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PET

正電子發射斷層成像（PET）是核醫學中最重要的成像技術之一，在生物醫學研究和臨床診斷中具有不可替代的作用。PET技術是一種三維成像無損檢測技術，利用正電子發射放射性同位素標記化合物注入生物體內，在體外測量其空間分布和時間特性。探測器是PET系統的關鍵部件，主要負責探測湮沒光子并將探測到的情況轉換成電信號。系統的幾何設計以及單個PET探測器模塊的特性有助于提高掃描儀的整體性能。探測器性能主要受光探測器和閃爍晶體特性的影響。閃爍晶體以其高密度、高光產額、低衰變時間和無吸濕性等特性在PET中得到了廣泛的應用。

PET掃描儀的性能直接受到許多設計因素的影響，這些因素包括掃描儀的幾何形狀，檢測器模塊，讀出的電子設備，數據采集和處理以及圖像重建算法。目前，大多數PET光學轉換器使用無機閃爍晶體，正電子湮沒產生的511 keV的伽馬光子轉換為適合于光電倍增管檢測的低能光子，并實現光子數放大。PET閃爍晶體的選擇主要取決于以下四個方面：

1. 為了使受檢者受到的輻射劑量最小化并縮短成像時間，要求晶體以高的檢測效率或阻斷能力來檢測511keV的γ光子，因此優選具有較高的有效原子序數和密度的晶體。
2. 為了使PET掃描儀在高計數率的狀態下工作，需要使時間計數損失盡可能小，因此晶體應具有較短的發光衰減時間。此外，如果晶體的發光衰減時間短，則可以減小重合時間窗口，并且可以減小隨機重合的影響。
3. 為了最小化統計誤差并獲得良好的能量分辨率和位置分辨率，晶體的光輸出應盡可能高。
4. 為了與光電倍增管配合使用，晶體的閃爍光波長應在380至440 nm的范圍內。

據報道，已證明許多晶體起閃爍晶體的作用，可用于PET中。在PET系統中，一個閃爍晶體或幾個協作的不同晶體用作檢測器。目前，可以批量生產的閃爍晶體為：BGO，LSO，Ce：LYSO，Ce：GaGG，GSO，LuYAP。

下圖顯示了事件電路檢測器的基本結構。圖中的基本檢測單元是一對與閃爍晶體耦合的光子檢測器（PMT / APD / MPPC等）。檢測器接收到的光子產生的電信號被傳輸到前置放大器進行信號放大，因此，要求閃爍晶體具有更高的光輸出和更短的衰減時間。

PET中使用的閃爍晶體的類型

BGO

閃爍體由于其高的檢測效率，較大的光分數和相對較低的成本而成為PET檢測器的誘人材料。在臨床領域，對具有高靈敏度的高性價比的全身PET掃描儀有強烈的需求，這促進了實現BGO相互作用深度（DOI）檢測器的研究。BGO的峰值發射波長為– 480 nm，與光電倍增管的光譜響應非常匹配。BGO的有效原子序數為75，密度為7.1g / cm3，可通過最小化受檢者接收的輻射劑量并縮短成像時間來提高檢測511 keVγ光子的效率。BGO的輻射長度為1.12cm，有利于生產緊湊的探測器或探頭部件，提高空間分辨率，節省成本。

BGO晶體具有良好的壓電性能，高的光電轉換效率和穩定的熱性能。基于BGO晶體的PET檢測器的填充率通常高于90％。高填充率一直是實現最大檢測靈敏度的設計目標之一。目前，許多研究機構與BGO配合使用其他閃爍晶體，可以最大限度地發揮BGO的優勢，克服其輸出光產量低，衰減時間長的缺點。另外，BGO晶體無余輝，無離解表面，抗輻照能力強，化學性能穩定，易于加工和維護。

BGO	時間生成[ns]	密度[g/cm3]	有效原子序數
Ref[1]	1.5	7.13	75
Ref[2]	/	7.13	75
Ref[3]	4.1	7.1	75

參考文獻

[1]MPPC Arrays in PET Detectors With LSO and BGO
[2] A DOI Detector With Crystal Scatter Identification Capability for High Sensitivity and High Spatial Resolution PET Imaging
[3] Performance Characteristics of BGO Detectors for a Low Cost Preclinical PET Scanner

