PET硅光电倍增管（SiPM）技术进展

　　一体化PET/MR设备是在高场磁共振成像(MRI)设备平台上，将最新技术的PET探测器植入到MR的体线圈和梯度线圈之间，采用MRI信息对PET成像过程γ射线在组织细胞衰减进行校正（MR based attenuation correction, MRAC），使用PET的飞行时间技术（Time of flight, TOF）以实现PET与MR同步扫描的最新型分子成像设备。在一体化 PET/MR设备中，PET探测器元件组成对一体化PET/MR设备整体结构、性能和应用，以及能否实现PET与MRI同步扫描至关重要。PET探测器主要由晶体、光电转化器和后续电子线路组成。在一体化PET/MR设备中，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）。尽管雪崩式二极管（Avalanche photo diode, APD）和硅光电倍增管（Silicon photomultipliers, SiPM）均属于SSPM。但是，APD与SiPM之间存在本质的区别，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）类似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，其设备性能和应用均未达到预期的目标。自从2008年推出新一代SiPM以来，SiPM空间分辨率、稳定性、热敏感型、磁场兼容性和PET的TOF分辨率等得到大幅度提高，SiPM已经成为一体化PET/MR分子成像设备的最佳选择。为此，本文主要介绍 SiPM技术、性能和应用的进展。
　　1. SiPM的基本结构
　　SiPM是一种新型的光电探测器件，由工作在盖革模式(Geiger mode)的雪崩二极管阵列所组成。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）。目前，以SiPM缩写为多数学者和科研人员所接受。尽管SiPM是基于APD发展起来的新技术，但是SiPM克服了APD技术的固有缺陷并且具有更好的磁场兼容性、热稳定性和极高的时间分辨率能够实现PET的TOF技术。所以，SiPM完全取代APD已经成为业界共识。
　　（1）APD
　　盖革和米勒(Geiger-Mueller)于1928年发明了盖革计数管，并被用于多种辐射探测。APD是基于GM原理发展起来的技术，在以硅或锗为材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结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生＂雪崩＂（即光电流成倍地激增）的现象，因此这种二极管被称为＂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，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的Read二极管结构（即N+PIP+型结构，P+一面接收光），工作时加较大的反向偏压，使得其达到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的P区和I区）[1，3]。
　　APD优势为固态光电转化器，对磁场敏感度不高，能够达到一定程度的集成化。但是，其缺点是对热极其敏感，需要专门的水冷系统，磁场对其有一定程度的干扰，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）效果不尽人意，同时影响PET和MR设备性能。不能实现PET的TOF技术，无法在PET/MR系统充分发挥PET性能，影响PET与MR同步扫描。
　　（2）SiPM
　　SiPM技术发明于二十世纪九十年代末，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备。每个硅光电倍增管由大量的（几百到几千个）APD单元组成，每个单独的APD的尺寸可以从20至100微米而变化，并且它们的密度每平方毫米可高达1000个以上，每一个单元由一个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（一般是几十伏）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发生康普顿散射，打出电子或空穴，高能的电子和空穴随即在电场中加速，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突然变大，在淬灭电阻上降落的电压也变大，APD中的电场瞬间变小，即APD输出一个瞬时电流脉冲后雪崩停止，不同微元的淬灭电阻阻值相同，所以理论上讲每个微元会输出等大的脉冲。每个微元都是逻辑单元，有信号输出是＂1＂，没有信号就是＂0＂。在硅光电倍增管的动态范围内，它输出电流的大小就和发生雪崩的微元数成正比。
　　SiPM是将多个APD以阵列方式通过高度集成化起来。与APD相比较，SiPM具有增益和灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、受温度影响小、结构紧凑和能够实现PET的TOF技术等特点。由于工作的偏置电压低，所以几乎不受磁场影响；结构紧凑有利于对PET探测器进行更有效地屏蔽（磁场和放射线）；将APD以阵列方式高度集成化起来使其对热变化更加稳定；具有TOF技术能够提高PET图像质量，消除PET图像的＂热气管＂征象伪影和＂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结构和性能比较
　　表1 是SiPM与APD、传统的光电倍增管性能比较。可以看出SiPM具有增益高、工作偏置电压低、受温度影响小、对磁场不敏感、能够实现高度集成化、能够实现PET的TOF技术等绝对的优势。如果我们对表中原始数据进行分析可以获得SiPM对温度的变化仅仅是0.3%/℃，而APD是1~3%/℃。可以看出SiPM对温度的稳定性是APD的10倍。Spanoudaki 等引用先前的数据认为SiPM存在对温度敏感是一些学者采用90年代产品测试的结果[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用90年代的SiPM测试结果，要么是引用了没有依据的文献。相反，通过对数据的系统回顾，可以确认的是SiPM对温度变化并不敏感，对温度具有极好的稳定性[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，具有更高的可信程度。随着半导体技术、工艺进步，SiPM的性能已经被大幅度提高。反而可以从采用了APD的PET/MR的文献（Delso G等报道）中清晰地看到，PET探测器采用LSO晶体和APD后，在APD单元配置水冷系统。这也是自2010以来学者们认为SiPM将完全取代APD的原因。
　　2. SiPM在PET分子成像中应用
　　由于SiPM具有独特的技术优势，特别适合于PET的探测器，SiPM已经被用于独立的PET、PET/CT设备和一体化PET/MR设备中，并且获得非常满意的临床图像。
　　（1） 用于独立的PET或PET/CT成像
　　PET/CT的PET探测器使用SiPM后其PET探测器的灵敏度、空间分辨率和图像对比度大幅度提高，并且可以将给患者的注射剂量大幅度降低或显著提高扫描速度。采用SiPM的PET探测器PET/CT已经在2013年6月11日获得FDA批准进入美国市场销售。
　　（2） 用于一体化带有TOF技术同步扫描的PET/MR
　　采用SiPM光电转换器PET探测器的一体化带有TOF技术的PET/MR于2014年11月24日获得FDA批准进入美国市场销售。迄今，使用SiPM探测器具有TOF技术的一体化PET/MR在全球的销售量已经达到69台。在我们国内安装用于测试设备已经获得非常好的临床图像。这些更进一步说明SiPM具有更好的稳定性，APD技术已经被淘汰。
　　综上所述。可以看出SiPM具有增益和灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、受温度影响小、结构紧凑和能够实现PET的TOF技术等特点。在一体化PET/MR设备中，SiPM已经成为最佳的选择。