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基于三维正交条形碲锌镉探测器的DOI-PET显像研究
2023-01-18 12:40:07 ℃李英帼,崔振存,郭 典,刘美楼,文 婧,张庆华,裴昌旭,黄 川,尹永智,李公平
(1.兰州大学 核科学与技术学院,兰州 730000;
2.兰州大学第二医院 核医学科,兰州 730000)
正电子发射断层显像(positron emission tomography, PET)可对生物体内放射性药物的浓度进行实时测量[1-2],该技术是一种对生物体3D断层显像技术,长期以来,PET探测器都以入射伽马射线2D位置区分的模式运行。3D信号采集相比2D数据量更大,电子学模块和重建系统更加复杂。从2D PET探测器到全3D PET探测器的转变将提高入射晶体的正电子湮灭辐射作用深度(depth of interaction, DOI)测量精度,从而提升PET图像的分辨率[3]。研究表明碲锌镉(cadmium zinc telluride, CZT)探测器具有平均原子序数高,电阻率高,不需要光敏器件优异的性能,可提升PET系统的分辨率[4]。为改善CZT中空穴的收集和解决CZT探测器低能尾现象,像素型CZT探测器[3-4]或正交条形探测器[5]被广泛研究,研究还包括电荷共享效应对探测器的影响[6],载流子寿命和迁移率[7],以及评估其深度方向上的位置信息[8]等。
为研究DOI-PET系统,本研究设计高分辨率的3D正交条形CZT探测器,CZT晶体尺寸为16.4 mm×16.4 mm×5 mm,阴极和阳极采用正交条形电极读出,逐步测试其PET显像性能。以期获得CZT探测器阳极、阴极分别通过电荷灵敏前置放大器的信号全波形、22Na放射源能谱、511 keV伽马光子能量分辨率、光子发生相互作用的三维位置坐标,以及其相应时间性能,为提高PET探测器的显像性能提供参考。
1.1 CZT探测器基本结构
CZT探测器基本结构示于图1。CZT晶体尺寸为16.4 mm×16.4 mm×5 mm,晶体的上下表面通过表面电极制备技术,分别制备了16个尺寸为16.4 mm×0.9 mm的电极,电极间距为0.1 mm,上、下表面电极相互垂直分布(图1b),并将引出管脚封装在印制电路板(printed circuit boards, PCB)上,再以排针排座的形式将信号传输到电荷灵敏前置放大器,每一路信号对应一路前置放大器,共32路前放信号输出。整个探测器整体置于屏蔽盒中,屏蔽盒上固定CZT负高压输入接头,电路板低压供电接口,32路信号接口和一个散热风扇,屏蔽盒外侧表面由铜箔胶带包裹,以增加屏蔽效果。
a——CZT探测器实物图;
b——结构示意图;
c——系统结构示意图
1.2 数据采集系统
采用64路同步采集,单路125 MHz采样率的波形数据采集系统,使用其内置现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)对信号进行在线处理。包括信号识别、信号定时、时间幅度转换、信号寻峰等功能。根据测试的性能要求,可以保存信号全脉冲形状,再离线处理数据以分析探测器的信号幅度、时间等信息。
本文使用22Na源分析正交条形CZT探测器电荷共享对其性能的影响,在-1 000 V偏置电压下,该CZT漏电流为2.02×10-10A。其触发方式包括当某一个阳极或阴极信号幅度超过阈值(阈值设置为511 keV的10%,约51 keV)时,系统对其全部32路信号均进行波形采集并保留信号,避免电荷共享效应下的小信号丢失从而导致能量分辨率降低。
实验中,阴极偏压设置为-1 000 V,电路板供电±12 V,屏蔽盒内温度浮动不超过±1 ℃。由于前置放大器的信号宽度约几百微秒,容易导致信号堆积且信号基线不稳定,浮动较大,对模拟数字转换器(ADC)采集信号量程要求较高,波形采样后在线处理数据量较大,因此在前置放大电路后,用滤波放大电路对信号进一步放大,提升信号的信噪比,去除信号基线,并保留信号较短上升沿的同时缩短信号的下降沿。
3.1 信号波形
以8路阳极和8路阴极,共16路电极信号为例,CZT探测器经过滤波放大器后的输出信号示于图2。该信号是一个典型的电荷共享信号,6、7、8路阳极信号发生了电荷共享,7路阳极几乎收集到全部电荷,6、8阳极在电荷云开始漂移时产生感应信号,随后电荷云漂移到7阳极,6、8阳极信号迅速回到基线。阴极5和6路信号明显发生电荷共享,其信号波形产生明显浮动,其余各路信号均有较小的波动,表明可能在电荷漂移中产生了少量的感应电荷。阴极先于阳极信号产生,阳极信号上升时间约为800 ns,信号回到基线约需要3 500 ns。阴极信号的前沿比阳极更长,约1 500 ns,信号回到基线也需要更长时间,约4 500 ns。因此,在实际实验中,信号达到触发阈值后保留约2 000 ns后,触发保持重置状态5 000 ns后重新开启。