Ce:LYSO

正電子發射斷層掃描儀（PET）的設計具有特殊的挑戰性，因為它不應影響高空間分辨率、高靈敏度、高計數率以及良好的能量和時間分辨率。在探測器層面上，閃爍晶體和光探測器是兩個主要的起關鍵作用的器件，它們要么是由小像素閃爍體元件構成，要么是由大的單片晶體構成。在這兩種方法中，主要目標是在整個視場（FOV）上實現高空間分辨率、高靈敏度、高計數率性能以及良好的能量分辨率和時間分辨率。Ce:LYSO是PET中應用最廣泛的閃爍體，它具有高密度、高光產額、低衰減時間和無吸濕性等特點。

Ce：LYSO是LSO / YSO混合的非吸濕性晶體，具有高密度（7.1，10％Y），高光輸出（26000–32000 ph / MeV），良好的能量分辨率（?10％）和較短的衰減時間（40 ns）。其最大發射波長為420nm，可與光電倍增管的光電陰極很好地匹配。近年來，與SiPM偶聯的Ce：LYSO晶體已廣泛應用于PET系統。但是，重要的是要注意，來自176Lu的固有輻射會導致88、202和307 keV的伽馬射線發射，隨著PET掃描儀中晶體數量的增加，這會導致顯著的輻射本底。

Ce:LYSO (LuYSiO5)	光輸出[ph/MeV]	衰減時間[ns]	發射波長[nm]	密度[g/cm3]	能量分辨率[%]
Ref[1]	32*103	40	420	7.1	9
Ref[2]	32*103	40	420	7.1	~10
Ref[3]	26*103	40	420	7.1	~10

參考文獻

[1] Performance of FBK high-density SiPM technology coupled to Ce：LYSO and CeGAGG for TOF-PET
[2] Characterization of 1.2×1.2 mm² silicon photomultipliers with Ce:LYSO, Ce:GAGG, and Pr:LuAG scintillation crystals as detector modules for positron emission tomography
[3] Luminescence Emission Properties of (Lu; Y)₂SiO₅Ce (LYSO:Ce) and (Lu; Y)AlO₃Ce (LuYAPCe) Single Crystal Scintillators Under Medical Imaging Conditions

Ce:GAGG

正電子發射斷層掃描（PET）是一種成熟的獲取器官生化功能信息的方法，可用于癌癥的早期檢測和神經系統疾病的診斷。典型的PET掃描儀具有由厚的閃爍晶體組成的探測器和光電探測器，例如光電倍增管（PMT）。這些應用要求閃爍體具有高的光產率，良好的能量分辨率，高有效原子序數，快速的閃爍響應和化學穩定性。

Ce：GAGG閃爍體是一種新型的無機閃爍體，具有46 000光子= MeV的高光產率。它的高光輸出有望改善DOI檢測器模塊的能量分辨率和晶體識別的準確性。s。GAGG：Ce閃爍體發出淡黃色的光，其有效原子序數等于54.4。此外，Ce:GAGG不包含天然放射性，這可能會提高系統的最低可檢測活性極限。此外，與SiPMs配合使用，Ce:GAGG晶體具有出色的定時分辨率（低于200 ps），使其非常適合飛行時間（ToF）PET應用。在511 keV照射下，Ce:GAGG陣列的平均能量分辨率等于10.5％。

Ce GAGG	光輸出[ph/MeV]	衰減時間[ns]	發射波長[nm]	密度[g/cm3]	能量分辨率[%]
Ref[1]	46*103	88	530	6.6	6.4
Ref[2]	55*103	97	520	6.7	~11
Ref[3]	46*103	88	520	6.6	10.6

參考文獻

[1] Performance of FBK high-density SiPM technology coupled to CeLYSO and CeGAGG for TOF-PET
[2] Characterization of 1.2×1.2 mm2 silicon photomultipliers with Ce LYSO, Ce GAGG, and Pr LuAG scintillation crystals as detector modules for positron emission tomography
[3] Development of prototype PET scanner using dual-sided readout DOI-PET modules

Ce:YAP

Ce:YAP（摻雜鈰的釔鋁橄欖石）已被證明是PET（正電子發射斷層掃描）小型動物的理想候選者。它的快速閃爍，良好的光輸出，高密度和出色的物理性能，使得長而薄的晶體得以生長。這些檢測器成束放置，并與位置敏感的讀數光學耦合，從而產生了可喜的結果。YAP：Ce的人類PET應用的主要缺點是在511 keV時光電率低（?4％）。

參考文獻

[1] High spatial resolution small animal YAP-PET
[2] Comparison of YAP and BGO for high-resolution PET detectors
[3] YAP-PET：first results of a small animal Positron Emission Tomograph based on YAP：Ce finger crystals