光子冻结的秘密

原创阿杜不唱歌MI V CLUB

上周西门子发布了最新的Biograph Vision PET/CT，首次将PET TOF时间分辨率大幅提升至214ps，真正实现光子冻结。

PET/CT整体性能的大幅提升，需要将其中的每一个部件都做到极致。对PET/CT系统来说，决定系统性能最重要的部件就是PET探测器。今天我们一起看看，能实现214ps TOF的UDR探测器有哪些独特的设计吧~

1  晶体的“黄金切割”

UDR探测器采用3.2x3.2x20mm的晶体切割，3.2x3.2mm的断面切割可以提升系统空间分辨率，而20mm的晶体长度中蕴藏着怎样的技术内涵呢？

我们都知道，晶体越长，对于光子的阻滞能力就越强，因此对于光子的探测效率会更高。然而，更短的晶体虽然会导致其对于光子的捕捉能力下降，但是它可以在很大程度上减少光子在晶体中的路程、缩短光子在晶体中穿过的时间。因此更短的晶体能够显著降低光子在晶体中的时间不确定性（time jitter），从而提升TOF性能，而TOF性能恰恰能够显著提升系统的有效灵敏度。

对于晶体切割的长短问题，一边是晶体本身更高的探测效率，另一边则是更好TOF性能以及更高的灵敏度增益。只有同时考虑这两个方面，权衡各种因素的影响，才能实现性能的最优化。

西门子研发团队借助先进的计算机模拟技术以及上万次的实验验证，最终选择了20mm的“黄金切割”尺寸。选择这样的切割尺寸既保证了足量的光子探测效率，同时也兼顾了更高的时间分辨率，为Biograph Vision 214ps的超高TOF性能打下了基础。

2  SiPM覆盖率

光电转换的“隐藏属性”

很多设备厂商都在鼓吹SiPM就代表高性能，然而SiPM有着许多性能参数。不同的参数使得不同SiPM探测器的性能参差不齐，而覆盖率（在光电元件行业也称为填充率/填充因子 Fill Factor, FF）就是其中最有代表性的一个。SiPM的覆盖率是指：在SiPM阵列中，有效感光区域的面积占整个SiPM单元截面面积的百分比。

为什么在SiPM阵列上会出现不同大小的缝隙呢？这是因为SiPM元件上除了负责接收光子的感光元件外，还必须连接大量复杂的电子学电路和元件。正是这一部分电子学电路和元件占用了有效感光单元之间的缝隙。在SiPM工作时，只有当晶体发出的二级光子落在有效感光区域，才会被探测到。如果光子落在感光元件的缝隙之间，信号则会丢失。

如上图所示，SiPM感光区域所占的面积比例越大，光子落在有效感光区域的概率也就越大，SiPM的光探测效率（Photon Detection Efficiency, PDE）就越高。在过去的一段时间里，一方面由于制作工艺的限制，SiPM只能实现50%~70%左右的覆盖率；另一方面，要实现SiPM更高的覆盖，需要全面提升制作工艺，会导致成本增高。西门子为了能够实现极限的SiPM性能，不惜成本，成为业界首家使用100%全覆盖SiPM的厂家。

Biograph Vision搭载100%全覆盖的SiPM，不仅为了实现更高的光探测效率，更重要的是，可以提升探测器的响应速度。探测效率高为什么会和响应速度快搭上关系呢？我们不妨看一下：

在SiPM中，只有当信号达到一定强度时，才会触发时钟系统开始计时（图中Clock Trigger）。从图中可以看出，当SiPM探测效率更高、信号强度更大时，会在更早的时间点触发时钟，从而获取更快的系统响应，这一现象称为 Time Walk Effect。正是利用这一现象，UDR探测器才能借助100%全覆盖的SiPM设计，实现了214ps超高的TOF时间分辨率。

综上所述，UDR探测器在权衡各方因素后，确定了晶体3.2x3.2x20mm的“黄金切割”，并实现SiPM与晶体的100%全覆盖，在提升光子探测效率的同时具有更短的死时间和更高的灵敏度。当然，UDR探测器的极致性能远不是满足以上两点就能达到的。正如PET/CT整体性能依靠影像链上的每一环节一样，UDR探测器的卓越性能依靠的是工程师研发团队对其中每一元件的精雕细琢。每一次设备性能极限的突破，背后都蕴藏着团队巨大的付出和精益求精的信念。

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