魏清阳^1,2, 王粉花¹, 许天鹏³, 贾超³, 江年铭³, 谷宇¹, 马天予², 刘亚强²
1. 北京科技大学 自动化学院, 北京市工业波谱成像工程技术研究中心, 北京 100083;
2. 清华大学 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室, 北京 100084;
3. 北京永新医疗设备有限公司, 北京 102206

收稿日期：2017-12-27
基金项目：国家自然科学基金资助项目（11605008，11375096）；中央高校基本科研业务费资助项目（FRF-TP-15-114A1）
作者简介：魏清阳(1985-), 男, 副教授。E-mail:weiqy@ustb.edu.cn


摘要：正电子发射断层成像仪（positron emission tomography，PET）通常采用模块化闪烁探测器，由闪烁晶体阵列耦合光电传感器阵列构成。近年来硅光电倍增管（silicon photomultiplier，SiPM）广泛应用于PET。虽然SiPM紧密排列可以获得较好性能，但是稀疏排列可以有效降低成本，获得较高性价比。该文采用SensL公司MicroFB-30035-SMT芯片自主拼接了一款8×8的稀疏SiPM阵列，阵列面积为33.7 mm×33.7 mm，SiPM芯片尺寸为3.16 mm×3.16 mm，即阵列间隙面积比例为44%。基于该稀疏SiPM阵列，开发了一款具有作用深度信息的双层错位LYSO晶体PET探测器模块。SiPM间隙为探测死区，将造成光损失。该文评估了在SiPM间隙粘贴增强型镜面反射膜（enhanced specular reflector，ESR）后对探测器性能的影响。在室温下采集了有无间隙反射膜2种情况下的泛场图像。开发了定量评估方法，评估了探测器的光电峰、能量分辨率和晶体响应均方根误差。结果表明：SiPM间隙粘贴反射膜提高光收集量25.5%，将探测器的能量分辨率由13.48%优化到12.80%；泛场图像质量也有了提升，即改善了探测器固有空间分辨率。
关键词：正电子发射断层成像稀疏硅光电倍增管阵列反射膜性能评估
Performance evaluation of a PET detector witha sparse SiPM array and gap reflectors
WEI Qingyang^1,2, WANG Fenhua¹, XU Tianpeng³, JIA Chao³, JIANG Nianming³, GU Yu¹, MA Tianyu², LIU Yaqiang²
1.Beijing Engineering Research Center of Industrial Spectrum Imaging, School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
2.Key Laboratory of Particle & Radiation Imaging(Tsinghua University), Ministry of Education, Beijing 100084, China;
3.Beijing Novel Medical Equipment Ltd., Beijing 102206, China


Abstract: Positron emission tomography (PET) usually uses scintillation detectors consisting of crystal arrays and photoelectric sensor arrays. In recent years, silicon photomultipliers (SiPMs) have been more widely used in PET detectors. Although a closely arranged SiPM array can give high performance, a sparse array gives a more cost-effective system. This paper describes a sparse 8×8 SiPM array using the MicroFB-30035-SMT chip from SensL Inc. The array size is 33.7 mm×33.7 mm while the SiPM chip is 3.16 mm×3.16 mm; thus, the gap ratio is 44%. The sparse SiPM array and a dual-layer offset LYSO array were used in a high performance depth PET detector. The gaps between the SiPMs are dead zones which reduce the optical photon collection. Thus, this work studies the effects of adding enhanced spectral reflector films into the gaps. Flood maps were acquired with and without reflectors at room temperature with the crystal response analyzed to find the photopeaks, energy resolution and root-mean square (RMS) of the crystal response. The results show that the reflectors in the gaps effectively enhance the photon collection (25.5% increase) and optimize the energy resolution of the detector (from 13.48% to 12.80%). The quality of the flood map is also improved, i.e. the intrinsic spatial resolution of the PET detector.
Key words: positron emission tomography (PET)sparse SiPM arrayreflectorperformance evaluation
正电子发射断层成像(positron emission tomography, PET)是核医学上一种功能性分子影像技术。它具有高灵敏度和高度特异的优点，广泛应用于临床疾病诊断和预临床研究中^[1]。PET基于符合技术，探测正电子湮灭产生的一对511 keV光子。它通常采用由闪烁晶体和光电探测器构成的闪烁探测器。高能γ光子与闪烁晶体发生作用沉积能量，闪烁晶体退激产生大量可见光子，通过一定路径的传播和扩散，有部分到达光电传感器且被探测到。通过探测到的可见光子数以及其位置分布，分别估计γ光子的能量和作用位置。
目前硅光电倍增管(silicon photomultiplier, SiPM)成为PET探测器研究的热点^[2-10]。SiPM只需要几十伏电压，具有高量子效率、快速时间响应、小尺寸封装、磁不敏感等优点^[11]。为提高系统性能，SiPM阵列通常尽可能降低SiPM之间的间隙。但在保证系统性能的前提下，增大间隙可减少SiPM使用数量，从而降低PET系统价格，提高性价比。例如，Zhang等^[12]提出了在顶面和底面分别通过一维SiPM阵列获取X和Y坐标的方式，把传统二维阵列降为一维阵列，极大地减少了SiPM使用数量；本课题组采用8×8的有间隙SiPM阵列实现了一款高性能的双层DOI-PET探测器^[13]，间隙占阵列总面积比例达44%。
SiPM之间的间隙粘贴反射膜可以将原本损失的光反射回晶体阵列，再经过多次反射，有可能被SiPM探测到，从而提高光收集量，有希望提高系统的能量分辨率和位置分辨率。本文基于课题组开发的双层DOI-PET探测器模块，定量评估SiPM间隙中增加反射膜对探测器性能的影响。
1 实验与方法1.1 硬件平台采用爱尔兰SensL公司的MicroFJ-30035-TSV^[14]，该型号SiPM有5 676个微单元，像素尺寸35 μm×35 μm，灵敏面积3.07 mm×3.07 mm，封装尺寸3.16 mm×3.16 mm。自主拼接成稀疏8×8阵列，SiPM中心距离4.2 mm，阵列尺寸33.7 mm ×33.7 mm。如图 1a所示，为2组8×8阵列在同一块PCB板上。

