随着精准医学的快速发展,核医学作为实现疾病早期诊断与精准治疗的重要手段,受到了不断的关注与重视。核医学中单光子发射计算机断层成像技术(SPECT)凭借其能够提供组织代谢和功能信息的优势,成为临床核医学成像的核心技术。单光子γ射线成像作为SPECT系统的关键组成部分,其性能的提升直接决定了成像质量和诊断准确性。长期以来,实现高能量分辨率、高探测灵敏度和高空间分辨率的探测器设计一直是行业追求的目标。传统的钠碘化物掺铊晶体(NaI(Tl))闪烁体与光电倍增管联用的γ相机虽然广泛应用,但其性能瓶颈日益凸显。近年来,以铯铅溴化物(CsPbBr3)为代表的钙钛矿半导体正在为单光子γ射线成像技术带来前所未有的技术革新。
钙钛矿半导体具有优异的电荷载流子迁移率、较宽的禁带宽度以及低制造成本优势,推动了其在核医学成像探测领域的快速发展。尤其是CsPbBr3,因其卓越的辐射探测能力和易于大尺寸晶体生长的特性,成为高能γ射线探测的理想材料。最新的研究成果表明,通过改进晶体生长工艺和表面化学机械抛光处理,CsPbBr3单晶的表面缺陷大幅减少,电荷收集效率接近理论极限,显著提升了能量分辨率和时间稳定性。采用4×4像素化设计,通过优化像素尺寸与厚度比,实现了空间分辨率达到3.2毫米左右,能量分辨率提升至2.5%(141 keV)和1.0%(662 keV)的世界领先水平。这一突破已成功展示了钙钛矿半导体对单光子γ射线的灵敏成像能力,并在99mTc单光子放射源成像中表现出极高的灵敏度(0.13%~0.21% cps/Bq),为临床诊断带来更多可能。传统的半导体探测器如CdZnTe由于其杂质控制难度和制造成本高昂,在市场推广受限的同时,仍存在空穴传输性能不足,电荷俘获严重影响能谱形态,降低了整体成像灵敏度与分辨率。
相较之下,钙钛矿半导体的高空穴迁移率与长寿命载流子特性,使其在电荷传输均一性与稳定性方面具备潜在优势。同时,新型化学机械抛光技术有效消除了表面机械加工留下的深层划伤,使电极沉积更加均匀,减少了界面缺陷引发的电荷损失,确保像素之间性能一致性。通过科学的权重电势设计,实现了小像素效应,显著降低电子俘获带来的低能尾效应,进一步净化能谱,提高成像质量。此外,结合多通道读出电子系统的开发,能够实现实时多像素同步采集,提升成像速度和精度,满足临床对快速成像的需求。深度交叉校正技术和近电极事件剔除策略也被成功应用,以抑制多像素事件带来的影响,进一步优化能量分辨率,实现了对三维互斥像素事件的精准定位。实际成像实验采用具有高密度和高吸收能力的钨制准直器,结合高性能CsPbBr3探测器,对99mTc放射性示踪剂布置的Derenzo微孔鬼隆幻影进行扫描成像,清晰区分相距7毫米的细小柱状射线源,验证了空间分辨率的优越性。
整体系统表现出优异的稳定性和可重复性,探测器在33天的长期测试中能量响应无明显衰减,泄漏电流保持在极低水平,确保了临床环境中的可靠应用。钙钛矿半导体还具有成本低廉、可规模化生产的优势,助力核医学成像设备向更广泛的应用领域拓展,降低患者费用负担,同时增强影像质量和诊断效率。虽然现阶段钙钛矿材料在环境耐久性和器件封装技术上仍存在提升空间,但持续的材料工程和界面优化研究正推动其向商业化迈进。未来,结合人工智能与深度学习算法对成像数据进行处理,有望进一步提升成像的分辨率与灵敏度,实现精准的代谢功能成像,满足放射性药物开发与肿瘤追踪等多样化临床需求。此外,多核素同步成像和双光子时钟纠缠检测等前沿技术的融合,也将扩展钙钛矿半导体在核医学成像的应用深度。总结来看,单光子γ射线成像技术的进步正引领核医学成像进入高分辨率、高灵敏度和低成本的新时代。
钙钛矿半导体CsPbBr3凭借其出色的电学和光学性能,正逐渐成为核医学γ射线探测器的有力竞争者。其优异的能量分辨率和空间分辨率带来的图像质量提升,将极大推动疾病早期诊断和精准治疗的发展。随着进一步的技术成熟和临床验证,单光子γ射线成像必将在核医学领域扮演更加重要的角色,造福更多患者。 。
