基于厚层CZT晶体的新型SPECT系统在多放射性核素分布测量中的性能评估

《Radiation Measurements》：Performance Evaluation in Multi-Radionuclide Distribution Measurement of a new SPECT System Based on a Thick CZT Crystal

三维硫化镉锌镓碲（CZT）单光子发射计算机断层扫描（SPECT）系统通过小鼠模型实验验证，能够有效检测不同放射性示踪剂（如锝-99m、镥-177、氟-18）的空间分布。该系统采用15.00 mm厚三维像素化CZT晶体，能量分辨率分别为2.38%（141 keV）、1.94%（208 keV）和1.47%（511 keV），深度相互作用（DOI）范围覆盖1.00-11.00 mm，空间分辨率优于5.00 mm。研究证实该系统支持单核素和多核素同时检测，为临床多示踪剂成像提供技术支持。

　　

冯天|耿长然|唐丽军|唐晓斌

江苏省人民医院核医学科，南京医科大学第一附属医院，南京210016，中华人民共和国

摘要

单光子发射计算机断层扫描（SPECT）是临床核医学中常用的成像方式，用于疾病诊断。然而，传统的SPECT系统在监测不同放射性核素标记的放射性药物的分布时存在一些缺点。

本研究开发了一种基于15.00毫米厚三维（3D）像素化CZT晶体的镉锌碲（CZT）SPECT系统。通过小鼠模型实验分析了该CZT-SPECT系统检测不同放射性药物分布的性能。结果表明，对于^99mTc（141 keV）、¹⁷⁷Lu（208 keV）和¹⁸F（511 keV），CZT-SPECT系统的能量分辨率分别为2.38%、1.94%和1.47%。记录了不同放射性核素发射的141 keV、208 keV或511 keV伽马射线在CZT晶体中的相互作用深度（DOI），其范围分别约为2.17-5.85毫米、2.00-9.00毫米和1.00-11.00毫米。定性和定量结果均表明，无论只使用一种还是多种放射性核素，CZT-SPECT系统都能实现空间分布的检测和重建。放置于每个肾脏中的辐射源的半高宽（FWHM）对于这些放射性核素几乎都小于5.00毫米。

由于出色的能量分辨率和较大的3D-CZT晶体尺寸，所开发的CZT-SPECT系统能够有效测量各种用不同放射性核素标记的诊断和治疗性放射性药物的体内分布。本研究的结果也为未来更多放射性药物的研发提供了技术支持。

引言

如今，单光子发射计算机断层扫描（SPECT）是临床核医学中最常用的成像方式，是疾病诊断的重要工具（Israel等人，2019；Mariani等人，2010）。SPECT系统主要由辐射探测器、机械准直器和后端电子设备组成（Hutton和Imaging，2014）。通过使用准直器屏蔽和准直伽马射线，只能检测到来自特定方向的伽马射线（Deprez等人，2013；Van Audenhaege等人，2015）。此外，通过将探测器旋转到多个方向来检测伽马射线并应用重建算法，可以获得患者体内放射性药物的三维（3D）分布（Lyra和Ploussi，2011；Van Holen等人，2009）。目前临床使用的SPECT系统主要由NaI闪烁体与铅或钨准直器组合而成（Beijst等人，2015；Rozler等人，2012）。然而，由于NaI晶体的固有效率低下，临床SPECT成像常常面临分辨率低、伪影明显以及难以同时检测多能量伽马射线的难题。

近年来，随着晶体生长技术和读出系统的进步，基于镉锌碲（CZT，密度为5.80 g/cm³）的SPECT系统受到了广泛关注（Panjer等人，2022；Phillips，2017）。CZT是一种可在室温下工作的半导体材料（Alam等人，2021；Chun等人，2008）。与NaI相比，CZT具有出色的能量分辨率，并能高效地将伽马射线沉积的能量转换为电信号。目前，已有几种基于CZT的SPECT系统（如D-SPECT）应用于临床实践，主要用于心肌灌注成像（Duvall等人，2011；Wu等人，2019；Zavadovsky等人，2022）。

尽管CZT-SPECT有望改善临床核医学中的疾病诊断，但其应用仍面临限制。所使用的CZT晶体厚度会影响可检测伽马射线的能量范围。例如，Veriton SPECT/CT系统由于使用了6.00毫米厚的CZT晶体，其能量检测范围仅限于200 keV（Nuttens等人，2024）。相比之下，StarGuide? SPECT/CT系统可以使用7.25毫米厚的CZT晶体来检测能量高于200 keV的伽马射线（Danieli等人，2023）。一些研究表明，3D CZT漂移探测器的厚度可以增加到20.00毫米，这有望支持高能量伽马射线的检测，但关于其在临床核医学中用于体内诊断或治疗性放射性药物分布测量的研究较少（Abbene等人，2022；Budtz-J?rgensen和Kuvvetli，2017）。此外，为了准确检测患者体内不同放射性药物的分布，通常需要根据标记的放射性核素类型更换准直器。这不仅增加了成本，还给临床工作流程带来了不必要的复杂性。

为了解决这些问题，开发了一种使用15.00毫米厚3D-CZT晶体的CZT-SPECT系统，并通过小鼠模型实验评估了其检测不同放射性药物分布的性能。

研究部分片段

本研究使用的CZT-SPECT和3D打印小鼠模型的结构

CZT-SPECT的检测部分使用了由Kromek团队（英国哈德斯菲尔德）制造的像素化3D-CZT晶体。该探测器采用常见的平面阴极和11×11像素化的阳极垫片，每个1.98×1.98毫米的像素垫片间距为2.00毫米。探测器在阴极偏压3000 V的条件下工作。使用HPL v1.3专用集成电路（ASIC）读出系统来测量所有通道的波形信号和触发信号。

CZT-SPECT对^99mTc分布的检测性能

在实验条件下，所有方向的^99mTc事件记录结果如图2所示。光谱显示出一个清晰且定义明确的满能量峰，对应于^99mTc的特征伽马射线发射（141 keV）。该峰的分辨率为3.35 keV FWHM（1σ:1.42，R²: 96.93%）。此外，CZT-SPECT系统记录的所有事件的相互作用深度（DOI）主要在2.00-15.00毫米范围内，而^99mTc的特征伽马射线的DOI主要在3.00-6.00毫米范围内

讨论与结论

近年来，标记有放射性核素的靶向药物的制备取得了显著进展，为各种疾病的早期诊断和精准治疗提供了技术支持。预计未来将有更多放射性核素应用于临床实践，这也对现有的体内辐射监测设备提出了挑战。

CRediT作者贡献声明

唐丽军：撰写——初稿、软件、方法学、数据管理。唐晓斌：撰写——审阅与编辑、软件、资源管理、方法学、数据管理。冯天：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、软件、资源管理、方法学、资金获取、数据管理。耿长然：撰写——初稿、验证、方法学、数据管理

未引用的参考文献

Budtz-J?rgensen等人，2017；Hutton，2014。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

数据和材料的可用性

本研究中使用和/或分析的数据集可向相应作者提出合理请求后获取。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：12405387）和江苏省自然科学基金（项目编号：BK20241107）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。