图2 CZT探测器阴极阳极各8路信号波形
3.2 电荷共享效应
相邻阳极能量的散点图示于图3。电荷共享效应是对于同一个事件,有两个或者两个以上阳极条或者阴极条感应到电荷,从而产生感应电流。相应地,仅两个阳极同时有感应信号事件为双阳极事件,两个以上阳极同时有感应信号事件为多阳极事件。根据不同电极信号的时间一致性可以判定电荷共享事件,高速采集卡每次触发保留全通道的信号波形,以此数据分析得到阳极共享事件能量的二维谱。理想情况下,对于双电极共享事件,两个电极所收集的共享信号能量之和应等于伽马射线在CZT探测器内损失的总能量,即其二维图像能够清晰地显示出一条直线(x+y=E,E=511 keV)。第6、7号阳极的二维图显示存在一条直线(图3a),分析后得到其表达式为x+y=E,E略小于511 keV,表明两个相邻电极没有完全收集电荷,部分能量丢失。第5、6号阳极信号能量之和与第7号阳极能量的二维图(图3b)与图3a特性相似,也存在一条直线x+y=E,E略小于511 keV,表明第5、6、7号阳极间存在电荷共享效应,并且分析数据后得出其E的值相比图3a略小,三阳极事件更加容易导致电荷收集不完全,或者存在更多的多阳极事件,这种现象导致的能量丢失降低了探测器的能量分辨率。
a——第6号阳极;
b——第5、6号阳极能量之和
第7号阳极与第7号阴极的信号能量二维图中(图4a),仅能在阳极能量511 keV附近观察到不明显的全能峰分布,在阴极511 keV处没有明显的信号分布,表明单阴极全能峰事件概率较小,图4b中能够清晰的看出全能峰事件,这表明阴极发生电荷共享效应的概率相比阳极更大,并且低能区事件较多,低能康普顿散射更易发生单阳极事件。
a——第7号阴极;
b——第6、7、8号阴极能量之和
3.3 能量分辨率
第7号阳极的能谱示于图5。由图5可知,低能端为电子学噪声,图像能够清晰地看出康普顿散射平台,并显示出511 keV的全能峰,其511 keV处能量分辨率约6.35%。
图5 第7号阳极信号能谱
3.4 三维位置确定
3.4.1阴极、阳极信号幅度之比 伽马射线在CZT中的深度信息可以由阴极、阳极信号幅度之比RC/A得到:
(1)
式中,∑Cn,∑An分别为16条阴极电极信号总幅值和16条阳极电极信号总幅值,keV;
n表示某条电极序号,范围为1~16。
第7号阳极信号能量与阴极阳极信号之比的二维谱示于图6。由图6可知,在阳极能量为511 keV处信号明显地集中分布,为全能峰事件,但其分布存在一定斜率,通过分析认为是部分全能峰信号丢失了小部分能量导致。
图6 第7号阳极信号能量与阴极阳极信号之比散点图
3.4.2确定三维位置(x,y,z) 对于在CZT晶体中发生的相互作用事件,尝试给出其三维位置(x,y,z)计算方法。x、y、z分别表示沿阳极条分布方向位置、沿阴极条分布方向位置、作用深度位置,如图1b中坐标所示。
对于阳极方向x,由于电荷共享效应的影响,且双阳极和三阳极共享事件发生的概率较大,采用三个相邻阳极收集到电荷量的峰值作为一个加权因子:
(2)
式中:G为常数,表示1号电极条距离探测器边缘的距离,mm;
P为常数,表示电极宽度与间隙宽度之和,mm;
n(n-1,n+1)表示在同一事件中,第n(n-1,n+1)号阳极条信号幅值最大;
An(An-1,An+1)表示第n(n-1,n+1)号阳极的信号幅值,keV。
对于阴极方向y,由于阴极电荷共享效应影响更加显著,采用相邻5个阴极条收集到的电荷量峰值作为一个加权因子:
y=G+(n-1)×P+
(3)
式中:参数G和参数P同公式(2);
n(n-1,n+1)表示在同一事件中,第n(n-1,n+1)号阴极条信号幅值最大;
Cn(Cn-1,Cn+1)表示第n(n-1,n+1)号阳极的信号幅值,keV。
对于作用深度方向位置信息z,由阴极总信号与阳极总信号之比得到:
(4)
式中:∑Cn表示阴极信号幅度之和,∑An表示阳极信号幅度之和,N表示对阴极总信号和阳极总信号之比进行归一化的系数,D表示探测器厚度,mm。
根据上述计算,确定触发幅值最大为第7号阳极,得到其y-z位置二维谱示于图7。根据图7显示,信号均匀的分布在阴极条上,且大部分信号都在靠近阳极一侧,这与射线的入射面有关,也证明了根据公式(2)~(4),可以确定射线在探测器内相互作用的三维位置信息。
图7 第7号阳极的y-z散点图
本文采用正交条形CZT探测器,能够在三维方向确定射线的位置信息,大幅度提升了PET显像探测器的DOI性能,可用于PET系统搭建以提升其空间分辨率。其缺点是对于511 keV伽玛射线电荷共享事件较多,会影响探测效率,并且对探测器的能量分辨率产生影响,可尝试增大阴极电极的宽度,以减少阴极电极的共享事件数。
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