CT探測器的技術特點和發(fā)展趨勢

1、CT探測器的技術特點與發(fā)展趨勢X線CT自20世紀70年代問世以來,經歷了 30多年的發(fā)展,從早期的單排往復式 CT發(fā)展到螺旋CT,直到目前最先進的多層螺旋CT,其為滿足臨床精確影像診斷的要求而在大覆蓋范圍、薄層、高分辨率、高速度的高技術性能方面取得了長足的進步。在這些高技術參數的協調發(fā)展中，作為CT整個系統發(fā)展主線之一的數據采集系統也日趨完善，其核心部件CT探測器，在高科技推進下，無論在設計思想還就是工藝材料上都不斷革新，以其越來越優(yōu)異的性能，促進了 CT整個系統的飛躍發(fā)展。1 CT探測器的技術特點與性能CT探測器就是CT數據采集系統中 A/D轉換的核心部件,其結構相當復雜。它直接接 收X線束

2、穿過被照物后的光子信號 ，通過其自身的特性轉換為相應的電信號。一個典型的 CT探測器包括介質（如氣體、閃爍體等）、光電轉換陣列與電子學部分，此外還有準直器、 電源等輔助設備。 1、1 C怖測器種類按照材料工藝的不同，處在實用階段的CT探測器大體上可以分為閃爍體探測器與氣 體探測器。下面以發(fā)展年代為序介紹這幾種具有代表性的探測器。1、1、1鴇酸鎘晶體探測器（CdWO4）（20世紀70年代產品）鴇酸鎘晶體優(yōu)越的光學性能，使它成為了應用在X線CT探測器上的首選閃爍體 材料。鴇酸鎘晶體對X射線吸收系數大，輻射長度短，可使高能物理探測器做得十分密集 ， 從而降低整個設備的造價。（1）優(yōu)點： 造價低； 吸

3、收率較高。缺點： 吸潮一一水 中毒；受環(huán)境溫濕度影響 不穩(wěn)定 ；余輝效應；不易超小分割。1、1、2閃爍晶體探測器（GOS）優(yōu)點：高吸收率；發(fā)光效率較高；光電轉換率較高 缺點：透光性 差；Z軸均勻性差；吸潮水中毒。此類閃爍體探測器的光電轉換都需要經過二次能量轉換，能量損失較大。即 X射線打到閃爍體上，產生次級光，然后通過光電二極管 陣列或就是CCD陣列轉換為電信號，輸入計算機。要得到較好的圖像 ，必須有很高的X 線輸入能量。1、1、3高壓氤氣探測器（20世紀80年代中普遍應用）利用了惰性氣體在 X線照射下電離的原理。此類探測器內部有很多組正負極板（加有500V1000V的直流高壓），彼此通過絕緣

4、材料相互隔開 ，中間充滿了氤氣，極板的電極 引出線與A/D轉換中的前置放大器相連。X線射入探測器，在高壓電白作用下，極板收集 氤氣電離后產生的離子，感應出相應的電流強度，完成光電轉換。氣體探測器的光子轉換效 率比閃爍晶體探測器低，但就是其內部各處氣壓、密度、純度、溫度相同，因此具有較好的一致性。 優(yōu)點： 高穩(wěn)定性無需經常校準 ； 耐受性溫度及濕度；價格便宜。 缺點：低吸收效率： 需要高mAs?，F在最為廣泛應用的就是固態(tài)稀土陶瓷探測器稀土陶瓷探測器與以往的CT探測器相比光輸出率高，光電轉換率就是鴇酸鎘晶體的兩倍、 X射線利用率可達 99%;具有很好的 穩(wěn)定性，圖像很少產生環(huán)狀偽影；余輝時間短，可

5、以做快速連續(xù)的螺旋掃描。 而與其同時期、結 構相似的金屬陶瓷探測器，因余輝問題也已被主流品牌廠家淘汰。 優(yōu)點：高吸收率； 發(fā)光效率高，余輝短；轉換率高；高穩(wěn)定性。缺點：探測器單元體積，限制分辨率進一步提高；探測器之間的拼接縫隙，影響X線檢測效率。目前各一線品牌廠家 基本都采用高效稀土陶瓷探測器 ，GE采用的就是Hilight稀土陶瓷探測器；西門子、飛利浦 采用的就是UFC超高速稀土陶瓷探測器。這兩種固態(tài)探測器轉換效率極高而余輝又極短，使X射線的利用率從原來的 50%提高到了 99%以上，非常適合螺旋掃描需要高效率、短時 間反復采集信號的要求。1、2探測器的技術性能要求成像質量成像質量主要由晶體

