基于三維正交條形碲鋅鎘探測器的DOI-PET顯像研究

李英幗，崔振存，郭 典，劉美樓，文 婧，張慶華，裴昌旭，黃 川，尹永智，李公平

(1.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，蘭州 730000)

正電子發(fā)射斷層顯像(positron emission tomography, PET)可對(duì)生物體內(nèi)放射性藥物的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量[1-2]，該技術(shù)是一種對(duì)生物體3D斷層顯像技術(shù)，長期以來，PET探測器都以入射伽馬射線2D位置區(qū)分的模式運(yùn)行。3D信號(hào)采集相比2D數(shù)據(jù)量更大，電子學(xué)模塊和重建系統(tǒng)更加復(fù)雜。從2D PET探測器到全3D PET探測器的轉(zhuǎn)變將提高入射晶體的正電子湮滅輻射作用深度(depth of interaction, DOI)測量精度，從而提升PET圖像的分辨率[3]。研究表明碲鋅鎘(cadmium zinc telluride, CZT)探測器具有平均原子序數(shù)高，電阻率高，不需要光敏器件優(yōu)異的性能，可提升PET系統(tǒng)的分辨率[4]。為改善CZT中空穴的收集和解決CZT探測器低能尾現(xiàn)象，像素型CZT探測器[3-4]或正交條形探測器[5]被廣泛研究，研究還包括電荷共享效應(yīng)對(duì)探測器的影響[6]，載流子壽命和遷移率[7]，以及評(píng)估其深度方向上的位置信息[8]等。

為研究DOI-PET系統(tǒng)，本研究設(shè)計(jì)高分辨率的3D正交條形CZT探測器，CZT晶體尺寸為16.4 mm×16.4 mm×5 mm，陰極和陽極采用正交條形電極讀出，逐步測試其PET顯像性能。以期獲得CZT探測器陽極、陰極分別通過電荷靈敏前置放大器的信號(hào)全波形、22Na放射源能譜、511 keV伽馬光子能量分辨率、光子發(fā)生相互作用的三維位置坐標(biāo)，以及其相應(yīng)時(shí)間性能，為提高PET探測器的顯像性能提供參考。

1 探測系統(tǒng)

1.1 CZT探測器基本結(jié)構(gòu)

CZT探測器基本結(jié)構(gòu)示于圖1。CZT晶體尺寸為16.4 mm×16.4 mm×5 mm，晶體的上下表面通過表面電極制備技術(shù)，分別制備了16個(gè)尺寸為16.4 mm×0.9 mm的電極，電極間距為0.1 mm，上、下表面電極相互垂直分布(圖1b)，并將引出管腳封裝在印制電路板(printed circuit boards, PCB)上，再以排針排座的形式將信號(hào)傳輸?shù)诫姾伸`敏前置放大器，每一路信號(hào)對(duì)應(yīng)一路前置放大器，共32路前放信號(hào)輸出。整個(gè)探測器整體置于屏蔽盒中，屏蔽盒上固定CZT負(fù)高壓輸入接頭，電路板低壓供電接口，32路信號(hào)接口和一個(gè)散熱風(fēng)扇，屏蔽盒外側(cè)表面由銅箔膠帶包裹，以增加屏蔽效果。

a——CZT探測器實(shí)物圖；b——結(jié)構(gòu)示意圖；c——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用64路同步采集，單路125 MHz采樣率的波形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用其內(nèi)置現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)對(duì)信號(hào)進(jìn)行在線處理。包括信號(hào)識(shí)別、信號(hào)定時(shí)、時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換、信號(hào)尋峰等功能。根據(jù)測試的性能要求，可以保存信號(hào)全脈沖形狀，再離線處理數(shù)據(jù)以分析探測器的信號(hào)幅度、時(shí)間等信息。

本文使用22Na源分析正交條形CZT探測器電荷共享對(duì)其性能的影響，在-1 000 V偏置電壓下，該CZT漏電流為2.02×10-10A。其觸發(fā)方式包括當(dāng)某一個(gè)陽極或陰極信號(hào)幅度超過閾值(閾值設(shè)置為511 keV的10%，約51 keV)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)其全部32路信號(hào)均進(jìn)行波形采集并保留信號(hào)，避免電荷共享效應(yīng)下的小信號(hào)丟失從而導(dǎo)致能量分辨率降低。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)中，陰極偏壓設(shè)置為-1 000 V，電路板供電±12 V，屏蔽盒內(nèi)溫度浮動(dòng)不超過±1 ℃。由于前置放大器的信號(hào)寬度約幾百微秒，容易導(dǎo)致信號(hào)堆積且信號(hào)基線不穩(wěn)定，浮動(dòng)較大，對(duì)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)采集信號(hào)量程要求較高，波形采樣后在線處理數(shù)據(jù)量較大，因此在前置放大電路后，用濾波放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大，提升信號(hào)的信噪比，去除信號(hào)基線，并保留信號(hào)較短上升沿的同時(shí)縮短信號(hào)的下降沿。

