(课内实践论文)CT 探测器的技术特点和发展趋势

CT探测器的技术特点和发展趋势X 线CT 自20 世纪70 年代问世以来, 经历了30 多年的发展, 从早期的单排往复式CT 发展到螺旋CT, 直到目前最先进的多层螺旋CT, 其为满足临床精确影像诊断的要求而在大覆盖范围、薄层、高分辨率、高速度的高技术性能方面取得了长足的进步。在这些高技术参数的协调发展中, 作为CT 整个系统发展主线之一的数据采集系统也日趋完善, 其核心部件CT探测器, 在高科技推进下, 无论在设计思想还是工艺材料上都不断革新, 以其越来越优异的性能, 促进了CT 整个系统的飞跃发展。1 CT 探测器的技术特点和性能CT 探测器是CT 数据采集系统中A/D 转换的核心部件,其结构相当复杂。它直接接收X 线束穿过被照物后的光子信号, 通过其自身的特性转换为相应的电信号。一个典型的CT探测器包括介质( 如气体、闪烁体等) 、光电转换阵列和电子学部分, 此外还有准直器、电源等辅助设备。1.1 CT探测器种类按照材料工艺的不同, 处在实用阶段的CT 探测器大体上可以分为闪烁体探测器和气体探测器。下面以发展年代为序介绍这几种具有代表性的探测器。1.1.1 钨酸镉晶体探测器(CdWO4)(20 世纪70 年代产品) 钨酸镉晶体优越的光学性能, 使它成为了应用在X 线CT探测器上的首选闪烁体材料。钨酸镉晶体对X 射线吸收系数大, 辐射长度短, 可使高能物理探测器做得十分密集, 从而降低整个设备的造价。（1）优点: 造价低; 吸收率较高。缺点: 吸潮水中毒; 受环境温湿度影响不稳定; 余辉效应; 不易超小分割。1.1.2 闪烁晶体探测器(GOS) 优点: 高吸收率; 发光效率较高; 光电转换率较高 缺点: 透光性差; Z 轴均匀性差; 吸潮水中毒。此类闪烁体探测器的光电转换都需要经过二次能量转换, 能量损失较大。即X 射线打到闪烁体上, 产生次级光, 然后通过光电二极管阵列或是CCD 阵列转换为电信号, 输入计算机。要得到较好的图像, 必须有很高的X 线输入能量。1.1.3 高压氙气探测器( 20 世纪80 年代中普遍应用)利用了惰性气体在X 线照射下电离的原理。此类探测器内部有很多组正负极板( 加有500V1000V 的直流高压) , 彼此通过绝缘材料相互隔开, 中间充满了氙气, 极板的电极引出线与A/D 转换中的前置放大器相连。X 线射入探测器, 在高压电的作用下, 极板收集氙气电离后产生的离子, 感应出相应的电流强度, 完成光电转换。气体探测器的光子转换效率比闪烁晶体探测器低,但是其内部各处气压、密度、纯度、温度相同, 因此具有较好的一致性。 优点: 高稳定性无需经常校准; 耐受性温度及湿度; 价格便宜。 缺点: 低吸收效率; 需要高mAs。 现在最为广泛应用的是固态稀土陶瓷探测器稀土陶瓷探测器与以往的CT 探测器相比光输出率高, 光电转换率是钨酸镉晶体的两倍、X 射线利用率可达99%; 具有很好的稳定性, 图像很少产生环状伪影; 余辉时间短, 可以做快速连续的螺旋扫描。而与其同时期、结构相似的金属陶瓷探测器, 因余辉问题也已被主流品牌厂家淘汰。 优点: 高吸收率; 发光效率高, 余辉短; 转换率高; 高稳定性。 缺点: 探测器单元体积, 限制分辨率进一步提高; 探测器之间的拼接缝隙, 影响X 线检测效率。目前各一线品牌厂家基本都采用高效稀土陶瓷探测器,GE 采用的是Hilight 稀土陶瓷探测器; 西门子、飞利浦采用的是UFC 超高速稀土陶瓷探测器。这两种固态探测器转换效率极高而余辉又极短, 使X 射线的利用率从原来的50%提高到了99%以上, 非常适合螺旋扫描需要高效率、短时间反复采集信号的要求。