采用GAGG:Ce材料和带有光学阻隔狭缝的光导装置的亚毫米级像素化光谱探测器

《IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences》：Submillimeter Pixelated SPECT Detector Using GAGG:Ce and Light Guide With Optical Barrier Slits

本研究提出基于Ce掺杂GAGG晶体的单光子发射计算机断层扫描（SPECT）探测器设计，通过优化光导结构和光学屏障（OB） slit配置，显著提高边缘晶体空间分辨率。实验表明Array-BaSO4阵列能量分辨率达15.33%±0.96%，晶体分离性能（FMQ=1.81±0.45）优于Array-ESR（13.19%±0.68%，FMQ=1.52±0.38），且具有更便捷的制造优势，适用于无检测死区的大规模高分辨率SPECT系统。

　　

摘要：

在核医学成像系统中，探测器的固有空间分辨率是最重要的性能指标之一。在这项工作中，我们旨在使用像素化的掺铈钆铝镓石榴石（GAGG:Ce）闪烁体和硅光电倍增管（SiPM）阵列开发一种高分辨率的单光子发射计算机断层扫描（SPECT）探测器。我们特别关注提高边缘晶体的分辨能力。我们提出在光导上放置光学屏障（OB）狭缝，以增强边缘晶体的光分布差异。我们对两种闪烁体阵列（分别称为Array-ESR和Array-BaSO4）的光学屏障设计进行了实验优化，其中Array-ESR使用增强型镜面反射器（ESR）薄膜，而Array-BaSO4使用硫酸钡（BaSO4）作为反射器。这两种阵列都使用了尺寸为31×31毫米的GAGG:Ce晶体。我们引入了“漫射图质量”（FMQ）参数来评估相邻晶体响应的分离程度。实验结果表明，对于Array-ESR，采用两个7°光学屏障狭缝和两个11°光学屏障狭缝的光导设计能够分辨出92.40%的晶体，能量分辨率为13.19%±0.68%。其FMQ值为1.52±0.38。对于Array-BaSO4，最佳设计是使用四个7°光学屏障狭缝的光导，能够分辨出98.75%的晶体，能量分辨率为15.33%±0.96%，FMQ值为1.81±0.45。总体而言，由于其良好的晶体分辨性能和便于制造的特点，Array-BaSO4更适合用于构建SPECT探测器。本研究提出了一种实用的亚毫米级像素化SPECT探测器设计，该设计没有检测死区且电子设备紧凑，有望用于构建大规模高分辨率SPECT系统。

引言

采用无机闪烁体和光电探测器的辐射探测器广泛应用于核医学成像系统中，包括单光子发射计算机断层扫描（SPECT）[1]和正电子发射断层扫描（PET）[3]。作为图像形成链中的关键组件，伽马射线探测器捕获来自成像对象的光子，将沉积的能量转换为电信号，并测量光子的空间、时间和能量信息。在探测器的众多性能指标中，固有空间分辨率（即探测器确定光子相互作用位置的精确度）是SPECT和PET成像系统最重要的性能指标之一[4][5]。