《Applied Radiation and Isotopes》：GEANT4-based evaluation of crystal length effects on the performance of a CsI(Tl) intraoperative gamma probe
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?mer Faruk Demirta?|Tuncay Bayram|Bircan S?nmez|Anes Hayder土耳其卡拉德尼兹技术大学健康研究所健康物理系，特拉布宗，61080摘要术中伽马探针是放射引导手术中的重要工具，能够实时定位放射标记的组织。这些探针的性能受到探测器
?mer Faruk Demirta?|Tuncay Bayram|Bircan S?nmez|Anes Hayder
土耳其卡拉德尼兹技术大学健康研究所健康物理系，特拉布宗，61080
摘要
术中伽马探针是放射引导手术中的重要工具，能够实时定位放射标记的组织。这些探针的性能受到探测器设计参数的显著影响，特别是闪烁晶体的长度，它决定了检测效率与空间精度之间的平衡。在本研究中，使用GEANT4蒙特卡罗仿真框架系统地评估了CsI(Tl)晶体长度对与PIN光电二极管耦合的术中伽马探针性能的影响。首先重建了临床使用的伽马探针的几何形状和材料组成，并与制造商目录数据进行对比，以验证仿真模型。随后，对不同长度的晶体进行了仿真，定量分析了关键性能指标——包括灵敏度、角度灵敏度、能量分辨率和空间分辨率，涉及140–511 keV范围内的伽马射线能量。结果表明，晶体长度对探针性能有显著影响，突显了灵敏度和空间分辨率之间的固有权衡。这些发现为优化临床相关能量范围内的基于闪烁体的术中伽马探针提供了设计方向上的启示。
引言
术中伽马探针是一种在手术过程中用于定位和评估体内放射性物质的医疗设备。它广泛应用于肿瘤学和放射引导手术中，帮助识别和选择性地切除发射伽马辐射的组织或结构。其最成熟的临床应用之一是癌症手术中的前哨淋巴结（SLN）映射。前哨淋巴结是恶性肿瘤可能从原发肿瘤扩散到的第一个淋巴结站。在肿瘤附近注射放射性示踪剂后，术中伽马探针能够在手术过程中实时检测和定位前哨淋巴结，从而促进准确的分期和针对性的淋巴结切除（Keshtgar和Ell，1999；Zanzonico和Heller，2000；Woolfenden和Barber，1989）。
典型的伽马探针系统包括几个关键组件：探测器、准直器、光电倍增管（PMT）或半导体探测器、放大器和信号处理单元、显示界面以及电源（Halkar和Aarsvold，1999；Chiesa等人，2008；Gonzalez-Montoro等人，2022）。
探测器是伽马探针的主要传感元件，通常基于闪烁晶体或半导体材料。入射的伽马光子与闪烁晶体相互作用会产生可见光闪光，而在半导体探测器中的相互作用则会产生电荷载流子。准直器通常由高密度屏蔽材料制成，具有明确的开口，用于限制入射伽马光子的接受角度并提高方向灵敏度。由此产生的光学或电信号通过PMT或半导体读出装置转换为电脉冲，然后被放大，并进一步处理，为外科医生提供定量和/或听觉反馈。这种集成的信号处理链使得在真实的手术条件下能够进行可靠的术中引导。
术中伽马探针中探测器材料的选择取决于临床感兴趣的伽马射线能量范围，以及与灵敏度、能量分辨率、紧凑性和操作稳健性相关的 Requirements。诸如碲化镉（CdTe）（Russo等人，2011）、碲化镉锌（CZT）和锗（Ge）等半导体材料已被用于伽马探针系统。CdTe和CZT探测器具有高能量分辨率和紧凑的几何形状，使其特别适用于医学成像和术中应用。半导体探测器具有高内在效率、紧凑尺寸和实时信号生成等优点，尽管必须考虑其成本和材料限制（Zanzonico和Heller，2000；Heller和Zanzonico，2011；Gonzalez-Montoro等人，2022；Massari等人，2018；Sandblom等人，2017）。
