閃爍晶體課件R1

1、閃爍晶體肖 鵬PET儀器開發(fā)及多模醫(yī)學成像實驗室華中科技大學生命學院PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUSTPET系統信號流程系統信號流程閃爍晶體作為探測器系統的最前端，整個系統的能量信息、時間信息、位置信息均是通過閃爍晶體提供的信號提取出來的。探測器的結構與性能直接決定了機器的性能。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍晶體探測器閃爍晶體探測器l結構PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍晶體體探測器閃爍晶體體探測器l特點：1、能夠探測多種

2、粒子2、結構緊湊方便加工與使用3、探測效率高4、響應時間短PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍體分類閃爍體分類l按化學成分分類：有機閃爍體無機閃爍體l按物理形態(tài)分類：固體閃爍體液體閃爍體氣體閃爍體PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST無機閃爍晶體無機閃爍晶體 無機閃爍晶體的特點是密度大，含有高原子序數的元素，因此無論是對帶電粒子，還是射線，都有很高的探測器效率，有較好的能量分辨率。 目前，PET探測器中幾乎全部采用無機閃爍晶體。 PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗

3、室 PET Lab HUST伽瑪射線與閃爍晶體的相互作用伽瑪射線與閃爍晶體的相互作用 伽瑪光子與閃爍晶體的相互作用主要有光電效應、康普頓效應、瑞利散射和電子對效應。 當伽瑪光子穿過閃爍晶體時，通過與閃爍晶體原子發(fā)生光電效應、康普頓效應、瑞利散射和電子對效應損失能量；伽瑪射線一旦與閃爍晶體原子發(fā)生這四種相互作用，或原來能量為hv的光子就消失，或散射后能量改變，或偏離原來的入射方向。 伽瑪射線穿過物質時，強度逐漸減弱，按指數規(guī)律衰減，不與物質發(fā)生相互作用的光子穿過吸收層，其能量保持不變，因而沒有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”來表示伽瑪射線對物質的穿透情況。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器

4、開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST伽瑪射線與閃爍晶體的相互作用伽瑪射線與閃爍晶體的相互作用1、光電效應 閃爍晶體在低能射線照射時以光電效應為主。一個光子把它 所有的能量給予一個束縛電子；電子用其能量的一部分來克服原子對它的束縛，其余的能量則作為動能。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST伽瑪射線與閃爍晶體的相互作用伽瑪射線與閃爍晶體的相互作用2、 康普頓效應 當伽瑪光子的能量大大超過電子的結合能時，光子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子的部分能量轉移給電子，使它反沖出來，而散射光子的能量和運動方向都發(fā)生了變化，即康普頓效應。PET儀

5、器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST伽瑪射線與閃爍晶體的相互作用伽瑪射線與閃爍晶體的相互作用3、瑞利散射 除了康普頓散射外，伽瑪光子可以被原子或單個電子散射到另一方向，其能量不損失只是方向改變，即瑞利散射。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST伽瑪射線與閃爍晶體的相互作用伽瑪射線與閃爍晶體的相互作用4、電子對效應 若入射光子的能量超過1.02MeV，則電子對的生成成為可能。在帶電粒子的庫侖場中，產生的電子對總動能等于光子能量減去這兩個電子的靜止質量能(2mc2=1.022MeV)。PET儀器開發(fā)與多模

6、醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍晶體的發(fā)光機制閃爍晶體的發(fā)光機制 無機閃爍體有不摻雜質的純晶體，如七十年代中后期新開發(fā)的鍺酸鉍(BGO)單晶體，也有含有少量雜質(稱為“激活劑”)的無機鹽晶體，例如以鉈為激活劑的碘化鈉NaI(Tl)單晶體和碘化銫CsI(Tl)單晶體，以鈰為激活劑的摻鈰硅酸镥LSO(Ce)等。 當射線進入閃爍體時，既可產生自由電子對(空穴對)，也可以產生激子。而后電子從導帶或激帶躍遷到價帶，退激過程中放出光子，不過放出的光子容易被閃爍晶體自吸收。不摻雜質的純晶體主要以這種方式產生可見光。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成

