王雙庚,聶生東
上海理工大學(xué) 醫(yī)學(xué)影像工程研究所,上海 200093
近年來,隨著腫瘤相關(guān)疾病發(fā)病率越來越高,PET/CT檢查就變得越來越重要,其在腫瘤診斷、腫瘤分期、腫瘤防治方面,是其它醫(yī)療設(shè)備無法替代的,但是PET/CT的PET圖像,相對于CT解剖圖像,明顯存在分辨率偏低的短板,而PET成像的基本原理是預(yù)先向生物體內(nèi)注射正電子核素標(biāo)志的化合物,正電子核素中的正電子與負(fù)電子結(jié)合后發(fā)生湮滅反應(yīng),產(chǎn)生兩個能量為511 keV從湮滅點(diǎn)向相反方向分離的γ光子,我們通過對γ光子對的探測及相關(guān)處理得到正電子核素在生物體內(nèi)代謝的分布圖像[1],從PET成像原理可以看出決定PET圖像分辨率一個重要因素就是用來獲取γ光子的探測器,探測器對γ光子探測的效率越高,探測到的符合計(jì)數(shù)比例越高,PET圖像分辨率就越高;因此對PET設(shè)備探測器的選用上,根據(jù)各自探測器設(shè)計(jì)和材料性能的區(qū)別,將對PET成像分辨率有很重要的影響。目前醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用的PET/CT設(shè)備,大部分PET部分探測器還停留在模擬化采集,光電轉(zhuǎn)換部件基本還在采用光電倍增管(Photomultipliers Tukes,PMT),將光子信號轉(zhuǎn)換成為模擬的電流信號,后續(xù)經(jīng)過數(shù)字采樣,模數(shù)轉(zhuǎn)換,再重建生成數(shù)字圖像,供醫(yī)生診斷,從2019年開始,各大廠商(飛利浦醫(yī)療、通用醫(yī)療和聯(lián)影醫(yī)療)才陸續(xù)開始研究數(shù)字化探測器在PET設(shè)備上面應(yīng)用,但是數(shù)字化探測器中的光電轉(zhuǎn)換部分材料有幾種選項(xiàng),各自有各自的優(yōu)勢和劣勢,本文首先介紹并對比目前主要光電轉(zhuǎn)換模塊的各自的特點(diǎn),并根據(jù)各自的優(yōu)勢和劣勢,最后著重闡述一款優(yōu)勢最大的數(shù)字化探測器在PET設(shè)備上面的應(yīng)用,通過對這款探測器結(jié)構(gòu)構(gòu)成和成像原理來分析其對空間分辨率、時間分辨率和靈敏度的影響,最終基于上述內(nèi)容總結(jié)了數(shù)字化探測器的巨大優(yōu)勢,以及大規(guī)模推廣面臨的一些問題。
目前市場上主流PET/CT設(shè)備用來探測γ射線的主要模塊是由閃爍晶體將γ射線轉(zhuǎn)換為可見光波段的光子信號,再由PMT將光子信號轉(zhuǎn)換為電流信號,并進(jìn)行初級放大增益,進(jìn)而被后續(xù)的集成電路板進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,進(jìn)而重建運(yùn)算處理,最終給出可視化灰度圖像。
PMT作為光電轉(zhuǎn)換模塊來說,是一款成熟的產(chǎn)品,在過去乃至現(xiàn)在,相當(dāng)長時間被大部分廠家選擇用在PET/CT設(shè)備上面,它具有很多的優(yōu)勢:如對信號有較高的增益倍數(shù)(106~107)、時間響應(yīng)速度快、市場上已經(jīng)有很多成熟的廠家在生產(chǎn),并且可以在不同體積,不同種類之間進(jìn)行選擇等;然而隨著時間的發(fā)展,PMT[2]的發(fā)展遭遇了瓶頸,由于其固有的缺陷(基于真空管技術(shù)),導(dǎo)致了體積比較大,耦合在微小的閃爍晶體上面,大大影響到了圖像的空間分辨率和采集準(zhǔn)確率;并且由于其固有的特性,導(dǎo)致量子轉(zhuǎn)換效率很低(25%左右),加上PMT對于磁場非常敏感,無法很好的應(yīng)用在最新設(shè)備(PET/MR)上面;PMT增益放大需要很高的電壓加載(通常1000 V以上);所以一直以來各大廠家也在積極尋找PMT的合適替代品。
