PET硅光电倍删管（SiPM）技能希望

一体化PET/MR设置装备摆设是在高场磁共振成像(MRI)设置装备摆设平台上，将最新技能的PET探测器植入到MR的体线圈和梯度线圈之间，采纳MRI信息对PET成像历程γ射线在构造细胞衰减举行校正（MR based attenuation correction, MRAC），利用PET的飞行时间技能（Time of flight, TOF）以实现PET与MR同步扫描的最新型分子成像设置装备摆设。在一体化 PET/MR设置装备摆设中，PET探测器元件构成对一体化PET/MR设置装备摆设团体布局、性能和应用，以及可否实现PET与MRI同步扫描至关紧张。PET探测器重要由晶体、光电转化器和后续电子线路构成。在一体化PET/MR设置装备摆设中，PET的晶体只能选择短余晖时间的晶体（LSO、LBS或LYSO），PET探测器的光电转化器只能选择对磁场不敏感固态光电转化器（Solid state photomultiplier tubes, SSPM）。只管雪崩式二极管（Avalanche photo diode, APD）和硅光电倍增管（Silicon photomultipliers, SiPM）均属于SSPM。但是，APD与SiPM之间存在素质的区别，SiPM是固态阵列式光电转化器，而APD与传统的光电倍增管（Photomultiplier tubes，PMT）雷同是单个独立的光电转换器[1,2,3]。早期一体化PET/MR选择 APD作为PET探测光电转化器，其设置装备摆设性能和应用均未到达预期的目的。自从2008年推出新一代SiPM以来，SiPM空间辨别率、稳健性、热敏感型、磁场兼容性和PET的TOF辨别率等得到大幅度进步，SiPM已经成为一体化PET/MR分子成像设置装备摆设的最佳选择。为此，本文重要先容 SiPM技能、性能和应用的希望。

1. SiPM的根本布局

SiPM是一种新型的光电探测器件，由事情在盖革模式(Geiger mode)的雪崩二极管阵列所构成。滨松公司称这种模式为多像素光子计数器（Multi-pixel photon counter, MPPC）, 而SENSL公司称作硅光电倍增管（SiPM）。现在，以SiPM缩写为多数学者和科研职员所担当。只管SiPM是基于APD进展起来的新技能，但是SiPM降服了APD技能的固出缺陷而且具有更好的磁场兼容性、热稳健性和极高的时间辨别率可以或许实现PET的TOF技能。以是，SiPM完全代替APD已经成为业界共鸣。

（1）APD

盖革和米勒(Geiger-Mueller)于1928年发明白盖革计数管，并被用于多种辐射探测。APD是基于GM道理进展起来的技能，在以硅或锗为质料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入的光被P-N结汲取后会形成光电流。加大反向偏压会孕育发生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的征象，是以这种二极管被称为“雪崩光电二极管”。雪崩光电二极管是一种p-n结型的光检测二极管，此中使用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以进步检测的敏锐度。其根本布局每每采纳简单孕育发生雪崩倍增效应的Read二极管布局（即N+PIP+型布局，P+一壁吸收光），事情时加较大的反向偏压，使得其到达雪崩倍增状态；它的光汲取区与倍增区根本同等（是存在有高电场的P区和I区）[1，3]。

APD上风为固态光电转化器，对磁场敏感度不高，可以或许到达必然水平的集成化。但是，其缺点是对热极其敏感，必要专门的水冷体系，磁场对其有必然水平的滋扰，因而影响其PET成像质量。很难实现高度集成化，使其在体线圈和梯度线圈之间的屏蔽（磁屏蔽和射线屏蔽）成效不尽人意，同时影响PET和MR设置装备摆设性能。不克不及实现PET的TOF技能，无法在PET/MR体系充实发挥PET性能，影响PET与MR同步扫描。

