Материал детектора

Поскольку чувствительность F квадратично зависит от эффективности согласно формуле (12), то особое внимание разработчиками ПЭТ уделялось именно этому фактору для повышения F.

Чем больше плотность материала кристалла, его эффективный атомный номер и размер, тем выше способность детектора поглотить фотоны. Поскольку с ростом размера кристалла ухудшается пространственное разрешение, то для увеличения F необходимо разрабатывать материалы с оптимальными свойствами и более эффективные детекторные конструкции.

Для характеристики материала сцинтиллятора вводят показатель качества (D), зависящий от эффективности (ε), времени высвечивания (t*), а также светового выхода (L) и определяемый по формуле:

(13)

Световой выход определяется полным числом фотонов, генерируемых детектором на один поглощаемый аннигиляционный квант. Повышение светового выхода необходимо для достижения оптимального разрешения ПЭТ-изображения, улучшения энергетического разрешения и снижения шума. Время высвечивания определяет скорость обработки собранной информации и размер временного окна совпадений. Чем меньше это окно, тем меньше регистрируемые шумы.

Широко используемый в 2D ПЭТ сцинтиллятор BGO (Bi4Ge3O12), имеющий наивысшую плотность и эффективный атомный номер из всех используемых материалов, не обладает столь же уникальными другими свойствами, требуемыми для 3D ПЭТ. Он имеет низкий световой выход и соответственно низкое энергетическое разрешение. Поэтому производители 3D ПЭТ-сканеров активно разрабатывают детекторы на основе кристаллов LSO (Lu2SiO5) и GSO (Gd2SiO5), обладающих выгодно отличающимися от BGO свойствами.

Применение сцинтиллятора LSO позволило снизить временное окно до 6 нc, сведя до минимума шумы от случайных совпадений. Этот кристалл имеет наименьшее время высвечивания (40 нc), обеспечивающее быструю обработку существенно большего объема собираемой в режиме 3D информации. LSO обладает неплохими данными и по энергетическому разрешению для обеспечения эффективного подавления вклада рассеянного излучения. Как результат, показатель качества D оказывается для LSO в - 35 раз выше, чем для BGO, и в 10 раз больше, чем для GSO. Немаловажным является и тот факт, что достигнутый в настоящее время уровень производства кристаллов LSO позволяет оснащать детекторами на основе этого материала до 200 ПЭТ-сканеров в год.

Сцинтиллятор GSO, в отличие от LSO, практически не обладает собственной радиоактивностью, что является важным при выполнении трансмиссионного сканирования. Он характеризуется приблизительно в 3 раза меньшим разбросом величины светового выхода (составляющим лишь около 7% на несколько тысяч кристаллов) и лучшим (по сравнению с LSO и BGO) энергетическим разрешением (см. Табл. 1).

Кристалл NaI(Tl) имеет наименьшую из всех применяемых материалов плотность. Вместе с тем он обладает наилучшим световым выходом, а также высоким энергетическим разрешением, позволяющим опустить нижний порог энергетического окна до 350-435 кэВ и тем самым существенно уменьшить вклад от рассеянного излучения. Временное окно совпадений с этим кристаллом удается снизить до 8 нс. Кристаллы LSO и GSO достаточно дороги: их стоимость в 5-10 раз выше, чем Nal(Tl), и в 3-6 раз выше, чем BGO. Все перечисленные кристаллы, имея свои преимущества и недостатки, в настоящее время продолжают использоваться в ПЭТ-системах различного назначения.

В Табл. 1 приведены сравнительные данные по свойствам различных сцинтилляторов, используемых в ПЭТ-сканерах. Данные по энергетическому разрешению (∆Е/Е) соответствуют одиночному детектирующему элементу и не учитывают влияния его конструкции на этот параметр. В Табл. 1 использованы следующие обозначения: LSO - Lu2SiO5:Ce; BGO - Bi4Ge3O12; GSO - Gd2SiO5:Ce; LuAP - LuAlO3:Ce; LPS - LuSi2O7:Ce.

Таблица 1. Физические свойства сцинтилляционных материалов