基于三维正交条形碲锌镉探测器的DOI-PET显像研究

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 探测系统

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。

2 实验设置

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 结果与讨论

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

4 结论

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。