（2）SiPM

SiPM技能发明于二十世纪九十年月末，以从硅（Si）衬底上的雪崩光电二极管（APD）阵列内置硅单光子敏感的设置装备摆设。每个硅光电倍增管由大量的（几百到几千个）APD单位构成，每个单独的APD的尺寸可以从20至100微米而改变，而且它们的密度每平方毫米可高达1000个以上，每一个单位由一个APD和一个大阻值淬灭电阻串联而成，这些微元并联成一个面阵列。为硅光电倍增管加上反向偏压（普通是几十伏）后，每个微元的APD耗尽层有很高的电场，此时若外界有光子打进来，会和半导体中的电子空穴对产生康普顿散射，打出电子或空穴，高能的电子和空穴立即在电场中加快，打出大量的次级电子和空穴，即雪崩。此时每个微元电路中电流忽然变大，在淬灭电阻上降落的电压也变大，APD中的电场刹时变小，即APD输出一个瞬时电流脉冲后雪崩制止，差别微元的淬灭电阻阻值雷同，以是理论上讲每个微元会输出等大的脉冲。每个微元都是规律单位，有信号输出是“1”，没有信号便是“0”。在硅光电倍增管的动态范畴内，它输出电流的巨细就和产生雪崩的微元数成正比。

SiPM是将多个APD以阵列方法通过高度集成化起来。与APD相比力，SiPM具有增益和敏锐度高、偏置电压低、对磁场不敏感、受温度影响小、布局紧凑和可以或许实现PET的TOF技能等特点。因为事情的偏置电压低，以是险些不受磁场影响；布局紧凑有利于对PET探测器举行更有用地屏蔽（磁场和放射线）；将APD以阵列方法高度集成化起来使其对热改变越发稳健；具有TOF技能可以或许进步PET图像质量，消除PET图像的“热气管”现象伪影和“正电子穿透效应”伪影， 真正实现PET与MR的同步扫描。

（3）SiPM与APD布局和性能比力

表1 是SiPM与APD、传统的光电倍增管性能比力。可以看出SiPM具有增益高、事情偏置电压低、受温度影响小、对磁场不敏感、可以或许实现高度集成化、可以或许实现PET的TOF技能等肯定的上风。假如我们对表中原始数据举行阐发可以得到SiPM对温度的改变仅仅是0.3%/℃，而APD是1~3%/℃。可以看出SiPM对温度的稳健性是APD的10倍。Spanoudaki 等引用先前的数据以为SiPM存在对温度敏感是一些学者采纳90年月产物测试的效果[4]。Disselhorst等引用的两篇文章仅仅涉及到APD，并没有温度对SiPM影响的数据[5，6]。可见，Spanoudaki 和Disselhorst等报道的数据要么是采纳90年月的SiPM测试效果，要么是引用了没有依据的文献。相反，通过对数据的体系回忆，可以确认的是SiPM对温度改变并不敏感，对温度具有极好的稳健性[2，7]。本文表1的数据来自2011年更新后的数据，其数据直接来自SiPM生产厂家，具有更高的可信水平。随着半导体技能、工艺前进，SiPM的性能已经被大幅度进步。反而可以从采纳了APD的PET/MR的文献（Delso G等报道）中清楚地看到，PET探测器采纳LSO晶体和APD后，在APD单位设置装备摆设水冷体系。这也是自2010以来学者们以为SiPM将完全代替APD的缘故原由。

2. SiPM在PET分子成像中应用

因为SiPM具有奇特的技能上风，格外得当于PET的探测器，SiPM已经被用于独立的PET、PET/CT设置装备摆设和一体化PET/MR设置装备摆设中，而且得到非常中意的临床图像。

（1） 用于独立的PET或PET/CT成像

PET/CT的PET探测器利用SiPM后其PET探测器的敏锐度、空间辨别率和图像比拟度大幅度进步，而且可以将给患者的注射剂量大幅度低落或明显进步扫描速率。采纳SiPM的PET探测器PET/CT已经在2013年6月11日得到FDA答应进入美国市场贩卖。

（2） 用于一体化带有TOF技能同步扫描的PET/MR

采纳SiPM光电转换器PET探测器的一体化带有TOF技能的PET/MR于2014年11月24日得到FDA答应进入美国市场贩卖。迄今，利用SiPM探测用具有TOF技能的一体化PET/MR在环球的贩卖量已经到达69台。在我们国内安置用于测试设置装备摆设已经得到非常好的临床图像。这些更进一步阐明SiPM具有更好的稳健性，APD技能已经被镌汰。

综上所述。可以看出SiPM具有增益和敏锐度高、偏置电压低、对磁场不敏感、受温度影响小、布局紧凑和可以或许实现PET的TOF技能等特点。在一体化PET/MR设置装备摆设中，SiPM已经成为最佳的选择。