概述
本文探讨了如何使用闪烁体阵列实现PET医学成像技术。文章全面概述了PET医学成像技术的原理、PET技术中闪烁体像素化阵列的工作原理，以及适用于PET医学成像的典型闪烁体材料，包括LYSO(Ce)铈掺杂钇镥硅酸盐、GAGG(Ce)铈掺杂钆镓石榴石，以及适用于飞行时间正电子发射断层扫描(TOF-PET)的新兴技术——基于LaBr3(Ce)的闪烁体阵列。
PET，即正电子发射断层扫描，是一种常用于医学诊断和科学研究的非侵入性成像技术。PET利用放射性示踪剂的微弱荧光，神奇地穿透到生物体的代谢层面。
正电子发射断层扫描（PET）是一种医学成像技术，它探测生物体内正电子衰变产生的511 keV伽马光子。因此，PET探测信号的来源是被观测物体内部的同位素。
PET的基本原理 PET成像利用的是同位素的β+衰变。那么，什么是β+衰变呢？
β+衰变： 当同位素质子过多时，就会发生β+衰变。β+衰变会将一个质子转化为一个中子和一个正电子（以及一个中微子），总电荷保持不变。在β+衰变过程中，原子核会失去一个质子，从而产生一种新的元素。 碳-11衰变为硼-11并释放正电子。 例如，PET 中常用的碳-11 同位素的原子核含有 6 个质子和 5 个中子。由于质子数相对较多，它不稳定。它会发生 β+ 衰变，转化为硼，并在衰变过程中释放一个正电子。
γ衰变： 经历α衰变或β衰变的原子核通常还不太稳定，它们会释放多余的能量以达到最终的稳定状态。这些多余的能量以高能电磁波——γ射线——的形式释放出来，这个过程称为γ衰变。 伽马衰变不会改变原子核中的质子数、中子数或原子序数。
β离子衰变产生正电子。这些正电子经过短暂的飞行后，与人体组织中的带负电荷的自由电子碰撞并湮灭，释放出两个方向相反的光子——高能伽马射线。正电子湮灭也会产生方向相反的伽马射线。伽马射线是波长小于0.01埃的电磁波，具有极强的穿透力，会对人体和环境造成危害。因此，必须使用高密度材料来阻挡和探测它们。
用于阻挡和探测伽马射线的材料称为闪烁晶体。PET闪烁晶体是具有极高密度和原子序数的无机闪烁体。常用的包括铈掺杂的钆镓石榴石晶体（GAGG(Ce)）和铈掺杂的钇镥硅酸盐晶体（LYSO(Ce)）。
我们知道，属于单个原子的电子可以在不同的能级之间跃迁。在闪烁晶体或其他无机闪烁体中，电子可以在相邻原子之间转移。电子不再属于单个固定的原子，而是由晶体共享。因此，单个电子的能级演化成晶体的电子能带。晶体能带中较低的能级称为价带，较高的能级称为导带。
当伽马射线进入晶体时，会被价带电子吸收。这些电子随后跃迁到更高的导带，并在返回较低能级时发射光子。发射的光子被与闪烁体配对的光电探测器探测到，并转换成电信号。
基于闪烁体的PET技术，示踪剂是如何定位的？
当正电子和电子在体内湮灭时，它们会同时产生两束方向几乎相反、能量为511 keV的伽马射线。这些高能伽马射线很容易穿透人体组织并逸出体外，被环绕人体的环形闪烁晶体阵列探测到，并转换成可记录的光信号。由于这两束伽马射线源自同一湮灭事件，它们同时产生，以相同的速度传播，并在极短的时间差内到达位于同一条直线上的两个探测器。基于这一特性，PET系统设定了一个严格的符合时间窗口；只有在该窗口内同时探测到的伽马射线对才被认为是真正的湮灭事件。如果到达时间差过大，则被认为是来自不同湮灭的偶然符合事件，并被舍弃。由于这种在时间和空间上都极其严格的双重选择条件，最终只有极少数符合要求的光子事件被用于成像；通常情况下，超过 99% 的检测信号会被排除。
