采用像素化LYSO（Ce）闪烁体阵列和双端SiPM的深度相互作用增强型康普顿相机

《Applied Radiation and Isotopes》：Depth-of-interaction enhanced Compton camera using pixelated LYSO(Ce) scintillator arrays and dual-ended SiPMs

本研究采用双端读取技术获取LYSO(Ce)探测器阵列的深度信息，通过DOI校正提升Compton相机空间分辨率。实验表明，DOI校正使0.478MeV光子图像的SBP算法空间分辨率改善6.7mm，MLEM算法改善3.1mm，平均DOI分辨率达2.494mm，为BNCT治疗中硼浓度实时监测提供技术支撑。

　　

田晓文|韩璐|耿长然|孔萍萍|杨雪|田峰|唐晓斌

南京航空航天大学核科学技术系，南京，210016，中华人民共和国

摘要

本研究旨在提高基于闪烁体的康普顿相机的位置分辨率，并通过使用相互作用深度（DOI）校正技术来改善图像重建的空间分辨率。采用双端读出方法从闪烁体阵列中获取深度信息。原型DOI基康普顿相机使用了掺铈的镥钇氧正硅酸盐（LYSO(Ce)闪烁体阵列，并进行了校准过程以将深度位置与光强度信号相关联。在Geant4中利用Synder模型模拟了0.478 MeV伽马光子在硼中子捕获治疗（BNCT）中的检测过程。使用简单反投影（SBP）和最大似然期望最大化（MLEM）算法评估了DOI信息对空间分辨率和图像准确性的影响。双端读出方法得出了深度位置与双端信号比率之间的线性关系。平均DOI分辨率为2.494毫米。对于BNCT环境中的0.478 MeV光子图像，与不包含DOI信息的图像相比，使用SBP算法时空间分辨率提高了6.7毫米。使用MLEM算法时，相同光子能量的空间分辨率提高了3.1毫米。将DOI校准信息纳入LYSO双层闪烁体康普顿相机中，显著改善了BNCT环境中0.478 MeV即时伽马光子图像重建的质量。这一进展使得实时测量硼浓度和分布成为可能，有助于BNCT的持续发展。

引言

基于康普顿散射效应工作的康普顿相机（CC）因其能够重建从几十keV到MeV的宽能量范围内的伽马源分布而引起了广泛关注，这优于传统的伽马射线检测方法。该机制能够确定伽马射线的方向和能量，通过电子准直提高了信噪比，并解决了传统机械准直系统的低检测效率问题。自1973年Schonfelder等人开发出第一台用于伽马射线天文学的康普顿相机以来，这些相机的应用已经扩展到天体物理学、环境辐射监测和医学成像等领域（Bottacini, 2023; Coogan et al., 2021; Orlando et al., 2022; Parajuli et al., 2022; Zhu et al., 2024）。它们覆盖从几十keV到几MeV的宽能量范围，使其成为多种成像领域的有前景的技术手段（Bridge et al., 2014; Takeuchi et al., 2014; Katagiri et al., 2021; Kataoka et al., 2013; Kim, 2018）。

在医学应用中，康普顿相机已被用于放射性示踪剂成像、辐射防护、手术引导、核医学成像和剂量监测（Golnik et al., 2016; Mehadji et al., 2024; Yanfeng et al., 2002）。例如，Donghwan Kim等人使用康普顿-PET系统实现了¹⁸F-FDG和¹³¹I的同时3D成像，展示了18F和131I同步成像的临床潜力（Kim et al., 2024）。Zhiyang Yao等人开发了一种配备轻量级、高像素密度硅光电倍增管的双层LYSO(Ce)康普顿相机原型。该系统成功区分了2毫米到10厘米的空间位置变化，使得核医学中的实时伽马检测和多能量辐射源成像成为可能（Yao et al., 2023）。

尽管康普顿相机比Anger相机具有更高的效率（Fontana et al., 2017; Han et al., 2008），但低计数率、采样不完全以及初始光子能量的不确定性等挑战阻碍了其在医疗治疗中的有效应用。因此，全球的研究工作集中在提高康普顿相机的效率、成像算法、测量技术和探测器规格上，以实现对核医学中精确诊断和治疗计划的帮助（Kim and Lee, 2024; Koshikawa et al., 2024; Kozani, 2024; Muoz et al., 2020; Shy et al., 2020; Yan, 2023）。