雪崩二極管(Avalanche Photodiode,APD)[3]是一種基于P-N結(jié)為基礎(chǔ)的一種光電探測器件,它克服了PMT的幾種劣勢,用于PET設(shè)備上的APD反偏電壓低于擊穿電壓,所以APD的輸出脈沖跟觸發(fā)光子的數(shù)量存在線性關(guān)系,其體積很小,而且APD的量子轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到80%左右,遠(yuǎn)高于PMT,并且APD對磁場并不敏感,可以在高磁場的環(huán)境下正常工作,可以集成在PET/MR設(shè)備上。不過,APD存在三個比較大的劣勢:① APD與PMT一樣加載了很高的電壓,但是對信號的增益卻很低,只有102~103左右; ②APD時間分辨率非常差,存在較長的恢復(fù)時間,無法應(yīng)用TOF相關(guān)技術(shù);③ APD對溫度和反偏電壓調(diào)制精度要求很高,隨著溫度和反偏電壓的變化,APD的增益和性能參數(shù)會發(fā)生很大的變化,并且熱量會產(chǎn)生很多的Dark Count Noise?;谏鲜龅娜秉c(diǎn),APD雖然經(jīng)過很長時間的發(fā)展,卻一直也沒有替代掉PMT。
直到90年代,得益于硅材料技術(shù)的突破[4],電子器件迅速實(shí)現(xiàn)小型化,從而誕生了硅光二極管(SIPM),其主要結(jié)構(gòu)是在一個很薄的金屬介質(zhì)層上面覆蓋很多微小G-APDS(工作在Geiger模式下的APD),組成二維陣列,當(dāng)有晶體產(chǎn)生的光子打到SIPM的時候,每個APD獨(dú)立工作,產(chǎn)生雪崩效應(yīng)后,會形成放電—猝滅—充電的過程,所有的APD共用一路輸出,形成一個模擬脈沖信號,此脈沖的峰值在一定程度上與打到SIPM表面的光子數(shù)量存在正比例關(guān)系,這種SIPM輸出是模擬的脈沖信號,所以也稱為模擬硅光二極管(Analog Silicon Photo Multiplier,A.SIPM)或者M(jìn)PPC(Multi-Pixel-Photon-Counter);從它的結(jié)構(gòu)可以看出:它的體積可以做到非常小,因此它的APD的耗盡層很?。ā?.7 μm),所以只需要幾十伏特的工作電壓就可以, 并且可以產(chǎn)生與PMT相當(dāng)或者更高的增益倍數(shù);對磁場不敏感,可以融合在PET/MR設(shè)備上面;由于APD工作在Geiger模式下,偏置電壓大于擊穿電壓,所以雪崩效應(yīng)時間響應(yīng)非常快,并且串聯(lián)了猝滅電路,發(fā)生雪崩后,APD重置到初始狀態(tài)所需時間也很短暫,因此時間分辨率很高,可以匹配飛行時間(Time of Flight,TOF)[5]技術(shù);目前市場上有不少廠家都發(fā)行了相關(guān)產(chǎn)品,如:SensL,Zecotek Photonics Inc.,CPTA,STMicroelectronics,Hamamatsu Photonics, Amplification Technologies, Photonique SA,也有部分產(chǎn)品代替PMT,應(yīng)用到了小動物PET上面用于科研工作,但是它的PDE和增益,與BIAS電壓和溫度有很大的關(guān)聯(lián)性,需要對于工作溫度和BIAS電壓做到很精確的調(diào)制,才可以使圖像空間分辨率和時間分辨率穩(wěn)定[6-9];而且MPPC的輸出是所有被激發(fā)的cells的共同輸出,是模擬脈沖輸出,由于PET設(shè)備上面,閃爍晶體發(fā)出的光子強(qiáng)度很大,一次γ射線的所發(fā)出的數(shù)量約有12500個光子數(shù)目,對于MPPC的激發(fā),都是飽和狀態(tài)下的激發(fā),對于動態(tài)狀態(tài)下,如何做到有效地減小熱量導(dǎo)致的dark count噪聲和盡可能的屏蔽掉康普頓散射線所形成的無效計(jì)數(shù),將會是非常復(fù)雜的事情。
