袁 波，曲桂红，欧海峰，赵书俊,*

(1.郑州大学 物理学院(微电子学院)，河南 郑州 450001； 2.北京大基康明医疗设备有限公司，北京 100176； 3.河南工业大学 理学院，河南 郑州 450001)

正电子发射断层成像(PET)可实现活体功能性成像，在肿瘤学、神经学、心血管学以及药物研发等领域有重要作用[1]。自20世纪70年代PET发明以来，很多新技术应用于PET使得其性能显著提升。这些技术包括与CT结合、新型闪烁晶体、TOF技术、硅光电倍增管等[2-4]。尽管PET已取得了很大进步，然而轴向长度一直在20 cm左右[5-7]。由于探测器只能覆盖部分人体，导致大量的信息无法探测到[8]。为解决这一问题，很多学者对长轴向长度的PET进行了研究。如Cherry等[9]开发了轴向长度为2 m的全身PET，Kowalski等[10]开发了塑料闪烁晶体的全身J-PET，Karp等[11]开发了PennPET Explorer。

以上学者均是设计开发全新的PET，本文拟利用现有成熟的商业PET，通过改变轴向长度以及晶体材料研究其对PET灵敏度和散射分数的影响。OpenGATE协助组织开发的蒙特卡罗模拟工具Geant4 GATE是一开源的专用于医学影像和放疗的模拟平台[12-13]。GATE无需使用者掌握C++，通过mac文件即可模拟现实物理过程，得到模拟结果，在开发新型设备、最优化设计等方面发挥着越来越重要的作用。自GATE问世以来，基于GATE的PET研究已获得了大量成果[14-17]。

PET的探测器决定了它的性能指标，探测器的核心部件是闪烁晶体。Ghabrial等[18]研究了不同晶体对PET的影响，Kuang等[19]研究了硅光电倍增管读出的性能表现。目前，LYSO和LSO晶体是PET的主流晶体，与此同时还有其他晶体可用于PET探测器，如GSO、YAP、CeBr3和LuAP[20-21]。本文以轴向长度(AFOV)为164 mm的 Philips Vereos PET/CT和轴向长度为261 mm的Biograph Vision PET/CT为原型，根据NEMA NU2—2012标准比较LYSO、LSO、GSO、YAP、CeBr3和LuAP等晶体对灵敏度和散射分数的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

Philips Vereos PET/CT，飞利浦公司，直径764 mm，由LYSO晶体构成，共18个探测器模块，32×40个小晶体组成1个探测器模块，轴向由40环晶体构成，轴向长度164 mm。能窗450～613 keV，时间分辨率310 ps。

Biograph Vision PET/CT，西门子公司，直径78 cm，由LSO晶体构成，共19对探测器，5×5个小晶体组成1个小模块，4×2个小模块组成1个模块，8个模块组成的探测器环轴向长度为261 mm。能窗435～650 keV，时间分辨率214 ps。

Philips Vereos PET/CT和Biograph Vision PET/CT的详细参数列于表1。

表1 Philips Vereos PET/CT和 Biograph Vision PET/CT的详细参数[5-6]Table 1 Parameter of Philips Vereos PET/CT and Biograph Vision PET/CT[5-6]

1.2 方法

NEMA标准是美国电器制造协会制定的用于PET设备的检测标准。它主要定义了空间分辨率、散射分数、噪声等效计数率、灵敏度等参数。本文拟根据此标准在GATE平台上模拟Philips Vereos PET/CT和Biograph Vision PET/CT的相关参数。

GATE是由OpenGATE collaboration开发的专用于PET模拟的蒙特卡罗工具，是目前广泛使用的PET仿真平台。GATE的可视化模拟图示于图1。它以Geant4为核心进行二次封装，用户只需使用宏命令即可操作运行。不需要复杂的编程，界面友好。geometry和digitizer两个子模块是模拟PET的关键，geometry定义了PET的几何结构，包括晶体材料、晶体尺寸、组合方式等参数；digitizer定义了核电子学部分，包括符合时窗和能窗等参数。通过定义相关参数，GATE可精确模拟实际物理过程，并将这些信息存储在root格式的文件中。本文采用root输出格式，并采用欧洲核子中心开发的ROOT工具[22]进行数据分析。

