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【兆恒機械】PET硅光電倍增管(SiPM)技術(shù)進展

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  • 添加日期:2021年08月09日

一體化PET/MR設(shè)備是在高場磁共振成像(MRI)設(shè)備平臺上,將最新技術(shù)的PET探測器植入到MR的體線圈和梯度線圈之間,采用MRI信息對PET成像過程γ射線在組織細胞衰減進行校正(MR based attenuation correction, MRAC),使用PET的飛行時間技術(shù)(Time of flight, TOF)以實現(xiàn)PET與MR同步掃描的最新型分子成像設(shè)備。在一體化 PET/MR設(shè)備中,PET探測器元件組成對一體化PET/MR設(shè)備整體結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用,以及能否實現(xiàn)PET與MRI同步掃描至關(guān)重要。PET探測器主要由晶體、光電轉(zhuǎn)化器和后續(xù)電子線路組成。在一體化PET/MR設(shè)備中,PET的晶體只能選擇短余暉時間的晶體(LSO、LBS或LYSO),PET探測器的光電轉(zhuǎn)化器只能選擇對磁場不敏感固態(tài)光電轉(zhuǎn)化器(Solid state photomultiplier tubes, SSPM)。盡管雪崩式二極管(Avalanche photo diode, APD)和硅光電倍增管(Silicon photomultipliers, SiPM)均屬于SSPM。但是,APD與SiPM之間存在本質(zhì)的區(qū)別,SiPM是固態(tài)陣列式光電轉(zhuǎn)化器,而APD與傳統(tǒng)的光電倍增管(Photomultiplier tubes,PMT)類似是單個獨立的光電轉(zhuǎn)換器[1,2,3]。早期一體化PET/MR選擇 APD作為PET探測光電轉(zhuǎn)化器,其設(shè)備性能和應(yīng)用均未達到預(yù)期的目標(biāo)。自從2008年推出新一代SiPM以來,SiPM空間分辨率、穩(wěn)定性、熱敏感型、磁場兼容性和PET的TOF分辨率等得到大幅度提高,SiPM已經(jīng)成為一體化PET/MR分子成像設(shè)備的最佳選擇。為此,本文主要介紹 SiPM技術(shù)、性能和應(yīng)用的進展。




1. SiPM的基本結(jié)構(gòu)



SiPM是一種新型的光電探測器件,由工作在蓋革模式(Geiger mode)的雪崩二極管陣列所組成。濱松公司稱這種模式為多像素光子計數(shù)器(Multi-pixel photon counter, MPPC), 而SENSL公司稱作硅光電倍增管(SiPM)。目前,以SiPM縮寫為多數(shù)學(xué)者和科研人員所接受。盡管SiPM是基于APD發(fā)展起來的新技術(shù),但是SiPM克服了APD技術(shù)的固有缺陷并且具有更好的磁場兼容性、熱穩(wěn)定性和極高的時間分辨率能夠?qū)崿F(xiàn)PET的TOF技術(shù)。所以,SiPM完全取代APD已經(jīng)成為業(yè)界共識。

(1)APD

蓋革和米勒(Geiger-Mueller)于1928年發(fā)明了蓋革計數(shù)管,并被用于多種輻射探測。APD是基于GM原理發(fā)展起來的技術(shù),在以硅或鍺為材料制成的光電二極管的P-N結(jié)上加上反向偏壓后,射入的光被P-N結(jié)吸收后會形成光電流。加大反向偏壓會產(chǎn)生“雪崩”(即光電流成倍地激增)的現(xiàn)象,因此這種二極管被稱為“雪崩光電二極管”。雪崩光電二極管是一種p-n結(jié)型的光檢測二極管,其中利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。其基本結(jié)構(gòu)常常采用容易產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)的Read二極管結(jié)構(gòu)(即N+PIP+型結(jié)構(gòu),P+一面接收光),工作時加較大的反向偏壓,使得其達到雪崩倍增狀態(tài);它的光吸收區(qū)與倍增區(qū)基本一致(是存在有高電場的P區(qū)和I區(qū))[1,3]。

APD優(yōu)勢為固態(tài)光電轉(zhuǎn)化器,對磁場敏感度不高,能夠達到一定程度的集成化。但是,其缺點是對熱極其敏感,需要專門的水冷系統(tǒng),磁場對其有一定程度的干擾,因而影響其PET成像質(zhì)量。很難實現(xiàn)高度集成化,使其在體線圈和梯度線圈之間的屏蔽(磁屏蔽和射線屏蔽)效果不盡人意,同時影響PET和MR設(shè)備性能。不能實現(xiàn)PET的TOF技術(shù),無法在PET/MR系統(tǒng)充分發(fā)揮PET性能,影響PET與MR同步掃描。 

