闪烁晶体阵列中光子输运过程的Monte Carlo模拟

单光子发射断层成像(single photon emission computed tomography, SPECT)是基于对进入体内的放射性药物所发射的γ射线进行探测记录并进行计算得到图像的功能性诊断方法。随着实验室和制药业等领域的需要,小动物高分辨率SPECT成像正逐渐成为该领域研究的热点。而位置灵敏光点倍增管(position sensitive photon multiply tube, PS-PMT)的出现为实现高分辨率的小动物SPECT成像提供了一种优越的解决方案。本文中研究的MicroSPECT系统正是基于滨松公司的平板型位置灵敏光点倍增管H8500[1]构建而成。和传统的光点倍增管不同, H8500为方形的结构,其有效探测面积达到探测表面积的89%,并且可以进行简单的拼接以扩大探测面积。这样配合合适的成像方法就可以在分辨率和探测效率之间取得比较好的平衡点。为了能充分发挥这种位置灵敏光点倍增管的特性,和它紧密配合的闪烁晶体也随之成为系统设计的重点。闪烁晶体的作用是把γ光子转换为对光电倍增管有效的可见光光子。闪烁晶体的材料、厚度、切割方式和封装方式都对整个成像系统的位置分辨能力有着很大的影响。为了能在制作晶体之前充分了解某一种方案对成像所带来的影响,减小设计成本和缩短研发时间,使用计算机对闪烁晶体的光学输运过程进行Monte Carlo模拟是很好的选择。本文试图通过DETECT2000[2]Monte Carlo模拟程序对闪烁晶体的光学输运特性进行计算机模拟,并通过模拟的结果对MicroSPECT系统设计进行论证。

1　模拟系统

1.1　DETECT2000和BUILDER

DETECT2000是专门用于闪烁晶体内闪烁光子行为的Monte Carlo模拟程序。首先需要在晶体内某点或者某区域内定义生成一定数量各向同性的闪烁光子,作为一次闪烁事件的发生。闪烁光子在晶体内部通过折射、散射、反射、波长偏移等光学行为向整个晶体传播,程序依次对每个光子进行跟踪,并对光子的各种随机事件进行随机抽样。最终光子有可能被晶体吸收、从晶体逃逸或者进入探测器单元内, DETECT2000将记录光子的这些行为。表1中列举了常见晶体的一些光学属性参数[3]。在晶体内,各种性质不同的物质的交界面(FINISH)是闪烁光子传播中最重要的环节。通常,光子在这里会发生镜面反射、漫反射、折射等行为。为了更加方便地描述各种不同性质的交界面,DETECT2000预先定义了若干交界面类型,如探测器DETECT面、金属材质METAL面、漫反射PAINT面、镜面反射POLISH面、粗糙表面GROUND面和一般定义表面UNIFIED面。DETECT2000还为位置灵敏光点倍增管定义了一个特殊的探测器表面PS面。

在几何体定义上, DETECT2000中仅提供了点、面、圆柱体和球面的直接定义。其他形状的复杂几何体都由上面4种基本定义组合给出。因此,在DETECT2000中直接定义复杂的几何体的工作量是很大的。可以使用BUILDER[4]工具生成一些常用复杂几何体类型的DETECT2000定义文件。在BUILDER中,对立方体、方形和圆柱形光电倍增管、切割晶体阵列以及以上组件的规则重复做出了定义。对于切割晶体组件,还可以定义晶体不同深度的切槽深度以及宽度。由于BUILDER本身无法对位置灵敏光点倍增管的探测面作出定义以及其他方面的局限性,因此,要在BUILDER生成的DETECT2000定义文件的基础上进行适当的修改才能完成。