6、通道（像素）尺寸決定，像素尺寸越小，成像質量越高?，F最小像素尺寸0、25mm,目前需解決的問題不就是像素尺寸不能做得更小，而就是因尺寸減小時，X 射線產生的信號會減小得更多；如果像素尺寸（寬度與高度）減小一半，所需X射線劑量需增加4倍。動態(tài)范圍動態(tài)范圍用最大飽與信號電壓除以噪聲的均方根表示，動態(tài)范圍表征了探測器可以分辨的最小范圍（灰度）?，F在最先進的醫(yī)療 CT的動態(tài)范圍可達20位，動態(tài)范圍與探 測器A/D轉換Z果（輸出位數）成正比，但就是動態(tài)范圍一般小于 A/D轉換結果?？潭葮硕ㄓ纸袠藴驶?、校準，此項性能指標對電子陣列的性能影響很大。由于每個探測 通道的材料不均一性，漏電流與增益的不同，晶體與

7、二極管的耦合以及晶體管本身的缺陷等 使得每個通道對 X射線的吸收與增益不同，有些陣列專門附加一個模擬放大器，用來調整通道的增益水平。采集數據探測器的功能就是采集數據，判斷探測器性能高低的指標之一就是每秒采集 數據量，而不就是物理個數多少。一般要求每秒數據采集量不低于1000組，現在部分廠家的多層 螺旋CT數據采集量已能達到 2500組/秒。1、3 CT探測器設計中的關鍵問題CT探測器在設計中要考慮的核心問題就是寬度。探測器寬度決定了CT系統的最小層厚，直接影響了 Z軸分辨率；但就是較窄的探測器寬度，增大掃描面積需要增加螺矩，導 致原始數據量采集不足。已處于實用階段的 CT探測器按照設計方法可分

8、為單層與多層。單層CT就是通過改變準直器的寬度來改變層厚，因此其層厚就就是準直器的寬度。這里主要介紹多層CT探測器。多層 CT將單個探測器改變?yōu)榭煞指钐綔y器陣列板，64層螺旋CT探測器寬度達到32mm或40mm。探測器寬度的增加加大了覆蓋面，減少了螺旋偽影，有利于3D重建及全器官灌注信息的采集。目前多層CT主要依靠改變探測器的組合方式來改變層厚，有三種不同探測器的設計方式：等寬型、不等寬型、混合型。等寬型在Z軸方向由16排1、25mm的探測器組成，每排912個探測器。根據不同 的探測器的組合可以獲得0、625mm X 2、1、25mm X 4、2、5mm x 4、3、75mm x 4、5、0m

9、mX4、7、50mmX2、10mm x 2的層厚與圖像數的組合。例如 ,在選擇0、625mm時，病人 后準直器工作，開口為1、25mm,在Z軸中心左右各一個探測器工作 ，可以獲得兩層層厚 為0、625mm的圖像；在選擇1、25mm X 4的條件時，靠近Z軸中心的左右各兩個探測器 工作，可以獲得 4層層厚為1、25mm 的圖像；在選擇2、5mm X 4、3、75mm X 4、5、0mm X4的掃描條件時，靠近Z軸心的左右各4個、6個、8個探測器工作，每2個、3個、4 個探測器組成一組分別形成一幅2、5mm、3、75mm、5、0mm 的圖像，每個圖像分別為 4幅；在選擇7、50mm X 2、10m

10、m X2的條件時，靠近Z軸中心的左右各6個、8個探測器工作，每6個、8個探測器組成 一組分別形成一幅 7、50mm、10mm的圖像，每個圖像分別為 2幅。不等寬型探測器在 Z軸中心兩側沿 Z軸方向依次排列1mm、1、5mm、2、5mm、5mm 探測器各一排，每排672個探測器。在選擇 0、5mmX 2時，病人后準直器工作，開口為1、0mm,在Z軸中心左右各一個1mm探測器工作,可以獲得兩層層厚為 0、5mm的圖像；在 選才1 1mm X 2時，病人后準直器工作,開口為4、0mm,在Z軸中心左右各一個 1mm與1、 5mm探測器工作，可以獲得4層層厚為1mm的圖像；在選擇2、5mm X 4時，病

