液氙探測(cè)技術(shù)在醫(yī)學(xué)成像上的研究進(jìn)展

呂子祎，董建榮，何培忠

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

研究人員很早就認(rèn)識(shí)到將液氙作為粒子探測(cè)的優(yōu)勢(shì)。歷史上，液氙用于粒子探測(cè)的優(yōu)勢(shì)是Alvarez在1969年首次認(rèn)識(shí)到的[1]。隨著B(niǎo)erkeley研究組第一臺(tái)液氙電離探測(cè)器的研發(fā)，俄羅斯和日本的獨(dú)立團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來(lái)研究液氙放射性探測(cè)的基本性質(zhì)。從Dolgoshein[2]、Doke[3]等的開(kāi)創(chuàng)性工作和康普頓望遠(yuǎn)鏡大體積液氙時(shí)間投影室的首次開(kāi)發(fā)[4]，到如今液氙成為暗物質(zhì)直接探測(cè)的主要技術(shù)之一，我們可以看到液氙探測(cè)器在不同領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。與其他探測(cè)器介質(zhì)相比，液態(tài)稀有氣體具有電離電子和閃爍光子對(duì)放射響應(yīng)的獨(dú)特特性。使用兩種高探測(cè)效率信號(hào)的探測(cè)器在測(cè)量放射特性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，以液氙為閃爍體的178 nm波長(zhǎng)閃爍光子高效率光電探測(cè)器的研制取得了很大進(jìn)展。同時(shí)，具有足夠的液化和維持液體溫度能力的低溫冷卻器的研制，使探測(cè)器的運(yùn)行更加可靠。

2 液氙基本性質(zhì)

氙氣是一種惰性氣體，在空氣中含量少于0.1 ppm，可以通過(guò)空氣分離和進(jìn)一步低溫蒸餾技術(shù)制備高純氙氣(99.999%)。高純氙氣通過(guò)制冷機(jī)或液氮制冷的方式冷卻到-100℃，形成密度約為3 g/cm3的液氙(LXe)[5]。外部入射粒子與氙原子核或者外層電子發(fā)生散射，散射粒子獲得一部分動(dòng)能，產(chǎn)生反沖，這些額外能量會(huì)以閃爍光子和電離電子的形式釋放出來(lái)，在液氙中產(chǎn)生閃光和電離信號(hào)。在所有惰性氣體中，氙具有最高的電離產(chǎn)額和閃爍光產(chǎn)額，意味著其內(nèi)部沉積的額外能量能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的可供探測(cè)的閃光和電離信號(hào)。除了半衰期長(zhǎng)達(dá)1 021年的氙136同位素外，氙沒(méi)有其他長(zhǎng)壽命的放射性同位素，所以純氙本身具有較低的本底，同時(shí)氙在常溫下是氣體，提純相對(duì)簡(jiǎn)單。然后，液氙的高原子序數(shù)(54)和高密度(3 g/cm3)使其具有非常有效的阻止穿透性輻射，與NaI(Tl)等晶體閃爍體或Ge等半導(dǎo)體相比，液氙提供了很好的屏蔽作用，這是其他閃爍體不易實(shí)現(xiàn)的。液氙作為閃爍體的特性總結(jié)見(jiàn)表1，與常用晶體LSO和BGO相比，具有很好的優(yōu)越性[6]。作為一種優(yōu)異的探測(cè)介質(zhì), 液態(tài)氙的閃爍率高、閃爍衰減時(shí)間快，更適合應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)，并且液態(tài)氙的價(jià)格比目前的晶體都便宜，具有很大的優(yōu)勢(shì)。

表1液態(tài)氙作為閃爍體的性能與常用的PET閃爍體相比(液態(tài)氙中的光子數(shù)是在2kv/cm的電場(chǎng)中給出的)

Table1Compare the properties of liquid Xenon as a scintillator to commonly scintillators used for PET(The number of photos in liquid Xenon is given at an electric field of2kv/cm)

參數(shù)BGOLSOLXe511 kev時(shí)的衰減長(zhǎng)(mm)111236光電比(%)423322#511 kev下產(chǎn)生的光子數(shù)3 30016 40012 000衰減時(shí)間常數(shù)(ns)300402(97%),27(2%)峰值波長(zhǎng)(nm)480420178

