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正電子發(fā)射型斷層儀（Positron Emission Tomography, PET）是對正電子示蹤劑的探測設(shè)備，具有極高靈敏度和精準的定量功能。而PET/CT是將PET與CT有機結(jié)合起來的融合設(shè)備，已經(jīng)成為腫瘤、神經(jīng)和心血管系統(tǒng)疾病診斷，臨床分期和療效評估的最佳影像技術(shù)。

PET探測器(Detector)是PET、PET/CT等分子成像設(shè)備的重要組成部分。PET探測器的材料組合、結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能直接影響PET、PET/CT等分子成像設(shè)備在臨床和科研中應(yīng)用，探測器的優(yōu)劣直接決定著PET系統(tǒng)的好壞。那么PET/CT探測器都發(fā)生了怎樣的變化呢？常聽說的PMT、SiPM與DPC到底各有何種不同？本文主要介紹PET探測器在技術(shù)方面的發(fā)展狀況。

PET探測器的結(jié)構(gòu)

PET探測器由晶體（Crystal）、光電轉(zhuǎn)化器(Photomultipliers)和后續(xù)電子線路組成。

（1）晶體：從理論上講，表1所列幾種晶體均可以用于PET探測器，但是從臨床經(jīng)驗來看，目前用于PET探測器的晶體主要有BGO、LYSO、LSO和LBS等四種。其中LYSO、LSO以及LBS這類晶體由于含有金屬镥（Lutetium），因此余輝時間明顯減少。一般認為晶體余輝時間小于80ns（納秒）就可以實現(xiàn)飛行時間（Time of Flight, TOF）技術(shù)。而BGO等晶體余輝時間太長，不能實現(xiàn)TOF技術(shù)，即將淘汰(1,2)。當然，含镥晶體（LSO、LYSO）也有其不足，就是含有自身本底放射性，有效原子序數(shù)偏小，會導致射線探測效率降低。所以，一般講LYSO、LSO和LBS這類晶體在PET探測器中其最佳長度為20mm左右（3）。所以，如果選擇LYSO、LSO或LBS這一類晶體，那么就必須具有TOF技術(shù)來彌補或克服其探測效率低的固有缺陷。

表一

（2）光電轉(zhuǎn)化器：伽瑪射線與晶體作用產(chǎn)生的熒光需要采用光電轉(zhuǎn)化器才能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/span>目前常見的光電轉(zhuǎn)換器有PMT、SiPM和DPC(Digital Photon Counting)三類。

A、傳統(tǒng)的PET探測器采用把單個閃爍晶體耦合在光電倍增管（PMT）上的辦法，它是在1951年由Wrenn和Sweet首先提出的。也在PET探測器的歷史長河中扮演著極其重要的作用。但是由于它體積大，易干擾，需高壓；會產(chǎn)生溫度升高，導致放大增益有很大偏差，溫度升高1°，增益偏差3%(4)。因此科學家又推出了半數(shù)字化固相陣列式光電轉(zhuǎn)化器(Silicon Photomultiplier, SiPM），不但明顯提高PET探測器空間分辨率，而且能夠提高PET的TOF技術(shù)，最重要的是其對于磁場的不敏感，使得一體化的PET/MR成為了可能。

B、半數(shù)字化固相陣列式光電轉(zhuǎn)化器（Silicon photomultiplier, SiPM）,亦稱為硅光電倍增管。

從其名字就可以看出，其功能和原理依然沒有脫離傳統(tǒng)光電倍增管的范疇，最多只能算半數(shù)字化探測器。其最早用于倒車雷達、質(zhì)譜儀等信號采集原件，在PET/CT的應(yīng)用最早在2004年左右（5,6）。

SiPM較傳統(tǒng)的PMT而言，采用了半導體集成電路芯片技術(shù)。這種半數(shù)字化芯片產(chǎn)品，體積明顯減小，可以做到高度的集成化，同時可以實現(xiàn)PET中關(guān)鍵的TOF技術(shù)。但是，模擬信號到數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換依然需要后續(xù)ASIC電路來解決，SiPM只是和原來的PMT一樣，單純的進行信號的接受放大，其采集到的電信號通過后續(xù)的電路去估算大致的光子計數(shù)，并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，一個輸出=所有脈沖的疊加，處理過程依然受到模擬電路的影響(3,7)。

同時，由于屬于硅光原件，即使在外部沒有任何輸入的情況下，其依然會產(chǎn)生暗電流噪聲（7）。對于溫度的敏感性，雖然略低于PMT，但是受到其模擬元件的本質(zhì)限制，無法擺脫溫度漂移的影像，溫度每上升1攝氏度，其增益偏差大約還是在3%左右。在采集過程中，隨著計數(shù)率（輸入）的增多，SiPM也經(jīng)常收到模數(shù)轉(zhuǎn)換、帶寬限制、噪聲干擾等因素的影響，出現(xiàn)響應(yīng)不及時的情況，也就是我們通常所說的不應(yīng)期，或者用PET/CT的專用術(shù)語——死時間問題（3,8,9）。