对于符合筛选标准的光子对，可以通过它们到达闪烁晶体的时间差轻松确定电子-正电子碰撞的起始位置。
以下部分详细介绍了PET成像中最常用的闪烁体材料，包括LYSO（Ce）闪烁体阵列和GAGG（Ce）闪烁体阵列在PET医学成像中的应用。内容涵盖闪烁体阵列的组成、基本像素化设计结构、制造工艺以及闪烁体阵列在PET应用中的工作原理。
本产品由掺铈镥钇硅酸盐晶体和涂覆于其表面的反射层组成。镥钇硅酸盐晶体被制成晶条，紧密排列于同一平面上，并由反射层隔开。反射层可防止光串扰并将光线汇聚到探测器中。阵列的五个面均覆盖有反射器。 铈掺杂的镥钇硅酸盐晶体为：LYSO:Ce（分子式：Lu2Y2SiO5:Ce）。 铈掺杂钇镥硅酸盐晶体材料的成分为：镥54.9%，钇27.9%，硅4.4%，氧12.6%，铈0.2%。 反射层可采用 3M ESR（聚对苯二甲酸乙二醇酯）或二氧化钛（与树脂或塑料混合）制成。有时，根据客户要求，也可添加铝箔反射层（由铝制成）。
产品图片
图 1. LYSO(Ce) 阵列
产品介绍： 钇硅酸盐镥晶体阵列结构 本产品为镥钇硅酸盐晶体阵列，是一种常用的医用放射成像元件。镥钇硅酸盐晶体阵列的结构和制造工艺如下： 将大块掺铈镥钇硅酸盐晶体锯成小矩形条。 这些切割成细小晶体条的条带紧密排列在一个平面上，每条细晶体条带都是一个独立的单元，称为“像素”。这些细晶体条带的排列构成一个阵列。 在每个小晶体之间都有一层薄薄的光学反射层，阵列的五个面（发光面除外）都覆盖着光学反射层。反射层材料可以是3M ESR或二氧化钛。有时，根据客户要求，还可以添加铝箔反射层（由铝制成）。反射层的厚度通常在0.06毫米到0.5毫米之间，实际规格因客户而异。这些反射层的主要功能是将钇镥硅酸盐晶体的小块粘合在一起，其次是将光限制在晶体像素内并将其引导至发光端口。反射层仅通过物理方式涂覆在晶体表面，不引入新的化学成分。
图 2. 镥钇硅酸盐晶体阵列的结构如上图所示。图中的大立方体代表镥钇硅酸盐晶体阵列，每个蓝色小方块代表一个掺铈的镥钇硅酸盐晶体（即一个“像素”）；白色部分代表光学反射层。
铈掺杂的镥钇硅酸盐晶体，简化化学式为LYSO4:Ce，是一种闪烁晶体材料。该产品是通过铈掺杂的氧化镥、氧化钇和二氧化硅在高温生长炉中进行化学反应和结晶制备的，通常采用提拉法。该产品中镥和钇以不可分离的晶体形式存在。铈掺杂的镥钇硅酸盐晶体在高能射线（如X射线和γ射线）的作用下可产生强烈的荧光，适用于辐射探测领域。 铈掺杂钇镥硅酸盐（LYSO:Ce）晶体具有光产额高、光衰减时间短、密度高等特点。它们不吸湿，且对伽马射线具有良好的探测效率，因此是一种常用的无机闪烁晶体材料。 硅酸钇镥晶体阵列 在钇硅酸盐镥阵列中，LYSO:Ce晶体被切割成多个立方体形状的小晶块，并排列成阵列。每个小晶块被定义为一个像素，在阵列外侧五个侧面、每个小晶块之间涂覆光学反射层。 当高能粒子（例如伽马光子）撞击晶体像素时，由于镥钇硅酸盐晶体的特性，像素会发出荧光。反射涂层如同镜子，将荧光反射回晶体像素，防止像素间串扰，并将荧光引导至阵列末端。使用时，将电子元件（产品本身不包含这些元件）连接到阵列末端，这些元件会捕获光信号。电子元件读取每个晶体像素的光信号，重建撞击阵列的高能粒子的位置、时间和能量等信息，从而实现成像和其他功能。 钇镥硅酸盐（LYSO:Ce）阵列，包括PET、TOF-PET和其他医学成像技术，是目前应用最广泛的医用放射成像元件。
PET 中 LYSO(Ce) 闪烁阵列的工作原理：
