一體化PET/MR設(shè)備是在高場磁共振成像(MRI)設(shè)備平臺上，將最新技術(shù)的PET探測器植入到MR的體線圈和梯度線圈之間，采用MRI信息對PET成像過程γ射線在組織細(xì)胞衰減進行校正（MR based attenuation correction, MRAC），使用PET的飛行時間技術(shù)（Time of flight, TOF）以實現(xiàn)PET與MR同步掃描的最新型分子成像設(shè)備。在一體化 PET/MR設(shè)備中，PET探測器元件組成對一體化PET/MR設(shè)備整體結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用，以及能否實現(xiàn)PET與MRI同步掃描至關(guān)重要。PET探測器主要由晶體、光電轉(zhuǎn)化器和后續(xù)電子線路組成。在一體化PET/MR設(shè)備中，PET的晶體只能選擇短余暉時間的晶體（LSO、LBS或LYSO），PET探測器的光電轉(zhuǎn)化器只能選擇對磁場不敏感固態(tài)光電轉(zhuǎn)化器（Solid state photomultiplier tubes, SSPM）。盡管雪崩式二極管（Avalanche photo diode, APD）和硅光電倍增管（Silicon photomultipliers, SiPM）均屬于SSPM。但是，APD與SiPM之間存在本質(zhì)的區(qū)別，SiPM是固態(tài)陣列式光電轉(zhuǎn)化器，而APD與傳統(tǒng)的光電倍增管（Photomultiplier tubes，PMT）類似是單個獨立的光電轉(zhuǎn)換器[1,2,3]。早期一體化PET/MR選擇 APD作為PET探測光電轉(zhuǎn)化器，其設(shè)備性能和應(yīng)用均未達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。自從2008年推出新一代SiPM以來，SiPM空間分辨率、穩(wěn)定性、熱敏感型、磁場兼容性和PET的TOF分辨率等得到大幅度提高，SiPM已經(jīng)成為一體化PET/MR分子成像設(shè)備的最佳選擇。為此，本文主要介紹 SiPM技術(shù)、性能和應(yīng)用的進展。
1. SiPM的基本結(jié)構(gòu)
SiPM是一種新型的光電探測器件，由工作在蓋革模式(Geiger mode)的雪崩二極管陣列所組成。濱松公司稱這種模式為多像素光子計數(shù)器（Multi-pixel photon counter, MPPC）, 而SENSL公司稱作硅光電倍增管（SiPM）。目前，以SiPM縮寫為多數(shù)學(xué)者和科研人員所接受。盡管SiPM是基于APD發(fā)展起來的新技術(shù)，但是SiPM克服了APD技術(shù)的固有缺陷并且具有更好的磁場兼容性、熱穩(wěn)定性和極高的時間分辨率能夠?qū)崿F(xiàn)PET的TOF技術(shù)。所以，SiPM完全取代APD已經(jīng)成為業(yè)界共識。
（1）APD
蓋革和米勒(Geiger-Mueller)于1928年發(fā)明了蓋革計數(shù)管，并被用于多種輻射探測。APD是基于GM原理發(fā)展起來的技術(shù)，在以硅或鍺為材料制成的光電二極管的P-N結(jié)上加上反向偏壓后，射入的光被P-N結(jié)吸收后會形成光電流。加大反向偏壓會產(chǎn)生“雪崩”（即光電流成倍地激增）的現(xiàn)象，因此這種二極管被稱為“雪崩光電二極管”。雪崩光電二極管是一種p-n結(jié)型的光檢測二極管，其中利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。其基本結(jié)構(gòu)常常采用容易產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)的Read二極管結(jié)構(gòu)（即N+PIP+型結(jié)構(gòu)，P+一面接收光），工作時加較大的反向偏壓，使得其達(dá)到雪崩倍增狀態(tài)；它的光吸收區(qū)與倍增區(qū)基本一致（是存在有高電場的P區(qū)和I區(qū)）[1，3]。
APD優(yōu)勢為固態(tài)光電轉(zhuǎn)化器，對磁場敏感度不高，能夠達(dá)到一定程度的集成化。但是，其缺點是對熱極其敏感，需要專門的水冷系統(tǒng)，磁場對其有一定程度的干擾，因而影響其PET成像質(zhì)量。很難實現(xiàn)高度集成化，使其在體線圈和梯度線圈之間的屏蔽（磁屏蔽和射線屏蔽）效果不盡人意，同時影響PET和MR設(shè)備性能。不能實現(xiàn)PET的TOF技術(shù)，無法在PET/MR系統(tǒng)充分發(fā)揮PET性能，影響PET與MR同步掃描。
（2）SiPM
