光子计数型探测器在乳腺CT中应用的调研

XX大学毕业设计（论文）题 目：光子计数型探测器在乳腺CT中应用的调研学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx年六月光子计数探测器在乳腺CT中应用的调研摘要：近年来全世界范围内乳腺癌的发病率表现出了持续的高增长。乳腺癌治疗的关键在于在发病的早期就被发现，早期发现可以大大提高乳腺癌的治愈率，因此乳腺癌的早期诊断显得非常重要。在所有的乳腺癌诊断方式中，乳腺CT具有明显的技术优势。具有能量分辨能力的光子计数探测器已经用于医学CT图像中，运用与当前能量积分探测器完全不同的探测机制，光子计数探测器不仅有潜力提高当前CT图像的质量、减少剂量，还有可能在分子水平CT成像上开发出革命性的应用。本文对早期乳腺癌的诊断方式、光子计数探测器国内外研究现状、光子计数探测器的原理和分类、光子计数探测器性能退化因素、设计探测器时的重要参数、提高光子计数探测器性能的方法、能谱CT的优势、光子计数探测器在乳腺CT中的应用做简要的介绍。 关键词：光子计数探测器 X射线能谱CT 乳腺癌 The Research of Photon Counting Detector Applications in Breast Computed TomographyAbstract:The incidence of breast cancer shows a sustained high growth. Early diagnosis can greatly improve the cure rate of breast cancer, so early diagnosis of breast cancer is very important. In all the ways of breast cancer diagnosis, breast computed tomography has obvious advantages.Photon counting detectors with energy discrimination capabilities have been developed for medical x-ray computed tomography (CT) imaging. Using detection mechanisms that are completely different from the current energy integrating detectors, these photon counting detectors have the potential not only to improve the current CT images, dose reduction, but also to develop revolutionary molecular CT imaging.In this paper, we introduce the early breast cancer diagnosis methods, the research status of photon counting detectors, the principle and classification of photon counting detectors, the degration factors of photon counting detector performance, important parameters when designing the detector, the methods of improving the detector performance, the advantages of energy spectrum CT, the applications of the photon counting detectors in breast CT.Keywords: Photon Counting Detectors X-ray Spectroscopy CT Breast Cancer目录1 绪论11.1 国内外乳腺癌的发病现状11.2 乳腺癌的早期诊断11.2.1正电子发射乳腺成像11.2.2 乳腺X射线摄影检查21.2.3 数字乳腺断层合成技术31.2.4计算机断层扫描成像技术31.3 光子计数探测器国内外的研究现状41.4 当前乳腺CT中存在的问题及解决方案51.5 论文结构安排52 光子计数探测器72.1 光子计数探测器的原理72.2 光子计数探测器的主要类型82.2.1碲化镉探测器92.2.2碲锌镉探测器102.3 光子计数探测器与积分式探测器的比较142.4 光子计数探测器的构造和探测机制152.5 光子计数探测器性能退化因素172.5.1脉冲堆叠172.5.2电荷共享182.5.3 X射线K层逃逸182.5.4康普顿散射192.5.5电荷俘获192.5.6极化效应和稳定性192.5.7其他的影响因素202.6 