Micro-PET探测器单元的研究

    癌症是导致人类死亡的重要疾病之一，肿瘤学在降低发病率的关键技术上至今没有取得令人瞩目的重大突破。众所周知，提高癌症患者治愈率的关键是早期诊断、早期发现、及时治疗。现在，癌变组织的无创伤诊断已成为肿瘤学诊断的发展方向和潮流，发展一种快速、准确、方便、低廉的医用肿瘤诊断设备是非常实际和十分有意义的课题。

    正电子断层扫描仪（PET）的原理是将人体代谢所必需的物质，如：葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸等标记上具有正电子放射性的短寿命核素(如¹⁸F)制成显像剂(如氟代脱氧葡萄糖，简称 FDG)，注入人体后进行扫描成像。因为人体不同组织的代谢状态不同，所以这些被核素标记了的物质在人体各种组织中的分布也不同，如：在高代谢的恶性肿瘤组织中分布较多，这些特点能通过图像反映出来，从而可对病变进行诊断和分析。由于其原理是基于生物的新陈代谢，因此可以区分良性肿瘤和恶性肿瘤。

    目前，我们正在研制重离子治癌装置上的 PET。同时也致力于 Micro-PET 的研究，以便能在中小型医院普及。

    1 Micro-PET 探测单元

     1.1 PET 成像原理

    经过标记了正电子放射性核素（如¹¹C，¹³N，¹⁵O 和¹⁸F 等）的药物注射入人体，它衰变时产生的正电子在人体组织中运动很短距离后(一般<2mm)和电子相遇而湮没，产生两个能量为 511 keV 的相反方向发射的 γ 光子。符合测量两个 γ 光子就可以确定电子对湮没的方位，从而确定发射体的方位。由于恶性肿瘤组织新陈代谢旺盛，吸收放射性药物比一般组织多，通过测量放射性药物的密度分布就可以确定恶性肿瘤组织的分布情况^[1]，从而为重离子治癌提供准确数据。

    1.2 探测单元结构

    图 1 为 Micro-PET 探测器单元结构，由 64 个6 mm×6 mm×10 mm BGO(Bi₄Ge₃O₁₂)和一只 64 个分立阳极结构的光电倍增管^[2]（Hamamatsu H8500）组成。每个 BGO 晶体侧面磨砂处理，前、后表面抛光，侧面和前表面由 Taflon 膜包裹，后表面与H8500 耦合。H8500 多阳极光电倍增管具有 64 个分立阳极，构成 8×8 矩阵，每个阳极灵敏面积为6mm×6 mm，总的有效探测面积为 49mm×49mm。64 个分立的 BGO 晶体单元与光电倍增管 64 个阳极灵敏面一一对应耦合，如图 2 所示。BGO 晶体与H8500 入射窗之间均匀涂上硅脂，硅脂的折射率和频率响应等特性与 BGO 晶体接近，几乎不影响光线传输，从而提高了传输效率。

    如果采用逐个阳极读出 H8500 64 个分立阳极信号，每个信号独立放大、成形、甄别、QDC(Charge-to-digital converter，电荷-数字转换器)和TDC(Time-to-digital converter，时间-数字转换器)记录，读出系统将十分庞大、复杂和昂贵。因此，Micro-PET 64 个阳极输出信号采用无源电阻网络-DPC(Discretized positioning circuit)电桥读出^[3]，图3 是读出电阻网络示意图。将光电管的 64 路阳极用电阻网络连接，简化成 4 路输出信号 A、B、C、D。入射光子的位置公式为：