基于双端读出技术的3.2 mm与1.6 mm间距LYSO阵列TOF-DOI PET探测器的性能优化研究

为解决PET（正电子发射断层扫描）成像中时间飞行（TOF）和相互作用深度（DOI）信息获取的瓶颈问题，加州大学戴维斯分校团队开发了基于双端读出方法的LYSO阵列探测器。研究通过对比3.2 mm与1.6 mm间距LYSO阵列的性能，实现了207±5 ps的符合时间分辨率（CTR）和2.6±0.2 mm的DOI分辨率，为全身及脑部PET扫描仪的高灵敏度与空间分辨率提供了创新解决方案。该成果发表于《EJNMMI Physics》，推动了分子影像技术的精准化发展。

　　

在分子影像领域，正电子发射断层扫描（PET）技术的图像质量长期受限于时间飞行（TOF）和相互作用深度（DOI）信息的获取精度。传统PET探测器因晶体厚度与光子传播路径的不确定性，导致径向空间分辨率下降和定量准确性不足。尤其对于小直径扫描仪（如脑部PET）或长轴向视野系统，DOI未知引发的视差误差会显著降低成像质量。此外，现有TOF-PET系统多采用20 mm厚LYSO（镥钇氧正硅酸盐）晶体以平衡成本与探测效率，但晶体增厚会加剧DOI效应，而单纯增加轴向视野又带来成本飙升。如何通过探测器设计同时优化TOF和DOI性能，成为下一代高灵敏度PET设备开发的关键挑战。

针对这一难题，加州大学戴维斯分校生物医学工程系的Haibo Wang、Junwei Du等研究人员在《EJNMMI Physics》发表论文，系统评估了基于双端读出技术的三种LYSO阵列探测器性能。研究团队设计了两类晶体间距（3.2 mm和1.6 mm）和两种反射层配置（全反射与部分短反射）的20 mm厚LYSO阵列，耦合Hamamatsu S14161-3050-08硅光电倍增管（SiPM）阵列，采用PETsys TOFPET2电子读出系统，通过洪水图、能量分辨率、CTR和DOI分辨率等多维度测试，为全身与脑部PET扫描仪提供了探测器选型方案。

关键技术方法包括：1）使用双端读出技术连续获取DOI信息；2）采用PETsys TOFPET2系统实现30 ps时间分辨的信号处理；3）通过时间游走（time-walk）和时序偏移（timing-shift）校正提升CTR；4）基于中心-of-重力（COG）算法优化晶体识别；5）利用九点DOI标定法（2-18 mm梯度）评估深度分辨率。

研究结果
洪水图与能量分辨率
8×8 LYSO阵列（3.2 mm间距）因单晶体耦合双SiPM结构，洪水图晶体斑点分布均匀，能量分辨率最优（8.0±0.6%）。16×16阵列（1.6 mm间距）中，部分短反射设计通过内部光导结构改善光共享，晶体分辨力优于全反射阵列，但能量分辨率略低（10.5±2.0% vs. 11.4±2.0%）。

符合时间分辨率（CTR）
8×8阵列的CTR达207±5 ps（经校正后），优于16×16阵列（全反射218±7 ps，部分短反射228±11 ps）。排除晶体间散射（ICS）事件后，CTR提升约20 ps，但会损失48-65%的符合事件。时间游走校正使CTR改善38-47 ps，证明其对双端读出系统至关重要。

DOI分辨率
16×16全反射阵列表现最佳（2.6±0.2 mm），因更高长径比（13.3 vs. 8×8阵列的6.5）增强光损失效应。部分短反射设计因光扩散增加，DOI分辨率略降（2.9±0.3 mm）。

讨论与意义
该研究首次系统比较了不同LYSO阵列配置在双端读出架构下的性能权衡：8×8阵列适合需要高CTR的全身PET，而16×16阵列凭借更优空间分辨率（1.6 mm间距）和DOI性能，成为脑部或小动物PET的理想选择。部分短反射设计虽牺牲约10%的CTR和DOI分辨率，但显著提升晶体识别能力，这对高分辨率成像至关重要。

研究还揭示了关键工程学启示：1）ICS事件排除虽能提升CTR，但会大幅降低系统灵敏度，未来需开发深度学习算法实现ICS建模而非简单剔除；2）PETsys TOFPET3等新一代电子学有望进一步突破时间分辨率瓶颈。这些发现为EXPLORER等超长轴向视野PET系统的探测器设计提供了实证依据，推动分子影像向“亚毫米级空间分辨率+200 ps级时间分辨率”时代迈进。