7、像實驗室 PET Lab HUST 對于摻雜晶體，內部的雜質和晶格缺陷在禁帶中產生一些孤立能級，起俘獲中心的作用。當入射粒子通過閃爍晶體后，產生激子、電子和空穴，它們都能夠自由地經過晶格運動，直至被俘獲中心俘獲，這時俘獲中心的電子從基態(tài)到達激發(fā)態(tài)。之后俘獲中心受激電子躍回基態(tài)而發(fā)射光子，選擇合適的激活劑，就可以使輻射光子在可見光范圍。閃爍晶體的發(fā)光機制閃爍晶體的發(fā)光機制 由雜質和缺陷形成的俘獲中心，退激時發(fā)出的光子，不僅其能量小于禁帶寬度，不會被閃爍晶體自吸收，而且光譜在可見光范圍，便于使用。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍晶體基本特

8、性閃爍晶體基本特性l發(fā)光效率（光輸出量） 表征閃爍晶體將吸收的粒子能量轉化為光的本領。定義光輸出量S是在一次閃爍過程中產生的光子數目R和帶電粒子在閃爍晶體內損失的能量之比： （光子數/MeV）RSEPET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍晶體基本特性閃爍晶體基本特性l能量響應和能量分辨率 能量響應一般以閃爍晶體的光輸出與入射粒子在閃爍晶體內能量損耗之間的對應關系來表征。 閃爍晶體的能量分辨率主要受以下因素影響： 1. 閃爍晶體的發(fā)光效率 2. 光子傳輸效率 3. 能量響應的非線性響應PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗

9、室 PET Lab HUST閃爍晶體基本特性閃爍晶體基本特性l發(fā)射光譜 閃爍晶體發(fā)射的光一般不是單色光，有多種波長，不同波長的光子數目也不一樣。閃爍晶體發(fā)射的光子數隨波長的分布稱作閃爍晶體的發(fā)射光譜。 不同的閃爍晶體其光譜特性不同。使用閃爍晶體時了解它的發(fā)射光譜對于選取與之匹配的光電倍增管十分必要。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍晶體基本特性閃爍晶體基本特性l發(fā)光衰減時間 發(fā)光衰減時間定義為光子數從最大值衰減到1/e所需要的時間。在PET系統中，其能夠直接影響系統的時間分辨率，并幫助獲取DOI信息。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀

10、器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍晶體基本特性閃爍晶體基本特性l光衰減長度 表示光子數在閃爍晶體傳輸過程中衰減到初始值1/e時所通過的長度。其值越大說明閃爍晶體光學透明度越好。包含本征衰減長度和技術衰減長度。前者只取決于閃爍晶體的內部特征（如成分、結構），反映了閃爍晶體內部的光學特性。后者既與閃爍晶體內部特性有關，又與閃爍晶體的形狀、厚度、表面光反射情況等外部技術條件有關。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍晶體基本特性閃爍晶體基本特性l溫度效應 閃爍晶體的性能如發(fā)光效率、發(fā)光衰減時間、光衰減長度等都與溫度有關系。閃

11、爍晶體性能隨溫度的變化稱為溫度效應。要求溫度效應越小越好。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍晶體基本特性閃爍晶體基本特性l探測效率 探測效率是粒子在閃爍晶體內產生可測量的脈沖信號數與入射粒子數之比。 PET系統的探測效率除了與閃爍晶體特性（材料的原子序數、密度、發(fā)光強度）、幾何形狀、光的收集情況外，還與光電倍增管的特性、工作電壓以及電子學線路的閾值等有關。PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST閃爍晶體基本特性閃爍晶體基本特性l輻射效應 閃爍晶體在輻照環(huán)境中隨輻照劑量的累積，光輸出會減小。

12、要求輻射效應越小越好。 PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見的 無機閃爍晶體l碘化鈉（NaI）晶體密度?。?.67g/cm3），對射線和X射線阻止本領較差能量轉化效率高，光輸出量大，一般里面摻雜了0.1%-0.5%的Tl，進一步提高其光輸出量發(fā)射波長為415nm，與光電倍增管匹配好發(fā)射光的衰減時間短，約為230ns容易潮解，不易進行加工和保存PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見的無機閃爍晶體l鍺酸鉍（Bi4Ge3O2，BGO）晶體密度大（7.13g/cm3），且有效原子序數高（76）

