深圳湾实验室生物医学工程研究所顾峥团队和中国科学院深圳先进技术研究院杨永峰团队合作在生物医学成像领域权威期刊IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences上发表了题为“Comparison of timing measurement methods of dual-ended readout scintillator array PET detectors”的研究论文。该工作研究了基于双端读出的作用深度（DOI）分辨PET探测器，使用晶体条尺寸为3.10×3.10×20 mm3和 ESR 反射层的晶体阵列探测器的最佳时间分辨率为 234 ps，3.10×3.10×20 mm3和 BaSO4反射层探测器的最佳时间分辨率为 239 ps，1.88×1.88×20 mm3和 BaSO4反射层的探测器的最佳时间分辨率为 275 ps。与单端读出探测器相比，本研究研发的双端读出探测器除了具有高的三维位置分辨率，还具有更高的时间分辨率，可用于研制同时达到高空间分辨率、高灵敏度和高时间分辨率的临床PET系统。
时间分辨率是临床正电子发射断层扫描仪（PET）的重要参数之一。高的时间分辨率有利于提高飞行时间（TOF）测量准确性，提高 PET 图像的信噪比和定量精度。研发具有DOI测量能力的 PET 探测器是 PET 仪器研发的一个热门研究方向。然而，DOI探测器技术过去更多用于临床前、乳腺和脑部专用PET扫描仪。双端读出晶体阵列探测器可通过解码非常小的晶体实现高空间分辨率，并通过测量两端光探测器的能量比实现均匀的连续高DOI分辨率。该工作旨在研发提高临床PET性能需要的具有小晶体横截面、长晶体长度、高 DOI 分辨率和高时间分辨率的双端读出PET探测器。
在该研究中，为阐明多种影响因素对于双端读出探测器时间分辨率的影响，作者设计了三种不同尺寸、晶体表面处理方式和反射层的PET探测器，详细分析了三种探测器的晶体解码图、能量分辨率、DOI分辨率和时间分辨率等结果。实验设置如图1所示。为优化时间分辨率，作者在国际上首次系统比较了仅用前端读出信号定时、仅用后端读出信号定时、前后两端信号中取更快的信号定时、对前后两端定时信号求平均定时、对前后两端定时信号DOI校正后再求平均定时、对前后两端两个最快抵达信号能量平方加权再用DOI校正后求平均定时等多种双端读出探测器定时算法。
图1 研究论文中用于测量PET探测器的晶体解码图、能量分辨率、时间分辨率（上）和 DOI 分辨率（下）的实验装置
三种晶体阵列PET探测器都得到了清晰的解码图（图2）、较高的DOI分辨率（图3）和高TOF时间分辨率（图4）。通过比较多种定时算法，对前后两端两个最快抵达信号能量平方加权再用DOI校正后求平均定时方法获得了最优的时间分辨率。
图2 三种晶体阵列PET探测器的解码图都能清晰地显示出所有晶体条
图3 利用两端光探测器的能量比，得到三种探测器的DOI分辨率分别为3.6、3.2和2.8 mm
图4 经过校正优化后的三种探测器的最佳平均TOF符合时间分辨率达到234、239和275 ps
这项研究实现了一种同时具有高空间分辨、高DOI分辨、高TOF时间分辨和高探测效率的双端读出PET探测器，为研发下一代高空间分辨、高灵敏度和高TOF时间分辨率临床PET系统的研制奠定了基础。该研究得到了国家自然科学基金、深圳市自然科学基金、深圳湾实验室和广东省核磁与多模态成像重点实验室的支持。深圳湾实验室生物医学工程研究所副研究员牛明为本文的第一作者，顾峥研究员和中科院深圳先进院的杨永峰研究员为本文的共同通讯作者。
Comparison of timing measurement methods of dual-ended readout scintillator array PET detectors
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10485386/
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