图 1 探测器模块与数据采集平台

图选项

上述8×8 SiPM阵列信号由一片ASIC芯片^[15]读出，在芯片内基于电阻网络对64路标准输入加权合并成E、X和Y 3路输出，用于后续能量和二维位置信息的获取，64路快输出以并联形式进行触发时刻的提取。通过ADC芯片(12-bit AD9634, Analog Devices)进行数字化采样，由Xilinx Spartan-6系列FPGA进行采样控制，最后数据通过千兆以太网传输到计算机。采集硬件平台如图 1d所示。
用于对比实验的晶体阵列为自主拼装的双层LYSO晶体阵列，如图 1b所示。LYSO晶体单元(SIPAT, China)六面抛光，尺寸为2 mm×2 mm×7 mm。模块尺寸33.6 mm×33.6 mm×14 mm，顶层为15×15的晶体阵列，底层为16×16的晶体阵列，两层的晶体单元交错排列。14 mm厚的LYSO晶体对511 keV射线的阻挡本领约为70%，因此一对511 keV射线的符合探测效率约为50%。SiPM间隙粘贴的反射膜如图 1c所示，将33.7 mm×33.7 mm的ESR膜(3M公司)裁掉8×8个3.4 mm × 3.4 mm的正方形，即相邻SiPM间隙之间的膜宽度为0.8 mm，上述ESR膜占阵列总面积的35%，与SiPM灵敏区域比值为65.6%。如图 1a所示，左半边为粘贴了反射膜的8×8 SiPM阵列。
1.2 数据采集与定量评估算法系统工作在室温下(约25℃)，SiPM工作电压为27.5 V, 使用左半边8×8 SiPM阵列，在间隙贴膜和不贴膜2种状态下各采集2组数据：1) ²²Na放射源置于晶体阵列正上方，采集20 min；2)本底采集20 min。
根据源数据生成的泛场图像采用均值移动算法进行自动分割^[16]，获得位置查找表，然后生成各个晶体的能谱。由于²² Na为豁免源，活度较弱，LYSO晶体中的¹⁷⁶Lu本底辐射对源能谱有一定的影响，采用相同时间本底采集的数据进行本底能谱扣除，获得校正能谱。基于校正的能谱对511 keV峰位进行自动识别和Gauss拟合，获得光电峰位和能量分辨率。
计算各个晶体响应区域的均方根误差(root mean square, RMS)，用于对探测器的位置解码能力的定量比较^[17]。首先，根据生成的晶体位置查找表CPM，以计数为权重，计算泛场图像(I)上各个晶体响应区域的重心位置，如下所示：

$\left\{ \begin{array}{l}{m_x}\left( k \right)\frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {\sum\limits_{j = 1}^N {iI\left( {i, j} \right)\delta \left( {{\rm{CPM}}} \right)\left( {i, \mathit{j}} \right) = k} } }}{{\sum\limits_{i = 1}^N {\sum\limits_{j = 1}^N {I\left( {i, j} \right)\delta \left( {{\rm{CPM}}\left( {i, j} \right) = k} \right)} } }}, \\{m_y}\left( k \right)\frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {\sum\limits_{j = 1}^N {jI\left( {i, j} \right)\delta \left( {{\rm{CPM}}} \right)\left( {i, \mathit{j}} \right) = k} } }}{{\sum\limits_{i = 1}^N {\sum\limits_{j = 1}^N {I\left( {i, j} \right)\delta \left( {{\rm{CPM}}\left( {i, j} \right) = k} \right)} } }}.\end{array} \right.$

(1)