图1 GATE中的Biograph Vision PET/CT模型Fig.1 Model of Biograph Vision PET/CT in GATE

模拟时，对Philips Vereos PET/CT依次增加轴向长度直至1 968 mm，每次增加82 mm；对Biograph Vision PET/CT依次增加轴向长度直至1 957.5 mm，每次增加65.25 mm。在不同晶体材料模拟中，以原型机的轴向长度为蓝本将原晶体替换成LYSO、LSO、GSO、YAP、CeBr3和LuAP等晶体，晶体的尺寸、组合方式、能窗等参数均与Philips Vereos PET/CT和Biograph Vision PET/CT中的参数保持一致，并没有针对这些晶体做最优化设计。

1) 散射分数

PET探测到的符合事例分为3种：真符合、随机符合以及散射符合。散射分数表征的是散射符合事例的比例。散射分数(SF)由式(1)计算。一般来说散射分数越小，PET剔除散射符合事例的能力越强，PET性能越好。

SF=Ns/(Ns+Nt)

(1)

式中：Ns为散射符合的总计数；Nt为真符合的总计数。

根据NEMA NU2—2012标准，散射分数的测量体模为直径203 mm、长70 cm的聚乙烯圆柱体，聚乙烯的密度为0.96 g/cm3。放射源位于距离中心下方4.5 cm处，放射源充满在内径3.2 mm、外径4.8 mm的圆柱体内。散射分数的测量体模如图2所示。在进行散射分数模拟时，根据NEMA标准设置体模和放射源，长700 mm的均匀放射源的放射性活度为106Bq，采集时长为200 s。

图2 NEMA NU2—2012标准使用的散射分数测量体模Fig.2 Schematic diagram of scattering fraction phantom used in NEMA NU2-2012 standard

2) 灵敏度

灵敏度反映的是PET对γ光子的探测能力，灵敏度越高表示探测能力越强，单位常为kBq-1·s-1。NEMA NU 2—2012中的灵敏度模型是一个长700 mm的线源，被5个长700 mm的同心铝制圆柱包裹。灵敏度测试在探测器中心以及偏离中心100 mm处进行。为减小模拟工作量和模拟时间，本文只对中心灵敏度进行研究。模拟时，直径3.9 mm的均匀放射源放射性活度为106Bq，位于探测器中心位置,采集20 s。

2 结果与讨论

2.1 散射分数

Philips Vereos PET/CT和Biograph Vision PET/CT的模拟散射分数分别为29.6%和35.1%，实验值分别为31%和37%，模拟值与实验值吻合，反映了模拟的可靠性。模拟时进行了简化处理，如没有考虑检查床和覆盖探测器的外壳，导致模拟散射分数较实验值稍小。

散射分数与轴向长度的关系示于图3，晶体材料的散射分数列于表2。从图3和表2可看出，能窗相同时，在3D数据采集模式下，轴向长度和晶体材料对散射分数没有明显影响。文献[18]中的其他晶体也有类似结果。

图3 不同轴向长度下Philips Vereos PET/CT(a)和Biograph Vision PET/CT(b)的散射分数Fig.3 Scatter fraction of Philips Vereos PET/CT (a) and Biograph Vision PET/CT (b) with different AFOV

表2 不同晶体材料的参数及散射分数和灵敏度Table 2 Scattering fraction and sensitivity of different crystal materials

