碲鋅鎘探測器固有空間線性特性研究

楊志山 馬鑫 上海光脈醫療科技有限公司 （上海 201204）

內容提要：目的：應用碲鋅鎘半導體晶體探測器的單光子發射計算機斷層成像（SPECT）系統其探測器的固有空間線性參數與碲鋅鎘晶體自身的物理特性因素有關，基于碲鋅鎘半導體晶體的探測器無須復雜的運算電路和位置電路進行計算和定位，因而無須定期校準或重復進行固有空間線性測試及報告。方法：根據美國電氣制造商協會NEMA NU-1標準中2.2章節中固有空間線性的測試描述及相關要求，結合測試碲鋅鎘晶體探測器尺寸，設置實驗測試方法。結果：通過該實驗可證實碲鋅鎘晶體探測器的固有空間線性在可容忍的接受范圍內。結論：碲鋅鎘晶體探測器的固有空間線性僅與晶體自身的物理特性相關，其設備自身無復雜的運算電路和位置電路進行計算和定位，因而采用碲鋅鎘晶體探測器的SPECT無須定期校準或重復進行固有空間線性測試及報告。

目前基于傳統的碘化鈉（Sodium Iodide，NaI）晶體及光電倍增管（Photomultiplier，PMT）探測器的單光子發射計算機斷層成像（Singlephoton Emission Computed Tomography，SPECT）設備，伽馬射線和電信號并非直接轉換，其原理為NaI晶體探測到伽馬射線，伽馬射線與NaI晶體發生光電作用形成可見光，PMT識別到通過NaI探測器晶體識別并產生的微弱的可見光信號，將該信號逐級放大并生成脈沖信號，最終形成可精確分析的電信號。因而從伽馬射線被NaI晶體識別而生成可見光，到PMT電路多次放大產生電流信號，其位置信號處理電路可能在成像中不能真實反映伽馬射線的入射方向，因此，在成像上若采用鉛或鎢的狹縫掩模圖像的線條，可能會自中央向兩端出現比較明顯彎曲。所以美國電氣制造商協會（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）NEMA NU-1標準中的探測器固有空間線性測試，這一試驗的目的就是在晶體去掉準直器的情況下，采用積分線性和微分線性的數值來考核圖像的線條有無明顯彎曲，或者圖像彎曲程度，從而來判斷探測器所使用的位置信號處理電路是否符合要求。

而采用碲鋅鎘半導體晶體探測的SPECT設備，伽馬射線與電信號直接轉換[1]。其為伽馬射線與碲鋅鎘半導體晶體相互作用，形成電子及空穴，碲鋅鎘晶體兩端存在高壓電場，電子在電場作用下，電子（帶有負電荷）和空穴（帶正電荷）分布向不同的電極運動，產生微弱電流，被前置放大電路將電流放大，形成可精確分析的電信號，其不存在后續的位置信號處理電路[2,3]。所以NEMA NU-1標準中的固有空間線性試驗無法適用。

基于NaI晶體+PMT和基于碲鋅鎘晶體的探測器原理對比詳見圖1。

圖1.基于NaI晶體+PMT和基于碲鋅鎘晶體的探測器原理對比圖

目前采用的碲鋅鎘半導體晶體探測器其固有分辨率（像素尺寸）為2.46mm×2.46mm，單塊碲鋅鎘半導體晶體由16×16個像素構成，現在市場上主流SPECT均采用4塊或4塊以上晶體進行拼接而成，因而本實驗將采用4塊晶體呈直線排列的方式的設備進行測試。

根據NEMA NU-1標準對固有特性和空間線性的定義為探測器在排除外圍設備的影響后，外周設備例如準直器和顯示器等，伽馬相機其自身的性能特性。

采用NaI晶體+PMT技術的探測器，其伽馬光子入射探測器的真實位置會與探測器探測輸出的位置之間存在畸變和位移，因而探測器固有空間線形，用于測試和證明位置畸變或者位移的程度。在探測器視野中，在其X軸和Y軸方向上的位置畸變或位移為絕對線形，而在某一距離內產生的位置畸變或位移為微分線形。