此外，目前的SiPM生產(chǎn)商其主要供貨對象并不是PET/CT，主要是受采購數(shù)量的制約。導致至今依然沒有一臺采用SiPM探測器的PET/CT能夠?qū)崿F(xiàn)SiPM探測器和晶體尺寸一致。這也是PET/CT進入全數(shù)字時代的另一大障礙，眾多此類產(chǎn)品，不得不繼續(xù)沿用為PMT設(shè)計的Block結(jié)構(gòu)，探測器尺寸的大大縮小，卻仍然無法實現(xiàn)與晶體一一對應(yīng)，以及晶體的完全覆蓋，直接帶來的后果就是丟數(shù)據(jù)。大量真實的符合事件因為SiPM響應(yīng)不及時而沒被系統(tǒng)有效記錄。為了解決這個困惑，需要將所有的計數(shù)均收集起來，然后進行后續(xù)的多次重建來解決。顯然軟件算法的彌補，并不能解決根本問題，硬件設(shè)計或材質(zhì)的改變才是必然的道路。因此，研究人員將寄希望于實現(xiàn)進一步的數(shù)字化，來破解所有模擬元件帶來的困擾(3,8)。

C、數(shù)字光子計數(shù)DPC（Digital photon counting）。鑒于上述SiPM的一些缺點，DPC應(yīng)運而生。

相較于SiPM單純放大信號以及包含的所有噪聲，并在后續(xù)ASIC電路中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。DPC芯片，通過為每個ADP單元（微米級）設(shè)計一套完整的CMOS電路，使其在放大之前即可完成可見光信號能量判斷，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。0101的數(shù)字信號可以直接通過光纖傳遞給后端采集和處理工作站，不再需要ASIC電路和任何模擬電路，實現(xiàn)了零模擬噪聲，也不會對噪聲進行放大(10,11)。

由于DPC芯片是第一款專門針對PET/CT設(shè)計的探測器芯片，所以，每個獨立探測器的尺寸就是根據(jù)目前最廣泛使用的晶體切割尺寸設(shè)計，因此實現(xiàn)了和晶體單元的一一對應(yīng)，而且可以100%探測器覆蓋晶體。這種一一對應(yīng)結(jié)構(gòu)為PET/CT帶來的好處是顯而易見的，PET光子閃爍定位，第一次實現(xiàn)了直接定位，不再依賴于 Block 結(jié)構(gòu)的估算方式，極大提高了PET的定位精度和處理速度(11，12)。由于采集有效計數(shù)的提高，使得系統(tǒng)的有效靈敏度也得到極大提高，前端硬件設(shè)計上的噪聲去除，避免了長期以來后續(xù)軟件多次迭代算法的去噪處理，極大的節(jié)省重建的時間。同時，一一對應(yīng)結(jié)構(gòu)帶來的另一個好處是，第一次能夠通過每個探測器校正，消除晶體差異帶來的固有均勻性問題，每個探測單元實現(xiàn)歸一化的采集放大效果。正是由于良好的均勻性才能保證后續(xù)定量的準確性（12）。

此外，由于在最前端實現(xiàn)數(shù)字化和信號噪聲識別，SNR會有很大提高，其采集通道與現(xiàn)在采用SiPM探測器的PET/CT的通道數(shù)量多了N個數(shù)量級。探測器幾乎擁有了無限的帶寬，如果說原來是只有十車道的高速路，現(xiàn)在探測單元多了N個數(shù)量級，升級成了1000車道，輸入信號和輸出始終保持很好的線性關(guān)系，實現(xiàn)1倍以上的最大計數(shù)率（13）。因此數(shù)字化的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了：

1、一一對應(yīng)---超高采集效率：100%完全覆蓋、無需模擬定位、高密集探測器陣列；

2、一步到位---無需多余迭代：幾乎是0仿真噪聲、0傳輸衰減、無限帶寬；

3、PET的關(guān)鍵參數(shù)，TOF的時間分辨率目前就可以降到只有310ps。

綜上所述，PET探測器經(jīng)過近70年的發(fā)展，其整體性能有了長足的進步，良好的設(shè)計和完善PET探測器技術(shù)對于促進形成正電子成像的新應(yīng)用和新產(chǎn)業(yè)具有重要的意義。

DPC技術(shù)，源頭數(shù)字化，一一對應(yīng)的采集模式，100%探測器覆蓋率，使得模擬PET被終結(jié)，使得PET進入了全數(shù)字的時代。

無論如何，DPC技術(shù)終于來了，全數(shù)字化終于名副其實了。

參考文獻：

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(3) Virginia Ch.; Spanoudaki; Craig S. Levin. Photo-Detectors for Time of Flight Positron Emission Tomography (ToF-PET), Sensors 2010, 10

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(10) Degenhardt, C.; Prescher, G.; Frach, T.; Thon, A.; de Gruyter, R.; Schmitz, A.; Ballizany, R., The Digital Silicon Photomultiplier–A Novel sensor for the Detection of Scintillation Light. In Proceedings of Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC), 2009

(11) Frach, T.; Prescher, G.; Degenhardt, C.; de Gruyter, R.; Schmitz, A.; Ballizany, R. The Digital Silicon Photomultiplier–Principle of Operation and Intrinsic Detector Performance. In Proceedings of Nuclear Science Symposium Conference Record

2009

(12) B. Dolgoshein, P. Buzhan, A. Ilyin, S. Klemin, R. Mirzoyan, E. Popova, and

M. Teshima, “The cross-talk problem and the SiPMs for the 17 m ? MAGIC Telescope

Project,” in New Developments in Photodetection, France 2008.

(13) Z. Liu,a;1 M. Pizzichemi,a E. Auffray,b P. Lecoqb and M. Paganonia Performance study of Philips digital silicon photomultiplier coupled to scintillating crystals, JINST, 2016