雕琢閃爍晶體，照亮腫瘤診斷_風聞

马氏体-2022-10-19 16:45

2022-10-19

在央視工業紀錄片最新力作——《超級裝備（第二季）》的第2集《智領仁心》中，聯影醫療的腫瘤診斷利器——全身PET-CT閃亮登場，代表了我國在高端醫學影像裝備方面的突破。

PET，全稱為正電子發射計算機斷層顯像，是利用放射性同位素標記一些生命代謝所必須的物質，通過追蹤這些放射性物質的聚集來反映生命代謝活動的情況。

在腫瘤診斷中，常用氟代脱氧葡萄糖作為示蹤劑，即用氟-18（氟的穩定同位素為氟-19）取代葡萄糖中的一個羥基。它具有與葡萄糖類似的結構，注入人體後與普通葡萄糖一樣隨血液循環並被細胞吸收。由於腫瘤細胞的代謝比正常細胞更旺盛，要吸收更多葡萄糖，因此氟代脱氧葡萄糖會在腫瘤附近濃集。

氟-18的半衰期只有109.8分鐘，通過β+衰變轉變為氧-18（比普通的氧-16重，但也是無放射性的穩定同位素，氟代脱氧葡萄糖由此恢復為正常的葡萄糖而被代謝掉），同時釋放一個正電子和一箇中微子。正電子在數毫米的距離內遇到人體內的普通電子，正反物質發生湮滅，產生一對能量為511keV的伽馬射線光子（對應的波長為0.0024納米）。這對光子在一條直線上向着相反的方向飛行，如果探測器接受到這樣一對伽馬射線光子，那麼正電子產生的位置就在這對光子的連線上。通過採集無數對伽馬射線光子的信號，即可繪製出氟代脱氧葡萄糖在人體內的分佈，從而識別出腫瘤。

顯然，PET診斷的關鍵，就在於伽馬射線信號的採集。

這個過程，要用到一種關鍵材料——閃爍晶體。

閃爍晶體能夠吸收高能射線的能量，轉化為光能而發出閃光，微弱的閃光再經過光電倍增管的放大，得到可檢測的電信號。

為了減小探測器的尺寸，要求閃爍晶體能夠在較短的距離內吸收掉高能射線的能量，因而閃爍晶體由重元素組成且密度較大；為了提高探測的靈敏度，閃爍晶體要具有儘可能高的光產額，即吸收單位能量所釋放的光子數要多，且發光頻率要儘量跟光電倍增管的敏感範圍匹配；為了提高探測的時間分辨率，還希望閃爍晶體的衰減時間要短，即輻射激發停止後，發光要在儘量短的時間內衰減，以避免PET探測出現重影。

鉈摻雜的碘化鈉（Nal: Tl）是較早得到發現和應用的閃爍晶體之一，雖然光產額很高，但是密度低、易潮解；鍺酸鉍（Bi4Ge3O12，BGO）是目前最成熟、應用最廣泛的一種閃爍晶體，然而它的光產額低、衰減時間長、發光波長離光電倍增管的敏感範圍較遠，不利於在PET上的應用。新型閃爍晶體——鈰摻雜的硅酸鑥或硅酸鑥釔應運而生。

這類閃爍晶體要用到稀土元素鑥（Lu）、釔（Y）和鈰（Ce）。

鑥是原子序數最大、半徑最小的稀土元素，因此硅酸鑥（Lu2SiO5，LSO）在各稀土元素的硅酸鹽中密度最大，達到7.4g/cm³，熔點高達2150℃；如果部分鑥被釔取代，則得到硅酸鑥釔（Lu2(1-x)Y2xSiO5，LYSO），密度下降到7.0 g/cm³左右，但也降低了原料成本（稀土元素基本上是越重的越貴），熔點下降到2050℃左右，使得晶體的生長變得更容易。鈰摻雜進硅酸鑥或者硅酸鑥釔基體中，起到發光中心的作用。由於鈰與釔的半徑和性質接近，鈰更容易取代釔而進入晶體，因而在硅酸鑥釔裏可以做到比硅酸鑥裏更多、更均勻的鈰摻雜。所以，目前更常用的是鈰摻雜的硅酸鑥釔，簡寫為LYSO:Ce。

當高能射線照射到閃爍晶體時，硅酸鑥釔吸收能量並傳遞給鈰，引發鈰的能級躍遷，隨後鈰又把獲得的能量以發光的形式釋放出來，產生波長在420納米左右的光。

由於晶體中的晶界、夾雜等缺陷也會吸收能量和散射光線，要獲得高靈敏度的探測器，就要製備出完美無瑕的LYSO:Ce單晶體。與單晶硅一樣，LYSO:Ce單晶的生長主要採用提拉法（CZ法）。