3 結(jié)果與討論

3.1 信號(hào)波形

以8路陽極和8路陰極，共16路電極信號(hào)為例，CZT探測器經(jīng)過濾波放大器后的輸出信號(hào)示于圖2。該信號(hào)是一個(gè)典型的電荷共享信號(hào)，6、7、8路陽極信號(hào)發(fā)生了電荷共享，7路陽極幾乎收集到全部電荷，6、8陽極在電荷云開始漂移時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，隨后電荷云漂移到7陽極，6、8陽極信號(hào)迅速回到基線。陰極5和6路信號(hào)明顯發(fā)生電荷共享，其信號(hào)波形產(chǎn)生明顯浮動(dòng)，其余各路信號(hào)均有較小的波動(dòng)，表明可能在電荷漂移中產(chǎn)生了少量的感應(yīng)電荷。陰極先于陽極信號(hào)產(chǎn)生，陽極信號(hào)上升時(shí)間約為800 ns，信號(hào)回到基線約需要3 500 ns。陰極信號(hào)的前沿比陽極更長，約1 500 ns，信號(hào)回到基線也需要更長時(shí)間，約4 500 ns。因此，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)達(dá)到觸發(fā)閾值后保留約2 000 ns后，觸發(fā)保持重置狀態(tài)5 000 ns后重新開啟。

圖2 CZT探測器陰極陽極各8路信號(hào)波形

3.2 電荷共享效應(yīng)

相鄰陽極能量的散點(diǎn)圖示于圖3。電荷共享效應(yīng)是對(duì)于同一個(gè)事件，有兩個(gè)或者兩個(gè)以上陽極條或者陰極條感應(yīng)到電荷，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。相應(yīng)地，僅兩個(gè)陽極同時(shí)有感應(yīng)信號(hào)事件為雙陽極事件，兩個(gè)以上陽極同時(shí)有感應(yīng)信號(hào)事件為多陽極事件。根據(jù)不同電極信號(hào)的時(shí)間一致性可以判定電荷共享事件，高速采集卡每次觸發(fā)保留全通道的信號(hào)波形，以此數(shù)據(jù)分析得到陽極共享事件能量的二維譜。理想情況下，對(duì)于雙電極共享事件，兩個(gè)電極所收集的共享信號(hào)能量之和應(yīng)等于伽馬射線在CZT探測器內(nèi)損失的總能量，即其二維圖像能夠清晰地顯示出一條直線(x+y=E，E=511 keV)。第6、7號(hào)陽極的二維圖顯示存在一條直線(圖3a)，分析后得到其表達(dá)式為x+y=E，E略小于511 keV，表明兩個(gè)相鄰電極沒有完全收集電荷，部分能量丟失。第5、6號(hào)陽極信號(hào)能量之和與第7號(hào)陽極能量的二維圖(圖3b)與圖3a特性相似，也存在一條直線x+y=E，E略小于511 keV，表明第5、6、7號(hào)陽極間存在電荷共享效應(yīng)，并且分析數(shù)據(jù)后得出其E的值相比圖3a略小，三陽極事件更加容易導(dǎo)致電荷收集不完全，或者存在更多的多陽極事件，這種現(xiàn)象導(dǎo)致的能量丟失降低了探測器的能量分辨率。

a——第6號(hào)陽極；b——第5、6號(hào)陽極能量之和

第7號(hào)陽極與第7號(hào)陰極的信號(hào)能量二維圖中(圖4a)，僅能在陽極能量511 keV附近觀察到不明顯的全能峰分布，在陰極511 keV處沒有明顯的信號(hào)分布，表明單陰極全能峰事件概率較小，圖4b中能夠清晰的看出全能峰事件，這表明陰極發(fā)生電荷共享效應(yīng)的概率相比陽極更大，并且低能區(qū)事件較多，低能康普頓散射更易發(fā)生單陽極事件。

a——第7號(hào)陰極；b——第6、7、8號(hào)陰極能量之和

3.3 能量分辨率

第7號(hào)陽極的能譜示于圖5。由圖5可知，低能端為電子學(xué)噪聲，圖像能夠清晰地看出康普頓散射平臺(tái)，并顯示出511 keV的全能峰，其511 keV處能量分辨率約6.35%。