相比之下，闪烁晶体仍然是术中伽马探针中最常用的检测介质。掺有铊的碘化钠（NaI(Tl)）和掺有钠或铊的碘化铯（CsI(Na)、CsI(Tl)是最常用的闪烁体（Heller和Zanzonico，2011；Radnia等人，2021）。NaI(Tl)晶体在医学成像中具有良好的能量分辨率和成熟的性能，而基于CsI的晶体则提供高检测效率和改进的机械稳健性。闪烁材料的选择与手术过程中所需的灵敏度、能量分辨率和操作实用性之间的平衡密切相关。
在基于闪烁体的伽马探针的设计参数中，晶体长度在决定整体系统性能方面起着关键作用。晶体长度直接影响伽马射线的相互作用概率、光线收集效率和闪烁光子产生的统计波动。因此，它影响灵敏度、能量分辨率、空间分辨率和角度响应等关键性能指标。文献中的蒙特卡罗研究证明了针对特定探测器几何形状和临床应用优化晶体长度的重要性。例如，在Nikoogoftar等人（2019）的研究中，通过蒙特卡罗仿真优化了SURGEOGUIDE II伽马探测器的CsI晶体长度（Kaviani等人，2016），发现10毫米的晶体长度是在灵敏度和空间分辨率之间的最佳折中。此外，据报道CdTe半导体探测器在类似条件下表现出相当的灵敏度和空间分辨率特性。
虽然增加晶体长度可以通过为伽马光子提供更长的相互作用路径来提高检测效率，但过长的晶体长度可能会导致空间分辨率下降，因为晶体深度内的多次相互作用事件。这些效应引入了相互作用点定位的不确定性，并增加了光输出的统计波动。因此，最佳晶体长度必须根据预期的能量范围和临床应用，在能量分辨率、检测效率和空间精度之间取得平衡。
在这项研究中，我们使用GEANT4仿真框架，对采用CsI(Tl)闪烁晶体与PIN光电二极管耦合的术中伽马探针的晶体长度优化进行了系统的蒙特卡罗研究。与主要关注探测器材料选择或有限能量范围的先前研究不同，本研究明确针对晶体长度对多个相互关联的性能指标（包括灵敏度、角度灵敏度、能量分辨率和空间分辨率）的定量影响。首先重建了Farabi医院（卡拉德尼兹技术大学）核医学诊所使用的临床伽马探针的几何形状和材料组成，并与制造商目录数据（HiSens，2026）进行了对比，从而严格验证了仿真模型。在此验证之后，进行了一系列具有系统变化晶体长度的受控仿真。结果提供了一个全面的性能驱动优化框架，将晶体长度与临床相关伽马能量下的探测器功能直接联系起来，提供了超出基于目录评估的设计级见解，并为下一代术中伽马探针的开发提供了仿真验证的路径。
章节摘录
蒙特卡罗仿真框架
蒙特卡罗仿真使用GATE（Geant4应用层析发射）仿真工具包进行，该工具包基于GEANT4辐射传输引擎，广泛用于建模核医学成像系统和辐射探测器。GATE提供了模拟光子相互作用、探测器几何形状和采集过程的高级能力，具有很高的物理精度，非常适合研究术中伽马探针的性能。
仿真测试
为了验证蒙特卡罗仿真框架的准确性，评估了建模的术中伽马探针的灵敏度，并将其与HiSens直型伽马探针的制造商目录数据进行了比较。灵敏度定义为检测到的伽马光子数量与入射到探测器上的光子数量之比，是探针性能的关键指标。计算了发射140 keV伽马射线的点源的伽马探针灵敏度。
结论
在本研究中，使用基于GATE的蒙特卡罗仿真框架系统地研究了CsI(Tl)闪烁晶体长度对术中伽马探针性能的影响。首先通过将灵敏度、角度灵敏度和横向灵敏度结果与制造商目录数据进行比较来验证仿真模型，证明了良好的一致性，确认了所实现几何形状和物理过程的可靠性。
后续的仿真揭示了
CRediT作者贡献声明
?mer Faruk Demirta?： 软件开发，数据管理。Tuncay Bayram： 监督，方法论，概念化。Bircan S?nmez： 文章撰写——审稿与编辑，验证。Anes Hayder： 文章撰写——初稿，形式分析。
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竞争财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了土耳其健康研究所（TüSEB）的支持，资助编号为46161。作者衷心感谢NucPap研究小组的宝贵科学讨论和建设性反馈，这些讨论和反馈对完善本研究的概念框架和结果解释做出了重要贡献。