2.2 灵敏度

轴向长度与灵敏度的关系示于图4，各晶体材料的灵敏度列于表2。Philips Vereos PET/CT和Biograph Vision PET/CT实验灵敏度分别为5.1 kBq-1·s-1和16.4 kBq-1·s-1，模拟灵敏度分别为5.8 kBq-1·s-1和17.3 kBq-1·s-1，模拟值与实验值吻合。从图4可看出，随着轴向长度的增加，灵敏度也在增加，但这种增加是非线性的，且在某一长度处变化最明显，不同型号PET/CT对应变化最明显的轴向长度也不同。Philips Vereos PET/CT的轴向长度达1 968 mm时，灵敏度为229.3 kBq-1·s-1，是原轴向长度164 mm时的44.9倍，灵敏度在738 mm处变化最明显，达101.3 kBq-1·s-1；Biograph Vision PET/CT轴向长度达1 957.5 mm时，灵敏度为271.5 kBq-1·s-1，是原轴向长度261 mm时的16.5倍，灵敏度在轴向长度848.25 mm处变化最明显，达148.7 kBq-1·s-1。本文模拟的灵敏度主要受几何探测效率影响，即轴向长度的增加提高了几何探测效率。在某一长度处变化最明显的原因可能如下：1) NEMA标准测试所用的体模长度为700 mm，在PET轴向长度超过700 mm后没有贯穿整个探测器；2) 轴向长度的增加对于几何灵敏度的提升是非线性的。轴向长度为2 m的Exprorer PET的灵敏度为191.5 kBq-1·s-1，轴向长度为100 cm的J-PET的灵敏度为14.9 kBq-1·s-1，轴向长度为68 cm的PennPET Explorer的灵敏度为54 kBq-1·s-1[9-11]，Varsha等[23]模拟的轴向长度为70 cm的PET的灵敏度为90.5 kBq-1·s-1，Thyssen等[24]模拟的轴向长度104 cm的PET的灵敏度为246.7 kBq-1·s-1。J-PET虽然轴向长度长，但由于采用塑料闪烁体，其灵敏度较相同轴向长度的PET的灵敏度低得多。本文研究的PET的灵敏度较其他研究者的结果高，原因可能如下：1) 本文模拟的轴向长度更长，几何探测效率更高；2) 本文是在成熟的商业PET的基础上进行的模拟，其技术已很成熟，其他研究者则是提出的新PET；3) 模拟毕竟是理想化的，很多实际物理过程并未完全考虑进去。从表2可看出，灵敏度表现最好的晶体为LuAP，其在Philips Vereos PET/CT和Biograph Vision PET/CT中的灵敏度分别达到了7.3、18.8 kBq-1·s-1。灵敏度表现最差的晶体为YAP。这主要是由于晶体密度、晶体探测效率不同及晶体的自吸收导致的。LuAP是一种更好的探测器晶体材料，但目前制造工艺限制了其在PET领域的大规模应用。

图4 不同轴向长度下Philips Vereos PET/CT (a)和Biograph Vision PET/CT (b)的灵敏度Fig.4 Sensitivity of Philips Vereos PET/CT (a) and Biograph Vision PET/CT (b) with different AFOV

3 结论

1) 利用蒙特卡罗模拟工具GATE模拟了Philips Vereos PET/CT及Biograph Vision PET/CT，根据NEMA NU2—2012标准得到的灵敏度和散射分数与实验值符合良好，说明了模拟的可靠性。

2) 轴向长度的增加对灵敏度的提升是显著的，但对散射分数没有明显影响。对于不同的PET，对应灵敏度变化最为明显的轴向长度也不同。在部分模拟中，PET的轴向长度超过了NEMA测试体模的长度，在长轴向长度PET成为市场主流后，NEMA标准应修改其部分测量参数以适应PET的发展趋势。

3) 在不改变其他参数的情况下，模拟的6种晶体材料中，LuAP的灵敏度较其他晶体更为优异。

长轴向PET是未来PET发展的一个方向，下一步的研究可从以下两方面入手：1) 构建模拟全封闭PET探测器结构，即将探测器环两端也加上探测器构成一个全封闭空间，而不是像本文仅增加轴向长度；2) 对于不同的晶体要根据每个晶体材料的物理特性进行最优化设计，而不是进行简单的替换。