X射线光子计数计算机断层扫描（PCCT）因其低剂量给药、高质量成像和材料分解特性而备受关注。目前商用的PCCT系统采用化合物半导体光子计数X射线探测器，可提供良好的能量分辨率。然而，材料的选择是有限的，大多使用碲化镉或碲锌镉。虽然间接辐射探测器可作为化合物半导体探测器的替代品，但在这种探测器中实现细间距分割是具有挑战性的。
据麦姆斯咨询报道，近日，日本东京大学（The University of Tokyo）的研究人员通过将小型化硅光电倍增管（SiPM）阵列和快速闪烁晶体相结合，设计了一种间接细间距X射线光子计数探测器，像素尺寸为250 µm，用于未来的间接PCCT。所制造的阵列探测器具有在122 keV下以27%的分辨率区分光子能量的潜力，并具有296 µm的空间分辨率和电荷共享抑制能力。相关研究成果以“An energy-resolving photon-counting X-ray detector for computed tomography combining silicon-photomultiplier arrays and scintillation crystals”为题发表在Communications Engineering期刊上。
在这项研究中，研究人员分别制造了一个定制化的250 µm SPAD阵列（SiPM）和250 µm像素闪烁晶体，并评估了组合装置的性能。研究人员总结了使用由GAGG（gadolinium aluminum gallium garnet）/GFAG（gadolinium fine aluminum gallate）晶体和15 µm/20 µm微单元SiPM组成的组合装置测量的能量分辨率（半峰全宽（FWHM））。基于测量结果，研究人员在实验中使用了GFAG + 15 µm阵列器件。
细间距硅光电倍增管（SiPM）阵列和闪烁晶体阵列作为光子计数探测器
研究人员制造了一个由250 µm GFAG与15 µm微单元SiPM相结合而成的10 × 10光子计数探测器（PCD）阵列，并对其性能进行了评估。该阵列（GFAG/15 µm）在宽范围内提供快速的时间分辨率和中等的能量分辨率响应。在122、79和14 keV下计算的能量分辨率分别为27%、27.5%和48.6%。
本项研究实现的光子计数探测器的能量分辨率
为了验证所制造探测器的位置分辨率性能，研究人员使用线对（LP）轮廓和倾斜边缘法的X射线测试卡确定了探测器的空间分辨率。结果表明，基于FWHM所测得的分辨率显示为251 µm至283 µm，具体取决于管电压。通过调制传递函数（MTF）在10%处估算出的空间分辨率为296 µm至334 µm。
利用LP轮廓和倾斜边缘法进行空间分辨率评估
总而言之，研究人员通过将一种全新的细间距SiPM与细间距闪烁晶体阵列相结合，设计并制造出了一个细间距（250 µm）的能量分辨间接探测器。所制造的探测器展现出了合理的能量分辨性能，也就是说，单个像素和阵列像素分别呈现出大约< 20%和< 30%的分辨率，这对于其未来在PCCT系统中作为PCD的应用是必要的。由于晶体被50 µm厚的反射器隔开，与单片探测器相比，从尺寸方面估算会有约36%的光子损失。不过，测量结果表明，像素之间仅存在极小的光学串扰。这种串扰抑制的特性是这种间接探测器相较于基于化合物半导体的PCD的主要优势，后者在像素之间表现出广泛的电荷共享，提供较差的能量分辨率。
在这项研究中，使用简单的引线键合方法和分立电路进行信号读出。在未来，可以开发具有硅通孔（TSV）连接的读出专用集成电路（ASIC），以构建用于PCCT应用的可拼接探测器模块。对于实际的临床CT应用，还需要更多的努力和发展。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s44172-024-00313-1
