伽马光子作用深度探测方法研究

Conventional detecting methods used in nuclear medicine imaging can only give the 2-D location of the γ photons, while the depth of interaction (DOI) of γ photons cannot be identified. If the incident γ rays were not perpendicular to the surface of the crystal, wrong localizations might be made by the detector, which was bad for getting high quality images. Many research groups, especially those interested in PET imaging, do many efforts to develop a detecting method which can identify the DOI of the γ photons, either discretely or continuously. This proposal suggest a research on detecting DOI based on light response function (LRF) and crystal light share, which identify the DOI using statistic algorithm according to the scintillator photon distribution on the back end of the crystal, for the scintillator photon distribution varies obviously with the DOI. Because no extra photon-electric elements and no extra electronic channels were used, and DOI could be continuously identified, this method is expected to be the new improvement point of PET imaging technology. Therefore, this proposal has a scientific significance, and it also could be expected to be used widely in the future.

传统应用于核医学成像的γ光子探测方法只能给出γ光子的二维位置坐标，不能输出γ光子在探测器内作用深度信息。这在光子斜射的情况下会造成定位错误，引起成像质量下降。国际上，特别是正电子发射断层成像相关研究组近年来致力于发展针对γ光子作用深度的探测方法，给出离散或连续的γ光子作用深度信息。本项目提出研究基于光响应函数和晶体分光技术相结合的γ光子作用深度探测方法，这种方法利用特殊的晶体分光设计造成晶体后端面闪烁光分布随其发出位置不同而产生的明显差异，通过仅测量晶体后端面闪烁光分布再由统计算法估计闪烁光源位置，从而达到探测γ光子作用深度的目的。由于这种探测方法不增加光输出及后续电子学读出通道，且可以给出连续的作用深度信息，将成为γ成像特别是PET成像技术改进的方向。因此，本项目研究的开展将具有重要的科学意义，且暗藏着巨大的应用前景。

传统用于医学成像的γ光子探测器只能给出γ光子入射探测器的二维位置坐标，而不能给出作用深度。在光子斜射如探测器的时候，缺少深度信息会造成定位错误，引起成像质量下降。很多研究组提出了不同的技术方案，研制γ光子作用深度探测器，试图给出离散或连续的γ光子作用深度信息，这些技术取得了可观的效果，但有一个共同的特点就是探测器结构太复杂，要么需要多层晶体，要么需要双端读出。本项目研究一种单端读出的γ光子作用深度探测方法，该方法通过测量晶体后端面的光响应函数对γ光子作用位置进行解码，得到γ光子的作用深度信息。其主要研究内容有：闪烁光在晶体中的扩散机理，光响应函数的测量方法，以及位置解码算法的实现。我们建立了闪烁光在晶体中输运的蒙卡模拟计算模型及程序，开发了针对SiPM探测器的高密度多通道快速信号处理电路，搭建了实验测试平台，编制了通过光响应函数解码作用深度位置的程序。模拟计算和实验验证的结果表明，采用连续晶体和像素化的SiPM单端耦合，配合高密度多通道快速信号读出电路，可以实现光响应函数的测量，并且可通过深度位置解码算法获得γ光子的作用深度，其深度位置分辨率（半高全宽）可达2mm左右。但是在应用到实测数据时，测量偏差较大，出现了向后端“压缩”的现象。因此，具体应用到实际的探测时，还应对探测器进行刻度和标定。