核医学作为现代医疗体系中的重要组成部分,通过基于放射性同位素发射的γ射线实现对人体内部生理功能的精确成像。单光子发射计算机断层扫描(SPECT)技术凭借其可提供空间定位和代谢信息的优势,广泛应用于肿瘤检测、心脑血管疾病诊断等多个临床领域。单光子γ射线成像作为SPECT的核心技术,直接影响成像质量和诊断的准确性,因此技术升级和创新成为当前研究的重点方向。传统的γ电离辐射探测器主要依赖闪烁体结合光电倍增管进行间接探测,闪烁材料如碘化钠掺铊(NaI(Tl))虽然被广泛使用,但其能量分辨率有限,空间分辨率难以满足日益精细化的临床需求。同时,闪烁体由于响应时间较长和光子转换效率不足,限制了成像设备的灵敏度和成像速度。近年来,直接半导体γ射线探测技术的发展为克服这些瓶颈提供了新途径,特别是基于像素化结构的探测器设计,显著提升了空间分辨率和能量分辨率。
钙钛矿半导体材料,尤其是无机钙钛矿CsPbBr3,因其优异的带隙调控、高光电转换效率和优良的电荷载流子输运性能,被认为是实现高性能γ射线探测器的理想选择。这些材料不仅具备优越的光谱响应能力,其低成本制备和可规模化生长也为核医学成像技术的普及奠定了基础。钙钛矿单晶质量的提升和表面处理技术的突破极大改善了探测器的电荷收集效率,从而实现近乎单位的电荷收集率,显著减少探测误差和能量信号的低能量尾效应,提高谱线的清晰度和稳定性。在实际应用中,4×4像素排列的CsPbBr3探测器经优化设计,成功达到了在141keV的99mTcγ射线下能量分辨率2.5%,以及在更高能量662keV下1.0%的记录级表现,远远优于传统CZT探测器。得益于该超高能量分辨率,探测器能够有效区分同位素的细微能谱差异,保证成像的准确性,尤其对于临床中常用的放射性药物例如99mTc具有重要意义。空间分辨率方面,通过微型Derenzo幽灵成像技术,钙钛矿γ相机实现了约3.2mm的分辨能力,能够清晰分辨间距仅为7mm的独立柱状放射源,为核医学的早期诊断和微小病灶检测开辟新的可能性。
此外,钙钛矿探测器展现出优良的灵敏度,短半衰期核素如99mTc的探测效率显著提升,促使放射性剂量需求降低,减少患者接受的辐射风险,提升安全性和舒适度。为了克服半导体探测器表面缺陷和非均匀性的挑战,研究团队采用化学机械抛光结合DMSO溶剂蚀刻技术,有效去除表面机械加工带来的微小划痕和缺陷,均匀金属电极的沉积,保证了电极-半导体接口的稳定性和均匀电荷运输性能。此外,新型多通道信号读出系统的设计,兼顾了高采样速率和信号放大的需求,实现了对单个光子事件波形的精确捕获,进一步提升成像的时效性和分辨度。对器件的长期性能评估显示,经过优化处理的钙钛矿探测器即使在高压和连续工作状态下,光谱峰位稳定,无明显性能退化,充分满足临床应用对于稳定性和耐用性的严苛要求。生物医学领域的快速进步呼唤成像技术不断突破,单光子γ射线成像作为核医学影像的前沿技术,不仅可以提供深层组织的功能代谢信息,还能通过提升成像灵敏度和分辨率,实现精准的病灶定位和治疗效果监控。钙钛矿半导体探测器的改进则为实现这一目标提供强有力的技术支持。
未来,在钙钛矿材料进一步改善杂质控制和晶体完整性的基础上,结合先进的探测器阵列和智能图像处理算法,有望构建新一代高性能单光子成像设备,使核医学诊断更安全、高效和个性化。同时,由于其制备工艺简便和成本优势,该技术具备广泛的推广前景,尤其适合资源有限的医疗机构,促进医疗影像技术的普及和平等。综合来看,单光子γ射线成像技术的发展正处于蓬勃阶段,得益于钙钛矿半导体探测器的加入,这一技术不仅提升了核医学影像的品质和效率,也为精准医疗的实现注入了创新动力。科研人员、医疗设备制造商和临床应用者应密切关注这一领域的技术进展,推动其向实际临床转化,造福更多患者。 。