其中: I(i, j)和CPM(i, j)分别为像素(i, j)上灰度值以及查找表所对应晶体号; δ(CPM(i, j) = k)为Dirac函数，当CPM(i, j)=k时值为1，否则为0.
其次，计算各个晶体单元的RMS，如下所示:

$\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{\rm{RM}}{{\rm{S}}_x}\left( k \right) = \sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {\sum\limits_{j = 1}^N {{{\left( {i - {m_x}\left( k \right)} \right)}^2}I\left( {i,j} \right)\delta \left( {{\rm{CPM}}\left( {i,j} \right) = k} \right)} } }}{{\sum\limits_{i = 1}^N {\sum\limits_{j = 1}^N {I\left( {i,j} \right)\delta \left( {{\rm{CPM}}\left( {i,j} \right) = k} \right)} } }}} ,}\\{{\rm{RM}}{{\rm{S}}_y}\left( k \right) = \sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {\sum\limits_{j = 1}^N {{{\left( {j - {m_y}\left( k \right)} \right)}^2}I\left( {i,j} \right)\delta \left( {{\rm{CPM}}\left( {i,j} \right) = k} \right)} } }}{{\sum\limits_{i = 1}^N {\sum\limits_{j = 1}^N {I\left( {i,j} \right)\delta \left( {{\rm{CPM}}\left( {i,j} \right) = k} \right)} } }}} }\\{{\rm{RMS}}\left( k \right) = \sqrt {{\rm{RM}}{{\rm{S}}_x}{{\left( k \right)}^2} + {\rm{RM}}{{\rm{S}}_y}{{\left( k \right)}^2}} .}\end{array}} \right.,$

(2)

RMS的大小反映了探测器解码的程度，RMS值越小表明探测器晶体响应展宽越小，位置解码能力越好。
2 实验结果2.1 泛场图像与质量图 2为SiPM阵列间隙无膜和贴膜的²²Na泛场图像和RMS分布图。2个泛场图像均显示该探测器模块的大部分晶体响应得到较好的区分，即该探测器在2种情况下位置误解码的概率都比较低。从RMS分布图可以看出贴膜的方案对于顶层和底层RMS值都减小了(平均值由4.45降为4.12)，即泛场图像质量提高。RMS图像上还可以看出顶层优于底层，主要原因是顶层不同深度的光收集路经较为一致，光收集统计涨落较小；RMS图像上显示右下值大于左上值，主要原因是由位置加权算法引起的，右下为X、Y权重值大的地方，其噪声相应的也有较大的权重值^[17]。

图 2 (网络版彩图)在有无贴膜2种情况下的泛场图像与RMS分布

图选项

2.2 光电峰位探测器在无反射膜和有反射膜2种情况下的顶层和底层晶体光电峰位分布如图 3所示，其平均光电峰位如表 1所示。结果表明间隙贴反射膜使顶层平均峰位提升了26.4%, 底层平均峰位提升了24.8%, 总模块所有晶体平均峰位提升了25.5%。光电峰位的提升比例小于反射膜与SiPM灵敏区面积的比例，主要原因为反射回晶体的光子将经过较多次的反射才能再次进入SiPM灵敏区，传播和反射过程将有概率被晶体自吸收或被反射膜吸收。

图 3 (网络版彩图)在有无贴膜2种情况下的晶体光电峰位分布图

图选项

表 1 平均光电峰位

	无反射膜/道址	有反射膜/道址	提升比例/%
顶层	3 420±293	4 323±395	26.4
底层	3 575±360	4 462±498	24.8
全部	3 502±339	4 396±458	25.5

表选项






2.3 能量分辨率探测器在无反射膜和有反射膜2种情况下的顶层和底层晶体能量分辨率分布如图 4所示，其平均能量分辨率如表 2所示。结果表明间隙贴反射膜使顶层平均能量分辨率提升了4.3%, 底层平均能量分辨率提升了5.9%, 总模块所有晶体平均能量分辨率提升了5.0%。能量分辨率的提升小于光收集提升对能量分辨率改善的预期，其主要原因是能量分辨率还受闪烁晶体固有发光量统计涨落、电子学噪声等因素影响。

图 4 (网络版彩图)在有无贴膜2种情况下的晶体能量分辨率分布图

图选项

表 2 平均能量分辨率

	无反射膜/%	有反射膜/%	优化比例/%
顶层	12.89±0.66	12.33±0.64	4.3
底层	13.99±1.36	13.16±1.36	5.9
全部	13.48±1.20	12.80±1.22	5.0

表选项






3 结论PET探测器出于降低成本考虑，SiPM阵列可采用稀疏排列方式。本课题组所设计的稀疏8×8 SiPM阵列可以减少44%的SiPM使用量，在SiPM间隙粘贴ESR反射膜后可以提高光收集量25.5%，能量分辨率由13.48%优化到12.80%, 探测器泛场图像质量也获得提高。本文验证了稀疏SiPM粘贴反射膜可以有效提高探测器的能量分辨率和空间分辨率，这对未来搭建高性价比的PET系统具有重要指导意义。

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