探测器设计时的重要参数202.6.1峰值时间的上限202.6.2峰值时间的下限212.6.3像素尺寸的上限212.6.4像素尺寸的下限212.7 提高光子计数探测器性能的方法222.7.1校正和补偿措施222.7.2探测器的退化因素模型232.8 本章小结243 基于光子计数探测器的能谱CT253.1 能谱CT简介253.1.1单球管双探测器技术253.1.2光子计数技术263.1.3单源瞬时KVp切换技术273.2 能谱CT的影像模式303.2.1基物质图像303.2.2单能量图像303.2.3能谱曲线313.2.4有效原子序数图313.3 基于光子计数探测器能谱CT的优点313.3.1低剂量成像313.3.2减轻硬化伪影323.3.3彩色CT图像323.3.4提高图像的空间分辨率323.3.5 利用物质的K-edge特性实现物质鉴别333.4 本章小结334 光子计数探测器在乳腺X射线成像中的应用344.1应用研究成果344.2本章小结405 总结与展望415.1论文总结415.2展望41参考文献43致谢45光子计数型探测器在乳腺CT中应用的调研1绪论1.1 国内外乳腺癌的发病现状近30年乳腺癌的发病率表现出较高的增长态势,因地区、经济状况和生活习惯的差异全世界范围内乳腺癌的发病率差别很大。整体而言，发病率较高的是欧美发达地区，而发病率较低的是亚洲、拉丁美洲以及非洲等经济落后地区。从全球区域范围看，每一年乳腺癌的发病率在所有国家内以2%8%的幅度上涨，每一年全球范围内被诊断为乳腺癌的患者有140多万人，50万人因该病导致死亡，在所有女性恶性肿瘤类型中乳腺癌是中是最为常见的类型。在过去的十年内中国虽然是乳腺癌的低发区域，然而最近几年国内乳腺癌的发病率增长的十分迅速。据不完全统计，北京、上海等城市最近几年乳腺癌的发病率升高了大约37个百分点，与此同时死亡率升高了近38.9个百分点。需要注意的是，国内乳腺癌的增长速度高于发达国家，每一年以3%5%的速率增加，乳腺癌成为城市恶性肿瘤中死亡率增长最快的类型，同时乳腺癌的发病率也呈现出低龄化的趋势，尤其在上海、北京、天津等沿海地区这一特征格外显著。中国乳腺癌的发病年龄在45岁左右，比欧洲、北美地区早1015年。就乳腺癌发病率而言，城市地区高于农村地区，而经济状况好、高学历的女性发病率更高。国内乳腺癌的检查结果中，早期患者仅占30%，剩下的70%患者在发现时就已经是中晚期，而美国乳腺癌中晚期患者在初次诊断中仅占9%左右。就乳腺癌的临床治愈率而言，早期患者可达到85%左右，而晚期低于40%，因此国内大多数患者在确诊时就已经丧失了最好的治疗时机。因此，乳腺癌的初期诊断显得非常有必要，成为目前社会保障工作的首要任务。1.2 乳腺癌的早期诊断乳腺癌被世界卫生组织确认为具有显著普查效果的恶性肿瘤类型，目前预防与治疗的关键还在于“早发现，早诊断，早治疗”。当前常见的乳腺癌初期诊断方法有：正电子发射乳腺成像（Positron Emission Mammography, PEM），乳腺X射线摄影检查(Mammography, MG)，数字乳腺断层合成技术(Digital Breast Tomosynthesis, DBT)，计算机断层扫描成像技术(Computed Tomography, CT)。以下分别对以上方法做简要介绍：1.2.1正电子发射乳腺成像（Positron Emission Mammography, PEM）近年来，正电子发射断层扫描技术（Positron Emission Tomography, PET）在核医学影像中展现出了重要的应用价值，用于生物医学诊断和研究的PET逐渐得到研究人员的关注，因为各组织和器官的代谢活动具有特异性和PET对代谢活动的特异性具有很高的灵敏度，进而能够进行功能成像，因此PET能够很好地应用于癌症和肿瘤的早期诊断中。PET成像的关键是电子准直技术，其分子成像水平具有较高的特异性，PET能够在分子水平上为病变的组织或器官提供清晰的功能成像。许多研究表明乳腺病变组织在出现形态改变之前，病变组织已经发生了细胞的异常增殖，PET对于这种类型的变化具有很好的功能成像能力，因此在疾病发展的初期PET就可以提供充足的信息，这对乳腺病变的早期诊断具有重大意义。基于正电子核素衰变进行功能成像的设备在核医学发展过程具有里程碑意义，而PEM是专门用于乳腺检测的PET。正电子发射断层扫描成像技术需要首先在患者被检部位注射放射性药物，该物质在病人体内发生衰变并产生信号，信号被探测器接收，经过处理得到组织的影像，这种技术可以新陈代谢的角度诊断出癌变组织或器官异于常态的程度。正电子发射断层扫描成像技术的优点是容易找出癌变组织，缺点是空间位置不清楚，费用较高，因此这种技术不适用于乳腺癌的常规诊断。1.2.2 乳腺X射线摄影检查（Mammography, MG）在过去的二三十年中，在乳腺成像领域技术取得了很大的进步。工业界在努力寻找一种应用于乳腺诊断中便宜、能够有效定位病变组织、低辐射剂量的一种设备。