钇镥硅酸盐晶体阵列是医学放射成像（例如正电子发射断层扫描PET）中常用的组件。在PET技术中使用该产品，可以生成患者体内代谢活动分布图。 1. 将示踪剂注射到患者体内。示踪剂在特定组织（例如肿瘤病灶）中积聚后，其携带的核素会释放出一个正电子，该正电子通过湮灭产生一个伽马光子。 2. 钇镥硅酸盐晶体阵列中的每个小晶体都是一个晶体像素。当伽马光子穿过反射层并撞击阵列中的晶体“像素”时，晶体会立即吸收能量，然后发出特定波长的微弱蓝色荧光。 由于晶体像素周围存在光学反射层，每个像素发出的蓝色荧光被限制在其自身的晶体像素内，并被引导至阵列的发光表面。 使用时，电子元件（本产品不包含）会连接到阵列的发光面上。这些元件会捕获每个晶体像素发出的光信号（即晶体发出的蓝色荧光），并将其转换为电信号。由于阵列是像素化的，每个像素都是一个独立的单元，因此主机可以立即确定是哪个像素在发出荧光。 最终，通过读取每个像素的电信号，计算机可以重建高能粒子撞击阵列的位置、时间和能量等信息，从而形成可用于医学成像（例如PET）的图像。
LYSO(Ce)闪烁阵列的生产工艺
（1）材料制备和晶体生长 将氧化镥、氧化钇、二氧化硅和氧化铈等原料按特定比例混合，放入坩埚中，然后放入单晶生长炉中。采用提拉法进行晶体生长：原料熔化后，在惰性气体环境下于2000℃以上进行高温化学反应。然后，利用拉杆向上拉动晶体，生长出铈掺杂的硅酸镥钇（LYSO:Ce）晶体坯。 （2）空白检验和初步处理 晶体坯料生长完成后，会进行质量检验，确认合格后，根据阵列设计的整体尺寸，将大块晶体坯料切割成便于后续加工的晶体砖。 （3）晶体制备和精密加工 然后，根据设计要求，将晶体砖进一步精密切割成横截面尺寸与单个像素尺寸一致的微小晶体条。随后，对这些晶体条的每个切面，特别是发光面的端面，进行抛光处理。 （4）阵列集成和反射层涂覆 众多抛光的LYSO:Ce晶体条按预定阵列排列。每条晶体条之间填充或夹有高反射率材料作为光隔离层，包括3M ESR反射层和二氧化钛反射层。有时，根据客户要求，还可以添加铝箔反射层（由铝制成）。这一步骤对于形成像素化阵列至关重要；反射层有效地将每条晶体条（即每个像素）发出的荧光限制在晶体条内，防止光串扰并确保空间分辨率。反射层物理连接在细小的晶体条之间，不会引入新的化学成分。 （5）阵列涂层 阵列集成后，在阵列的五个外表面（发光面除外）均匀涂覆一层光学反射膜。该反射膜能有效地反射并聚焦晶体条发出的荧光到未涂覆的发光面上。在阵列外表面涂覆反射层的过程也是一个物理过程，不会产生新的化学成分。
LYSO(Ce)闪烁阵列的应用领域 镥钇硅酸盐晶体阵列广泛应用于医学成像和核医学领域，是正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）等成像设备中常用的探测元件。这些阵列能够高效、精确地将体内正电子湮灭产生的伽马射线转换为光学信号并进行定位，从而重建体内生理代谢活动的三维图像。这在癌症早期诊断、脑功能研究和心脏疾病评估等领域发挥着不可或缺的关键作用。
本产品由掺铈钆铝镓石榴石晶体和覆盖在掺铈钆铝镓石榴石晶体表面的反射层组成。掺铈钆铝镓石榴石晶体被制成晶体条带，紧密排列在同一平面上，并由反射层隔开。反射层可防止光串扰并将光集中到探测器上。阵列的五个面均覆盖有反射层。 铈掺杂钆铝镓石榴石晶体，简化化学式：Ce:GAGG（分子式：Ce:Gd3Al2Ga3O12）。铈掺杂钆铝镓石榴石晶体是一种晶体材料（主要成分：钆49.5%，铝5.7%，氧22.6%，镓22%，铈0.2%）。 反射层可采用 3M ESR（聚对苯二甲酸乙二醇酯）或二氧化钛（与树脂或塑料混合）制成。有时，根据客户要求，还会添加铝箔反射层（由铝制成）。
