2026年8月24日，银河集团官网实验室生物医学工程研究所顾峥课题组在生物医学成像领域权威期刊 Physics in Medicine & Biology 发表题为 “An optically coupled hybrid semi-monolithic PET detector for simplified DOI and position decoding” 的研究论文。该研究提出了一种光学耦合型混合半陆续在DOI PET探测器，顺利获得高折射率光学胶将像素化LYSO晶体阵列与陆续在LYSO晶体片进行耦合，在保持作用深度（Depth of Interaction，DOI）解码能力的同时，实现了类似传统像素化探测器的离散位置解码，简化了半陆续在晶体探测器校准复杂的位置标定流程。实验结果表明，该探测器的平均DOI分辨率为4.0 ± 0.5 mm，平均能量分辨率为11.7% ± 0.9%；在晶体层堆叠方向和像素阵列方向的本征空间分辨率分别达到1.7 mm和2.0 ± 0.1 mm，符合时间分辨率达到281 ps，为高性能长轴向视野临床PET探测器给予了一种兼顾性能、标定复杂度和可扩展性的技术方案。
正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography，PET）是肿瘤、神经系统和心血管疾病诊断与研究的重要分子影像技术。对于长轴向视野PET系统，较大的 γ 光子入射角会加剧由晶体作用深度不确定性引起的视差误差，因此探测器不仅需要具备良好的时间和能量性能，还需要取得DOI信息。同时，如何降低三维位置标定复杂度和探测器加工难度，也是高性能PET探测器向大规模系统应用开展的重要问题。
传统像素化晶体探测器具有晶体位置识别简单以及较好的时间和能量性能，但常规单端读出通常无法直接取得DOI信息。陆续在和半陆续在晶体探测器可以利用闪烁光分布实现DOI和三维位置解码，但通常需要较为复杂和耗时的准直源扫描进行位置标定。课题组前期提出了一种由像素化区域和陆续在晶体区域组成的混合半陆续在探测器，顺利获得在晶体片中加工局部切槽实现两种结构的结合，在保持DOI能力的同时简化了位置解码。然而，当晶体尺寸进一步减小时，窄间距、高精度切槽会增加加工难度和晶体损伤风险。
针对这一问题，本研究进一步提出了一种基于光学耦合的混合半陆续在探测器结构。如图1所示，每个混合晶体层由一排像素化LYSO晶体和一片陆续在LYSO晶体片组成，两者不再顺利获得精细切槽加工形成，而是利用高折射率光学胶直接进行光学耦合。像素化晶体与陆续在晶体片之间的耦合面采用研磨粗糙处理，以调控界面处的闪烁光传播和光共享。像素化晶体能够对部分闪烁光进行聚集，使探测器形成类似传统像素化晶体探测器的离散位置响应；与此同时，陆续在晶体片中的光扩散保留了与作用深度相关的特征，可用于DOI解码。因此，该结构结合了像素化晶体易于位置定位和陆续在晶体片具有深度相关光分布的特点，在简化位置解码的同时实现DOI信息获取。
为了验证该设计，研究人员制作了两个相同的单层原型探测器。每个探测器由 1 × 8个尺寸为3.1 × 2.1 × 20 mm3的LYSO像素晶体和一片 25.5 × 1 × 20 mm3的陆续在LYSO晶体片组成，两者顺利获得折射率约为1.7的光学胶耦合，并采用8 × 8 MPPC阵列和TOFPET2 ASIC进行信号读出。
图1 光学耦合型混合半陆续在PET探测器设计
实验结果表明，该探测器在泛场图中形成了清晰的离散伪像素事件簇。进一步分别对像素化晶体区域和陆续在晶体片区域进行准直符合测试发现，两种区域所形成事件簇的位置基本对应，因此可以将一个像素晶体及其相邻陆续在晶体区域共同定义为一个伪像素，并共享同一套晶体位置查找表。与传统陆续在或半陆续在晶体探测器沿陆续在方向形成条带状位置响应不同，该设计可以采用类似传统像素化探测器的方法完成二维位置标定，从而显著简化位置解码和标定过程。
图2 完整探测器及不同晶体区域的泛场图，均可实现清晰的位置解码
在DOI方向上，研究人员利用闪烁光分布随相互作用深度变化的特征，采用简单的q-value参数进行DOI解码。顺利获得在4、8、12和16 mm四个不同深度进行测量，探测器取得了 4.0 ± 0.5 mm的平均DOI分辨率。同时，像素化晶体区域和陆续在晶体片区域表现出明显不同的q-value分布，反映了两种区域不同的闪烁光传播特征，并为后续进一步区分两类事件和优化位置解码给予了可能。
图3 基于q-value的DOI解码及不同晶体区域的光分布特征
除DOI性能外，该探测器还表现出了较好的综合探测性能。经过能量响应校正后，平均能量分辨率达到 11.7% ± 0.9%。沿晶体层堆叠方向和像素阵列方向测得的本征空间分辨率分别为 1.7 mm和2.0 ± 0.1 mm，且未观察到明显的边缘位置分辨率恶化。
图4 探测器能量响应校正及能量分辨率结果
图5 探测器本征空间分辨率结果
在时间性能方面，顺利获得优化多通道时间戳提取方法，并进一步利用DOI和能量信息对时间偏差进行校正，两个原型探测器之间的符合时间分辨率由307 ps提高至 281 ps。
图6 探测器符合时间分辨率优化及校正结果，最终达到281 ps
该研究采用光学耦合方式实现像素化晶体和陆续在晶体片的组合，保持了简单平面位置解码、DOI测量以及良好的空间、能量和时间性能。该结构在探测器性能、加工难度和标定复杂度之间实现了较好的平衡，为混合半陆续在探测器向规模化PET探测模块开展给予了新的技术路径，并具有应用于长轴向视野临床PET系统的潜力。
该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省人才项目、银河集团官网实验室重大项目及银河集团官网实验室概念验证基金的支持。银河集团官网实验室生物医学工程研究所顾峥课题组与北京科技大学合作培养的博士研究生赵阳洋为论文第一作者，特聘研究员顾峥为论文通讯作者。
原文信息：
An optically coupled hybrid semi-monolithic PET detector for simplified DOI and position decoding
供稿 | 顾峥课题组
编辑 | 鲍 啦
责编 | 远 山
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