基于硅光电倍增管与Mg/Al/Ce:SHO闪烁体的光子计数CT性能提升研究及其临床潜力

本研究针对光子计数CT(PCCT)系统计数率低、成像时间长的问题，开发了采用Mg/Al/Ce共掺杂SrHfO3 透明陶瓷闪烁体(Mg/Al/Ce:SHO)的新型SiPM探测器。通过火花等离子烧结(SPS)制备的闪烁体具有20 ns短衰减时间和7.6 g/cm3 高密度，使系统最大计数率达8 MHz，较传统Ce:YGAG系统提升2倍，且保持CT值稳定性，为临床快速成像提供新方案。

　　

在医学影像领域，光子计数CT(Photon-counting CT, PCCT)因其能解析单个X射线光子能量信息的能力，正引发诊断技术的革命。传统能量积分CT无法区分多种对比剂，而PCCT通过识别30-120 keV能谱范围内的光子，可同时显示碘、钆等对比剂的分布，这对精准监测药物代谢至关重要。然而现有直接转换型PCCT采用CdTe/CdZnTe(CZT)半导体探测器，成本高昂；间接转换系统虽成本较低，但受限于闪烁体衰减时间（如Ce:YGAG约70 ns），最大计数率仅4 MHz，导致小动物实验需数小时成像，严重制约临床转化。

日本研究人员通过材料创新突破这一瓶颈。他们发现Mg/Al/Ce共掺杂的SrHfO₃
(Mg/Al/Ce:SHO)透明陶瓷具有20 ns超短衰减时间，且密度(7.6 g/cm³
)显著高于Ce:YGAG，对诊断用X射线吸收更高效。通过火花等离子烧结(SPS)制备1 mm³
立方体闪烁体，耦合硅光电倍增管(SiPM)构建探测器模块。采用²⁴¹
Am等放射源测试能量线性，并通过调节X射线管电流结合非瘫痪死时间模型评估计数性能。

关键方法
研究团队采用SPS法制备Mg/Al/Ce:SHO闪烁体，通过标准放射源(¹³³
Ba、¹⁵²
Eu等)测试能量分辨率；使用X射线管梯度改变光子通量，基于非瘫痪死时间模型计算最大计数率；采用碘/钆对比剂体模在0.5-2.0 mA管电流下验证成像稳定性。

研究结果

1. 光谱性能：Mg/Al/Ce:SHO在30.9-122 keV范围内呈现清晰光电峰，但59.5 keV处能量分辨率(64.0±0.3)% FWHM仅为Ce:YGAG的一半，需通过提升光产额改进。
2. 计数性能：系统最大计数率达8 MHz，较Ce:YGAG系统提升2倍，死时间主要受限于SiPM恢复时间(~30 ns)而非闪烁体衰减。
3. 成像验证：管电流从0.5 mA增至2.0 mA时，CT值标准差保持稳定，证明高计数率下图像质量无劣化。

结论与意义
Mg/Al/Ce:SHO闪烁体将PCCT系统计数能力提升至临床适用水平，其短衰减时间与SiPM响应特性匹配良好。虽然能量分辨率需优化，但密度优势可增强信噪比。该研究为开发低成本、高性能PCCT系统提供了新材料路径，对实现分钟级临床成像具有重要价值。论文发表于《Radiation Measurements》，工作获JSPS等多项基金支持。