碲锌镉探测器固有空间线性特性研究

杨志山 马鑫 上海光脉医疗科技有限公司 （上海 201204）

内容提要：目的：应用碲锌镉半导体晶体探测器的单光子发射计算机断层成像（SPECT）系统其探测器的固有空间线性参数与碲锌镉晶体自身的物理特性因素有关，基于碲锌镉半导体晶体的探测器无须复杂的运算电路和位置电路进行计算和定位，因而无须定期校准或重复进行固有空间线性测试及报告。方法：根据美国电气制造商协会NEMA NU-1标准中2.2章节中固有空间线性的测试描述及相关要求，结合测试碲锌镉晶体探测器尺寸，设置实验测试方法。结果：通过该实验可证实碲锌镉晶体探测器的固有空间线性在可容忍的接受范围内。结论：碲锌镉晶体探测器的固有空间线性仅与晶体自身的物理特性相关，其设备自身无复杂的运算电路和位置电路进行计算和定位，因而采用碲锌镉晶体探测器的SPECT无须定期校准或重复进行固有空间线性测试及报告。

目前基于传统的碘化钠（Sodium Iodide，NaI）晶体及光电倍增管（Photomultiplier，PMT）探测器的单光子发射计算机断层成像（Singlephoton Emission Computed Tomography，SPECT）设备，伽马射线和电信号并非直接转换，其原理为NaI晶体探测到伽马射线，伽马射线与NaI晶体发生光电作用形成可见光，PMT识别到通过NaI探测器晶体识别并产生的微弱的可见光信号，将该信号逐级放大并生成脉冲信号，最终形成可精确分析的电信号。因而从伽马射线被NaI晶体识别而生成可见光，到PMT电路多次放大产生电流信号，其位置信号处理电路可能在成像中不能真实反映伽马射线的入射方向，因此，在成像上若采用铅或钨的狭缝掩模图像的线条，可能会自中央向两端出现比较明显弯曲。所以美国电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）NEMA NU-1标准中的探测器固有空间线性测试，这一试验的目的就是在晶体去掉准直器的情况下，采用积分线性和微分线性的数值来考核图像的线条有无明显弯曲，或者图像弯曲程度，从而来判断探测器所使用的位置信号处理电路是否符合要求。

而采用碲锌镉半导体晶体探测的SPECT设备，伽马射线与电信号直接转换[1]。其为伽马射线与碲锌镉半导体晶体相互作用，形成电子及空穴，碲锌镉晶体两端存在高压电场，电子在电场作用下，电子（带有负电荷）和空穴（带正电荷）分布向不同的电极运动，产生微弱电流，被前置放大电路将电流放大，形成可精确分析的电信号，其不存在后续的位置信号处理电路[2,3]。所以NEMA NU-1标准中的固有空间线性试验无法适用。

基于NaI晶体+PMT和基于碲锌镉晶体的探测器原理对比详见图1。

图1.基于NaI晶体+PMT和基于碲锌镉晶体的探测器原理对比图

目前采用的碲锌镉半导体晶体探测器其固有分辨率（像素尺寸）为2.46mm×2.46mm，单块碲锌镉半导体晶体由16×16个像素构成，现在市场上主流SPECT均采用4块或4块以上晶体进行拼接而成，因而本实验将采用4块晶体呈直线排列的方式的设备进行测试。

根据NEMA NU-1标准对固有特性和空间线性的定义为探测器在排除外围设备的影响后，外周设备例如准直器和显示器等，伽马相机其自身的性能特性。

采用NaI晶体+PMT技术的探测器，其伽马光子入射探测器的真实位置会与探测器探测输出的位置之间存在畸变和位移，因而探测器固有空间线形，用于测试和证明位置畸变或者位移的程度。在探测器视野中，在其X轴和Y轴方向上的位置畸变或位移为绝对线形，而在某一距离内产生的位置畸变或位移为微分线形。

鉴于碲锌镉半导体晶体型探测器的特性，它是当伽马射线撞击到碲锌镉半导体晶体表面时，其电离能力与碲锌镉半导体相互作用，在碲锌镉半导体晶体的内部形成了电子和空穴对，其中电子和空穴对的数量与射入碲锌镉半导体晶体的伽马光子数量成正比。在碲锌镉半导体晶体高压电场作用下，具有负电的电子和具有正电的空穴向不同的电极移动，形成电荷脉冲，该脉冲被运算电路识别并放大，进而形成电压脉冲，经过前置放大的信号经由后续运输电路进行计算和处理，并不存在后续的位置信号处理电路[4]。所以NEMA NU-1标准中的固有空间线性试验无法适用。

空间固有微分线性和绝对线性应满足或超过规范。微分线性应以毫米表示，即测量峰值位置与最佳拟合线的标准偏差。绝对线性应表示为从二维网格的最佳拟合开始的任何峰值的最大位移。但是NEMA NU-1标准2.2条款中定义的固有空间线性度的测量和分析是针对单晶伽马相机的，并不能直接适用于离散像素探测器（碲锌镉等）。

当离散像素探测器是具有一组离散探测器像素的相机时。每个像素都有一个独特的（检测）晶体块，它与相邻像素的晶体块是离散的。

根据NEMA的定义，绝对线性是X和Y图像位置相对于伽玛相机视野上的实际放射源位置的最大失真或位移，内在描述了排除影响这些因素的外部变量的伽玛相机的性能特征，如准直器或显示设备。微分线性度是一个线源的图像位置与实际位置之间的位置畸变或位移的变化。

