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【兆恒機械】CZT晶體究竟有啥大本領(lǐng)?

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  • 添加日期:2021年08月09日

CZT,中文名叫“碲鋅鎘”,英文名叫“Cadmium-Zinc-Telluride (CdZnTe)”,是CdTe和ZnTe固溶而成的寬禁帶II-VI族化合物半導體晶體。


晦澀的化學式少扯,CZT晶體究竟有啥大本領(lǐng)?


神奇本領(lǐng)1:

CZT是唯一能在室溫狀態(tài)下工作,并且能在每秒每平方毫米面積上處理百萬到千萬級個光子的半導體,其靈敏度可以達到極限,連微弱到幾乎沒有的宇宙本底射線的輻射量也能快速精準地捕捉到,它的發(fā)現(xiàn)曾引起過業(yè)界的轟動。


神奇本領(lǐng)2:

CZT具有優(yōu)異的光電性能,可以在室溫狀態(tài)下直接將X射線和γ射線轉(zhuǎn)光子變?yōu)殡娮?,是迄今為止制造室溫X射線及γ射線探測器最為理想的半導體材料。


那么重點來了,CZT是核醫(yī)學影像設(shè)備最理想的探測器材料!


【CZT與傳統(tǒng)探測器有啥不一樣?】



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圖1 傳統(tǒng)探測器與CZT探測器的成像原理

左:碘化鈉+光電倍增管 的間接成像技術(shù)

右:CZT晶體的直接成像技術(shù)


自從1958 年第一臺Anger伽瑪相機的誕生以來,傳統(tǒng)的SPECT核醫(yī)學設(shè)備探測器一直采用的是碘化鈉晶體(NaI)+ 光電倍增管(PMT)設(shè)計(如上圖左邊),注射到人體內(nèi)的放射性藥物發(fā)射出γ光子,通過準直器定位投射到NaI晶體上,轉(zhuǎn)換成可見光,再通過PMT光電倍增管進行光電轉(zhuǎn)換成電信號并放大,傳輸?shù)诫娮泳€路和工作站進行重建成像。這種多次轉(zhuǎn)換的間接成像技術(shù)會導致大量的光子丟失,而PMT將可見光轉(zhuǎn)化為電信號的效率也只有20%~25%左右,因此,傳統(tǒng)的SPECT核醫(yī)學設(shè)備在計數(shù)率、分辨率方面大受限制。


新型CZT晶體探測器的工作原理(右上圖):γ射線投射到CZT晶體產(chǎn)生電子和空穴對,在CZT晶體表面是很薄的金屬電極,這些電極在偏壓作用下,在晶體內(nèi)部產(chǎn)生電場,帶負電的電子和帶正電的空穴朝不同的電極運動,最終形成的電荷脈沖信號經(jīng)過后續(xù)電子線路放大并處理進行成像。CZT探測器無需光電倍增管和光電轉(zhuǎn)換過程,探測效率大幅提高,在能量分辨率上比傳統(tǒng)NaI閃爍晶體提高了3倍以上。


這種從間接成像轉(zhuǎn)向直接成像的方式,用個通俗的比喻,就如同拍片機從模擬時代到數(shù)字時代的跨越,CZT引領(lǐng)了一場核醫(yī)學影像的數(shù)字化革命!


【CZT技術(shù)能為臨床帶來什么?】


核心優(yōu)勢一:掃描更快、劑量更低


毫無疑問,CZT晶體可以把γ射線直接轉(zhuǎn)換成電信號,成像效率是傳統(tǒng)的NaI晶體的4-6倍,轉(zhuǎn)化成臨床優(yōu)勢最直接的就是加快掃描速度,常規(guī)10-15分鐘一例的心臟掃描,在CZT心臟專用機上可以實現(xiàn)3分鐘快速成像,大大提高了病人的流通量。另一方面,CZT探測器的高效成像性能可以大幅降低患者的掃描劑量,為患者和醫(yī)生帶來更加安全放心的檢查。

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圖2:CZT心臟專用機——Discovery NM 530c


核心優(yōu)勢二:超高清圖像質(zhì)量


CZT晶體探測器的成像單元是以像素為單位的,探測器固有空間分辨率可以實現(xiàn)2.46mm(一個像素單元大小),有效視野(UFOV)與中心視野(CFOV)完全一致,沒有線性失真,無需均勻性校正,且高能量分辨率能減少散射干擾,減少噪聲,為臨床帶來超高清精準成像。

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圖3. CZT晶體探測器設(shè)計及晶體像素單元


核心優(yōu)勢三:廣闊的臨床應用前景


CZT能量分辨率比閃爍晶體提高了3倍,更高的能量分辨率意味著系統(tǒng)將能區(qū)分能峰相近的不同核素,并將二者的干擾減到最小,這意味著雙/多核素顯像不再是夢想,臨床可以實現(xiàn)多種核素同時顯像的應用。


另一方面,CZT探測器的快速、精準成像性能,使得動態(tài)采集、精準定量更為便捷,比如在心臟專用機上,獲得準確的冠脈血流儲備值CFR也成為現(xiàn)實。