11、人后準直 器工作，開口為10mm,在Z軸中心左右各一個 1mm、1、5mm 與2、5mm 探測器工作， 其中1mm與1、5mm探測器信號迭加產生兩幅 2、5mm層厚的圖像，另外的兩個2、5mm 探測器產生兩幅2、5mm層厚的圖像；在選擇5mm X 4時，病人后準直器工作，開口為 20mm,在Z 軸中心左右各一個 1mm、1、5mm、2、5mm 與5、0mm 探測器工作，其中1mm、 1、5mm與2、5mm探測器信號迭加產生兩幅 5mm層厚的圖像，另外的兩個5mm探測器 產生兩幅5mm層厚的圖像；在選擇8mm X2時，病人后準直器工作，開口為16mm,在Z 軸中心左右各一個 1mm、1、5mm、

12、2、5mm 與5、0mm 探測器工作，產生兩幅8mm 層厚 的圖像；在選擇10mm X 2時，病人后準直器工作，開口為20mm,在Z軸中心左右各一個 1mm、1、5mm、2、5mm 與5、0mm 探測器工作，產生兩幅10mm 層厚的圖像?；旌闲吞綔y器在 Z軸方向由30排1mm的探測器與4排0、5mm的探測器組成，每 排896個探測器。在Z軸中心的左右各兩個探測器為0、5mm寬，其她30排探測器均為1mm寬。根據不同的探測器的組合可以獲得0、5mm X 4、1mm X 4、2mm X 4、3mm x 4、4mmX4、5mmX4、8mm x 4、10mmx 4的層厚與圖像數的組合。在選擇 0、5m

13、m 時，在Z軸 中心左右各兩個 0、5mm寬的探測器工作，可以獲得4幅層厚為0、5mm的圖像；在選擇 1mm X 4、2mm X4、3mmX4、4mmX4、5mm x 4、8mm x4 時，首先 Z 軸中心左右各兩 個0、5mm寬的探測器分別組成兩個相當于1mm寬的探測器，再分別與Z軸中心左右各零個、1個、2個、3個、4個、7個探測器組成一組，形成兩幅分別為 1mm、2mm、3mm、 4mm、5mm、8mm圖像，剩下靠近Z軸中心的左右各 1個、2個、3個、4個、5個、8 個探測器組成一組，形成另外的兩幅分別為 1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、8mm圖像； 在選擇10mm時，在Z軸中心左

14、右各兩個 0、5mm寬的探測器分別與九個 1mm的探測器一起 工作，可以獲得2層層厚為10mm的圖像。在三種不同形式的探測器中，等寬型與混合型探測器掃描層厚比較靈活，這兩種形式的設計可以在不更換探測器的情況下，通過增加DAS系統與提高計算機運行速度的情況下，在Z軸探測器覆蓋的范圍內，獲彳導8層薄層圖像（1、25mm 2、5mm）乃至16層（1、25mm） 的圖像。而且混合型探測器就是目前唯一能夠做到0、5mm與8mm掃描時同時出4層圖像。但就是，由于在Z軸方向上探測器比較小，而且探測器之間有間隙，必然造成Z軸方向上探測器的 死區(qū)增加，導致射線的利用率下降，尤其就是在混合型探測器上表現更為突出。非等寬型探測器雖然掃描層厚選擇上不如上述兩種探測器靈活，但就是由于探測器之間總的間隙減小，減少了探測器的死區(qū)，相應地增加了 X射線的利用率，提高了 Z軸方向的圖像質量，而且 可以降低生產成本，但升級為8層或16層時必需更換全部探測器。2 CT探測器發(fā)展趨勢目前CT圖像質量相比以前，已經有了明顯改善，但就是還要瞧到 CT在發(fā)展中還存在 一個重要的現象圖像質量的提高就是以增大X線的能量為代價?，F代人類醫(yī)學發(fā)展的目的就是既要獲取高質量的圖像，又要使患者盡量地減少 X線輻射，這就是下一步 CT改革的重點之一追