产品介绍： 钆铝镓石榴石（GAGG:Ce）晶体阵列结构 本产品为钆铝镓石榴石晶体阵列，是一种常用的医用放射成像元件。钆铝镓石榴石晶体阵列的结构和制造工艺如下： 将大块掺铈钆铝镓石榴石晶体坯切割成小块矩形晶体条。 这些切割成细小晶体条的晶体紧密排列在一个平面上，每条细晶体条都是一个独立的单元，称为“像素”。这些细晶体条的排列构成一个阵列。 在每个小晶体之间都有一层薄薄的光学反射层，阵列的五个面（发光面除外）都覆盖着光学反射层。反射层材料可以是3M ESR、二氧化钛，有时也可根据客户要求添加铝箔反射层（由铝组成）。反射层厚度通常在0.06毫米至0.5毫米之间，实际规格因客户而异。这些反射层的主要功能是将掺铈钆铝镓石榴石晶体的小块粘合在一起；其次是将光限制在晶体像素内，并将其引导至发光端口。反射层仅通过物理方式涂覆在晶体表面，不引入新的化学成分。
图 3. 钆铝镓石榴石晶体阵列的结构示意图如上所示。图中的大立方体是钆铝镓石榴石晶体阵列，其中一个黄色小方块代表掺铈钆铝镓石榴石晶体（即“像素”）；白色部分代表光学反射层。
铈掺杂钆铝镓石榴石晶体 铈掺杂钆铝镓石榴石晶体（化学式简化为Ce:GAGG）是一种常用的闪烁晶体，在X射线、γ射线等照射下会发出荧光。Ce:GAGG晶体具有高光产额、高能量分辨率、高密度、无自辐射、不吸湿等特点。由于其优异的时间和空间分辨率，Ce:GAGG晶体被广泛应用于集装箱检查、安检、医学SPECT成像和医学PET成像等领域。 将氧化钆、氧化铝和氧化镓原料充分混合，然后加入氧化铈原料，将混合物置于晶体生长炉中，在高温下发生化学反应，最后采用提拉法生长晶体，即可制备出铈掺杂的钆铝镓石榴石晶体。钆和镓元素在晶体中以稳定且不可分离的形式存在。 钆铝镓石榴石晶体阵列 在钆铝镓石榴石晶体阵列中，晶体被切割成多个长方体形状的小晶体块，并排列成阵列。每个小晶体块被定义为一个像素，在阵列外侧五个侧面、每个小晶体块之间都涂覆有光学反射层。 当高能粒子（例如伽马光子）撞击晶体像素时，掺杂在Ce:GAGG晶体中的铈离子会使像素在高能粒子的辐射下发出荧光，其峰值荧光波长约为520-530 nm。封装的反射层起到镜面作用，将荧光反射回晶体像素，防止像素间的串扰，并将荧光引导至阵列末端。使用时，将电子元件（不包含在产品本身中）连接到阵列末端，这些元件会捕获光信号。电子元件读取每个晶体像素的光信号，重建撞击阵列的高能粒子的位置、时间和能量等信息，从而实现成像等功能。 钆铝镓石榴石晶体阵列应用于PET和SPECT等医学成像技术，这些技术也适用于辐射探测安检设备。
正电子发射断层扫描（PET）中 GAGG（铈）闪烁阵列的工作原理(Ce)闪烁阵列
钆铝镓石榴石（GAGaG）晶体阵列广泛应用于医学放射成像，例如单光子发射计算机断层扫描（SPECT）。利用该产品实现SPECT技术，可以进行心肌灌注显像、骨骼显像和甲状腺扫描等医学成像检查。以下是GAGaG晶体阵列在SPECT医学成像中的工作原理： 1. 将一种能发射光子的同位素注入患者体内。该同位素会直接发射一个伽马光子。 2. 在铈掺杂钆铝镓石榴石（GAGaG）晶体阵列中，每个小晶体都是一个晶体像素。当伽马光子穿过SPECT探测器的机械准直器和阵列反射层时，会撞击阵列中的特定晶体“像素”。