD）、雪崩型光电二极管（APD）、可见光子计数器（VLPC）、金属通道倍增极PMT及混合型光电二极管（HPD）等。位置灵敏光电倍增管的应用，使晶体和光电倍增管的光耦合越来越容易，其探测位置无需通过光分布的计算来确定，且晶体无需被切割成不同深度，从而更能提高PET的分辨率和灵敏度。

（三）电子学系统

在PET采集数据过程中，正电子由于湮灭作用产生一对能量为511keV互成180°的γ光子，并同时击中探测环对称位置上的两个探测器，每个探测器接收到γ光子后产生一个电脉冲信号经前置电子线路进行若干处理再输入符合线路进行符合甄别。电子学系统由前置电子线路和符合甄别线路两部分组成。

前置电子线路紧接PMT并与探测器构成一体，它主要是将电脉冲信号继续放大、定位、甄别和传送，提高系统的信噪比和减少信号传送时外界的干扰影响。高分辨率的PET里用了很多前置电子学（通道数可到几万）通道，因而它不但是决定造价的重要因素，也是影响性能指标及可靠性的关键因素，所以在PET设计中，电子学也受到相当的重视，也得到了相应的发展，其发展趋势是单片化和数字化。

符合线路用于探测同时发生的闪烁事件。符合线路接受前置电路传送的个体γ事件，并确定它是否属于符合状态，实际上就是在符合线路的控制下，利用探测器探测互成180°的两条511keV的γ射线，来反向寻找正电子湮没的位置。一个符合事件具有一条反应线（或称为响应线），代表了两个探测事件。在众多的正电子发生湮没辐射时，一对γ光子基本会同时被对应的探测器所接收，其时间差极小（＜10-8s），探测到γ光子的两个晶体之间连线上必有一点是衰变的发生处，通过符合线路选择记录该处同一时间的两个γ事件信号，其连线称为符合线，代表正电子湮没辐射时的一维空间位置，此过程称为符合。多条符合线可用于判定湮没事件的二维空间，用于重建图像。采用符合探测的方法能够探测到随位置变化的符合计数，这些主要由PET专门的符合线路来完成。

在PET探测中有三种物理符合形式，第一种是真符合，这是我们需要的原始数据。第二种是随机符合，第三种是散射符合。符合线路从理论上讲是探测同时发生的两个闪烁光子，但实际上两个探测器的触发总有一定的时间差，这个时间差称为符合线路的分辨时间。在分辨时间内进入两个探测器的不同位置的γ光子也会被记录下来。这种不是由湮灭作用产生的符合，称为随机符合。γ光子在飞行过程中还会产生康普顿散射，γ光子与吸收物质的一个电子作用，在改变电子动能的同时，还可以使γ光子改变飞行方向，这样就有可能与其他飞行的γ光子同时进入两个相对的探测器，并发生符合探测。这种符合称为散射符合。随机符合和散射符合计数都与噪声一样，会降低图像分辨率和对比度，影响图像质量。减少随机符合的方法很多，最常用的方法是降低计数率和图像相减技术及一些特殊的数学演算方法，把随机符合扣除。对于散射符合计数，PET采用分隔探测器块设计和铅栅屏蔽及校正软件等来消除散射符合。

（四）电子准直

利用湮灭辐射的特点和两个相对探测器的符合来确定闪烁事件位置和时间的方法称电子准直。电子准直是PET的一大特点，它省去了沉重的铅制准直器，改进了点响应函数的灵敏度和均匀性，不再因使用准直器而损失很大部分探测效率，避免了准直器对分辨率和均匀性不利的影响。电子准直利用了一部分被准直器挡住的γ光子，极大地提高了探测灵敏度。就2D采集模式而言，PET的灵敏度比SPECT高10倍以上，使用铅准直器的SPECT系统分辨率为8～16mm，而电子准直的PET系统分辨率为3～8m。