CT探測器的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢

1、CT探測器的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢X線CT自20世紀(jì)70年代問世以來,經(jīng)歷了 30多年的發(fā)展,從早期的單排往復(fù)式 CT發(fā)展到螺旋CT,直到目前最先進(jìn)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(shù)性能方面取得了長足的進(jìn)步。在這些高技術(shù)參數(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展中，作為CT整個(gè)系統(tǒng)發(fā)展主線之一的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也日趨完善，其核心部件CT探測器，在高科技推進(jìn)下，無論在設(shè)計(jì)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(jìn)了 CT整個(gè)系統(tǒng)的飛躍發(fā)展。1 CT探測器的技術(shù)特點(diǎn)與性能CT探測器就是CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 A/D轉(zhuǎn)換的核心部件,其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。一個(gè)典型的 CT探測器包括介質(zhì)（如氣體、閃爍體等）、光電轉(zhuǎn)換陣列與電子學(xué)部分，此外還有準(zhǔn)直器、 電源等輔助設(shè)備。 1、1 C怖測器種類按照材料工藝的不同，處在實(shí)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(jì)70年代產(chǎn)品）鴇酸鎘晶體優(yōu)越的光學(xué)性能，使它成為了應(yīng)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(shù)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(gè)設(shè)備的造價(jià)。（1）優(yōu)點(diǎn)： 造價(jià)低； 吸

3、收率較高。缺點(diǎn)： 吸潮一一水 中毒；受環(huán)境溫濕度影響 不穩(wěn)定 ；余輝效應(yīng)；不易超小分割。1、1、2閃爍晶體探測器（GOS）優(yōu)點(diǎn)：高吸收率；發(fā)光效率較高；光電轉(zhuǎn)換率較高 缺點(diǎn)：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(zhuǎn)換都需要經(jīng)過二次能量轉(zhuǎn)換，能量損失較大。即 X射線打到閃爍體上，產(chǎn)生次級光，然后通過光電二極管 陣列或就是CCD陣列轉(zhuǎn)換為電信號，輸入計(jì)算機(jī)。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(jì)80年代中普遍應(yīng)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(nèi)部有很多組正負(fù)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(zhuǎn)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(chǎn)生的離子，感應(yīng)出相應(yīng)的電流強(qiáng)度，完成光電轉(zhuǎn)換。氣體探測器的光子轉(zhuǎn)換效 率比閃爍晶體探測器低，但就是其內(nèi)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(diǎn)： 高穩(wěn)定性無需經(jīng)常校準(zhǔn) ； 耐受性溫度及濕度；價(jià)格便宜。 缺點(diǎn)：低吸收效率： 需要高mAs?，F(xiàn)在最為廣泛應(yīng)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(zhuǎn)換率就是鴇酸鎘晶體的兩倍、 X射線利用率可達(dá) 99%;具有很好的 穩(wěn)定性，圖像很少產(chǎn)生環(huán)狀偽影；余輝時(shí)間短，可

5、以做快速連續(xù)的螺旋掃描。 而與其同時(shí)期、結(jié) 構(gòu)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(diǎn)：高吸收率； 發(fā)光效率高，余輝短；轉(zhuǎn)換率高；高穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：探測器單元體積，限制分辨率進(jìn)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(zhuǎn)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(shí) 間反復(fù)采集信號的要求。1、2探測器的技術(shù)性能要求成像質(zhì)量成像質(zhì)量主要由晶體

6、通道（像素）尺寸決定，像素尺寸越小，成像質(zhì)量越高?，F(xiàn)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(shí)，X 射線產(chǎn)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）。現(xiàn)在最先進(jìn)的醫(yī)療 CT的動態(tài)范圍可達(dá)20位，動態(tài)范圍與探 測器A/D轉(zhuǎn)換Z果（輸出位數(shù)）成正比，但就是動態(tài)范圍一般小于 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。刻度標(biāo)定又叫標(biāo)準(zhǔn)化、校準(zhǔn)，此項(xiàng)性能指標(biāo)對電子陣列的性能影響很大。由于每個(gè)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(gè)通道對 X射線的吸收與增益不同，有些陣列專門附加一個(gè)模擬放大器，用來調(diào)整通道的增益水平。采集數(shù)據(jù)探測器的功能就是采集數(shù)據(jù)，判斷探測器性能高低的指標(biāo)之一就是每秒采集 數(shù)據(jù)量，而不就是物理個(gè)數(shù)多少。一般要求每秒數(shù)據(jù)采集量不低于1000組，現(xiàn)在部分廠家的多層 螺旋CT數(shù)據(jù)采集量已能達(dá)到 2500組/秒。1、3 CT探測器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題CT探測器在設(shè)計(jì)中要考慮的核心問題就是寬度。探測器寬度決定了CT系統(tǒng)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(dǎo) 致原始數(shù)據(jù)量采集不足。已處于實(shí)用階段的 CT探測器按照設(shè)計(jì)方法可分