前面敘述了主要的光電轉(zhuǎn)換模塊各自的特點(diǎn)(圖1),可以看出其都或多或少存在一些局限,基于此,本文將在下面介紹一款完全數(shù)字化的硅光二極管的設(shè)計(jì)[10-15]。
圖1 主要光電轉(zhuǎn)換模塊的特點(diǎn)
本文中介紹的數(shù)字化硅光二極管(Digital Silicon Photo Multiplier,D.SIPM)(圖 2~3),單個 DSIPM尺寸面積為32.6 mm×32.6 mm,下面包括4×4個Sensors(Dies),每個Sensor包括2×2個Pixels,每個Pixel包括3200個Microcells,單個 Microcell的尺寸面積為 59.4 μm×64 μm,每個Pixel的有效感應(yīng)面積占比74%。單個Microcell里面是一個工作在Geiger模式下的SPAD,當(dāng)有光子入射時,每個Microcell將會獨(dú)立觸發(fā),每個觸發(fā)的Microcell將會獨(dú)立輸出獨(dú)立的數(shù)字信號,由計(jì)數(shù)累加器進(jìn)行記錄,并加載有TDC電路產(chǎn)生的時鐘信號,一起輸出給主要控制電路。實(shí)驗(yàn)所使用的的最佳晶體是LYSO晶體,尺寸為4 mm×4 mm×22 mm,這樣晶體的結(jié)構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了晶體與探測器每個Pixel之間1:1的對應(yīng)關(guān)系,提高了空間分辨率和時間分辨率,并且選擇晶體尺寸較長,大幅增加了計(jì)數(shù)效率。相對于A.SIPM,D.SIPM不需要外接任何外部的邏輯處理電路,減少了模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),直接輸出觸發(fā)的光子數(shù)量和第一個光子觸發(fā)的時間信息,而這兩個參數(shù)將直接決定TOF PET設(shè)備上面計(jì)數(shù)是否為有效計(jì)數(shù);所以D.SIPM的有效計(jì)數(shù)比例也大大優(yōu)于A.SIPM。
圖2 Digital SIPM的表面結(jié)構(gòu)
圖3 Digital SIPM的結(jié)構(gòu)示意圖
D.SIPM的光電轉(zhuǎn)換器件,實(shí)質(zhì)上是微小的SPADs,當(dāng)沒有光子觸發(fā)的時候,其自身由于熱量或者外部光子的滲入,會觸發(fā)SPADs,存在本底噪聲,稱之為Dark Count Rate[16]。
使用上述2.1所述結(jié)構(gòu)組成的D.SIPM,配合尺寸為4 mm×4 mm×22 mm的LYSO晶體,在無密閉光源的條件下,采集的本底計(jì)數(shù)數(shù)據(jù),即Dark Count Rates(圖4)。
圖4 D.SIPM采集的本底Dark count的結(jié)果
在20℃,3.3 V反偏電壓的條件下,每個SPAD的Dark Count Rates平均在550 cps左右。但是,由于D.SIPM中每個SPAD均配置了一個靜態(tài)內(nèi)存,每個SPAD都會被標(biāo)地址標(biāo)記,Dark Count Rates太高的SPAD會被禁用掉,所以探測器實(shí)際工作時,會有90%~95%有效的SPADs工作,Dark Count Rates會成倍的降低(圖5)。在臨床PET應(yīng)用時候,將會形成校正表,對圖像進(jìn)行校正。
圖5 D.SIPM DCR 與有效SPADS的坐標(biāo)圖
理論情況下,一個光子會在一個SPAD上面觸發(fā)雪崩效應(yīng),從而進(jìn)行有效計(jì)數(shù),每個SPAD之間使用隔離層進(jìn)行隔離。但是還是存在同一個光子打在SPAD的邊緣,導(dǎo)致兩個或者多個SPADs觸發(fā)雪崩效應(yīng),從而分別進(jìn)行累加計(jì)數(shù),顯然這種情況會降低計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。