为了提高空间分辨率，康普顿相机需要能够精确定位伽马射线相互作用的探测器，通常采用小像素或小截面设计。然而，扩大这些探测器的规模会增加制造复杂性和成本，而使用更长的晶体来提高灵敏度则会引入视差误差和相互作用深度（DOI）不确定性，最终降低图像分辨率（Pizzichemi et al., 2016, 2019）。传统的康普顿相机缺乏深度灵敏度，导致图像模糊，特别是对于高能伽马射线或大物体。双端读出技术是从PET成像中借鉴而来的，为获取DOI信息提供了有前景的解决方案。多层闪烁体阵列、磷涂层闪烁体和具有单端或双端读出的像素化闪烁体阵列等技术在DOI精度方面显示出改进（Jan et al., 2017; Kuang et al., 2017; Zatcepin et al., 2020）。其中，双端读出技术因其优越的光子收集效率和连续的DOI测量能力而脱颖而出，能够实现高分辨率。其在康普顿相机中的应用有潜力提高伽马射线相互作用深度的准确性，减少误差，并显著改善成像性能。

硼中子捕获治疗（BNCT）是一种靶向癌症治疗方法，涉及将硼-10（¹⁰B）输送到肿瘤细胞，然后用热中子进行照射。中子捕获反应会产生高能阿尔法粒子和锂-7离子，由于这些粒子的作用范围较短（5–9微米），因此能够对肿瘤细胞造成局部辐射损伤，同时不会影响周围的健康组织。这种选择性机制使BNCT成为治疗多种癌症的有希望的方法。在治疗过程中实时监测患者体内的硼药物分布对于准确评估BNCT的治疗效果至关重要（Dai et al., 2022; Tian et al., 2021）。BNCT过程中产生的0.478 MeV即时伽马射线与体内的硼浓度直接相关。准确检测这些伽马光子可以实现硼浓度的实时监测。为此，我们的研究团队提出了一种新型伽马检测装置——康普顿相机，用于检测BNCT治疗过程中产生的特征性0.478 MeV即时伽马光子（Hou et al., 2022; Tian et al., 2022）。

然而，基于半导体的探测器（如CdTe）的高成本限制了其在大规模临床应用中的普及。本研究采用了基于LYSO的闪烁体探测器，旨在通过高精度的相互作用深度（DOI）测量来弥补其固有的能量分辨率限制，从而在成本、性能和可扩展性之间取得平衡，以实现实用的系统。

为了实现这一目标，我们开发了一种基于双层闪烁体的康普顿相机检测系统，该系统包含了DOI估计功能。利用双端读出技术获取相互作用深度信息，我们研究了DOI信息的存在与否对基于闪烁体的康普顿相机空间分辨率的影响。此外，我们还评估了在BNCT环境中包含或排除DOI信息对0.478 MeV即时伽马光子重建准确性的影响，最终旨在提高重建图像的空间分辨率。

部分摘录

康普顿相机的DOI原理

DOI技术是一种精确确定伽马光子在探测器材料各层中相互作用深度的方法。在传统的康普顿成像重建中，使用像素化记录探测器内光子相互作用的位置信息，包括X和Y坐标。图1说明了这一原理。

双端读出通过测量两端记录的信号强度差异来确定晶体内光子的相互作用位置

DOI信息

图7（a）显示了单个晶体在七个不同深度位置的DOI比率计数分布。平均DOI分辨率确定为2.494毫米。图7（b）展示了深度位置与闪烁体双端信号比率之间的关系。这里，DOI位置表示深度位置，DOI比率指的是来自闪烁体两端的信号比率。图7（a）显示了从数据中得出的DOI校准曲线

讨论

BNCT具有很大的发展潜力，本研究通过研究DOI信息对使用双层双端读出LYSO(Ce)闪烁体基康普顿相机进行图像重建的影响，为该领域做出了贡献。通过实验分析，研究成功使用双端读出方法校准了2.49毫米的DOI分辨率，并获得了高置信度（R² = 0.999）的DOI信号比率拟合曲线。

如表4（Li和Abbaszadeh）所示，

结论

本研究的主要目标是开发一种基于双层双端读出LYSO(Ce)闪烁体的康普顿相机，并利用双端读出方法从闪烁体中获取DOI信息。评估了DOI信息对0.478 MeV即时伽马射线图像重建的影响。结果表明，包含DOI信息的图像重建准确性显著高于不包含DOI信息的图像

伦理声明

作者无需报告任何事项。

CRediT作者贡献声明

田晓文：概念化、形式分析、方法论、软件、写作——原始草稿。韩璐：概念化、形式分析、方法论、软件、写作——原始草稿。耿长然：概念化、数据管理、形式分析、方法论、项目管理、写作——审阅与编辑。孔萍萍：形式分析、软件。杨雪：形式分析、软件。田峰：形式分析、软件。唐晓斌：项目管理、写作——审阅与

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（资助编号：12220101005）、江苏省自然科学基金（资助编号：BK20220132）、中央高校基本科研业务费（编号：NZ2025025）以及南京航空航天大学研究生创新中心基金（资助编号：xcxjh20230619）的支持。

我们感谢无锡TOFTEK科技有限公司的支持以及合作人员在实验中的努力。