乳腺X线检查是基于乳腺组织中不同成分对X射线的衰减因数不同，在脂肪和腺体中不同的组成和密度在图像中以不同的灰度值来显示。但是正常的腺体和癌变组织中的组成和密度相差不大，因此需要能量在1020 Kev的低能光子照射才可以区分他们。不同组织对能量高于28Kev光子的线性衰减系数差异不大，在这种情况下正常组织和病变组织就很难区分出来。图1.1为乳腺X射线系统的原理图。图1.1 乳腺X射线系统原理图由于传统的乳腺X射线检查技术是把乳腺组织投影到二维的探测器中，所得到的图像中乳腺组织可能会产生重叠，这有可能影响乳腺癌诊断的正确率，甚至检测不到有些种类的病变组织，初期的肿瘤患者容易错过最好的治疗时机。在乳腺X射线检查中利用压板的目的是为了减少扫描的厚度、消除运动产生的伪影、使乳腺前后部分的厚度保持一致，得到高质量的图像，但在利用压板固定的过程中产生的疼痛是目前乳腺X射线检查所遇到的一个难题，间接影响了女性定期乳腺检查的积极性。1.2.3 数字乳腺断层合成技术（Digital Breast Tomosynthesis，DBT）数字乳腺断层合成技术是基于平板探测器的新型体层成像技术，它是传统体层摄影和数字影像处理技术结合的产物，它的原理是X射线球管在有限的范围内旋转并进行多次低剂量的曝光，从而得到一系列不同投影角度下的小剂量投影影像，在多张不同角度的原始图像基础上，把这些投影数据重建出与平行于探测器平面的任意深度方向上的断层图像，可以发现组织折叠所隐藏的病灶，因此这种诊断方式对乳腺癌的诊断有较大的意义。总之，DBT最重要的优势在于显示乳腺组织内微小的钙化，而微小钙化恰恰是乳腺癌早期的唯一表现。图1.2为DBT的原理示意图。图1.2 DBT原理示意图数字乳腺断层合成技术克服了传统乳腺X射线诊断中图像重叠的缺点，大大降低了因组织重叠而造成误诊的机率。在这种诊断方式下患者受到的辐照剂量与传统的乳腺X射线诊断方式相比基本相同。数字乳腺断层合成技术无需过分挤压乳腺，减少了患者因挤压带来的痛苦。但是由于它只是有限角度的扫描获得的投影数据并不能够获得完整图像信息，观察某一个断面有一定的局限性，甚至会引起误诊。1.2.4计算机断层扫描成像技术（Computed Tomography ,CT）计算机断层成像技术是小型X射线源产生的连续X射线对患者诊断部位进行扫描，射线在穿透组织时产生不同程度衰减，另一侧的探测器收到信号后经过后续处理重建出诊断部位的三维图像。断层成像技术不仅可以消除相邻组织对病灶的影响，还显著提高了乳腺致密组织和腺体增生结构的诊断率。特别是多层螺旋CT可以精确显示病变组织的大小、部位、形态、病变组织对皮肤和胸壁组织的扩散程度以及有无淋巴结转移，为乳腺癌的早期治疗方案提供可靠的依据，图1.3为乳腺CT的装置图。图1.3 乳腺CT的装置图近几年随着锥形束CT的问世，乳腺癌的检查方法又有了新的飞跃。锥形束乳腺CT是指专门用于乳腺检查的锥形束CT，它的成像原理是X射线球管以较低的射线量围绕人体检查部位做环形扫描，平板探测器采集围绕人体检查部位360度后的数据，并在计算机中重建后进而获得三维图像，锥形束乳腺CT扫描技术将成为下一代计算机断层扫描的主导技术，为临床诊断提供更高品质的医学图像和丰富的图像诊断信息。1.3光子计数探测器国内外的研究现状当前硅（Si）、砷化镓(GaAs)、碲化镉（CdTe）、碲锌镉（CZT）等是光子计数探测器的主要探测材料。不同种类的探测材料探测的性能也不同。与其他的材料相比，硅具有较高的探测效率和良好的稳定性。目前光子计数探测器的探测材料主要的研究方向是碲化镉和碲锌镉，基于碲化镉和碲锌镉材料的光子计数探测器具有良好的X射线分辨性能、较高的光子探测效率以及更广的能量探测范围。出现于上世纪末的光子计数探测器在过去的十年间获得了较快的发展，X射线成像领域中光子计数探测器的应用是当前的热门研究领域。国内在X射线光子计数探测器研制方面，清华大学研制出了线阵CZT探测器，用离散元件实现多功能成像的电子学系统；中科院上海技物所、西北工业大学、重庆大学等研究单位，研制出了小型面阵CZT探测器，主要研究了面阵探测器的制备工艺并对其性能进行测试分析。欧洲原子能机构（CERN）对光子计数探测器的研究已经形成规模化和产业化，欧洲原子能机构将研发的光子计数探测器命名为Medipix系列探测器。至今Medipix系列探测器已经发展了三代，Medipix1为第一代探测器，主要采用硅材料，每个探测单元面积为170170m2,共有6464个探测单元；第二代探测器命名为Medipix2，每个探测单元的面积为5555m2，共有256256个探测单元，在优化硅探测器的同时，开发了碲化镉探测器，大大提高了能量的探测范围；第三代探测器命名为Medipix3，与前两代相比，每个探测单元可以在一次曝光的条件下，同时记录8个能量段的光子数，提高了能量的分辨率1。在2014北美放射年会上西门子公司推出了Stellar光子探测器，采用先进的微光子技术实现了探测器系统的微型化和灵敏化，具有零电子学噪声，大大降低了像素之间的串扰。