1月22日，深圳湾实验室生物医学工程研究所顾峥课题组在生物医学成像领域权威期刊Physics in Medicine & Biology 上发表了题为“A multi-resolution TOF-DOI detector for human brain dedicated PET scanner”的研究论文。该工作研发了一种创新性双叠层、多分辨率PET探测器，其中上层晶体解码了1.53mm晶体像素以实现高空间分辨率，下层晶体达到了优于300ps的飞行时间（Time of flight, TOF）分辨率以及4.1mm的作用深度（Depth of interaction, DOI）分辨率，晶体总厚度为21mm保证了高探测效率。该探测器为下一代高空间分辨、高灵敏度人脑PET系统研制奠定了核心技术基础。
专用于人脑部的正电子发射断层扫描仪（Positron Emisson Tomography, PET）是脑肿瘤、神经退行性疾病、脑血管疾病、精神分裂、抑郁等疾病研究和诊断的强有力的影像装备。影响脑PET成像性能的探测器关键参数包括固有空间分辨率、DOI分辨能力、TOF分辨率。然而，TOF、DOI 和固有空间分辨率之间是相互制约的，是高性能脑 PET研发需要解决的关键问题和重大挑战。
2024年1月22日，深圳湾实验室生物医学工程研究所顾峥课题组在生物医学成像领域权威期刊Physics in Medicine & Biology 上发表了题为“A multi-resolution TOF-DOI detector for human brain dedicated PET scanner”的研究论文。在该论文中，作者提出了一种创新性双叠层、多分辨率PET探测器设计，可同时达到高空间分辨率、高DOI分辨率、高TOF分辨率以及高探测效率。其结构如图1所示，上层采用1.53mm较小截面尺寸的晶体像素，以实现更高的空间分辨率；中间层使用的光导引入了晶体间的光共享，以实现高的DOI分辨率；下层采用3.0mm较大截面尺寸的晶体像素，并与硅光电倍增管1:1耦合读出，以降低闪烁光探测的时间涨落，提高TOF分辨率；晶体总厚度为21mm，保证了高探测效率。
图1 研究论文中提出的双叠层、多分辨率PET探测器设计，可以达到高空间分辨率、高DOI分辨率、高TOF分辨率和高探测效率。
利用上层和下层晶体中闪烁光分布的不同特征，作者首先使用卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）的方法来区分发生在上层或下层晶体中的伽马事件，得到了清晰的晶体解码图和能谱（图2）。利用数学模型对闪烁光分布进行表征，实现了在下层晶体中可以区分至少3个作用深度，并得到4.1mm的平均DOI分辨率（图3）。最后，利用获取的DOI和能量信息对伽马事件的触发时间进行校正优化，两个探测器下层晶体的符合事件达到了优于300 ps的TOF分辨率（图4）。
图2 基于上下两层晶体中闪烁光分布的不同特征，使用CNN成功将两层晶体中的伽马事件进行区分，得到晶体解码图和能谱。
图3 利用w-value和v-value数学模型对闪烁光分布进行表征，可以区分不同深度的伽马事件，并得到4.1mm的DOI分辨率。
图4 经过校正优化后的下层晶体TOF符合时间分辨率达到298ps。
这项研究实现了一种高空间分辨、高DOI分辨、高TOF分辨和高探测效率的创新性探测器，为下一代高空间分辨、高灵敏度人脑专用PET系统的研制奠定了核心技术基础。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和深圳湾实验室的支持。深圳湾实验室生物医学工程研究所顾峥课题组的博士后何文为本文的第一作者，特聘研究员顾峥为本文的通讯作者。
原文信息：
A multi-resolution TOF-DOI detector for human brain dedicated PET scanner
来源 | 顾峥课题组
编辑 | 鲍 啦
责编 | 远 山
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