医疗CT中碲锌镉(CZT)探测器的工作原理(精选PPT)

医疗CT中CZT探测器的工作原理 以及对CZT材料的要求 主要内容 CZT探测器在医CT中应用的优势 三 2 1 1 CT工作原理 图1投射X射线的发射源与探测器布置示意图图2新型螺旋CT 3 CT成像原理 图3 CT成像原理图所谓的X CT断层图像 就是一幅反映层面X射线吸收系数 值的空间分布图 4 X CT的物理原理 单色X射线通过均匀物质时被吸收的规律为 I I0exp x 体素 CT利用人体不同组织对X线的吸收不等 将人体被测层面分许多立方体小块 称为体素 假设 厚度均为x 对于临床使用的低能X射线 各种元素的质量吸收系数近似的可用下式表示 m k 3 m 物质的线性吸收系数 Z 物质的原子序数 为X射线的波长 医用X射线 3 5 5 对上式移项取对数 可得 我们把重建层面分为n n个体素的矩阵阵列 通常为256 256 512 512 体素越小 像素也越小 图像越细腻 携带的生物信息量就会越大 在重建影像上采取了数学 卷积 反投影 的方法 以更进一步提高影像的质量 6 CT数 m w w 在图像重建的过程中 首先是计算每个体素的吸收系数 再将其转换为一个适当的图像像素值 这个图像像素值成为CT值 CT值 k 在多数CT中 k取1000 CT的单位为H一个CT装置的密度分辨率为 H 5 即能鉴别相当于0 5 w的密度差异 而胶片则望尘莫及 7 1 2医用CT的发展过程 1 第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 结构 X射线管和探头作为一个整体 使用宽角度扇形X射线束 包围患者断层特点 进一步提高了扫描速度 将单帧扫描时间减到了2 3秒 结构 一个X射线管 一个探测器缺点 扫描速度慢 易产生运动伪像 在第三CT机的基础上增加探测器的数目 约420 1500个 布满整个360 而成一个环形圈 扫描时探测器静止不动 仅X射线管旋转 使单帧扫描时间进一步缩短到2秒以下 以X射线的磁偏转代替了原来X射线管的偏转 大大缩短了扫描时间 使单帧扫描时间缩短0 1秒 从而提高了对快速活动的器官的诊断能力 结构 多个探测器特点 单帧影像扫描时间缩短到20秒左右 但对腹部来说仍嫌太长 8 9 第三代CT的工作原理 扫描方式 被扫描物体要适合于探测器视图范围 每成一层像X射线 探测器系统要旋转一次 然后以层宽为基础对被测物进行重新定位 优点 时间短缺点 生成图像中的固有光圈 图4第三代工业CT的工作原理 10 最近几代的CT机 除了更进一步缩短扫描时间之外 还有一个改进就是在重建影像上采取了卷积 反投影的新方法 以更进一步提高影像的质量 对CZT探测器以及CZT材料提出了新的要求 11 晶体闪烁探测器 气体电离探测器 2 CT中CZT探测器的工作原理 CT中探测器的主要功能 探测通过人体层面的X射线 并产生与X射线的辐射强度成正比的电信号 也就是进行扫面和采集数据 12 晶体闪烁体探测器 工作原理 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 如图8 1所示 或是CCD阵列 如图8 2所示转化成电信号系统组成 闪烁体 光电倍增管 电源和放大器 分析器 现代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理测量结果 13 气体电离探测器 常用气体 氙气 工作原理 在氙气探测器上施加高压电厂和气压 使之处于电离饱和状态 所有自由电荷都垂直于X射线方向收集 从而形成信号电流 直接反映探测器接受X射线的情况 14 半导体探测器 CdTe CdZnTe 图5CdZnTe探测器示意图 图6CdZnTe探头电路设计图CZT探头采用8路脉冲实现数据采集 其中每一路均有一片4 4 2 的晶片组成 在医学成像器件上 CZT探测器常被制成由许多单元探测器组成的阵列 单片一维阵列 单片二维阵列 像素探测器 15 密度分辨率 能量分辨率 空间分辨率 CT图像质量的参数 探测效率 3 CZT探测器在医用CT中应用的优势 图7 CdTe探测器与其它常用探测器性能比较 16 高空间分辨率 探测效率高 灵敏度好 体积小 高能量分辨率 使用环境 CZT材料的优点 CZT电阻率高 漏电流小 噪声低 17 使用环境 对温度 湿度不敏感 可在室温下使用 工作温度为 30 50 峰值的温漂小于0 1 不需液氮制冷 CZT无潮解 化学性质稳定 碘化钠 NaI 闪烁晶体则易受潮解而变质 化学性质相对不稳定 18 高探测效率 例如 平板探测器的量子探测效率 DQE CdTe 40 60 闪烁体 如CsI 30 40 图8 不同探测器探测效率比较 19 CZT探测器制作工艺的优势 晶体体积和面元像素的大小根据对空间和能量分辨率以及测量能谱范围等具体探测要求而定 20 CZT探测器优点 高能量分辨率CZT探测到的光子直接转换产生电荷 无需光电倍增管和光电转换过程 这使它具有更高的电荷收集特性和能量分辨率 探测效率比采用闪烁晶体的效率更高 在能量分辨上比闪烁体提高了3倍 在室温下对X射线 射线能量分辨率好 能量探测范围在10keV 6MeV 无极化现象 非常适合探测器能量10 500keV的光子 体积小CZT探测器因为不需配置光电倍增管 以及外加制冷设备 因此有小体积 重量轻的特点 漏电流小 噪声低主要因为CZT晶体电阻率高达1011 cm 21 空穴陷获CdZnTe的电子和空穴 差别较大 e e 5 10 3cm2 V h h 10 5cm2 V 因此 空穴的陷获效应比电子的陷获严重 导致电荷收集不完全 出现严重影响能量分辨率的空穴尾效应 从而影响了能谱的能量分辨率 晶体缺陷单晶中的缺陷 富Te夹杂 龟裂等 构成对电子和空穴的陷获中心 由于空穴的迁移率和寿命都较低 空穴的漂移长度较短 在1000V cm的电场下 约为60 m 电子漂移长度也仅为1315mm 22 解决方法 改进电极结构电容弗里希 构成只收集电子的单电荷载流子探测器 消除空穴陷获的影响 再拼接成大面积探测器 以提高探测器的灵敏度 采用电学方法脉冲整形 电荷补偿像素探测器小