在单晶伽马相机中，在非直接伽马射线转换过程中，信号处理可能不能充分反映光子的方向。它可能导致线源的图像位置和实际位置之间的位置失真或位移。

测试的目的是利用绝对线性和微分线性来评估获取的图像是否有清晰的曲率，并测量曲率的程度。这是指将准直器从伽马相机中移除，以确定探测器使用的位置信号是否满足要求。为了配置这个测试，准直器必须从设备中移除。

1.测试设备

临床中主流的碲锌镉晶体SPECT 以专用机为主，如Spectrum Dynamic Medical公司的心脏专用机D-SPECT[5]；通用电气公司心脏专用机Discovery 530c。目前，该类设备均由多个探头构成，单探头均由4块，每块16×16个像素的碲锌镉半导体晶体构成的，单像素尺寸为2.46mm×2.46mm。

2.测试方法

2.1 试验设置

根据NEMA NU-1标准2.2条款中的固有空间线性试验中的描述，本试验使用2片厚度为2.3mm的钨片（其相当于3mm铅当量），覆盖于探测器表面，并形成1mm宽度的狭缝，在距离钨片≥5倍于探测器尺寸的位置，放置一枚活度为0.2mCi的99mTc点源（也可采用其他可接受的放射性核素，例如：57Co点源等），放射源的位置需要放置于1mm狭缝的正前方，以确保伽马射线可以直接通过狭缝撞击至晶体的表面，而不是被钨片全部阻挡。

由于碲锌镉半导体晶体，单像素尺寸为2.46mm×2.46mm，为防止离散像素之间的空隙影响，在设置狭缝时，1mm的狭缝需要平行于像素分布，并位于像素的中央，防止狭缝位于两个像素之间，可参考图2中的实验设置。

图2.试验设置

2.2 扫描模式设置

扫描模式设置为：共采集120张静态的图像，40min的采集时间，最低计数要求：确保每个像素的计数≥10000 counts（能峰峰值处的计数）。

2.3 扫描及测试过程

①在不放置任何放射源的情况下，按照上述试验设置，启动采集程序，运行40min的本底采集程序，对本底辐射进行测量，获取本底数据。②将放射源置于指定位置（如图所示），本实验采用的0.2mCi的99m Tc溶液配置的点源。③按照2.1试验设置中的描述，在试验的探测器上方沿像素中部（Y方向）安装1mm狭缝钨片，注意狭缝的位置，必须平行于像素分布，并位于像素的中央，狭缝宽度为1mm。④启动采集程序，运行40min扫描采集程序，最低计数需确保每个像素的计数≥10000 counts（能峰峰值处的计数）。⑤按照2.1试验设置中的描述，在试验的探测器上方沿像素中部（X方向）安装1mm狭缝注意狭缝的位置，必须平行于像素分布，并位于像素的中央，狭缝宽度为1mm。⑥启动采集程序，运行40min扫描采集程序，最低计数需确保每个像素的计数≥10000 counts（能峰峰值处的计数）。⑦显示根据NEMA NU-1标准2.2章节中要求描述的探测器采集的辐射剖面。⑧根据NEMA NU-1标准2.2章节中要求计算碲锌镉半导体晶体探测器的微分线性。

由于基于碲锌镉半导体晶体探测器体积比较小，每次采集过程中只能设置一个狭缝。狭缝的位置可以选择在任意位置。对其他不同的X、Y位置也是可以进行重复所有测试（狭缝设置时，必须平行于像素分布，并位于像素的中央，狭缝宽度为1mm），可重复②到⑥的过程，并提供多组⑦和⑧的结果，以确保结果的准确性。

3.测试结果

根据NEMA NU-1标准2.2章节中要求，测试结果如下。

3.1 X及Y方向狭缝掩膜采集图像

显示的X和Y方向狭缝掩膜采集图像如图3中所示。

图3.X及Y方向狭缝掩膜采集图像

3.2 在X方向上的微分空间线性

显示20%能量窗口内的计数数量与像素数量图像（每组探测器超过16个像素），详见图4中图像。通过图像可以看到，在第11像素的中心上方安装了1mm的狭缝掩膜（见X方向图）。计算每个探测器横向单块晶体共16列像素中的每一行的位置，得到的平均像素位置值为10.988，标准差为0.0121。像素尺寸为2.46mm，可以得到X方向微分线性度为0.0298mm（29.8μm）。

图4.在X方向20%能量窗口内的计数数量与像素数量图像

3.3 在Y方向上微分空间线性

显示20%能量窗口内的计数数量与像素数量图像（每个探测器超过64个像素），详见图5中图像。可以看到，在第29像素的中心上方安装了1mm的狭缝掩膜（见Y方向图）。计算每个探测器纵向4块晶体共64行像素中的每一行的位置，得到的平均像素位置值为29.032，标准差为0.0226。像素尺寸为2.46mm，可以得到Y方向微分线性度为0.0556mm（55.6μm），计算结果及符合性，数据详见表1。

表1.微分线性的计算结果(μm)

图5.X方向20%能量窗口内的计数数量与像素数量图像

4.小结

基于碲锌镉半导体晶体技术的探测器其固有空间线性与晶体自身的物理特性相关，受其机械公差尺寸影响，包括碲锌镉半导体晶体本身的精度和探测器尺寸的精度。基于碲锌镉半导体晶体探测器的固有空间线性仅与晶体自身的物理特性相关，其设备自身无复杂的运算电路和位置电路进行计算和定位，因而采用碲锌镉晶体探测器的SPECT系统无须定期校准或重复进行固有空间线性测试及报告。