1.2 探测器的技术性能要求 成像质量成像质量主要由晶体通道(像素)尺寸决定,像素尺寸越小,成像质量越高。现最小像素尺寸0.25mm,目前需解决的问题不是像素尺寸不能做得更小, 而是因尺寸减小时, X射线产生的信号会减小得更多; 如果像素尺寸(宽度和高度)减小一半,所需X 射线剂量需增加4 倍。 动态范围动态范围用最大饱和信号电压除以噪声的均方根表示,动态范围表征了探测器可以分辨的最小范围(灰度)。现在最先进的医疗CT 的动态范围可达20 位, 动态范围和探测器A/D 转换结果(输出位数)成正比,但是动态范围一般小于A/D 转换结果。 刻度标定又叫标准化、校准,此项性能指标对电子阵列的性能影响很大。由于每个探测通道的材料不均一性,漏电流和增益的不同, 晶体和二极管的耦合以及晶体管本身的缺陷等,使得每个通道对X 射线的吸收和增益不同,有些阵列专门附加一个模拟放大器,用来调整通道的增益水平。 采集数据探测器的功能是采集数据, 判断探测器性能高低的指标之一是每秒采集数据量, 而不是物理个数多少。一般要求每秒数据采集量不低于1000 组, 现在部分厂家的多层螺旋CT 数据采集量已能达到2500 组/秒。1.3 CT探测器设计中的关键问题 CT探测器在设计中要考虑的核心问题是宽度。探测器宽度决定了CT 系统的最小层厚, 直接影响了Z 轴分辨率; 但是较窄的探测器宽度, 增大扫描面积需要增加螺矩, 导致原始数据量采集不足。已处于实用阶段的CT 探测器按照设计方法可分为单层和多层。单层CT 是通过改变准直器的宽度来改变层厚, 因此其层厚就是准直器的宽度。这里主要介绍多层CT 探测器。多层CT 将单个探测器改变为可分割探测器阵列板, 64 层螺旋CT 探测器宽度达到32mm 或40mm。探测器宽度的增加加大了覆盖面, 减少了螺旋伪影, 有利于3D 重建及全器官灌注信息的采集。目前多层CT 主要依靠改变探测器的组合方式来改变层厚, 有三种不同探测器的设计方式: 等宽型、不等宽型、混合型。 等宽型在Z 轴方向由16 排1.25mm 的探测器组成, 每排912 个探测器。根据不同的探测器的组合可以获得0.625mm2、1.25mm4、2.5mm4、3.75mm4、5.0mm4、7.50mm2、10mm2的层厚和图像数的组合。例如, 在选择0.625mm 时, 病人后准直器工作, 开口为1.25mm, 在Z 轴中心左右各一个探测器工作, 可以获得两层层厚为0.625mm 的图像; 在选择1.25mm4的条件时, 靠近Z 轴中心的左右各两个探测器工作, 可以获得4 层层厚为1.25mm 的图像; 在选择2.5mm4、3.75mm4、5.0mm4 的扫描条件时, 靠近Z 轴心的左右各4 个、6 个、8个探测器工作, 每2 个、3 个、4 个探测器组成一组分别形成一幅2.5mm、3.75mm、5.0mm 的图像, 每个图像分别为4 幅; 在选择7.50mm2、10mm2 的条件时, 靠近Z 轴中心的左右各6个、8 个探测器工作, 每6 个、8 个探测器组成一组分别形成一幅7.50mm、10mm 的图像, 每个图像分别为2 幅。 不等宽型探测器在Z 轴中心两侧沿Z 轴方向依次排列1mm、1.5mm、2.5mm、5mm 探测器各一排, 每排672 个探测器。