使用2.1所述結(jié)構(gòu)組成的D.SIPM探測器,配合LYSO晶體,使用Na-22輻射源,所測試的探測器Optical Cross Talk數(shù)據(jù)如圖6所示。
圖6 D.SIPM Optical Cross Talk數(shù)據(jù)
從圖中可以看出,在20 ℃,3.3 V反偏電壓工作狀態(tài)下,以5×5的Cells的數(shù)據(jù)來看,Optical Cross Talk大概占比18%,并且Optical Cross Talk的占比與反偏電壓的大小基本成正比例關(guān)系,同樣在臨床PET應(yīng)用時候,需要生成衰減校正表對圖像進(jìn)行校正。
入射光子最終轉(zhuǎn)換成有效計(jì)數(shù)的比例定義為光子探測效率(Photon Detection Efficiency,PDE),顯然PDE越高,代表計(jì)數(shù)越多,圖像也會越清晰。但是由于探測器中每個SPAD之間需要隔離,來減少Optical Cross talk,所以每個入射光子,不一定會轉(zhuǎn)換成有效計(jì)數(shù),而且Optical Cross Talk和Dark Count Rates也會影響到PDE參數(shù),按照2.1所述結(jié)構(gòu)組成的D.SIPM探測器,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,其最終的PDE曲線如圖7所示,在λ=420 nm時候,PDE將近40%;實(shí)驗(yàn)用的晶體采用的LYSO晶體,其發(fā)射光子的能量峰值字420 nm(圖8)。
圖7 D.SIPM的光子探測效率與入射光波長坐標(biāo)圖
圖8 主要晶體檢測入射光波長峰值
由于組成D.SIPM的基本組件SPADs對溫度比較敏感[20-21],所以必須要測試探測器受溫度影響的程度,采用2.1所述的結(jié)構(gòu)組成的D.SIPM探測器,以2100 k photons/pulse,24 ps FWHM時間分辨率,不同溫度下PDE和 TDC偏離的程度如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果,兩者偏移的程度與溫度的大小基本成線性關(guān)系,即:PDE 偏移值: 0.33%·K-1。
圖9 PDE偏離值與溫度的關(guān)系圖
TDC 偏移值 : 15.3ps · K-1(圖 10),其中 PDE 的偏離可以通過調(diào)節(jié)反偏電壓的數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償,TDC的偏移則可以通過電子時鐘的校正。
圖10 TDC偏離值與溫度的關(guān)系圖
2.1章節(jié)所敘述的D.SIPM結(jié)構(gòu),單個Pixel面積為4 mm×4 mm,配對尺寸為4 mm×4 mm×22 mm 的LYSO晶體,實(shí)現(xiàn)了晶體與探測器之間1:1匹配,每個pixel含有3200個SPADs,每個SPAD可以單獨(dú)采集單個光子的入射,詳見圖11。PMT定位光子位置,是通過相鄰幾個PMT所采集的不同能量來綜合確定光子位置,由于PMT尺寸較大,位置定位信息就遠(yuǎn)沒有D.SIPM精準(zhǔn),并且打到PMT邊緣位置的光子,由于反射折射衰減,會形成很多無效計(jì)數(shù),而D.SIPM采用與晶體1:1配對,每個SPAD的位置信息已經(jīng)存儲在SRAM中,所以精度會更高。其原理是SPAD接收到入射光子觸發(fā),會產(chǎn)生雪崩,然后計(jì)數(shù)電路累加器加1,TDC電路記錄時間信息,然后主動猝滅電路快速消除光子能量,使SPAD快速恢復(fù)到未觸發(fā)狀態(tài)(圖12),同時每個Pixel輸出的信息只有數(shù)字化的信號,即計(jì)數(shù)電路的計(jì)數(shù),及計(jì)數(shù)的位置和時間信息,所以并不需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜電路,不存在無效計(jì)數(shù),增大了有效計(jì)數(shù)。