在SPECT检查过程中，注入患者体内的核素所发射的伽马光子的能量通常不高，但由于铈掺杂GAGaG晶体具有高密度和高阻挡能力，因此晶体可以有效地捕获和吸收伽马光子的能量，并在520-530 nm处发出荧光。 由于晶体像素周围存在光学反射层，每个像素发出的荧光都被限制在其自身的晶体像素内，并被引导至阵列的发光表面。 使用时，电子元件（本产品不包含）会连接到阵列的发光面上。这些元件会捕获每个晶体像素发出的光信号（即晶体发出的蓝色荧光），并将其转换为电信号。由于阵列是像素化的，每个像素都是一个独立的单元，因此主机可以立即确定哪个像素正在发出荧光。 最终，通过读取每个像素的电信号，计算机可以重建诸如撞击阵列的高能粒子的位置、时间和能量等信息，从而获得患者体内核素的三维分布图像，形成可用于医学成像（例如 SPECT）的图像。
生产流程 （1）材料制备和晶体生长 将氧化钆、氧化铝、氧化镓和氧化铈等原料按特定比例混合，放入坩埚中，然后放入单晶生长炉中。晶体生长采用提拉法：在约1850℃的高温惰性气体保护环境下，原料熔化并发生高温化学反应，形成均匀熔体。然后，熔体在拉杆的引导下，最终生长出铈掺杂的钆铝镓石榴石（Ce:GAGG）晶体坯。钆和镓元素在晶体中以稳定且不可分离的形式存在。 （2）空白检验和初步处理 晶体坯料生长完成后，会进行质量检验，确认合格后，根据阵列设计的整体尺寸，将大块晶体坯料切割成便于后续加工的晶体砖。 （3）晶体制备和精密加工 然后，根据设计要求，将晶体砖进一步精密切割成横截面尺寸与单个像素尺寸一致的微小晶体条。随后，对这些晶体条的每个切面，特别是发光面的端面，进行抛光处理。 （4）阵列集成和反射层涂覆 众多抛光的Ce:GAGG晶体条被排列成预定的阵列。每条晶体条之间填充或夹有高反射率材料作为光隔离层，例如3M ESR反射层和二氧化钛反射层。有时，根据客户要求，还会添加铝箔反射层（由铝组成）。这一步骤对于形成像素化阵列至关重要；反射层有效地将每条晶体条（即每个像素）发出的荧光限制在晶体条内，防止光串扰并确保空间分辨率。反射层物理粘附在细小的晶体条之间，不会引入新的化学成分。 （5）阵列涂层 阵列集成后，在阵列的五个外表面（发光面除外）均匀涂覆一层光学反射膜。该反射膜能有效地反射并聚焦晶体条发出的荧光到未涂覆的发光面上。在阵列外表面涂覆反射层的过程也是一个物理过程，不会产生新的化学成分。
应用领域： 钆铝镓石榴石（GAGaG）晶体阵列广泛应用于医学成像和核医学领域，是PET（正电子发射断层扫描）和SPECT（单光子发射计算机断层扫描）等成像设备中常用的探测元件。在SPECT应用中，GAGaG晶体阵列能够高效、精确地将患者体内核素产生的伽马光子转换为光信号并进行定位，从而生成患者体内核素的三维分布图像。这使得心肌灌注成像、骨骼成像、甲状腺扫描以及脑血流的可视化检查成为可能。
LaBr3(Ce)像素化闪烁阵列由众多立方相LaBr3（溴化镧）晶体组成，这些晶体呈线性或二维排列，晶体之间设有光学反射器。铈掺杂的溴化镧晶体，简称LaBr3(Ce)，具有高光输出、优异的能量分辨率和快速衰减时间（通常为16-25 ns）等特性，使其在需要高时间分辨率的伽马射线光谱仪和辐射成像应用中极具应用前景，例如医学成像TOF-PET（飞行时间正电子发射断层扫描），这是一种先进的PET成像技术，它通过测量正电子湮灭过程中产生的两个光子到达时间的差异来提高图像质量。
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