1.4当前乳腺CT中存在的问题及解决方案当前乳腺CT中使用的是积分式探测器，积分式探测器首先将X射线转换为可见光然后再转换为电信号，在转换的过程中存在较大的电子学噪声，噪声的存在导致重建的图像产生模糊，严重影响了图像质量的提高。积分式探测器采集到数据是不同能量光子与探测器相互作用产生信号的和，由于不同能量光子的衰减系数存在较大的差异，入射的X射线穿过乳腺组织时发生射束硬化，在重建的乳腺图像中存在硬化伪影。探测器的像素尺寸影响重建图像的空间分辨率，而乳腺CT中积分式探测器的像素尺寸通常较大，这严重影响了乳腺癌早期微钙化点的检出率。由于乳腺不同组织衰减系数差别不大和乳腺组织对辐射剂量的敏感性，传统积分式探测器已经不能满足乳腺成像中高对比度和低辐射剂量的要求，这严重阻碍乳腺CT图像质量的进一步提高。随着快速电子学读出技术的发展，光子计数探测器有望解决传统积分式探测器不能解决的一系列难题。在光子计数探测器中，低能噪声的滤除可以通过设置电子学阈值的方法来实现，这大大提高了图像的信噪比，为提高乳腺组织图像质量和降低辐射剂量提供了新思路。随着半导体工艺的进步，基于半导体材料的光子计数探测器可以把每个像素单元做的很小，提高乳腺组织图像的空间分辨率，大幅增加了微钙化点的检出率。光子计数探测器可以探测到X射线中每一个光子的能量并计数，得到的是X射线的能谱信息，然后根据统计出的能量信息解析出不同的单能量图像，这可以从根本上消除射束硬化对重建图像带来的影响。总之，将光子计数探测器应用于乳腺CT设备中，有望在乳腺诊断中引起一系列的变革2-4。1.5论文结构安排本论文共分为五章。第一章，绪论。在分析本论文的研究背景的基础上，主要阐述了乳腺癌的诊断方式、光子计数探测器的国内外研究现状以及当前乳腺CT中存在的问题及解决方案。第二章，光子计数探测器。本章主要阐述了光子计数探测器的原理、光子计数探测器的主要类型、光子计数探测器性能退化因素、探测器设计时的重要参数以及提高光子计数探测器性能的方法。第三章，基于光子计数探测器的能谱CT。本章主要介绍了能谱CT的实现方法、能谱CT的影像模式以及基于光子计数探测器的能谱CT具有超低剂量成像、减轻硬化伪影、生成彩色CT图像等优势。第四章，光子计数探测器在乳腺X射线成像中的应用。本章主要介绍了国外利用光子计数探测器进行乳腺X射线成像的研究和应用情况。第五章，总结与展望。简要总结了本论文的主要研究内容并对尚未进一步进行的研究内容提出了研究工作的展望。2光子计数探测器光子计数技术最先应用于微弱光的探测中，通过对微弱信号的放大、鉴别和后处理实现对极弱入射光子的探测。光子计数探测器需要将每个入射的光子作为一个独立事件进行分析，判断能量所属的区间并分别进行计数。这种探测器应用于高能物理和核医学中已有很长的历史了，但是最近这些年才应用于X射线透视和CT成像系统中，主要原因是X射线透视和CT成像所需的探测器需要具有较高的光子计数率以保证扫描速度。随着电子学技术的发展，快速多通道的脉冲计数读出电子学设备已经研制出来，光子计数率这个问题已经基本得到解决。2.1光子计数探测器的原理对单光子灵敏的光电探测器和单个光子相互作用产生光电子脉冲，光子计数是通过分辨这些光电子脉冲，利用探测器输出电流信号离散化的特征，把光电子脉冲从各种干扰中提取出来的一种以数字化方式显示的技术，图2.1为光子计数系统原理框图。图2.1 典型的光子计数系统原理图光子计数探测器主要有光电探测器、放大器、幅度鉴别器、脉冲整形器和计数器组成。光子计数系统在工作的时候，由于光的量子特性，光信号是时间上随机分布的光子流，光子流被探测器探测到以后，输出一系列离散化的脉冲信号。为了使脉冲信号达到幅度鉴别器可以鉴别的幅度，需要在脉冲鉴别器前加一个前置放大器，探测器输出的脉冲信号经前置放大器放大后，进入幅度鉴别电路中。脉冲信号的幅度会随着背景噪声（探测器本身的暗电流、环境噪声、和前置放大电路中的电子噪声）的影响出现随机的变化，因此幅度鉴别电压要设置适当的阈值，大部分的噪声信号被幅度鉴别器滤除，留下那些光子流产生的脉冲信号通过，为了便于后面的计数系统计数，利用脉冲整形电路将脉冲信号整形为TTL电平，送入计数器中对这些脉冲电信号进行计数5。光子计数技术可以获得较宽的线性动态范围、背景抑制功能，探测器的增益噪声抑制使探测器的信噪比大幅度提高。光子计数系统对低能量的光子有较好的测量精度，同时具有抗漂移性，因此光子技术系统具有良好的时间稳定性。2.2光子计数探测器的主要类型光子计数型探测器作为近年来迅速发展起来的一项技术，得到业界的广泛关注和研究。随着技术的不断发展，尤其是电子学处理技术的进步，光子计数型探测器应用于X射线成像领域和CT成像系统中是一个重要的发展趋势。当前在X射线成像领域和CT成像系统中经常利用的光子计数型探测器类型有气体和半导体，考虑到气体探测器的局限性，本文只对半导体探测器做详细的介绍。探测器测量射线的工作原理是射线与探测器相互作用而损耗能量，然后通过探测损耗能量产生的信号来实现射线的测量。半导体探测器是一种反向偏置的pn结，从本质上讲它是一个固体电离室，它的工作的原理与气体探测器类似，不同的是半导体探测器用半导体代替了气体探测器中的气体。半导体探测器的原理框图如图2.2所示。