雕琢闪烁晶体，照亮肿瘤诊断

马氏体

2022-10-19 16:45

在央视工业纪录片最新力作——《超级装备（第二季）》的第2集《智领仁心》中，联影医疗的肿瘤诊断利器——全身PET-CT闪亮登场，代表了我国在高端医学影像装备方面的突破。

PET，全称为正电子发射计算机断层显像，是利用放射性同位素标记一些生命代谢所必须的物质，通过追踪这些放射性物质的聚集来反映生命代谢活动的情况。

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在肿瘤诊断中，常用氟代脱氧葡萄糖作为示踪剂，即用氟-18（氟的稳定同位素为氟-19）取代葡萄糖中的一个羟基。它具有与葡萄糖类似的结构，注入人体后与普通葡萄糖一样随血液循环并被细胞吸收。由于肿瘤细胞的代谢比正常细胞更旺盛，要吸收更多葡萄糖，因此氟代脱氧葡萄糖会在肿瘤附近浓集。

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氟-18的半衰期只有109.8分钟，通过β⁺衰变转变为氧-18（比普通的氧-16重，但也是无放射性的稳定同位素，氟代脱氧葡萄糖由此恢复为正常的葡萄糖而被代谢掉），同时释放一个正电子和一个中微子。正电子在数毫米的距离内遇到人体内的普通电子，正反物质发生湮灭，产生一对能量为511keV的伽马射线光子（对应的波长为0.0024纳米）。这对光子在一条直线上向着相反的方向飞行，如果探测器接受到这样一对伽马射线光子，那么正电子产生的位置就在这对光子的连线上。通过采集无数对伽马射线光子的信号，即可绘制出氟代脱氧葡萄糖在人体内的分布，从而识别出肿瘤。

显然，PET诊断的关键，就在于伽马射线信号的采集。

这个过程，要用到一种关键材料——闪烁晶体。

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闪烁晶体能够吸收高能射线的能量，转化为光能而发出闪光，微弱的闪光再经过光电倍增管的放大，得到可检测的电信号。

为了减小探测器的尺寸，要求闪烁晶体能够在较短的距离内吸收掉高能射线的能量，因而闪烁晶体由重元素组成且密度较大；为了提高探测的灵敏度，闪烁晶体要具有尽可能高的光产额，即吸收单位能量所释放的光子数要多，且发光频率要尽量跟光电倍增管的敏感范围匹配；为了提高探测的时间分辨率，还希望闪烁晶体的衰减时间要短，即辐射激发停止后，发光要在尽量短的时间内衰减，以避免PET探测出现重影。

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铊掺杂的碘化钠（Nal: Tl）是较早得到发现和应用的闪烁晶体之一，虽然光产额很高，但是密度低、易潮解；锗酸铋（Bi4Ge3O12，BGO）是目前最成熟、应用最广泛的一种闪烁晶体，然而它的光产额低、衰减时间长、发光波长离光电倍增管的敏感范围较远，不利于在PET上的应用。新型闪烁晶体——铈掺杂的硅酸镥或硅酸镥钇应运而生。

这类闪烁晶体要用到稀土元素镥（Lu）、钇（Y）和铈（Ce）。

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镥是原子序数最大、半径最小的稀土元素，因此硅酸镥（Lu2SiO5，LSO）在各稀土元素的硅酸盐中密度最大，达到7.4g/cm³，熔点高达2150℃；如果部分镥被钇取代，则得到硅酸镥钇（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贵），熔点下降到2050℃左右，使得晶体的生长变得更容易。铈掺杂进硅酸镥或者硅酸镥钇基体中，起到发光中心的作用。由于铈与钇的半径和性质接近，铈更容易取代钇而进入晶体，因而在硅酸镥钇里可以做到比硅酸镥里更多、更均匀的铈掺杂。所以，目前更常用的是铈掺杂的硅酸镥钇，简写为LYSO:Ce。

当高能射线照射到闪烁晶体时，硅酸镥钇吸收能量并传递给铈，引发铈的能级跃迁，随后铈又把获得的能量以发光的形式释放出来，产生波长在420纳米左右的光。

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由于晶体中的晶界、夹杂等缺陷也会吸收能量和散射光线，要获得高灵敏度的探测器，就要制备出完美无瑕的LYSO:Ce单晶体。与单晶硅一样，LYSO:Ce单晶的生长主要采用提拉法（CZ法）。

