一體化PET/MR設備是在高場磁共振成像(MRI)設備平臺上，將最新技術的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射線在組織細胞衰減進行校正（MR based attenuation correction, MRAC），使用PET的飛行時間技術（Time of flight, TOF）以實現PET與MR同步掃描的最新型分子成像設備。在一體化 PET/MR設備中，PET探測器元件組成對一體化PET/MR設備整體結構、性能和應用，以及能否實現PET與MRI同步掃描至關重要。PET探測器主要由晶體、光電轉化器和后續電子線路組成。在一體化PET/MR設備中，PET的晶體只能選擇短余暉時間的晶體（LSO、LBS或LYSO），PET探測器的光電轉化器只能選擇對磁場不敏感固態光電轉化器（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之間存在本質的區別，SiPM是固態陣列式光電轉化器，而APD與傳統的光電倍增管（Photomultiplier tubes，PMT）類似是單個獨立的光電轉換器[1,2,3]。早期一體化PET/MR選擇 APD作為PET探測光電轉化器，其設備性能和應用均未達到預期的目標。自從2008年推出新一代SiPM以來，SiPM空間分辨率、穩定性、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已經成為一體化PET/MR分子成像設備的最佳選擇。為此，本文主要介紹 SiPM技術、性能和應用的進展。
1. SiPM的基本結構
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縮寫為多數學者和科研人員所接受。盡管SiPM是基于APD發展起來的新技術，但是SiPM克服了APD技術的固有缺陷并且具有更好的磁場兼容性、熱穩定性和極高的時間分辨率能夠實現PET的TOF技術。所以，SiPM完全取代APD已經成為業界共識。
（1）APD
蓋革和米勒(Geiger-Mueller)于1928年發明了蓋革計數管，并被用于多種輻射探測。APD是基于GM原理發展起來的技術，在以硅或鍺為材料制成的光電二極管的P-N結上加上反向偏壓后，射入的光被P-N結吸收后會形成光電流。加大反向偏壓會產生“雪崩”（即光電流成倍地激增）的現象，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結型的光檢測二極管，其中利用了載流子的雪崩倍增效應來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。其基本結構常常采用容易產生雪崩倍增效應的Read二極管結構（即N+PIP+型結構，P+一面接收光），工作時加較大的反向偏壓，使得其達到雪崩倍增狀態；它的光吸收區與倍增區基本一致（是存在有高電場的P區和I區）[1，3]。
APD優勢為固態光電轉化器，對磁場敏感度不高，能夠達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，磁場對其有一定程度的干擾，因而影響其PET成像質量。很難實現高度集成化，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設備性能。不能實現PET的TOF技術，無法在PET/MR系統充分發揮PET性能，影響PET與MR同步掃描。
（2）SiPM
SiPM技術發明于二十世紀九十年代末，以從硅（Si）襯底上的雪崩光電二極管（APD）陣列內置硅單光子敏感的設備。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而成，這些微元并聯成一個面陣列。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，會和半導體中的電子空穴對發生康普頓散射，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范圍內，它輸出電流的大小就和發生雪崩的微元數成正比。
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、結構緊湊和能夠實現PET的TOF技術等特點。由于工作的偏置電壓低，所以幾乎不受磁場影響；結構緊湊有利于對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定；具有TOF技術能夠提高PET圖像質量，消除PET圖像的“熱氣管”征象偽影和“正電子穿透效應”偽影， 真正實現PET與MR的同步掃描。
（3）SiPM與APD結構和性能比較
表1 是SiPM與APD、傳統的光電倍增管性能比較?？梢钥闯鯯iPM具有增益高、工作偏置電壓低、受溫度影響小、對磁場不敏感、能夠實現高度集成化、能夠實現PET的TOF技術等絕對的優勢。如果我們對表中原始數據進行分析可以獲得SiPM對溫度的變化僅僅是0.3%/℃，而APD是1~3%/℃?？梢钥闯鯯iPM對溫度的穩定性是APD的10倍。Spanoudaki 等引用先前的數據認為SiPM存在對溫度敏感是一些學者采用90年代產品測試的結果[4]。Disselhorst等引用的兩篇文章僅僅涉及到APD，并沒有溫度對SiPM影響的數據[5，6]。可見，Spanoudaki 和Disselhorst等報道的數據要么是采用90年代的SiPM測試結果，要么是引用了沒有依據的文獻。相反，通過對數據的系統回顧，可以確認的是SiPM對溫度變化并不敏感，對溫度具有極好的穩定性[2，7]。本文表1的數據來自2011年更新后的數據，其數據直接來自SiPM生產廠家，具有更高的可信程度。隨著半導體技術、工藝進步，SiPM的性能已經被大幅度提高。反而可以從采用了APD的PET/MR的文獻（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。這也是自2010以來學者們認為SiPM將完全取代APD的原因。
2. SiPM在PET分子成像中應用
由于SiPM具有獨特的技術優勢，特別適合于PET的探測器，SiPM已經被用于獨立的PET、PET/CT設備和一體化PET/MR設備中，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已經在2013年6月11日獲得FDA批準進入美國市場銷售。
（2） 用于一體化帶有TOF技術同步掃描的PET/MR
采用SiPM光電轉換器PET探測器的一體化帶有TOF技術的PET/MR于2014年11月24日獲得FDA批準進入美國市場銷售。迄今，使用SiPM探測器具有TOF技術的一體化PET/MR在全球的銷售量已經達到69臺。在我們國內安裝用于測試設備已經獲得非常好的臨床圖像。這些更進一步說明SiPM具有更好的穩定性，APD技術已經被淘汰。
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、結構緊湊和能夠實現PET的TOF技術等特點。在一體化PET/MR設備中，SiPM已經成為最佳的選擇。