图2.2半导体探测器原理图雪崩式和耗尽层式光电二极管是半导体材料光电探测器的主要类型。雪崩式光电二极管的工作原理是在pn结上加上反向偏压，在结区形成强度一定的电场，结区的载流子在结区电场的作用下加速获得足够高的能量，使得载流子能够产生电离效应，产生新的载流子，新的载流子在加速电场的作用下又可以电离出新的载流子从而产生雪崩效应，形成光电流，雪崩光电二极管具有放大效应、灵敏度、体积、响应快以及偏压低的优点。耗尽层光电二极管的工作原理是：在半导体的pn结结区形成耗尽层，半导体两端的电荷形成一个空间电场，在无光照射的时候耗尽层内没有载流子，在光照射到pn结上时，光子在耗尽层产生电子空穴对，电子空穴对在加速电场的作用下发生漂移运动形成光电流。用于制备高能量分辨率、在室温下工作射线探测器化合物材料应具备以下条件： 高的平均原子序数，也就是对高能射线具有高的作用效率； 宽禁带宽度，即能够保证探测器在室温条件下的稳定性能； 化合物晶体的完整性以及高纯度； 高的信号载流子迁移寿命积，即可以避免严重的载流子俘获效应，使探测器获得高能量分辨率。近年来，半导体核辐射探测技术取得了迅猛的发展，成为射线成像技术的主要研究方向。半导体探测器，是半导体技术与辐射探测技术以及电子学技术发展结合的产物，它起源于核物理和基本粒子物理实验技术的发展。半导体探测器的位置和能量测量精度很高，结合半导体信号读出电路，形成的核辐射探测系统具有体积小、性能突出等一系列优点。如今，半导体核辐射探测器不仅在基本粒子物理和核物理领域的发展中起着重要的作用，而在其他的科学技术研究领域，如X射线成像、空间探测、材料科学以及核医学领域中也得到了广泛的应用。目前研究最多的光子计数探测器材料有硅、碲化镉、碲锌镉以及微通道板等。2.2.1碲化镉（CdTe）探测器从上个世纪六十年代开始，基于碲化镉（CdTe）材料的核辐射探测器作为计数器已被广泛应用，这种探测器的优点在于平均原子序数高，良好的射线阻止本领，高射线探测效率，因此在碲化镉（CdTe）探测器产生之后在核辐射探测领域就得到了极大的推广，碲化镉（CdTe）晶体材料的制备工艺也较为成熟。然而碲化镉（CdTe）晶体的禁带宽度相对较窄、漏电流大并且有严重的极化效应等一系列缺点，阻碍了这种技术的推广。碲化镉（CdTe）核辐射探测器有两种类型：一种是由密封锭区域提纯拉制的低阻N型CdTe单晶体构成的，用In和Au形成势垒接触和欧姆接触的探测器；另一种类型是用移动熔区法拉制的高阻N型或者P型单晶制备而成。MSM、PIN和MN这三种构造是碲化镉（CdTe）探测器的主要类型，常见的MSM型探测器具有较大的漏电流，低电荷收集效率，能量分辨差等缺点；PIN型的探测器漏电流小，因此它的能量分辨率高；MN型结构的漏电流小，在工作状态下它的性能稳定、电场分布均匀。就探测器的工作原理而言，碲化镉（CdTe）探测器与其他类型的半导体探测器是相同的，碲化镉探测器也是依靠加在探测器两端的电压将入射光子与碲化镉探测器相互作用时产生的电子空穴对进行收集，将收集到的电荷经过一系列的处理转换为电压信号。2.2.2碲锌镉（CdZnTe）探测器随着半导体探测器封装技术的进步，高密度读出电子学技术的成熟，数字化数据获取系统的发展，碲锌镉半导体探测器在辐射探测和医学成像领域的研究已成为国内外研究的重点。作为室温下的辐射探测器，碲锌镉探测器的应用已经广泛进入粒子物理与原子核物理、辐射安全、医学成像等各个领域。总体而言，碲锌镉（CdZnTe）探测器作为最近几年来兴起的在室温条件下工作的三元化合物探测器，是目前最有发展前景的探测器材料。碲锌镉（CdZnTe）晶体是从碲化镉（CdTe）材料发展而来的，在CdTe中增加锌（Zn）能提高CdTe键的强度，碲锌镉（CdZnTe）晶体除了具备碲化镉（CdTe）晶体的众多优点之外，还具有较低的暗电流、高电阻率、优异的热稳定性和宽禁带宽度等诸多优异的性能。CdZnTe 与CdTe 性能参数比较如表2.1所示。表2.1 CZT(CdTe)晶体的主要性质半导体种类CdTe CZT原子序数48、5248、30、52密度（g/cm3）5.855.81禁带宽度（eV）1.441.6电阻率（cm）1109（1 5）1010()e(cm2/V)（0.12）10-3（0.89）10-3()h(cm2/V)10-5 10-410-610-5碲化镉（CdZnTe） 晶体具有和闪锌矿类似结构，晶体结构属于立方晶系面心立方，其原子空间结构如图2.3所示。图2.3 CdZnTe结构示意图这种结构与金刚石或者单晶硅的结构十分相似，不同的地方在于CdZnTe 可以看做是由两类不同的原子各自组成的面心立方晶格，然后沿着空间对角线方向移动其长度的1/4形成的。MSM型、共面栅型和像素阵列型是碲锌镉（CdZnTe）探测器中比较常见的类型。三种结构如图2.4所示。图2.4三种基本的CZT探测器几何形状示意图（a）MSM平板探测器（b）共面栅探测器（c）像素阵列探测器MSM型探测器是所有类型中最简单的碲锌镉（CdZnTe）探测器，现阶段主要利用Pt、Au、In等材料作为探测器的金属层。