3 正電子發(fā)射斷層成像

正電子發(fā)射斷層成像(PET)是一種先進(jìn)的診斷成像技術(shù)。PET系統(tǒng)的原理是將由正電子放射性同位素標(biāo)記的藥物注入生物體內(nèi)，嵌入生物體內(nèi)特定的分子中，以測(cè)量不同器官或癌細(xì)胞對(duì)其的攝取量。通過(guò)重建正電子湮滅過(guò)程中產(chǎn)生的兩個(gè)沿相反方向飛行的511 keV伽馬光子響應(yīng)線，可獲得顯示正電子發(fā)射放射性同位素位置的圖像。湮滅發(fā)生在離正電子源幾毫米之內(nèi)時(shí)，在探測(cè)器中同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)光子及其相互作用點(diǎn)的坐標(biāo)，可以確定正電子放射源在患者體內(nèi)位置的一條直線。一組這樣的交叉線可以對(duì)放射源進(jìn)行三維重建。因此，對(duì)PET探測(cè)器的主要要求是高光子探測(cè)效率、高能量分辨率、高位置分辨率、降低假光子組合時(shí)間分辨率。PET探測(cè)器必須非常有效地檢測(cè)511 keV伽馬射線，并且具有1 mm的位置分辨率。為限制來(lái)自不同湮滅(稱為隨機(jī)湮滅)過(guò)程的光子假組合的數(shù)量，通常需要3 ns或更靈敏的時(shí)間分辨率。在進(jìn)入探測(cè)器敏感區(qū)之前光子的相互作用會(huì)使圖像失真。這些光子通過(guò)在探測(cè)器中沉積511 keV可以被移除。為了限制大多數(shù)散射光子進(jìn)入探測(cè)敏感區(qū)域，需要不低于9%(FHWM)的能量分辨率[6]。

4 研究進(jìn)展

首次將液氙用于SPECT時(shí)，測(cè)得的位置分辨率可達(dá)4 mm(FWHM)，計(jì)數(shù)率可達(dá)106 c/s,但是由于使用的多絲正比計(jì)數(shù)器的不穩(wěn)定性，妨礙了它作為一個(gè)實(shí)用伽馬照相機(jī)的使用[4]。1983年，Egorov等利用高壓氙氣的電致發(fā)光成功研發(fā)了伽馬照相機(jī)，能夠?qū)?22 keV伽馬射線獲得3.5 mm(FWHM)空間分辨率和15%(FWHM)能量分辨率[7]。隨后的液氙探測(cè)在醫(yī)學(xué)成像方面的研究大多集中于PET系統(tǒng)上。液氙探測(cè)主要有兩種方法：僅使用閃爍信號(hào)測(cè)量伽馬射線能量和位置的探測(cè)器(不加電場(chǎng))；閃爍信號(hào)僅作為事件的觸發(fā)器，通過(guò)電離信號(hào)測(cè)量伽馬射線能量和位置的探測(cè)器(加電場(chǎng))。在此討論了這兩種方法的發(fā)展和現(xiàn)狀。

4.1 LXe TOF PET

該方法只測(cè)量初次閃光，此時(shí)光電倍增管PMT浸沒(méi)在液氙中。1976年，Lavoie首次提出了以LXe作為閃爍體的優(yōu)良性能構(gòu)建TOF PET的可能性[8]。Waseda研究組于1997年開(kāi)始對(duì)TOF PET進(jìn)行研究，在2000年建立了由兩個(gè)液氙電離室組成的一個(gè)原型。2001年開(kāi)始對(duì)原型進(jìn)行測(cè)試[9]。此后不久，改進(jìn)的PMT便用于原型[10]。2006年又提出了一種軸向感光長(zhǎng)度為24 cm的全尺寸TOF PET。Grenoble研究組提出了另一個(gè)關(guān)于LXe TOF PET的建議，采用分光法測(cè)量軸向位置[11]，然而得到的位置分辨率在中心區(qū)域僅為10 mm(FWHM)[12],與市場(chǎng)上的晶體PET毫無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力。

