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【前沿干貨】CZT核醫學數字化革命來襲!

發布日期:2017-11-24 發布人: 轉載于《伴侶》雜志2017第9期 瀏覽次數:2102
  等線AlphaGo人工智能已經能打敗人類圍棋高手,虛擬現實技術已實現可穿戴化并進入了千家萬戶,近來各種高科技成果的爆發式誕生,讓小編看的眼花繚亂。而在我們已經發展了大半個世紀的核醫學領域,也出現了一個高科技的新名詞:CZT!


  【科普:什么是CZT?】

  CZT,中文名叫“碲鋅鎘”,英文名叫“Cadmium-Zinc-Telluride (CdZnTe)”,是CdTe和ZnTe固溶而成的寬禁帶II-VI族化合物半導體晶體。
  晦澀的化學式少扯,CZT晶體究竟有啥大本領?


  神奇本領1:

  CZT是唯一能在室溫狀態下工作,并且能在每秒每平方毫米面積上處理百萬到千萬級個光子的半導體,其靈敏度可以達到極限,連微弱到幾乎沒有的宇宙本底射線的輻射量也能快速精準地捕捉到,它的發現曾引起過業界的轟動。
  神奇本領2:
  CZT具有優異的光電性能,可以在室溫狀態下直接將X射線和γ射線轉光子變為電子,是迄今為止制造室溫X射線及γ射線探測器最為理想的半導體材料。
  那么重點來了,CZT是核醫學影像設備最理想的探測器材料!


  【CZT與傳統探測器有啥不一樣?】


圖1 傳統探測器與CZT探測器的成像原理

左:碘化鈉+光電倍增管 的間接成像技術
右:CZT晶體的直接成像技術


  自從1958 年第一臺Anger伽瑪相機的誕生以來,傳統的SPECT核醫學設備探測器一直采用的是碘化鈉晶體(NaI)+ 光電倍增管(PMT)設計(如上圖左邊),注射到人體內的放射性藥物發射出γ光子,通過準直器定位投射到NaI晶體上,轉換成可見光,再通過PMT光電倍增管進行光電轉換成電信號并放大,傳輸到電子線路和工作站進行重建成像。這種多次轉換的間接成像技術會導致大量的光子丟失,而PMT將可見光轉化為電信號的效率也只有20%~25%左右,因此,傳統的SPECT核醫學設備在計數率、分辨率方面大受限制。

  新型CZT晶體探測器的工作原理(右上圖):γ射線投射到CZT晶體產生電子和空穴對,在CZT晶體表面是很薄的金屬電極,這些電極在偏壓作用下,在晶體內部產生電場,帶負電的電子和帶正電的空穴朝不同的電極運動,最終形成的電荷脈沖信號經過后續電子線路放大并處理進行成像。CZT探測器無需光電倍增管和光電轉換過程,探測效率大幅提高,在能量分辨率上比傳統NaI閃爍晶體提高了3倍以上。
  這種從間接成像轉向直接成像的方式,用個通俗的比喻,就如同拍片機從模擬時代到數字時代的跨越,CZT引領了一場核醫學影像的數字化革命!


  【CZT技術能為臨床帶來什么?】

  核心優勢一:掃描更快、劑量更低
  毫無疑問,CZT晶體可以把γ射線直接轉換成電信號,成像效率是傳統的NaI晶體的4-6倍,轉化成臨床優勢最直接的就是加快掃描速度,常規10-15分鐘一例的心臟掃描,在CZT心臟專用機上可以實現3分鐘快速成像,大大提高了病人的流通量。另一方面,CZT探測器的高效成像性能可以大幅降低患者的掃描劑量,為患者和醫生帶來更加安全放心的檢查。


圖2:CZT心臟專用機——Discovery NM 530c


  核心優勢二:超高清圖像質量

  CZT晶體探測器的成像單元是以像素為單位的,探測器固有空間分辨率可以實現2.46mm(一個像素單元大?。?,有效視野(UFOV)與中心視野(CFOV)完全一致,沒有線性失真,無需均勻性校正,且高能量分辨率能減少散射干擾,減少噪聲,為臨床帶來超高清精準成像。


圖3. CZT晶體探測器設計及晶體像素單元


  核心優勢三:廣闊的臨床應用前景

  CZT能量分辨率比閃爍晶體提高了3倍,更高的能量分辨率意味著系統將能區分能峰相近的不同核素,并將二者的干擾減到最小,這意味著雙/多核素顯像不再是夢想,臨床可以實現多種核素同時顯像的應用。
  另一方面,CZT探測器的快速、精準成像性能,使得動態采集、精準定量更為便捷,比如在心臟專用機上,獲得準確的冠脈血流儲備值CFR也成為現實。
  由于制備及生長工藝的復雜,CZT晶體的成本一直是制約設備量產的最大瓶頸,目前商業化的CZT核醫學設備還停留在心臟、乳腺等專用機型上。但隨著技術的進步和臨床需求的增加,小編相信,在不遠的未來,基于CZT探測器的SPECT/CT必將走向通用機型普及,為核醫學開辟一片廣闊的新天地!
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