13、，是對射線和X射線阻止本領最強的閃爍晶體光輸出量低，只有NaI晶體的20%發(fā)射波長為510ns，與光電倍增管匹配較差發(fā)射光的衰減時間長，為300ns不潮解，易進行加工和保存，但其性能受溫度影響較大目前很多商用機器采用該晶體PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見的無機閃爍晶體l硅酸镥（LSO）晶體密度大（7.40g/cm3），有效原子序數高（65），對射線和X射線阻止本領強。能量轉化效率高，光輸出量大，約為NaI晶體的75%發(fā)射波長為420ns，與光電倍增管匹配好發(fā)射光的衰減時間短，為40ns不易潮解，易進行加工和保存晶體本身含有176Lu，

14、具有天然放射性，且價格昂貴目前西門子公司的PET系統都采用LSO晶體PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見的無機閃爍晶體l氟化鋇(BaF2)晶體密度小（4.89g/cm3），且有效原子序數高（53），對射線和X射線阻止本領低光輸出量低，只有NaI晶體的25%發(fā)射波長為310ns，與光電倍增管匹配較差發(fā)射光的衰減時間很短，為8ns不易潮解，易進行加工和保存目前主要應用于CT成像PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見的無機閃爍晶體晶體名稱 NaI BGO LSO BaF2 GSO LuAPY

15、AP發(fā)現年份194819701990198319941980密度(g/cm3) 3.677.137.44.896.718.345.55有效原子序數(Z) 51766553596432光輸出量 （photons/MeV） 377008200300009950100001200015000衰減時間常數(ns) 230300408601727發(fā)射波長(nm) 415505420310430365350折射率 1.852.151.821.491.851.941.97潮解 是 否 否 否 否 否否PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見閃爍體探測器結構

16、常見閃爍體探測器結構晶體完全切割晶體完全切割l結構完全切割的晶體完全切割的晶體陣陣列列位置敏感性光位置敏感性光電轉換電轉換器件器件PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見閃爍體探測器結構常見閃爍體探測器結構完全切割完全切割l工作原理 光子在一個晶體條中沉積能量產生可見光，可見光在該晶體條內傳播到達光電探測器表面，光電探測器會因為可見光光子到達的位置不同產生不同幅值的脈沖，通過對脈沖的處理就可以知道光子沉積能量的晶體條。晶體位置辨認圖PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見閃爍體探測器結構常見

17、閃爍體探測器結構完全切割完全切割l優(yōu)缺點、工作電路簡單，位置分辨能力強、不能提供信息，會產生視覺誤差給圖象重建帶來一定的影響、包裝分數低，探測效率相對較低、空間分辨率受晶體條的尺寸限制PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見閃爍體探測器結構常見閃爍體探測器結構不完全切割不完全切割l結構個個光光電轉換電轉換器件器件不完全切割的晶體不完全切割的晶體陣陣列列PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見閃爍體探測器結構常見閃爍體探測器結構不完全切割不完全切割l工作原理 光子在一個晶體條中沉積能量產生可見

18、光，可見光在該晶體條內傳播到未切割部分后光子發(fā)生擴散，光電探測器會因為距離發(fā)生能量沉積的晶體條的位置不同而接受到不同數量的可見光光子并產生響應的響應脈沖。通過處理響應脈沖就可以知道光子沉積能量的晶體條。晶體位置辨認圖PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見閃爍體探測器結構常見閃爍體探測器結構不完全切割不完全切割l優(yōu)缺點、工作電路簡單、不需要位置敏感型的光電轉換器件、位置分辨能力較差、不能提供信息，會產生視覺誤差給圖象重建帶來一定的影響、空間分辨率受晶體條的尺寸限制、包裝分數低，探測效率相對較低PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見閃爍體探測器結構常見閃爍體探測器結構連續(xù)晶體連續(xù)晶體l結構連續(xù)連續(xù)晶體晶體連續(xù)連續(xù)晶體晶體位置敏感性光位置敏感性光電轉換電轉換器件器件光光電轉換陣電轉換陣列列PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室 PET Lab HUST常見閃爍體探測器結構常見閃爍體探測器結構連續(xù)晶體連續(xù)晶體l工作原理 以采