共面栅型结构可以很好地处理因空穴收集特性差导致的能量分辨率和电荷收集效率低等一系列技术难题，共面栅型结构具有三个电极，在阴极面加一负电压，在两个阳极上分别施加两个不同的电压值，施加高电压所在的阳极是收集极，低电压所在的阳极为非收集极。像素阵列型碲锌镉（CdZnTe）探测器的阳极由许多小尺寸的金属方形电极组成，每一个像素电极采集的信号包括了与位置相关的信息，把所有的信号整合后便可得到探测对象的图像6。碲锌镉（CdZnTe ）探测器是一种包含施加反向偏置电压的PN结，从本质上来讲它类似于固体电离室，它的基本原理与致电离辐射探测器类似。CdZnTe晶体的反向偏置电压增加了灵敏区厚度，在灵敏区内部产生了较强的电场，在入射的光子与探测器介质发生相互作用时，在探测器内部的灵敏区激发出电子空穴对，激发出的电子空穴对数目正比于入射光子在探测器晶体材料耗尽区中损失的能量，在灵敏区内电场力的作用下，电子空穴对向相应的电极进行漂移，在收集电极上形成电信号，经过多种信号处理后转换成数字信号，通过多通道脉冲幅度分析系统对脉冲信号进行统计、分析和后处理，将脉冲信号按幅度信息分类计数就可以获得入射线的脉冲幅度谱。能谱仪系统如图2.5所示。图2.5能谱仪系统示意图与其他类型的半导体材料相比，碲锌镉（CdZnTe ）晶体组成的辐射探测器有如下优点7：碲锌镉晶体密度大、高原子序数，对射线有良好的阻止本领和高的灵敏度。每个探测器单元的面积或者组成的探测器阵列可以做的很小，成像系统有较高的空间分辨率。探测器具有较高的量子效率，探测范围广。探测器的能量分辨率要远高于闪烁体探测器和气体探测器。探测器晶体具有较高的电阻率，低水平的漏电流噪声，这使得探测器可以适用于集成电路中，方便了医学设备的制作。带宽能量高于15eV,带宽可以随着Zn的含量而改变，锌的加入使晶体中原子共价键的强度增加，材料的机械强度增加。但是CdZnTe 探测器的主要缺点是它的空穴载流子迁移速度较电子的迁移速度慢，电荷在漂移的过程中容易被陷阱俘获，导致空穴载流子的收集性能差，能谱软化会随着光子能量的增加持续出现，这会严重影响能量分辨率的提高，提高电子线路的性能和提升晶体制备质量可以弥补这些缺点。目前国内外学者在CdZnTe探测器方面的主要研究方向包括： 收集结构的研究，以提高对晶体内部载流子的收集速度；碲锌镉（CdZnTe）探测器的表面处理工艺，以提高其电气特性； 大尺寸高质量晶体的制作工艺，以减少杂质与缺陷，要获得优质性能的半导体材料，半导体的生长技术是关键，目前主要的生长技术包括高压布拉德曼、低压布拉德曼、垂直布拉德曼和游动传热法；提高信号处理系统的性能，以满足高精度和高处理速率的要求； 低噪声多通道大型集成电路的设计，以满足低串扰、大阵列、多像素的需求。总之性能好的探测器应该能够保证单极性载流子的探测效率，多电极探测器（三电极、五电极）成为近来的研究热点。碲锌镉（CdZnTe）晶体材料和碲化镉（CdTe）晶体材料的不同之处：一般情况下大尺寸的碲化镉（CdTe）晶体比碲锌镉（CdZnTe）晶体易于制备，碲化镉（CdTe）的晶体的直径可以达到50毫米，均匀性好并且没有晶界。而对碲锌镉（CdZnTe）材料来说，加入的锌元素增加了原子之间的共价键强度，大幅提高探测器的机械强度。锌元素的加入使半导体的禁带宽度增加，从而使碲锌镉（CdZnTe）晶体具有很高的电阻率，大大降低了探测器中漏电流8。微通道板（MCP）是光子计数型探测器中二维位置灵敏阳极的电子倍增器件，具有数百万个平行的电子倍增微通道。微通道中每个空芯管（650um）与连续打拿光电倍增管类似，微通道板以及实现电子倍增的原理图如图2.6所示。图2.6微通道板及其实现电子倍增的原理微通道板的工作原理是在微通道板的两端施加1KeV高电压，通道内部的特殊材料具有很好的二级电子发射特性，在高能光子或者带电粒子撞击微通道板的管壁时产生次级光电子，次级光电子在电场力作用下沿着微通道板向前运动，在与微通道板内壁多次碰撞的过程中实现电子雪崩，最后在微通道板的输出端输出大量的电子形成电子云，电子云被电荷收集阳极收集形成电子脉冲，经过后续的处理电路得到入射的X射线光子的信息。为使微通道板工作在理想的状态下，需要对微通道板进行预处理，对微通道板进行电子清刷老练，从而彻底去除微通道板内的残余气体分子。微通道板的工作模式有两种类型，一种类型是模拟模式，微通道板在非饱和状态（线性输出状态），输出信号的大小与输入信号的大小正比，这种模式是微通道板在图像增强器中的工作模式。另外一种工作模式类型是脉冲计数式（光子计数式），此时微通道板工作在增益饱和状态（非线性输出状态）。微通道板的增益大小与空芯管的长径比值、管壁两端的电压和管道内部材质的次级电子发射特性等影响因素密切相关。微通道板的最佳增益发生在长径比为4060附近，因此一般情况下将长径比设置在4060之间。微通道管的斜切角，适当改变斜切角可以提高电子与通道内壁相互作用的概率。开口面积比，它是指微通道板的开口面积与整个探测器面积的比值，探测器的探测效率与开口面积比成正比。