圖11 PMT與D.SIPM確定計(jì)數(shù)位置的方法
圖12 D.SIPM計(jì)數(shù)原理
2.1章節(jié)所敘述的D.SIPM結(jié)構(gòu)配合尺寸為4 mm×4 mm×22 mm 的LYSO晶體,在10℃環(huán)境下測量的單個Pixel的時間分辨率,可以看到測量的時間分辨率FWHM=286 ps[17](圖13)。其時間分辨率的主要由SPAD的觸發(fā)時間、SPAD觸發(fā)后,發(fā)生雪崩,到主動猝滅電路消除光子能量,重新將SPAD恢復(fù)到待觸發(fā)狀態(tài)和TDC時鐘電路的時間分辨率;2.1章節(jié)所敘述的D.SIPM采用的是20 ps的TDC時鐘電路,SPAD觸發(fā)的平均時間一般在56 ps左右,SPAD從觸發(fā)狀態(tài)恢復(fù)到待觸發(fā)狀態(tài)所需要的時間在110 ps左右,由于試驗(yàn)中光子數(shù)量眾多,存在PDE和optical cross talk等很多的外部因素,所以實(shí)際試驗(yàn)的最佳時間分辨率在250 ps左右,但是根據(jù)其硬件的固有時間分辨率來看,后續(xù)還有優(yōu)化的空間,使時間分辨率達(dá)到110 ps左右。
圖13 10 ℃下測得D.SIPM的時間分辨率
從上面第二部分的分析可以看到:相對于目前主流PET設(shè)備上面所采用的光電倍增管(PMT)以及模擬化硅光二極管(A.SIPM),數(shù)字化探測器(D.SIPM)有很大的優(yōu)勢[18-19]。
SPAD本身固有的特性,通過校正,獲得每個SPAD的擊穿電壓,形成矩陣表,根據(jù)此矩陣表,加載給SPAD相應(yīng)的反偏電壓,使其在有光子射入的時候,可以快速被擊穿,并且在每個SPAD后面配置能量淬滅電路,使光子的能量可以快速淬滅,從而使SPAD快速回復(fù)到待出發(fā)狀態(tài),從而減少由于光電轉(zhuǎn)換單元導(dǎo)致的死時間,相對于PMT等模擬光電轉(zhuǎn)換部件,提高了時間分辨率,結(jié)合于TOF技術(shù)的應(yīng)用,大大提高了對光子發(fā)生湮滅位置的定位精度。
由于SIPM的快速小型化,使之可以在很小的面積組成很多的陣列SPADS,相對于PMT很大的面積來說,SIPM的體積可以做到數(shù)量級的減小,并且支持對每個硅光二極管地址編碼,從而在后續(xù)重建過程中,大大提高光子在探測器觸發(fā)的位置精度,提高空間分辨率。同時,大大減少用來計(jì)算光子在探測器觸發(fā)位置的數(shù)據(jù)量(PMT通常使用區(qū)域能峰峰值,然后三角定位來定位,點(diǎn)位精度差,計(jì)算量大)。
此款探測器采用1:1匹配晶體的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有效提高了空間分辨率。
此款數(shù)字化探測器最大的優(yōu)勢還在于相對于傳統(tǒng)模擬光電轉(zhuǎn)換部件,其采用計(jì)數(shù)直接數(shù)字化的處理方式,即每次光子觸發(fā)探測器之后,探測器不會對能量幅度進(jìn)行記錄,根據(jù)ps級別的時鐘電路,記錄觸發(fā)時間信號,由這個時間信號和地址編碼的pixel對應(yīng)信息來決定此計(jì)數(shù)對是否為符合計(jì)數(shù),如果是符合計(jì)數(shù),在計(jì)數(shù)累計(jì)電路上面累加1,最后將此符合計(jì)數(shù)的時間信號、地址信息和計(jì)數(shù)電路累加信息,傳輸?shù)胶罄m(xù)重建計(jì)算機(jī)加載pixel map,cross talk和均勻性等校正表進(jìn)行圖像重建。相對于PMT等,從采集原理上,減少了圖像失真并增加了分辨率(模數(shù)轉(zhuǎn)換過程,對模擬信號整型濾波,信號會有失真的部分,根據(jù)模擬信號峰值來確定光子觸發(fā)位置精度同樣會有偏差)。