SiPM技術(shù)發(fā)明于二十世紀(jì)九十年代末，以從硅（Si）襯底上的雪崩光電二極管（APD）陣列內(nèi)置硅單光子敏感的設(shè)備。每個硅光電倍增管由大量的（幾百到幾千個）APD單元組成，每個單獨的APD的尺寸可以從20至100微米而變化，并且它們的密度每平方毫米可高達(dá)1000個以上，每一個單元由一個APD和一個大阻值淬滅電阻串聯(lián)而成，這些微元并聯(lián)成一個面陣列。為硅光電倍增管加上反向偏壓（一般是幾十伏）后，每個微元的APD耗盡層有很高的電場，此時若外界有光子打進來，會和半導(dǎo)體中的電子空穴對發(fā)生康普頓散射，打出電子或空穴，高能的電子和空穴隨即在電場中加速，打出大量的次級電子和空穴，即雪崩。此時每個微元電路中電流突然變大，在淬滅電阻上降落的電壓也變大，APD中的電場瞬間變小，即APD輸出一個瞬時電流脈沖后雪崩停止，不同微元的淬滅電阻阻值相同，所以理論上講每個微元會輸出等大的脈沖。每個微元都是邏輯單元，有信號輸出是“1”，沒有信號就是“0”。在硅光電倍增管的動態(tài)范圍內(nèi)，它輸出電流的大小就和發(fā)生雪崩的微元數(shù)成正比。
SiPM是將多個APD以陣列方式通過高度集成化起來。與APD相比較，SiPM具有增益和靈敏度高、偏置電壓低、對磁場不敏感、受溫度影響小、結(jié)構(gòu)緊湊和能夠?qū)崿F(xiàn)PET的TOF技術(shù)等特點。由于工作的偏置電壓低，所以幾乎不受磁場影響；結(jié)構(gòu)緊湊有利于對PET探測器進行更有效地屏蔽（磁場和放射線）；將APD以陣列方式高度集成化起來使其對熱變化更加穩(wěn)定；具有TOF技術(shù)能夠提高PET圖像質(zhì)量，消除PET圖像的“熱氣管”征象偽影和“正電子穿透效應(yīng)”偽影， 真正實現(xiàn)PET與MR的同步掃描。
（3）SiPM與APD結(jié)構(gòu)和性能比較
表1 是SiPM與APD、傳統(tǒng)的光電倍增管性能比較。可以看出SiPM具有增益高、工作偏置電壓低、受溫度影響小、對磁場不敏感、能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成化、能夠?qū)崿F(xiàn)PET的TOF技術(shù)等絕對的優(yōu)勢。如果我們對表中原始數(shù)據(jù)進行分析可以獲得SiPM對溫度的變化僅僅是0.3%/℃，而APD是1~3%/℃?？梢钥闯鯯iPM對溫度的穩(wěn)定性是APD的10倍。Spanoudaki 等引用先前的數(shù)據(jù)認(rèn)為SiPM存在對溫度敏感是一些學(xué)者采用90年代產(chǎn)品測試的結(jié)果[4]。Disselhorst等引用的兩篇文章僅僅涉及到APD，并沒有溫度對SiPM影響的數(shù)據(jù)[5，6]?？梢?，Spanoudaki 和Disselhorst等報道的數(shù)據(jù)要么是采用90年代的SiPM測試結(jié)果，要么是引用了沒有依據(jù)的文獻(xiàn)。相反，通過對數(shù)據(jù)的系統(tǒng)回顧，可以確認(rèn)的是SiPM對溫度變化并不敏感，對溫度具有極好的穩(wěn)定性[2，7]。本文表1的數(shù)據(jù)來自2011年更新后的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)直接來自SiPM生產(chǎn)廠家，具有更高的可信程度。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、工藝進步，SiPM的性能已經(jīng)被大幅度提高。反而可以從采用了APD的PET/MR的文獻(xiàn)（Delso G等報道）中清晰地看到，PET探測器采用LSO晶體和APD后，在APD單元配置水冷系統(tǒng)。這也是自2010以來學(xué)者們認(rèn)為SiPM將完全取代APD的原因。
2. SiPM在PET分子成像中應(yīng)用
由于SiPM具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，特別適合于PET的探測器，SiPM已經(jīng)被用于獨立的PET、PET/CT設(shè)備和一體化PET/MR設(shè)備中，并且獲得非常滿意的臨床圖像。
（1） 用于獨立的PET或PET/CT成像
PET/CT的PET探測器使用SiPM后其PET探測器的靈敏度、空間分辨率和圖像對比度大幅度提高，并且可以將給患者的注射劑量大幅度降低或顯著提高掃描速度。采用SiPM的PET探測器PET/CT已經(jīng)在2013年6月11日獲得FDA批準(zhǔn)進入美國市場銷售。
（2） 用于一體化帶有TOF技術(shù)同步掃描的PET/MR
采用SiPM光電轉(zhuǎn)換器PET探測器的一體化帶有TOF技術(shù)的PET/MR于2014年11月24日獲得FDA批準(zhǔn)進入美國市場銷售。迄今，使用SiPM探測器具有TOF技術(shù)的一體化PET/MR在全球的銷售量已經(jīng)達(dá)到69臺。在我們國內(nèi)安裝用于測試設(shè)備已經(jīng)獲得非常好的臨床圖像。這些更進一步說明SiPM具有更好的穩(wěn)定性，APD技術(shù)已經(jīng)被淘汰。
綜上所述?？梢钥闯鯯iPM具有增益和靈敏度高、偏置電壓低、對磁場不敏感、受溫度影響小、結(jié)構(gòu)緊湊和能夠?qū)崿F(xiàn)PET的TOF技術(shù)等特點。在一體化PET/MR設(shè)備中，SiPM已經(jīng)成為最佳的選擇。