最近有研究提出了一種基于LXe的正電子發(fā)射TOF裝置——Petalo，是由硅光電倍增管(silicon photomultiplier，SiPM)讀出的基于液氙優(yōu)良閃爍特性的新型閃爍探測(cè)器[13-14]。Petalo的關(guān)鍵技術(shù)是以高效率、最小的幾何畸變和均衡的響應(yīng)來(lái)捕獲液氙閃爍產(chǎn)生的大部分光，以獲得良好的能量和空間分辨率并進(jìn)行TOF測(cè)量。SiPM因能夠提供大面積、高增益和非常低的噪聲而作為Petalo的光讀出傳感器(目前即將完全取代PMT)。在氙的液化溫度下，SiPM可以正常運(yùn)行，其暗計(jì)數(shù)率基本可以忽略不計(jì)。見(jiàn)圖1，在其最簡(jiǎn)單的版本中,每個(gè)單元均有入口和出口面，而其他單元?jiǎng)t被高反射材料(如聚四氟乙烯)覆蓋，該材料在紫外線波長(zhǎng)下具有接近100%的反射效率[15]。盒子本身的形狀和尺寸可以適應(yīng)特定的應(yīng)用，還可以根據(jù)應(yīng)用程序調(diào)整SiPM的大小和類型。一項(xiàng)蒙特卡羅研究表明，Petalo可以獲得能量分辨率為12%(FWHM)，空間分辨率為2 mm(FWHM)，光探測(cè)效率為20%[13]，可以獲得一個(gè)非常好的CRT，其FWHM可達(dá)70 ps。該方法克服了在PET技術(shù)中使用LXE的缺點(diǎn)，不會(huì)因漂移而產(chǎn)生高電壓和死區(qū)時(shí)間。此外，它還利用了更小的新一代傳感器，在伽馬相互作用的重建中提供更好的空間分辨率。

圖1 Petalo的液氙閃爍室簡(jiǎn)易模型

4.2 LXe Compton PET

該探測(cè)方法基于時(shí)間投影室(time projection chamber,TPC)。文獻(xiàn)[16]中，液氙TPC被提議使用于Compton PET系統(tǒng)，主要因?yàn)殡婋x信號(hào)和閃爍光信號(hào)的結(jié)合提高了能量分辨率。在2 kV/cm電場(chǎng)強(qiáng)度下，一個(gè)511 keV的光子在液態(tài)氙中產(chǎn)生約2萬(wàn)個(gè)電子離子對(duì)。用低噪聲電子設(shè)備可以輕易探測(cè)到這些電子，并且光子的擴(kuò)散非常小，能獲得非常精確的位置分辨率。TPC的液氙探測(cè)器通過(guò)綜合測(cè)量空間內(nèi)每個(gè)相互作用點(diǎn)的空間坐標(biāo)和能量損失，使用康普頓運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)測(cè)量交互序列[17]。1993年，Chepelsh首次提出在LXe TPC同時(shí)讀取閃爍電荷和電離電荷[18]，此后又做了大量工作,隨后的研發(fā)記錄在參考文獻(xiàn)[19-27]中。后來(lái)盡管使用122 keV伽馬射線得到了小于2 mm的位置分辨率，但對(duì)511 keV伽馬射線來(lái)說(shuō)至今未達(dá)到[28-29]。2007年，法國(guó)Subatech的Xemis小組開(kāi)始建造LXe Compton PET，該P(yáng)ET系統(tǒng)使用會(huì)發(fā)射高能伽馬β+衰變同位素，如44sc[30-31]。Nantes研究組使用微結(jié)構(gòu)模式電荷讀出和一個(gè)氣體光電倍增管(GPM)[32]的方法，證明了用一個(gè)完全浸沒(méi)在液氙中的所謂的微型氣體探測(cè)器能完全收集電離電子[33]。Giboni等使用無(wú)窗口雪崩光電二極管(APD)測(cè)得液氙中511 keV伽馬射線的時(shí)間分辨率約為270 ps[34]。

這些研究并未充分利用LXe應(yīng)用于PET的全部潛力。一方面，雖然同時(shí)讀取光和電荷可以提供更好的能量和空間分辨率，但TPC速度較慢，并且由于電荷漂移而引入死區(qū)時(shí)間，可能會(huì)降低靈敏度，增加探測(cè)器的復(fù)雜性和成本，從而限制該技術(shù)的大規(guī)模實(shí)施。另一方面，大尺寸的PMT會(huì)導(dǎo)致較低的幾何校正精度和較差的空間分辨率。

4 總結(jié)

用于改進(jìn)醫(yī)學(xué)成像的液氙探測(cè)器得到了快速發(fā)展，這是一項(xiàng)有益于整個(gè)社會(huì)的實(shí)際應(yīng)用。在高速、高靈敏度的PET系統(tǒng)中使用液氙探測(cè)器對(duì)醫(yī)學(xué)成像具有潛在的重要意義。液氙探測(cè)器與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，存在著成本、安全性和復(fù)雜性等實(shí)際問(wèn)題，加上快速產(chǎn)生圖像，復(fù)雜康普頓重建等其他要求，所以這項(xiàng)技術(shù)在被應(yīng)用之前需要做更多的研究。在國(guó)內(nèi)，液氙探測(cè)技術(shù)在暗物質(zhì)探測(cè)中趨于成熟[35]，然而在醫(yī)學(xué)成像上的研究還未深入，希望本研究能夠?qū)?guó)內(nèi)研究人員起到一定的作用。