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在 PET 系统中，为提升 511keV 光子对的符合时间分辨率（CTR），研究人员以曼尼托巴大学正在开发的脑 PET 为基础开展研究。结果显示，特定晶体和双层偏移（DLO）配置可优化性能，这对提升脑 PET 成像质量意义重大。
在医学影像领域，正电子发射断层扫描（PET）广泛应用于肿瘤学、心脏病学和神经病学等多个医学领域。传统 PET 扫描仪在检测由正电子发射放射性核素湮灭产生的伽马射线时，存在诸多问题。比如，图像质量受多种因素影响，像散射、衰减和随机符合等会导致图像出现伪影 ，而且其定位发射事件的准确性也有待提高。为了改善 PET 图像质量，飞行时间 - PET（TOF-PET）扫描仪应运而生，它通过测量两个湮灭光子检测之间的时间差，能更准确地确定发射事件的位置，进而提高图像质量和信噪比（SNR）。然而，TOF-PET 扫描仪的性能很大程度上依赖于探测器。当前，开发具有更高时间分辨率和光子检测效率的探测器成为研究热点，同时还要兼顾成本、灵敏度和读出电路性能等多方面因素，但这面临着诸多挑战。
在此背景下，来自伊朗伊斯法罕大学物理学院、生物医学工程系，日内瓦大学医院核医学与分子成像科以及加拿大曼尼托巴大学放射科的研究人员展开了研究。他们旨在为曼尼托巴大学开发的实验性脑 PET 系统设计探测器，期望通过优化设计提升时间分辨率，最终提高图像质量，助力检测更小的肿瘤，改善患者分期。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：
- 蒙特卡罗模拟：使用 Geant4 应用于断层发射（GATEv9.3）进行光学模拟，这是一种用于医学物理应用的蒙特卡罗模拟工具包，以此来寻找优化设计，提高 PET 图像的时间分辨率和信噪比。
- 构建多种模型：模拟了四种不同光学组成、表面处理和反射材料的 LYSO 晶体对，还设计了包括双层偏移探测器在内的更综合模型，并与单层块探测器进行对比。
下面介绍该研究的主要结果：
- 晶体材料和长度对 CTR 的影响：研究发现，LYSO 晶体在相同条件下比 LSO 晶体的 CTR 提高了 12%，且随着晶体长度增加，CTR 逐渐下降。如 3×3×20mm3 的 LYSO 晶体 CTR 为 329ps，相较于 10mm 的晶体，CTR 恶化了 26% 。
- 光学条件对 CTR 和能量分辨率的影响：表面粗糙且使用 ESR 反射器的 Model-3 晶体达到了最佳的 CTR，为 250ps FWHM，能量分辨率为 13.6% FWHM。而表面抛光且使用 Teflon 反射器的 Model-2 晶体能量分辨率最佳 。
- 双层偏移探测器的优势：双层配置相较于单层块探测器，CTR 提高了 17.5%，能量分辨率提高了 5.4%。
在结论和讨论部分，研究表明 LYSO 晶体因具有优越的时间性能、光输出和能量分辨率，是比 LSO 更合适的闪烁体材料，且从经济角度看，其成本效益更高。反射器材料和表面处理等光学条件对 CTR 影响显著，选择合适的反射器材料需要综合考虑多方面因素。此外，双层偏移探测器在提高时间和能量分辨率方面具有优势，不过增加晶体层数可能因光路延长导致光损失而降低时间分辨率，所以推荐使用 8mm 和 12mm 较短晶体的双层设计替代 20mm 长晶体的单层块。
这项研究的意义重大，它提出的新型双层偏移 LYSO 晶体设计，有效提升了脑 PET 探测器的时间分辨率，进而提高了 SNR 和图像质量。这不仅为神经成像提供了更有效的手段，也为神经系统疾病的个性化治疗奠定了基础，推动了医学影像技术在脑部疾病诊断和治疗方面的发展。