按照LYSO:Ce的成分配比預先製備多晶粉體，作為生長單晶的原料，在坩堝中於2000℃以上的温度加熱熔化。在這麼高的温度，只能使用貴金屬銥（Ir，熔點2450℃）作為坩堝材料。

以一塊小晶體作為晶體生長的“種子”——籽晶，插入坩堝中，接觸熔體的液麪，引導熔體依附於它長成一塊大晶體。

提拉桿帶動晶體旋轉，並隨着晶體向下生長而緩慢提升，使晶體的下表面始終與液麪接觸。（動圖中提拉桿表面附着的顆粒物是二氧化硅，在高温下從坩堝中揮發後冷凝上去的）

在初始階段，提拉的速度比較慢，晶體的直徑越長越大，被稱為“擴肩”，待晶體直徑擴大到所需的尺寸後，保持均勻提拉，就得到越來越長的圓柱形晶體。

把圓柱狀晶體切割成片狀，這裏用的是內圓切割機，刀刃在圓環的內側。

為了減少閃爍晶體內光的損失，晶體的表面必須打磨拋光，對晶體內部的光線起到鏡面反射作用。

使用雙面拋光機，用上下兩個拋光盤同時對晶片的上下表面進行拋光。拋光液中含有二氧化硅膠體作為磨粒，對晶片進行機械摩擦，同時用化學藥劑對晶片進行輕微的腐蝕，從而除去晶片表面的凹凸不平和損傷，這種機械與化學作用相協同的拋光方法被稱為化學機械拋光（CMP）。

雙面拋光機的運行原理類似行星齒輪，遊輪齧合在內部的太陽輪和外部的齒圈之間，圍繞太陽輪公轉的同時發生自轉，使嵌在遊輪片裏的晶片得到均勻拋光。為了進一步減少漏光，晶片的拋光表面還要再貼上反光膜。

來自於不同LYSO:Ce晶體的晶片之間難免存在閃爍性能的差異，即便是從同一塊大晶體上切下來的晶片，也會因為鈰摻雜量的不均勻而產生性能差異。因此，要對晶片進行檢測和分級，挑出性能接近的晶片，用膠粘連在一起。

把粘到一起的一摞晶片側向立起來，用一道道平行的金剛石線進行切割。

所謂金剛石線，是用電鍍的方法把金剛石粉末粘到細鋼絲上得到的，適用於切割各類晶體。

一摞粘在一起的晶片又被切成片。不過原來的晶片都已經被切斷，現在得到的晶片是一排被膠粘起來的小晶柱。同樣對新的晶片進行雙面拋光、貼反光膜、粘接，就得到由晶柱構成的陣列（這是高效率大批量生產陣列的方法，如果陣列的規模小，也可以先切割出分立的晶柱，再粘接）。

單獨一塊小晶柱的探測能力有限，但數以萬計的晶柱組合成陣列，就如同昆蟲的複眼，捕捉每一縷射線，繪製出纖毫畢現的圖像。

要讓複眼中的每一隻單眼都能協同工作，得用高精度磨牀把陣列表面打磨成精確的形狀。

晶體陣列和光電倍增管組合成探測模塊，模塊再組合成環狀探測器單元，採集人體向各個方向輻射的伽馬射線。

傳統的PET探測器長度較小，無法覆蓋全身，只能分段檢測，耗時很長，但氟-18的半衰期很短，患者必須注入大劑量的氟代脱氧葡萄糖，不僅費用高昂，還會帶來較大的健康風險，限制了PET檢測的應用範圍。聯影醫療的“探索者”全身PET-CT把8個環狀探測器單元前後疊加，一共使用564480根晶柱，環繞成1.94米長的探測範圍，從而實現全身同步檢測，再加上先進的算法，把氟代脱氧葡萄糖的注射量減少到傳統方法的1/40，極大地方便了PET在疾病診斷和生命科學研究中的應用。至於説PET-CT，是把CT（X射線計算機斷層顯像）結合到PET儀器上，先對患者做一次全身CT掃描得到人體結構信息，再送入PET探測器採集代謝信息，把兩種儀器採集的信息相結合，更好地進行診斷，而CT機對X光的成像，同樣離不開閃爍晶體。

除了高端醫療影像設備，在工業無損檢測、安全檢查、高能物理及核物理、地質勘探等領域，閃爍晶體都有廣泛的應用。