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【前沿干货】CZT核医学数字化革命来袭!

发布日期:2017-11-24 发布人: 转载于《伴侣》杂志2017第9期 浏览次数:3070
  等线AlphaGo人工智能已经能打败人类围棋高手,虚拟现实技术已实现可穿戴化并进入了千家万户,近来各种高科技成果的爆发式诞生,让小编看的眼花缭乱。而在我们已经发展了大半个世纪的核医学领域,也出现了一个高科技的新名词:CZT!


  【科普:什么是CZT?】

  CZT,中文名叫“碲锌镉”,英文名叫“Cadmium-Zinc-Telluride (CdZnTe)”,是CdTe和ZnTe固溶而成的宽禁带II-VI族化合物半导体晶体。
  晦涩的化学式少扯,CZT晶体究竟有啥大本领?


  神奇本领1:

  CZT是唯一能在室温状态下工作,并且能在每秒每平方毫米面积上处理百万到千万级个光子的半导体,其灵敏度可以达到极限,连微弱到几乎没有的宇宙本底射线的辐射量也能快速精准地捕捉到,它的发现曾引起过业界的轰动。
  神奇本领2:
  CZT具有优异的光电性能,可以在室温状态下直接将X射线和γ射线转光子变为电子,是迄今为止制造室温X射线及γ射线探测器最为理想的半导体材料。
  那么重点来了,CZT是核医学影像设备最理想的探测器材料!


  【CZT与传统探测器有啥不一样?】


图1 传统探测器与CZT探测器的成像原理

左:碘化钠+光电倍增管 的间接成像技术
右:CZT晶体的直接成像技术


  自从1958 年第一台Anger伽玛相机的诞生以来,传统的SPECT核医学设备探测器一直采用的是碘化钠晶体(NaI)+ 光电倍增管(PMT)设计(如上图左边),注射到人体内的放射性药物发射出γ光子,通过准直器定位投射到NaI晶体上,转换成可见光,再通过PMT光电倍增管进行光电转换成电信号并放大,传输到电子线路和工作站进行重建成像。这种多次转换的间接成像技术会导致大量的光子丢失,而PMT将可见光转化为电信号的效率也只有20%~25%左右,因此,传统的SPECT核医学设备在计数率、分辨率方面大受限制。

  新型CZT晶体探测器的工作原理(右上图):γ射线投射到CZT晶体产生电子和空穴对,在CZT晶体表面是很薄的金属电极,这些电极在偏压作用下,在晶体内部产生电场,带负电的电子和带正电的空穴朝不同的电极运动,最终形成的电荷脉冲信号经过后续电子线路放大并处理进行成像。CZT探测器无需光电倍增管和光电转换过程,探测效率大幅提高,在能量分辨率上比传统NaI闪烁晶体提高了3倍以上。
  这种从间接成像转向直接成像的方式,用个通俗的比喻,就如同拍片机从模拟时代到数字时代的跨越,CZT引领了一场核医学影像的数字化革命!


  【CZT技术能为临床带来什么?】

  核心优势一:扫描更快、剂量更低
  毫无疑问,CZT晶体可以把γ射线直接转换成电信号,成像效率是传统的NaI晶体的4-6倍,转化成临床优势最直接的就是加快扫描速度,常规10-15分钟一例的心脏扫描,在CZT心脏专用机上可以实现3分钟快速成像,大大提高了病人的流通量。另一方面,CZT探测器的高效成像性能可以大幅降低患者的扫描剂量,为患者和医生带来更加安全放心的检查。


图2:CZT心脏专用机——Discovery NM 530c


  核心优势二:超高清图像质量

  CZT晶体探测器的成像单元是以像素为单位的,探测器固有空间分辨率可以实现2.46mm(一个像素单元大小),有效视野(UFOV)与中心视野(CFOV)完全一致,没有线性失真,无需均匀性校正,且高能量分辨率能减少散射干扰,减少噪声,为临床带来超高清精准成像。


图3. CZT晶体探测器设计及晶体像素单元


  核心优势三:广阔的临床应用前景

  CZT能量分辨率比闪烁晶体提高了3倍,更高的能量分辨率意味着系统将能区分能峰相近的不同核素,并将二者的干扰减到最小,这意味着双/多核素显像不再是梦想,临床可以实现多种核素同时显像的应用。
  另一方面,CZT探测器的快速、精准成像性能,使得动态采集、精准定量更为便捷,比如在心脏专用机上,获得准确的冠脉血流储备值CFR也成为现实。
  由于制备及生长工艺的复杂,CZT晶体的成本一直是制约设备量产的最大瓶颈,目前商业化的CZT核医学设备还停留在心脏、乳腺等专用机型上。但随着技术的进步和临床需求的增加,小编相信,在不远的未来,基于CZT探测器的SPECT/CT必将走向通用机型普及,为核医学开辟一片广阔的新天地!