(2)SiPM

SiPM技術(shù)發(fā)明于二十世紀(jì)九十年代末,以從硅(Si)襯底上的雪崩光電二極管(APD)陣列內(nèi)置硅單光子敏感的設(shè)備。每個硅光電倍增管由大量的(幾百到幾千個)APD單元組成,每個單獨的APD的尺寸可以從20至100微米而變化,并且它們的密度每平方毫米可高達1000個以上,每一個單元由一個APD和一個大阻值淬滅電阻串聯(lián)而成,這些微元并聯(lián)成一個面陣列。為硅光電倍增管加上反向偏壓(一般是幾十伏)后,每個微元的APD耗盡層有很高的電場,此時若外界有光子打進來,會和半導(dǎo)體中的電子空穴對發(fā)生康普頓散射,打出電子或空穴,高能的電子和空穴隨即在電場中加速,打出大量的次級電子和空穴,即雪崩。此時每個微元電路中電流突然變大,在淬滅電阻上降落的電壓也變大,APD中的電場瞬間變小,即APD輸出一個瞬時電流脈沖后雪崩停止,不同微元的淬滅電阻阻值相同,所以理論上講每個微元會輸出等大的脈沖。每個微元都是邏輯單元,有信號輸出是“1”,沒有信號就是“0”。在硅光電倍增管的動態(tài)范圍內(nèi),它輸出電流的大小就和發(fā)生雪崩的微元數(shù)成正比。

SiPM是將多個APD以陣列方式通過高度集成化起來。與APD相比較,SiPM具有增益和靈敏度高、偏置電壓低、對磁場不敏感、受溫度影響小、結(jié)構(gòu)緊湊和能夠?qū)崿F(xiàn)PET的TOF技術(shù)等特點。由于工作的偏置電壓低,所以幾乎不受磁場影響;結(jié)構(gòu)緊湊有利于對PET探測器進行更有效地屏蔽(磁場和放射線);將APD以陣列方式高度集成化起來使其對熱變化更加穩(wěn)定;具有TOF技術(shù)能夠提高PET圖像質(zhì)量,消除PET圖像的“熱氣管”征象偽影和“正電子穿透效應(yīng)”偽影, 真正實現(xiàn)PET與MR的同步掃描。

(3)SiPM與APD結(jié)構(gòu)和性能比較

 表1 是SiPM與APD、傳統(tǒng)的光電倍增管性能比較??梢钥闯鯯iPM具有增益高、工作偏置電壓低、受溫度影響小、對磁場不敏感、能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成化、能夠?qū)崿F(xiàn)PET的TOF技術(shù)等絕對的優(yōu)勢。如果我們對表中原始數(shù)據(jù)進行分析可以獲得SiPM對溫度的變化僅僅是0.3%/℃,而APD是1~3%/℃。可以看出SiPM對溫度的穩(wěn)定性是APD的10倍。Spanoudaki 等引用先前的數(shù)據(jù)認(rèn)為SiPM存在對溫度敏感是一些學(xué)者采用90年代產(chǎn)品測試的結(jié)果[4]。Disselhorst等引用的兩篇文章僅僅涉及到APD,并沒有溫度對SiPM影響的數(shù)據(jù)[5,6]??梢?,Spanoudaki 和Disselhorst等報道的數(shù)據(jù)要么是采用90年代的SiPM測試結(jié)果,要么是引用了沒有依據(jù)的文獻。相反,通過對數(shù)據(jù)的系統(tǒng)回顧,可以確認(rèn)的是SiPM對溫度變化并不敏感,對溫度具有極好的穩(wěn)定性[2,7]。本文表1的數(shù)據(jù)來自2011年更新后的數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)直接來自SiPM生產(chǎn)廠家,具有更高的可信程度。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、工藝進步,SiPM的性能已經(jīng)被大幅度提高。反而可以從采用了APD的PET/MR的文獻(Delso G等報道)中清晰地看到,PET探測器采用LSO晶體和APD后,在APD單元配置水冷系統(tǒng)。這也是自2010以來學(xué)者們認(rèn)為SiPM將完全取代APD的原因。

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2. SiPM在PET分子成像中應(yīng)用


   

由于SiPM具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢,特別適合于PET的探測器,SiPM已經(jīng)被用于獨立的PET、PET/CT設(shè)備和一體化PET/MR設(shè)備中,并且獲得非常滿意的臨床圖像。

(1) 用于獨立的PET或PET/CT成像

PET/CT的PET探測器使用SiPM后其PET探測器的靈敏度、空間分辨率和圖像對比度大幅度提高,并且可以將給患者的注射劑量大幅度降低或顯著提高掃描速度。采用SiPM的PET探測器PET/CT已經(jīng)在2013年6月11日獲得FDA批準(zhǔn)進入美國市場銷售。

(2) 用于一體化帶有TOF技術(shù)同步掃描的PET/MR

采用SiPM光電轉(zhuǎn)換器PET探測器的一體化帶有TOF技術(shù)的PET/MR于2014年11月24日獲得FDA批準(zhǔn)進入美國市場銷售。迄今,使用SiPM探測器具有TOF技術(shù)的一體化PET/MR在全球的銷售量已經(jīng)達到69臺。在我們國內(nèi)安裝用于測試設(shè)備已經(jīng)獲得非常好的臨床圖像。這些更進一步說明SiPM具有更好的穩(wěn)定性,APD技術(shù)已經(jīng)被淘汰。

 

綜上所述。可以看出SiPM具有增益和靈敏度高、偏置電壓低、對磁場不敏感、受溫度影響小、結(jié)構(gòu)緊湊和能夠?qū)崿F(xiàn)PET的TOF技術(shù)等特點。在一體化PET/MR設(shè)備中,SiPM已經(jīng)成為最佳的選擇。