近日，深圳湾实验室生物医学工程研究所顾峥课题组在医学物理学领域期刊Medical Physics上发表了题为“Design and characterization of a hybrid PET detector with DOI capability”的研究论文。该研究提出了一种基于连续晶体和传统像素化晶体的混合探测器设计，在保持作用深度（Depth of interaction, DOI）解码能力的同时，解决连续或半连续晶体探测器校准复杂、应用难的问题。基于该设计的原型探测器伪像素晶体尺寸为1.53x1.53x15mm3, 其平均固有空间分辨率在像素方向为1.15 mm，非像素方向为1.34 mm，平均DOI分辨率为5.1 mm，符合时间分辨率达到350 ps。该探测器设计为PET系统提供了一种兼具高空间分辨率、DOI分辨能力和良好时间分辨率的解决方案。
在正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography, PET）中，由于探测器缺乏作用深度（Depth of interaction, DOI）分辨能力，视差效应（parallax error）会导致重建图像质量和空间分辨率的下降。基于连续或者半连续晶体的探测器是一类具备高精度测量DOI的探测器类型，其具有更高的灵敏度和较低的成本。然而，连续或者半连续晶体探测器在PET中的应用受到其主要缺点的限制。其一，随着晶体厚度的增加，其固有的空间分辨率和DOI分辨率显著下降，且在探测器边缘区域性能变差。其二，其需要复杂耗时的校准过程来获取精确的空间分辨信息。
近日，深圳湾实验室生物医学工程研究所顾峥课题组在医学物理学领域期刊Medical Physics上发表了题为“Design and characterization of a hybrid PET detector with DOI capability”的研究论文。在该项工作中，作者提出了一种结合了连续晶体和传统像素化晶体的探测器方案，在保持DOI解码能力的同时，解决连续或半连续晶体探测器校准复杂、应用难的问题。其方案如图1（a）所示，探测器由多个晶体层组成，每个晶体层由一排像素晶体阵列和一片晶体片组成，两者的界面保持光学透明。伽马光子在探测器中的三维作用位置可以如下获得：在像素化方向上，传统的能量加权平均法用于确定晶体层位置。在Y-Z平面上，闪烁光部分被像素化晶体聚集，部分在晶体片中扩散。像素化晶体聚集的光使得能量加权平均法可用于确定Y方向的作用位置，而晶体片中扩散的光引入了深度相关的光分布，用于解码DOI信息。因此，该方案可以通过简单的校准过程实现伽马光子的3D定位。为了评估该探测器方案，搭建了一个探测器原型，如图1（b）所示。每层晶体混合层由厚度为1.5 mm的晶体片切割而成，形成1 × 16排LYSO晶体。晶体阵列部分的像素尺寸为1.53 × 1.0 × 15 mm3，晶体片尺寸为25.8 × 0.5 × 15 mm3。整个探测器晶体的尺寸为25.8 × 12.9 × 15 mm3，并与多像素光子计数器（滨松 S14161-3050HS）中央的4 × 8像素耦合，如图1（c）。
图1 （a）探测器设计原理图；（b）探测器原型照片；（c）多像素光子计数器照片。
用能量平方加权得到的探测器散点图如图2所示，可以清晰看到该散点图呈现了散点的特征，如同传统的像素化探测器，从而可以利用常规晶体位置表的方法实现二维位置分辨。
图2 （d）能量平方加权得到的散点图；（e, f）选定行列的散点图一维投影。
进一步地，该原型探测器在像素方向和非像素方向的平均固有空间分辨（半高全宽）为1.15 mm和1.34 mm，如图3所示。
图3 （a）像素方向和（b）非像素方向的固有空间分辨率。
在DOI方向上，利用简单的光分布表征方法，该探测器的平均DOI分辨率（半高全宽）为5.1 mm，如图4所示。
图4 不同DOI位置的w-value分布。其中w-value = Emax/Esum。
最后，利用能量加权的时间定时方法，在400-600 keV能窗下，探测器的符合时间分辨率为350 ps，如图5所示。
图5 （a）能量加权方法下的探测器符合时间分辨；（b）最优符合时间分辨。
这项研究提出了一种新型的混合探测器设计，将像素化和连续晶体设计结合在一起，提供DOI分辨能力，并简化了定位校准过程。实验结果表明该探测器在3D定位和时间分辨率的综合性能优异，同时该设计概念具有灵活性，可以适应不同类型的DOI PET扫描仪。该研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、国家重点研发计划和深圳湾实验室的支持。深圳湾实验室生物医学工程研究所顾峥课题组的博士后何文为本文的第一作者，何文和特聘研究员顾峥为本文的共同通讯作者。
Design and characterization of a hybrid PET detector with DOI capability
https://aapm.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mp.17313
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