圖5 第7號(hào)陽極信號(hào)能譜

3.4 三維位置確定

3.4.1陰極、陽極信號(hào)幅度之比 伽馬射線在CZT中的深度信息可以由陰極、陽極信號(hào)幅度之比RC/A得到：

(1)

式中，∑Cn，∑An分別為16條陰極電極信號(hào)總幅值和16條陽極電極信號(hào)總幅值，keV；n表示某條電極序號(hào)，范圍為1～16。

第7號(hào)陽極信號(hào)能量與陰極陽極信號(hào)之比的二維譜示于圖6。由圖6可知，在陽極能量為511 keV處信號(hào)明顯地集中分布，為全能峰事件，但其分布存在一定斜率，通過分析認(rèn)為是部分全能峰信號(hào)丟失了小部分能量導(dǎo)致。

圖6 第7號(hào)陽極信號(hào)能量與陰極陽極信號(hào)之比散點(diǎn)圖

3.4.2確定三維位置(x，y，z) 對(duì)于在CZT晶體中發(fā)生的相互作用事件，嘗試給出其三維位置(x，y，z)計(jì)算方法。x、y、z分別表示沿陽極條分布方向位置、沿陰極條分布方向位置、作用深度位置，如圖1b中坐標(biāo)所示。

對(duì)于陽極方向x，由于電荷共享效應(yīng)的影響，且雙陽極和三陽極共享事件發(fā)生的概率較大，采用三個(gè)相鄰陽極收集到電荷量的峰值作為一個(gè)加權(quán)因子:

(2)

式中：G為常數(shù)，表示1號(hào)電極條距離探測器邊緣的距離，mm；P為常數(shù)，表示電極寬度與間隙寬度之和，mm；n(n-1，n+1)表示在同一事件中，第n(n-1，n+1)號(hào)陽極條信號(hào)幅值最大；An(An-1，An+1)表示第n(n-1，n+1)號(hào)陽極的信號(hào)幅值，keV。

對(duì)于陰極方向y，由于陰極電荷共享效應(yīng)影響更加顯著，采用相鄰5個(gè)陰極條收集到的電荷量峰值作為一個(gè)加權(quán)因子:

y=G+(n-1)×P+

(3)

式中：參數(shù)G和參數(shù)P同公式(2)；n(n-1，n+1)表示在同一事件中，第n(n-1，n+1)號(hào)陰極條信號(hào)幅值最大；Cn(Cn-1，Cn+1)表示第n(n-1，n+1)號(hào)陽極的信號(hào)幅值，keV。

對(duì)于作用深度方向位置信息z，由陰極總信號(hào)與陽極總信號(hào)之比得到:

(4)

式中：∑Cn表示陰極信號(hào)幅度之和，∑An表示陽極信號(hào)幅度之和，N表示對(duì)陰極總信號(hào)和陽極總信號(hào)之比進(jìn)行歸一化的系數(shù)，D表示探測器厚度，mm。

根據(jù)上述計(jì)算，確定觸發(fā)幅值最大為第7號(hào)陽極，得到其y-z位置二維譜示于圖7。根據(jù)圖7顯示，信號(hào)均勻的分布在陰極條上，且大部分信號(hào)都在靠近陽極一側(cè)，這與射線的入射面有關(guān)，也證明了根據(jù)公式(2)～(4)，可以確定射線在探測器內(nèi)相互作用的三維位置信息。

圖7 第7號(hào)陽極的y-z散點(diǎn)圖

4 結(jié)論

本文采用正交條形CZT探測器，能夠在三維方向確定射線的位置信息，大幅度提升了PET顯像探測器的DOI性能，可用于PET系統(tǒng)搭建以提升其空間分辨率。其缺點(diǎn)是對(duì)于511 keV伽瑪射線電荷共享事件較多，會(huì)影響探測效率，并且對(duì)探測器的能量分辨率產(chǎn)生影響，可嘗試增大陰極電極的寬度，以減少陰極電極的共享事件數(shù)。