在选择0.5mm2 时, 病人后准直器工作, 开口为1.0mm, 在Z轴中心左右各一个1mm 探测器工作, 可以获得两层层厚为0.5mm 的图像; 在选择1mm2 时, 病人后准直器工作, 开口为4.0mm, 在Z 轴中心左右各一个1mm 和1.5mm 探测器工作, 可以获得4 层层厚为1mm 的图像; 在选择2.5mm4 时, 病人后准直器工作, 开口为10mm, 在Z 轴中心左右各一个1mm、1.5mm 和2.5mm 探测器工作, 其中1mm 和1.5mm 探测器信号迭加产生两幅2.5mm 层厚的图像, 另外的两个2.5mm 探测器产生两幅2.5mm 层厚的图像; 在选择5mm 4 时, 病人后准直器工作, 开口为20mm, 在Z 轴中心左右各一个1mm、1.5mm、2.5mm 和5.0mm 探测器工作, 其中1mm、1.5mm 和2.5mm 探测器信号迭加产生两幅5mm 层厚的图像, 另外的两个5mm 探测器产生两幅5mm 层厚的图像; 在选择8mm 2 时, 病人后准直器工作, 开口为16mm, 在Z 轴中心左右各一个1mm、1.5mm、2.5mm 和5.0mm 探测器工作, 产生两幅8mm 层厚的图像；在选择10mm2 时, 病人后准直器工作, 开口为20mm, 在Z 轴中心左右各一个1mm、1.5mm、2.5mm 和5.0mm 探测器工作,产生两幅10mm 层厚的图像。 混合型探测器在Z 轴方向由30 排1mm 的探测器和4排0.5mm 的探测器组成, 每排896 个探测器。在Z 轴中心的左右各两个探测器为0.5mm 宽, 其他30 排探测器均为1mm 宽。根据不同的探测器的组合可以获得0.5mm4、1mm4、2mm4、3mm4、4mm4、5mm4、8mm4、10mm4 的层厚和图像数的组合。在选择0.5mm 时, 在Z 轴中心左右各两个0.5mm 宽的探测器工作, 可以获得4 幅层厚为0.5mm 的图像; 在选择1mm4、2mm4、3mm4、4mm4、5mm4、8mm4 时, 首先Z 轴中心左右各两个0.5mm 宽的探测器分别组成两个相当于1mm 宽的探测器, 再分别与Z 轴中心左右各零个、1 个、2 个、3 个、4个、7 个探测器组成一组, 形成两幅分别为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、8mm 图像, 剩下靠近Z 轴中心的左右各1 个、2 个、3 个、4 个、5 个、8 个探测器组成一组, 形成另外的两幅分别为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、8mm 图像;在选择10mm 时, 在Z轴中心左右各两个0.5mm 宽的探测器分别和九个1mm 的探测器一起工作, 可以获得2 层层厚为10mm 的图像。 在三种不同形式的探测器中, 等宽型和混合型探测器扫描层厚比较灵活, 这两种形式的设计可以在不更换探测器的情况下, 通过增加DAS 系统和提高计算机运行速度的情况下,在Z 轴探测器覆盖的范围内, 获得8 层薄层图像( 1.25mm、2.5mm) 乃至16 层( 1.25mm) 的图像。而且混合型探测器是目前唯一能够做到0.5mm 和8mm 扫描时同时出4 层图像。但是,由于在Z 轴方向上探测器比较小, 而且探测器之间有间隙, 必然造成Z 轴方向上探测器的死区增加, 导致射线的利用率下降, 尤其是在混合型探测器上表现更为突出。非等宽型探测器虽然扫描层厚选择上不如上述两种探测器灵活, 但是由于探测器之间总的间隙减小, 减少了探测器的死区, 相应地增加了X 射线的利用率, 提高了Z 轴方向的图像质量, 而且可以降低生产成本, 但升级为8 层或16 层时必需更换全部探测器。2 CT探测器发展趋势 目前CT 图像质量相比以前, 已经有了明显改善,但是还要看到CT 在发展中还存在一个重要的现象图像质量的提高是以增大X 线的能量为代价。现代人类医学发展的目的是既要获取高质量的图像, 又要使患者尽量地减少X 线辐射,这是下一步CT 改革的重点之一追求绿