论文概览
面对核医学成像中对高能量分辨率、高探测灵敏度与高空间分辨率的迫切需求，苏州大学与西北大学等多家科研团队合作，成功开发出基于钙钛矿CsPbBr₃的像素化γ射线探测器，实现了单光子级别的γ射线成像。该研究通过化学机械表面处理技术显著提升了电荷收集效率(CCE)的均匀性与器件稳定性，结合多通道电子学读出系统，在核医学常用的¹⁴¹ keV(⁹⁹ᵐTc)和662 keV(¹³⁷Cs)γ射线能量下分别实现了2.5%与1.0%的突破性能量分辨率，并成功完成了⁹⁹ᵐTc点源、线源及Derenzo仿体的高清晰成像，空间分辨率达3.2–3.8 mm。该研究以"Single photon γ-ray imaging with high energy and spatial resolution perovskite semiconductor for nuclear medicine"为题发表于Nature Communications。
技术亮点
表面均匀性提升：采用DMSO化学机械抛光技术，将表面粗糙度从15.8 nm降至5.5 nm，显著改善界面电荷收集效率。
像素化电极设计：4×4像素阵列结合权重电位优化，实现“小像素效应”，有效抑制电子陷阱导致的光谱拖尾。
深度校正算法：通过阳极/阴极信号幅值与漂移时间关联，实现相互作用深度定位，进一步提升能量分辨率与峰值/康普顿比。
多通道读出系统：集成17通道前置放大器与数据采集卡，支持同步采集像素与平面电极信号，实现高通量成像。
研究意义
✅ 突破能量分辨率极限：在141 keV和662 keV能量下分别实现2.5%和1.0%的认证分辨率，优于现有CZT探测器。
✅ 构建高均匀性界面处理流程：DMSO抛光技术显著降低表面缺陷密度，提升CCE至接近unity。
✅ 推动钙钛矿在核医学成像中的应用：首次实现钙钛矿探测器在SPECT中的单光子γ射线成像，灵敏度达0.13–0.21% cps/Bq。
✅ 提升器件长期稳定性：33天后探测器仍保持优异光谱性能，泄漏电流显著降低。
深度精度
图1：钙钛矿γ射线相机的整体性能展示
该图系统展示了CsPbBr3像素化探测器的核心性能指标与成像能力。通过改进的布里奇曼法生长的CsPbBr3单晶探测器(厚度5.6mm)在141keV(99mTc)和662keV(137Cs)γ射线能谱测试中分别实现了2.5%和1.0%的突破性能量分辨率(图1b-c)，显著优于传统CZT探测器的5.5%。这种卓越性能源于化学机械抛光工艺将表面粗糙度从15.8nm降至5.5nm，以及优化的EGaIn/Au不对称电极设计，为核医学单光子成像提供了新范式。
图2：晶体质量与表面处理的关键作用
该图揭示了晶体质量与表面处理对探测器性能的决定性影响。
通过对比机械抛光(图2c)与DMSO化学机械抛光(图2d)的表面形貌，后者将表面粗糙度降低65%，使脉冲高度映射(图2f)响应均匀性提升3倍。光致发光成像证实DMSO处理能有效消除应力损伤层(图2e)，而482nm脉冲激光微区测试(图2g)显示处理后各位置通道数偏差<2%，为像素化探测器的一致性奠定基础。
图3：像素化探测器的γ射线响应特性
该图详细解析了4×4像素阵列的优异性能。
16个像素在57Co 122keV γ射线测试中(图3c)展现出2.7-4.4%的均匀能量分辨率，最佳像素在662keV达到0.87%的创纪录分辨率(图3f)。连续11小时测试(图3h-i)证实器件稳定性，峰值通道漂移<0.5%。特别值得注意的是22Na测试中511keV分辨率达0.93%(图3g)，验证了探测器在正电子成像中的应用潜力。
图4：深度相互作用分析与性能优化
该图通过脉冲波形分析揭示了三维定位能力。
深度校正算法(图4b-c)将137Cs 662keV分辨率从1.9%提升至0.91%，P/C比从2.0增至6.6。图4d证实16像素在深度校正后保持0.9-1.6%的均匀分辨率，而图4f展示15℃冷却使像素漏电流降至0.3-2nA(15-86nA·cm⁻²)，为高精度成像提供稳定基线。
图5：99mTc单光子成像的实际验证
该图展示了核医学成像的核心应用场景。采用0.5mm孔径钨准直器时(图5b-c)，系统对点/线源成像的本征空间分辨率达1.2-1.6mm。图5e的单柱源成像在2.05cm距离下清晰分辨0.7mm直径源，配合Derenzo模体测试(图1d-e)验证了探测器在SPECT系统中的实用价值。
结论展望
本研究通过表面处理、像素化设计与深度校正算法，成功将钙钛矿CsPbBr₃探测器应用于核医学单光子γ射线成像，实现了高能量分辨率(1.0% @662 keV)、高空间分辨率(3.2 mm)与高灵敏度(0.21% cps/Bq)的全面突破。该工作不仅为钙钛矿半导体在核医学成像中的应用提供了坚实的技术基础，也为未来低成本、高性能SPECT系统的开发指明了方向。随着材料制备、器件结构与读出算法的进一步优化，钙钛矿γ相机有望在临床影像中实现广泛应用。
文献来源
Shen, N., He, X., Gao, T. et al. Single photon γ-ray imaging with high energy and spatial resolution perovskite semiconductor for nuclear medicine. Nat Commun 16, 8113 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-63400-7
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