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按照LYSO:Ce的成分配比预先制备多晶粉体，作为生长单晶的原料，在坩埚中于2000℃以上的温度加热熔化。在这么高的温度，只能使用贵金属铱（Ir，熔点2450℃）作为坩埚材料。

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以一块小晶体作为晶体生长的“种子”——籽晶，插入坩埚中，接触熔体的液面，引导熔体依附于它长成一块大晶体。

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提拉杆带动晶体旋转，并随着晶体向下生长而缓慢提升，使晶体的下表面始终与液面接触。（动图中提拉杆表面附着的颗粒物是二氧化硅，在高温下从坩埚中挥发后冷凝上去的）

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在初始阶段，提拉的速度比较慢，晶体的直径越长越大，被称为“扩肩”，待晶体直径扩大到所需的尺寸后，保持均匀提拉，就得到越来越长的圆柱形晶体。

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把圆柱状晶体切割成片状，这里用的是内圆切割机，刀刃在圆环的内侧。

为了减少闪烁晶体内光的损失，晶体的表面必须打磨抛光，对晶体内部的光线起到镜面反射作用。

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使用双面抛光机，用上下两个抛光盘同时对晶片的上下表面进行抛光。抛光液中含有二氧化硅胶体作为磨粒，对晶片进行机械摩擦，同时用化学药剂对晶片进行轻微的腐蚀，从而除去晶片表面的凹凸不平和损伤，这种机械与化学作用相协同的抛光方法被称为化学机械抛光（CMP）。

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双面抛光机的运行原理类似行星齿轮，游轮啮合在内部的太阳轮和外部的齿圈之间，围绕太阳轮公转的同时发生自转，使嵌在游轮片里的晶片得到均匀抛光。为了进一步减少漏光，晶片的抛光表面还要再贴上反光膜。

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来自于不同LYSO:Ce晶体的晶片之间难免存在闪烁性能的差异，即便是从同一块大晶体上切下来的晶片，也会因为铈掺杂量的不均匀而产生性能差异。因此，要对晶片进行检测和分级，挑出性能接近的晶片，用胶粘连在一起。

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把粘到一起的一摞晶片侧向立起来，用一道道平行的金刚石线进行切割。

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所谓金刚石线，是用电镀的方法把金刚石粉末粘到细钢丝上得到的，适用于切割各类晶体。

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一摞粘在一起的晶片又被切成片。不过原来的晶片都已经被切断，现在得到的晶片是一排被胶粘起来的小晶柱。同样对新的晶片进行双面抛光、贴反光膜、粘接，就得到由晶柱构成的阵列（这是高效率大批量生产阵列的方法，如果阵列的规模小，也可以先切割出分立的晶柱，再粘接）。

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单独一块小晶柱的探测能力有限，但数以万计的晶柱组合成阵列，就如同昆虫的复眼，捕捉每一缕射线，绘制出纤毫毕现的图像。

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要让复眼中的每一只单眼都能协同工作，得用高精度磨床把阵列表面打磨成精确的形状。

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晶体阵列和光电倍增管组合成探测模块，模块再组合成环状探测器单元，采集人体向各个方向辐射的伽马射线。

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传统的PET探测器长度较小，无法覆盖全身，只能分段检测，耗时很长，但氟-18的半衰期很短，患者必须注入大剂量的氟代脱氧葡萄糖，不仅费用高昂，还会带来较大的健康风险，限制了PET检测的应用范围。联影医疗的“探索者”全身PET-CT把8个环状探测器单元前后叠加，一共使用564480根晶柱，环绕成1.94米长的探测范围，从而实现全身同步检测，再加上先进的算法，把氟代脱氧葡萄糖的注射量减少到传统方法的1/40，极大地方便了PET在疾病诊断和生命科学研究中的应用。至于说PET-CT，是把CT（X射线计算机断层显像）结合到PET仪器上，先对患者做一次全身CT扫描得到人体结构信息，再送入PET探测器采集代谢信息，把两种仪器采集的信息相结合，更好地进行诊断，而CT机对X光的成像，同样离不开闪烁晶体。

除了高端医疗影像设备，在工业无损检测、安全检查、高能物理及核物理、地质勘探等领域，闪烁晶体都有广泛的应用。

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