核医学成像作为精准医疗的重要组成部分,通过探测放射性核素发射的伽马射线,实现对人体代谢及生理功能的空间化定量监测。单光子发射计算机断层扫描(SPECT)是其中的主要影像技术之一,其核心在于高效、灵敏且精准的岗位伽马射线探测器。传统的探测器以碘化钠(NaI)闪烁体结合光电倍增管为主,尽管成熟但在能量分辨率和空间分辨率上受到物理限制,无法满足现代精准诊疗对图像质量和灵敏度的极高要求。近年来,半导体探测器尤其是钙钛矿半导体在核医学钠射线成像领域奋起直追,成为科研和产业界关注的焦点。钙钛矿材料以其优异的电荷载流子传输特性、高光电转换效率以及灵活的制备工艺,呈现出强大的伽马射线探测潜力。采用晶体管尺寸的像素化设计,实现单光子事件的精准定位与能量测量,已使其在空间分辨率和能量分辨率方面大幅提升,有望超越传统探测系统。
钙钛矿CsPbBr3是钙钛矿系列中的翘楚,其通过改进的布里奇曼熔炼法可制备出大尺寸、晶体质量优异且缺陷密度极低的单晶材料。高纯度的结晶结构赋予其高载流子迁移率和长寿命,有助于实现近乎理想的电荷收集效率,这对于单光子伽马射线的高分辨成像是关键。同时,针对传统钙钛矿晶体表面粗糙和缺陷复杂的问题,科研团队开发了化学机械抛光技术,结合二甲基亚砜(DMSO)溶液进一步消除表面划痕和钝化缺陷,显著提升了探测器的性能均一性和稳定性,保证成像过程的连续性和重现性。优异的器件设计结合像素化电极结构,通过有限元仿真优化权重电势场,实现了小像素效应,有效抑制了电子陷阱问题,提升了电荷输运均匀度。此设计支持多通道电子读出系统的同时工作,实现高达17通道的同步数据采集,为高灵敏度单光子成像提供坚实的基础。测试中,该系列钙钛矿探测器在141keV(99mTc核素)伽马射线下达到了2.5%的总体能量分辨率,662keV(137Cs核素)甚至达到了1.0%。
空间分辨率评估中,采用微型Derenzo幽灵体内源放射体成功分辨出间距仅为7毫米的单列源,空间分辨能力从3.2毫米提升至3.8毫米。成像结果表现出极佳的灵敏度,计数率效率(cps/Bq)达到0.13%至0.21%,在现实核医学诊断中拥有极其重要的临床价值。整个成像系统包括钨制准直器,进一步确保入射伽马射线的方向选择性,减少散射干扰,提高信噪比;钙钛矿CsPbBr3像素化检测阵列负责将高能伽马光子精准转换为电信号,多通道读出系统实现快速且高精度的数据处理和成像重建,构成了完整的单光子伽马射线成像链条。光学和电学表征表明,CsPbBr3单晶具有约80%的透光率和显著的光致发光寿命,表明晶体缺陷极少,载流子复合少,支持稳定高效的伽马信号采集。空间微米级的光响应机械映射(PEµM)实验显示,经过DMSO抛光处理的采样区域载流子响应极为均匀,有效消除机械抛光带来的表面损伤效应。电流-电压测试验证了器件在高电压下的低漏电流和电学稳定性,冷却条件下漏电流进一步降低,为长时间测量提供保障。
深度探测定位则通过解析阴极与阳极脉冲波形及转移时间,借助深度校正算法,有效减小厚度方向非均匀响应对分辨率的影响。器件稳定性经长达数周的连续运行及环境存储测试验证,显示优异的时效稳定,无性能劣化,利于临床使用和产业化推广。与现有的高端碲锌镉(CZT)半导体探测器相比,钙钛矿CsPbBr3探测器在能量分辨率上实现了跳跃式提升,同时制备成本大幅降低,体积可扩展,具有显著的市场竞争优势。其优良的空间和能量分辨率使临床成像时间缩短,患者辐射剂量降低,从而提升核医学检查的安全性和舒适性。钙钛矿单光子伽马射线成像系统的开发不仅符合精准医疗的发展趋势,更助力多种伽马核素同时间的复合成像,为肿瘤的多维度诊断和治疗监控提供技术保障。未来,随着器件性能和系统集成的进一步优化,有望实现便携式、全三维动态成像设备的开发,推动临床诊断影像学进入新纪元。
同时,该技术也将促进基础医学研究中的放射性示踪剂开发,为药物筛选及人体代谢研究提供精准无创的测量工具。总结来看,钙钛矿CsPbBr3单光子前沿伽马射线成像技术融合了材料科学、电子工程和医学影像学的多学科创新,成就了一款低成本、高性能且应用广泛的核医学成像探测器。其在能量分辨率、空间分辨率、探测灵敏度及长期稳定性上的显著优势,预示着钙钛矿半导体在临床核医学影像领域拥有广阔的应用前景和商业价值,值得科研人员和医疗技术开发者高度关注和持续投入。随着相关技术成熟,未来钙钛矿单光子伽马射线成像有望全面替代传统闪烁体和碲锌镉探测技术,成为精确、快速、低剂量放射性成像的行业标杆。 。