8、為單層與多層。單層CT就是通過改變準(zhǔn)直器的寬度來改變層厚，因此其層厚就就是準(zhǔn)直器的寬度。這里主要介紹多層CT探測器。多層 CT將單個(gè)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(dá)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(shè)計(jì)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(gè)探測器。根據(jù)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(shù)的組合。例如 ,在選擇0、625mm時(shí)，病人 后準(zhǔn)直器工作，開口為1、25mm,在Z軸中心左右各一個(gè)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(shí)，靠近Z軸中心的左右各兩個(gè)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(shí)，靠近Z軸心的左右各4個(gè)、6個(gè)、8個(gè)探測器工作，每2個(gè)、3個(gè)、4 個(gè)探測器組成一組分別形成一幅2、5mm、3、75mm、5、0mm 的圖像，每個(gè)圖像分別為 4幅；在選擇7、50mm X 2、10m

10、m X2的條件時(shí)，靠近Z軸中心的左右各6個(gè)、8個(gè)探測器工作，每6個(gè)、8個(gè)探測器組成 一組分別形成一幅 7、50mm、10mm的圖像，每個(gè)圖像分別為 2幅。不等寬型探測器在 Z軸中心兩側(cè)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(gè)探測器。在選擇 0、5mmX 2時(shí)，病人后準(zhǔn)直器工作，開口為1、0mm,在Z軸中心左右各一個(gè)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(shí)，病人后準(zhǔn)直器工作,開口為4、0mm,在Z軸中心左右各一個(gè) 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(shí)，病

11、人后準(zhǔn)直 器工作，開口為10mm,在Z軸中心左右各一個(gè) 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(chǎn)生兩幅 2、5mm層厚的圖像，另外的兩個(gè)2、5mm 探測器產(chǎn)生兩幅2、5mm層厚的圖像；在選擇5mm X 4時(shí)，病人后準(zhǔn)直器工作，開口為 20mm,在Z 軸中心左右各一個(gè) 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(chǎn)生兩幅 5mm層厚的圖像，另外的兩個(gè)5mm探測器 產(chǎn)生兩幅5mm層厚的圖像；在選擇8mm X2時(shí)，病人后準(zhǔn)直器工作，開口為16mm,在Z 軸中心左右各一個(gè) 1mm、1、5mm、

12、2、5mm 與5、0mm 探測器工作，產(chǎn)生兩幅8mm 層厚 的圖像；在選擇10mm X 2時(shí)，病人后準(zhǔn)直器工作，開口為20mm,在Z軸中心左右各一個(gè) 1mm、1、5mm、2、5mm 與5、0mm 探測器工作，產(chǎn)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(gè)探測器。在Z軸中心的左右各兩個(gè)探測器為0、5mm寬，其她30排探測器均為1mm寬。根據(jù)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(shù)的組合。在選擇 0、5m

13、m 時(shí)，在Z軸 中心左右各兩個(gè) 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(shí)，首先 Z 軸中心左右各兩 個(gè)0、5mm寬的探測器分別組成兩個(gè)相當(dāng)于1mm寬的探測器，再分別與Z軸中心左右各零個(gè)、1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、7個(gè)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(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、8 個(gè)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(shí)，在Z軸中心左

14、右各兩個(gè) 0、5mm寬的探測器分別與九個(gè) 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(shè)計(jì)可以在不更換探測器的情況下，通過增加DAS系統(tǒng)與提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的情況下，在Z軸探測器覆蓋的范圍內(nèi)，獲彳導(dǎo)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(shí)同時(shí)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(dǎo)致射線的利用率下降，尤其就是在混合型探測器上表現(xiàn)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(yīng)地增加了 X射線的利用率，提高了 Z軸方向的圖像質(zhì)量，而且 可以降低生產(chǎn)成本，但升級為8層或16層時(shí)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(zhì)量相比以前，已經(jīng)有了明顯改善，但就是還要瞧到 CT在發(fā)展中還存在 一個(gè)重要的現(xiàn)象圖像質(zhì)量的提高就是以增大X線的能量為代價(jià)。現(xiàn)代人類醫(yī)學(xué)發(fā)展的目的就是既要獲取高質(zhì)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(diǎn)之一追