數(shù)字化探測器配合TOF技術(shù)來確認(rèn)電子湮滅發(fā)生的位置,由于探測器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)結(jié)合地址編碼電路、偏置電壓電路、能量淬滅電路、時鐘電路、計(jì)數(shù)累加電路的配合,使得時間分辨率相對于模擬探測器雙倍的增加,從而增加了計(jì)數(shù)率,并且提高了電子湮滅位置的定位精度。
基于上面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,數(shù)字化探測器(D.SIPM)大大提高了PET成像的空間分辨率、時間分辨率、計(jì)數(shù)靈敏度和有效計(jì)數(shù)的比例。在實(shí)驗(yàn)室條件下,利用Jaszczak 模型(圖14)和NEMA測試模型測量的結(jié)果[21-25](圖15),空間分辨率達(dá)到61 mm3;時間分辨率可以達(dá)到345 ps[26](從其原理來看,存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間);靈敏度達(dá)到 23000 cps?MBq-1[27];有效計(jì)數(shù) >700 Kcps[28]。
圖14 Jaszczak 模型測試結(jié)果
圖15 應(yīng)用Digital SIPM的PET設(shè)備的性能參數(shù)
目前為止,數(shù)字化探測器的應(yīng)用還在初步階段,在選用材料方面基本都選擇了以SIPM為基礎(chǔ)的材料,但在SIPM陣列、耦合晶體尺寸和后續(xù)處理電路方面有著不同的考慮和設(shè)計(jì)。本文在1章節(jié)中敘述了目前可用于光電轉(zhuǎn)換的各種部件材料,也總結(jié)了各自材料的優(yōu)勢和劣勢;在第2章節(jié)著重?cái)⑹隽艘豢顢?shù)字化探測器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和采集原理,并且討論了其在各項(xiàng)性能參數(shù)方面的表現(xiàn),以及最終通過NEMA(目前全球比較通用認(rèn)可的PET/CT設(shè)備性能測試)測試結(jié)果驗(yàn)證了其優(yōu)勢所在;在第3章節(jié)討論總結(jié)了數(shù)字化探測器相對于目前主流模擬轉(zhuǎn)換的探測器的明顯優(yōu)勢所在,但不可忽略的是數(shù)字化探測器的大規(guī)模推廣使用還存在一些問題,如:研發(fā)成本高昂、生產(chǎn)工藝要求精度高、后期生產(chǎn)成本及探測器工作環(huán)境要求高等。相信隨著數(shù)字化探測器的量產(chǎn)數(shù)量的增加,成本會逐步被均攤,但是數(shù)字化探測器的工作環(huán)境尤其是對溫度的要求很高(要求探測器工作環(huán)境在18 ℃左右),這就需要設(shè)備額外增加水冷機(jī)和除濕機(jī)來確保工作環(huán)境,增加了設(shè)備成本和機(jī)械設(shè)計(jì)復(fù)雜性,在未來需要對這方面進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),進(jìn)一步增加光電轉(zhuǎn)換材料的穩(wěn)定性。從上述分析來看,相對于傳統(tǒng)PMT,數(shù)字化探測器,可以大幅度的提升PET圖像的分辨率,從而可以幫助患者更早的、更精確的發(fā)現(xiàn)病灶[28-29];可以預(yù)想,由于數(shù)字化探測器的優(yōu)越性能,其必然會逐步取代傳統(tǒng)模擬PET/CT設(shè)備,成為未來PET/CT設(shè)備的主流。