鑒于碲鋅鎘半導體晶體型探測器的特性，它是當伽馬射線撞擊到碲鋅鎘半導體晶體表面時，其電離能力與碲鋅鎘半導體相互作用，在碲鋅鎘半導體晶體的內部形成了電子和空穴對，其中電子和空穴對的數量與射入碲鋅鎘半導體晶體的伽馬光子數量成正比。在碲鋅鎘半導體晶體高壓電場作用下，具有負電的電子和具有正電的空穴向不同的電極移動，形成電荷脈沖，該脈沖被運算電路識別并放大，進而形成電壓脈沖，經過前置放大的信號經由后續運輸電路進行計算和處理，并不存在后續的位置信號處理電路[4]。所以NEMA NU-1標準中的固有空間線性試驗無法適用。

空間固有微分線性和絕對線性應滿足或超過規范。微分線性應以毫米表示，即測量峰值位置與最佳擬合線的標準偏差。絕對線性應表示為從二維網格的最佳擬合開始的任何峰值的最大位移。但是NEMA NU-1標準2.2條款中定義的固有空間線性度的測量和分析是針對單晶伽馬相機的，并不能直接適用于離散像素探測器（碲鋅鎘等）。

當離散像素探測器是具有一組離散探測器像素的相機時。每個像素都有一個獨特的（檢測）晶體塊，它與相鄰像素的晶體塊是離散的。

根據NEMA的定義，絕對線性是X和Y圖像位置相對于伽瑪相機視野上的實際放射源位置的最大失真或位移，內在描述了排除影響這些因素的外部變量的伽瑪相機的性能特征，如準直器或顯示設備。微分線性度是一個線源的圖像位置與實際位置之間的位置畸變或位移的變化。

在單晶伽馬相機中，在非直接伽馬射線轉換過程中，信號處理可能不能充分反映光子的方向。它可能導致線源的圖像位置和實際位置之間的位置失真或位移。

測試的目的是利用絕對線性和微分線性來評估獲取的圖像是否有清晰的曲率，并測量曲率的程度。這是指將準直器從伽馬相機中移除，以確定探測器使用的位置信號是否滿足要求。為了配置這個測試，準直器必須從設備中移除。

1.測試設備

臨床中主流的碲鋅鎘晶體SPECT 以專用機為主，如Spectrum Dynamic Medical公司的心臟專用機D-SPECT[5]；通用電氣公司心臟專用機Discovery 530c。目前，該類設備均由多個探頭構成，單探頭均由4塊，每塊16×16個像素的碲鋅鎘半導體晶體構成的，單像素尺寸為2.46mm×2.46mm。

2.測試方法

2.1 試驗設置

根據NEMA NU-1標準2.2條款中的固有空間線性試驗中的描述，本試驗使用2片厚度為2.3mm的鎢片（其相當于3mm鉛當量），覆蓋于探測器表面，并形成1mm寬度的狹縫，在距離鎢片≥5倍于探測器尺寸的位置，放置一枚活度為0.2mCi的99mTc點源（也可采用其他可接受的放射性核素，例如：57Co點源等），放射源的位置需要放置于1mm狹縫的正前方，以確保伽馬射線可以直接通過狹縫撞擊至晶體的表面，而不是被鎢片全部阻擋。

由于碲鋅鎘半導體晶體，單像素尺寸為2.46mm×2.46mm，為防止離散像素之間的空隙影響，在設置狹縫時，1mm的狹縫需要平行于像素分布，并位于像素的中央，防止狹縫位于兩個像素之間，可參考圖2中的實驗設置。