最大计数率，微通道板中的每个通道在输出电荷脉冲后需要一段充电时间，这段时间称为微通道板的死时间，死时间是微通道板的固有属性，与微通道的电容和电阻有关。背景噪声，通道内壁附着的污染物电离是产生背景噪声的主要原因，使用前要进行清洗等处理9。微通道板除具备一般的光电倍增管的应用性能外，还具有快速时间响应和较高的脉冲高度，因此在核探测和大型仪器领域，微通道板有十分广阔的应用前景。微通道板与传统的单个光电倍增管相比，具有以下优点： 高增益，单块、双块V型级联和三块Z型级联的微通道板增益分别为103 、105、107，因此可以实现对能量较低的X射线进行探测。 微通道板不仅可以对电子进行响应，而且对X射线和高能粒子射线都有一定的响应度，从理论上讲微通道板可以对这些粒子进行探测。微通道板是有大面阵像素的光电倍增管组成，它包含数以万计的光电倍增管，可以实现目标信号的高鉴别成像。微通道板具有体积小、时间响应快和重量轻等优势。 微通道板具有电流的自饱和特性，它可以防止对光器件性能的破坏。2.3光子计数探测器与积分式探测器的比较CT技术发展至今，在后处理方式、图像重建算法以及能量成像等方面都取得了长足的进步。但传统探测器的电子学噪声和探测器单元间的串扰等问题已经成为CT技术进一步提高CT图像诊断能力，降低辐射剂量的桎梏。光子计数型探测器作为近年来迅速发展的一项技术，得到业界的广泛关注和研究。目前实际使用的电荷积分式探测器，实际上探测到的是X线在探测器中损失能量的积分值，也就是X线穿透被扫描物质时的衰减量。传统的成像方式所得到的是二维灰度图像，灰度值差别代表衰减量的不同，所以传统的探测器不能体现出X线能谱的分布特征。光子计数型探测器可以以设置电子学阈值的方式滤除低能噪声，进而可以从根本上消除低能噪声对成像带来的干扰，如果设置更多的电子学的阈值，就可以甄别每一个入射的光子和物质相互作用得到的脉冲信号，将识别出光子的能量信息对应到不同的能量范围内进行分别计数，直接得到不同能区的成像结果。积分式和光子计数式探测器的比较如2.7所示。图2.7积分式和光子计数式探测器的比较光子计数型探测器有很多优势。一方面，它可以设置电子学阈值，滤除低能的脉冲，消除低能噪声对图像质量的影像，提高了图像的质量；另外一方面，它还可以得到能谱信息，在一次扫描的条件下获得一系列不同能区的成像结果，把X射线成像带入到“彩色”的世界，对该领域带来一系列的变革。2.4光子计数探测器的构造和探测机制在CT成像领域选择的化合物半导体探测器厚度为23毫米，它可以有效的吸收20140KeV能量范围的X射线光子。他们被用来构造带有像素阳极的二维探测器阵列，比如1616个像素，每个像素2001000微米。基于碲化镉、碲锌镉、硅的半导体探测器已经在医学中得到了应用。随着技术的进步，X射线成像中在金属氧化物半导体或者薄膜晶体管读出电路上利用多晶硅直接存储技术在不远的将来成为可能。在读出电路上直接生长X射线转换材料来制作大面积、高空间分辨率的成像阵列是非常有效的方法。单个像素阳极与具有多个平行通道的专用集成电路（ASIC）连接。每一个通道包括放大器、脉冲整形器、N个可调节能量窗的脉冲高度比较器和N个计数器。对光子计数型探测器来说每个像素的能量窗数量N在2到6之间变化。在碲化镉探测器入射面一连续的金属化薄膜阴极上加一个相对于阳极的负偏压，在探测器深度方向上形成一个电场。探测器阵列和硅专用集成电路之间的连接是非常困难的，这是因为需要在不同物质和不同探测器单元以及不同探测器像素的布局和单个专用集成电路（ASIC）之间实现大密度的连接。标准的丝焊和常规的焊料回流技术不能在碲化镉和碲锌镉探测器上使用，必须使用低温焊料回流技术、银环氧树脂或者其他的冲焊技术。探测器的装配经常需要插板来协助。高密度的平行通道来增加探测器系统的输出量的方法是利用在给定面积上增加探测通道和信号处理通道的数量来实现的。然而密集的多通道快速电子线路导致大的功率消耗和所产生的热量需要及时排出来保证探测系统的正常工作。为了降低功率的消耗，应该考虑从每个像素之间最短连接产生的杂散电容入手来解决。光子计数型探测器对N个能量窗中每一个能量窗内的光子计数过程叙述如下：在X射线光子到达探测器时，产生的能量沉积生成电荷，在电场的作用下电荷向电极移动的过程中产生一个脉冲信号，然后这个脉冲信号经过专用集成电路（ASIC）处理。脉冲的高度与给定的能量阈值进行对比，如果脉冲高度超过能量阈值计数器就计数。N个能量窗的光子计数原理图如2.8所示，相邻的能量阈值下计数器的计数相减可以得到这两个能量阈值组成的能量窗内光子的个数。图2.8具有N个能量窗的光子计数探测器计数原理图讨论光子计数探测器处理速度时将用到峰值时间和死区时间这两个概念。峰值时间是指脉冲被放大器或者信号处理电路处理峰值达到最大时所需的时间，而死区时间是把两个脉冲分离开从而被记录为两个事件的最小时间间隔。死区时间与峰值时间有关，理论上最小的死区时间等于峰值时间的两倍。但是在实际的探测系统中存在大量的通道，死区时间是非常长的。在CT成像中为了满足高计数率和高探测效率要求，我们迫切需要开发出一种可以实现反应信号形成时间远远小于载流子在探测器厚度方向上穿过所需时间的探测器结构。以下三种探测器结构可以满足上述要求：（a）利用小像素效应的探测器结构，（b）平行漂移结构，（c）多层结构。（a）小像素效应在探测器中像素尺寸小于探测器厚度可以实现小像素效应。电极布局实现的小像素效应在减少激励信号中快速部分的存在时间是非常有效的，这是因为激励信号几乎全部是由于电子到达像素阳极附近时的运动产生的。但是，像素的尺寸不能太小，在探测器厚度23毫米的条件下像素尺寸太小（小于0.5毫米），由于像素间电荷共享导致能谱发生畸变引起的后果是非常严重的。（b）平行漂移结构另外一种缩短信号存在时间的方法是实施平行漂移结构。漂移结构考虑了电荷从大体积阴极到小尺寸阳极的收集过程。由于小尺寸阳极实现了信号的快速形成，因此用这种方法可以保留良好的能谱反应。但是，在同样的探测器尺寸下与利用小像素效应的电极布局相比漂移结构需要更多的电极和尺寸更小的阳极。更多的电极和尺寸更小的阳极可能增加探测器与专用集成电路之间连接的难度。（c）多层堆叠另外一种可以选择的探测器结构是由不同厚度探测器层堆叠而成。在深度方向上多层堆叠的探测器可以减少每层探测器需要处理的计数。每层探测器的厚度实现最优化可以得到优异的计数表现和避免饱和。另外一个潜在的益处是利用光子与探测器相互作用的深度来估计光子的能量。这种结构中关于不同层之间的相互作用和读出电路的设计在实现过程中有一定的难度。为了保持探测器不同层之间密切接触，每一层与读出电路之间的连接需要延长，如果设计不当的话这有可能导致额外的杂散电容和像素之间的串扰。增加的杂散电容在高计数率下尤其显得不利，这将导致高电子学噪声和读出电路高功率消耗。除此之外，多层的探测器的制作成本可能会更加大大提高。基于硅多层堆叠的光子计数探测器已经在CT中得到应用，每像素16层和每层8个能量阈值的光子计数探测器已经获得了很高的计数率。在深度方向上增加的厚度达到30毫米弥补了硅的低原子序数这一缺点。这种情况下总的探测效率可以达到80%。与化合物半导体探测器相比，硅探测器在质量、纯度以及制作成本上存在的问题较少。由于硅的原子序数较低，入射的光子和硅大部分发生康普顿效应，而不是光电效应，模拟发现硅探测器在散射后的谱与原始的谱保持一致。2.5光子计数探测器性能退化因素光子计数探测器在实际的数据获取中可能由于各种各样的因素偏离实际的情况，导致光子计数探测器性能退化的因素主要有以下几种，脉冲堆叠、电荷共享、X射线的K层逃逸、康普顿散射、电荷俘获以及极化效应和稳定性等，下面对每一种因素做详细的阐述。2.5.1脉冲堆叠脉冲堆叠经常存在于光子计数型探测器系统中并且取决于计数率和探测器的死区时间。具有长死区时间的探测器系统在低计数率时会出现这种效应。入射光子产生的多个脉冲可能堆叠并且被记录为一个脉冲，导致计数丢失和错误的能量记录。脉冲堆叠如图2.9所示。图2.9脉冲堆叠在CT和X射线医学成像中要求的高计数率，观察到两种脉冲堆叠效应：峰值堆叠和尾部堆叠。在脉冲初始部分被记录为一个比原始脉冲能量高的能量计数，这被称为峰值脉冲堆叠。计数丢失被称为死区时间丢失，脉冲的长尾影响接下来事件的能量记录。对于双极型的脉冲，在前面一个脉冲的尾部产生峰值重叠导致一个低的能量记录，对于单极型将会导致高的能量记录，这就是所谓的尾部脉冲堆叠。峰值脉冲堆叠和尾部脉冲堆叠都使记录的能谱发生扭曲，扭曲的数量取决于计数率10。2.5.2电荷共享当一个X射线光子在光子计数型探测器中被吸收时，在探测器中最先形成一个电荷云。这些电荷（电子和空穴）在电场的作用下漂移到各自的电极。这些电荷云在扩散效应和库仑力的作用下逐渐长大。如果电荷云到达邻近像素边界的阳极，它可能被分开并且在比原始能量低的能量下被多个像素单元探测到，导致光谱的扭曲。这种效应取决于探测器的材料，它决定了着电荷载流子的迁移率、像素的大小、施加的偏压以及在探测器中相互作用的深度。2.5.3 X射线K层逃逸当X射线光子通过光电效应与光子计数探测器相互作用时，原子内部壳层的电子发射出来，导致原子电离。发射电子留下的空位由更高轨道的电子来填充，跃迁的能量可以以发射特征X射线光子或者俄歇电子的形式来实现。在CT应用中低能X射线与探测器材料相互作用时主要以光电效应为主，由于碲和镉的高荧光产额，特征辐射的是主要的类型。由于被发射的光子是任意方向的，它们可能以主要的相互作用方式再次被光子计数探测器吸收，被邻近像素探测到或者彻底离开光子技术探测器。在第二或者第三种情形下，记录的能量比K壳层的能量低，这是由于特征X射线从像素中逃逸出去了。在第一种情况下，由主要的相互作用类型和次级的X射线产生的两个电荷云可能会导致准入射事件，如果探测器电子线路处理速度足够快可能被记录为两个独立的计数或者如果电子线路不够快可能被记录为与脉冲堆叠类似的一个单独的计数。图2.10入射光子与探测器相互作用的示意图在图2.10中显示了入射光子与探测器材料发生相互作用的几种方式。（a）在边界上的相互作用将会被邻近的像素探测到（电荷共享）。（b）光电效应导致光子计数探测器材料发出K层逃逸的特征X射线，产生的X光子被相同的像素吸收导致准入射事件。（c）K层逃