圖2.試驗設置

2.2 掃描模式設置

掃描模式設置為：共采集120張靜態的圖像，40min的采集時間，最低計數要求：確保每個像素的計數≥10000 counts（能峰峰值處的計數）。

2.3 掃描及測試過程

①在不放置任何放射源的情況下，按照上述試驗設置，啟動采集程序，運行40min的本底采集程序，對本底輻射進行測量，獲取本底數據。②將放射源置于指定位置（如圖所示），本實驗采用的0.2mCi的99m Tc溶液配置的點源。③按照2.1試驗設置中的描述，在試驗的探測器上方沿像素中部（Y方向）安裝1mm狹縫鎢片，注意狹縫的位置，必須平行于像素分布，并位于像素的中央，狹縫寬度為1mm。④啟動采集程序，運行40min掃描采集程序，最低計數需確保每個像素的計數≥10000 counts（能峰峰值處的計數）。⑤按照2.1試驗設置中的描述，在試驗的探測器上方沿像素中部（X方向）安裝1mm狹縫注意狹縫的位置，必須平行于像素分布，并位于像素的中央，狹縫寬度為1mm。⑥啟動采集程序，運行40min掃描采集程序，最低計數需確保每個像素的計數≥10000 counts（能峰峰值處的計數）。⑦顯示根據NEMA NU-1標準2.2章節中要求描述的探測器采集的輻射剖面。⑧根據NEMA NU-1標準2.2章節中要求計算碲鋅鎘半導體晶體探測器的微分線性。

由于基于碲鋅鎘半導體晶體探測器體積比較小，每次采集過程中只能設置一個狹縫。狹縫的位置可以選擇在任意位置。對其他不同的X、Y位置也是可以進行重復所有測試（狹縫設置時，必須平行于像素分布，并位于像素的中央，狹縫寬度為1mm），可重復②到⑥的過程，并提供多組⑦和⑧的結果，以確保結果的準確性。

3.測試結果

根據NEMA NU-1標準2.2章節中要求，測試結果如下。

3.1 X及Y方向狹縫掩膜采集圖像

顯示的X和Y方向狹縫掩膜采集圖像如圖3中所示。

圖3.X及Y方向狹縫掩膜采集圖像

3.2 在X方向上的微分空間線性

顯示20%能量窗口內的計數數量與像素數量圖像（每組探測器超過16個像素），詳見圖4中圖像。通過圖像可以看到，在第11像素的中心上方安裝了1mm的狹縫掩膜（見X方向圖）。計算每個探測器橫向單塊晶體共16列像素中的每一行的位置，得到的平均像素位置值為10.988，標準差為0.0121。像素尺寸為2.46mm，可以得到X方向微分線性度為0.0298mm（29.8μm）。

圖4.在X方向20%能量窗口內的計數數量與像素數量圖像

3.3 在Y方向上微分空間線性

顯示20%能量窗口內的計數數量與像素數量圖像（每個探測器超過64個像素），詳見圖5中圖像?？梢钥吹?，在第29像素的中心上方安裝了1mm的狹縫掩膜（見Y方向圖）。計算每個探測器縱向4塊晶體共64行像素中的每一行的位置，得到的平均像素位置值為29.032，標準差為0.0226。像素尺寸為2.46mm，可以得到Y方向微分線性度為0.0556mm（55.6μm），計算結果及符合性，數據詳見表1。

表1.微分線性的計算結果(μm)

圖5.X方向20%能量窗口內的計數數量與像素數量圖像

4.小結

基于碲鋅鎘半導體晶體技術的探測器其固有空間線性與晶體自身的物理特性相關，受其機械公差尺寸影響，包括碲鋅鎘半導體晶體本身的精度和探測器尺寸的精度?；陧阡\鎘半導體晶體探測器的固有空間線性僅與晶體自身的物理特性相關，其設備自身無復雜的運算電路和位置電路進行計算和定位，因而采用碲鋅鎘晶體探測器的SPECT系統無須定期校準或重復進行固有空間線性測試及報告。